APTE. Nº1 SEDIMENTACION 2011

5/11/2018 APTE. Nº1 SEDIMENTACION 2011 - slidepdf.com

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UNIVERSIDAD DE ATACAMAINSTITUTO TECNOLOGICO

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APUNTE Nº1. ANTECEDENTES SOBRE SEDIMENTACION

a) INTRODUCCION.

Sin lugar a dudas, sus primeras aplicaciones se pueden apreciarprobablemente desde los principios del hombre quien ha de haber usado elprocedimiento para clarificar el agua que bebía.

Las primitivas prácticas seguidas en metalurgia, incluían el lavado deminerales y la segregación subsecuente de las partículas aprovechando la

fuerza de gravedad.

En los primeros años del siglo 20 se colocó el procedimiento sobreuna base de operaciones continuas al inventarse el espesador. El uso derastrillos que giraban lentamente en los primeros asentadores introdujo unmedio mecánico eficaz para la descarga de los sólidos pesados y permitió elempleo de tanques.

Las mejorías hechas desde 1900 se han limitado primordialmente almecanismo impulsor y a la variación de los diseños ordinarios con el fin derealizar operaciones específicas.

Mediante la operación de espesamiento es posible entonces,recuperar gran parte de esta agua contenida en los productos de desecho yretornarla nuevamente al proceso tal cual como se practica en muchasplantas.

b) ANTECEDENTES TEORICOS.

¿Qué se entiende por espesamiento?

Es la operación de separar, mediante el mecanismo de sedimentación,

parte del agua de una suspensión, a fin de obtener una pulpa de mayorconcentración de sólidos y un flujo de agua clara.



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¿Qué se entiende por sedimentación?

El término “Sedimentación” implica el asentamiento por gravedad delas partículas sólidas suspendidas en un líquido. Puede dividirse en dosclases generales: sedimentación de materiales arenosos y sedimentación delimos. Por lo general, el término sedimentación supone la eliminación de lamayor parte del líquido o el agua del limo después del asentamiento de éste.

FACTORES.

Los factores que influyen en la caída de una partícula en un mediofluido son los siguientes:

a) Por parte de la partícula (considerada como mineral)

- Densidad de la partícula.- Propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas.- La pureza del mineral (cuya incidencia queda de manifiesto en su

densidad)- Tamaño de la partícula.- Forma de la partícula.

- Su solubilidad en el medio.- Su capacidad de solvatación

b) Del medio (fluido).

- Densidad del medio.,- Viscosidad del medio.- Las propiedades como pulpa propiamente tal, es decir, su

porcentaje de sólidos, o bien como se expresa comúnmente, surazón de dilución o proporción de líquido a sólido.

- Sus propiedades disolventes

c) Mecánicas en general.

- Factor que reaccionará directamente con el tipo de equipo y susaccesorios mecánicos en que se realice una determinadaoperación.



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3. MECANICA DE CLARIFICACION.

La relación de dilución, o sea, la del peso de los líquidos al de lossólidos, tiene gran importancia en todos los problemas de clarificación. Si,por ejemplo, se vierte una pulpa fluida, como un limo o fango mineral muydiluido, en un cilindro de vidrio y se deja asentar, se observa lo siguiente:Primero, vemos que tiene lugar una clasificación, en la que las partículasmás gruesas se posan en el fondo con una rapidez relativamente grande,mientras las partículas más finas, que asientan más lentamente, permanecen

en suspensión en la parte superior con escalonamiento de tamañoscomprendidos entre dichos límites. Todas las partículas pueden moverselibremente y, salvo las de tamaño coloidal, se posan a velocidad constante.

A continuación una clarificación gradual, relativamente lenta en lasúltimas etapas si están presentes partículas muy finas, y no existe ningunalínea de demarcación entre los sólidos que posan y el líquido que sobrenada.

Aumentamos poco a poco, la densidad de la pulpa añadiendo algunascantidades de sólidos y observamos lo que sucede después de cada adición,luego que la pulpa resultante se ha mezclado bien y se ha dejado asentar.

Observamos, primero, que se alcanza una dilución en que las partículas quese posan más rápidamente forman una zona y posteriormente se sedimentancolectivamente a velocidad retardada; segundo, que esta zona comienza aformarse más pronto cada vez, hasta que con el tiempo se alcanza un puntoen el que la sumersión de los sólidos se produce en masa, no pudiendodiscernirse entre ellos y el líquido que sobrenada; tercero, desde este punto,en el que tiene lugar la sumersión con una rapidez más o menos constante,se alcanza un punto de concentración denominada “Punto de

Compre sión” y señala la línea divisoria entre la zona de clarificación y la deespesamiento. Por consiguiente, las pulpas pueden clasificarse como en lasiguiente tabla:



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TABLA: CARÁCTER DE LA SUMERSIÓN CON DIFERENTESTIPOS DE PULPAS

Tipo depulpa

Carácter de laSumersión

Descripción Ejemplos

Zona de clarificaciónpor sedimentación

Diluida Sumersiónindependiente de las

partículas

Las partículas o flóculosse posan

independientemente. Noexiste ninguna líneadefinida de sumersión.Sedimentación noestorbada y que dependedel tamaño de la partículao el flóculo.

Agua turbia, aguasfecales y

desperdicios de laindustria.

Intermedia Sumersión por fases Zona superior desumersión independientede las partículas. Zonainferior de sumersióncolectiva. Línea dedemarcación indefinida.

Pulpas químicas ymetalúrgicas

Punto de Compresión Concentrada Sumersión colectiva Líneas de sumersióndefinida. La rapidez desumersión disminuye alaumentar laconcentración de lossólidos. La rapidez desedimentación se retardapor la interferencia de laspartículas o los flóculos.

Pulpas químicas ymetalúrgicas

Zona de espesamientopor compresión Compacta Sumersión compacta Flóculos y partículas encontacto íntimo.Sumersión debida a lacompresión.

Todas las pulpaspasan por estazona porsedimentación.



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DEFINICIONES Y CONCEPTOS

-Espesador : Estanque rectangular o cilíndrico con un fondo inclinado y unmecanismo de rotación de las rastras que conducen los sólidos a la descargacentral abierta. Un rebalse periférico ubicado en la parte superior del estanquesirve para evacuar el agua clarificada.

-Limos :Material suelto con una granulometría comprendida entre la arena fina yla arcilla.

-Coagulación :Unión de partículas por adhesión de unas a otras ,mediante laneutralización de las cargas eléctricas superficiales.

-Floculación : Adición de reactivos químicos que facilita la sedimentación departículas, generando puentes entre éstas.

-Floculantes : Polímeros orgánicos naturales como los polisacáridos ( almidón ysus derivados),o sintéticos como las poliacrilamidas.

-Solubilidad : Es una medida de la capacidad de una sustancia para disolverseen otra. Se expresa en moles por litro; gramos por litro o en porcentaje de soluto.

-Solvatación : Proceso de atracción y asociación de moléculas de un disolventecon moléculas o iones de un soluto. Al disolverse los iones en un solvente ,sedispersan y son rodeados por moléculas de solvente. A mayor tamaño del ion másmoléculas de solvente son capaces de rodearlo y más solvatado estará el ion.

-Viscosidad: Es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales.

-Coloides : Partícula con un tamaño desde un micrón a 10 angstrom.

-Suspensiones : Partículas mayores a un micrón.



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ESPESAMIENTO INDUSTRIAL

1.1. Sedimentación de partículas.

Analizaremos en primer lugar, las principales características de lasfuerzas de sedimentación que tienden a hacer decantar las partículassólidas.

Una partícula sólida, aislada, en un fluido de menor densidad, tiende acaer aumentando su velocidad de equilibrio entre las fuerzas de gravedad y

las fuerzas de resistencia del fluido. Esta velocidad de equilibrio sedenomina velocidad de sedimentación.

Esta velocidad de sedimentación es función del diámetro de lapartícula que sedimenta, del peso específico relativo entre el sólido y elfluido, y la viscosidad del fluido.

Por otra parte, dependiendo de las características del fluido y de lavelocidad de sedimentación, es posible que las partículas sólidas decantenen régimen laminar o estratificado o en régimen turbulento. (Fig.1.1.1.)

Las partículas naturales que se encuentran en los procesosindustriales tienen habitualmente formas irregulares, cuya caracterización esdifícil, incluso en términos estadísticos.

En los términos más simples, la especificación de una partícularequiere por lo menos una medida de su tamaño y una medida de su forma.

1.2. Floculación en sedimentación de pulpas.

Las pulpas o suspensiones de sólidos finamente divididos que segeneran habitualmente en la industria minera se pueden considerar en

general como suspensiones estables.

La repulsión electrostática entre partículas las mantiene separadas.Cada partícula posee una carga superficial neta. En asociación con lasuperficie cargada existe una nube circundante de cargas opuestas formandolo que se conoce como doble capa eléctrica. Cuando las partículas intentan



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chocar, las dobles capas eléctricas se repelen entre sí e impiden lafloculación.

La floculación de suspensiones puede inducirse de tres maneras:

- Reduciendo la carga superficial.- Rompiendo la doble capa eléctrica.- Por conexión polielectrolítica o polímeros orgánicos de cadena larga.

Con un pH casi neutral la mayoría de los sólidos en agua sonnegativos. No obstante, la carga superficial varía de acuerdo con el pH,

pudiendo ser positiva, negativa, o cero.

La carga pasa a cero (punto isoeléctrico) al alcanzar el pHcaracterístico de cada sólido. A medida que el pH se acerca al puntoisoeléctrico disminuyen la carga superficial y la doble capa eléctrica. Conmenos repulsión entre las partículas comienza la floculación.

Los electrolitos añadidos, y particularmente los iones inorgánicos deFe++, Al+++, Ca++ provocan una neutralización de las cargas superficiales,permitiendo que las partículas entren en contacto y se adhieran comoresultado de las fuerzas moleculares.

Se cree que los polielectrolitos pueden flocular suspensiones pormedio de enlaces o conexiones tipo puentes. Esta teoría presenta polímerosde alto peso molecular que deben ser fuertemente absorbidos, lo cual sefacilita con los grupos químicos que tienen buenas características deadsorción, tales como los grupos de amidas.

Las poliacrilamidas, que varían ampliamente en el peso molecular ydensidad de carga, se utilizan mucho como floculantes.

El modo de acción de las poliacrilamidas aniónicas depende de un

segmento muy grande de la molécula que es absorbida sobre la superficie deuna partícula, dejando una gran proporción de la molécula libre para serabsorbida sobre otra partícula, formando así un enlace molecular real opuente, entre las partículas.



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Cuando las partículas conectadas se mueven al azar entre sí, se juntan a cada superficie más cadenas de polielectrolitos. Por medio de estaacción se agrupan las partículas y se produce la floculación.

Cuanto más pequeña sea la partícula en suspensión, tanto mayor serásu densidad de carga y tanto más fuerte repelerá al polímero aniónico. Estees el motivo por el cual suele haber una ligera turbidez en agua tratadasolamente con floculantes aniónicos.



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1.3. Espesadores.

Estos equipos son estanques cilíndricos, donde los sólidos seseparan por sedimentación. El agua limpia rebosa a una canaleta que rodeael estanque y el sólido sedimentado es arrastrado hacia el centro por paletasy se descarga por el fondo de él.

La figura 1.3.1. muestra un corte esquematizado de la operación de unespesador continuo.

- Zona A: Zona de líquido claro

- Zona B: Pulpa de consistencia uniforme, similar a la alimentación.

- Zona C: Etapa intermedia donde la pulpa está entresedimentación libre y compresión.

- Zona D: Zona de compresión, aquí ocurre el desagüe por lacompresión de los sólidos forzando al líquido a subir porlos intersticios.

En la práctica, las zonas B, C y D son difíciles de distinguir, lo quesucede realmente se muestra en la Figura Nº1.3.1.



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1.3.1. Elementos de un espesador.

La Figura Nº1.3.3. presenta en forma esquemática los elementos deun espesador.

- Caja de alimentación: Su función es disipar la energía del flujo dealimentación como también lograr que la pulpa entre al estanque encondiciones relativamente tranquilas y proporcionar un medio deintroducción de la pulpa a una profundidad apropiada en el espesador.

- Estanque: Proporciona el tiempo necesario para producir lasedimentación de los sólidos y clarificar el líquido. La pendiente delfondo ayuda al movimiento de los sólidos concentrados hacia el puntode descarga.

- Rastras: Estas cumplen 3 funciones:

1. Mover el sólido sedimentado hacia el punto de descarga.2. Mantener un grado de fluidez en el espesador para permitir la

reunión hidráulica.3. Aumentar la concentración de sólidos de la descarga al producir

canales para que escape el agua desde la zona de compresión.

- Cono: Cumple una función similar a las rastras ya que permite ladescarga de la pulpa espesada.

- Canaleta rebose: Recolecta el agua clarificada para transportarlahasta la salida.

- Conductor de rastras: Proporciona el torque necesario para moverlas rastras en contra de la resistencia de los sólidos espesados.

- Levantador de rastras: Proporciona el medio de levantar las rastrasfuera del contacto con los sólidos más concentrados para disminuir eltorque. Este mecanismo opera mientras las rastras están rotando.



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BALANCE DE MASA

El balance de masa del espesador es una operación muy fundamentalpara asegurar su buen funcionamiento. Debido a los flujos que se manejanes necesario mantener siempre el control con respecto a densidad y caudal,los cuales están directamente relacionados.

FLUJOS.

Ejemplo: Consideremos al espesador como una caja a la cual entran

y salen flujos de acuerdo a la siguiente figura Nº 2.0:

Figura 2.0

Flujo Flujo

Entrada Salida1 2

FlujoSalida 2

La idea del balance es mantener en equilibrio los flujos de entrada conrespecto a los de salida. Se ve obvio, si nos referimos a la Figura Nº2.0.

Si mantenemos constante el flujo de entrada y el flujo de salida Nº1 se

cierra, se ve claramente que la única alternativa de salida es el flujo Nº2.Esta condición se puede dar en dos situaciones.

a) Cuando la descarga del espesador se cierra o,

Espesador

Concentrado



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b) Cuando el espesador está recirculando, en esta condición la figura setransforma en la siguiente Figura 2.1.

Flujo Flujo

Entrada Salida

FlujoSalida

DENSIDAD

Un análisis especial requiere el tema de la densidad que se graficamejor con los siguientes ejemplos:

Ejemplo Nº1, condiciones:

- Flujo de pipeline aprox: 100 m3 /Hr.

- Densidad de alimentación: 2050/Kg/m3

- Porcentaje de sólido en la alimentación: 65%

- Densidad de descarga: 2300 Kg/m3

- Porcentaje de sólido en la descarga: 72%

EspesadorConcentrado



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100 m3/Hr 23002050 Kg/m3 72%

65% ¿? m3/Hr

¿? m3/Hr

CALCULOS:

1. Determinación toneladas/hora de alimentación

Alimentación = 100(m 3 /Hr) 2050 (Kg/m 3 ) (Ton/1000 Kg) = 205(Ton/hr)

2. Determinación de cantidad de concentrado y agua en la alimentación.

Cantidad de sólido = 205(Ton/Hr) 65/100=133(Ton/Hr) Cantidad de agua = 205 (Ton/Hr). 133(Ton/Hr) = 72 (Ton/Hr)

3. Determinación de toneladas/hora totales de descarga.

Descarga = 133 (Ton/Hr) 100/72 = 185 (Ton/Hr)

4. Determinación del flujo de descarga de acuerdo a la densidad pedida.

Flujo descarga= 185 (Ton/Hr ) )1000 / 8] /2300[kg/m3

kgTon = 80 (m 3 /Hr)

5. Determinación del flujo descartado por el rebose.

Del paso número 3 se calcula que el agua que se va en la descargaes:

Agua en la descarga = 185(Ton/Hr).- 133 (Ton/Hr) = 52 (Ton/Hr)

EspesadorConcentrado



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Del paso número 2 la cantidad de agua que viene en la alimentaciónes:

Agua en la alimentación = 72(Ton/Hr)

Por lo tanto:

Agua en el rebose = 72 (Ton/Hr).- 52(Ton/Hr) = 20 (Ton/Hr)

Como la densidad del agua es 1 (Ton/m3)

Agua en el rebose = 20(m3 /Hr)

Esto equivale a 5.5. (Lt/S)

6. Conclusión:

Si tenemos una alimentación del pipeline de 100 m3 /Hr. Con unporcentaje de sólidos de 65% y una densidad de 2050 Kg/m3, ydeseamos descargar del espesador una densidad de 2300 Kg/m3 conun 72% de sólidos, el flujo de descarga deberá ser de 80 m3 /Hr.

A continuación se presenta una tabla, en la cual se varía la densidadde alimentación y la de descarga para ver de que manera estos cambiosafectan al flujo de descarga.



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TABLA

CONDICIONES

ENTRADA SALIDA FLUJO CALCULADO

100 m3 /Hr.2050 m3 /Hr

65% de Sólido

2300 Kg/m3

72% de Sólido80 m3 /Hr

100 m3 /Hr.1850 m3 /Hr

59% de Sólido

2300 Kg/m3


100 m3 /Hr.2150 m3 /Hr

69% de Sólido

2300 Kg/m3


100 m3 /Hr.2050 m3 /Hr

65% de Sólido

2400 Kg/m3


100 m3 /Hr.2050 m3 /Hr

65% de Sólido

2100 Kg/m3




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DIMENSIONAMIENTO DE ESPESADORES CONTINUOS

El dimensionamiento de estas unidades implica especificar el diámetroy la altura del estanque. Pruebas continuas realizadas en unidades pilotopermiten analizar el comportamiento de la pulpa problema y diseñar losespesadores industriales. Sin embargo, la poca disponibilidad de estasunidades y la magnitud del volumen de pulpa que debe manejarse hacenpoco practicable esta alternativa.

La herramienta más utilizada, es el estudio de la muestra de pulpa

mediante pruebas de sedimentación batch, comúnmente realizadas enprobetas de uno a dos litros.

Existen diversas metodologías que permiten utilizar la información depruebas batch para el dimensionamiento de unidades continuas. Todas ellasse basan en la determinación de las condiciones límites, variando sólo en laforma de manejar la información experimentación.

Los métodos propuestos varían en la forma de estimar el área unitariaa partir de la información experimental; algunos de los más conocidos son losde Coe-Clavenger (1916) y Kynch (1952)

ALCANCES SOBRE PRUEBAS DE SEDIMENTACION

Coe-Clavenger, en 1916, bajo las suposiciones que la velocidad desedimentación es sólo función de la concentración y que características delsólido tales como grado de floculación no varían con la concentración,propusieron obtener esta información a partir de los instantes iniciales de unaserie de pruebas de sedimentación batch, realizadas a diferentesconcentraciones iniciales, aprovechando el hecho que para esos tiempos la

curva de sedimentación es una recta.

En 1952 Kynch presentó la primera teoría de sedimentación. Estateoría que es puramente cinemática, describe la sedimentación batch comoun fenómeno de propagación de ondas, basándose en las siguientessuposiciones.



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a) La suspensión es originalmente homogénea.

b) La velocidad de sedimentación es una función de la concentraciónlocal solamente.

c) Las partículas son esféricas y de tamaño uniforme, por lo que elmaterial sedimentado es incompresible.

La interpretación de una prueba batch de sedimentación desde elpunto de vista de la propagación de ondas se puede resumir en lossiguientes puntos:

a) Antes que comience la sedimentación, habrá una concentraciónuniforme de partículas en todo el volumen de la columna.

b) Las partículas en sedimentación llegarán al fondo de la columnadonde se acumularán. La concentración del material acumulado serámayor que la concentración inicial de la suspensión, cualquier nivel decoordenada vertical fina, aumentará la concentración con el tiempo.Esto significa que una zona de concentración determinada, que alcomienzo se encontraba cerca del fondo de la columna, se desplazaráa regiones superiores a ella. Si se sigue el nivel de concentración

constante, éste se desplazará hacia arriba, constituyendo lo que sedenomina una onda de concentración constante.

Kynch, mediante un balance de masa sólida demostró que lavelocidad de ascenso de una onda es constante. Esto es, si se realiza unbalance en una onda de concentración C, la masa de sólido que entra a laonda debe ser igual a la que sale.

Tanto Coe-Clavenger y Kynch suposieron que la velocidad desedimentación es sólo función de la concentración. Esta suposición esaceptable para concentraciones menores que la del punto crítico, sin

embargo no es así en la zona de compresión, ya que la compactación delsedimento en cualquier nivel se ve afectada por el peso de la columnahidrostática y del sólido sedimentado en los niveles superiores. Por lo tantolas curvas de velocidad y densidad de flujo de sólidos en función de laconcentración son dependientes, en la zona de comprensión, de la altura dela columna en que se realiza la prueba, según se muestra en la Figura:



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Figura: Curvas de velocidad de sedimentación y la densidad de flujo enfunción de la concentración. Para concentraciones mayores que Cc,las curvas se hacen indefinidas en función de la altura delsedimento.

FLOCULACION SELECTIVA

El procesamiento de minerales finamente dispersos a menudoproduce partículas ultrafinas que no responden adecuadamente a lasoperaciones convencionales de concentración, produciéndose concentradosde baja ley o pérdidas considerables en los relaves.



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La floculación selectiva constituye una alternativa importante en elprocesamiento de estos materiales. Persigue la formación de agregados departículas de una misma especie en el seno de una dispersión polidispersaestable o previamente estabilizada. Se logra adicionando reactivosfloculantes, de acción específica, que se absorben selectivamente.

Los flóculos formados se separan del material disperso mediantetécnicas convencionales de sedimentación, elutriación o flotación.

Referencias bibliográficas remontan la floculación selectiva a 1912,sin embargo su desarrollo ha sido lento debido a la escasa disponibilidad de

floculantes selectivos. Actualmente, aún cuando existe un buen número depatentes, los trabajos se producen prácticamente al ámbito del laboratorio.Hoy en día existe sólo una instalación a nivel industrial que opera en TildenU.S.A. con una capacidad de 10 millones de toneladas al año. La plantasepara hematina de sílice, combinando la floculación selectiva con una etapade flotación. Mediante elutriación en un espesador se separa la sílice de lahematina floculada y posteriormente en una etapa de flotación la fracciónmás gruesa de sílice que acompaña el sedimento.

Los investigadores han delineado una serie de factores que sedeben tomar en consideración al pensar en la floculación selectiva. Algunos

de ellos son:

Los principios de la Físico-Química de superficie que rigen laflotación, son básicamente validos para la flotación selectiva.

La pulpa inicial debe estar totalmente dispersa (dispersión estable)de modo que todas las partículas están separadas.

La adición de floculante debe hacerse de forma tal que se evitesobredosis locales.

Partículas de especies no deseables serán atrapadas por losflóculos y sedimentados con ellos, en forma proporcional a laconcentración de los sólidos.



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VELOCIDAD DE SEDIMENTACION

En una dispersión inestable, la fase sólida se separa de la líquidadebido a la fuerza gravitacional. La velocidad de separación, velocidad desedimentación, está determinada por las propiedades del sólido, del líquido yde la mezcla.

Respecto del sólido se puede indicar su densidad, forma, rugosidadsuperficial, condición eléctrica de su superficie y distribución granulométrica.De la fase líquida debe tomarse en cuenta su densidad, viscosidad,

naturaleza molecular y sustancias disueltas.

Y como mezcla debe considerarse la concentración del sólido.

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