¿Qué es un mezclador-asentador?
Un mezclador-sedimentador es un equipo de extracción líquido-líquido que combina dos zonas contiguas: una cámara de mezcla donde dos fases líquidas inmiscibles (por ejemplo, una alimentación acuosa y un extractante orgánico) se ponen en contacto enérgicamente para permitir la transferencia de solutos, y una cámara de clarificación (o sedimentación) donde, bajo la influencia de la gravedad, la emulsión mezclada se separa en sus fases constituyentes.
Este dispositivo se utiliza ampliamente en operaciones hidrometalúrgicas de extracción por disolvente para la separación y purificación de metales; permite el funcionamiento continuo o en varias etapas para la separación en profundidad, acoplando directamente las etapas de mezcla y sedimentación.
Siga leyendo para saber cómo funcionan los mezcladores-sedimentadores, cuándo utilizarlos y cómo elegir/diseñar uno para su proceso industrial.
Índice
PRINCIPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA MEZCLADORA-SEDIMENTADORA
En una instalación típica de mezclador-sedimentador, las dos subunidades principales (mezclador y sedimentador) están diseñadas para lograr secuencialmente: (1) el contacto íntimo y la transferencia de masa entre dos fases inmiscibles, y (2) la separación de fases por gravedad de la emulsión producida en el mezclador.
Etapa de mezcla (transferencia de masa)
La alimentación (por ejemplo, una solución acuosa que contenga iones metálicos) y el disolvente/extractante (a menudo orgánico) se introducen en la cámara de mezcla en una proporción definida. Un agitador (como una turbina o un impulsor) proporciona un fuerte cizallamiento, dispersando una fase en la otra, creando así gotas finas y una gran área interfacial. El aumento del área de contacto, combinado con un tiempo de residencia suficiente, permite que el soluto objetivo se transfiera de una fase a la otra.
Las variables clave que afectan a la eficacia de la mezcla son
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velocidad de agitación (cizallamiento y formación de gotas)
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tiempo de residencia en la zona de mezcla (tiempo de transferencia de masa)
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relación de fases (orgánica/acuosa)
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tamaño/distribución de las gotas (afecta a la transferencia y posterior separación)
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continuidad de las fases (qué fase es continua y cuál dispersa)
Fase de sedimentación (separación)
Una vez finalizada la mezcla, la emulsión rebosa o se bombea desde la cámara de mezcla a una cámara de sedimentación silenciosa. La diferencia de densidad entre las fases hace que se separen por gravedad: la fase más pesada se deposita en el fondo y la más ligera sube a la parte superior. Puede haber ayudas a la coalescencia (como placas o deflectores) para mejorar la fusión de las gotas, reducir el arrastre y acortar el tiempo de separación.
A continuación, se extraen las dos fases separadas (la fase ligera a través de un vertedero o rebosadero; la fase pesada a través de la salida inferior o vertedero) y pueden enviarse al procesamiento posterior o a la siguiente fase de extracción. La altura de la interfaz entre las fases puede ajustarse a menudo mediante vertederos o barreras ajustables para controlar los puntos de salida de las fases.
Funcionamiento multietapa o “en batería
En muchas aplicaciones industriales, las unidades mezcladoras-sedimentadoras se disponen en serie (a veces ocho o más etapas) en una configuración de contracorriente: la alimentación entra por un extremo, el disolvente/extractante por el extremo opuesto, y las fases fluyen en direcciones opuestas a través de cada etapa. Esta configuración aumenta la eficacia de la separación y acerca el sistema al equilibrio.
Sin embargo, a medida que aumenta el número de etapas, también lo hacen los costes de capital (superficie del sedimentador, tamaño del mezclador, inventario de disolventes) y la huella del equipo, por lo que normalmente sólo se utiliza un número limitado de etapas (3-4) con los mezcladores sedimentadores.
Así, el mezclador-sedimentador ofrece una solución de contacto/separación robusta y flexible para la extracción líquido-líquido cuando se requiere un número moderado de etapas y un gran caudal volumétrico, especialmente en plantas hidrometalúrgicas y de purificación química.
Mezclador-sedimentador de laboratorio, extracción líquido-líquido
En los trabajos a escala de planta piloto o de laboratorio, se suele utilizar una versión más pequeña del mezclador sedimentador para validar las condiciones del proceso, estudiar la cinética de transferencia de masa, el comportamiento de las fases y las características de sedimentación antes del diseño a escala real. Estas unidades de laboratorio suelen reproducir la estructura de dos zonas de los mezcladores sedimentadores industriales, pero con volúmenes reducidos (litros en lugar de metros cúbicos) y materiales transparentes para su observación.
Estos mezcladores-agitadores de laboratorio permiten experimentar parámetros como la distribución del tamaño de las gotas a una velocidad de agitación determinada, el arrastre de fases en la sedimentación, la inversión de la continuidad de las fases (qué fase se convierte en continua a determinadas relaciones de flujo), así como la aproximación al equilibrio (porcentaje de extracción con respecto al teórico) en condiciones controladas.
En muchos casos, el mezclador-sedimentador de laboratorio se utiliza en serie (una batería) de unas pocas etapas (2-4) para imitar el comportamiento a contracorriente a pequeña escala, lo que permite a los ingenieros optimizar las relaciones disolvente/alimentación, la intensidad de mezcla, el tiempo de residencia, el área del sedimentador y escalar con más confianza.
Dado el papel que desempeña un mezclador-sedimentador de laboratorio en el desarrollo de procesos, es aconsejable seleccionar uno con capacidad para ajustar la velocidad de mezcla, variar los caudales, controlar las alturas de interfaz y fabricado con materiales de construcción químicamente compatibles (especialmente cuando se trata de disolventes agresivos o de alta acidez). Las lecciones aprendidas a escala de laboratorio (tamaño de gota frente a velocidad de mezclado, tiempo de sedimentación frente a relación de fases) constituyen la base para el diseño de equipos mezclador-sedimentador a escala real.
Breve introducción de la mezcladora-sedimentadora
En la extracción hidrometalúrgica con disolventes, el mezclador-sedimentador es el dispositivo de contacto preferido porque integra la mezcla y la clarificación en un tren de unidades al tiempo que ofrece flexibilidad operativa. Consta de una cámara de mezcla que recibe continuamente la alimentación y el disolvente, los agita para formar una emulsión, seguida de una cámara de clarificación que utiliza la gravedad para la separación de fases. En la práctica, se conectan en serie varias etapas de mezcladores-sedimentadores para profundizar en la separación de los componentes objetivo. En determinadas condiciones de proceso, la eficacia de la transferencia de masa de la cámara de mezcla depende de factores como la intensidad de la paleta agitadora y el tiempo de contacto de las dos fases; por su parte, el rendimiento de la clarificación se rige por las propiedades físicas de las fases, como la viscosidad, la densidad, la tensión superficial, el diámetro de las gotas y el área de clarificación.
Proceso de trabajo de Mixer-Settler
Para comprender el proceso de trabajo de un mezclador-sedimentador, consideremos los dos subprocesos principales siguientes: (1) transferencia de masa mezclada, y (2) separación en dos fases.
Proceso mixto de transferencia de masa
En la práctica habitual, el disolvente de extracción (fase ligera) y el líquido de alimentación del material (fase pesada) se introducen en el fondo de la cámara de mezcla en una proporción predeterminada. Un agitador o una turbina (a veces una turbina de mezcla por bombeo) arrastra los líquidos y los dispersa, consiguiendo una mezcla íntima y la formación de gotas. Este paso de cizallamiento y dispersión garantiza una gran interfaz de contacto entre las fases y permite que el soluto de interés se transfiera de una fase a la otra. Tras un tiempo de residencia suficiente, la emulsión mezclada (que ahora contiene disolvente enriquecido en soluto y alimentación empobrecida en soluto) se bombea o fluye por rebose hacia la cámara de sedimentación.
Proceso de separación en dos fases
Una vez en el sedimentador, la mezcla se detiene y la emulsión entra en un entorno de reposo donde actúa la gravedad. La fase con mayor densidad (normalmente acuosa) se deposita hacia abajo, mientras que la fase más ligera (orgánica) asciende. Las placas coalescentes o internas pueden mejorar la fusión de las gotas y reducir el arrastre. La interfaz entre las fases se controla mediante vertederos o barreras ajustables. A continuación, las fases pesada y ligera separadas salen de la unidad: la fase pesada puede ir a un tratamiento posterior o a la siguiente etapa, y la fase ligera puede ir al stripping o a la siguiente extracción. Si se utiliza una batería de varias fases, cada fase puede alimentar a las fases adyacentes en modo de contracorriente.
El diseño profesional del mezclador-sedimentador garantiza que el mezclador produzca gotas suficientemente pequeñas para una transferencia de masa eficaz, pero suficientemente grandes para sedimentar eficazmente, y que el área del sedimentador y el tiempo de residencia sean suficientes para el caudal requerido sin arrastre ni inundación.
Amplio campo de aplicación
Los mezcladores-sedimentadores se utilizan ampliamente en industrias que requieren extracción líquido-líquido. Los principales campos de aplicación son:
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Hidrometalurgia y recuperación de metales: Por ejemplo, la extracción y purificación de cobre, cobalto, níquel, uranio y elementos de tierras raras a partir de soluciones de lixiviación y alimentación acuosa.
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Fabricación química y separación orgánica: Separación de compuestos orgánicos, ácidos, aminas, fenoles y otros mediante procesos de extracción.
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Reciclado de pilas y nuevos materiales energéticos: En el reciclado de baterías de iones de litio, en las que deben extraerse y purificarse metales como el litio, el níquel, el cobalto, el manganeso y el cobre, a menudo se emplean mezcladores-sedimentadores para las fases de extracción con disolventes.
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Protección del medio ambiente/tratamiento de residuos: Tratamiento de flujos de residuos industriales mediante la extracción de metales pesados, disolventes o contaminantes en una fase disolvente y su posterior separación.
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Industria farmacéutica y alimentaria: En la extracción a escala de laboratorio de productos químicos finos, ingredientes farmacéuticos activos, aromas o productos naturales, los mezcladores-sedimentadores a pequeña escala facilitan el desarrollo del proceso.
Debido a esta versatilidad, el mezclador-sedimentador sigue siendo una tecnología de “caballo de batalla” para la extracción continua líquido-líquido, especialmente cuando se requiere un número moderado de etapas, grandes caudales y una separación robusta.
Recomendaciones para la toma de decisiones
A la hora de seleccionar o especificar un sistema mezclador-sedimentador para una aplicación industrial (como las relacionadas con la extracción de metales, la separación química o el tratamiento medioambiental), deben tenerse en cuenta varios factores clave:
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Número de etapas necesarias
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Material de construcción
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Diseño de la mezcladora y capacidad de agitación
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Zona de asentamiento / tiempo de residencia / internos
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Relaciones de fase y caudales
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Escalabilidad y datos piloto
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Mantenimiento, accesibilidad y huella
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Integración con su proceso
Al centrarse en estas áreas, puede especificar un sistema de mezclador-sedimentador que ofrezca un alto rendimiento, fiabilidad operativa y valor a largo plazo en aplicaciones exigentes como la recuperación de metales, el reciclaje de baterías, la purificación química y el tratamiento de aguas residuales.
Resumen
El mezclador-sedimentador es un equipo de proceso maduro pero muy eficaz para la extracción líquido-líquido: su diseño de dos zonas (mezcla + sedimentación) favorece un contacto y una separación eficaces, y cuando se configura en varias etapas puede ofrecer un rendimiento de separación profundo. Si se presta especial atención al diseño de la mezcladora, al tamaño del decantador, a los materiales de construcción y a los datos del proceso obtenidos en el laboratorio o en pruebas piloto, sigue siendo una buena elección para sectores que van desde la hidrometalurgia y el reciclado de baterías hasta el procesamiento químico y medioambiental.
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