6.6 CICLONES Unidad 6. Separaciones Mecánicas

Elaboró: M.C. Yenissei M. Hernández Castañeda (yenissei@gmail.com)

Instituto Tecnológico de Toluca Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica Operaciones Unitarias 1

Importancia y características de un ciclón

• Los ciclones se emplean principalmente para la separación de sólidos de fluidos y utilizan la fuerza centrífuga para efectuar la separación.

• La separación depende del tamaño y densidad de las partículas, por lo que los ciclones pueden utilizarse para efectuar la separación sobre la base del tamaño, la densidad o de ambas.

Características de un ciclón

•  Consta de un ci l indro de pequeña altura, cerrado en la parte superior por un plato o disco y en la inferior por un cono.

• El aire con su carga de sólidos se introduce tangencialmente por la parte superior de un cilindro.

• La fuerza centrífuga actúa sobre las partículas sólidas y las lanza contra la pared y caen a la parte cónica.

Características de un ciclón • Al entrar, el aire del ciclón fluye

hacia abajo en una espiral ó vórtice adyacente a la pared. Cuando el aire se aproxima al fondo cónico vuelve a subir en una pequeña espiral en el centro del cono y del cilindro. Por consiguiente se forma un vórtice doble. Las espirales descendente y ascendente giran en el mismo sentido.

Cómo funciona un ciclón

Perfil de velocidades en un ciclón

Características de un ciclón

• La salida del aire está situada normalmente en el centro de la tapa y también está provista normalmente de una chimenea que desciende por el interior del separador para impedir que la c o r r i e n t e d e a i r e p a s e directamente desde la entrada a la salida.

Chimenea

Aplicación

• Se emplean para recoger serrín y polvos gruesos y toda clase de materiales no muy finos.

•  Pueden utilizarse para separar materiales pesados o gruesos de polvos finos.

•  Otras aplicaciones: secado de alimentos por rociado, equipos separadores de polvos ambientales, separación de rocíos finos de gases.

Aplicación

• Los ciclones constituyen uno de los sistemas más económicos para separar partículas de gases.

• Se pueden utilizar para la extracción de partículas de más de 5 µm de diámetro suspendidas en gases.

• Para partículas mayores de 200 µm s e p r e fi e r e n l a s c á m a r a s d e precipitación por gravedad.

Aplicación •  También puede efectuarse la

separación de sólidos suspendidos en líquidos.

• Debido a que la viscosidad de un líquido es mucho más elevada que la de un gas, la resistencia del fluido es mayor y el ciclón puede tener un diámetro más pequeño, con objeto de tener una correspondiente fuerza centrífuga mucho mayor.

Aplicación •  Los hidrociclones se emplean habitualmente en

circuitos de molienda para devolver el material grueso de nuevo al molino.

• Tienen una gran capacidad en relación con su tamaño.

Aplicación •  Los ciclones constituyen uno

de los medios menos costosos de recolección de polvo, tanto desde el punto de vista de o p e r a c i ó n c o m o d e l a inversión

•  No c u e n t a n c o n p a r t e s móviles, lo cual facilita las o p e r a c i o n e s d e mantenimiento

•  Pueden ser diseñados para altas temperaturas (hasta 1000ºC) y presiones de operación

Aplicación •  Teóricamente el aumento de

velocidad de entrada implicaría un aumento de la fuerza centrífuga, y con esto un aumento de la eficiencia.

•  Las velocidades de entrada muy altas generan la resuspensión del material particulado de las paredes internas del ciclón.

•  Aumentar la velocidad implica mayor consumo de energía.

Desventajas de los ciclones •  Eficiencias de recolección de

partículas suspendidas totales relativamente bajas.

• No pueden manejar materiales pegajosos o aglomerantes.

• Las unidades de alta eficiencia pueden tener altas caídas de presión.

CLASIFICACIÓN DE CICLONES

Clasificación 1.  Ciclones convencionales

2.  Ciclones de alta eficiencia

3.  Ciclones de alta capacidad

Ciclones de alta eficiencia

•  Diseñados para alcanzar mayor remoción de las partícula pequeñas que los ciclones convencionales

•  Pueden remover partículas de 5 µm con eficiencias hasta del 90% pudiendo alcanzar mayores eficiencias con partículas más grandes

•  Tienen mayores caídas de presión (mayores costos de energía)

Nota: por lo general el diseño de est tipo de ciclón está determinado por una limitación especificada

de caída de presión, en lugar de cumplir con alguna eficiencia de control especificada.

Ciclones de alta capacidad •  Están garantizados para remover solamente

partículas mayores de 20 µm, aunque en cierto grado ocurra la colección de partículas más pequeñas.

• Alcanzan eficiencias de 80 a 95% en partículas de 5 µm.

Características de los ciclones*

Fuente: Diseño Óptimo de Ciclones. Carlos Alberto Echeverri Londoño. Revista de Ingenierías Universidad de Medellín. ISSN: 1692-3324.Colombia, 2006

DIMENSIONES DE LOS CICLONES

Dimensiones de ciclón

• El diámetro del ciclón identifica la dimensión básica de diseño, todas las dimensiones son s i m p l e m e n t e u n a proporción del diámetro del ciclón.

Entrada

Dimensiones típicas de un ciclón

Fuente: Diseño Óptimo de Ciclones. Carlos Alberto Echeverri Londoño. Revista de Ingenierías Universidad de Medellín. ISSN: 1692-3324.Colombia, 2006

Dimensiones típicas de un ciclón

Fuente: Diseño Óptimo de Ciclones. Carlos Alberto Echeverri Londoño. Revista de Ingenierías Universidad de Medellín. ISSN: 1692-3324.Colombia, 2006

Dimensiones típicas de un ciclón

Fuente: Diseño Óptimo de Ciclones. Carlos Alberto Echeverri Londoño. Revista de Ingenierías Universidad de Medellín. ISSN: 1692-3324.Colombia, 2006

CÁLCULO DE LA EFICIENCIA DE CICLONES

Eficiencia de un ciclón •  La eficiencia para un ciclón se define como el

porcentaje de la masa de las partículas entrantes que es separado en el ciclón.

•  No existe un método teórico sencillo que permita el cálculo de la eficiencia de forma exacta.

•  En la práctica las partículas pequeñas que teóricamente deberían salir con el gas, debido a la aglomeración y choque con partículas mayores serán capturadas;

•  las partículas grandes que deberían ser retenidas

rebotarán contra las paredes o serán capturadas por turbulencias, escapándose del ciclón.

Eficiencia de un ciclón •  Existen numerosas teorías sobre el cálculo de la eficiencia

teórica de los ciclones, las cuales relacionan la eficiencia de colección y el tamaño de las partículas.

Eficiencia: Leith y Licht •  Es la que mejor se adapta al comportamiento

experimental.

•  Predice las eficiencias de colección particulado basándose en las propiedades físicas del material particulado y el gas de arrastre, y en las relaciones entre proporciones del ciclón.

Eficiencia: Leith y Licht

!i =1! e!2

GTiQ n+1( )Dc3

"

#$$

%

&''

0.5n+1( )

(

)

***

+

,

---

ηi – Eficiencia fraccional por intervalos de tamaño G – Factor de configuración del ciclón Ti – Tiempo de relajación para cada partícula, s Q – Caudal del gas, m3/s Dc – Diámetro del ciclón, m n – Exponente del vórtice del ciclón

*Se debe corregir cuando la

concentración es mayor a 2 g/m3

Eficiencia: Leith y Licht

!T = !!imi

• La eficiencia total se calcula realizando la sumatoria del producto de las eficiencias fraccionales por la masa fraccional:

ηΤ – eficiencia total mi – porcentaje másico, %.

Para utilizar estas ecuaciones hay que estar seguro que no exista la resuspensión, el valor real sería mucho menor que el estimado.

Eficiencia de colección

Generalmente aumenta con: • El tamaño de partícula y densidad. • Longitud del cuerpo del ciclón. • Número de revoluciones del gas en el ciclón. • Proporción del diámetro del cuerpo del ciclón al

diámetro del conducto de salida del gas. • Concentración de las partículas. • Pulimento de la superficie de la pared interior del

ciclón.

Eficiencia de colección Disminuye con los aumentos en: • Viscosidad del gas. • Diámetro del cuerpo. • Diámetro de la salida del gas. • Área del conducto de entrada del gas. • Densidad del gas.

*Escape de aire en el conducto de salida del polvo

Criterios de Diseño

Fuente: Diseño Óptimo de Ciclones. Carlos Alberto Echeverri Londoño. Revista de Ingenierías Universidad de Medellín. ISSN: 1692-3324.Colombia, 2006

Factor de configuración ‘G’ • El factor de configuración resulta de relacionar

algunas proporciones normalizadas:

G =8Kc

KaKb( )2

Donde: Kc – Factor dimensional de las proporciones volumétricas del ciclón Ka – Relación entre la altura de la entrada y el diámetro del ciclón (a/Dc) Kb – Relación entre el ancho de la entrada y el diámetro del ciclón (b/Dc)

Factor de configuración ‘G’ •  El factor dimensional de las proporciones

volumétricas del ciclón, Kc, se calcula:

Kc =VSC +

VR2

!

"#

$

%&

Dc3

Donde: VSC – Volumen evaluado sobre la salida del ciclón, m3

VR – Volumen evaluado sobre la longitud natural del ciclón, m3, siempre que se cumpla la siguiente condición:

L < H – S

Factor de configuración ‘G’ L < H – S

L – Longitud natural del ciclón, m H – Altura total del ciclón, m S – Altura de la salida, m •  La longitud natural del ciclón corresponde a la longitud necesaria

para iniciar el vórtice ascendente, tomada desde la altura superior del ciclón. La longitud natural es común para cada familia de ciclones.

Factor de configuración ‘G’ •  La longitud natural del ciclón se puede calcular:

•  El volumen del ciclón evaluado sobre la salida del ciclón (VSC) se

calcula:

L = 2.3DsDc2

ab3

VSC =!4S ! a

2"

#$

%

&' Dc

2 !Ds2( )

Factor de configuración ‘G’ •  El volumen del ciclón evaluado sobre la longitud natural (VR) se

calcula:

En la cual KL se denomina el factor de dimensiones lineales y se calcula:

VR =!4Dc2 h! S( )+ !

12Dc2 L + S ! h( ) 1+ KL

Dc

+KL

Dc

"

#$

%

&'

2(

)**

+

,--!!4Ds2L

KL = Dc ! Dc !B( ) S + L ! hz

"

#$%

&'

Tiempo de relajación, ‘Ti’ •  Es el tiempo necesario para que una partícula alcance la

velocidad terminal de caída:

En la cual: ρp – Densidad de la partícula, kg/m3

Dpi – Diámetro de la partícula, m µ – Viscosidad del gas, kg/ms

Ti =!pDpi

2

18µ

Exponente del vórtice, ‘n’ •  Resulta de relacionar la velocidad tangencial y el radio de giro

de un movimiento en forma de vórtice. Los análisis teóricos revelan que ‘n’ debe ser igual a 1.0 en ausencia de fricción de pared.

•  Mediciones reales señalan que puede variar de 0.5 a 0.7 de acuerdo al tamaño del ciclón y la temperatura.

•  Ecuación empírica:

Donde: Dc – Diámetro del ciclón, m T – temperatura del gas, K

n =1! 1! 0.67Dc0.14( ) T

283"

#$%

&'

0.3

Número de giros, ‘N’ •  Otro modelo para estimar la eficiencia se basa en el número de

vórtices externos que presenta la corriente gaseosa en el interior del ciclón.

•  Puede estimarse a partir de las dimensiones del ciclón, debido a que los vórtices dependen de la altura y longitud del ciclón:

•  El número de vórtices es común para cada familia de ciclones.

N =1ah+ z2

!

"#$

%&

Número de giros, ‘N’ •  Asumiendo un flujo mezclado:

Donde:

Vi – Velocidad de entrada del gas en el ciclón, m/s

!i =1! e!"N#pDp

2Vi9µb

"

#$$

%

&''

Velocidad de saltación, ‘VS’ •  La experiencia indica que la velocidad de entrada a un ciclón

debe estar entre 15.2 a 27.4 m/s

•  Kalen y Zenz propusieron la existencia de una velocidad de saltación para explicar por qué la eficiencia de colección algunas veces descendía con incrementos de velocidad de entrada (resuspensión de material ya colectado).

Donde: W – Velocidad equivalente, m/s

VS =4.913WKb

0.4Dc0.067 Vi

23

1!Kb3

Velocidad de saltación, ‘VS’ •  La velocidad equivalente se evalúa con la siguiente ecuación:

Donde:

ρ – Densidad del gas portador, kg/m3

•  La velocidad de saltación es función de las propiedades de las partículas y del fluido, así como de las dimensiones del ciclón.

W =4gµ !p ! !( )

3!23

Velocidad de saltación, ‘VS’ Kalen y Zenz encontraron lo siguiente:

•  La máxima eficiencia de colección ocurre cuando la velocidad de entrada es 1.25 veces la velocidad de saltación.

•  Cuando la velocidad de entrada es mayor a 1.35 veces la velocidad de saltación, se produce resuspensión del material ya capturado.

Estimación de la caída de presión, ‘ΔP’ •  La caída de presión está relacionada directamente con los costos

de operación.

•  Se debe a las pérdidas a la entrada y la salida, la pérdida de energía cinética y fricción en el ciclón.

•  A mayor caída de presión aumentan los requerimientos de potencia en el ventilador.

•  Existen diferentes ecuaciones para calcular la pérdida de presión en un ciclón.

•  Pérdidas de presión menores a 10 in de H2O son generalmente aceptadas.

Estimación de la caída de presión, ‘ΔP’ •  La ecuación más precisa es la de Shepherd y Lapple:

Donde: NH – Número de cabezas de velocidad a la entrada del ciclón

!P = 12!Vi

2NH

Estimación de la caída de presión, ‘ΔP’ •  El número de cabezas de velocidad a la entrada del ciclón se

puede hallar:

Donde: K– Constante, toma el valor de 16 para entrada tangencial. •  El valor de K es común para cada familia de ciclones.

NH = KabDs2

Variación de las condiciones de trabajo •  La eficiencia de un ciclón varía con las condiciones de trabajo.

•  Variación del caudal: si no se dispone de datos experimentales la nueva eficiencia puede calcularse:

•  Variación de la viscosidad del gas

100!!1100!!2

=Q2

Q1

"

#$

%

&'

0.5

100!!1100!!2

=µ1µ2

"

#$

%

&'

0.5

Variación de las condiciones de trabajo •  Variación del caudal y viscosidad:

•  Variación de la densidad del gas:

100!!1100!!2

=Q2

Q1

"

#$

%

&'

0.5µ1µ2

"

#$

%

&'

0.5

100!!1100!!2

="p ! "2"p ! "1

"

#$$

%

&''

0.5

Variación de las condiciones de trabajo •  Variación de la concentración de partículas:

Esta ecuación se utiliza para corregir la eficiencia estimada cuando la concentración promedio de partículas sea superior a 2 g/m3. En este caso η1 será la eficiencia hallada con las ecuaciones y C1 toma el valor de 2 g/m3.

100!!1100!!2

=C2C1

"

#$

%

&'

0.182

DISEÑO DE CICLONES

Diseño de ciclones •  Caudal de aire: de 0.5 a 12 m3/s a condiciones de referencia.

•  Temperatura: limitada únicamente por el material de construcción del ciclón, han sido operados hasta 540ºC.

•  Concentración de partículas: 2 a 230 g/m3 a condiciones de referencia.

Procedimiento de Diseño

Seleccionar tipo de ciclón

Obtener estimación de distribución de

tamaños de las partículas

Calcular el diámetro del ciclón para una velocidad

de entrada de 22 m/s (opcional)

Determinar las dimensiones del

ciclón

Estimar el número de ciclones

necesarios para trabajo en paralelo

Calcular eficiencia, si es necesario

seleccionar otro tipo de ciclón

Calcular ΔP, si es necesario

seleccionar otro tipo de ciclón

Calcular el costo del sistema y

optimizar

Fuentes de Consulta •  Banchero, Walter L.; Banchero, Julius T. Introducción a la ingeniería

química. McGraw-Hill. España, 1964. •  Echeverri Londoño, Carlos Alberto. “Diseño óptimo de ciclones”.

Revista Ingenierías. Universidad de Medellín. Colombia, 2006, pp 123-139.

•  Geankoplis Christie, J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. CECSA. México, 1998.

•  Mc.Cabe, J. C. Smith, J. C. y Harriot, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw – Hill. México, 1996. ISBN 84-7615-700-2.

•  Stanley, M. Walas. Chemical Process Equipment: Selection and Design. USA, 1990. ISBN 0-7506-9385-1.

•  Perry, Robert H. Manual del Ingeniero químico. McGraw – Hill. México, 1996.