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  • CENTRO: FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA

    TITULO: MODELADO DE MINIHIDROCICLONES EN CFD

    TRABAJO FIN DE MASTER (TFM)

    MASTER UNIVERSITARIO EN INGENIERIA QUIMICA POR LA UNIVERSIDAD DE CANTABRIA Y LA UNIVERSIDAD DEL

    PAÍS VASCO/EUSKAL HERRIKO UNIBERTSITATEA

    Alumno Aitor Atxutegi Narbona

    Fecha 18/11/2015

    Firma

    Director Curso Académico Dr. R. Aguado 15/16

  • ÍNDICE GENERAL

    1 Introducción 1 1.1 Mallado del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    1.1.1 Tratamiento de los valores en regiones límite . . . . . . . . . . . 6 1.2 Estabilidad y tratamiento temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Problema de cierre de turbulencia y modelado . . . . . . . . . . . . . . 8

    1.3.1 Modelos de turbulencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 Modelado multifásico del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2 Objetivos 14

    3 Experimental 15

    4 Resultados 17 4.1 Elección del modelo de turbulencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.2 Efecto del núcleo de aire en la curva de capacidad . . . . . . . . . . . . 23

    5 Conclusions and Recommendations 30

    Bibliografía 30

    Nomenclatura 33

    I

  • ÍNDICE DE TABLAS

    3.1 Características del equipo utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2 Recursos alquilados del Cluster Arina UPV/EHU . . . . . . . . . . . . 16

    4.1 Características de los mallados utilizados en la simulación monofásica y multifásicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    II

  • ÍNDICE DE FIGURAS

    1.1 a) Descripción del flujo interno y nombres de las partes b) representa- ción de parámetros principales del hidrociclon . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.2 a) Balance de materia en las caras b) balance de momentos [14] . . . . . 3 1.3 Mallado estructurado (Izq.) Mallado no estructurado tetraedral (Drch.)[14]. 5 1.4 Tipo de mallado recomendado en la capa límite [3]. . . . . . . . . . . . 5 1.5 Correlación para el tratamiento de la velocidad en la pared [5]. . . . . . 6 1.6 Representación de una medida puntual de velocidad a lo largo del

    tiempo [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    3.1 Curvas de capacidad de los sistemas que se simularán X(diámetro de vortex)-Y(diámetro de spigot). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    4.1 Modelo en CAD de los minihidrociclones empleados (spigot 15 mm). . 17 4.2 Resultados de la simulación con el modelo k− e. . . . . . . . . . . . . . 19 4.3 Consumo de RAM y de recursos en los procesadores con el mallado

    empleado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.4 Mallado en la entrada (Izq.) y en el Spigot (Drch.). . . . . . . . . . . . . 20 4.5 Progreso del ∆P del equipo durante la simulación a 15 m3/h. . . . . . . 21 4.6 Desarrollo de los vectores de velocidad a 15 m3/h (Izq.) y campo vec-

    torial desarrollado (Derch). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.7 Resultados del modelo RSM con el vortex de 25 y spigot de 6 mmm. . 22 4.8 Resultados del modelo RSM con el vortex de 20 y spigot de 6 mmm. . 23 4.9 Aparición de backflow en el overflow durante la simulación monofásica. 24 4.10 Mallado en la geometría para la simulación multifásica. . . . . . . . . . 25 4.11 Contenido de aire en el sistema 100-25-6 con el modelo RSM/VOF. . . 26 4.12 Efecto del modelo multifásico en la simulación κ− e en el sistema 100-

    25-6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.13 Resultados del modelo RSM Y RSM/VOF con el vortex de 40 y spigot

    de 18 mmm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.14 Contenido de aire en el sistema 100-40-18 predicho por el modelo

    RSM/VOF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    III

  • ABSTRACT

    The CFD software StarCCM+ from CD-Adapco has been used to simulate a minihy- drocyclon under normal operation conditions. In this work only the continuous pha- se has been simulated while the dispersed one it is considered as non influential on the overall behaviour. It is known that in the Navier-Stokes equations there is so- me uncertainty in the simulation of the turbulence due to the problem known as the turbulence closure problem. To overcome this situation k − e and RSM models have been used to predict the experimental pressure drop at different inlet flowrates.

    In each time-step the continuity residual has been kept under 1 · 10−3 value using the non-stationary equations for long time, until the pressure drop has stabilized. The meshing process has been carried out with polyhedral structures, due to their tendency to converge faster than other structures and to reduce the number of cells when meshing complex geometries. Three different minihydrocyclones have been simulated.

    Finally, the Eulerian approach has been used to simulate the multiphase fluid-fluid interaction within the minihydrocyclon. This interaction has been modelated with the VOF model, in order to predict the effect of the so called air core on the systems behaviour.

    IV

  • 1. INTRODUCCIÓN

    De todos los sistemas que integran cualquier proceso de producción en Ingeniería Química, los procesos de separación representan en muchos casos gran parte de la inversión. Por esta razón, la reducción de costes en cualquier etapa del diseño de estos componentes puede representar una gran diferencia en la posibilidad de implementación final; simplificando su venta y aumentando la competitividad del producto. De todos los sistemas de separación, los multifásicos y especialmente los solido-líquido tienen un gran interés, dada su utilización en la industria minera, pe- troquímica, en la limpieza de efluentes y muchos otros sectores donde hay una fase sólida implicada en el proceso.

    Uno de los sistemas de separación sólido-líquido de mayor importancia es el hidro- ciclón, dado que es un sistema fácil de operar, de bajo coste, modular y seguro a la hora de operar. Pese a que el sistema no implica partes móviles ni geometrías com- plicadas, la descripción de los fenómenos internos han escapado a una descripción analítica, dada su vorticidad interna, rotura de los vortex y reflujos.[15].

    Un hidrociclón suele estar compuesto por un cuerpo cilíndrico unido a una parte inferior de perfil cónico como el que se observa en la Figura 1.1. La parte inferior del cuerpo cónico se une al spigot, que permite ajustar el diámetro de salida. El diáme- tro de este orificio suele estar relacionado con el corte de partículas final obtenido. La entrada de la suspensión a la parte cilíndrica se hace a través de una entrada de sección rectangular en dirección tangencial a la altura del vortex − f inder. De esta manera se obliga a la suspensión a seguir una trayectoria paralela a la pared, hacién- dola girar y descender. A medida que el fluido tiene menos sección para girar se crea una zona de presión alta en la parte inferior, con lo que la parte más ligera del vortex es empujada hacia arriba atravesando el vortex− f inder y saliendo por el over f low.

    Dado que los hidrociclones utilizan la fuerza centrifuga para la separación de las partículas sólidas, las más pesadas se quedan en las zonas externas, como puede deducirse de la Ecuación 1–1, de manera que el over f low se enriquece en partículas finas mientras que el under f low se enriquece en partículas gruesas y suele tener una menor fracción líquida. Este equipo ofrece un gran abanico de posibilidades pudien- do operarse con más de un overflow utilizando un overflow concéntrico [10] o en horizontal, ya que no es un proceso que dependa de la fuerza grabitacional sino del balance de momentos angulares dentro del equipo.

    Fc = πd3

    6 ρs

    u2t r

    (1–1)

    1

  • 2

    Figura 1.1: a) Descripción del flujo interno y nombres de las partes b) representación de parámetros principales del hidrociclon .

    Debido a diferentes estudios y a la experiencia en industria, es conocido que los hidrociclones de menor diámetro producen un corte de partículas más abrupto y menos progresivo que aquellos de diámetro más grande. Esto ha llevado a la mi- niaturización de los hidrociclones a fin de poder ser aplicados en la separación de partículas muy pequeñas y del aumento de los requerimientos de eficiencia de corte, creándose así los denominados minihidrociclones. Teniendo en cuenta que es una tecnología reciente, no existen modelos que predigan su comportamiento, aun más cuando estos no se comportan siempre como sus homólogos mayores, con el efecto f ish− hook [2] como ejemplo de esta diferencia. Por ello, solo quedan correlaciones o descripciones empíricas para describir el comportamiento de cada sistema.

    Como toda descripción basada en datos empíricos, las del minihidrociclón sufren del problema inherente de la dificultad de operar fuera de los límites en que estas descripciones fueron obtenidas. Por este motivo, hasta la actualidad, el único modo de diseñar un equipo nuevo ha sido el de la experimentación y caracterización del sistema antes de la venta del equipo; requiriéndose para ello un extenso proceso de ensayo y error modificando los parámetros característicos del equipo a fin de obte- ner un corte de partículas dado.

    En las últimas décadas, con el advenimiento de la computación en paralelo, el avan- ce en los recursos de computo disponibles a costes razonables