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Carlos Alberto Echeverri LondooDiseo ptimo de ciclones

Revista Ingenieras Universidad de Medelln, vol. 5, nm. 9, julio-diciembre, 2006, pp. 123-139,Universidad de Medelln

Colombia

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Revista Ingenieras Universidad de Medelln,ISSN (Versin impresa): 1692-3324revistaingenierias@udem.edu.coUniversidad de MedellnColombia

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DISEO PTIMO DE CICLONES1Carlos Alberto Echeverri Londoo*

Recibido: 06/04/2005Aceptado: 22/08/2006

RESUMEN

Este artculo presenta los criterios generales para el diseo de ciclones en el control de partculas e intro-duce el concepto de velocidad de saltacin como parmetro que controla el funcionamiento adecuado del cicln.

Palabras clave: control de partculas, ciclones, equipos de control.

ABSTRACT

This article presents the general criteria for the cyclones design in the particle control and introduces the concept of speed of saltacin like parameter that controls the suitable operation of the cyclone.

Key words: Particle control, cyclones, control equipment.

Revis ta Ingenieras Universidad de Medell n 5(9): 123-139 jul io-diciembre de 2006

1 Este artculo est publicado en internet en la siguiente direccin: www.mailxmail.com/curso/vida/ciclones/capitulo8.htm

* Ingeniero Qumico, Magster en Ingeniera Ambiental. Profesor Universidad de Medelln. E-mail: cecheverri@udem.edu.co

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INTRODUCCIN

El equipo de recoleccin de polvo que se usa con mayor frecuencia es el cicln. Los ciclones remueven el material particulado de la corriente gaseosa, basndose en el principio de impactacin inercial, generado por la fuerza centrfuga. La figura 1 muestra el movimiento de las partculas mayores hacia las paredes del cicln debido a la fuerza centrfuga.

Figura 1. Mecanismos de coleccin de partculas en un cicln

El cicln es esencialmente una cmara de sedi-mentacin en que la aceleracin gravitacional se sustituye con la aceleracin centrifuga.

Los ciclones constituyen uno de los medios menos costosos de recoleccin de polvo, tanto desde el punto de vista de operacin como de la inversin. Estos son bsicamente construcciones simples que no cuentan con partes mviles, lo cual facilita las operaciones de mantenimiento; pueden ser hechos de una amplia gama de materiales y pueden ser diseados para altas temperaturas (que ascienden incluso a 1000 C) y presiones de operacin.

Los ciclones son adecuados para separar partculas con dimetros mayores de 5 m; aunque partculas muchos ms pequeas, en ciertos casos, pueden ser separadas.

Los ciclones presentan eficiencias mayores que la cmara de sedimentacin gravitacional, y eficien-cias menores que los filtros de talegas, lavadores y precipitadores electrostticos.

La fuerza centrfuga generada por los giros del gas dentro del cicln puede ser mucho mayor que la fuerza gravitacional, ya que la fuerza centrfuga vara en magnitud dependiendo de la velocidad de giro del gas y del radio de giro.

Tericamente el aumento de la velocidad de entrada al cicln implicara un aumento de la fuerza centrfuga y, por lo tanto, un aumento de la eficiencia; sin embargo, velocidades de entrada muy altas generan la resuspensin de material par-ticulado de las paredes internas del cicln, lo cual disminuye la eficiencia del cicln; adicionalmente, aumentar la velocidad de entrada implica mayor consumo de energa.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

En un cicln, la trayectoria del gas comprende un doble vrtice, en donde el gas dibuja una espiral descendente en el lado externo, y ascendente, en el lado interno. Las figuras 2 y 3 ilustran dichos vrtices.

Figura 2. Vrtices en el cicln

Echeverri

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Figura 3. Vrtices en el cicln

En un cicln, el gas entra en la cmara superior tangencialmente y desciende en espirales hasta el pice de la seccin cnica; luego, asciende en un segundo espiral, con dimetro ms pequeo, y sale por la parte superior a travs de un ducto vertical centrado. Los slidos se mueven radialmente ha-cia las paredes, se deslizan por las paredes, y son recogidos en la parte inferior.

El diseo apropiado de la seccin cnica del cicln obliga al cambio de direccin del vrtice descen-dente; el vrtice ascendente tiene un radio menor, lo que aumenta las velocidades tangenciales; en el cono se presenta la mayor coleccin de partculas, especialmente de las partculas pequeas al redu-cirse el radio de giro.

FAMILIAS DE CICLONES

Los ciclones son un dispositivo de control de mate-rial particulado bastante estudiado, el diseo de un cicln se basa normalmente en familias de ciclones que tienen proporciones definidas.

Las principales familias de ciclones de entrada tangencial son: ciclones de alta eficiencia, ciclones convencionales y ciclones de alta capacidad.

Los mrgenes de la eficiencia de remocin para los ciclones estn con frecuencia basados en las tres familias de ciclones, es decir, convencional, alta eficiencia y alta capacidad. La tabla 1 presenta el intervalo de eficiencia de remocin para las dife-rentes familias de ciclones.

Tabla 1. Intervalo de eficiencia de remocin para las diferentes familias de ciclones

Familia de ciclonesEficiencia de remocin (%)

PST PM10 PM2.5Convencionales 70 - 90 30 - 90 0 - 40Alta eficiencia 80 - 99 60 - 95 20 - 70Alta capacidad 80 - 99 10 - 40 0 - 10

Los ciclones de alta eficiencia estn diseados para alcanzar mayor remocin de las partculas pequeas que los ciclones convencionales. Los ciclones de alta eficiencia pueden remover partculas de 5 m con eficiencias hasta del 90%, pudiendo alcanzar mayores eficiencias con partculas ms grandes. Los ciclones de alta eficiencia tienen mayores cadas de presin, lo cual requiere de mayores costos de energa para mover el gas sucio a travs del cicln. Por lo general, el diseo del cicln est determinado por una limitacin especificada de cada de presin, en lugar de cumplir con alguna eficiencia de control especificada.

Los ciclones de alta capacidad estn garantizados solamente para remover partculas mayores de 20 m, aunque en cierto grado ocurra la coleccin de partculas ms pequeas. Se ha reportado que los multiciclones han alcanzado eficiencias de recolec-cin de 80 a 95 % para partculas de 5 m.

Las tablas 2 a 4 presentan un resumen de las carac-tersticas de las principales familias de ciclones de entrada tangencial. La figura 4 identifica las principa-les dimensiones del cicln de entrada tangencial. El dimetro del cicln identifica la dimensin bsica de diseo, todas las dems dimensiones simplemente son una proporcin del dimetro del cicln.

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Diseo ptimo de ciclones

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Tabla 2. Caractersticas de los ciclones de alta eficiencia

Dimensin NomenclaturaTipo de cicln

Stairmand Swift Echeverri

Dimetro del cicln Dc/Dc 1.0 1.0 1.0

Altura de entrada a/Dc 0.5 0.44 0.5

Ancho de entrada b/Dc 0.2 0.21 0.2

Altura de salida S/Dc 0.5 0.5 0.625

Dimetro de salida Ds/Dc 0.5 0.4 0.5

Altura parte cilndrica h/Dc 1.5 1.4 1.5

Altura parte cnica z/Dc 2.5 2.5 2.5

Altura total del cicln H/Dc 4.0 3.9 4.0

Dimetro salida partculas B/Dc 0.375 0.4 0.375

Factor de configuracin G 551.22 698.65 585.71

Nmero cabezas de velocidad NH 6.4 9.24 6.4

Nmero de vrtices N 5.5 6.0 5.5

Tabla 3. Caractersticas de los ciclones convencionales

Dimensin NomenclaturaTipo de cicln

Lapple Swift Peterson-Whitby ZenzDimetro del cicln Dc/Dc 1.0 1.0 1.0 1.0Altura de entrada a/Dc 0.5 0.5 0.583 0.5Ancho de entrada b/Dc 0.25 0.25 0.208 0.25Altura de salida S/Dc 0.625 0.6 0.583 0.75

Dimetro de salida Ds/Dc 0.5 0.5 0.5 0.5Altura parte cilndrica h/Dc 2.0 1.75 1.333 2.0Altura parte cnica z/Dc 2.0 2.0 1.837 2.0

Altura total del cicln H/Dc 4.0 3.75 3.17 4.0Dimetro salida partculas B/Dc 0.25 0.4 0.5 0.25Factor de configuracin G 402.88 381.79 342.29 425.41

Nmero cabezas de velocidad NH 8.0 8.0 7.76 8.0Nmero de vrtices N 6.0 5.5 3.9 6.0

Echeverri

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Tabla 4. Caractersticas de los ciclones de alta capacidad.

Dimensin NomenclaturaTipo de cicln

Stairmand SwiftDimetro del cicln Dc/Dc 1.0 1.0Altura de entrada a/Dc 0.75 0.8Ancho de entrada b/Dc 0.375 0.35Altura de salida S/Dc 0.875 0.85

Dimetro de salida Ds/Dc 0.75 0.75Altura parte cilndrica h/Dc 1.5 1.7Altura parte cnica z/Dc 2.5 2.0

Altura total del cicln H/Dc 4.0 3.7Dimetro salida partculas B/Dc 0.375 0.4Factor de configuracin G 29.79 30.48

Nmero cabezas de velocidad NH 8.0 7.96Nmero de vrtices N 3.7 3.4

Figura 4. Dimensiones del cicln

CLCULO DE LA EFICIENCIA DE COLECCIN

No existe un mtodo terico sencillo que permita el clculo de la eficiencia (definido como el por-centaje de la masa de partculas entrante que es separado en el cicln) de forma exacta. Esto es, en parte, debido a que, en la prctica, partculas

pequeas que tericamente deberan salir con el gas, debido a la aglomeracin y al barrido y choque con partculas mayores, sern capturadas; mientras, partculas grandes que deberan ser retenidas re-botarn contra las paredes o sern capturadas por turbulencias, escapndose del cicln.

Existen numerosas teoras sobre el clculo de la efi-ciencia terica de los ciclones, las cuales relacionan la eficiencia de coleccin y el tamao de las partculas.