DISEÑO DE UN CICLÓN DE POLVOS METÁLICOS PARA PFC%2F3... · PDF...

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DISEO DE UN CICLN DE POLVOS METLICOS PARA RAPID PROTOTYPING 2013

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3. DISEO Y PROCEDIMIENTO DE CLCULO

3.1. Justificacin de la eleccin del tipo de cicln.

Para la eleccin del tipo de cicln a construir se seguirn tanto criterios tcnicos como

econmicos. En primer lugar se debe tener en cuenta las especificaciones. El cicln diseado

debe ser capaz de hacer una clasificacin de tres tipos de polvos metlicos con diferentes

tamaos de corte que son los siguientes

Acero Inoxidable .Tamao de corte 35 micras.

Titanio. Tamao de corte 15 micras.

Aluminio. Tamao de corte 20 micras.

Adems deber ser capaz de tratar una cantidad de material pulverulento de 20kg por

operacin, en un tiempo razonable.

La primera decisin de diseo es descartar el aerocicln, en beneficio del hidrocicln. El

hecho de que el dimetro caracterstico de los hidrociclones sea aproximadamente diez veces

menor que el de los ciclones de gas para conseguir una mismo tamao de corte en la

separacin, conduce a que el dimetro de cicln de gas necesario est en el intervalo [0.9, 2]

m, y [3, 5] m de altura. Este parmetro de diseo adems conduce al uso de unos caudales de

aire necesario para un correcto de funcionamiento en el intervalo [1, 2.5] . El excesivo

tamao nos lleva a varios inconvenientes.

En primer lugar elimina la posibilidad de hacer un diseo modular que permita hacer cambios

de operacin a travs de la modificacin de algunas de las dimensiones, como la altura o

dimetro de conductos para alcanzar los distintos objetivos de la clasificacin exigidos. En

consecuencia pierde versatilidad y flexibilidad.

El segundo es el espacio disponible en el laboratorio para este fin. El espacio destinado a la

instalacin tanto del cicln como de los equipos auxiliares, prcticamente quedara ocupado

solo por el ciclon, lo cual es inviable. Esta rigidez en la geometra solo nos deja como

variables de operacin el caudal y la concentracin, que no son suficientemente flexibles para

adaptarse a los cambios en las especificaciones de la clasificacin.

Derivado de su tamao, los caudales necesarios para una correcta operacin hace que la

soplante necesaria para su puesta en marcha, necesite una potencia segn se ha consultado en

catlogos de algunos fabricantes, de hasta 200kW, que est totalmente fuera del alcance

tcnico del laboratorio y por tanto inviable para el fin que se persigue con su operacin.

Sin embargo, el hidrocicln ofrece la ventaja de ser capaz de operar la misma cantidad de

material pulverulento que los ciclones de gas con un tamao caracterstico de dimetro del

cicln en el intervalo [7, 12] cm, lo que abre la posibilidad de hacer un diseo modular que se

adapte a la demanda en cambios de especificaciones de separacin. Por tanto, dispondremos

de un equipo ms verstil y flexible en el que adems del caudal y la concentracin podremos

modificar parte de su geometra para adaptarse a los cambios en las especificaciones.

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Los rendimientos de la separacin son en general similares a los de aerocicln siempre que la

concentracin de alimentacin no sea elevada, debiendo ser entre 0.5-10% v/v, y caudales

entre 1-4 . Como desventaja se tiene que se producen dos corrientes de pulpa a la salida,

una muy diluida, que ser la del producto, y una muy concentrada que ser el rechazo y obliga

a disponer de un sistema de separacin auxiliar para obtener el material de producto seco, y

eliminar del fluido de desecho, las partculas metlicas disueltas. Por tanto la obtencin del

producto deseado no es inmediata.

El tamao de estos equipos auxiliares de separacin no supone un problema de espacio, ya

que la instalacin total necesaria para la operacin del hidrocicln es mucho ms compacta

que la del cicln de gas.

Por ltimo como ventaja del hidrocicln, el equipo de impulsin necesario para la pulpa, que

idealmente debera ser una bomba para pulpa mineral, se puede sustituir por una bomba de

aguas residuales, econmicamente ms asequible, que podra realizar esta funcin sin especial

dificultad, asumiendo el sobrecoste de reposicin de rodetes podra ser mayor de lo habitual, y

de la que ya se dispone en el laboratorio. Esta bomba funciona en unos rangos de caudal entre

1-8 con una potencia elctrica requerida de unos 2.5kW, que son perfectamente

asumibles desde el punto de vista tcnico-econmico y se adapta perfectamente a las

necesidades de operacin.

En conclusin se elige el hidrocicln como el ms adecuado para el diseo y construccin.

3.2. Ecuaciones, datos e hiptesis de partida.

En primer lugar se definirn todas las hiptesis y premisas de partidas del diseo, que servirn

para elegir las ecuaciones adecuadas con las que disear el hidrocicln.

Como ya se ha expuesto, para el diseo del hidrocicln partiremos de la premisa de hacer un

diseo modular. Desde el punto de vista prctico para la operacin, las variables geomtricas

sobre las que podremos actuar son la altura libre de vrtice, mediante la instalacin y

desinstalacin de cuerpos cilndricos y los dimetros de las boquillas de alimentacin, rebose y

descarga.

Para obtener un correcto funcionamiento de la bomba y el cicln trabajaremos con

concentraciones de alimentacin bajas, inferiores al 10% v/v. En la regulacin de caudal que

proporciona la bomba, se debe asegurar una presin de alimentacin que nos permita obtener

una cada mnima de 0.35bar en el interior del cicln, que se consideran necesario para

formacin de la columna de aire y mxima de 1bar, pues una excesiva cada de presin en el

interior de ciclon implica mayores prdidas de energa.

Como cualquier sistema, la instalacin donde funcionara el cicln, tendr un periodo

transitorio, por lo que este deber tratar la cantidad de material pulverulento en un intervalo de

tiempo suficientemente amplio como para que el efecto transitorio no represente una distorsin

del funcionamiento. Por tanto el clasificador tendr una capacidad 20kg de material por

operacin, o lo que es lo mismo, deber procesar dicha cantidad de material en un tiempo

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suficiente para despreciar efectos transitorios de la puesta en marcha. Supondremos que un

mnimo de 10 minutos se considera un lapso de tiempo suficiente. Esta limitacin de diseo

implica una relacin entre la concentracin y el caudal de alimentacin.

Dado que las curvas de rendimiento se obtienen experimentalmente para cada diseo, nos

adaptaremos a alguno de los tipos de los ya existentes, cuyas funciones de clasificacin ya se

conocen. En consecuencia una vez fijemos el dimetro de cicln ideal, el resto de dimensiones

estarn fijadas en un rango, que admiten una cierta variacin mantenindonos en la eficiencia

deseada. Todos los conductos de entrada y salida sern de seccin circular.

En cuanto al fluido disolvente de la pulpa mineral, en principio la opcin ms econmica es el

agua. Dado que luego habr que realizar tratamientos posteriores con las corrientes de rechazo

y producto, se contemplar el uso de acetona, que tiene unas propiedades superiores a las del

agua para facilitar estos tratamientos, sin modificar cualitativamente y apenas

cuantitativamente el rendimiento del cicln, como se muestra en la Figura 19 y 20.

Establecidas las hiptesis previas al diseo, se escogern las ecuaciones ms adecuadas para el

diseo del hidrocicln. En este sentido las ecuaciones que mejor se adaptan de las expuestas

son las de Plitt, pues nos establecen una relacin entre el dimetro de corte de la clasificacin y

todas las variables posibles de diseo: dimensiones del cicln, la concentracin, el caudal y la

cada de presin. Adems su rango de validez, incluye concentraciones bajas y dimetros de

cicln pequeos, que ser la situacin en la que se trabaja.

(10)

= (11)

C (Xi) = = (9)

3.3. Clculo de dimensiones y parmetros de diseo.

El siguiente paso en el diseo es encontrar un dimetro de hidrocicln adecuado, que nos

permita operar con los tres tipos de metales, interviniendo en el caudal, la concentracin, la

altura libre, y en menor medida los dimetros de conductos de entrada y salida. Por facilidad

constructiva, consideraremos dimetros de hidrocicln mltiplos de la pulgada. En un primer

tanteo de las ecuaciones obtenemos que el dimetro ms adecuado se encuentra est entre 3 y

4 pulgadas. Para llegar los resultados finales que se reflejan en la Tabla 5.se realizan los

clculos de los parmetros de diseo y operacin implementando las ecuaciones (9) y (10) en

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MATLAB. Para ello fijamos d50c en el valor que deseamos, e P= 45kPa y 35KPa para el

caso de Acero Inox. A continuacin partiendo de la estimacin del tamao ideal que est

entre 3 y 4 in. se calculan 3 posibles puntos de diseo para cada metal fijando Dc en 3, 3 y 4

in en cada caso. Luego mediante tanteo de los dimetros del pex (Du), inlet(De) y

vrtex(Do) y Cv(%v/v), cuyo rango esta acotado para obtener un correcto funcionamiento,