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TESIS VERSION 6.7.2008

1 1 11 Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniera Escuela de Ingeniera Naval DISEO Y CONSTRUCCION DE UN SEPARADOR CICLNICO PARA LA INDUSTRIA NAVAL Tesis para optar al Ttulo de: Ingeniero Naval Mencin Mquinas Marinas. Profesor Patrocinante: Sr. Hctor Lege Lege. Ingeniero Civil mecnico. Ms. Cs. en Ingeniera Ocenica. JOS LUIS BAHAMONDES SANTOS VALDIVIA- CHILE 2008

NDICE. Resumen. Summary. Introduccin Captulo I: Caractersticas generales y teora de funcionamiento de un cicln. 1.1 Caractersticas generales. 1 1.2 Contaminantes aplicables. 1 1.3 Lmites de emisin logrables/reducciones. 1 1.4 Aplicaciones industriales tpicas. 3 1.4.1 Criterios de mantenimiento y deteccin de fallas 4 1.5 Teora de funcionamiento de un cicln. 5 1.6 Mecnica del movimiento de partculas. 9 1.6.1 Partculas primarias y secundarias 10 1.6.2 Velocidad de sedimentacin y fuerzas de retardo 12 1.6.3 Ecuaciones para el movimiento unidimensional de partculas a travs 13 de un fluido. 1.6.3.1 Movimiento debido al campo gravitatorio. 14 1.6.3.2 Movimiento en un campo centrifugo. 15 1.6.4 Partculas demasiado grandes para la ley de Stokes. 20 1.6.5 Partculas demasiado pequeas para la ley de Stokes. 22 1.7 Tipos de ciclones. 24 1.7.1 Entrada tangencial, descarga axial. 24 1.7.1.1 Ciclones de alta eficiencia. 26 1.7.1.2 Ciclones convencionales. 26 1.7.1.3 Ciclones de alta capacidad. 26 1.8 Clculo eficiencia de coleccin. 30 1.8.1 La eficiencia fraccional por tamao de partculas. 31 1.8.2 Factor de configuracin G. 32 1.8.3 Tiempo de relajacin T. 34 1.8.4 Exponente del vrtice n. 34 1.8.5 Nmero de giros. 35 1.8.6 Velocidad de saltacin. 36 1.9 Estimativa de la cada de presin. 37 1.10 Variaciones de las condiciones de trabajo. 39 1.10.1 Variacin del caudal. 39 1.10.2 Variacin de la viscosidad del gas. 39 1.10.3 Variacin de la densidad del gas. 39 1.10.4 Variacin de la concentracin de partculas. 40 Captulo II: Requerimientos, condiciones generales de diseo y mtodos de clculo. 41 2.1 Elementos de recepcin y traslado de material. 43 2.2 Caractersticas a cumplir por la corriente de emisin en un cicln. 44 2.2.1 Caudal de aire. 44 2.2.2 Temperatura. 44 2.2.3 Concentracin de partculas. 44 2.3 Procedimiento general de diseo. 44 2.4 Mtodos de clculo. 45 2.4.1 Ejemplo I 45 2.4.1.1 Seleccin del tipo de cicln. 46 2.4.1.2 Clculo del dimetro del cicln. 46 2.4.1.3 Estimacin del nmero de ciclones necesarios para trabajar en 47 paralelo. 2.4.1.4 Clculo de la eficiencia del cicln. 47 2.4.1.4.1 Velocidad equivalente. 48 2.4.1.4.2 Velocidad de saltacin. 48 2.4.1.4.3 Relacin entre velocidades. 48 2.4.1.4.4 Longitud natural del cicln. 49 2.4.1.4.5 Factor de dimensiones lineales. 49 2.4.1.4.6 Volumen del cicln evaluado sobre la longitud natural 49 del cicln. 2.4.1.4.7 Factor dimensional de las proporciones volumtricas del 50 cicln. 2.4.1.4.8 Relacin entre la altura de entrada y el dimetro del cicln 50 2.4.1.4.9 Relacin entre la base de entrada y el dimetro del cicln. 50 2.4.1.4.10 Factor de configuracin. 50 2.4.1.4.11 Exponente de vrtice. 50 2.4.1.4.12 Tiempo de relajacin. 50 2.4.1.4.13 Eficiencia fraccional por intervalos de tamao. 51 2.4.1.4.14 Eficiencia total. 51 2.4.1.5 Clculo de la cada de presin. 52 2.4.1.5.1 Nmero de cabezas de velocidad. 52 2.4.1.5.2 Cada de presin. 52 2.4.2 Ejemplo II 52 2.4.3 Ejemplo III 53 2.4.4 Ejemplo IV 55 2.4.5 Recirculacin de gas. 56 2.4.6 Otras consideraciones. 57 2.4.6.1 Ventajas de los ciclones. 57 2.4.6.2 Desventajas de los ciclones. 57 2.4.6.3 Anlisis de costos para ciclones. 58 Captulo III: Clculo y diseo de un cicln de alta eficiencia. 59 3.1 Problemtica. 59 3.2 Condiciones generales. 59 3.3 Clculo dimensiones del cicln. 60 3.4 Clculo eficiencia del cicln. 63 3.5 Eficiencia fraccional por intervalos de tamao. 66 3.6 Clculo de la cada de presin. 69 Captulo IV: Procedimiento constructivo del cicln de alta eficiencia y costos de construccin 70 4.1 Proceso sistemtico constructivo del cicln. 70 4.1.1 Diseo de planos. 70 4.1.2 Seleccin de materia prima. 70 4.1.2.1 Acero. 70 4.1.2.2 Soldadura. 71 4.1.3 Dimensionamiento y clculo del peso de acero requerido. 75

4.1.3.1 Cono nmero 1 76

4.1.3.2 Cono nmero 2 77

4.1.3.3 Cilindro nmero 1 77

4.1.3.4 Cilindro nmero 2 77

4.1.3.5 Refuerzos. 78

4.1.3.6 Flanges. 78

4.1.4 Clculo de horas hombre invertida en confeccionar el cicln. 80

4.1.5 Procedimiento constructivo. 80

4.2 Usos dentro de la industria naval 87

4.2.5.1 Caractersticas de los filtros manga 89

4.2.5.2 Aplicaciones 90

4.2.5.2 Tipos 91

4.2.5.4 Funcionamiento 92

4.2.5.4 Operacin de filtracin 92

4.2.5.4 Operacin de Limpieza 94

4.2.5.7 Clculo 95 Conclusin. 98 Bibliografa. 99 Anexos I DS 594 100 Anexos II DS 148 111 Anexos III Ley 19300 122 RESUMEN El presente trabajo nos da a conocer la existencia de diferentes tipos de separadores ciclnicos, su teora de funcionamiento y adems nos gua en el diseo y construccin de un separador ciclnico de alta eficiencia, siendo este tipo de cicln, ideal para el control de la contaminacin atmosfrica, entregndose en la etapa final de este trabajo un extracto de la normativa sobre el control de contaminacin ambiental en nuestro pas. SUMMARY The present work us announces the existence of different types of dividers cyclonic, his theory of functioning and in addition he guides us in the design and construction of a divider cyclonic of high efficiency, being this type of cyclone, ideal for the control of the atmospheric pollution, an extract of the regulation being delivered in the final stage of this work on the control of environmental pollution in our country. INTRODUCCIN Desde la antigedad uno de los mtodos ms usados para separar polvo en suspensin en un gas, que generalmente es aire, es el cicln. Ahora los ciclones ocupan un papel fundamental en el plano industrial y procesos de ingeniera, especialmente referidos a separaciones mecnicas, donde intervienen el movimiento de partculas slidas o gotas lquidas a travs de un fluido. El fluido puede ser un gas o un lquido y puede estar en movimiento o en reposo. Son ejemplo de esto, la eliminacin de polvos y humos del aire o gases de combustin, la eliminacin de slidos contenidos en lquidos residuales para poder verterlos en los desages y la recuperacin de nieblas cidas a partir de los gases residuales procedentes de las plantas industriales. El cicln es bsicamente un equipo que remueve el material particulado de una corriente gaseosa basndose en el principio de impactacin inercial. Se podra decir que es una cmara de sedimentacin en que la aceleracin gravitacional se sustituye por la aceleracin centrifuga. Los ciclones constituyen uno de los medios menos costosos de recoleccin de polvo, o partculas pequeas, tanto desde el punto de vista de operacin como de la inversin. Son 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. La contaminacin del aire es la presencia de material indeseable en ese aire, en cantidades bastante grandes como para producir efectos nocivos. Los materiales contaminantes pueden daar la salud humana, la vegetacin o el medio ambiente global, as como crear ambientes estticamente desagradables en la forma de aire de color caf o brumoso, o bien, olores desagradables. Muchos de estos materiales nocivos entran a la atmsfera proveniente de fuentes que, en la actualidad, se encuentran ms all del control humano, pero que se pretende llegar a controlar, para poder as tomar las riendas y poder prevenir y evitar la contaminacin de nuestro ecosistema, es por eso que en con esta tesis se pretende, de alguna forma innovar y por ende relacionar los ciclones con el ambiente naval, pensando que su utilizacin bien valdra la pena, para procesos de estiba y desestiba de carga a granel, as como separaciones de partculas slidas en procesos de combustin, entre otras aplicaciones.

CAPTULO I 1. CARACTERSTICAS GENERALES Y TEORA DE FUNCIONAMIENTO DE UN CICLN. 1.1 Caractersticas generales En la actualidad se invierten miles de dlares, para controlar la contaminacin