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5/7/2018 Ciclones Final - slidepdf.com

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CICLONESCICLONES

Alumnos: Arrocha Arcos Andrés

Cervantes Alcalá RogelioGodoy Salinas Alba JessicaPeña Molina Omar Antonio

M.C. Emilio Márquez Paz



INTRODUCCIÓN

Los separadores tipo ciclón o simplemente tambiénconocidos como ³ciclones´ son principalmente utilizadosen la Industria de Procesos de separación de sólidosde corrientes de gas.

Tradicionalmente para partículas relativamente grandes(dF>10 Qm). Sin embargo, estos equipos también

pueden usarse para capturar partículas con diámetrosde 10, 2.5 e incluso 1 Qm, modificando susdimensiones. Esto permite usarlos en tareas demonitoreo ambiental de partículas



Fb es la f uerza de f lotacion o Empuje

Fg= f uerza externa de la gravedad

Fd= Fuerza de arrastre

FUNDAMENTO FISICO DEL FUNCIONAMIENTO DE

LOS SEPARADORES SÓLIDO-GAS



LEY DE STOKESCUANDO Re<1



Familias de ciclones

El diseño de un ciclón se basa normalmente enf amilias de ciclones que tienen proporcionesdef inidas.

Las principales familias de ciclones de entradatangencial son:

* Ciclones de alta eficiencia.

* Ciclones convencionales.* Ciclones de alta capacidad.



EFICIENCI A

Existen numerosas teorías sobre el cálculo de laeficiencia teórica de los ciclones:

* La eficiencia de colección* El tamaño de las partículas.

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



Dimensiones del Ciclón

a = altura de entrada b = ancho de entrada

Dc = diámetro

Ds = diámetro de salida S = altura de salida

h = altura sección cilíndrica

z = altura sección cónica

H = altura total B = Diámetro de salida de

partículas recolectadas

Fig. 1. Dimensiones del ciclón



Dimensiones de ciclones de:

ALTA EFICIENCIA



CONVENCIONALES



ALTA CAPACIDAD



Los ciclones de mayor capacidad tienenuna altura de entrada así como undiámetro de entrada mas grandescomparados con los convencionales ylos de alta eficiencia.

Las diferencias entre los convencionalesy los de alta eficiencia no son tanevidentes comparando sus diámetros deentrada y altura de entrada por que ladiferencia es mínima aunque la hay, perose puede identificar mejor comparando elfactor de configuración G.



Eficiencia respecto a:

TAMAÑO DE PARTÍCULALa figura 2 presenta una comparación gráfica de resultados experimentales con laspredicciones teóricas de eficiencia de colección en función del tamaño de laspartículas.

La teoría de Leith y Licht es la que mejor se adapta al comportamiento experimental.Esta teoría predice las eficiencias de colección de material particulado, basándose

en las propiedades físicas del material particulado y el gas de arrastre, y en lasrelaciones entre proporciones del ciclón.

La eficiencia fraccional por tamaño de partículas: En la cual:

Li = Eficiencia fraccional por intervalos detamaño.

G = Factor de configuración del ciclón.

T i = Tiempo de relajación para cadapartícula, s.

Q = Caudal de gas, m3/s.

Dc = Diámetro del ciclón, m.n = Exponente del vórtice del ciclón

Ecuación 1.



Figura 2. Eficiencia de colección de ciclón



El parámetro G esta relacionado con las proporciones delciclón y Ti agrupa características del material particulado ydel gas de arrastre.

La eficiencia total se calcula realizando la sumatoria delproducto de las eficiencias fracciónales por la masafraccional.

LT = §Li x mi Ecuación 2.

Para utilizar las ecuaciones 1 y 2 se debe estar seguro que elciclón no presenta resuspensión, ya que el valor real de laeficiencia sería mucho menor al estimado por estásecuaciones.

La ecuación 1 es la eficiencia ³al vacío´ o sincarga departículas y se debe corregir con la ecuación 23 cuando laconcentración de partículas es mayor de 2.0 g/m3 acondiciones de referencia.

En la cual:LT = Eficiencia total

Li = Eficiencia fraccionalmi = Porcentaje másico, %.



Factor de configuración GG

El factor de configuración resulta de relacionar algunas proporcionesnormalizadas por el diámetro del ciclón. es común para cada familia deciclones (Tablas 2 4).

En la cual:

Kc = Factor dimensional de lasproporciones volumétricas del ciclónKa = Relación entre la altura de laentrada y el diámetro del ciclón (a/Dc).Kb = Relación entre al ancho de laentrada y el diámetro del ciclón (b/Dc).

Ecuación 3.

El factor dimensional de lasproporciones volumétricas del ciclón (K c )se calcula con la Ecuación 4.

Ecuación 4.



Parámetros que evalúa KKcc

Ecuación 5.

En al cual:

V sc = Volumen evaluado sobre la salida del ciclón, m3.V R = Volumen evaluado sobre la longitud natural del ciclón (m3),

Siempre que se cumpla la siguiente condición:

LL < < H H -- S S

En la cual: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 longitud necesariapara iniciar el vórtice ascendente tomada desde la alturasuperior del ciclón, se puede calcular con la ecuación 6. Lalongitud natural del ciclón L es común para cada familia deciclones.

Ecuación 6.

El volumen evaluado sobre la salida

del ciclón (V sC ) se evalúa con:Ecuación 7.

El volumen del ciclón evaluado sobre la longitud natural (VR) se calcula con:

En la cual K L se denomina elfactor de dimensiones lineales y

se calcula con:

Ecuación 6.

Ecuación 8.



Tiempo de relajación TTiiEl tiempo de relajación es el tiempo necesario para que una partícula

alcance la velocidad terminal de caída, se evalúa con la ecuación 9.

Ecuación 9.

En la cual:

V p = Densidad de la partícula, kg/m3.

Dpi = Diámetro de la partícula, m.

= Viscosidad del gas, kg/ms.



Exponente de vórtice nn

El exponente del vórtice resulta de relacionar la velocidad tangencial y el radiode giro de un movimiento en forma de vórtice. Los análisis teóricos revelanque n debe ser igual a 1.0 en ausencia de fricción de pared (vórtice libre).

No obstante, las mediciones reales señalan que n puede variar de 0.5 a 0.7 deacuerdo con el tamaño del ciclón y la temperatura; una ecuación empíricamuy utilizada es la ecuación 10.

Ecuación 10.

En la cual:

n = Exponente del vórtice

(valor adimensional).

Dc = Diámetro del ciclón, m.

T = Temperatura del gas, K.



Otra forma de calcular la eficiencia:

Número de giros N N

Otro modelo para estimar la ef iciencia de remoción de partículas en losciclones, es la que se basa en el número de giros o vórtices externos quepresenta la corriente gaseosa en el interior del ciclón. El número de giros ovórtices puede ser estimado de las dimensiones del ciclón, debido a que estos

dependen de la altura de cada uno de los vórtices y la longitud del ciclón:

Ecuación 11.

El número de vórtices escomún para cada familiade ciclones. Las tablas 2 a4 presentan los valores deN para las principalesfamilias de ciclones.



Ecuación 13.

Asumiendo un flujo mezclado, la expresión que relaciona la eficiencia deremoción con los parámetros del ciclón y las condiciones de operación es:

Ecuación 12.

Este modelo indica la f uertef uerte dependenciadependencia queque tienetiene lala ef icienciaef iciencia concon elel diámetrodiámetro dede

laslas partículas,partículas, elel númeronúmero dede girosgiros oo vórticesvórtices yy lala velocidadvelocidad dede entradaentrada.

Sin embargo, el modelo predice un valor f inito para el diámetro de la partícula arribadel cual la eficiencia de colección es 100% (tamaño crítico), mientras la evidenciaexperimental muestra que la eficiencia se aproxima asintóticamente con el incrementodel diámetro de la partícula. El diámetro crítico de la partícula está dado por:



En conclusión la eficiencia «

« Obtenida por cualquiera de estos métodos (Ecuaciones 1 y12) es la eficienciaeficiencia ³al³al vacío´vacío´, es decir, la que se obtendría

separando partículas aisladas. En la práctica, la interacciónentre partículas hace que la ef iciencia aumente con laconcentración de partículas. .

Por lo tanto, las ecuaciones 1 y 12 son válidas solamente paraconcentraciones de partículas que se encuentran por debajode 2.0 g/m3, medidos a condiciones de referencia.



Eficiencia respecto a:

VELOCIDAD DE SALTACIÓNEn los ciclones, la velocidad de entrada es un parámetro fundamental, velocidades muy

bajas permiten la sedimentación de partículas y neutralizan el efecto de la fuerzacentrífuga generando disminución en la eficiencia de colección; velocidades muyaltas pueden resuspender partículas previamente colectadas, disminuyendo tambiénla eficiencia. La experiencia indica que la velocidad de entrada al ciclón debe situarseen el intervalo de 15.2 a 27.4 m/s.

Kalen y Zenz (1974) propusieron la existencia de una ³velocidad de saltación´ en elciclón para explicar porque la eficiencia de colección algunas veces descendía conincrementos en la velocidad de entrada. La correlación semiempirica para la velocidadde saltación es:

En la cual:

V p = Densidad de la partícula, kg/m3.

r = Densidad del gas portador, kg/m3.

= Viscosidad del gas portador, kg/ms.

Ecuación 14.



Velocidad equivalente WW

La velocidad equivalente se evalúa a través de la siguiente ecuación:

Ecuación 15.

En la cual: V p = Densidad de la partícula, kg/m3. V = Densidad del gas portador,kg/m3.

= Viscosidad del gas portador,kg/ms.

Por lo tanto la velocidad de saltación es f unción de las propiedades de laspartículas y del f luido, así como de las dimensiones del ciclón.

Kalen y Zenz desarrollaron correlaciones experimentales entre la relación velocidad deentrada/velocidad de saltación y la eficiencia del ciclón, encontrando lo siguiente:

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



CAÍDA DE PRESIÓN

La caída de presión es un parámetro importante debido a que relaciona directamente loscostos de operación. La caída de presión en un ciclón puede deberse a las perdidas a laentrada y salida, y perdidas de energía cinética y fricción en el ciclón.

Las eficiencias de remoción en un ciclón se pueden aumentar al incrementar las velocidades

de entrada, pero esto también incrementa las caídas de presión. A mayor perdida depresión aumentan los requerimientos de potencia en el ventilador y por lo tanto mayor consumo de energía. Existen diferentes ecuaciones para calcular la pérdida de presiónen un ciclón.

Las pérdidas de presión menores a 2,488.16 Pa (10 inH2O) son generalmente aceptadas.Una de las ecuaciones para calcular la pérdida de presión en un ciclón es la desarrollada

por Shepherd y Lapple:

Ecuación 16.

En la cual:(P = Caída de presión en el ciclón, Pa. V = Densidad del gas portador, kg/m3.V i = Velocidad de entrada del gas en el ciclón, m/s.N H = Número de cabezas de velocidad a la entrada del

ciclón.



Número de cabezas NHNH

El número de cabezas de velocidad a la entrada del ciclón se puede hallar con lasiguiente ecuación:

La pérdida de presión en un ciclón depende del cuadrado de la velocidad deentrada, por lo tanto a mayor velocidad de entrada mayor pérdida de presión; loanterior implica en la práctica el sacrificar un poco de eficiencia para disminuir losrequerimientos de energía.

Aunque otras ecuaciones han sido formuladas a partir de consideraciones teóricas,se ha encontrado que generalmente no son tan precisas como la ecuación deShepherd y Lapple, la cual es considerada como la más útil para calcular la caída

de presión.

En la cual:

K = Constante, tomael valor de 16 paraentrada tangencial.Ecuación 17.



Eficiencia de separación Número de vueltas del gas através del ciclón

Diámetro de corte Factor de proporcionalidad degeometría de partícula



La experimentación se llevó a cabo utilizandopartículas de forma irregular (hojuelas) para lascuales se tiene = 0.21. El gas es aire a

temperatura ambiente con una densidad aproximadade 1.22 kg/m3 y una viscosidad dinámica = 1.8x10-5 N-s/m2, las partículas tienen una densidad de8 250 kg/m3 y una velocidad del aire a la entrada del

ciclón de 14.9 m/s.

D50 = 10 m



Ef ecto de la densidad de la partícula sobre laef iciencia de separación



Ef ecto de la viscosidad del gas sobre la ef iciencia de separación



Ef ecto de la altura del cilindro (h) en la ef iciencia del ciclón



Ef ecto de la altura de la entrada del gas (a) en la ef iciencia de separación



Conclusiones

La eficiencia de ciclones generalmente, aumentacon:

1. El tamaño de partícula y/o la densidad.2. La velocidad en el conducto de entrada.3. La longitud del cuerpo del ciclón.4. El número de revoluciones del gas en el ciclón.5. La proporción del diámetro del cuerpo del ciclón a

diámetro del conducto de salida del gas.

6. La concentración de las partículas.7. El pulimento de la superficie de la pared interior del

ciclón.



La eficiencia del ciclón disminuirá con los aumentos en:

1. La viscosidad del gas.

2. El diámetro del cuerpo.

3. El diámetro de la salida del gas.

4. El área del conducto de entrada del gas.

5. La densidad del gas.

Un factor común que contribuye a la disminución de eficienciasde control en los ciclones es el escape de aire en el conducto

de salida del polvo.



DISEÑO DE CICLONES El factor de diseño primario que se utiliza para controlar la eficiencia

de recolección es el diámetro del ciclón. Un ciclón de diámetro máspequeño que funciona a una caída de presión fija alcanza laeficiencia más alta. Sin embargo, los ciclones de diámetro pequeñorequiere varias unidades en paralelo, para lograr una capacidad

especificada.

Los ciclones en serie se justifican en aquellos casos en que el polvotiene las siguientes propiedades:

- Cuando tiene una distribución amplia de tamaños, incluyendo una

porción importante de partículas más finas que 15 µm, en cuyo casose utiliza un solo ciclón de diámetro grande para recoger la fracciónde partículas gruesas y reducir la carga para una unidad con undiámetro más pequeño.

- Cuando tiene una tendencia marcada a flocularse en el equipo que

precede a los ciclones, al igual que en estos mismos.



El procedimiento general de diseño es el siguiente:

- Seleccionar el tipo de ciclón, dependiendo del funcionamiento o necesidadesrequeridas.

- Obtener un estimativo de la distribución de tamaño de las partículas en la

corriente gaseosa a ser tratada.- Calcular el diámetro del ciclón para una velocidad de entrada de 22 m/s(opcional), y determinar las otras dimensiones del ciclón con las relacionesestablecidas para las familias de ciclones con base en el diámetro (tablas 2 a 4).- Estimar el número de ciclones necesarios para trabajar en paralelo.- Calcular la eficiencia del ciclón y si se requiere, seleccionar otro tipo de ciclón

- Calcular la caída de presión del ciclón y si se requiere, seleccionar otro tipode ciclón.- Calcular el costo del sistema y optimizar para hacer el mejor uso de la caídade presión disponible, o si se requiere, para dar el más bajo costo de operación.



Los ciclones generalmente tienen comoparámetros de diseño el diámetro del ciclón,la caída de presión y la velocidad de entraday velocidad de saltación



Ejemplo 1. Diseñar un ciclón para separar sólidos de una corriente de gaseosa.

La densidad de la partículas es de 1,500 kg/m3 y el gas es airea 450 °C. El caudal de la corriente es 3.2 m3/s, y la operación es auna presión de 85.3kPa. La concentración de las partículas es de2.0 g/m3 y, según las normas de emisión, se requiere una eficienciade separación del 80%. La distribución de tamaño de las partículasen la corriente gaseosa es la siguiente (tabla 6):



Desarrollo:

El procedimiento general de diseño es el siguiente:

· Selección del tipo de ciclón: Como el 45% de las partículasesta por debajo de 10 µm, se requiere un ciclón de altaeficiencia. Seleccionamos un ciclón Stairmand.

· Cálculo del diámetro del ciclón:Para calcular el diámetro del ciclón se selecciona unavelocidad de entrada que está en el intervalo de 15.2 a 27.4m/s. Para este caso seleccionamos una velocidad deentrada de 22 m/s. Con este valor se puede determinar el

diámetro del ciclón y las otras dimensiones con base en lasrelaciones establecidas para las familias de ciclones



Área del ducto de entrada

Área del ducto de entrada = a x b

Para un ciclón Stairmand (Tabla 2): Altura de entrada al ciclón (a): a = 0.5 Dc

Ancho de entrada al ciclón (b): b = 0.2 Dc



-Estimación del número de ciclones necesarios para trabajar en paralelo: Aunque Dc > 1.0 m, solo se r equi er e un cic l ón si m ple, ya que el valor d el

diámetro del ciclón está relativamente cercano a 1.0 m. Este parámetro de

diseño es una recomendación, más no una imposición en el momento dediseñar.

Por otro lado, algunos autores recomiendan que para caudales entre 0.5 y12 m3/s a condiciones de referencia se utilice un solo ciclón.

· Cálculo la eficiencia del ciclón:Para calcular la eficiencia del ciclón se requiere calcular primero si hay o noresuspensión, ya que de presentarse resuspensión en el ciclón, la ecuaciónde Leith y Licht estaría sobrestimando la eficiencia del ciclón.

Para hallar la relación de velocidades se requiere primero estimar lavelocidad equivalente y luego la velocidad de saltación.- Velocidad equivalente (ecuación 16):



Como ya estamos seguros que no hay resuspensión de las partículas,

procedemos a calcular la eficiencia del ciclón. Para ello se necesitadeterminar el factor de configuración , el tiempo de relajacióny el exponente de vórtice.

Aunque tenemos un ciclón Stairmand que tiene un factor de configuración de551.22; se hará todo el procedimiento necesario para hallarlo.



DETERMINACIÓN DE CO$TO$DETERMINACIÓN DE CO$TO$

Los ciclones son muy económicos,los costos de capital soninferiores a los de otros equipos

de control tales como filtros detalegas y precipitadoreselectrostáticos. Debido a susimplicidad, el único gasto deoperación más significativo es elcosto de electricidad paravencer la caída de presión através del dispositivo.



Según Gael D. UlrichGael D. Ulrich (A guide to ChemicalEngineering Process, Design and Economics, 1984)

$ 4,400

CBM = CP x FBM

CS = $ 13,200 USDSS = $ 22,000 USD

N A = $ 39,600 USD

T = $ 48,400 USD

Ej l d li i i d t i l d l



Ejemplos de aplicaciones industriales de losseparadores ciclónicos

Industria Química Metil-Celulosa HDPE PVC Reactores

Carbón Recolección de carbón

pulverizado Cal Ceniza

Alimentos Café/Chocolate Harina Tabaco

U n par d e cic lones cuád r u plos en ac er o

Ino xidable par a l a pr oducción d e P VC .



Hierro y Acero Aglomerados

Recuperaciónde arenas

Molinos

Granulación

Minería y materiasprimas Secadores

Carbón mineral

Polvo de metales

SalesC ic l ón cuád r u plo r esi stente al d esg aste en

una pl ant a d e inciner ación



Otras Industrias Carbonización

Aserrín Partículas de madera

Transporte neumático Recuperación de

productos.

C ic lones gemelos d e calent ami ento

par a el i minación d e pol v os. 75 m3 / h



Ciclón diseñado para remover partículas de tamaño grande y

moderado (astillas, residuos de pulverización, aserrín) de la corrientede aire. (800 a 10 000 CFM) UAS EU.

Usado en purificación del aire



Purificador vénturi COPESA srl Arg.Modelo PVIndustria del Hierro

90-1600 m3/min

Industria Acero Química No Ferrosos Minería

Petróleo Fertilizantes Pulpa y Papeles



Transportes neumaticos estacionarios y portatiles

Capacidad: 15 / 30 / 60 TN /H

Fuerza Motriz Necesaria: 75 HPMedida del sistema: tuberías de 6"Distancia del Suelo: 240 mm



Proceso decalcinación ± Precalentador desuspensión (SP)