Ciclones 1.- Descripcin.
Losciclonessonequiposmecnicosestacionarios,ampliamenteutilizadosenla
industria,quepermitenlaseparacindepartculasdeunslidoodeunlquidoquese
encuentransuspendidosenungasportador,mediantelafuerzacentrfuga.Entanto,los
hidrociclones son equipos que permiten la separacin de lquidos de
distintas densidades, o de slidos de lquidos.Los ciclones son
equipos muy sencillos, que al no poseer partes mviles son de fcil
mantenimiento. Tienen la desventaja de ser poco verstiles, ya que
no se adaptan a cambios
delascondicionesdeoperacin,porlocualsonpocoflexiblesaloscambiosde
concentracin de polvos, caudal de gas y distribucin de tamaos de
partculas.Elprincipiodefuncionamientodeunciclnsebasaenlaseparacindelas
partculasmediantelafuerzacentrfuga(delordendecientosdeg),loquelohacemas
efectivoquelascmarasdesedimentacin,ademsocupanunespaciomuchomenorque
stas La figura 1 muestra distintos tipos de ciclones. En los
ciclones el gas entra en el tope en forma tangencial (figura 1.a y
1.b) o axial (figura 1.c y
1.d).Ladescargadelosslidospuedeserperifrica(figuras.1.by1.d)oaxial(figuras.
1.a y 1.c). De acuerdo a las distintas combinaciones de entrada del
gas se distinguen entonces: (a)- entrada tangencial y descarga
axial(Figura 1.a). (b)- entrada tangencial y descarga perifrica
(figura 1 b). (c)- entrada y descarga axiales ( figura 1.c). (d)-
entrada axial y descarga perifrica (figura 1.d) Los ciclones de
entrada de gas axial funcionan de manera similar que los de entrada
tangencial,soloqueenlaentradadelgas(entradaanular)tienendispuestosunoslabes
fijos que le imprimen el movimiento en espiral al gas sucio que
entra al cicln. Los ciclones axiales tienen dimetros menores que
los tangenciales ( 25 a 305 mm), debido a esto tienen alta
eficiencia, pero baja capacidadLos ciclones de entrada tangencial y
descarga axial representan el cicln tradicional y, aunque se pueden
construir con dimetros ms grandes, lo ms frecuente es que stos se
encuentren entre los 600 y los 915
mm.Enlosciclonesconentradatangencialydescargaperifrica,elgassufreun
retrocesoenelinteriordelequipoaligualqueocurreenunciclnconvencional.Sin
embargo,presentaelinconvenientedequeelpolvonoeseliminadoensutotalidaddela
corriente gaseosa, aunque s se produce una concentracin del
mismo.En los ciclones con entrada y descarga axial la diferencia
fundamental se encuentra en que los dimetros son de menores
dimensiones (entre 25 y 305 mm), con lo que gracias a esta
caracterstica su eficiencia es mayor aunque su capacidad es menor.
Por otra parte, los ciclones de entrada axial y salida perifrica
proporcionan un flujo
directoqueesmuyadecuadoparaconectarlosafuentesdegranvolumen,dondelos
cambios en la direccin del gas podran ser un inconveniente.
Elprincipiodefuncionamientotantodelosciclonesaxialescomolostangenciales
es el
mismo.Losmsusadossonlosciclonesdeentradadegastangencialysalidadelslido
axial, por lo cual nos limitaremos al estudio de
estos.Enlafigura2sepresentaunciclnconvencionalostandard.Laslongitudes
caractersticas son referidas al dimetro del barril. Figura 2 :
cicln standard Dc : dimetro del cicln De :dimetro del conducto de
salida del gas limpio, es la mitad del dimetro del cicln Lc :
longitud del barril Zc : longitud del cono del cicln Hc : altura
del conducto de entrada rectangular. Lw : ancho del conducto de
entrada tangencial Jc dimetro de la pierna del cicln Las partes
principales son: la entrada de gas sucio, conectada tangencialmente
en la parte superior del cuerpo cilndrico o barril del
cicln.Elbarrilcumplelafuncindeimprimiralgasunmovimientoenespiral
descendente.Conectadoalbarrilhayunconoinvertidoquecumplelafuncindeconducirel
polvo separado hacia el tubo de descarga, de longitud variable,
tambin denominado cola o pierna del cicln.En la base del cono
invertido se produce la inversin del flujo de gas, de modo que el
gas comienza all una espiral en forma ascendente, concntrica a la
espiral descendente, saliendo el gas limpio por el conducto
superior de salida. Los polvos separados son descargados en la
pierna del cicln. En la cola del cicln puede existir o no una
vlvula de chanela que se abre solamente por el peso de los slidos
acumulados en la pierna del cicln, produciendo de esta manera la
descarga de los polvos.
Losciclonespuedenoperaraaltastemperaturas.Latemperaturamximadepende
delmaterialdeconstruccindelcicln.Paraciclonesconstruidosenaceroalcarbonola
mxima temperatura de operacin es de 800 C. En cuanto a la presin,
lo importante es la diferencia de presin a la cual est sometido el
cicln. Si es un cicln interno, por ejemplo en un lecho fluidizado
que opera a altas presiones, la diferencia de presin interna y
externa del cicln es nula, por lo cual no deben tenerse
consideraciones de resistencia en su diseo.
Encambiosisetratadeunciclnesexternoqueprocesagassucioaaltapresin,tendr
unapresininternamuchomayorquelaexterna,locualdebertenerseencuentaenel
diseo del mismo.La friccin de las partculas slidas erosionan
severamente las paredes interiores del cicln. Para disminuir el
deterioro del mismo suele colocarse mallas del tipo hexagonal que
se recubren con cemento. 2. Principio de Funcionamiento El gas
ingresa por el conducto de entrada del cicln a una velocidad Vi
(velocidad de entrada al cicln). Este conducto se halla ubicado en
forma tangencial al barril o cuerpo del cicln. Entra al barril y
comienza el movimiento enespiral descendente. El cambio de direccin
genera un campo centrfugo equivalente a cientos de veces el campo
gravitacional
terrestre.(cientosdeg).Laspartculastransportadasporelgasdebidoasuinercia,se
muevenalejndosedelcentroderotacinoejedelcicln,poraccindelaslneasde
fuerzadelcampocentrfugo,alcanzandolasparedesinternasdelbarrildelcicln,donde
pierden cantidad de movimiento y se deslizan por la pared del
barril hacia el cono y desde all a la pierna del cicln.El gas en su
movimiento descendente va despojndose de las partculas slidas y al
llegaralabasedelcono,invierteelflujo,siguiendounaespiralascendenteyalibre
prcticamente de partculas (gas limpio). El movimiento del gas en el
interior del cicln
consisteenunatrayectoriadedoblehlice.Inicialmenterealizaunaespiralhaciaabajo,
acercndosegradualmentealapartecentraldelseparador,yacontinuacinseelevaylo
abandona a travs de una salida central situada en la parte
superior. Esta doble espiral es la
quesedenominaflujociclnico.Laspartculasmsgrandesymsdensassonforzadas
hacia las paredes del cicln, dejando atrs las partculas.Una vez que
el gas penetra tangencialmente en el equipo se distinguen dos zonas
de caractersticas distintas de movimiento:
Enlazonaprximaalaentradadelgasyenaquellamsexteriordelcilindro
predominalavelocidadtangencial,lavelocidadradialescentrpetaylaaxialdesentido
descendente. La presin es relativamente alta.
Enlazonamsinteriordelcilindro,correspondientealncleodelciclnyconun
dimetroaproximadamenteiguala0,4veceseldelconductodesalidadelgas,elflujoes
altamenteturbulentoylapresinbaja.Sedaelpredominiodelavelocidadaxialcon
sentido ascendente. Estas dos zonas se encuentran separadas por el
llamado cilindro ideal de Stairmand.
Portanto,cualquierpartculaseencuentrasometidaadosfuerzasopuestasenla
direccinradial,lafuerzacentrfugayladerozamiento.Ambasfuerzassonfuncindel
radioderotacinydeltamaodelapartcula,porestaraznlaspartculasdetamaos
distintos tienden a girar en rbitas de radios distintos. Como la
fuerza dirigida hacia el exterior que acta sobre la partcula
aumenta con la componente tangencial de la velocidad, y la fuerza
dirigida hacia el interior aumenta con la componente radial, el
separador se debe disear de manera que la velocidad tangencial sea
lo ms grande posible mientras que la velocidad radial debe ser lo
ms pequea posible.Donde: - Fc: fuerza centrfuga - Fd: fuerza de
rozamiento - Vt: velocidad tangencial - Vr: velocidad radial - r:
radio de la rbita Existe una rbita de dimetro 0,4De ( siendo De el
dimetro del cilindro concntrico de salida de los gases), conocida
como cilindro ideal de Stairmand, que separa la zona en la cual las
partculas van a ser capturadas de aquella en la que los slidos
escapan junto con el gas.Silapartculasigueunatrayectoria cuya rbita
se encuentra dentro del cilindro de Stairmand y con una componente
axial ascendente, la partcula abandonar el cicln sin ser
retenida.Siencasocontrariolarbitaesexterioraestedimetro0,4De,entoncesla
componenteaxialserdescendenteylapartculaacabardepositndoseenelfondodel
cicln.
Luegodelingresoelgssconlaspartculassuspendidasformaunaespiral
descendente axial, por la cual descienden los slidos. Y una espiral
ascendente que alcanza el tubo de descarga por el tope, en la cual
sale el gas limpio.El aire entra cargado de polvo recorre un camino
en espiral alrededor y hacia abajo
delcuerpocilndricodelcicln.Lafuerzacentrfugadesarrolladaenelvrticetiendea
desplazarradialmentelaspartculashaciala
pared,deformaqueaquellasquealcanzanla pared deslizan hacia abajo
dentro del cono y se recogen. El gas al llegar al cono invierte su
direccininiciandosucarreraascendenteenformadeespiralalrededordelejedelcicln
hasta alcanzar el tubo de salida de gas limpio, en la parte
superior del cicln. Elciclnesentoncesesencialmente un dispositivo
de sedimentacin en el que una intensa fuerza centrfuga (de
alrededor de cientos de g), que acta radialmente, es la que se
utiliza en vez de una fuerza gravitacional relativamente dbil
dirigida verticalmente, como
sehabavistoporejemploenlascmarasdesedimentacin.Losciclonespuedenseparar
partculas de polvo del orden de 10 micrones (10 a la menos 6 de
metros). Este flujo de doble espiral descendente-ascendente
constituye el llamado fenmeno ciclnico, y su descripcin desde el
punto de vista matemtico es muy complejo, por lo cual
eldiseodelciclnsebasageneralmenteenlaexperiencia,esdeciresdenaturaleza
emprica.
Laeficienciadeunciclnesdemuchaimportancia.Relacionalacantidadde
slidosdescargadosporlapiernadelcicln,respectoalosalimentados.Tambines
importante la prdida de carga del cicln. La prdida de carga es la
suma de varios
factores.Losciclonespuedensersometidosaaltastemperaturas,dependiendodelmaterial
deconstruccin.Siesaceroalcarbonooaceroinoxidable,puedeoperarsehasta
temperaturas de 800 C
Laaceleracincentrfugaenlosciclonesesdirectamenteproporcionalalcuadrado
de la velocidad de entrada del cicln inversamente proporcional al
radio del cicln. 2iccvar= dnde ac es la aceleracin centrfuga, vi
velocidad de entrada del cicln y rc es el radio del cicln.
Cuandonoesposibleaumentarmslavelocidaddelgas,convienedisminuirel
dimetro del cicln, de modo de aumentar la eficiencia. Clculo del
dimetro de partcula mnima retenida Trayectoria de una partcula:
VT: velocidad de entrada del gas y las partculas de polvo,
tangente a las lneas de flujo VR Velocidad de deriva de una
partcula de polvo (direccin radial) rc radio del barril del cicln
re: radio del tubo de salida del gas limpio
Lw:anchodelcanalrectangulardeentradadelgassucio(anchodelabocadeentradaal
cicln).
Cualquierpartculaseencuentrasometidaadosfuerzasopuestasenladireccin
radial,lafuerzacentrfugayladerozamiento.Ambasfuerzassonfuncindelradiode
rotacin y del tamao de partcula, por esta razn las partculas de
distinto tamao tienden a girar en rbitas de radios distintos. Bases
para el clculo del dimetro mnimo de partculas retenidas 1)La
corriente de polvo y gas que entra al cicln forma una espiral rgida
descendente.
2)LaespiralrgidasedesplazaconunavelocidadtangencialVTigualalavelocidad
de entrada al cicln
3)Elanchodelaespiralrgidadescendenteesigualalanchodelcanaldeentradaal
cicln Lw 4)Las partculas de polvo se desplazan a la misma velocidad
que el gas VT
5)Poraccindelcampocentrfugolaspartculasdepolvosealejandelcentrode
rotacin siguiendo la direccin radial durante su trayectoria
descendente.
6)Eldesplazamientodelaspartculashacialapareddelciclnserealizaauna
velocidaddefinidaporlaleydeStokesparaelcampocentrfugoyseloconoce
como velocidad de deriva. Tubo salida gas limpio Vr VT rc re VT Lw
Partcula de masa m, y dimetro Dp (posicin mas desfavorable) Punto
donde se separa la partcula de gas
7)Seconsideraqueunapartculasehaseparadocuandoalcanzalaparedinteriordel
barril del cicln.
8)Paraquelapartculaalcancelaparedinteriordelbarrildelciclneltiempoque
tarda debe ser menor que el que tarda en recorrer la espiral
descendente.
9)Sesuponequelaaceleracincentrfugaesconstanteynocambiaconelradiodel
cicln 10) El dimetro de partcula calculado por este mtodo se
denomina dimetro mnimo. Clculo del dimetro mnimo: El gas ingresa
con una velocidad tangencial vT por lo que la velocidad angular es:
Tcvwr= La aceleracin centrfuga es: 2Tccvar= = La velocidad de
deriva VR Segn Stokes ( ) ( )2 2 218 18s p T s pR ccd v dv ar = =
El tiempo para alcanzar la pared interna del cicln ( )2 218w w cRR
T s pL L rv v du = = La distancia recorrida por la partcula a lo
largo de la espiral L 2c sL r N t = dnde Ns es el nmero de
espirales que recorre. El tiempo necesario para recorrer la espiral
es: *2c sRT Tr N Lv vtu= = La condicin necesaria para que la
partcula se separe es: *R Ru u > ( )2 22 18c s w cT T s pr N L
rv v dt = ( )min2182w c Tpc s T sL r vdr N vt = ( )min9wps T sLdN
vt =
ElnmerodeNsespiraspuedeobtenersedeungrficoenfuncindelavelocidad de
entrada al cicln o adoptarse un valor de
5.Laspartculascondimetroigualomayorquedpminseseparanconun100%de
eficiencia.Laspartculascondimetromenorquedpminsesepararnconunaeficiencia
menor. Dimetro de corte: dimetro de partcula que se separa con un
50 % de eficiencia ( )92cortewps T sLdN vt = De un grfico puede
calcularse la eficiencia de separacin de las distintas fracciones
de partculas, en funcin del dimetro de partcula / dimetro de corte:
221pipcorteipipcorteddddq| | |\ .=| ||\ . El grfico responde a esa
ecuacin. i = eficiencia fraccional de las partculas de tamao dpi la
eficiencia global ser: global i iw q q = donde wi es la fraccin
msica de partculas de dimetro dpi y 1iw = Prdida de carga del
cicln: La prdida de carga del cicln depende de la velocidad de
entrada al cicln. Es en realidad la suma de varios trminos:1)prdida
de presin a la entrada del cicln 2) prdida debida a la aceleracin
de los slidos 3) Prdidas en el barril 4) Prdidas por el flujo
reverso (cuando cambia hacia la espiral ascendente 5) Prdidas por
contraccin en el conducto de salida. Pueden expresarse en funcin de
la velocidad a la entrada del cicln 2ciclon H iP N v A = donde : 2
24 2/ 22c cc cHecD DB HN K K KDD= = =| | |\ . K es 16 para ciclones
normales y 7.5 para ciclones de gran envoltura Dimensionado de un
cicln
Losparmetrosclavesdeunciclnsonsueficienciaysuprdidadecarga:Estos
parmetrossongobernadosporsusdimensiones,esdecireldimetrodelciclny
longitudesdeloscanalesdeflujo.Eldimetrodelciclninfluenciafuertementela
eficienciadecoleccin.Losciclonesdedimetropequeo(20cma60cm)proveenuna
muy buena eficiencia de coleccin.
Enunciclnconvencionalaldeterminareldimetrodelciclnquedantodaslas
dems longitudes determinadas. Puede dimensionarse estipulando el
tamao de partcula que quiere ser separada. Si
sequiereretenerlatotalidaddelaspartculasderadiodppodemosdimensionarelcicln
parauntamao10vecesmenor,demaneradetenerlaseguridadquelaeficienciade
separacin sea del 100 % para el tamao de partcula que queremos
separar. Tomamos entonces dpmin = dp/10 ( )min910pwps i sdLdN vt =
= ( )min9wps sw wLdQNL ht = Como 2cwdL = y 4ccdh = reemplazando: (
)3910 8pcs sddN Qt = Ecuacin de la cual puede despejarse dc,
dimetro del cicln Criterio de Kalen y Zenz:
DeacuerdoaKalenyZenz,lamximaeficienciadelciclnsedacuandola
velocidad de entrada al cicln es 1.25 de la velocidad de arrastre.
Por otra parte la velocidad
deentradaalciclnnodebesermayorde1.36lavelocidaddearrastre,porquesinose
produce re-arrastre, es decir que las partculas se van con la
espiral ascendente, por lo cual la eficiencia del cicln disminuye.
( ) ( )131 215 34.91141ccs c iccBDv w B vBD ( ( ( = ( ( ( )13243sgw
(=( En la figura se observa la eficiencia de tres ciclones de
distinto dimetro, con velocidad de entrada similar en los tres.
Vemos que al aumentar el dimetro, aumenta la capacidad pero
disminuyelaeficiencia.Laprdidadecargaessimilarporquelavelocidadeslamisma
para los tres ciclones.
Porotraparte,laeficaciaglobalesunafuncindeladistribucindetamaosdelas
partculas y no se puede predecir a partir del tamao medio.
Laeficaciadeseparacindeunciclnaumentaconladensidaddelaspartculasy
disminuye al aumentar la temperatura del gas debido al aumento de
la viscosidad del gas.Los ciclones tambin se utilizan ampliamente
para separar slidos de lquidos, especialmente con fines de
clarificacin. Ventajas del uso de ciclones: -bajo costo de inversin
-costo de mantenimiento bajo (no tiene partes mviles) -permite la
separacin en condiciones drsticas de temperatura y presin. -Cada de
presin constante.
-Puedeserconstruidodevariadosmateriales(cermica,aleaciones,aceros,hierro
fundido, aluminio, plsticos)
-Puedeseparartantopartculasslidascomolquidas,avecesambaslavez,
dependiendo del diseo propio del cicln Desventajas del cicln -Baja
eficiencia para partculas de tamao menor que el dimetro de corte,
cuando operan en condiciones de bajas cargas de slido. -Usualmente
cada de presin mayor que otros tipos de separadores ( por ejemplo
que el filtro de cartucho (bag)) -Sujeto a erosin o ensuciamiento,
si los slidos procesados son abrasivos. Si lo que se quiere es
aumentar la eficiencia de separacin del cicln se aconseja tomar
alguna de las siguientes acciones: -Reducir el dimetro del cicln,
-Reducir el dimetro del conducto de salida del gas -Reducir el
ngulo del cono, -Incrementar la longitud del cuerpo. Si lo que se
quiere es aumentar la capacidad del cicln entonces: : -Incrementar
r el dimetro del cicln, -Reducir el dimetro del conducto de salida
del gas -Incrementar el dimetro de entrada -Incrementar la longitud
del cuerpo
El incremento de la cada de presin puede resultar en: Un
incremento en la eficiencia de separacin
Una manera de mejorar la eficiencia de un cicln, cuando por
ejemplo se trabaja con partculas de tamao menores de 10 um, es
colocar dos ciclones de manera secuencial, el primero de mayor
tamao, el primero puede separar partculas de gran tamao y el
segundo para partculas de tamao menor