Diseño ciclon separador de partículas

Contenidos:

Definición Características de los distintos tipos de ciclones: Convencionales, de alta

eficiencia y de alta capacidad Eficiencia de separación Pérdida de carga Tiempo de relajación Velocidad de saltación Consideraciones en el diseño del cilón

 

    Definición: Los ciclones son colectores centrífugos en los que la entrada de aire es tangencial al cuerpo del cilindro, de esta manera se fuerza a las partículas a dirigirse hacia las paredes, donde perderán su energía y caerán a un colector o tolva situado en la parte inferior del cuerpo.

Características de los ciclones convencionales

Dimensión Nomenclatura Tipo de ciclón

Lapple Swift Peterson-Whitby

Zenz

Diámetro del ciclón Dc/Dc 1.0 1.0 1.0 1.0

Altura de entrada a/Dc 0.5 0.5 0.583 0.5

Ancho de entrada b/Dc 0.25 0.25 0.208 0.25

Altura de salida S/Dc 0.625 0.6 0.583 0.75

Diámetro de salida Ds/Dc 0.5 0.5 0.5 0.5

Altura parte cilindrica h/Dc 2.0 1.75 1.333 2.0

Altura parte cónica z/Dc 2.0 2.0 1.837 2.0

Altura total del ciclón H/Dc 4.0 3.75 3.17 4.0

Diámetro salida partículas

B/Dc 0.25 0.4 0.5 0.25

Factor de configuración G 402.88 381.79 342.29 425.41

Número cabezas de velocidad

NH 8.0 8.0 7.76 8.0

Número de vórtices N 6.0 5.5 3.9 6.0

 

Características de los ciclones de alta eficiencia

Dimensión Nomenclatura Tipo de ciclón

Stairmand Swift Echeverri

Diámetro del ciclón Dc/Dc 1.0 1.0 1.0

Altura de entrada Ka=a/Dc 0.5 0.44 0.5

Ancho de entrada Kb=b/Dc 0.2 0.21 0.2

Altura de salida S/Dc 0.5 0.5 0.625

Diámetro de salida Ds/Dc 0.5 0.4 0.5

Altura parte cilindrica h/Dc 1.5 1.4 1.5

Altura parte cónica z/Dc 2.5 2.5 2.5

Altura total del ciclón H/Dc 4.0 3.9 4.0

Diámetro salida partículas B/Dc 0.375 0.4 0.375

Factor de configuración G 551.22 698.65 585.71

Número cabezas de velocidad

NH 6.4 9.24 6.4

Número de vórtices N 5.5 6.0 5.5

 

Características de los ciclones de alta capacidad

Dimensión Nomenclatura Tipo de ciclón

Stairmand Swift

Diámetro del ciclón Dc/Dc 1.0 1.0

Altura de entrada a/Dc 0.75 0.8

Ancho de entrada b/Dc 0.375 0.35

Altura de salida S/Dc 0.875 0.85

Diámetro de salida Ds/Dc 0.75 0.75

Altura parte cilindrica h/Dc 1.5 1.7

Altura parte cónica z/Dc 2.5 2.0

Altura total del ciclón H/Dc 4.0 3.7

Diámetro salida partículas B/Dc 0.375 0.4

Factor de configuración G 29.79 30.48

Número cabezas de velocidad NH 8.0 7.96

Número de vórtices N 3.7 3.4

 

    Eficiencia de separación: Se proponen las siguientes fórmulas para calcular la eficiencia de separación para un determinado diámetro de partícula, el diámetro de corte que representa el diámetro para el cual la eficiencia de separación es del 50% y el diámetro crítico que es el diámetro de partícula a partir del cual la eficiencia de separación es del 100%.

Eficiencia de separación

Diámetro de corte

Diámetro crítico

Viscosidad del fluido

Factor de proporcionalidad definido por la geometría de la partícula

     

Diámetro que tendría una esfera del mismo volumen que la partícula.

Diámetro de la partícula (mayor longitud de la misma)

     

Densidad del gas

Densidad de las partículas

Velocidad del gas a la entrada del ciclón

Número completo de vueltas que da el gas a través del ciclón en su  vórtice inicial, para la eliminación de partículas.

Otra alternativa para calcular la eficiencia es:

Donde:

hi = Eficiencia fraccional por intervalos de tamaño.

G = Factor de configuración del ciclón.

Ti = Tiempo de relajación para cada partícula, s.

Q = Caudal de gas, m3/s.

Dc = Diámetro del ciclón, m.

n = Exponente del vórtice del ciclón

En la cual:

Dc = Diámetro del ciclón, m.

T = Temperatura del gas, K.

 

Nota: El cálculo de la eficiencia de separación para todo el efluente hay que hacerlo para todos los rangos de diámetros de las partículas que contiene el aire a tratar, y teniendo en cuenta el porcentaje en masa que ocupa cada rango en el total de la masa de las partículas arrastradas por el efluente.

 

Eficiencia aproximada de los distintos ciclones:

Familia de ciclones

Eficiencia de remoción (%)

Total de partículas

PM10 PM2.5

Convencionales 70 - 90 30 - 90 0 - 40

Alta eficiencia 80 - 99 60 - 95 20 - 70

Alta capacidad 80 - 99 10 - 40 0 - 10

 

    Pérdida de carga: Es la pérdida de presión que se produce en un efluente gaseoso al pasar por un separador ciclónico debido a la fricción con las paredes, los cambios de volúmen, etc... El cálculo total de pérdidas es muy complicado (se incluye una tabla con cálculos totales), tomaremos una aproximación considerando las pérdidas de presión

debido a la pérdida de energía cinética. En concreto una estimación propuesta por Shepherd y Lapple.

Densidad del gas portador, kg/m3

Velocidad de entrada del gas en el ciclón, m/s

Número de cabezas de velocidad a la entrada del ciclón. Éste dato es común para cada familia de ciclones.

Cálculo total de la pérdida de presión para un ciclón:

ΔPe Pérdidas en la entrada del ciclón.ΔPk Pérdidas de energía cinética.

ΔPf Pérdidas por rozamiento en el vórtice exterior.ΔPr Pérdidas de energía cinética debidas al campo rotacional.

ΔPo Pérdidas de presión en el vórtice interior y salida del ciclón.

Cálculos de pérdidas de presión para  un ciclón convencional de Lapple (la pérdida de presión depende principalmente de la familia de ciclones y de la velocidad de entrada del efluente) y distintas velocidades de entrada del efluente gaseoso:

Velocidad (m/s)  ΔPe ΔPk ΔPf  ΔPr ΔPo Total (Pa)

5 16 9 37 31 11 104

8 35 21  84  70 26  235

10 62 37 149 124 45 417

13 97  58 232 194 71 652

15 140 83 335 279  102 939

16 159 95 381 319 117 1071

18 190 113 456 380 139 1279

20 248 148 596  497 181 1670

    Tiempo de relajación: Tiempo necesario para que una partícula alcance la velocidad terminal de caída.

Donde:

rp = Densidad de la partícula, kg/m3.

Dpi = Diámetro de la partícula, m.

μ = Viscosidad del gas, kg/ms.

 

    Velocidad de saltación: La velocidad de saltación es la velocidad de entrada de aire al ciclón a la que empieza a resuspenderse la materia particulada, produciendo una disminución en la eficiencia de captación del ciclón.

W Velocidad equivalente:             

 

    Consideraciones en el diseño del ciclón:

Seleccionar los tipos de ciclón adecuados, dependiendo del funcionamiento o necesidades requeridas, tamaño de partícula a limpiar, etc...

Obtener un estimativo de la distribución de tamaño de las partículas en la corriente gaseosa a ser tratada.

Calcular la eficiencia y la caída de presión de los ciclones para estimar cual es el que mejor se adapta a las necesidades del efluente.

Calcular el diámetro del ciclón para una velocidad de entrada que no permita la resuspensión de material y que minimice la pérdida de carga (principal coste de funcionamiento del ciclón), y determinar las otras dimensiones del ciclón con las relaciones establecidas para las familias de ciclones con base en el diámetro.

En ciertos casos los requerimientos de caudal o de distribución de partículas propician la necesidad de trabjar con cilones en paralelo, para grandes efluentes, o en serie, para conseguir una mayor eficiencia en la recolección de partículas.