nuevo trabajo terminado ciclon

8/4/2019 Nuevo Trabajo Terminado Ciclon

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CICLON

1. OBJETIVO Evaluar cmo influye el dimetro de las partculas (Dp) con respecto a la eficiencia

fraccional (Ni)

Disear un ciclon para separar solidos de un gas (aire)

2. MARCO TEORICOEl equipo de recoleccin de polvo que se usa con mayor frecuencia es el cicln.

Los ciclones remueven el material particulado de la corriente gaseosa, basndose en el principio de

impactacion inercial, generado por la fuerza centrifuga.

Cicln.- El cicln es esencialmente una cmara de sedimentacin en que la aceleracin gravitacional se

sustituye con la aceleracin centrifuga.

Los ciclones constituyen uno de los medios menos costosos de recoleccin de polvo, tanto desde el

punto de vista de operacin como de la inversin. Estos son bsicamente 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 (que ascienden incluso

a 1000C) y presiones de operacin.

Los ciclones son adecuados para separar partculas con dimetros mayores de m; aunque partculas

mucho ms pequeas, en ciertos casos, pueden ser separadas.

Los ciclones presentan eficiencias mayores que la cmara de sedimentacin gravitacional, y eficienciamenores que los filtros de talegas, lavadores y precipitadores electrostticos.

La fuerza centrifuga generada por los giros del gas dentro del cicln puede ser mucho mayor que la

fuerza gravitacional, ya que la fuerza centrifuga varia en magnitud dependiendo de la velocidad de giro

del gas y del radio de giro.

Principio de velocidad en un cicln

Tericamente el aumento de la velocidad de entrada al cicln implicara un aumento de la fuerzacentrifuga y, por lo tanto, un aumento de la eficiencia; sin embargo, velocidades de entrada muy altas

generan la resuspension de material particulado de las paredes internas del cicln; adicionalmente,

aumentar la velocidad de entrada implica mayor consumo de energa.


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VENTAJAS DE LOS CICLONES

Las ventajas de los ciclones incluyen las siguientes:

a) Bajos costos de capital.b) Falta de partes mviles, por lo tanto, pocos requerimientos de mantenimiento y bajos costosde operacin.

c) Cada de presin relativamente baja, comparada con la cantidad de partculas removidas.

d) Las limitaciones de temperatura y presin dependen nicamente de los materiales deconstruccin.

e) Coleccin y disposicin en seco.

f) Requisitos espaciales relativamente pequeos.

DESVENTAJAS DE LOS CICLONES

Las desventajas de los ciclones incluyen las siguientes:

a) Eficiencias de recoleccin de partculas sus-pendidas totales relativamente bajas, particularmentepara partculas menores de 10 m.

b) No pueden manejar materiales pegajosos o aglomerantes.

Las unidades de alta eficiencia pueden tener altas cadas de presin


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TABLAS

Tabla 1. Intervalo de eficiencia de remocin paralas diferentes familias de ciclonesFamilia de ciclones

Eficiencia de remocin (%)PST PM10 PM2.5

Convencionales 70 - 90 30 - 90 0 - 40Alta eficiencia 80 - 99 60 - 95 20 - 70Alta capacidad 80 - 99 10 - 40 0 - 10

Tabla 2. Caractersticas de los ciclones de alta eficiencia

Dimensin Nomenclatura Tipo de ciclnStairmand Swift EcheverriDimetro del cicln Dc/Dc 1.0 1.0 1.0Altura de entrada a/Dc 0.5 0.44 0.5Ancho de entrada b/Dc 0.2 0.21 0.2

Altura de salida S/Dc 0.5 0.5 0.625Dimetro de salida Ds/Dc 0.5 0.4 0.5

Altura parte cilndrica h/Dc 1.5 1.4 1.5Altura parte cnica z/Dc 2.5 2.5 2.5

Altura total del cicln H/Dc 4.0 3.9 4.0

Dimetro salida partculas B/Dc 0.375 0.4 0.375Factor de configuracin G 551.22 698.65 585.71

Nmero cabezas de velocidad NH 6.4 9.24 6.4Nmero de vrtices N 5.5 6.0 5.5

Tabla 5. Parmetros de diseo para los ciclones eentrada tangencial

Parmetro Valor

Dimetro del cicln (DC) < 1.0 mCada de presin < 2488.16 Pa

Relacin de velocidades (Vi/VS) < 1.35Velocidad de entrada 15.2 - 27.4 m/s


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ECUACIONES

1. La eficiencia fraccional por tamao de particulas se calcula con la ecuacion1

En la cual:

i= Eficiencia fraccional por intervalos de tamao.G = Factor de configuracin del cicln.

Ti = Tiempo de relajacin para cada partcula, s.

Q = Caudal de gas, m

3

/s.Dc = Dimetro del cicln, m.

n = Exponente del vrtice del cicln

El parmetro G est relacionado con las proporciones del cicln y T i agrupa caractersticas delmaterial particulado y del gas de arrastre.

2. La eficiencia total se calcula realizando la sumatoria del producto de las eficienciasfraccionales por la masa fraccional.

En la cual:

T = Eficiencia totali= Eficiencia fraccionalmi = Porcentaje msico, %.

3. FACTOR DE CONFIGURACIONEl factor de configuracion resulta de relacionar algunas proporciones normalizadas por el

diamentro del ciclon; la ecuacion 3 nos representa el factor de configuracion:


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En la cual:

Kc = Factor dimensional de las proporciones volumtricas del cicln

Ka

= Relacin entre la altura de la entrada y el dimetro del cicln (a/Dc).

Kb = Relacin entre al ancho de la entrada y el dimetro del cicln (b/Dc).

4. El factor dimensional de las proporciones volumtricas del cicln (Kc) se calcula con laecuacin 4.

En la cual:

Vsc = Volumen evaluado sobre la salida del cicln, m3.

VR = Volumen evaluado sobre la longitud natural del cicln (m3)

5. condicin para la ecuacin 4

L < HS

En la cual:

L=longitud natural del ciclon, m.

H = Altura total del cicln, m.

s = Altura de la salida, m.

6. La longitud natural del cicln L es comn para cada familia de ciclones


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7. El volumen evaluado sobre la salida del cicln (VsC) se evala con la ecuacin 7

( )

8. El volumen del ciclon evaluado sobre la longitud natural (VR) se calcula con:

9. En la cual KL se denomina el factor de dimensiones lineales y se calcula con la ecuacin 9

[ ]10.TIEMPO DE RELAJACION Ti

El tiempo de relajacin es el tiempo necesario para que una partcula alcance la velocidadterminal de cada; se evala con la ecuacin 10.

En la cual:

p = Densidad de la partcula, kg/m3.Dpi = Dimetro de la partcula, m.

= Viscosidad del gas, kg/ms

11.EXPONENTE DEL VORTICE n

El exponente del vrtice resulta de relacionar la velocidad tangencial y el radio de giro de unmovimiento en forma de vrtice. Los anlisis tericos revelan que n debe ser igual a 1.0 en ausenciade friccin de pared (vrtice libre). No obstante, las mediciones reales sealan que n puede variar de


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0.5 a 0.7 de acuerdo con el tamao del cicln y la temperatura; una ecuacin emprica muy utilizadaes la ecuacin 11

[ ]

En la cual:

n = Exponente del vrtice (valor adimensional).

Dc = Dimetro del cicln, m.

T = Temperatura del gas, K.

12.NMERO DE GIROS

Otro modelo para estimar la eficiencia de remocin de partculas en los ciclones es la que se basa enel nmero de giros o vrtices externos que presenta la corriente gaseosa en el interior del cicln. Elnmero de giros o vrtices puede ser estimado de las dimensiones del cicln, debido a que estosdependen de la altura de cada uno de los vrtices y la longitud del cicln:

* +El nmero de vrtices es comn para cada familia de ciclones. Las tablas 2 a 4 presentan los valores de N

para las principales familias de ciclones

13.Asumiendo un flujo mezclado, la expresin que relaciona la eficiencia de remocin con losparmetros del cicln y las condiciones de operacin es:

En la cual:

i=eficiencia fraccional por intervalos de tamao


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Este modelo indica la fuerte dependencia que tiene la eficiencia con el dimetro de las partculas, elnmero de giros o vrtices y la velocidad de entrada.

14.Sin embargo el modelo predice un valor finito para el dimetro de la partcula, arriba del cual la

eficiencia de coleccin es 1005 (tamao crtico), mientras la evidencia experimental muestra quela eficiencia se aproxima asintticamente con el incremento del dimetro de la partcula.El dimetro crtico de la partcula esta dado por:

15.VELOCIDAD DE SALTACINEn los ciclones, la velocidad de entrada es un parmetro fundamental; velocidades muy bajaspermiten la sedimentacin de partculas y neutralizan el efecto de la fuerza centrfugagenerando disminucin en la eficiencia de coleccin; velocidades muy altas puedenresuspender partculas previamente colectadas, disminuyendo tambin la eficiencia. Laexperiencia indica que la velocidad de entrada al cicln debe situarse en el intervalo de15.2 a 27.4 m/s.

Kalen y Zenz propusieron la existencia de una velocidad de saltacin en el cicln para

explicar por qu la eficiencia de coleccin algunas veces descenda con incrementos en lavelocidad de entrada. De lo anterior se puede observar que lo ideal es trabajar convelocidades de entrada lo suficientemente altas para aprovechar el efecto de la aceleracin

centrfuga, sin sobrepasar la velocidad que implica resuspensin del material ya colectado.La correlacin semiemprica para la velocidad de saltacin es:

En la cual:

Vs=Velocidad de saltacin, m/s.Vi=Velocidad de entrada del gas en el cicln, m/s.

W=velocidad equivalente, m/s.

16.La velocidad equivalente se evala a travs de la siguiente ecuacin:


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En la cual:

p= Densidad de la partcula, kg/m3. = Densidad del gas portador, kg/m3.=Viscosidad del gas portador. Kg/ ms.

Por lo tanto, la velocidad de saltacin es funcin de las propiedades de las partculas y del fluido, ascomo de las dimensiones del cicln

17.ESTIMATIVA DE LA CADA DE PRESIN

La cada de presin es un parmetro importante debido a que relaciona directamente los costos deoperacin.

La cada de presin en un cicln puede deberse a las prdidas a la entrada y salida, y prdidas de

energa cintica y friccin en el ciclnUna de las ecuaciones para calcular la prdida de presin en un cicln es la desarrollada porShepherd y Lapple

En la cual:

P= cada de presin en el cicln, Pa.

=Densidad del gas portador, kg/m3

.

Vi=Velocidad de entrada del gas en el cicln, m/s

NH=numero de cabezas de velocidad a la entrada del cicln.

18.El nmero de cabezas de velocidad a la entrada del cicln se puede hallar con la siguienteecuacin:


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En la cual:

K = Constante, toma el valor de 16 para entrada tangencial

3. PROCESAMIENTO DE DATOSEjemplo 1. Disear un cicln para separar slidosde una corriente gaseosa. La densidad de la part-culases de 1500 kg/m3 y el gas es aire a 450 C. El caudal de la corriente es 3.2 m3/s, y la operacin es a unapresin de 85.3 kPa. La concentracin de las partculas es de 2.0 g/m3 y, segn las normas de emisin, serequiere una eficiencia de separacin del 80%. La distribucin de tamao de las partculas en la corrientegaseosa es la siguiente (tabla 6):

Tabla 6. Distribucin de tamao de las partculas

Tamao (m) % msico5 - 10 45

10 - 30 2530 - 50 1550 - 70 1070 - 100 5

Desarrollo: el procedimiento general de diseo esel siguiente:

Seleccin del tipo de cicln: como el 45% de las partculas est por debajo de 10 m, se requiere

un cicln de alta eficiencia.

Por lo tanto, seleccionamos un cicln de la familia de ciclones de alta eficiencia (tabla 2).Seleccionamos un cicln Stairmand.

Clculo del dimetro del cicln: para calcular el dimetro del cicln se selecciona una velocidad deentrada que est en el intervalo de 15.2 a 27.4 m/s. Para este caso seleccionamos una velocidad de entradade 22 m/s. Con este valor se puede determinar el dimetro del cicln y las otras dimensiones con base en


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las relaciones establecidas para las familias de ciclones (tabla 2).

rea del ducto de entrada:

Q 3.2rea Vi22 0.145 m

2

rea del ducto de entrada = a b

Para un cicln Stairmand (Tabla 2):

Altura de entrada al cicln (a): a = 0.5 Dc

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

a b = 0.5 Dc 0.2 Dc = 0.145 m2

Entonces: DC 2 0.50.145

0.2 1.21 m

Las otras dimensiones se hallan con base en las proporciones propuestas:

Altura de entrada al cicln (a): a = 0.5 Dca = 0.5 1.21 = 0.60 m

Ancho de entrada al cicln (b): b = 0.2 Dcb = 0.2 1.21 = 0.24 m

Altura de salida del cicln (S): S = 0.5 DcS = 0.5 1.21 = 0.60 m

Dimetro de salida del cicln (Ds): Ds = 0.5 Dc Ds = 0.5 1.21 = 0.60 m

Altura parte cilndrica del cicln (h): h = 1.5 Dc h = 1.5 1.21 = 1.81 m

Altura total del cicln (h): h = 4.0 DcH = 4.0 1.21 = 4.84 m

Altura parte cnica del cicln (z): z = 2.5 Dcz = 2.5 1.21 = 3.02 m

Dimetro salida del polvo (B): B = 0.375 DcB = 0.375 1.21 = 0.45 m


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Estimacin del numero de ciclones necesarios para trabajar en paralelo: aunque Dc >1.0m, solo serequiere un cicln simple, ya que el valor del dimetro del cicln est relativamente cercano a 1.0m. Esteparmetro de diseo es una recomendacin, ms no una imposicin en el momento de disear

Por otro lado, algunos autores recomiendan que para caudales entre 0.5 y 12 m /s a condicionesde referencia se utilice un solo cicln

IMPORTANTE: Calculo de la eficiencia del cicln: para calcular la eficiencia del cicln serequiere calcular primero si hay o no RESUSPENSION ya que de presentarse resuspension enel cicln la ecuacin de Leith y licht estara sobrestimando la eficiencia del cicln.

Para hallar la relacin de velocidades se requiere primero estimar la velocidad equivalente yluego la velocidad de saltacin.

velocidad equivalente (ecuacin 16)

Suponiendo que la corriente gaseosa es aire, estas son las propiedades del aire a 450C y 85.3kPa:

=0.411 kg/m3

=3.57 x10-5kg/ms

W=1.61 m/s

velocidad de saltacin (ecuacin 15):


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relacin entre velocidades

Como

< 1.35, no hay resuspension del material particuladoComo ya estamos seguros de que no hay resuspension de las partculas, procedemos a calcular laeficiencia del cicln. Para ello se necesita determinar:

a) el factor de configuracin (ecuacin 3),

b) el tiempo de relajacin (ecuacin 10)yc) el exponente de vrtice (ecuacin 11).

Cuando tenemos un cicln de una familia de ciclones estandarizados, el factor de configuracinG es comn para cada familia de ciclones y puede leerse de la tabla1. Aunque tenemos un ciclnStairmand que tiene un factor de configuracin 551.22, se har todo el procedimiento necesariopara hallarlo.

Volumen del cicln evaluado sobre la salida (ecuacin 7):

( )


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Longitud natural del cicln (ecuacin 6):

Condicin: L


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Factor dimensional de las proporciones volumtricas del cicln (ecuacin 4):

Relacin entre la altura de entrada y el dimetro del cicln:

Relacin entre la base de entrada y el dimetro del cicln:

Factor de configuracin (ecuacin 3):

Exponente del vrtice (ecuacin 11):

[ ]


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[]

Eficiencia fraccional por intervalos de tamao:

Para una partcula con Dpi= 7.5 m (7.5 x 10-7), tenemos:

Las eficiencias fraccionales por intervalos de tamao para los dems tamaos departculas se reportan en la tabla 6.

Eficiencia total (ecuacin 2): La eficiencia total se reporta en la tabla 7

Tabla 7 Calculo de la eficiencia para el ejemplo 1Tamao

(m)

miDp

(m)

Dp

(m)

ni ni x mi

5 10 45 7.5 7.5x106 0.705 31.710 30 25 20 20x105 0.896 22.430 50 15 40 40x105 0.970 14.650 70 10 60 60x105 0.989 9.970 100 5 85 85x105 0.996 5.0

Eficiencia total 83.6


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Calcular la cada de presin del cicln y si se requiere, seleccionar otro tipo de cicln.

Numero de cabezas de velocidad (ecuacin 18):

Cada de presin (ecuacin 17):


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CONCLUSION

A mayor Dimetro de la partcula mayor eficiencia fraccional

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

D

i

a

m

e

t

r

o

d

e

l

a

p

a

r

t

i

c

u

l

a

Eficicencia fraccional por intervalos de tamao

Dp vs Ni

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