Ciclones. 1.- Descripción.

Transcripción

1 Cilones 1.- Desriión. Los ilones son equios meánios estaionarios, amliamente utilizados en la industria, que ermiten la searaión de artíulas de un sólido o de un líquido que se enuentran susendidos en un gas ortador, mediante la fuerza entrífuga. En tanto, los hidroilones son equios que ermiten la searaión de líquidos de distintas densidades, o de sólidos de líquidos. Los ilones son equios muy senillos, que al no oseer artes móviles son de fáil mantenimiento. Tienen la desventaja de ser oo versátiles, ya que no se adatan a ambios de las ondiiones de oeraión, or lo ual son oo flexibles a los ambios de onentraión de olvos, audal de gas y distribuión de tamaños de artíulas. El riniio de funionamiento de un ilón se basa en la searaión de las artíulas mediante la fuerza entrífuga (del orden de ientos de g), lo que lo hae mas efetivo que las ámaras de sedimentaión, además ouan un esaio muho menor que éstas La figura 1 muestra distintos tios de ilones. En los ilones el gas entra en el toe en forma tangenial (figura 1.a y 1.b) o axial (figura 1. y 1.d). La desarga de los sólidos uede ser eriféria (figuras.1.b y 1.d) o axial (figuras. 1.a y 1.). De auerdo a las distintas ombinaiones de entrada del gas se distinguen entones:

2 (a)- entrada tangenial y desarga axial (Figura 1.a). (b)- entrada tangenial y desarga eriféria (figura 1 b). ()- entrada y desarga axiales ( figura 1.). (d)- entrada axial y desarga eriféria (figura 1.d) Los ilones de entrada de gas axial funionan de manera similar que los de entrada tangenial, solo que en la entrada del gas (entrada anular) tienen disuestos unos álabes fijos que le imrimen el movimiento en esiral al gas suio que entra al ilón. Los ilones axiales tienen diámetros menores que los tangeniales ( 5 a 305 mm), debido a esto tienen alta efiienia, ero baja aaidad Los ilones de entrada tangenial y desarga axial reresentan el ilón tradiional y, aunque se ueden onstruir on diámetros más grandes, lo más freuente es que éstos se enuentren entre los 600 y los 915 mm. En los ilones on entrada tangenial y desarga eriféria, el gas sufre un retroeso en el interior del equio al igual que ourre en un ilón onvenional. Sin embargo, resenta el inonveniente de que el olvo no es eliminado en su totalidad de la orriente gaseosa, aunque sí se rodue una onentraión del mismo. En los ilones on entrada y desarga axial la diferenia fundamental se enuentra en que los diámetros son de menores dimensiones (entre 5 y 305 mm), on lo que graias a esta araterístia su efiienia es mayor aunque su aaidad es menor. Por otra arte, los ilones de entrada axial y salida eriféria roorionan un flujo direto que es muy adeuado ara onetarlos a fuentes de gran volumen, donde los ambios en la direión del gas odrían ser un inonveniente. El riniio de funionamiento tanto de los ilones axiales omo los tangeniales es el mismo. Los más usados son los ilones de entrada de gas tangenial y salida del sólido axial, or lo ual nos limitaremos al estudio de estos. En la figura se resenta un ilón onvenional o standard. Las longitudes araterístias son referidas al diámetro del barril.

3 Figura : ilón standard D : diámetro del ilón De : diámetro del onduto de salida del gas limio, es la mitad del diámetro del ilón L : longitud del barril Z : longitud del ono del ilón H : altura del onduto de entrada retangular. Lw : anho del onduto de entrada tangenial J diámetro de la ierna del ilón Las artes riniales son: la entrada de gas suio, onetada tangenialmente en la arte suerior del uero ilíndrio o barril del ilón. El barril umle la funión de imrimir al gas un movimiento en esiral desendente. Conetado al barril hay un ono invertido que umle la funión de onduir el olvo searado haia el tubo de desarga, de longitud variable, también denominado ola o ierna del ilón. En la base del ono invertido se rodue la inversión del flujo de gas, de modo que el gas omienza allí una esiral en forma asendente, onéntria a la esiral desendente, saliendo el gas limio or el onduto suerior de salida.

4 Los olvos searados son desargados en la ierna del ilón. En la ola del ilón uede existir o no una válvula de hanela que se abre solamente or el eso de los sólidos aumulados en la ierna del ilón, roduiendo de esta manera la desarga de los olvos. Los ilones ueden oerar a altas temeraturas. La temeratura máxima deende del material de onstruión del ilón. Para ilones onstruidos en aero al arbono la máxima temeratura de oeraión es de 800 C. En uanto a la resión, lo imortante es la diferenia de resión a la ual está sometido el ilón. Si es un ilón interno, or ejemlo en un leho fluidizado que oera a altas resiones, la diferenia de resión interna y externa del ilón es nula, or lo ual no deben tenerse onsideraiones de resistenia en su diseño. En ambio si se trata de un ilón es externo que roesa gas suio a alta resión, tendrá una resión interna muho mayor que la externa, lo ual deberá tenerse en uenta en el diseño del mismo. La friión de las artíulas sólidas erosionan severamente las aredes interiores del ilón. Para disminuir el deterioro del mismo suele oloarse mallas del tio hexagonal que se reubren on emento.. Priniio de Funionamiento El gas ingresa or el onduto de entrada del ilón a una veloidad Vi (veloidad de entrada al ilón). Este onduto se halla ubiado en forma tangenial al barril o uero del ilón. Entra al barril y omienza el movimiento en esiral desendente. El ambio de direión genera un amo entrífugo equivalente a ientos de vees el amo gravitaional terrestre. (ientos de g). Las artíulas transortadas or el gas debido a su ineria, se mueven alejándose del entro de rotaión o eje del ilón, or aión de las líneas de fuerza del amo entrífugo, alanzando las aredes internas del barril del ilón, donde ierden antidad de movimiento y se deslizan or la ared del barril haia el ono y desde allí a la ierna del ilón. El gas en su movimiento desendente va desojándose de las artíulas sólidas y al llegar a la base del ono, invierte el flujo, siguiendo una esiral asendente ya libre rátiamente de artíulas ( gas limio ). El movimiento del gas en el interior del ilón onsiste en una trayetoria de doble hélie. Iniialmente realiza una esiral haia abajo, aerándose gradualmente a la arte entral del searador, y a ontinuaión se eleva y lo abandona a través de una salida entral situada en la arte suerior. Esta doble esiral es la que se denomina flujo ilónio. Las artíulas más grandes y más densas son forzadas haia las aredes del ilón, dejando atrás las artíulas. Una vez que el gas enetra tangenialmente en el equio se distinguen dos zonas de araterístias distintas de movimiento: En la zona róxima a la entrada del gas y en aquella más exterior del ilindro redomina la veloidad tangenial, la veloidad radial es entríeta y la axial de sentido desendente. La resión es relativamente alta. En la zona más interior del ilindro, orresondiente al núleo del ilón y on un diámetro aroximadamente igual a 0,4 vees el del onduto de salida del gas, el flujo es altamente turbulento y la resión baja. Se da el redominio de la veloidad axial on sentido asendente.

5 Estas dos zonas se enuentran searadas or el llamado ilindro ideal de Stairmand. Por tanto, ualquier artíula se enuentra sometida a dos fuerzas ouestas en la direión radial, la fuerza entrífuga y la de rozamiento. Ambas fuerzas son funión del radio de rotaión y del tamaño de la artíula, or esta razón las artíulas de tamaños distintos tienden a girar en órbitas de radios distintos. Como la fuerza dirigida haia el exterior que atúa sobre la artíula aumenta on la omonente tangenial de la veloidad, y la fuerza dirigida haia el interior aumenta on la omonente radial, el searador se debe diseñar de manera que la veloidad tangenial sea lo más grande osible mientras que la veloidad radial debe ser lo más equeña osible. Donde: - F: fuerza entrífuga - Fd: fuerza de rozamiento - Vt: veloidad tangenial - Vr: veloidad radial - r: radio de la órbita

6 Existe una órbita de diámetro 0,4De ( siendo De el diámetro del ilindro onéntrio de salida de los gases), onoida omo ilindro ideal de Stairmand, que seara la zona en la ual las artíulas van a ser aturadas de aquella en la que los sólidos esaan junto on el gas. Si la artíula sigue una trayetoria uya órbita se enuentra dentro del ilindro de Stairmand y on una omonente axial asendente, la artíula abandonará el ilón sin ser retenida. Si en aso ontrario la órbita es exterior a este diámetro 0,4De, entones la omonente axial será desendente y la artíula aabará deositándose en el fondo del ilón. Luego del ingreso el gss on las artìulas susendidas forma una esiral desendente axial, or la ual desienden los sólidos. Y una esiral asendente que alanza el tubo de desarga or el toe, en la ual sale el gas limio. El aire entra argado de olvo reorre un amino en esiral alrededor y haia abajo del uero ilíndrio del ilón. La fuerza entrífuga desarrollada en el vértie tiende a deslazar radialmente las artíulas haia la ared, de forma que aquellas que alanzan la ared deslizan haia abajo dentro del ono y se reogen. El gas al llegar al ono invierte su direión iniiando su arrera asendente en forma de esiral alrededor del eje del ilón hasta alanzar el tubo de salida de gas limio, en la arte suerior del ilón. El ilón es entones esenialmente un disositivo de sedimentaión en el que una intensa fuerza entrífuga (de alrededor de ientos de g), que atúa radialmente, es la que se utiliza en vez de una fuerza gravitaional relativamente débil dirigida vertialmente, omo se había visto or ejemlo en las ámaras de sedimentaión. Los ilones ueden searar artíulas de olvo del orden de 10 mirones (10 a la menos 6 de metros). Este flujo de doble esiral desendente-asendente onstituye el llamado fenómeno ilónio, y su desriión desde el unto de vista matemátio es muy omlejo, or lo ual el diseño del ilón se basa generalmente en la exerienia, es deir es de naturaleza emíria. La efiienia de un ilón es de muha imortania. Relaiona la antidad de sólidos desargados or la ierna del ilón, reseto a los alimentados. También es imortante la érdida de arga del ilón. La érdida de arga es la suma de varios fatores. Los ilones ueden ser sometidos a altas temeraturas, deendiendo del material de onstruión. Si es aero al arbono o aero inoxidable, uede oerarse hasta temeraturas de 800 C La aeleraión entrífuga en los ilones es diretamente roorional al uadrado de la veloidad de entrada del ilón inversamente roorional al radio del ilón. a v r i dónde a es la aeleraión entrífuga, v i veloidad de entrada del ilón y r es el radio del ilón. Cuando no es osible aumentar más la veloidad del gas, onviene disminuir el diámetro del ilón, de modo de aumentar la efiienia.

7 Cálulo del diámetro de artíula mínima retenida Trayetoria de una artíula: V T Tubo salida gas limio L w V r V T r e r Partíula de masa m, y diámetro D (osiión mas desfavorable) Punto donde se seara la artíula de gas V T : veloidad de entrada del gas y las artíulas de olvo, tangente a las líneas de flujo V R Veloidad de deriva de una artíula de olvo (direión radial) r radio del barril del ilón r e : radio del tubo de salida del gas limio Lw: anho del anal retangular de entrada del gas suio (anho de la boa de entrada al ilón). Cualquier artíula se enuentra sometida a dos fuerzas ouestas en la direión radial, la fuerza entrífuga y la de rozamiento. Ambas fuerzas son funión del radio de rotaión y del tamaño de artíula, or esta razón las artíulas de distinto tamaño tienden a girar en órbitas de radios distintos. Bases ara el álulo del diámetro mínimo de artíulas retenidas 1) La orriente de olvo y gas que entra al ilón forma una esiral rígida desendente. ) La esiral rígida se deslaza on una veloidad tangenial V T igual a la veloidad de entrada al ilón 3) El anho de la esiral rígida desendente es igual al anho del anal de entrada al ilón Lw 4) Las artíulas de olvo se deslazan a la misma veloidad que el gas V T 5) Por aión del amo entrífugo las artíulas de olvo se alejan del entro de rotaión siguiendo la direión radial durante su trayetoria desendente. 6) El deslazamiento de las artíulas haia la ared del ilón se realiza a una veloidad definida or la ley de Stokes ara el amo entrífugo y se lo onoe omo veloidad de deriva.

8 7) Se onsidera que una artíula se ha searado uando alanza la ared interior del barril del ilón. 8) Para que la artíula alane la ared interior del barril del ilón el tiemo que tarda debe ser menor que el que tarda en reorrer la esiral desendente. 9) Se suone que la aeleraión entrífuga es onstante y no ambia on el radio del ilón 10) El diámetro de artíula alulado or este método se denomina diámetro mínimo. Cálulo del diámetro mínimo: El gas ingresa on una veloidad tangenial v T or lo que la veloidad angular es: w v r T La aeleraión entrífuga es: a v r T La veloidad de deriva V R Según Stokes v R d v d a 18 r 18 s T s El tiemo ara alanzar la ared interna del ilón R L L 18r v v d w w R T s La distania reorrida or la artíula a lo largo de la esiral L L dónde N s es el número de esirales que reorre. El tiemo neesario ara reorrer la esiral es: r N s

9 L rn * s R vt vt La ondiión neesaria ara que la artíula se seare es: * R R d rn L18r v v d s w T T s Lw18rv T rnv min s T s d min 9Lw Nv s T s El número de N s esiras uede obtenerse de un gráfio en funión de la veloidad de entrada al ilón o adotarse un valor de 5. Las artíulas on diámetro igual o mayor que d min se searan on un 100 % de efiienia. Las artíulas on diámetro menor que d min se seararán on una efiienia menor. Diámetro de orte: diámetro de artíula que se seara on un 50 % de efiienia d orte 9Lw Nv s T s De un gráfio uede alularse la efiienia de searaión de las distintas fraiones de artíulas, en funión del diámetro de artíula / diámetro de orte: d i d i d i 1 d orte orte

10 El gráfio resonde a esa euaión. η i = efiienia fraional de las artíulas de tamaño di la efiienia global será: w global i i donde w i es la fraión másia de artíulas de diámetro d i y Pérdida de arga del ilón: w 1 La érdida de arga del ilón deende de la veloidad de entrada al ilón. Es en realidad la suma de varios términos: 1)érdida de resión a la entrada del ilón ) érdida debida a la aeleraión de los sólidos 3) Pérdidas en el barril 4) Pérdidas or el flujo reverso (uando ambia haia la esiral asendente 5) Pérdidas or ontraión en el onduto de salida. Pueden exresarse en funión de la veloidad a la entrada del ilón donde : P N v i ilon H i D D BH N 4 H K K K/ De D K es 16 ara ilones normales y 7.5 ara ilones de gran envoltura Dimensionado de un ilón Los arámetros laves de un ilón son su efiienia y su érdida de arga: Estos arámetros son gobernados or sus dimensiones, es deir el diámetro del ilón y longitudes de los anales de flujo. El diámetro del ilón influenia fuertemente la efiienia de oleión. Los ilones de diámetro equeño (0 m a 60 m) roveen una muy buena efiienia de oleión.

11 En un ilón onvenional al determinar el diámetro del ilón quedan todas las demás longitudes determinadas. Puede dimensionarse estiulando el tamaño de artíula que quiere ser searada. Si se quiere retener la totalidad de las artíulas de radio d odemos dimensionar el ilón ara un tamaño 10 vees menor, de manera de tener la seguridad que la efiienia de searaión sea del 100 % ara el tamaño de artíula que queremos searar. Tomamos entones d min = d /10 d min d 10 9L w Nv s i s Como d min 9Lw Q N Lh s w w d Lw s y h d 4 reemlazando: 3 d 9d 10 NQ8 Euaión de la ual uede desejarse d, diámetro del ilón s s Criterio de Kalen y Zenz: De auerdo a Kalen y Zenz, la máxima efiienia del ilón se da uando la veloidad de entrada al ilón es 1.5 de la veloidad de arrastre. Por otra arte la veloidad de entrada al ilón no debe ser mayor de 1.36 la veloidad de arrastre, orque sino se rodue re-arrastre, es deir que las artíulas se van on la esiral asendente, or lo ual la efiienia del ilón disminuye.

12 1 B 3 1 D s i B v w B v 1 D 4g s w En la figura se observa la efiienia de tres ilones de distinto diámetro, on veloidad de entrada similar en los tres. Vemos que al aumentar el diámetro, aumenta la aaidad ero disminuye la efiienia. La érdida de arga es similar orque la veloidad es la misma ara los tres ilones. Por otra arte, la efiaia global es una funión de la distribuión de tamaños de las artíulas y no se uede redeir a artir del tamaño medio. La efiaia de searaión de un ilón aumenta on la densidad de las artíulas y disminuye al aumentar la temeratura del gas debido al aumento de la visosidad del gas. Los ilones también se utilizan amliamente ara searar sólidos de líquidos, eseialmente on fines de larifiaión.

13 Ventajas del uso de ilones: - bajo osto de inversión - osto de mantenimiento bajo (no tiene artes móviles) - ermite la searaión en ondiiones drástias de temeratura y resión. - Caída de resión onstante. - Puede ser onstruido de variados materiales (erámia, aleaiones, aeros, hierro fundido, aluminio, lástios) - Puede searar tanto artíulas sólidas omo líquidas, a vees ambas la vez, deendiendo del diseño roio del ilón Desventajas del ilón - Baja efiienia ara artíulas de tamaño menor que el diámetro de orte, uando oeran en ondiiones de bajas argas de sólido. - Usualmente aída de resión mayor que otros tios de searadores ( or ejemlo que el filtro de artuho (bag)) - Sujeto a erosión o ensuiamiento, si los sólidos roesados son abrasivos. Si lo que se quiere es aumentar la efiienia de searaión del ilón se aonseja tomar alguna de las siguientes aiones:

14 -Reduir el diámetro del ilón, -Reduir el diámetro del onduto de salida del gas -Reduir el ángulo del ono, -Inrementar la longitud del uero. Si lo que se quiere es aumentar la aaidad del ilón entones: : -Inrementar r el diámetro del ilón, -Reduir el diámetro del onduto de salida del gas -Inrementar el diámetro de entrada -Inrementar la longitud del uero El inremento de la aída de resión uede resultar en: Un inremento en la efiienia de searaión Una manera de mejorar la efiienia de un ilón, uando or ejemlo se trabaja on artíulas de tamaño menores de 10 um, es oloar dos ilones de manera seuenial, el rimero de mayor tamaño, el rimero uede searar artíulas de gran tamaño y el segundo ara artíulas de tamaño menor