Separación ciclónica

Método de eliminación de partículas de una corriente de fluido a través de separación por vórtices

Una fábrica parcialmente demolida con separadores ciclónicos dominantes

La separación ciclónica es un método para eliminar partículas de una corriente de aire, gas o líquido, sin el uso de filtros , a través de la separación por vórtice . Para eliminar partículas de un líquido, se utiliza un hidrociclón ; mientras que para un gas, se utiliza un ciclón de gas. Los efectos rotacionales y la gravedad se utilizan para separar mezclas de sólidos y fluidos. El método también se puede utilizar para separar gotitas finas de líquido de una corriente gaseosa.

Operación

Se establece un flujo (de aire) giratorio de alta velocidad dentro de un recipiente cilíndrico o cónico llamado ciclón. El aire fluye en un patrón helicoidal , comenzando en la parte superior (extremo ancho) del ciclón y terminando en el extremo inferior (estrecho) antes de salir del ciclón en una corriente recta a través del centro del ciclón y hacia afuera por la parte superior. Las partículas más grandes (más densas) en la corriente giratoria tienen demasiada inercia para seguir la curva cerrada de la corriente y, por lo tanto, golpean la pared exterior y luego caen al fondo del ciclón, donde pueden eliminarse. En un sistema cónico, a medida que el flujo giratorio se mueve hacia el extremo angosto del ciclón, el radio de rotación de la corriente se reduce, separando así partículas cada vez más pequeñas. La geometría del ciclón, junto con el caudal volumétrico , define el punto de corte del ciclón. Este es el tamaño de partícula que se eliminará de la corriente con una eficiencia del 50%. Las partículas más grandes que el punto de corte se eliminarán con mayor eficiencia y las partículas más pequeñas con menor eficiencia ya que se separan con mayor dificultad o pueden estar sujetas a un nuevo arrastre cuando el vórtice de aire invierte su dirección para moverse en dirección a la salida. ^[1]

Diagrama de flujo de aire para el ciclón Aerodyne en posición vertical estándar. Se inyecta un flujo de aire secundario para reducir la abrasión de las paredes.

Diagrama de flujo de aire para el ciclón Aerodyne en posición horizontal, un diseño alternativo. Se inyecta un flujo de aire secundario para reducir la abrasión de las paredes y ayudar a mover las partículas recolectadas hacia la tolva para su extracción.

Un diseño alternativo de ciclón utiliza un flujo de aire secundario dentro del ciclón para evitar que las partículas recolectadas golpeen las paredes y protegerlas de la abrasión. El flujo de aire primario que contiene las partículas ingresa desde la parte inferior del ciclón y es forzado a girar en espiral por paletas giratorias estacionarias. El flujo de aire secundario ingresa desde la parte superior del ciclón y se mueve hacia abajo, hacia la parte inferior, interceptando las partículas del aire primario. El flujo de aire secundario también permite que el colector se monte opcionalmente en forma horizontal, porque empuja las partículas hacia el área de recolección y no depende únicamente de la gravedad para realizar esta función.

Usos

Los separadores ciclónicos se encuentran en todo tipo de aplicaciones industriales y energéticas, incluidas plantas de pulpa y papel, plantas de cemento, acerías, plantas de coque de petróleo, plantas metalúrgicas, aserraderos y otros tipos de instalaciones que procesan polvo.

Los ciclones de gran escala se utilizan en aserraderos para eliminar el serrín del aire extraído. Los ciclones también se utilizan en refinerías de petróleo para separar aceites y gases, y en la industria del cemento como componentes de precalentadores de hornos . Los ciclones se utilizan cada vez más en el hogar, como la tecnología principal en los tipos de aspiradoras portátiles sin bolsa y aspiradoras centrales . Los ciclones también se utilizan en la ventilación de cocinas industriales y profesionales para separar la grasa del aire de escape en campanas de extracción. ^[2] Los ciclones más pequeños se utilizan para separar partículas en el aire para su análisis. Algunos son lo suficientemente pequeños como para llevarlos sujetos a la ropa y se utilizan para separar partículas respirables para su posterior análisis.

Se utilizan separadores similares en la industria de refinación de petróleo (por ejemplo, para el craqueo catalítico de fluidos ) para lograr una separación rápida de las partículas del catalizador de los gases y vapores que reaccionan. ^[3]

Los dispositivos análogos para separar partículas o sólidos de líquidos se denominan hidrociclones o hidrociclones. Estos pueden usarse para separar desechos sólidos del agua en el tratamiento de aguas residuales y cloacales .

Tipos

Los tipos más comunes de colectores centrífugos o inerciales que se utilizan hoy en día son:

Separadores de ciclón único

Los separadores de un solo ciclón crean un vórtice doble para separar el polvo grueso del fino. El vórtice principal desciende en espiral y arrastra la mayoría de las partículas de polvo más gruesas. El vórtice interior, creado cerca del fondo del ciclón, asciende en espiral y arrastra las partículas de polvo más finas.

Separadores de ciclones múltiples

Los separadores de ciclones múltiples constan de varios ciclones de diámetro pequeño, que funcionan en paralelo y tienen una entrada y salida de gas común, como se muestra en la figura, y funcionan según el mismo principio que los separadores de ciclón simple: crean un vórtice externo descendente y un vórtice interno ascendente.

Los separadores de múltiples ciclones eliminan más polvo que los separadores de un solo ciclón porque los ciclones individuales tienen una mayor longitud y un diámetro menor. La mayor longitud proporciona un mayor tiempo de residencia, mientras que el diámetro menor crea una mayor fuerza centrífuga. Estos dos factores dan como resultado una mejor separación de partículas de polvo. La caída de presión de los colectores de los separadores de múltiples ciclones es mayor que la de los separadores de un solo ciclón, lo que requiere más energía para limpiar la misma cantidad de aire. Un separador de ciclón de una sola cámara del mismo volumen es más económico, pero no elimina tanto polvo.

Separadores de flujo de aire secundario

Este tipo de ciclón utiliza un flujo de aire secundario, que se inyecta en el ciclón para lograr varias cosas. El flujo de aire secundario aumenta la velocidad de la acción ciclónica, lo que hace que el separador sea más eficiente; intercepta las partículas antes de que lleguen a las paredes interiores de la unidad; y fuerza las partículas separadas hacia el área de recolección. El flujo de aire secundario protege al separador de la abrasión de las partículas y permite que el separador se instale horizontalmente porque no se depende de la gravedad para mover las partículas separadas hacia abajo.

Teoría de los ciclones

Como el ciclón es esencialmente un sistema de dos fases de partículas y fluidos, se pueden utilizar la mecánica de fluidos y las ecuaciones de transporte de partículas para describir el comportamiento de un ciclón. El aire en un ciclón se introduce inicialmente tangencialmente en el ciclón con una velocidad de entrada . Suponiendo que la partícula es esférica, se puede establecer un análisis simple para calcular los tamaños críticos de partículas de separación. ${\displaystyle V_{in}}$

Si se considera una partícula aislada que gira en el componente cilíndrico superior del ciclón con un radio de rotación de desde el eje central del ciclón, la partícula está sujeta a fuerzas de arrastre , centrífugas y de flotación . Dado que la velocidad del fluido se mueve en espiral, la velocidad del gas se puede dividir en dos velocidades componentes: un componente tangencial, y un componente de velocidad radial hacia afuera . Suponiendo la ley de Stokes , la fuerza de arrastre en la dirección radial hacia afuera que se opone a la velocidad hacia afuera en cualquier partícula en la corriente de entrada es: ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle V_{t}}$ ${\displaystyle V_{r}}$

${\displaystyle F_{d}=-6\pi r_{p}\mu V_{r}.}$

Utilizando como densidad de la partícula, el componente centrífugo en la dirección radial hacia afuera es: ${\displaystyle \rho _{p}}$

${\displaystyle F_{c}=m{\frac {V_{t}^{2}}{r}}}$

${\displaystyle ={\frac {4}{3}}\pi \rho _{p}r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}.}$

El componente de fuerza de flotación se encuentra en la dirección radial interna. Está en la dirección opuesta a la fuerza centrífuga de la partícula porque se encuentra sobre un volumen de fluido que falta en comparación con el fluido circundante. Si se utiliza la densidad del fluido, la fuerza de flotación es: ${\displaystyle \rho _{f}}$

${\displaystyle F_{b}=-V_{p}\rho _{f}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}}$

${\displaystyle =-{\frac {4\pi r_{p}^{3}}{3}}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{f}.}$

En este caso, es igual al volumen de la partícula (en contraposición a la velocidad). Para determinar el movimiento radial hacia afuera de cada partícula, se establece la segunda ley del movimiento de Newton como igual a la suma de estas fuerzas: ${\displaystyle V_{p}}$

${\displaystyle m{\frac {dV_{r}}{dt}}=F_{d}+F_{c}+F_{b}}$

Para simplificar, podemos suponer que la partícula en cuestión ha alcanzado la "velocidad terminal", es decir, que su aceleración es cero. Esto ocurre cuando la velocidad radial ha causado suficiente fuerza de arrastre para contrarrestar las fuerzas centrífugas y de flotabilidad. Esta simplificación cambia nuestra ecuación a: ${\displaystyle {\frac {dV_{r}}{dt}}}$

${\displaystyle F_{d}+F_{c}+F_{b}=0}$

Que se expande a:

${\displaystyle -6\pi r_{p}\mu V_{r}+{\frac {4}{3}}\pi r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{p}-{\frac {4}{3}}\pi r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{f}=0}$

Resolviendo para tenemos ${\displaystyle V_{r}}$

${\displaystyle V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})}$.

Tenga en cuenta que si la densidad del fluido es mayor que la densidad de la partícula, el movimiento es (-), hacia el centro de rotación y si la partícula es más densa que el fluido, el movimiento es (+), alejándose del centro. En la mayoría de los casos, esta solución se utiliza como guía para diseñar un separador, mientras que el rendimiento real se evalúa y modifica empíricamente.

En condiciones de no equilibrio cuando la aceleración radial no es cero, se debe resolver la ecuación general anterior. Reordenando los términos obtenemos

${\displaystyle {\frac {dV_{r}}{dt}}+{\frac {9}{2}}{\frac {\mu }{\rho _{p}r_{p}^{2}}}V_{r}-\left(1-{\frac {\rho _{f}}{\rho _{p}}}\right){\frac {V_{t}^{2}}{r}}=0}$

Como es distancia por tiempo, ésta es una ecuación diferencial de segundo orden de la forma . ${\displaystyle V_{r}}$ ${\displaystyle x''+c_{1}x'+c_{2}=0}$

Experimentalmente se encontró que el componente de velocidad del flujo rotacional es proporcional a , ^[4] por lo tanto: ${\displaystyle r^{2}}$

${\displaystyle V_{t}\propto r^{2}.}$

Esto significa que la velocidad de alimentación establecida controla la tasa de vórtice dentro del ciclón y, por lo tanto, la velocidad en un radio arbitrario es:

${\displaystyle U_{r}=U_{in}{\frac {r}{R_{in}}}.}$

Posteriormente, dado un valor para , posiblemente basado en el ángulo de inyección, y un radio de corte, se puede estimar un radio de filtrado de partículas característico, por encima del cual las partículas se eliminarán de la corriente de gas. ${\displaystyle V_{t}}$

Modelos alternativos

Las ecuaciones anteriores tienen muchas limitaciones. Por ejemplo, no se tiene en cuenta la geometría del separador, se supone que las partículas alcanzan un estado estable y también se ignora el efecto de la inversión del vórtice en la base del ciclón, comportamientos que es poco probable que se alcancen en un ciclón en condiciones de funcionamiento reales.

Existen modelos más completos, ya que muchos autores han estudiado el comportamiento de los separadores ciclónicos. ^[5] Se han desarrollado modelos simplificados que permiten un cálculo rápido del ciclón, con algunas limitaciones, para aplicaciones comunes en industrias de proceso. ^[6] El modelado numérico mediante dinámica de fluidos computacional también se ha utilizado ampliamente en el estudio del comportamiento ciclónico. ^{[7] [8] [9]} Una limitación importante de cualquier modelo de mecánica de fluidos para separadores ciclónicos es la incapacidad de predecir la aglomeración de partículas finas con partículas más grandes, lo que tiene un gran impacto en la eficiencia de recolección del ciclón. ^[10]

Véase también

• Portal de física

• Centrífugo
• Colector de polvo
• Proceso de separación por vórtice de Helikon
• Hidrociclón
• Separador hidrodinámico
• Roya (hongo) § Manejo de enfermedades causadas por hongos de la roya
• Parachispas
• Separador espiral
• Válvula de goteo

Notas

1. "Métodos de separación de gases sólidos - Colectores de polvo industriales - Ciclones - Depuradores - Filtración - PowderProcess.net".
2. Jeven Oy. «Cómo funcionan los separadores de grasa ciclónicos». Archivado desde el original el 21 de abril de 2017. Consultado el 7 de octubre de 2015 .
3. Martin Huard, Cedric Briens, Franco Berruti, Thierry Gauthier, 2010, "Una revisión de las técnicas rápidas de separación gas-sólido", IJCRE, 8, R1.
4. Rhodes M. (1998). Introducción a la tecnología de partículas . John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-98483-2.
5. Smith, JL Jr. (1959). Tesis doctoral: Estudio experimental y analítico del vórtice en el separador ciclónico (Tesis). Instituto Tecnológico de Massachusetts. hdl :1721.1/11792.
6. "Diseño de ciclones: guía paso a paso - Powderprocess.net" . Consultado el 26 de marzo de 2023 .
7. Martignoni, WP; Bernardo, S.; Quintani, CL (2007). "Evaluación de la geometría de ciclones y su influencia en los parámetros de desempeño mediante dinámica de fluidos computacional (CFD)". Revista Brasileña de Ingeniería Química . 24 : 83–94. doi : 10.1590/S0104-66322007000100008 .
8. Tesis doctoral: Sobre el potencial de la simulación de grandes remolinos para simular separadores ciclónicos (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2007-07-09 . Consultado el 2009-06-20 .
9. Tesis Doctoral: Recolección de gotas en un separador rotatorio de mayor escala (PDF) .^{[ enlace muerto permanente ]}
10. D. Benoni, CL Briens, T. Baron, E. Duchesne y TM Knowlton, 1994, "Un procedimiento para determinar la aglomeración de partículas en un lecho fluidizado y su efecto sobre el arrastre", Powder Technology, 78, 33-42.

Referencias

• Recolección de polvo horizontal de alta eficiencia
• Patente 2377524 (junio de 1945)
• Enlace alternativo a la patente citada