Separación ciclónica

Método para eliminar partículas de una corriente de fluido mediante separación por vórtice

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 , mediante separación por vórtice . Para eliminar partículas del líquido, se utiliza un hidrociclón ; mientras que a partir del gas se utiliza un ciclón de gas. Los efectos de rotación y la gravedad se utilizan para separar mezclas de sólidos y fluidos. El método también se puede utilizar para separar finas gotas de líquido de una corriente gaseosa.

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 saliendo 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 ser eliminadas. En un sistema cónico, a medida que el flujo giratorio se mueve hacia el extremo estrecho 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 más dificultad o pueden estar sujetas a un nuevo arrastre cuando el vórtice de aire invierte la dirección para moverse en la dirección de 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 la pared.

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 a la tolva para su extracción.

Un diseño de ciclón alternativo 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 obligado a girar en espiral mediante paletas giratorias estacionarias. El flujo de aire secundario ingresa desde la parte superior del ciclón y se mueve hacia abajo, interceptando las partículas del aire primario. El flujo de aire secundario también permite que el colector se monte opcionalmente horizontalmente, porque empuja las partículas hacia el área de recolección y no depende únicamente de la gravedad para realizar esta función.

Los ciclones a gran escala se utilizan en los aserraderos para eliminar el aserrín del aire extraído. Los ciclones también se utilizan en refinerías de petróleo para separar petróleo 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 tecnología central en aspiradoras portátiles y aspiradoras centrales sin bolsa . Los ciclones también se utilizan en la ventilación de cocinas industriales y profesionales para separar la grasa del aire de escape en campanas extractoras. ^[2] Se utilizan ciclones más pequeños 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 del refinado de petróleo (por ejemplo, para el craqueo catalítico fluido ) 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 hidroclones. Estos pueden usarse para separar los desechos sólidos del agua en el tratamiento de aguas residuales y cloacales .

Teoría del ciclón

Como el ciclón es esencialmente un sistema bifásico de partículas y fluido, 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 del eje central del ciclón, la partícula está, por lo tanto, 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: una componente tangencial y una 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 de salida sobre 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, la componente centrífuga en la dirección radial hacia afuera es: ${\displaystyle \rho _{p}}$

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

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

La componente de la fuerza de flotación está en la dirección radial hacia adentro. 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. Utilizando 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 (a diferencia de la velocidad). La determinación del movimiento radial hacia afuera de cada partícula se encuentra igualando la segunda ley del movimiento de Newton a la suma de estas fuerzas: ${\displaystyle V_{p}}$

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

Para simplificar esto, podemos suponer que la partícula considerada ha alcanzado la "velocidad terminal", es decir, que su aceleración es cero. Esto ocurre cuando la velocidad radial ha provocado 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 ${\displaystyle V_{r}}$

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

Observe 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 en el diseño de 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

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

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

Experimentalmente se encuentra 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 velocidad del 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 de , 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 son limitadas en muchos aspectos. Por ejemplo, no se considera la geometría del separador, se supone que las partículas alcanzan un estado estacionario y también se ignora el efecto de la inversión del vórtice en la base del ciclón, comportamientos todos que es poco probable que se logren en un ciclón a condiciones reales de funcionamiento.

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 procesos. ^[6] La modelización numérica 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]

Ver también

• Portal de física

• Centrífugo
• Colector de polvo
• Proceso de separación del vórtice Helikon
• hidrociclón
• Separador hidrodinámico
• Roya (hongo) § Manejo de las enfermedades de los hongos de la roya.
• Supresor de chispas
• Separador en 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 de separación rápida de gas y sólido", IJCRE, 8, R1.
4. Rodas M. (1998). Introducción a la tecnología de partículas . John Wiley e hijos. ISBN 978-0-471-98483-2.
5. Smith, JL Jr. (1959). Tesis doctoral: Estudio Experimental y Analítico del Vórtice en el Separador Ciclón (Tesis). Instituto de Tecnología de Massachusetts. hdl :1721.1/11792.
6. "Diseño de ciclón - 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 del ciclón y su influencia en los parámetros de rendimiento 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 9 de julio de 2007 . Consultado el 20 de junio de 2009 .
9. Tesis doctoral: Colección de gotas en un separador giratorio ampliado (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 muerto permanente ]}
• enlace alternativo a la patente citada