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• Mayerlis Gomez

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CICLONES Contenido CICLONES ......................................................................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN (MAYE)....................................................................................................................................... 1 DEFINICIÓN (MAYE) .............................................................................................................................................. 1 TIPOS DE CICLONES (RAFAEL) .......................................................................................................................... 3 DIMENSIONES DE UN CICLÓN (RAFAEL) ...................................................................................................... 4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (YULY)................................................................................................... 5 FAMILIA DE CICLONES (DANIEL)..................................................................................................................... 7 DISEÑO (DANIEL) .................................................................................................................................................... 8 VENTAJAS DE LOS CICLONES (YULY) .......................................................................................................... 10 DESVENTAJAS DE LOS CICLONES (YULY) .................................................................................................. 10 CONCLUSIONES (MAYE) .................................................................................................................................... 10

INTRODUCCIÓN (MAYE) El equipo de recolección de polvo que se usa con mayor frecuencia es el ciclón. Los ciclones remueven el material particulado de la corriente gaseosa, basándose en el principio de impactación inercial, generado por la fuerza centrífuga. Los ciclones constituyen uno de los medios menos costosos de recolección de polvo, tanto desde el punto de vista de operación como de la inversión. Estos son básicamente construcciones simples que no cuentan con partes móviles, lo cual facilita las operaciones de mantenimiento; pueden ser hechos de una amplia gama de materiales y pueden ser diseñados para altas temperaturas (que ascienden incluso a 1000 °C) y presiones de operación. Los ciclones son adecuados para separar partículas con diámetros mayores de 5 µm; aunque partículas muchos más pequeñas, en ciertos casos, pueden ser separadas.

DEFINICIÓN (MAYE) Los ciclones son equipos mecánicos estacionarios, ampliamente utilizados en la industria, que permiten la separación de partículas de un sólido o de un líquido que se encuentran suspendidos en un gas portador, mediante la fuerza centrífuga. En tanto, los hidrociclones son equipos que permiten la separación de líquidos de distintas densidades, o de sólidos de líquidos. Los ciclones son equipos muy sencillos, que al no poseer partes móviles son de fácil mantenimiento. Tienen la desventaja de ser poco versátiles, ya que no se adaptan a cambios de las condiciones de operación, por lo cual son poco flexibles a los cambios de concentración de polvos, caudal de gas y distribución de tamaños de partículas.

El ciclón es esencialmente una cámara de sedimentación en que la aceleración gravitacional se sustituye con la aceleración centrifuga. La figura 1 muestra el movimiento de las partículas mayores hacia las paredes del ciclón debido a la fuerza centrífuga.

Figura 1. Mecanismos de colección de partículas en un ciclón. Los ciclones presentan eficiencias mayores que la cámara de sedimentación gravitacional, y eficiencias menores que los filtros de talegas, lavadores y precipitadores electrostáticos. La fuerza centrífuga generada por los giros del gas dentro del ciclón puede ser mucho mayor que la fuerza gravitacional, ya que la fuerza centrífuga varía en magnitud dependiendo de la velocidad de giro del gas y del radio de giro. Teóricamente el aumento de la velocidad de entrada al ciclón implicaría un aumento de la fuerza centrífuga y, por lo tanto, un aumento de la eficiencia; sin embargo, velocidades de entrada muy altas generan la resuspensión de material particulado de las paredes internas del ciclón, lo cual disminuye la eficiencia del ciclón; adicionalmente, aumentar la velocidad de entrada implica mayor consumo de energía.

TIPOS DE CICLONES (RAFAEL)

Figura 2. Algunos tipos de ciclones. En los ciclones el gas entra en el tope en forma tangencial (figura 1.a y 1.b) o axial (figura 2.c y 2.d). La descarga de los sólidos puede ser periférica (figuras.2.b y 2.d) o axial (figuras. 2. a y 2.c). De acuerdo a las distintas combinaciones de entrada del gas se distinguen entonces: (a)- entrada tangencial y descarga axial (Figura 2.a). (b)- entrada tangencial y descarga periférica (figura 2 b).

(c)- entrada y descarga axiales (figura 2.c). (d)- entrada axial y descarga periférica (figura 2.d)

DIMENSIONES DE UN CICLÓN (RAFAEL) En la figura 3 se presenta un ciclón convencional o standard. Las longitudes características son referidas al diámetro del barril.

Figura 3. Ciclón standard. Dc : diámetro del ciclón De : diámetro del conducto de salida del gas limpio, es la mitad del diámetro del ciclón Lc : longitud del barril Zc : longitud del cono del ciclón

Hc : altura del conducto de entrada rectangular. Lw : ancho del conducto de entrada tangencial Jc diámetro de la pierna del ciclón Las partes principales son: la entrada de gas sucio, conectada tangencialmente en la parte superior del cuerpo cilíndrico o barril del ciclón. El barril cumple la función de imprimir al gas un movimiento en espiral descendente. Conectado al barril hay un cono invertido que cumple la función de conducir el polvo separado hacia el tubo de descarga, de longitud variable, también denominado cola o pierna del ciclón. En la base del cono invertido se produce la inversión del flujo de gas, de modo que el gas comienza allí una espiral en forma ascendente, concéntrica a la espiral descendente, saliendo el gas limpio por el conducto superior de salida. Los polvos separados son descargados en la pierna del ciclón. En la cola del ciclón puede existir o no una válvula de chanela que se abre solamente por el peso de los sólidos acumulados en la pierna del ciclón, produciendo de esta manera la descarga de los polvos. Los ciclones pueden operar a altas temperaturas. La temperatura máxima depende del material de construcción del ciclón. Para ciclones construidos en acero al carbono la máxima temperatura de operación es de 800 C. En cuanto a la presión, lo importante es la diferencia de presión a la cual está sometido el ciclón. Si es un ciclón interno, por ejemplo en un lecho fluidizado que opera a altas presiones, la diferencia de presión interna y externa del ciclón es nula, por lo cual no deben tenerse consideraciones de resistencia en su diseño. En cambio si se trata de un ciclón es externo que procesa gas sucio a alta presión, tendrá una presión interna mucho mayor que la externa, lo cual deberá tenerse en cuenta en el diseño del mismo. La fricción de las partículas sólidas erosionan severamente las paredes interiores del ciclón. Para disminuir el deterioro del mismo suele colocarse mallas del tipo hexagonal que se recubren con cemento.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (YULY) El gas ingresa por el conducto de entrada del ciclón a una velocidad Vi (velocidad de entrada al ciclón). Este conducto se halla ubicado en forma tangencial al barril o cuerpo del ciclón. Entra al barril y comienza el movimiento en espiral descendente. El cambio de dirección genera un campo centrífugo equivalente a cientos de veces el campo gravitacional terrestre (cientos de g). Las partículas transportadas por el gas debido a su inercia, se mueven alejándose del centro de rotación o “eje del ciclón”, por acción de las líneas de fuerza del campo centrífugo, alcanzando las paredes internas del barril del ciclón, donde pierden cantidad de movimiento y se deslizan por la pared del barril hacia el cono y desde allí a la pierna del ciclón. El gas en su movimiento descendente va despojándose de las partículas sólidas y al llegar a la base del cono, invierte el flujo, siguiendo una espiral ascendente ya libre prácticamente de partículas (“gas limpio”). El movimiento del gas en el interior del ciclón consiste en una trayectoria de doble hélice. Inicialmente realiza una espiral hacia abajo, acercándose gradualmente a la parte central del separador, y a continuación se eleva y lo abandona a través de una salida central situada en la parte superior. Esta doble espiral es la que se denomina flujo

ciclónico. Las partículas más grandes y más densas son forzadas hacia las paredes del ciclón, dejando atrás las partículas. Una vez que el gas penetra tangencialmente en el equipo se distinguen dos zonas de características distintas de movimiento: En la zona próxima a la entrada del gas y en aquella más exterior del cilindro predomina la velocidad tangencial, la velocidad radial es centrípeta y la axial de sentido descendente. La presión es relativamente alta. En la zona más interior del cilindro, correspondiente al núcleo del ciclón y con un diámetro aproximadamente igual a 0,4 veces el del conducto de salida del gas, el flujo es altamente turbulento y la presión baja. Se da el predominio de la velocidad axial con sentido ascendente.

Estas dos zonas se encuentran separadas por el llamado cilindro ideal de Stairmand Por tanto, cualquier partícula se encuentra sometida a dos fuerzas opuestas en la dirección radial, la fuerza centrífuga y la de rozamiento. Ambas fuerzas son función del radio de rotación

y del tamaño de la partícula, por esta razón las partículas de tamaños distintos tienden a girar en órbitas de radios distintos. En un ciclón, la trayectoria del gas comprende un doble vórtice, en donde el gas dibuja una espiral descendente en el lado externo, y ascendente, en el lado interno. Las figuras 4 y 5 ilustran dichos vórtices.

Figura 4. Vórtices en el ciclón.

Figura 5. Vórtices en el ciclón.

En un ciclón, el gas entra en la cámara superior tangencialmente y desciende en espirales hasta el ápice de la sección cónica; luego, asciende en un segundo espiral, con diámetro más pequeño, y sale por la parte superior a través de un ducto vertical centrado. Los sólidos se mueven radialmente hacia las paredes, se deslizan por las paredes, y son recogidos en la parte inferior. El diseño apropiado de la sección cónica del ciclón obliga al cambio de dirección del vórtice descendente; el vórtice ascendente tiene un radio menor, lo que aumenta las velocidades tangenciales; en el cono se presenta la mayor colección de partículas, especialmente de las partículas pequeñas al reducirse el radio de giro.

FAMILIA DE CICLONES (DANIEL) Los ciclones son un dispositivo de control de material particulado bastante estudiado, el diseño de un ciclón se basa normalmente en familias de ciclones que tienen proporciones definidas. Las principales familias de ciclones de entrada tangencial son: ciclones de alta eficiencia, ciclones convencionales y ciclones de alta capacidad. Los márgenes de la eficiencia de remoción para los ciclones están con frecuencia basados en las tres familias de ciclones, es decir, convencional, alta eficiencia y alta capacidad. La tabla 1 presenta el intervalo de eficiencia de remoción para las diferentes familias de ciclones.

Tabla 1. Intervalo de eficiencia de remoción para las diferentes familias de ciclones.

Tabla 2. Características de los ciclones de alta eficiencia.

DISEÑO (DANIEL) Los ciclones se diseñan habitualmente de tal modo que se satisfagan ciertas limitaciones bien definidas de caída de presión. Para instalaciones ordinarias que operan más o menos a la presión atmosférica, las limitaciones del ventilador dictaminan, casi siempre, una caída de presión máxima permisible correspondiente a una velocidad de entrada al ciclón dentro del intervalo de 15.2 a 27.4 m/s. Por consiguiente, los ciclones se suelen diseñar para una velocidad de entrada de 22 m/s, aunque no es necesario apegarse estrictamente a este valor. En la separación de partículas, la eficiencia de recolección puede cambiar sólo en una cantidad relativamente pequeña mediante una variación en las condiciones operacionales. El factor de diseño primario que se utiliza para controlar la eficiencia de recolección es el diámetro del ciclón. Un ciclón de diámetro más pequeño que funciona a una caída de presión fija alcanza la eficiencia más alta. Sin embargo, los ciclones de diámetro pequeño requieren varias unidades en paralelo para lograr una capacidad especificada. En tales casos, los ciclones individuales descargan el polvo en una tolva receptora común (figura 6). El diseño final implica llegar a un

término medio entre la eficiencia de recolección y la complejidad del equipo. Se acostumbra diseñar un solo ciclón para una capacidad particular, recurriendo a varias unidades en paralelo sólo cuando la eficiencia de recolección prevista es inadecuada para una sola unidad.

Figura 6. Multiciclones.

El procedimiento general de diseño es el siguiente: • Seleccionar el tipo de ciclón, dependiendo del funcionamiento o necesidades requeridas. • Obtener un estimativo de la distribución de tamaño de las partículas en la corriente gaseosa a ser tratada. • Calcular el diámetro del ciclón para una velocidad de entrada de 22 m/s (opcional), y determinar las otras dimensiones del ciclón con las relaciones establecidas para las familias de ciclones con base en el diámetro. • Estimar el número de ciclones necesarios para trabajar en paralelo. • Calcular la eficiencia del ciclón y, si se requiere, seleccionar otro tipo de ciclón. • Calcular la caída de presión del ciclón y, si se requiere, seleccionar otro tipo de ciclón. • Calcular el costo del sistema y optimizar para hacer el mejor uso de la caída de presión disponible o, si se requiere, para dar el más bajo costo de operación.

Los ciclones generalmente tienen como parámetros de diseño el diámetro del ciclón, la caída de presión y la velocidad de entrada y velocidad de saltación (tabla 3):

Tabla 3. Parámetros de diseño para los ciclones de entrada tangencial

VENTAJAS DE LOS CICLONES (YULY) Las ventajas de los ciclones incluyen las siguientes: a) Bajos costos de capital. b) Falta de partes móviles, por lo tanto, pocos requerimientos de mantenimiento y bajos costos de operación. c) Caída de presión relativamente baja, comparada con la cantidad de partículas removidas. d) Las limitaciones de temperatura y presión dependen únicamente de los materiales de construcción. e) Colección y disposición en seco. f) Requisitos espaciales relativamente pequeños.

DESVENTAJAS DE LOS CICLONES (YULY) Las desventajas de los ciclones incluyen las siguientes: a) Eficiencias de recolección de partículas sus pendidas totales relativamente bajas, particularmente para partículas menores de 10 µm. b) No pueden manejar materiales pegajosos o aglomerantes. c) Las unidades de alta eficiencia pueden tener altas caídas de presión.

CONCLUSIONES (MAYE)

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Echeverri Londoño, C. A. (2006). Diseño óptimo de ciclones. Revista Ingenierías Universidad de Medellín, 5(9), 123-139. [2] Slideshare (2017).Ciclones.[PDF en línea] Recuperado el 12 de agosto de 2017 de: https://es.slideshare.net/dilmalsalazar/ciclones-40133711