Ciclones 1.- Descripcin.

Los ciclones son equipos mecnicos estacionarios, ampliamente utilizados en la industria, que permiten la separacin de partculas de un slido o de un lquido que se encuentran suspendidos en un gas portador, mediante la fuerza centrfuga. En tanto, los hidrociclones son equipos que permiten la separacin de lquidos de distintas densidades, o de slidos de lquidos.

Los ciclones son equipos muy sencillos, que al no poseer partes mviles son de fcil mantenimiento. Tienen la desventaja de ser poco verstiles, ya que no se adaptan a cambios de las condiciones de operacin, por lo cual son poco flexibles a los cambios de concentracin de polvos, caudal de gas y distribucin de tamaos de partculas.

El principio de funcionamiento de un cicln se basa en la separacin de las partculas mediante la fuerza centrfuga (del orden de cientos de g), lo que lo hace mas efectivo que las cmaras de sedimentacin, adems ocupan un espacio mucho menor que stas

La figura 1 muestra distintos tipos de ciclones.

En los ciclones el gas entra en el tope en forma tangencial (figura 1.a y 1.b) o axial

(figura 1.c y 1.d). La descarga de los slidos puede ser perifrica (figuras.1.b y 1.d) o axial (figuras.

1.a y 1.c). De acuerdo a las distintas combinaciones de entrada del gas se distinguen entonces:

(a)- entrada tangencial y descarga axial (Figura 1.a). (b)- entrada tangencial y descarga perifrica (figura 1 b). (c)- entrada y descarga axiales ( figura 1.c). (d)- entrada axial y descarga perifrica (figura 1.d)

Los ciclones de entrada de gas axial funcionan de manera similar que los de entrada tangencial, solo que en la entrada del gas (entrada anular) tienen dispuestos unos labes fijos que le imprimen el movimiento en espiral al gas sucio que entra al cicln. Los ciclones axiales tienen dimetros menores que los tangenciales ( 25 a 305 mm), debido a esto tienen alta eficiencia, pero baja capacidad

Los ciclones de entrada tangencial y descarga axial representan el cicln tradicional y, aunque se pueden construir con dimetros ms grandes, lo ms frecuente es que stos se encuentren entre los 600 y los 915 mm.

En los ciclones con entrada tangencial y descarga perifrica, el gas sufre un retroceso en el interior del equipo al igual que ocurre en un cicln convencional. Sin embargo, presenta el inconveniente de que el polvo no es eliminado en su totalidad de la corriente gaseosa, aunque s se produce una concentracin del mismo.

En los ciclones con entrada y descarga axial la diferencia fundamental se encuentra en que los dimetros son de menores dimensiones (entre 25 y 305 mm), con lo que gracias a esta caracterstica su eficiencia es mayor aunque su capacidad es menor.

Por otra parte, los ciclones de entrada axial y salida perifrica proporcionan un flujo directo que es muy adecuado para conectarlos a fuentes de gran volumen, donde los cambios en la direccin del gas podran ser un inconveniente.

El principio de funcionamiento tanto de los ciclones axiales como los tangenciales es el mismo.

Los ms usados son los ciclones de entrada de gas tangencial y salida del slido axial, por lo cual nos limitaremos al estudio de estos.

En la figura 2 se presenta un cicln convencional o standard. Las longitudes caractersticas son referidas al dimetro del barril.

Figura 2 : cicln standard

Dc : dimetro del cicln De : dimetro del conducto de salida del gas limpio, es la mitad del dimetro del cicln Lc : longitud del barril Zc : longitud del cono del cicln Hc : altura del conducto de entrada rectangular. Lw : ancho del conducto de entrada tangencial Jc dimetro de la pierna del cicln

Las partes principales son: la entrada de gas sucio, conectada tangencialmente en la parte superior del cuerpo cilndrico o barril del cicln.

El barril cumple la funcin de imprimir al gas un movimiento en espiral descendente.

Conectado al barril hay un cono invertido que cumple la funcin de conducir el polvo separado hacia el tubo de descarga, de longitud variable, tambin denominado cola o pierna del cicln.

En la base del cono invertido se produce la inversin del flujo de gas, de modo que el gas comienza all una espiral en forma ascendente, concntrica a la espiral descendente, saliendo el gas limpio por el conducto superior de salida.

Los polvos separados son descargados en la pierna del cicln. En la cola del cicln puede existir o no una vlvula de chanela que se abre solamente por el peso de los slidos acumulados en la pierna del cicln, produciendo de esta manera la descarga de los polvos.

Los ciclones pueden operar a altas temperaturas. La temperatura mxima depende del material de construccin del cicln. Para ciclones construidos en acero al carbono la mxima temperatura de operacin es de 800 C. En cuanto a la presin, lo importante es la diferencia de presin a la cual est sometido el cicln. Si es un cicln interno, por ejemplo en un lecho fluidizado que opera a altas presiones, la diferencia de presin interna y externa del cicln es nula, por lo cual no deben tenerse consideraciones de resistencia en su diseo. En cambio si se trata de un cicln es externo que procesa gas sucio a alta presin, tendr una presin interna mucho mayor que la externa, lo cual deber tenerse en cuenta en el diseo del mismo.

La friccin de las partculas slidas erosionan severamente las paredes interiores del cicln. Para disminuir el deterioro del mismo suele colocarse mallas del tipo hexagonal que se recubren con cemento. 2. Principio de Funcionamiento

El gas ingresa por el conducto de entrada del cicln a una velocidad Vi (velocidad de entrada al cicln). Este conducto se halla ubicado en forma tangencial al barril o cuerpo del cicln. Entra al barril y comienza el movimiento en espiral descendente. El cambio de direccin genera un campo centrfugo equivalente a cientos de veces el campo gravitacional terrestre. (cientos de g). Las partculas transportadas por el gas debido a su inercia, se mueven alejndose del centro de rotacin o eje del cicln, por accin de las lneas de fuerza del campo centrfugo, alcanzando las paredes internas del barril del cicln, donde pierden cantidad de movimiento y se deslizan por la pared del barril hacia el cono y desde all a la pierna del cicln.

El gas en su movimiento descendente va despojndose de las partculas slidas y al llegar a la base del cono, invierte el flujo, siguiendo una espiral ascendente ya libre prcticamente de partculas (gas limpio). El movimiento del gas en el interior del cicln consiste en una trayectoria de doble hlice. Inicialmente realiza una espiral hacia abajo, acercndose gradualmente a la parte central del separador, y a continuacin se eleva y lo abandona a travs de una salida central situada en la parte superior. Esta doble espiral es la que se denomina flujo ciclnico. Las partculas ms grandes y ms densas son forzadas hacia las paredes del cicln, dejando atrs las partculas.

Una vez que el gas penetra tangencialmente en el equipo se distinguen dos zonas de caractersticas distintas de movimiento:

En la zona prxima a la entrada del gas y en aquella ms exterior del cilindro predomina la velocidad tangencial, la velocidad radial es centrpeta y la axial de sentido descendente. La presin es relativamente alta.

En la zona ms interior del cilindro, correspondiente al ncleo del cicln y con un dimetro aproximadamente igual a 0,4 veces el del conducto de salida del gas, el flujo es altamente turbulento y la presin 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 partcula se encuentra sometida a dos fuerzas opuestas en la direccin radial, la fuerza centrfuga y la de rozamiento. Ambas fuerzas son funcin del radio de rotacin y del tamao de la partcula, por esta razn las partculas de tamaos distintos tienden a girar en rbitas de radios distintos.

Como la fuerza dirigida hacia el exterior que acta sobre la partcula aumenta con la

componente tangencial de la velocidad, y la fuerza dirigida hacia el interior aumenta con la componente radial, el separador se debe disear de manera que la velocidad tangencial sea lo ms grande posible mientras que la velocidad radial debe ser lo ms pequea posible. Donde: - Fc: fuerza centrfuga - Fd: fuerza de rozamiento - Vt: velocidad tangencial - Vr: velocidad radial - r: radio de la rbita

Existe una rbita de dimetro 0,4De ( siendo De el dimetro del cilindro concntrico

de salida de los gases), conocida como cilindro ideal de Stairmand, que separa la zona en la cual las partculas van a ser capturadas de aquella en la que los slidos escapan junto con el gas.

Si la partcula sigue una trayectoria cuya rbita se encuentra dentro del cilindro de Stairmand y con una componente axial ascendente, la partcula abandonar el cicln sin ser retenida. Si en caso contrario la rbita es exterior a este dimetro 0,4De, entonces la componente axial ser descendente y la partcula acabar depositndose en el fondo del cicln.

Luego del ingreso el gss con las partculas suspendidas forma una espiral descendente axial, por la cual descienden los slidos. Y una espiral ascendente que alcanza el tubo de descarga por el tope, en la cual sale el gas limpio.

El aire entra cargado de polvo recorre un camino en espiral alrededor y hacia abajo del cuerpo cilndrico del cicln. La fuerza centrfuga desarrollada en el vrtice tiende a desplazar radialmente las partculas hacia la pared, de forma que aquellas que alcanzan la pared deslizan hacia abajo dentro del cono y se recogen. El gas al llegar al cono invierte su direccin iniciando su carrera ascendente en forma de espiral alrededor del eje del cicln hasta alcanzar el tubo de salida de gas limpio, en la parte superior del cicln.

El cicln es entonces esencialmente un dispositivo de sedimentacin en el que una intensa fuerza centrfuga (de alrededor de cientos de g), que acta radialmente, es la que se utiliza en vez de una fuerza gravitacional relativamente dbil dirigida verticalmente, como se haba visto por ejemplo en las cmaras de sedimentacin. Los ciclones pueden separar partculas de polvo del orden de 10 micrones (10 a la menos 6 de metros).

Este flujo de doble espiral descendente-ascendente constituye el llamado fenmeno ciclnico, y su descripcin desde el punto de vista matemtico es muy complejo, por lo cual el diseo del cicln se basa generalmente en la experiencia, es decir es de naturaleza emprica.

La eficiencia de un cicln es de mucha importancia. Relaciona la cantidad de slidos descargados por la pierna del cicln, respecto a los alimentados. Tambin es importante la prdida de carga del cicln. La prdida de carga es la suma de varios factores.

Los ciclones pueden ser sometidos a altas temperaturas, dependiendo del material de construccin. Si es acero al carbono o acero inoxidable, puede operarse hasta temperaturas de 800 C

La aceleracin centrfuga en los ciclones es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad de entrada del cicln inversamente proporcional al radio del cicln.

2i

cc

var

dnde ac es la aceleracin centrfuga, vi velocidad de entrada del cicln y rc es el radio del cicln.

Cuando no es posible aumentar ms la velocidad del gas, conviene disminuir el dimetro del cicln, de modo de aumentar la eficiencia.

Clculo del dimetro de partcula mnima retenida Trayectoria de una partcula: VT: velocidad de entrada del gas y las partculas de polvo, tangente a las lneas de flujo VR Velocidad de deriva de una partcula de polvo (direccin radial) rc radio del barril del cicln re: radio del tubo de salida del gas limpio Lw: ancho del canal rectangular de entrada del gas sucio (ancho de la boca de entrada al cicln).

Cualquier partcula se encuentra sometida a dos fuerzas opuestas en la direccin radial, la fuerza centrfuga y la de rozamiento. Ambas fuerzas son funcin del radio de rotacin y del tamao de partcula, por esta razn las partculas de distinto tamao tienden a girar en rbitas de radios distintos.

Bases para el clculo del dimetro mnimo de partculas retenidas

1) La corriente de polvo y gas que entra al cicln forma una espiral rgida descendente. 2) La espiral rgida se desplaza con una velocidad tangencial VT igual a la velocidad

de entrada al cicln 3) El ancho de la espiral rgida descendente es igual al ancho del canal de entrada al

cicln Lw 4) Las partculas de polvo se desplazan a la misma velocidad que el gas VT 5) Por accin del campo centrfugo las partculas de polvo se alejan del centro de

rotacin siguiendo la direccin radial durante su trayectoria descendente. 6) El desplazamiento de las partculas hacia la pared del cicln se realiza a una

velocidad definida por la ley de Stokes para el campo centrfugo y se lo conoce como velocidad de deriva.

Tubo salida gas limpio

Vr

VT

rc

re

VT

Lw

Partcula de masa m, y dimetro Dp (posicin mas desfavorable)

Punto donde se separa la partcula de gas

7) Se considera que una partcula se ha separado cuando alcanza la pared interior del barril del cicln.

8) Para que la partcula alcance la pared interior del barril del cicln el tiempo que tarda debe ser menor que el que tarda en recorrer la espiral descendente.

9) Se supone que la aceleracin centrfuga es constante y no cambia con el radio del cicln

10) El dimetro de partcula calculado por este mtodo se denomina dimetro mnimo. Clculo del dimetro mnimo:

El gas ingresa con una velocidad tangencial vT por lo que la velocidad angular es:

T

c

vwr

La aceleracin centrfuga es:

2T

cc

var

La velocidad de deriva VR Segn Stokes 2 2 2

18 18s p T s p

R cc

d v dv a

r

El tiempo para alcanzar la pared interna del cicln

2 218w w c

RR T s p

L L rv v d

La distancia recorrida por la partcula a lo largo de la espiral L

2 c sL r N

dnde Ns es el nmero de espirales que recorre. El tiempo necesario para recorrer la espiral es:

* 2 c sR

T T

r NLv v

La condicin necesaria para que la partcula se separe es:

*R R

2 22 18c s w c

T T s p

r N L rv v d

min 218

2w c T

pc s T s

L r vdr N v

min9 w

ps T s

LdN v

El nmero de Ns espiras puede obtenerse de un grfico en funcin de la velocidad

de entrada al cicln o adoptarse un valor de 5. Las partculas con dimetro igual o mayor que dpmin se separan con un 100 % de

eficiencia. Las partculas con dimetro menor que dpmin se separarn con una eficiencia menor.

Dimetro de corte: dimetro de partcula que se separa con un 50 % de eficiencia

9

2cortew

ps T s

LdN v

De un grfico puede calcularse la eficiencia de separacin de las distintas fracciones

de partculas, en funcin del dimetro de partcula / dimetro de corte:

2

2

1

pi

pcortei

pi

pcorte

dd

dd

El grfico responde a esa ecuacin. i = eficiencia fraccional de las partculas de tamao dpi la eficiencia global ser:

global i iw donde wi es la fraccin msica de partculas de dimetro dpi y

1iw Prdida de carga del cicln: La prdida de carga del cicln depende de la velocidad de entrada al cicln. Es en realidad la suma de varios trminos:

1)prdida de presin a la entrada del cicln 2) prdida debida a la aceleracin de los slidos 3) Prdidas en el barril 4) Prdidas por el flujo reverso (cuando cambia hacia la espiral ascendente 5) Prdidas por contraccin en el conducto de salida.

Pueden expresarse en funcin de la velocidad a la entrada del cicln

2ciclon H iP N v

donde :

224 2 / 2

2

c c

c cH

e c

D DB HN K K KD D

K es 16 para ciclones normales y 7.5 para ciclones de gran envoltura Dimensionado de un cicln

Los parmetros claves de un cicln son su eficiencia y su prdida de carga: Estos parmetros son gobernados por sus dimensiones, es decir el dimetro del cicln y longitudes de los canales de flujo. El dimetro del cicln influencia fuertemente la eficiencia de coleccin. Los ciclones de dimetro pequeo (20 cm a 60 cm) proveen una muy buena eficiencia de coleccin.

En un cicln convencional al determinar el dimetro del cicln quedan todas las dems longitudes determinadas.

Puede dimensionarse estipulando el tamao de partcula que quiere ser separada. Si se quiere retener la totalidad de las partculas de radio dp podemos dimensionar el cicln para un tamao 10 veces menor, de manera de tener la seguridad que la eficiencia de separacin sea del 100 % para el tamao de partcula que queremos separar. Tomamos entonces dpmin = dp/10

min9

10p w

ps i s

d LdN v

min9 w

p

s sw w

Ld QNL h

Como

2c

wdL

y

4c

cdh

reemplazando:

39

10 8p c

s s

d dN Q

Ecuacin de la cual puede despejarse dc, dimetro del cicln Criterio de Kalen y Zenz:

De acuerdo a Kalen y Zenz, la mxima eficiencia del cicln se da cuando la velocidad de entrada al cicln es 1.25 de la velocidad de arrastre. Por otra parte la velocidad de entrada al cicln no debe ser mayor de 1.36 la velocidad de arrastre, porque sino se produce re-arrastre, es decir que las partculas se van con la espiral ascendente, por lo cual la eficiencia del cicln disminuye.

13

1 215 34.9114

1

c

cs c i

c

c

BDv w B vB

D

132

43

sgw

En la figura se observa la eficiencia de tres ciclones de distinto dimetro, con velocidad de entrada similar en los tres. Vemos que al aumentar el dimetro, aumenta la capacidad pero disminuye la eficiencia. La prdida de carga es similar porque la velocidad es la misma para los tres ciclones. Por otra parte, la eficacia global es una funcin de la distribucin de tamaos de las partculas y no se puede predecir a partir del tamao medio. La eficacia de separacin de un cicln aumenta con la densidad de las partculas y disminuye al aumentar la temperatura del gas debido al aumento de la viscosidad del gas. Los ciclones tambin se utilizan ampliamente para separar slidos de lquidos, especialmente con fines de clarificacin.

Ventajas del uso de ciclones:

- bajo costo de inversin - costo de mantenimiento bajo (no tiene partes mviles) - permite la separacin en condiciones drsticas de temperatura y presin. - Cada de presin constante. - Puede ser construido de variados materiales (cermica, aleaciones, aceros, hierro

fundido, aluminio, plsticos) - Puede separar tanto partculas slidas como lquidas, a veces ambas la vez,

dependiendo del diseo propio del cicln

Desventajas del cicln

- Baja eficiencia para partculas de tamao menor que el dimetro de corte, cuando operan en condiciones de bajas cargas de slido.

- Usualmente cada de presin mayor que otros tipos de separadores ( por ejemplo que el filtro de cartucho (bag))

- Sujeto a erosin o ensuciamiento, si los slidos procesados son abrasivos. Si lo que se quiere es aumentar la eficiencia de separacin del cicln se aconseja tomar alguna de las siguientes acciones:

-Reducir el dimetro del cicln, -Reducir el dimetro del conducto de salida del gas -Reducir el ngulo del cono, -Incrementar la longitud del cuerpo. Si lo que se quiere es aumentar la capacidad del cicln entonces: : -Incrementar r el dimetro del cicln, -Reducir el dimetro del conducto de salida del gas -Incrementar el dimetro de entrada -Incrementar la longitud del cuerpo El incremento de la cada de presin puede resultar en: Un incremento en la eficiencia de separacin Una manera de mejorar la eficiencia de un cicln, cuando por ejemplo se trabaja con partculas de tamao menores de 10 um, es colocar dos ciclones de manera secuencial, el primero de mayor tamao, el primero puede separar partculas de gran tamao y el segundo para partculas de tamao menor