diseño y optimización de un sistema ciclón

VII CAIQ 2013 y 2das JASP
DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA CICLÓN-FILTRO
PARA DESEMPOLVADO DE AMBIENTES INDUSTRIALES
I. Elortegui y M. R. Barbosa
Facultad de Ingeniería.
Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires.
Avda. A. del Valle 5737. 7400 – Olavarría. Argentina.
E-mail: [email protected],
Resumen. La importancia de mantener los ambientes de trabajo libres de
polvo ha conducido al establecimiento de marcos legales. Para el correcto
diseño de un sistema de desempolvado debe considerarse un número de
variables que se interrelacionan entre sí. Las principales variables que
afectan al sistema son la temperatura de operación, caudal de fluido a tratar
y concentración y tipo de partículas. En este trabajo se presenta el diseño de
sistemas que combinan ciclón-filtro para la disminución de la concentración
de polvos en ambientes de trabajo. Para ello se desarrolla un algoritmo de
cálculo que permite comparar diferentes combinaciones de ciclón-filtro para
lograr condiciones óptimas de funcionamiento, minimizando costos. Puede
predecir un resultado técnico y económico rápidamente y efectuar una
comparación de las eficiencias logradas y los costos requeridos para los
sistemas con y sin ciclón. Se presenta un esquema dinámico que permite
modificar la disposición física de cada elemento. La aplicación del método
de diseño muestra que el uso de un ciclón como único dispositivo de
desempolvado no resulta suficientes para satisfacer las condiciones de
emisión establecidas por ley, debido a su baja eficiencia respecto a las
partículas con diámetros menores a 10 µm. El filtro de mangas puede
reducir el contenido de partículas a los niveles requeridos, pero requiere
altos costos de instalación y mantenimiento. La combinación de ambos
equipos, utilizando el ciclón como pretratamiento, puede conducir a un
óptimo económico y técnico. Los costos correspondientes al gasto eléctrico
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para la impulsión del material, aumentan cuando se introduce el ciclón, pero
disminuyen los correspondientes al consumo de aire comprimido. Es por
ello que cada situación en particular debe analizarse como un todo y no de
forma aislada.
Palabras clave: Separación de partículas, Desempolvado, Eficiencia, Ciclón,
Filtro de mangas.
1. Introducción
La toma de conciencia sobre la importancia de ambientes libres de polvo ha
conducido a la evolución de las imposiciones legales sobre la calidad de los lugares de
trabajo. Por otra parte, la necesidad de reducción de los costos energéticos y las
exigencias medioambientales, obligan a mejorar y modificar los sistemas de
desempolvado. Un desempolvado mal resuelto origina acumulación de polvo en algún
punto de la planta y la consecuente necesidad de removerlo (Cooper y Alley ,1994).
Mantener un ambiente libre posible de material particulado es de suma importancia,
pero lograrlo requiere de una alta inversión inicial, además de los costos de
mantenimiento. Para los casos en los que el material recuperado carece de valor, el
acondicionamiento de aire no producirá ganancia alguna. En otros casos una fracción
del material posee valor, por lo que resulta útil un sistema que no sólo logre separar
eficientemente el material, sino también clasificarlo.
En el presente trabajo se presenta el diseño de sistemas ciclón-filtro para la
purificación de aire en ambientes de trabajo. Se comparan diferentes combinaciones de
ciclón-filtro para lograr condiciones óptimas de funcionamiento, minimizando costos de
operación y mantenimiento. Para esto se generó un algoritmo capaz de agilizar aspectos
del diseño del sistema de limpieza de polvo. Se aplica el método al diseño de un sistema
de extracción y purificación de aire comparando las soluciones alternativas que pueden
darse.
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2. Descripción y base de diseño de los equipos que integran el proceso de
separación
El sistema de depuración debe captar y conducir el material particulado hasta los
equipos de separación. La captación se puede realizar mediante aspiración por
campanas y la separación de polvo propiamente dicha se hace a través de ciclones y
filtros de manga. Además, para el completo funcionamiento del sistema se requieren
tuberías de conducción y el sistema de impulsión.
2.1. Ciclón
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. Son de simple
construcción ya que no cuentan con partes móviles, lo cual facilita las operaciones de
mantenimiento. Pueden fabricarse en una amplia gama de materiales y ser diseñados
para altas presiones y temperaturas de operación (Hoffmann y Stein, 2008). Los
ciclones son adecuados para separar partículas con diámetros mayores a 5 μm, aunque
en ciertos casos pueden separarse partículas más pequeñas. Este dispositivo como único
elemento de limpieza de aire no alcanza a cubrir con los mínimos requerimientos
legales, pero puede utilizarse para reducir la cantidad de polvo que entra al sistema final
de depuración, con lo que alivia el trabajo de estos últimos. Por otra parte, es importante
señalar que el desarrollo tecnológico de estos dispositivos que ha tenido lugar en los
últimos años (Hoffmann y Stein, 2008) los hace útiles como clasificadores de partículas
por tamaño.
En el sistema de purificación presentado en este trabajo se utilizan ciclones
convencionales, tipo Lapple (Hoffmann y Stein, 2008). La Fig. 1 muestra el esquema de
un ciclón de entrada tangencial, tipo Lapple y la nomenclatura y proporción entre sus
dimensiones, basadas en el diámetro del ciclón, longitud característica.
La eficiencia de colección de los ciclones varía en función del tamaño de la partícula
y de las condiciones de operación. En general, crece con el aumento del tamaño de
partícula y su densidad, la velocidad de entrada, la longitud del cuerpo del ciclón, el
número de revoluciones del gas en el ciclón, la proporción del diámetro del cuerpo del
ciclón al diámetro del conducto de salida del gas, la carga de polvo y el pulimento de la
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superficie de la pared interior del ciclón. Por otro lado, la eficiencia disminuye con el
aumento de la viscosidad del gas, el diámetro del cuerpo, el diámetro de la salida del
gas, el área del conducto de entrada del gas y la densidad del gas.
Dimensión
Diámetro del ciclón
Relación
dimensional
Dc/Dc
a
b
Dc
h
z
B
1,00
Altura de entrada
a/Dc
0,50
Ancho de entrada
b/Dc
0,25
Altura de salida
S/Dc
0,63
Diámetro de salida
Altura de la parte
cilíndrica
Altura de la parte
cónica
Altura total del
ciclón
Diámetro salida de
polvo
Factor de
configuración
Número de cabezas
de velocidad
Número de vórtices
Ds/Dc
0,50
h/Dc
2,00
z/Dc
2,00
H/Dc
4,00
B/Dc
0,25
G
402,88
NH
8,00
N
6,00
Ds
S
Lapple
Fig. 1. Esquema de un ciclón Lapple
Existe un gran número de teorías para la estimación de la eficiencia de recolección
en un ciclón (Leith and Licht, 1972; Dirgo and Leith, 1985). En el presente trabajo se
utilizará la teoría de número de giros o vórtices (Dirgo and Leith, 1985) que se
desarrollan dentro del ciclón. Éste número se estima a partir de las dimensiones del
ciclón, de acuerdo a la Ec. (1).
N
1 
 h 
a 
z

2
(1)
La eficiencia fraccional del ciclón se calcula mediante la Ec. (2).
   N  p D 2p Vi 

i  1  exp 


9

b


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(2)
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donde
ηi:
eficiencia fraccional por intervalos de tamaño
ρp :
densidad de la partícula (kg/m3)
Dp:
diámetro de la partícula (m)
Vi:
velocidad de entrada al ciclón (m/s)
µ:
viscosidad del gas (Pa.s)
La determinación de la eficiencia de recolección mediante la Ec. (2), es válida para
bajas concentraciones de polvo, cuando las interacciones entre las partículas sólidas no
son importantes. Si la concentración es mayor a 2 g/m3, el cálculo de la eficiencia debe
ajustarse de acuerdo a la relación de Smolik (Ec.(3)) (Svarovsky, 1981).
100  1  C 2 


100  2  C1 
0.182
(3)
donde los valores indicados con subíndice 1 corresponden a la concentración de 2 g/m3;
mientras que el subíndice 2 se refiere a los otros valores de concentración de entrada.
La caída de presión es un parámetro importante debido a que se relaciona
directamente a los costos de operación. Puede asociarse a las pérdidas a la entrada y
salida, perdidas de energía cinética y fricción en el ciclón y la literatura presenta
diferentes modelos para su estimación (Cortés y Gil, 2007). La eficiencia de remoción
en un ciclón aumenta al incrementar la velocidad de entrada, pero esto también eleva la
caída de presión. A mayor pérdida de presión aumentan los requerimientos de potencia
en el ventilador y por lo tanto mayor consumo de energía; lo anterior conduce a que en
la práctica se sacrifica un poco de eficiencia para disminuir los requerimientos de
energéticos. En general se busca que las pérdidas resulten menores a 2500 Pa.
La Ec. (4), desarrollada por Shepherd y Lapple (1940) es una de las utilizadas para
calcular la pérdida de presión en un ciclón.
P 
1
Vi2 NH
2
(4)
donde NH es el número de cabezas de velocidad a la entrada del ciclón, característico de
cada tipo de ciclón.
La velocidad de entrada es un parámetro fundamental, ya que bajos valores de la
misma permiten la sedimentación de partículas y neutralizan el efecto de la fuerza
centrífuga generando disminución en la eficiencia de colección, pero velocidades muy
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altas pueden originar el fenómeno de resuspensión de partículas previamente colectadas,
disminuyendo también la eficiencia (Dong Chen and Chen, 1995; Berezowski and
Warmuziński, 1993). La experiencia indica que la velocidad de entrada al ciclón debe
situarse en el intervalo de 15.2 a 27.4 m/s.
Kalen y Zenz (1974) propusieron la existencia de una “velocidad de saltación” en el
ciclón para explicar porque la eficiencia de colección desciende con incrementos en la
velocidad de entrada. Lo ideal es trabajar con velocidades de entrada lo suficientemente
altas para aprovechar el efecto de la aceleración centrífuga, sin sobrepasar la velocidad
que implica resuspensión del material ya colectado (Dong Chen and Chen, 1995;
Berezowski and Warmuziński, 1993). La Ec. (5) es una correlación semiempírica para
la velocidad de saltación.
VS 
donde:
4.913 W K 0b.4 D C0.067
3
3
Vi2
1  Kb
Vs:
Velocidad de saltación (m/s).
Vi:
Velocidad de entrada del gas en el ciclón (m/s).
W:
Velocidad equivalente (m/s).
Kb:
Relación entre la entrada y el diámetro del ciclón (b/Dc).
(5)
La velocidad equivalente se evalúa a través de la Ec. (6).
W3
donde:
4 g  (  p  )
3 3
ρp :
Densidad de la partícula (kg/m3).
ρ:
Densidad del gas portador (kg/m3).
µ:
Viscosidad del gas portador (kg/ms).
(6)
Kalen y Zenz (1974) desarrollaron correlaciones experimentales entre la relación
velocidad de entrada/velocidad de saltación y la eficiencia del ciclón, encontrando que
la máxima eficiencia de colección ocurre cuando la velocidad de entrada es 1.25 veces
la velocidad de saltación. Por otra parte, cuando la velocidad de entrada es mayor a 1.35
veces la velocidad de saltación se produce resuspensión del material ya capturado.
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2.2. Filtro de manga
Los filtros de mangas son estructuras metálicas cerradas en cuyo interior se disponen
elementos filtrantes textiles en posición vertical. Se montan sobre una cámara que en su
parte inferior tiene una tolva de recogida de partículas. El aire cargado de sólidos es
forzado a pasar a través de la tela. La filtración se produce como resultado de la
formación de una capa de polvo primaria en la superficie de las mangas y una posterior
acumulación de partículas de polvo, con lo que se forma la “torta” sobre las mangas.
Una vez formada la capa primaria, la penetración se hace muy baja y la filtración se
produce por filtración superficial. El proceso de filtración continúa hasta que la caída de
presión se hace tan importante que requiere la limpieza del sistema (EPA, 1998). Los
filtros de mangas son instalaciones de depuración de partículas altamente eficaces, lo
que permite cumplir con las más estrictas normativas de calidad de aire. Para partículas
de 0.5 μm alcanzan eficiencias del 99% y se obtienen eficacias aceptables para
partículas de hasta 0.01 μm (R.M. Seguridad Ambiental, 2009).
La selección de las telas depende de la composición química, temperatura y humedad
de la corriente gaseosa; de la composición química y física de las partículas y del
método de limpieza con el que trabaje el filtro. Todos estos factores, ejercen un efecto
sobre el desgaste de la tela; por lo que la vida útil de las mangas podría verse afectada
en gran medida si no son tenidos en cuenta en el momento de la elección.
Los filtros de limpieza por pulsos de aire a presión (pulse jet) son los de más reciente
utilización, diseñándose para una relación caudal de aire/superficie de la tela (Q/A),
mayor que en los otros sistemas, obteniéndose equipos más compactos. La frecuencia de
limpieza es un factor determinante para la retención de la capa de polvo necesaria para
la filtración. Los intervalos entre ciclos de limpieza varian típicamente entre 1 y 30
segundos, y se ajusta para que la presión en el colector tenga un promedio de 75 a 200
mm de columna de agua (mm Ca).
El dimensionamiento de un filtro de mangas se realiza a partir del criterio de
diseño de la velocidad de filtración o lo que es lo mismo, de la relación aire/tela. La
velocidad de filtración tiene un valor de compromiso, ya que si es bajo aumenta la
superficie filtrante, y si es demasiado alto, aumenta la frecuencia de limpieza, acortando
la vida del filtro y provocando una compactación excesiva de la capa de polvo
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depositada. La velocidad de filtración utilizada para obtener la caída de presión total se
la conoce como la relación gas–tela y se la define como la razón entre el volumen de
gas filtrado y el área del medio filtrante, según Ec. (7).
Vf 
donde:
Q gas
(7)
A neta
Vf:
Velocidad de Filtración (Relación Gas – Tela) (m/s)
Qgas:
Caudal del gas con concentración de partículas (m3/s)
Aneta:
Área neta de tela de filtración (m2)
Se busca determinar la relación gas–tela, que produce el óptimo entre la caída de
presión y el tamaño del filtro. La proporción gas–tela es difícil de estimar a priori; sin
embargo, los fabricantes ofrecen junto con los equipos, ecuaciones y nomogramas que
permiten obtener ésta relación para filtros de mangas pulse jet, donde se relacionan la
temperatura de operación, tamaño de la partícula, carga de polvo y la indicación de
aplicabilidad según el material a filtrar; la Ec. (8), es una de las utilizadas (Owen et al,
1985).

Vf  2.878 A B T 0.2335 C e0.06021 0.7471  0.0853 ln D p
donde:

Vf:
Relación gas – tela en ft/min
A:
Factor de material
B:
Factor de aplicación
T:
Temperatura de aplicación, entre 50 y 275°F
Ce:
Carga de polvo a la entrada, entre 0.05 y 100 g/ft3
Dp:
Diámetro de partícula, entre 3 y 100 μm
(8)
La velocidad ascendente, es la velocidad del gas sucio calculada teóricamente entre
las mangas del filtro en la parte inferior de la manga. La máxima velocidad permitida
depende de la dirección del flujo de gas entre las mangas y la velocidad final de las
partículas grandes que han caído a la tolva por gravedad luego de ser impactadas contra
los deflectores. Usualmente, el valor de la velocidad ascendente que debe mantenerse en
el sistema es de 1,0 m/s o máximo 1,3 m/s (EPA, 1998). La velocidad ascendente se
calcula usando la Ec. (9).
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Va 
donde
Al:
Q gas
Al
(9)
Área libre (m2).
El área libre depende de los parámetros estructurales del filtro y su expresión
corresponde a la Ec. (10).
A l  a b  Cm
donde
 D 2m
4
a:
longitud lado a del filtro (m)
b:
longitud lado b del filtro (m)
Cm:
número de mangas del filtro
Dm:
diámetro de las mangas (m)
(10)
La caída de presión total a través de un filtro de mangas, P, durante la operación de
filtrado está dada por la suma de las caídas de presión a través de la tela limpia, Pf, de
la capa de polvo formado en las mangas, Pp, y de la estructura, Ps. Puede expresarse
como lo indica la Ec. (11).
P  Pf  Pp  Ps
(11)
La caída de presión a través de la estructura puede considerarse despreciable una vez
que el filtro está en funcionamiento. Para reducir la caída de presión total a un valor
razonable es necesario limpiar periódicamente el filtro. La relación entre la caída de
presión y la velocidad superficial de filtración se conoce como el arrastre a través del
filtro y puede caracterizarse a través del factor de resistencia, S (Ec. (12)).
S  K1  K 2 W
donde:
(12)
K1:
Factor resistenacia tela (mmCa s/m)
K2:
Factor resistencia partículas (mmCa m s/g)
W:
Densidad de área de polvo o densidad no real = C * V * t (g/m2)
Se cuenta con valores tabulados para los factores de resistencia K1 y K 2; para
diferentes materiales de mangas y distintos materiales particulados. La Fig. 2 muestra la
curva de funcionamiento típica de un filtro de mangas (Cooper, y Alley ,1994).
Al inicio del proceso el flujo a través de la tela no es uniforme por lo que la porción
inicial de la curva no es lineal, en esta parte se forma una torta irregular de polvo. A
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medida que transcurre el tiempo de filtrado, el arrastre se incrementa linealmente al
aumentar la densidad de área del polvo, W, hasta alcanzar el máximo arrastre permisible
donde se inicia la limpieza de las manga, en un tiempo muy corto, y luego recomienza
la filtración, completando así el ciclo general de filtrado; la parte lineal de la gráfica se
la conoce como zona de filtración efectiva.
Fig. 2. Curva típica de funcionamiento de un filtro de mangas para diferentes grados de limpieza.
2.3. Campanas de extracción
El término campana se usa en un sentido amplio, incluyendo cualquier abertura de
succión independientemente de su forma o tamaño, que permite que el aire ingrese al
sistema de conductos (Pedelabode, 2007). Para el dimensionamiento del sistema se debe
seleccionar, en primer lugar, la velocidad de captura. Se calcula el caudal de aire de
aspiración. La pérdida de carga a la entrada de la campana, ht, puede calcularse de
acuerdo a la Ec. (13).
h t  PD  K PD  K r PDr
(13)
donde K y Kr son los factores de pérdida en la campana y de pérdida en las ranuras,
respectivamente, y Pdr es la presión dinámica en las ranuras (mmCa)
La presión dinámica, a su vez, se expresa como (Ec. (14)).
PD 
V2
1.043
donde V es la Velocidad en el ducto conectado a la campana (m/s).
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(14)
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2.3. Conductos del sistema de ventilación
Para completar el sistema de ventilación, se diseñan los conductos, elementos de
redirección, reductores, válvulas, etc. Los conductos deben garantizar que cada campana
capte el caudal requerido con una adecuada velocidad de transporte, evitando así
problemas por acumulación de materia que originan costos de mantenimiento o caídas
de presión elevadas que aumentan el consumo de potencia (Salvador Ecoda S.A. 2011).
Se calcula el caudal total de aspiración, Q, que circula por el mismo y la presión
requerida por el sistema. La presión se puede indicar como la presión total del
ventilador, hTV, Ec. (15), o como la presión estática del ventilador, hEV, Ec. (16).
h TV  h Es  h Ds   h Es  h Ds 
h EV  h TV  h Ds  h Es  h Ee  h De
donde
hEs:
Altura de presión estática a la salida del ventilador
hEe:
Altura de presión estática a la entrada del ventilador
hDs:
Altura de presión dinámica a la salida del ventilador
hDe:
Altura de presión dinámica a la entrada del ventilador
(15)
(16)
todas expresadas mmCA. La presión total del ventilador y la presión estática pueden
expresarse de acuerdo a las Ec. (17) y Ec. (18), respectivamente.
h TV  k T Q 2
(17)
h TV  k E Q 2
(18)
2.5. Sistema de impulsión
Se utiliza un ventilador que brinda la energía necesaria al fluido para que pueda
vencer las pérdidas de carga propias del sistema por el cual se mueve (Salvador Escoda
S.A. 2011). Puede instalarse antes (presión positiva) o después (presión negativa) del
equipo de depuración. Los equipos de presión negativa son los más habituales y tienen
el ventilador en el lado limpio del colector, aspirando el aire a través del sistema, para
ser impulsado finalmente a través de la chimenea. El desgaste es menor que en los
sistemas de presión positiva.
La selección de un ventilador consiste en elegir aquel que satisfaga los requisitos de
caudal y presión con que debe circular el aire, para la temperatura de operación y la
altitud de la instalación. Además se debe determinar su tamaño, el número de
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revoluciones a las que debe girar el rotor, la potencia que debe ser entregada a su eje, el
rendimiento con el que funciona, la disposición de la transmisión, el ruido generado,
etc. Los fabricantes de los ventiladores proporcionan la información necesaria para
realizar una correcta selección.
Para un ventilador de tamaño dado (D), la presión (Δh) desarrollada, expresada como
presión total o como presión estática, se representa en función del caudal (Q).
Pudiéndose graficar distintas curvas h – Q, cada una correspondiente, a su vez, a un
número de revoluciones por minuto (rpm) del rotor. De las distintas curvas posibles, una
sola intercepta a la curva característica del sistema en el punto de funcionamiento. Por
lo tanto, el ventilador de tamaño “D” solo puede funcionar a un número de revoluciones
por minuto (rpm) tal que la curva pase por el punto de funcionamiento requerido por el
sistema (Salvador Escoda S.A. 2011).
Combinando las curvas correspondientes al sistema y las del ventilador, es posible
determinar el punto de funcionamiento correspondiente al caudal Q y a la presión h
(total o estática), quedando definido como la intersección de ambas curvas.
Una vez obtenidas las características básicas del ventilador, se debe calcular el
rendimiento, η, con el que trabaja como el cociente entre la potencia que entrega el
ventilador al aire (Pota) dividida por la potencia que el ventilador recibe en su eje (Potv),
ambas expresadas en las mismas unidades (Ec. (19)).
V 
Pot a
Pot V
(19)
La potencia Pota depende del caudal que circula y la presión necesaria para vencer
las pérdidas que ofrece el sistema de conductos (Ec. (20)).
Pot a  Q h EV g
donde: Q :
(20)
Caudal de aire (m3/s)
hEV:
Altura de presión estática en el ventilador (mmCa)
g:
Aceleración de la gravedad (m / s2):
La potencia que recibe el ventilador en su eje se obtiene de los datos de
funcionamiento provistos por los fabricantes y depende del tamaño de ventilador
seleccionado.
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3. Algoritmo de cálculo
Para el correcto diseño de un sistema de desempolvado debe considerarse un
número de variables que se interrelacionan entre sí. Cada equipo (ciclones, filtros de
mangas, ventiladores) y demás elementos (campanas, ductos); dependen de estas
variables directa o indirectamente. Por lo tanto, entendiendo al sistema como un todo,
las ecuaciones que identifican a cada equipo, repercuten en la eficiencia, pérdidas de
carga, etc. de los restantes, por lo que en general es necesario recurrir a iteraciones para
estimar un resultado. Las principales variables que afectan al sistema son la temperatura
de operación, caudal de fluido a tratar, concentración y tipo de particulado (densidad,
dureza, nivel de abrasión, etc). A su vez estas presentan variables relacionadas como
son, la velocidad de entrada al ciclón, velocidad de filtración, velocidad de trasporte en
las tuberías y de captura en las campanas, etc.
El principal objetivo de este trabajo es encontrar un método que permita diseñar
un sistema ciclón-filtro, para afrontar las demandas operativas tratando de hallar un
óptimo, sin limitarse a un caso en particular. Ésto se realizó a través de la formulación
de un algoritmo capaz de, mediante cambios en las variables principales, predecir
rápidamente un resultado técnico y económico, simulando diferentes escenarios de
trabajo. Para ello, se ha elaborado una planilla dinámica empleando Microsoft Excel,
que permite concatenar las ecuaciones de diseño de los distintos elementos, plantear
límites de operación y generar referencias visuales para su rápida interpretación.
El algoritmo cuenta con un tablero de comando desde el cual se manejan las
variables que gobiernan el proceso. También permite la visualización informando en
forma de gráficos, tablas e indicadores tipo semáforo de lo que pasa en el sistema. A
modo de ejemplo, se lo aplica a una situación característica en la industria cementera.
La Fig. 3 muestra la imagen en pantalla de las variables independientes que pueden
modificarse. El tiempo de operación corresponde a las horas por día que el sistema se
encuentra en funcionamiento.
Cada cambio efectuado en las variables mencionadas, se refleja de manera
simultánea en las características del ciclón (Fig. 4), de modo de establecer la mejor
opción considerando la eficiencia alcanzable en el marco que establece una caída de
presión aceptable.
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Los límites de operación se indican usando celdas con señales de tipo semáforo,
es decir se asigna a rango determinados colores que alertan sobre los estados en los que
se trabaja. Las columnas 4 y 5 correspondientes a velocidad de saltación y caída de
presión, están verdes indicando que no se ha sobrepasado el límite establecido (1,35 y
2488 Pa, respectivamente). En la tercera columna aparece la leyenda “No óptimo” aun
cuando puede verse que las eficiencias en todos los casos superan el 50%. Esto se debe
a que se asumió que la máxima eficiencia del ciclón se obtiene para Vs = 1,25 Vi.
Fig. 3. Esquema de tabla de variables del sistema
Fig. 4. Esquema de tabla diseño ciclones
Una vez establecido el tipo de ciclón a utilizar, el programa lee los valores de
salida de ese ciclón (distribución y concentración) y realiza un análisis de los filtros
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disponibles, indicando una comparación de las respuestas entre los sistemas con y sin
ciclón (Fig. 5).
El programa selecciona el filtro más adecuado para a las necesidades del sistema,
considerando cinco largos standard de mangas. De los 5, algunos no cumplen con todas
las restricciones (Vf, Va y ANETA) por lo que las celdas correspondientes aparecen en
rojo. Una celda desplegable (Selección) permite al usuario elegir el filtro con el cuál
operará. Por otra parte, es posible ver la respuesta para el caso en que se decida no
utilizar el ciclón.
Fig. 5. Esquema de tabla selección de filtros
Una vez finalizada la selección de los equipos, resta ubicarlos en el espacio. Para
ello se cuenta con un esquema dinámico (Fig. 6) que permite modificar las posiciones
de cada elemento (ciclón, filtro, campanas, ventilador, etc) y establecer la longitud de
tuberías para el cálculo de las pérdidas de carga.
Los demás datos, tales como diámetro y rugosidad de tuberías, factor de fricción
en accesorios, propiedades de los fluidos, costos, etc, están en función de alguna de las
variables a modificar, por lo que el programa adecua los respectivos valores.
De este modo, es posible simular un amplio número de escenarios de la industria, de
manera práctica y ahorrando tiempo de cálculo; logrando determinar límites de
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aplicación técnico-económica mediante variaciones en las condiciones de operación.
Por ejemplo, si modificamos alguna de las variables mostradas en la Fig. 3, dejando fija
las demás, se encontrará una región límite en la cual el análisis económico determinará
si es conveniente la utilización de uno u otro sistema (con o sin ciclón).
Por ejemplo variando la concentración de partículas se obtiene la Fig. 7, como
representación del costo operativo anual versus la concentración de particulado. El
análisis de costo incluye el gasto eléctrico el gasto de aire comprimido para la limpieza.
Fig. 6. Esquema dinámico del sistema de extracción.
Fig. 7. Costo operativo anual como función de la concentración de partículas.
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Puede verse que para concentraciones por debajo de 40 g/m3, el costo operativo
para el sistema que cuenta con el ciclón, es mayor, pasado ese límite operar con este
como prefiltro, disminuye el costo operativo.
4. Conclusiones
En este trabajo se ha realizado el diseño de sistema ciclón filtro para el desempolvado
de aire, determinándose que los ciclones convencionales como único dispositivo de
desempolvado no resultan suficientes para satisfacer las condiciones de emisión
establecidas por ley, debido a su baja eficiencia respecto a las partículas con diámetros
menores a 5 µm. Por su parte, el filtro de mangas resulta adecuado para lograr reducir el
contenido de partículas a los niveles requeridos. Sin embargo este equipo requiere altos
costos, tanto de instalación como de operación. La combinación de ciclón y filtro,
utilizando el ciclón como pretratamiento de la corriente alimentación al filtro, permite
optimizar técnica y económicamente el proceso de separación de polvo en un gran
número de situaciones.
El algoritmo desarrollado en este proyecto ha mostrado ser una valiosa herramienta
de cálculo. Su empleo permite obtener rápidamente valores fundamentales en el diseño,
a la vez de mostrar una gran versatilidad para realizar diferentes combinaciones para su
posterior análisis y comparación.
Referencias
Berezowski, M., Warmuziński, K. (1993). Gas recycling as a means of controlling the
operation of cyclones. Chemical Engineering and Processing. 32, 345-347.
Cooper, D., Alley, F. (1994). Air Pollution Control: A Design Approach, Waveland
Press, Prospect Heights. 2nd Edition.
Cortés, C.; Gil, A. (2007). Modeling the gas and particle flow inside cyclone separators.
Prog. Energy Comb. Sci. Vol. 33, pp. 409-452.
Dirgo, J., Leith, D. (1985). Filtration and Separation, 119, 125.
Dong Chen, X., Chen, J.J.J. (1995). On gas recycling as a means of improving the
operation of cyclones. Chemical Engineering and Processing. 34. 379-383.
Echeverri Londoño, C.A.; (2006). Diseño óptimo de ciclones. Rev. Ing. Univ. Medellí.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
5, 09, 123-139.
EPA. Diseño de Equipos de Control de Contaminación. 452/B-02-002. 1998.
Hoffmann, A.C., Stein, L.E. (2008). Gas Cyclones and Swirl Tubes. Principles, Design
and Operation. 2nd Edition. Berlin Heidelberg, Springer.
Kalen, B, Zenz, F.A. (1974). Theoretical Empirical Approach to Saltation Velocity in
Cyclone Design. AIChE Symp. Ser. 70, 137, 388.
Leith, D., Licht, W. (1972). The collection efficiency of cyclone type particle collectorsa new theoretical approach. AIChE Symp. Ser. 68, 126, 196-206.
Owen M. K. and Viner A. S. (1985). Microcomputer Programs for Particulate Control.
EPA-600/8-85-025a.
Pedelaborde C.L. (2007). Curso de Ventilación Industrial. Universidad de Buenos
Aires.
R.M. Seguridad Ambiental S.A. (2009). Sistemas de Ventilación Industrial.
Salvador Escoda S.A. (2011). Manual Práctico de Ventilación, Catálogo técnico 2º
Edición.
Shepherd, C.B., Lapple, C.E. (1940). Ind. & Eng. Chem. 32, 1246-1248.
Svarovsky, L. (1981). Handbook of powder technology. J. C Williams and T Allen, eds.
Elsevier Scientific Publishing Company, New York.
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ