Ciclones y fluidización 1
CICLONES Y FLUIDIZACIÓN EQUIPOS, CARACTERÍSTICAS Y OPERACIÓN 1Dayanna
Fajardo 2Daniela Londoño 3Carol Medina
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[email protected] DOCENTE: I.Q. Iván Ramírez Marín
Departamento de Ingeniería Química, Universidad de América S ede Los Cerros
Introducción: Los ciclones son dispositivos utilizados para separar partículas sólidas que se encuentran en un gas, por medio de la sedimentación generada por una fuerza centrífuga. El ciclón es uno de los dispositivos de separación que opera mejor a toda carga que con carga parcial, además se utilizan ampliamente para separar sólidos de líquidos, especialmente con fines de clarificación. La fluidización se conoce como la suspensión de sólidos en un fluido (líquido o gaseoso) donde tales partículas tienden a tomar un comportamiento similar al del fluido, es común el uso de ciclones internos en lechos fluidizados turbulentos aunque también se emplean grandes ciclones fuera de los lechos fluidizados de fase dispersa. A través de este artículo artículo se hace un resumen de los principales aspectos teóricos de los equipos de separación ciclónicos, así como del proceso de fluidización que ocurre entre los sólidos suspendidos en un fluido tanto líquido como gaseoso, explicando algunas ventajas y desventajas de las diferentes situaciones. Resumen: Por medio de este trabajo se realizó una recopilación de información teórica a cerca de los ciclones y la fluidización, haciendo referencia a los ciclones como equipos de sedimentación utilizados para la separación de sólidos en un gas, y la fluidización como la suspensión de sólidos en un líquido o gas. Se explica su funcionamiento, tipos, factores de diseño, usos, ventajas, desventajas, entre otras características principales. Adicionalmente se realizó un video, donde se agrega contenido audio visual con respecto a los ciclones y fluidización, donde puede observarse de manera más práctica el funcionamiento y desarrollo de estos. Palabras claves: Ciclones, fluidización, separación sólidos Abstract: By means of this work a collection of theoretical information about cyclones and fluidization was made, referring to the cyclones as sedimentation equipment used for the separation of solids in a gas, and fluidization as the suspension of solids in a Liquid or gas. It explains its operation, types, design factors, uses, advantages, disadvantages, among other main features. In addition, a video was created, where audio visual content is added to the cyclones and fluidization, where the operation and development of these can be observed in a more practical way. Keywords: Cyclones, fluidization, solid separation
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Los ciclones son dispositivos de sedimentación en los que actúa una fuerza centrífuga en lugar de la gravedad para aumentar la velocidad de sedimentación de una partícula sólida en un gas. Consiste en un cilindro vertical con un fondo cónico, una entrada tangencial cerca a la parte superior por donde entra el gas con partículas sólidas, también llamadas polvo, una salida para las partículas sólidas situada en el fondo del cono y una salida para el gas en la parte superior. (MCCABE)
en el vértice tiende a desplazar radialmente una fracción de las partículas hacia la pared, de forma que aquellas que alcanzan la pared, chocan, pierden energía cinética, se deslizan hacia abajo dentro del cono y se recogen. La fracción restante que no alcanza a llegar hasta la pared no se separa del aire y sale por la parte superior del ciclón. Los factores que influyen en qué fracción de partículas chocarán con la pared es la aceleración centrífuga que adquieren las partículas, la distancia desde el centro de la órbita hasta la pared del separador, la masa de partículas y el tiempo medio de residencia de ellas en el separador. (PERRY, 1986.)
Figura 1. Ciclón Tomada de (Sanchez,
Figura 2. Funcionamiento de un ciclón Tomada de (ALLEY, 2001)
CICLONES
2017)
Funcionamiento El aire cargado con las partículas ingresa tangencialmente al separador ciclónico a través de un ducto de altura AlDu, y ancho AnDu, como se puede apreciar en la Figura2. Una vez dentro del separador, gracias a la velocidad tangencial y la curvatura del cilindro, la fuerza centrífuga desarrollada
En la siguiente imagen se puede observar el movimiento de las partículas mayores hacía las paredes del ciclón debido a la fuerza centrífuga.
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Figura 3. Mecanismo de colección de partículas de un ciclón Tomada de
(ECHEVERRY, 2006) El factor de separación se define como el cociente de la fuerza centrífuga (Fc) con respecto a la fuerza de la gravedad (Fg), además depende de factores como el radio (r), la masa de la partícula (m), la velocidad tangencial (utan) y la gravedad (g), se puede calcular por medio de la siguiente fórmula:
Un ciclón de gran diámetro tiene un factor de separación mucho menor para la misma velocidad que un ciclón de menor diámetro. Adicionalmente no se puede utilizar a velocidad superiores a 15-20m/s debido a que se genera una alta caída de presión y un aumento de la abrasión. Por lo tanto, para tratar grandes flujos de gas es recomendable acoplar varios ciclones de diámetro pequeño en una sola cámara de conducciones comunes para alimentación y las salidas. Se define un diámetro de corte (cut diameter) como aquel diámetro para el que el 50% de las partículas precipitan, y el 50% restante es retenido por el aire que sale por la parte superior del separador.
Las partículas sólidas o de polvo que entran en el ciclón son aceleradas radialmente, pero la fuerza que actúa sobre una partícula no es constante debido a la variación del radio (r) y también a que la velocidad tangencial en el vórtice varía con (r) y con la distancia por debajo de la entrada. Por esta razón el cálculo de las trayectorias de las partículas es difícil por lo que la eficacia de un ciclón se predice ordinariamente a partir de correlaciones empíricas. A continuación, se muestra una imagen con los efectos del tamaño de las partículas y del diámetro del ciclón sobre la eficiencia. Los tres ciclones que aparecen allí son de proporciones similares, con diámetros alrededor de 14, 31 y 70 pulgadas. Además, es importante mencionar que la menor eficiencia de los ciclones más grandes es principalmente consecuencia de la disminución de la fuerza centrífuga, así como para determinada velocidad de flujo de aire y velocidad de entrada, pequeños aumentos en el diámetro del ciclón mejoran la eficiencia de separación, debido a que el aumento de superficie compensa la disminución de la fuerza centrífuga. También es importante que la eficiencia global es función de la distribución de tamaños de partículas y no se puede predecir a partir del tamaño medio.
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Tabla 1. Intervalo de eficiencia de remoción para las diferentes familias de ciclones. Tomada de (MCCABE)
Figura 4. Eficacia de separación de ciclones típicos. Tomada de (MCCABE)
La eficiencia de separación de un ciclón aumenta con la densidad de las partículas y disminuye al aumentar la temperatura del gas debido al aumento de la viscosidad del gas. 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.
En la tabla 1 puede observarse los diferentes porcentajes de eficiencia de las tres familias de ciclones, encontrándose que todos los ciclones tienen mayor eficiencia en PST, y los ciclones de alta eficiencia y alta capacidad tienen un mayor porcentaje de remoción que los ciclones convencionales Los ciclones de alta eficiencia están diseñados para alcanzar mayor remoción de las partículas pequeñas que los ciclones convencionales. Los ciclones de alta eficiencia pueden remover partículas de 5 µm con eficiencias hasta del 90%, pudiendo alcanzar mayores eficiencias con partículas más grandes. Los ciclones de alta eficiencia tienen mayores caídas de presión, lo cual requiere de mayores costos de energía para mover el gas sucio a través del ciclón. Por lo general, el diseño del ciclón está determinado por una limitación especificada de caída de presión, en lugar de cumplir con alguna eficiencia de control especificada La eficiencia total se calcula realizando la sumatoria del producto de las eficiencias fraccionales por la masa fraccional, como se indica a continuación:
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Donde: nT: Eficiencia total ni: Eficiencia fraccional mi: Porcentaje másico %
Tipos de Ciclones
Tabla 3. Características de los ciclones convencionales. Tomada de
(ECHEVERRY, 2006) En la Tabla 3 se puede observar que existen cuatro tipos de ciclones convencionales (Lappe, Swift, PetersonWhiby, y Zen) con sus respectivas dimensiones.
Los ciclones se pueden dividir por familias como anteriormente se había mencionado, en las tablas 2,3,4 se presentan un resumen de las características de las principales familias de ciclones de entrada tangencial, así como las dimensiones indicadas en la tabla 4. Tabla 4. Características de los ciclones de alta capacidad. Tomada de
(ECHEVERRY, 2006) En la Tabla 4 se puede observar que existen dos tipos de ciclones de alta capacidad (Stairmand y Swift) con sus respectivas dimensiones. Tabla 2. Características de los ciclones de alta eficiencia. Tomada de
(ECHEVERRY, 2006) En la Tabla 2 se puede observar que existen tres tipos de ciclones de alta eficiencia (Stairmand, Swift y Echeverri), con sus respectivas dimensiones dadas principalmente en diámetros y alturas.
Aplicaciones Son utilizados por las empresas cuyo proceso de producción genera polvo de cualquier tipo, pero con tamaño de grano grueso y de alta concentración, tales como el trabajo de la madera (para la purificación del aire del polvo y del serrín), de los metales, de la goma, del plástico, mezclado, pesaje y embalaje de materiales polvorientos, chorreado de arena, esmerilado, cortes de diversos tipos, fusión de materiales metálicos y la combustión de materiales sólidos, operaciones mecánicas, refinerías, cementeras, entre otros.
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Los separadores centrífugos de polvo también se utilizan en circuito con los molinos de finos, haciendo circular por el molino una corriente de aire que extrae el polvo, cuya presencia disminuye los rendimientos de la molienda. El aire cargado se pasa por el separador, el cual da una fracción gruesa, que vuelve al molino, y una fracción fina que se aprovecha directamente. (PlastoQuímica, 2017)
Desventajas
Ventajas
Alta eficiencia en partículas gruesas, reducción incluso de partículas finas, aunque con baja eficiencia. Simplicidad en la recuperación del polvo. Necesidad de espacios limitados para la implementación del sistema. Bajos costos de implementación y uso. Posibilidad de trabajar a cualquier temperatura. Posibilidad de trabajar con humos húmedos. Buena flexibilidad operativa Bajos costos de capital. Falta de partes móviles, por lo tanto, pocos requerimientos de mantenimiento y bajos costos de operación. Caída de presión relativamente baja, comparada con la cantidad de partículas removidas. Las limitaciones de temperatura y presión dependen únicamente de los materiales de construcción. Colección y disposición en seco. Requisitos espaciales relativamente pequeños. eficientes y costosos. (ECHEVERRY, 2006)
Su principal problema es la rigidez de su diseño y el hecho de que la eficiencia es función de las condiciones de operación. Para una eficiencia alta se requiere un tamaño grande, o una caída de presión muy alta. La baja eficiencia para granometrías finas es una desventaja importante, que rebaja este dispositivo como pretratamiento de sistemas de separación. Eficiencias de recolección de partículas suspendidas totales relativamente bajas, particularmente para partículas menores de 10 µm. No pueden manejar materiales pegajosos o aglomerantes. Las unidades de alta eficiencia pueden tener altas caídas de presión.
FLUIDIZACIÓN La fluidización es un proceso en el cual un fluido en estado gaseoso o líquido transforma sólidos finos en un estado similar al del fluido. A partir de este proceso es posible obtener excelentes resultados de contacto entre partículafluido.
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Figura 5. Clases de contacto partícula fluido en un lecho. Tomada de (Theodore,
2014) La anterior figura hace referencia a los diferentes tipos de contacto producidos al incrementarse la velocidad superficial del gas que inicia desde el lecho empaquetado con una velocidad reducida y termina con transporte neumático el cual tiene una velocidad elevada. A medida que va aumentando la velocidad del gas en el lecho empaquetado (en movimiento) la velocidad se intensifica hasta cierto punto en donde las fuerzas de arrastre que son ejercidas sobre las partículas igualan el peso de las partículas del lecho de tal forma que se termina fluidizando el lecho. Cuando se fluídiza el lecho las partículas están suspendidas en el gas y la masa fluidizada posee gran variedad de propiedades de un líquido. Cuando el fluido presenta un movimiento ascendente con una la velocidad mínima puede atravesar un lecho de partículas finas filtrándose a través de los espacios generados entre estas que tienen un estado estacionario; este fenómeno es conocido como lecho “hundido” generalmente se trata de un lecho fijo de altura Lm; al incrementarse esta velocidad se da inicio al proceso fluidización donde la velocidad superficial del fluido se denomina velocidad mínima de fluidificación vmf , y la altura del lecho es Lmf . Si la velocidad del fluido es mayor que vmf , el lecho se expande y el vacío del lecho aumenta. Cuando se presentan velocidades bajas de fluidización (velocidad del fluido > vmf ) la operación se conoce como densa aumentando el vacío del lecho (Theodore, 2014).
Grafico 1. Curva de pérdida de presión de un lecho fluidizado. Tomada de
http://www.madrimasd.org/blogs/energias alternativas/2016/12/02/133311 Es posible fluidizar partículas tan pequeñas de aproximadamente 1µm y tan grandes que se acercan a los 4 cm, el intervalo de tamaño promedio de partículas sólidas que son comúnmente fluidizadas es de 30µm o más de 2 cm. El tamaño de partícula perjudica gravemente el funcionamiento de un lecho fluidizado a diferencia de la densidad de partícula o la forma de esta. Las partículas grandes (150µm) y de mayor diámetro producen burbujas más grandes cuando se fluidizan., dichas burbujas dan lugar a un lecho fluidizado menos homogéneo que puede manifestarse en grandes fluctuaciones de presión. Las partículas pequeñas (menores de 30 mm de diámetro) tienen grandes fuerzas intermoleculares (generalmente fuerzas de Van Der Waals) produciendo que las partículas se adhieran o se aglomeren como lo hacen las partículas de harina (PERRY, 1986.)
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gas a la fluidificación mínima vmf y otras propiedades del líquido y del lecho:
También se puede expresar de la siguiente manera Grafico 1. Curva de pérdida de presión de un lecho fluidizado. Tomada de
http://www.madrimasd.org/blogs/energias alternativas/2016/12/02/133311
Regímenes de fluidización El flujo de un fluido en un medio poroso se clasifica como laminar, transitorio o de transición y turbulento. El número de Reynolds (Repm) registra los siguientes rangos: Laminar (Repm < 10 ) Transición (10 < Repm < 1000 ) Turbulento( Repm > 1000)
Dp = Diámetro de partícula ρ= Densidad ϵ = Porosidad µ= Viscosidad v = Velocidad Las fluctuaciones que presenta la porosidad (así mismo la altura del lecho) con la velocidad superficial pueden ser calculadas por medio de la ecuación de Kozeny-Carman, considerando un flujo laminar y ρf << ρs:
Para las condiciones de flujo laminar (Re pm < 10), la ecuación de Blake-Kozeny permite conocer la pérdida de carga h'f en términos de la velocidad superficial del
La ecuación de Burke-Plummer se aplica para expresar la pérdida de carga h'f para un régimen turbulento (Re pm> 1000)
Se puede obtener una ecuación general que combina los diferentes tipos de regímenes para partículas de diversas formas. Siempre y cuando se asuma que los efectos laminares y turbulentos son aditivos. Este resultado se conoce como la ecuación de Ergun:
Existen dos tipos de fluidización:
Fluidización lisa o particulada Es propia de sistemas líquido-sólido y se presenta cuando las partículas son de tamaño reducido o la diferencia entre las densidades de fluidos y sólidos es prácticamente despreciable; lo que significa que la velocidad del flujo es mínima y por lo tanto el lecho se fluidiza uniformemente, de manera que cada partícula se moviliza individualmente a través del lecho.
Fluidización agregada o por burbujeo
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Es propia de sistemas gas-sólido, y se produce cuando las partículas son de gran tamaño o las densidades entre fluidos y sólidos difieren de forma considerable de tal manera que la velocidad del flujo tendera a ser relativamente alta. En este caso, la fluidización se da de manera inestable y el fluido pasa a través del lecho en forma de grandes burbujas. Estas burbujas estallan en la superficie, rociando las partículas sólidas sobre el lecho. Este lecho tiene características de un líquido, en la fase fluida actúa como un gas que burbujea a través de él. (Theodore, 2014, p.
89) Es posible estimar la transición de burbujeo a fluidización lisa a través del número adimensional de Froude teniendo en cuenta una fluidización mínima. El número de Froude se expresa como:
vmf = velocidad mínima de fluidificación dp = el diámetro de partícula aceleración g = aceleración por gravedad
Aplicaciones Su campo de aplicación se encuentra en diversidad de procesos industriales fluido – sólido y pueden ser de naturaleza tanto química como física.
Aplicaciones a procesos físicos Abarca todos los procesos en donde tanto el sólido como el fluido no experimenten transformaciones químicas. De tal manera que solo se produzca una transferencia de masa y/o calor entre ambas fases o entre el lecho y el ambiente. Entre estos procesos se encuentran:
-Transporte de polvos Las características que presenta el lecho fluidizado facilita el transporte del material sólido pulverizado. Este sistema es ideal debido a que tiene un bajo consumo energético, no contiene partes móviles y se adapta para el transporte horizontal de partículas finas y secas, taeles como ceniza de soda, cemento, harinas, resinas, etc.
-Mezcla de polvos Usando técnicas convencionales se dificulta mezclar de manera manual diferentes tipos de materiales sólidos finamente fraccionados o divididos. No obstante, la fluidización de los sólidos permite la correcta recirculación de estos en el recipiente que los contiene dando lugar a una buena mezcla. El grado de mezcla y el tiempo necesario para uniformar el lecho depende del flujo de gas y del tipo de placa distribuidora.
-Intercambio de calor Los lechos fluidizados son ampliamente utilizados en este proceso gracias a su eficaz capacidad para transportar calor y de mantener una temperatura uniforme en el lecho. -Secado Al producirse simultáneamente una gran velocidad de transferencia de calor y masa en el lecho fluidizado, se da de manera factible el secado de grandes cantidades de sólidos granulares con tiempos de contacto relativamente pequeños; generando un producto de alta calidad y con un menor consumo energético a comparación de los secadores convencionales.
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Aplicaciones a procesos químicos Las aplicaciones químicas pueden asociarse u aglomerarse de la siguiente manera: -Procesos en los cuales interesa la conversión del fluido: El sólido se comporta como un catalizador o como fuente de calor. - Procesos en los cuales interesa la conversión del solido: Reacciones de interés metalúrgico; reducciones, tostaciones calcinaciones, etc. Procesos de conversión del fluido En este tipo de procesos el uso de un lecho fluidizado es ideal, ya que permite controlar rigurosamente la temperatura en la zona de reacción. Algunas de las reacciones catalíticas más importantes a nivel industrial son: -Reacciones de síntesis: -Oxidación controlada de olefinas y aromáticos: Producción de óxidos de propileno y etileno, oxidación parcial del naftaleno para la producción de anhídrido ftálico, acrilonitrilo, etc. -Halogenación de olefinas: producción de halogenuros de alquilo, materia prima básica para la alquilación de aromáticos. -Síntesis de hidrocarburos por la reacción de Fischer Tropsch: Producción de hidrocarburos a partir de H2 y CO a reducidas presiones.
-Reacciones de cracking reforzamiento catalítico hidrocarburos:
y de
Se producen reacciones endotérmicas y se originan depósitos de carbón sobre las superficies sólidas con el rompimiento de hidrocarburos en moléculas de menor peso molecular (reacciones de cracking) o su síntesis en moléculas de mayor peso
molecular (reforzamiento catalítico). Generalmente se aplica en la industria de la refinación del petróleo.
Procesos que interesan el sólido En este tipo de proceso es necesario una gran velocidad de transferencia de calor y masa entre el fluido y el sólido. En la industria metalúrgica se encuentra en diversidad de aplicaciones, algunas de estas son:
-Tostación de sulfuros: Esta operación es altamente exotérmica y usualmente se da en reactores de una etapa por lo cual no requiere de calor externo, este está provisto de un sistema de refrigeración. Se destaca en la tostación de piritas y de concentrados de minerales sulfurados como Cu, Zn y Mo. -Reducción de óxidos metálicos: El lecho fluidizado se aplica principalmente en la reducción de óxidos de fierro. (Solar, 5 de julio de 2017)
Ventajas
El comportamiento de fluido permite operaciones continuas, controladas de manera automática y con gran facilidad de manejo. Al mezclar de manera rápida el sólido produce que las condiciones de operación se den con gradientes de temperatura casi nulos dentro del lecho, de tal manera que la operación puede ser controlada de forma sencilla. El tráfico de sólidos entre dos lechos fluidizados facilita el
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trasporte de grandes cantidad de calor. Aplicable a operaciones en gran escala. Al comparar con otros métodos de contacto es posible observar que las velocidades de transferencia de masa y calor entre el fluido partícula son considerablemente grandes. Se considera que la velocidad de transferencia de calor entre un lecho fluidizado y un objeto sumergido en él, así como con las paredes del lecho, es elevada
Desventajas
Al requerirse una alta conversión de fluido se considera ineficaz la gran desviación del fluido al escurrimiento del pistón, así como el paso del sólido por las burbujas representando un sistema poco provechoso en el contacto fluidosólido. Se presenta una distribución tiempos de residencia no uniforme debido a la rápida mezcla de sólidos en el lecho. Para una operación de forma continua las partículas presentan diferentes grados de conversión con eficiencia global baja (trabajando con equipos de una sola etapa). Los sólidos que se desintegran con facilidad son destruidos rápidamente y finalmente arrastrados por el fluido fuera del lecho. La abrasión producida por las partículas en las cañerías, accesorios y equipos puede ser llegar a ser crítica. En operaciones donde se trabaje a altas temperaturas y no sean de
tipo catalítico, la aglomeración y la sinterización de las partículas finas demanda reducir la temperatura de operación, disminuyendo así la velocidad de reacción (Solar, 5 de julio de 2017)
Bibliografía ALLEY, R. &. (2001). Manual de control de la calidad del aire. México.: Mc Graw-Hill. ECHEVERRY, C. A. (2006). Diseño Óptimo de Ciclones. Universidad de Medellín.Vol.5 no.9. . MCCABE, W. (s.f.). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química.
Mc Graw Hill. PERRY, R. &. (1986.). Manual del Ingeniero Químico. vol. 5, .
México, D. F.: McGraw-Hill. PlastoQuímica. (5 de Julio de 2017). PlastoQuímica. Obtenido de http://www.plastoquimica.com/pr oductos/ficha/ciclones-altorendimiento/14 Sanchez, D. (5 de Julio de 2017). Bioseparaciones. Obtenido de http://bioprocbsep.blogspot.com.c o/2014/09/centrifugacion.html Solar, M. (5 de julio de 2017). Remetallica. Obtenido de http://metalurgia.usach.cl/sites/me talurgica/files/paginas/12_ _fluidizacion_ _aplicaciones_industriales_ _marco_solar.pdf Theodore, L. (2014). Chemical Engineering: The Essential Reference.
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