HIDROCICLONES Y SUS ASPECTOS MAS RELEVANTES; TONELADAS LARGAS Y CORTAS, DIFERENCIAS Y EQUIVALENCIAS HYDROCYCLONES AND THEIR MOST RELEVANT ASPECTS; LONG AND SHORT TONS, DIFFERENCES AND EQUIVALENTS RODRIGO RICARDO Estudiante de Ingeniería Ingeniería de Alimentos, Alimentos, Universidad de Córdoba, Córdoba, Sede Berástegui, rfrc_1990@hot
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JULIO GARCIA Estudiante de Ingeniería Ingeniería de Alimentos, Alimentos, Universidad de Córdoba, Córdoba, Sede Berástegui, garcia_2004@hot
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ALVARO PADILLA Estudiante de Ingeniería Ingeniería de Alimentos, Alimentos, Universidad de Córdoba, Córdoba, Sede Berástegui, Berástegui,
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CARLOS SUAREZ Estudiante de Ingeniería Ingeniería de Alimentos, Alimentos, Universidad de Córdoba, Córdoba, Sede Berástegui,
[email protected] [email protected]
RUTBELL LEON Estudiante de Ingeniería Ingeniería de Alimentos, Alimentos, Universidad de Córdoba, Córdoba, Sede Berástegui, rutbell_leon@h
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RESUMEN: En este artículo se expone una investigación que se realizó acerca de hidrociclones. Esta investigación abarcó los aspectos más importantes de dichos equipos tales como su funcionamiento, ventajas y desventajas de su uso, clasificación, diseño y características. Se pudo constatar en la revisión bibliográfica que son muy útiles en algunos casos que fueron mencionados tales como la decantación de arena y otros contaminantes contaminantes sólidos suspendidos en el agua que se destina al uso de las actividades agrícolas, industriales, e incluso al uso doméstico, el tratamiento de aguas provenientes de pozos y la protección de válvulas y bombas en un sistema. En este artículo también se detallan las diferencias entre toneladas largas y toneladas cortas, su origen y equivalencias. PALABRAS CLAVE: hidrociclón, decantación de arena, tonelada larga, tonelada corta. ABSTRACT: In this paper is reported a research that was performed about hydrocyclones. This research covered the most important aspects of such equipment such as operation, advantages and disadvantages of their use, classification, design and features. It was found in the literature review are very useful in some cases that were mentioned such as the settling of sand and other solid contaminants suspended in the water that is intended for use by the agricultural, industrial and even domestic use, the treatment of water from wells and protection of valves and pumps in a system. This paper also details the differences between long tons and short tons, its origin and equivalents. KEY WORDS: hydrocyclone, decantation of sand, long ton, short ton.
INTRODUCCION
En ocasiones, los procesos de separación sólido-líquido recobran importancia en
algunas industrias. Esta separación se puede hacer de varias formas; una de ellas es a través del uso de hidrociclones.
En este trabajo se pretende hacer una investigación de los aspectos más importantes de los hidrociclones, debida a la importancia que tienen en separaciones sólido-líquido como ya se dijo. Por otra parte se hará una diferenciación entre tonelada larga y corta, se investigará de donde salen y a qué hacen referencia. HIDROCICLONES
Los hidrociclones son equipos ampliamente utilizados para la separación, concentración y la clasificación de partículas en muy distintas ramas de la ingeniería, estando integrados en las instalaciones industriales. [1] Si se entiende como un ciclón, que es un aparato diseñado para separar la parte sólida de la fluida en mezclas bifásicas donde una de las fases está formada por partículas sólidas, un hidrociclón no es más que un ciclón donde la fase fluida es un líquido. [2]
caída de presión y la máxima concentración de sólidos a la que operan. Por ejemplo para el rango de diámetro encontramos hidrociclones de 10 mm hasta 2,5 m de diámetro; en el rango de corte los hidrociclones pueden separar partículas suspendidas de tamaños de 2 a 200 micras; tienen capacidades que oscilan entre 0,1 y 7200 m3 /h. Por otro lado la caída de presión está alrededor de 0,34 a 6 bar y la máxima concentración de sólidos a la que operan de manera satisfactoria es del 50%. [3] PARTES DE UN HIDROCICLON
Un hidrociclón está compuesto por una cámara de alimentación en la parte superior, una cámara cilíndrica donde se desarrolla el vórtice y un fondo cónico donde se produce la separación. Posee adicionalmente dos salidas concéntricas a la cámara cilíndrica, una superior por donde se evacua el material de menor densidad y otra inferior por donde se evacua el material más denso. La alimentación puede ser tangencial o envolvente siendo ésta última la que ofrece un flujo más desarrollado y produce menor desgaste por fricción. [4] En las figuras 2 y 3 se observa las partes de un hidrociclón y las formas de alimentación de éstos respectivamente.
Figura 1. Diagrama esquemático de un hidrociclón. Figure 1. Schematic diagram of a hydrocyclone.
CARACTERISTICAS TIPICAS DE LOS HIDROCICLONES
Los hidrociclones presentan ciertas características que se pueden denominar como características típicas. Entre estas características están el rango de diámetros, el rango de corte, el rango de capacidad, la
Figura 2. Partes de un hidrociclón. Figure 2. Parts of a hydrocyclone.
Dentro de las aplicaciones hidrociclones encontramos:
Figura 3. Tipos de alimentación para un hidrociclón. Figure 3. Ways of feeding a hydrocyclone.
DIMENSIONES CARACTERISTICAS DE UN HIDROCICLON
Las dimensiones características de un hidrociclón pueden observarse en la figura 4. Estas son el diámetro interno (Dc), el diámetro de alimentación (Df), diámetro de zona de vórtices (Do), diámetro de corte (Di) ángulo (), la longitud de la parte cilíndrica (Lc) y la longitud total (Lt).
de
los
Decantación de arena y otros contaminantes sólidos suspendidos en el agua que se destina al uso de las actividades agrícolas, industriales, e incluso al uso doméstico. Para proteger bombas, válvulas y sistemas de control, de los desgastes que pueden ser causados por los sólidos. Esto es una consecuencia de la utilización de un hidrociclón para decantar el agua posteriormente al proceso de bombeo. Es recomendable el uso de hidrociclones en las aguas procedentes de pozos. Separación de sólidos en suspensión en aguas provenientes de pozos petroleros.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE HIDROCICLONES [3] VENTAJAS
El uso de hidrociclones presenta varias ventajas, mencionaremos las más importantes.
Figura 4. Dimensiones características de un hidrociclón. Figure 4. Characteristic dimensions of a hydrocyclone.
USOS DE LOS HIDROCICLONES
Los hidrociclones han sido usados en una gran variedad de procesos por más de cien años. Idealmente se prestan a numerosas aplicaciones, permitiendo superar varias limitaciones técnicas y económicas convencionales. [5]
Versatilidad: Se pueden utilizar en procesos donde se requiera clarificar, clasificar, concentrar, y también en procesos donde se requiere separar gases de líquidos. Son dispositivos de fácil construcción, instalación y mantenimiento. Son unidades pequeñas, lo que permite ahorrar espacio. Esfuerzos cortantes altos, lo que evita la aglomeración.
DESVENTAJAS
Entre las desventajas de los hidrociclones encontramos las siguientes:
Son inflexibles, lo que significa que son rígidos en construcción y permiten poca posibilidad de variaciones en el diseño. La capacidad y la eficiencia se relacionan de manera inversa, es decir, se logra aumentar una en detrimento de la otra. A altas concentraciones, el hecho de que presenten esfuerzos cortantes altos se convierte en una desventaja, ya que existe la imposibilidad de usar floculantes.
Existen varios factores que influyen en el funcionamiento de un hidrociclón, dentro de ellos se pueden destacar el caudal y la caída de presión, la densidad y la viscosidad del líquido, densidad, tamaño y forma de las partículas y la concentración de los sólidos. [4] TIPOS DE HIDROCICLONES [6]
Se puede decir que los hidrociclones se pueden clasificar en dos grandes grupos según su geometría. Hidrociclones cónicos, hidrociclones.
FUNCIONAMIENTO DE UN HIDROCICLON
Se introduce la mezcla del sólido y el fluido de forma tangencial o axial en la parte superior del recipiente cilíndrico. La mezcla baja rotando por el ciclón. Debido a la fuerza centrífuga, la fase sólida es lanzada hacia las paredes exteriores del hidrociclón, desciende y es recogida en la parte inferior, que frecuentemente acaba en un cono. La fase fluida, una vez en el fondo, asciende rotando y es recogida mediante una tubería situada en el centro del ciclón. En el centro del ciclón se produce un fuerte vórtice y la baja presión impulsa la fase fluida hacia arriba. [2]
HIDROCICLONES CONICOS
Son denominados también hidrociclones convencionales. Este grupo de ciclones puede subclasificarse de acuerdo al ángulo de su parte cónica.
Hidrociclones de cono pronunciado o convencionales
Este grupo recogería los hidrociclones con ángulo menor de 20º, caracterizados por un cuerpo relativamente largo debido a su conicidad. Este tipo de diseño se acompaña con partes cilíndricas de gran longitud (mayor que una vez el diámetro), y toberas de alimentación y rebose de pequeñas dimensiones, para aumentar el tiempo de residencia. Esto, debido a la gran altura libre de vórtice, (distancia entre el borde inferior de la tobera de rebose y el vértice de la parte cónica), y su influencia inversamente proporcional al tamaño de corte, los hace los más adecuados para clasificaciones finas, como se requiere en operaciones de clarificación y espesado.
Figura 5. Funcionamiento de un hidrociclón. Figure 5. Operation of a hydrocyclone
Este tipo de hidrociclones suelen trabajar a condiciones de presión entre 1,5 y 4 bar, obteniendo tamaños de corte entre 2 y 30 micras. Los diámetros para estos
hidrociclones pueden ser de hasta 250 mm. En la figura 5 se pueden observar hidrociclones de cono pronunciado funcionando en un circuito.
Figura 7. Hidrociclón de cono tendido operando en un sistema de lavado de arena. Figure 7. Tended cone hydrocyclone operating in a washing sand system. Figura 6. Hidrociclones de cono pronunciado trabajando en un circuito de lavado en contracorriente. Figure 6. Pronounced cone hydrocyclones operating in a countercurrent washing circuit.
Hidrociclones de cono tendido
Los hidrociclones de cono tendido o ancho, mayor de 20º, son usados principalmente para clasificar tanto por tamaño como por densidad (clasificación selectiva). El ángulo de su parte cónica varía entre 20º y 45º, aunque excepcionalmente pueden encontrarse hidrociclones de hasta 160º. Se construyen en diámetros comprendidos entre 250 mm y 1250 mm, aunque algunos fabricantes construyen modelos de hasta 2000 mm. Los hidrociclones de cono tendido suelen operar a condiciones de presión entre 0,3 y 1 bar, pudiendo alcanzar cortes entre 30 y 150 micras. En la figura 7 se puede observar una fotografía de este tipo de hidrociclones.
HIDROCICLONES CILINDRICOS
Estos podrían clasificarse como hidrociclones de cono tendido, pero existen dos razones fundamentales por las cuales merecen un trato especial. La primera es que debido a su forma no se aprecia nada más que su cuerpo cilíndrico por su ángulo de 180º. La segunda es que su campo de aplicación difiere notablemente de los hidrociclones de cono tendido. Se pueden subclasificar en dos grupos; el primero se refiere a los hidrociclones cilíndricos con descarga periférica, el segundo grupo, a los hidrociclones cilíndricos con descarga central o de fondo plano.
Hidrociclones cilíndricos descarga periférica
con
Consisten, básicamente en un ciclón convencional del cual se ha eliminado su zona cónica, remplazándola por una parte cilíndrica de similar longitud. El fondo del ciclón es plano y la extracción del producto grueso se realiza tangencialmente por la zona baja de la pared cilíndrica.
En este tipo de ciclones la eficiencia de separación es reducida debido a que este diseño provoca una descarga muy diluida (partículas finas en suspensión en el líquido acompañando la descarga). Para aumentar la eficiencia de separación, la empresa LAROX diseñó un sistema donde se conecta un hidrociclón cilíndrico de descarga periférica con un hidrociclón cónico. Ellos llamaron a este sistema Twin Vortex Cyclone. En la figura 8 se puede observar este sistema mencionado.
Figura 9. Hidrociclón cilíndrico con descarga central o de fondo plano. Figure 9. Cilindric hydrocyclone with central discharge or background plane.
OTROS HIDROCICLONES
Figura 8. Sistema Twin Vortex Cyclone diseñado por la empresa LAROX. Figure 8. Twin Vortex Cyclone system designed for LAROX.
Este tipo de sistemas presenta ventajas operativas en procesos de tratamiento de minerales industriales, donde se opera normalmente a bajas concentraciones de sólidos.
Hidrociclones cilíndricos con descarga central o de fondo plano
Difieren a los anteriores en el tipo de descarga, esta se hace de modo convencional, a través de un orificio en el fondo. En la figura 9 se observa un hidrociclón de este tipo.
En este grupo mencionaremos un tipo de hidrociclón denominado hidrociclón aireado. El ciclón aireado consiste en un hidrociclón cilíndrico cuyo cuerpo está construido en un material cerámico poroso. En su funcionamiento, a alta velocidad se crea un vacío en la pared, provocando la entrada desde el exterior, de pequeñas burbujas de aire menores a 0,5 mm, a través de la pared porosa. Las partículas hidrófobas son transportadas en una fase espumosa por la corriente central ascendente, saliendo a través de la tobera de rebose (vortex) mientras que las hidrófilas, transportadas por la corriente descendente, son descargadas a través de la boquilla. Este tipo de hidrociclones ha demostrado ser eficiente en los procesos de flotación para recuperación de metales y lavado de carbón. En la figura 10 se observa un esquema del funcionamiento de un hidrociclón aireado.
Tabla 1. Proporciones geométricas para los diseños de hidrociclones. Table 1. Geometric proportions for the designs of hydrocyclones.
Tipo de diseño Rietema (Dc=0,075m) Bradley (Dc=0.038m) Mozley (Dc=0.021m) Mozley (Dc=0.044) Mozley (Dc=0.044) Warman 3” R
(Dc=0.076m) RW2515 (AKW) (Dc=0.125m) Figura 10. Representación esquemática de un hidrociclón aireado. Figure 10. Schematic representation of a hydrocyclone aerated.
DISEÑOS DE HIDROCICLONES
Para el diseño de hidrociclones se utiliza una geometría estándar, donde cada parámetro depende del valor del diámetro interno Dc. El diseño de mejor eficiencia de separación es el conocido como “Hidrociclón de Rietema” . [3] Existen también otros diseños de hidrociclones conocidos como: diseño Bradley, ciclón Mozley (que tiene tres variantes), el Warman 3” R y el RW2515
(AKW); aunque como se mencionó anteriormente, se considera que el diseño que brinda una separación optima es el diseño Rietema. En la tabla 1 se puede observar los parámetros para cada uno de los diseños, dependiendo del diámetro interno, que tiene un valor específico también para cada tipo de diseño. En dicha tabla se observa que el diseño de Mozley tiene tres variantes, en uno de estos el diámetro interior tiene un valor de 0,021 m, y en los otros dos es igual (0,044 m).
Proporciones Geométricas Da
Do
Lc
Lt
0.28Dc
0.34Dc
0.4Dc
5Dc
20
0.133Dc
0.2Dc
0.33Dc
6.85Dc
9
0.154Dc
0.214Dc
0.57Dc
7.43Dc
6
0.16Dc
0.25Dc
0.57Dc
7.71Dc
6
0.197Dc
0.32Dc
0.57Dc
7.71Dc
6
0.29Dc
0.2Dc
0.31Dc
4Dc
15
0.2Dc
0.32Dc
0.8Dc
8.24Dc
15
TONELADA INGLESA (TONELADA LARGA) Y TONELADA CORTA
La tonelada larga es una unidad de masa que corresponde a 2240 libras, es decir 1016.0469088 Kilogramos; mientras que la tonelada corta corresponde a 2000 libras, lo que equivale a decir 907.18474 Kilogramos. Ambos términos (tonelada larga y tonelada corta), son equivalentes a 20 quintales. Siendo esto así, cualquiera podría pensar que deberían ser iguales. [7] Pues bien, el término de tonelada corta es el que se usa en los Estados Unidos, debido a que este país es el único que a nivel industrial no ha adoptado el sistema internacional de medidas; por otra parte el término de tonelada larga es de origen inglés. La diferencia radica en que para las americanos un quintal contiene 100 libras, mientras que para los ingleses un quintal equivale a 112 libras. Si una tonelada larga son 20 quintales ingleses, esto equivaldría a decir que una tonelada larga equivale a 2240 libras. Por su parte, si 1 tonelada corta son 20 quintales americanos, se puede decir que una tonelada corta equivale a 2000 libras.
EQUIVALENCIAS
En la tabla 2 se pueden observar las equivalencias tanto para toneladas cortas como para toneladas largas. Tabla 2. Equivalencias para toneladas largas y cortas. Table 2. Equivalences for long and short tons.
Unidades Libras Kilogramos Onzas Ton Métricas
Ton. Lar a 2240 1016.0469088 35840 1.016047
Ton. Corta 2000 907.18474 32000 0.9071847
CONCLUSIONES
El uso de hidrociclones tiene varias aplicaciones, entre esas la decantación de arenas y residuos sólidos suspendidos en el agua. También son muy útiles en el tratamiento de lodos. Los hidrociclones pueden ser clasificados según su geometría en cónicos y circulares, y estos a su vez subdivididos en otros que se mencionaron en este trabajo. Existen también otros tipos de ciclones, aquí se mencionaron los hidrociclones aireados. Para el diseño de hidrociclones el factor más importante es el diámetro interno, ya que las demás dimensiones se pueden calcular en función de él. El diseño que permite una separación óptima es el hidrociclón de Rietema. Los términos de tonelada larga y corta difieren debido a las equivalencias que tienen un quintal para los ingleses y los americanos. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
[1] Cancho, A., León, E. y Sucial, P. Manejo de sólidos: Construcción y pruebas de un hidrociclón. Revista Ingeniería Química, N° 445, España, 2007. pp. 92-104. [2] Hauke, G. y Blasco J. Separación de partículas mediante hidrociclón. Centro Politécnico Superior, Área de Mecánica de
fluidos, Universidad de Zaragoza. Zaragoza, España, 2011. [3] Ortega, E. Modelo para uso de hidrociclones en separaciones de suspensiones no newtonianas. Universidad Autónoma de Chihuahua, Facultad de Ciencias Químicas. México, 2010. [4] Etallo, J. y Barraza, J. Correlaciones matemáticas para la obtención de rendimiento de producción, remoción de cenizas y partición de agua usando un hidrociclón solo agua. Dyna rev.fac.nac.minas. 2009, vol.76, n.157, pp. 181-193 . [5] Medina, J. y Miranda, G. Diseño de una unidad de filtración de agua de formación de pozos petroleros. Tesis para optar al título de Ingeniero Mecánico, Escuela de Ingeniería, Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador, 2007. [6] Bouso, J. Nuevos tipos de hidrociclones. Eral, Equipos y Procesos S.A. 1990. [7] National Institute of Standards and Technology. Specifications, tolerances, and other technical requirements for weighing and measuring devices. NIST Handbook 44, 2012.
