Ciclones 1.- Descripcin. Losciclonessonequiposmecnicosestacionarios,ampliamenteutilizadosenla industria,quepermitenlaseparacindepartculasdeunslidoodeunlquidoquese encuentransuspendidosenungasportador,mediantelafuerzacentrfuga.Entanto,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 delascondicionesdeoperacin,porlocualsonpocoflexiblesaloscambiosde concentracin de polvos, caudal de gas y distribucin de tamaos de partculas.Elprincipiodefuncionamientodeunciclnsebasaenlaseparacindelas partculasmediantelafuerzacentrfuga(delordendecientosdeg),loquelohacemas efectivoquelascmarasdesedimentacin,ademsocupanunespaciomuchomenorque 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).Ladescargadelosslidospuedeserperifrica(figuras.1.by1.d)oaxial(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,soloqueenlaentradadelgas(entradaanular)tienendispuestosunoslabes 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 capacidadLos 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.Enlosciclonesconentradatangencialydescargaperifrica,elgassufreun retrocesoenelinteriordelequipoaligualqueocurreenunciclnconvencional.Sin embargo,presentaelinconvenientedequeelpolvonoeseliminadoensutotalidaddela 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 directoqueesmuyadecuadoparaconectarlosafuentesdegranvolumen,dondelos cambios en la direccin del gas podran ser un inconveniente. Elprincipiodefuncionamientotantodelosciclonesaxialescomolostangenciales es el mismo.Losmsusadossonlosciclonesdeentradadegastangencialysalidadelslido axial, por lo cual nos limitaremos al estudio de estos.Enlafigura2sepresentaunciclnconvencionalostandard.Laslongitudes 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.Elbarrilcumplelafuncindeimprimiralgasunmovimientoenespiral descendente.Conectadoalbarrilhayunconoinvertidoquecumplelafuncindeconducirel 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. Losciclonespuedenoperaraaltastemperaturas.Latemperaturamximadepende delmaterialdeconstruccindelcicln.Paraciclonesconstruidosenaceroalcarbonola 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. Encambiosisetratadeunciclnesexternoqueprocesagassucioaaltapresin,tendr unapresininternamuchomayorquelaexterna,locualdebertenerseencuentaenel 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 enespiral descendente. El cambio de direccin genera un campo centrfugo equivalente a cientos de veces el campo gravitacional terrestre.(cientosdeg).Laspartculastransportadasporelgasdebidoasuinercia,se muevenalejndosedelcentroderotacinoejedelcicln,poraccindelaslneasde fuerzadelcampocentrfugo,alcanzandolasparedesinternasdelbarrildelcicln,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 llegaralabasedelcono,invierteelflujo,siguiendounaespiralascendenteyalibre prcticamente de partculas (gas limpio). El movimiento del gas en el interior del cicln consisteenunatrayectoriadedoblehlice.Inicialmenterealizaunaespiralhaciaabajo, acercndosegradualmentealapartecentraldelseparador,yacontinuacinseelevaylo abandona a travs de una salida central situada en la parte superior. Esta doble espiral es la quesedenominaflujociclnico.Laspartculasmsgrandesymsdensassonforzadas 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: Enlazonaprximaalaentradadelgasyenaquellamsexteriordelcilindro predominalavelocidadtangencial,lavelocidadradialescentrpetaylaaxialdesentido descendente. La presin es relativamente alta. Enlazonamsinteriordelcilindro,correspondientealncleodelciclnyconun dimetroaproximadamenteiguala0,4veceseldelconductodesalidadelgas,elflujoes altamenteturbulentoylapresinbaja.Sedaelpredominiodelavelocidadaxialcon sentido ascendente. Estas dos zonas se encuentran separadas por el llamado cilindro ideal de Stairmand.

Portanto,cualquierpartculaseencuentrasometidaadosfuerzasopuestasenla direccinradial,lafuerzacentrfugayladerozamiento.Ambasfuerzassonfuncindel radioderotacinydeltamaodelapartcula,porestaraznlaspartculasdetamaos 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.Silapartculasigueunatrayectoria cuya rbita se encuentra dentro del cilindro de Stairmand y con una componente axial ascendente, la partcula abandonar el cicln sin ser retenida.Siencasocontrariolarbitaesexterioraestedimetro0,4De,entoncesla componenteaxialserdescendenteylapartculaacabardepositndoseenelfondodel cicln. Luegodelingresoelgssconlaspartculassuspendidasformaunaespiral 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 delcuerpocilndricodelcicln.Lafuerzacentrfugadesarrolladaenelvrticetiendea desplazarradialmentelaspartculashaciala pared,deformaqueaquellasquealcanzanla pared deslizan hacia abajo dentro del cono y se recogen. El gas al llegar al cono invierte su direccininiciandosucarreraascendenteenformadeespiralalrededordelejedelcicln hasta alcanzar el tubo de salida de gas limpio, en la parte superior del cicln. Elciclnesentoncesesencialmente 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 sehabavistoporejemploenlascmarasdesedimentacin.Losciclonespuedenseparar 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 eldiseodelciclnsebasageneralmenteenlaexperiencia,esdeciresdenaturaleza emprica. Laeficienciadeunciclnesdemuchaimportancia.Relacionalacantidadde slidosdescargadosporlapiernadelcicln,respectoalosalimentados.Tambines importante la prdida de carga del cicln. La prdida de carga es la suma de varios factores.Losciclonespuedensersometidosaaltastemperaturas,dependiendodelmaterial deconstruccin.Siesaceroalcarbonooaceroinoxidable,puedeoperarsehasta temperaturas de 800 C Laaceleracincentrfugaenlosciclonesesdirectamenteproporcionalalcuadrado de la velocidad de entrada del cicln inversamente proporcional al radio del cicln. 2iccvar= dnde ac es la aceleracin centrfuga, vi velocidad de entrada del cicln y rc es el radio del cicln. Cuandonoesposibleaumentarmslavelocidaddelgas,convienedisminuirel 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:anchodelcanalrectangulardeentradadelgassucio(anchodelabocadeentradaal cicln). Cualquierpartculaseencuentrasometidaadosfuerzasopuestasenladireccin radial,lafuerzacentrfugayladerozamiento.Ambasfuerzassonfuncindelradiode 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)LaespiralrgidasedesplazaconunavelocidadtangencialVTigualalavelocidad de entrada al cicln 3)Elanchodelaespiralrgidadescendenteesigualalanchodelcanaldeentradaal cicln Lw 4)Las partculas de polvo se desplazan a la misma velocidad que el gas VT 5)Poraccindelcampocentrfugolaspartculasdepolvosealejandelcentrode rotacin siguiendo la direccin radial durante su trayectoria descendente. 6)Eldesplazamientodelaspartculashacialapareddelciclnserealizaauna velocidaddefinidaporlaleydeStokesparaelcampocentrfugoyseloconoce 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)Seconsideraqueunapartculasehaseparadocuandoalcanzalaparedinteriordel barril del cicln. 8)Paraquelapartculaalcancelaparedinteriordelbarrildelciclneltiempoque tarda debe ser menor que el que tarda en recorrer la espiral descendente. 9)Sesuponequelaaceleracincentrfugaesconstanteynocambiaconelradiodel 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: Tcvwr= La aceleracin centrfuga es: 2Tccvar= = La velocidad de deriva VR Segn Stokes ( ) ( )2 2 218 18s p T s pR ccd v dv ar = = El tiempo para alcanzar la pared interna del cicln ( )2 218w w cRR T s pL L rv v du = = La distancia recorrida por la partcula a lo largo de la espiral L 2c sL r N t = dnde Ns es el nmero de espirales que recorre. El tiempo necesario para recorrer la espiral es: *2c sRT Tr N Lv vtu= = La condicin necesaria para que la partcula se separe es: *R Ru u > ( )2 22 18c s w cT T s pr N L rv v dt = ( )min2182w c Tpc s T sL r vdr N vt = ( )min9wps T sLdN vt = ElnmerodeNsespiraspuedeobtenersedeungrficoenfuncindelavelocidad de entrada al cicln o adoptarse un valor de 5.Laspartculascondimetroigualomayorquedpminseseparanconun100%de eficiencia.Laspartculascondimetromenorquedpminsesepararnconunaeficiencia menor. Dimetro de corte: dimetro de partcula que se separa con un 50 % de eficiencia ( )92cortewps T sLdN vt = De un grfico puede calcularse la eficiencia de separacin de las distintas fracciones de partculas, en funcin del dimetro de partcula / dimetro de corte: 221pipcorteipipcorteddddq| | |\ .=| ||\ . El grfico responde a esa ecuacin. i = eficiencia fraccional de las partculas de tamao dpi la eficiencia global ser: global i iw q q = 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 A = donde : 2 24 2/ 22c cc cHecD DB HN K K KDD= = =| | |\ . K es 16 para ciclones normales y 7.5 para ciclones de gran envoltura Dimensionado de un cicln Losparmetrosclavesdeunciclnsonsueficienciaysuprdidadecarga:Estos parmetrossongobernadosporsusdimensiones,esdecireldimetrodelciclny longitudesdeloscanalesdeflujo.Eldimetrodelciclninfluenciafuertementela eficienciadecoleccin.Losciclonesdedimetropequeo(20cma60cm)proveenuna muy buena eficiencia de coleccin. Enunciclnconvencionalaldeterminareldimetrodelciclnquedantodaslas dems longitudes determinadas. Puede dimensionarse estipulando el tamao de partcula que quiere ser separada. Si sequiereretenerlatotalidaddelaspartculasderadiodppodemosdimensionarelcicln parauntamao10vecesmenor,demaneradetenerlaseguridadquelaeficienciade separacin sea del 100 % para el tamao de partcula que queremos separar. Tomamos entonces dpmin = dp/10 ( )min910pwps i sdLdN vt = = ( )min9wps sw wLdQNL ht = Como 2cwdL = y 4ccdh = reemplazando: ( )3910 8pcs sddN Qt = Ecuacin de la cual puede despejarse dc, dimetro del cicln Criterio de Kalen y Zenz: DeacuerdoaKalenyZenz,lamximaeficienciadelciclnsedacuandola velocidad de entrada al cicln es 1.25 de la velocidad de arrastre. Por otra parte la velocidad deentradaalciclnnodebesermayorde1.36lavelocidaddearrastre,porquesinose produce re-arrastre, es decir que las partculas se van con la espiral ascendente, por lo cual la eficiencia del cicln disminuye. ( ) ( )131 215 34.91141ccs c iccBDv w B vBD ( ( ( = ( ( ( )13243sgw (=( 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 disminuyelaeficiencia.Laprdidadecargaessimilarporquelavelocidadeslamisma para los tres ciclones. Porotraparte,laeficaciaglobalesunafuncindeladistribucindetamaosdelas partculas y no se puede predecir a partir del tamao medio. Laeficaciadeseparacindeunciclnaumentaconladensidaddelaspartculasy 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. -Puedeserconstruidodevariadosmateriales(cermica,aleaciones,aceros,hierro fundido, aluminio, plsticos) -Puedeseparartantopartculasslidascomolquidas,avecesambaslavez, 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