ES2242279T3 - Separador ciclonico. - Google Patents
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Abstract
Un separador ciclónico para uso en separar un material en partículas sólido de un medio gaseoso o líquido. El separador está provisto de una carcasa (H), una salida (4) para descargar el material en partículas sólido separado del medio, un tubo (13) para evacuar el fluido limpio desde la carcasa (H) y unos medios de turbulencia, capaces de impartir movimiento vertical al medio. Los medios de turbulencia están formados con una pluralidad de aberturas (16) a modo de rendijas dispuestas sobre su periferia. Las aberturas (16) están dimensionadas a fin de prever un área abierta total suficiente para impartir al medio movimiento de vórtice intensivo.
Description
Separador ciclónico.
La presente invención se relaciona con el proceso
de limpieza de fluidos.
Más concretamente, la presente invención se
refiere a separadores ciclónicos utilizados para separar partículas
sólidas del aire. Debe aclararse, sin embargo, que la presente
invención no se limita a la separación de partículas sólidas del
aire, sino que también es adecuada para la limpieza húmeda de otros
gases de contaminantes sólidos o gaseosos.
Puede encontrarse una descripción general de los
separadores ciclónicos existentes en distintos libros y monografías,
por ejemplo en el libro "Principles of unit operations" de Alan
S. Foust et al., John Wiley & Sons, 1985. Puede
encontrarse una revisión exhaustiva de los equipos modernos de
limpieza del aire en la monografía "Separation of particles from
air and gases" de Akira Ogava, CRC Press, 1984.
Los equipos industriales existentes adecuados
para la limpieza seca o húmeda de aire contaminado pueden dividirse
en dos grupos generales.
El primer grupo se basa en impartir un movimiento
de vórtice al fluido que llega al recipiente de limpieza y en
separar del mismo las partículas sólidas mediante la fuerza
centrífuga. Este grupo combina colectores mecánicos, tales como
ciclones ordinarios, multiciclones y colectores de polvo de flujo
rotatorio.
El segundo grupo se basa en la filtración del
aire o en la precipitación inducida o sedimentación gravitatoria de
las partículas sólidas, aunque sin someter al fluido contenido en el
recipiente de limpieza a un movimiento de vórtice. Los equipos
industriales relevantes para este grupo incluyen los filtros de
bolsa y los precipitadores electrostáticos.
El rendimiento de los colectores de partículas
existentes se evalúa de acuerdo con el tamaño mínimo de las
partículas sólidas que un colector puede separar.
Desde este punto de vista, los precipitadores
electrostáticos son dispositivos bastante eficientes que permiten la
separación de polvo muy fino con un tamaño de partícula inferior a
0,01 micras. Sin embargo, los precipitadores electrostáticos son muy
costosos; funcionan sólo en el modo periódico y requieren que las
partículas que se han de separar sean conductoras eléctricas.
Los lavadores de Venturi pueden separar
partículas de un tamaño entre 0,01 y 0,1 micras; sin embargo, su
desventaja intrínseca reside en la necesidad de un suministro de
agua y de medidas especiales necesarias para crear una caída de
presión significativa que estos dispositivos requieren para su
funcionamiento normal. Es fácil comprender que la organización de la
caída de presión está inevitablemente ligada a gastos de energía
adicionales.
Los filtros de bolsa son menos costosos que los
lavadores de Venturi o que los precipitadores electrostáticos.
También son capaces de separar partículas sólidas de un tamaño entre
0,01 y 0,1 micras.
La desventaja de los filtros de bolsa reside en
la necesidad de un mantenimiento frecuente, ya que el tejido del
filtro se cubre rápidamente de grasa. Otra desventaja de los filtros
de bolsa es que sólo funcionan a temperaturas inferiores a las
temperaturas de los gases calientes emitidos en muchos procesos
industriales.
A diferencia de los tipos de separadores
mencionados, los separadores ciclónicos mecánicos son dispositivos
polifacéticos de bajo coste que funcionan en modo continuo y sin
necesidad de mantenimiento frecuente. Estos dispositivos han sido
utilizados satisfactoriamente durante mucho tiempo, como unidades
independientes y también en combinación con los demás tipos de
separadores. En la mencionada monografía de Ogava se menciona, por
ejemplo, un separador ciclónico mecánico concebido ya en 1886.
Los separadores ciclónicos conocidos se dividen
en ciclones de entrada tangencial y ciclones de flujo axial,
dependiendo de si la alimentación que llega al recipiente entra
tangencial o coaxialmente con su eje longitudinal. En los ciclones
de flujo tangencial, la alimentación entra en la cámara del ciclón
tangencialmente cerca de su parte superior y adquiere un movimiento
de rotación una vez que entra en la cámara. La velocidad tangencial
de las partículas tiende a arrastrarlas hacia la periferia de la
cámara. El movimiento en espiral del fluido provoca una cierta
aceleración radial de la partícula hacia el interior y,
simultáneamente, la fuerza gravitatoria imprime una aceleración
hacia abajo. El resultado es un movimiento descendente de partículas
separadas cercanas a la pared del recipiente y un movimiento
ascendente del gas, libre de sólidos, a lo largo del área central
del interior del recipiente.
Lamentablemente, los ciclones convencionales de
entrada tangencial presentan varios problemas. En el caso de
partículas de polvo de tamaños muy pequeños de menos de 10 micras,
la energía que representa la velocidad tangencial es insuficiente
para superar la fuerza centrípeta del fluido en rotación y el flujo
rotacional ascendente del gas puede recoger el polvo muy fino.
Para rectificar dicho defecto se concibieron los
ciclones de flujo axial, en los que la alimentación entra en el
recipiente coaxialmente y el flujo rotatorio es generado por los
álabes guía. La fuerza centrífuga que actúa en el espacio coaxial
lanza las partículas sólidas hacia la pared del recipiente.
Lamentablemente, el rendimiento de los ciclones de flujo de entrada
axial es menor que el de los ciclones de entrada tangencial debido
al débil flujo rotacional de gas creado por los álabes guía. Por
este motivo, los ciclones de flujo de entrada axial se suelen
utilizar en multiciclones.
El principal inconveniente de los separadores
ciclónicos mecánicos, en general, es su incapacidad para separar del
aire las partículas sólidas finas, ya que hasta el momento ni los
ciclones disponibles de entrada tangencial ni los de entrada axial
han sido eficaces para filtrar las partículas de polvo fino,
especialmente con un tamaño de partícula de 1 a 10 micras.
Se ha intentado incrementar el rendimiento de los
separadores ciclónicos de entrada tangencial equipándolos con
distintos mecanismos de guía similares a los utilizados en los
ciclones de entrada axial.
Se conoce, por ejemplo, un separador centrífugo
presentado en SU 1468609. Este dispositivo incorpora una cámara de
vórtice con palas periféricas ajustables que imprimen un movimiento
de vórtice al aire cargado de polvo que atraviesa el separador. A
pesar de que este separador proporciona una mayor fiabilidad de
funcionamiento y facilita el mantenimiento, sólo es apropiado para
filtrar polvo de tamaño superior a 10.000 micrómetros.
En SU 975099 se presenta un ciclón aerodinámico
para el lavado de gases, que consta de un cuerpo
cilíndrico-cónico, una entrada de gas tangencial y
una salida axial. Dentro del cuerpo hay un gran número de palas
curvadas que estabilizan el movimiento de vórtice del gas y mejoran
la evacuación de las partículas sólidas a través de la rejilla
formada por las lamas de las paletas hacia el espacio anular que
rodea la superficie interior del cuerpo. La desventaja de este
separador ciclónico reside en el hecho de que resulta apropiado
únicamente para la separación de partículas mayores de 5.000
micrómetros y no es eficaz para la separación de polvo fino con un
tamaño de partícula de 1.000 a 2.000 micrómetros.
En DE 650640 se describe un separador ciclónico
provisto de un filtro interior compuesto de un gran número de
láminas onduladas, cuyos extremos superiores están conectados al
extremo superior del ciclón. Los extremos inferiores de las láminas
están libres y por tanto las partículas sólidas filtradas se pueden
evacuar fácilmente del espacio entre láminas adyacentes. Este filtro
no está diseñado para funcionar como un mecanismo de remolino que
contribuya al movimiento de vórtice del fluido cargado de sólidos
que entra en el ciclón.
En GB 439814 se describe una mejora del aparato
centrífugo para separar polvo u otras partículas sólidas del aire y
de otros gases. Esta mejora se centra en la cámara de separación,
provista de dos extremos laterales opuestos en los que el movimiento
de remolino del aire se transforma en un movimiento axial en el
conducto de salida. Los componentes longitudinal y radialmente
transversal del movimiento de los anillos del vórtice se originan en
los dos extremos de la cámara y para eliminar o retrasar estos
componentes y de este modo impedir o dificultar la formación de
anillos del vórtice, en las paredes opuestas de la cámara se han
colocado unos deflectores. De este modo, el dispositivo de
separación descrito en esta patente ha sido equipado
intencionadamente con mecanismos para retrasar el movimiento de
vórtice del fluido cargado de sólidos dentro de la cámara de
separación.
Como conclusión, conviene subrayar que a pesar de
que desde hace mucho tiempo se conocen distintos dispositivos de
separación mecánicos en general y separadores ciclónicos en
particular, el problema de la separación de polvo fino de una manera
rentable y eficaz sigue siendo vital y sigue existiendo la necesidad
de un dispositivo nuevo y mejorado que asegure una separación eficaz
y económica del polvo fino contenido en el aire.
El objeto de la presente invención es crear un
separador ciclónico nuevo y mejorado que reduzca suficientemente o
elimine los mencionadas desventajas de los separadores
conocidos.
En particular, el objeto principal de la presente
invención es crear un separador ciclónico nuevo y mejorado que sea
adecuado para la filtración eficiente de partículas contaminantes
con un tamaño inferior a 10.000 micrómetros contenidas en el aire
cargado de sólidos.
El segundo objeto de la presente invención es
crear un nuevo separador ciclónico polifacético y mejorado, que
pueda utilizarse para la limpieza seca y húmeda de emisiones
industriales gaseosas de contaminantes sólidos y líquidos.
El tercer objeto de la presente invención es
crear un nuevo separador ciclónico mejorado que sea compatible con
separadores existentes y que pueda integrarse fácilmente en una
línea industrial como una etapa de limpieza adicional, ya sea
anterior o posterior a la etapa de limpieza existente.
El cuarto objeto de la presente invención es
crear un nuevo separador ciclónico mejorado que pueda funcionar a
las temperaturas vinculadas con los gases calientes emitidos en
diversos procesos industriales.
Otro objeto de la presente invención es crear un
nuevo separador ciclónico mejorado de tamaño compacto, de fácil
fabricación y de mantenimiento sencillo.
Estos y otros objetos y ventajas de la presente
invención pueden lograrse de acuerdo con la siguiente combinación de
sus características esenciales, que se refieren a distintas
implementaciones de la misma.
Un separador ciclónico utilizado en general para
la separación de partículas sólidas de un fluido gaseoso cargado de
sólidos por medio de un movimiento de vórtice de dicho fluido; dicho
separador consta de:
- un receptáculo definido por una pared
cilíndrica periférica y por sus extremos superior e inferior. Dicho
receptáculo posee un eje longitudinal y está provisto de al menos
una abertura de entrada por la que entra el fluido cargado de
sólidos. La abertura de entrada se encuentra en la pared periférica
y su dirección es preferiblemente tangencial a la misma.
- una salida para descargar las partículas
sólidas filtradas de dicho receptáculo. Dicha salida tiene
preferiblemente la forma de un cono truncado hueco, cuya base mayor
está comunicada con el extremo inferior del receptáculo y cuya base
menor está comunicada con un recipiente colector apropiado.
- un conducto para evacuar el fluido limpio de
dicho receptáculo. Dicho conducto se encuentra dentro del
receptáculo, preferiblemente coaxialmente con su eje
longitudinal.
- al menos un mecanismo de remolino para imprimir
un movimiento de vórtice al fluido. Dicho mecanismo tiene la forma
de una pieza tubular, montada dentro del receptáculo coaxialmente
con su eje longitudinal de modo que queda entre ellos un espacio
anular. Dicha pieza tubular está provista de numerosas aberturas con
forma de rendija en su periferia, que posibilitan la comunicación
entre el espacio anular y el interior de la pieza tubular; las
aberturas están distribuidas regularmente por la periferia de la
pieza tubular y son prácticamente tangenciales a su interior. La
longitud y anchura de las aberturas se escogen de tal modo que el
área abierta total sea suficiente para imprimir al fluido que entra
en dicho mecanismo de remolino un movimiento de vórtice intensivo,
que se caracteriza por una velocidad lineal de
60-100 m/s, siendo preferiblemente de
60-70 m/s.
En una de las implementaciones preferidas, la
dimensión longitudinal de dichas aberturas es paralela al eje
longitudinal.
En otra de las implementaciones preferidas, la
pieza tubular se compone al menos de dos unidades modulares, cada
una de las cuales posee una pared cilíndrica periférica y extremos
anulares opuestos superior e inferior. Las aberturas con forma de
rendija se encuentran en la pared periférica de estas unidades
modulares, cuyos extremos superior e inferior están provistos de un
mecanismo de acoplamiento que permite ensamblar las unidades
modulares.
En otra implementación preferida, dichos
mecanismos de acoplamiento consisten en una protuberancia y una
depresión situadas respectivamente en dichos extremos opuestos
superior e inferior, de modo que la protuberancia anular de una
unidad modular puede insertarse en la correspondiente depresión
anular de la unidad modular adyacente.
En otra implementación, las aberturas de cada
unidad modular se encuentran en dos áreas opuestas de la pared
periférica y están separadas por un área intermedia; una de dichas
áreas opuestas es adyacente al extremo superior de la unidad modular
y la otra es adyacente a su extremo inferior.
En otra implementación preferida, el mecanismo de
remolino está formado por un gran número de álabes distribuidos
regularmente a lo largo de una trayectoria circular y
preferiblemente tangenciales a ella; en este caso, las aberturas
están formadas por espacios abiertos entre los álabes
adyacentes.
En otra implementación, el receptáculo está
provisto de un dispositivo de deflección para evacuar las partículas
finas y medianas que se separan del fluido. Dicho dispositivo tiene
la forma de una cámara cilíndrica de un diámetro superior al del
mecanismo de remolino y puede montarse en el extremo superior del
receptáculo de tal modo que esté comunicado con el interior del
mecanismo de remolino.
En otra implementación preferida, el conducto
está provisto de una cámara de deflección para evacuar las
partículas finas que se separan del fluido; dicha cámara tiene un
diámetro superior al del conducto.
En otra implementación preferida, el conducto
está provisto de un mecanismo de retardo para retardar el movimiento
de vórtice del fluido. Dicho mecanismo está montado preferiblemente
encima de la mencionada cámara de deflección y provisto de álabes
guía dirigidos en sentido contrario a la dirección del movimiento de
vórtice del fluido.
En otra implementación preferida, el separador
está provisto de un mecanismo de distribución de líquido para la
limpieza húmeda del fluido. Dicho mecanismo consiste en una cámara
cilíndrica que puede montarse en el extremo superior del receptáculo
y comunicarse con su interior; la cámara está provista de entradas
de suministro por las que entra el líquido.
Éste ha sido sólo un breve resumen de la presente
invención en sus distintas implementaciones.
Para comprender mejor la presente invención y sus
ventajas, nos referiremos ahora a la siguiente descripción de sus
implementaciones.
La figura 1 es una presentación esquemática del
separador según la presente invención.
Las figuras 2 y 3 son cortes transversales de la
figura 1 tomados a lo largo de las líneas A-A y
B-B, respectivamente.
La figura 4 es una presentación ampliada del
módulo que contiene el mecanismo de remolino.
La figura 5 muestra un corte transversal de la
figura 4 tomado a lo largo de la línea C-C.
Las figuras 6 y 7 son presentaciones ampliadas de
las áreas I y II, respectivamente, mostrando los mecanismos de
acoplamiento.
La figura 8 muestra esquemáticamente una vista
lateral de un mecanismo de remolino según la implementación
alternativa de la presente invención.
La figura 9 es un corte transversal de la figura
8 tomado a lo largo de la línea D-D.
Las figuras 10a y 10b son presentaciones
ampliadas de las áreas III y IV, respectivamente, mostrando los
mecanismos de acoplamiento.
Las figuras 11 y 12 son las vistas lateral y
superior, respectivamente, de un separador, en el caso de
utilización de la presente invención para la separación húmeda.
En relación con la figura 1, el separador
ciclónico según la presente invención consta de un receptáculo H
definido por su pared cilíndrica periférica 1. La parte cilíndrica
del receptáculo tiene un extremo inferior 2, un extremo superior 3 y
un eje longitudinal X-X. Junto al extremo inferior 2
de la parte cilíndrica 1 se encuentra la parte cónica 4 del
receptáculo, que tiene la forma de un cono truncado invertido. La
base mayor 5 de la parte cónica se abre a la parte cilíndrica del
receptáculo, permitiendo la comunicación entre ambas partes y por lo
tanto la transferencia de las partículas gruesas separadas, con un
tamaño de partícula de más de 5 micras, desde la parte cilíndrica
superior hasta la parte cónica inferior del receptáculo.
La parte cónica del receptáculo está conectada a
través de su base menor con el recipiente colector 6, donde se
recogen las partículas separadas SP. Las partículas recogidas pueden
descargarse del recipiente a través de la parte inferior del mismo
por medio de la puerta deslizante SG, que puede abrirse
periódicamente por medio del pistón P, por ejemplo.
El ventilador principal (que no se muestra)
introduce en el receptáculo el fluido cargado de sólidos (en
adelante SLF, Solid Laden Fluid) proveniente de la atmósfera
exterior o del complejo tecnológico precedente. El SLF, por ejemplo
aire contaminado con polvo de cal, cemento, carbón o goma, entra en
el receptáculo por medio del conducto de entrada 7. Este conducto
está orientado tangencialmente a la pared periférica 1 del
receptáculo, de modo de imprimir al fluido entrante el movimiento de
rotación inicial, con una velocidad lineal de al menos
20-30 m/s.
Puede verse que el conducto 7 constituye una vía
de entrada para el fluido cargado de sólidos, mientras que la parte
cónica 4 del receptáculo constituye una vía de salida que permite
recoger las partículas separadas.
En el extremo superior 3 del receptáculo está
montada la cámara cilíndrica 8, que no está comunicada con el
interior del receptáculo. El significado y el funcionamiento de esta
cámara se explicarán más adelante en relación con la separación de
partículas sólidas finas. La bomba de succión 9 está conectada con
la cámara 8 mediante los conductos tangenciales 10 y 10' y con el
recipiente colector 6 mediante el conducto 11.
Dentro de la parte cilíndrica del receptáculo hay
una cámara de remolino 12 y un conducto central 13. Las figuras
1-5 muestran las primeras implementaciones
preferidas, en las que la cámara de remolino tiene forma de
cilindro, definido por su pared periférica 14. La cámara de remolino
está montada concéntricamente con el eje X-X de modo
que quede un espacio anular 15 entre la superficie interna del
receptáculo y la superficie externa de la pared periférica 14 de la
cámara de remolino.
La pared periférica de la cámara de remolino está
provista de numerosas aberturas alargadas con forma de rendija 16,
que se extienden longitudinal y transversalmente. La extensión
longitudinal de las aberturas está dirigida paralelamente al eje
X-X. Su extensión transversal es prácticamente
tangencial a la superficie interna 17 de la pared periférica 14 y
coincide con la dirección del movimiento de rotación del SLF que
entra en el separador. Esta dirección está denotada por una flecha
SM en la figura 2.
En relación con la figura 5, puede verse que las
aberturas 16 están dispuestas regularmente en la pared periférica 14
y se definen por su anchura S. También puede verse que las aberturas
se extienden transversalmente, formando un ángulo de 90 grados con
la superficie cilíndrica interna 17 de la cámara de remolino. En la
práctica, es ventajoso que las aberturas se realicen en la pared
periférica de la cámara de remolino mediante cualquier proceso
apropiado de mecanizado. También puede ser ventajoso que la cámara
de remolino no sea una unidad única, sino que esté montada a partir
de varias unidades modulares idénticas en forma de anillo. En
relación con las figuras 4 y 5, se muestra una de dichas unidades
modulares, denotada por 18. La unidad está definida por su pared
periférica cilíndrica 14, de altura T y por sus correspondientes
extremos superior e inferior 19. Puede verse que la unidad modular
18 está provista de numerosas aberturas con forma de rendija 16,
situadas en dos áreas opuestas adyacentes al extremo superior e
inferior de la unidad, respectivamente. Las aberturas tienen una
longitud t, que es menor que la altura de la unidad. Las áreas con
aberturas están separadas por una región intermedia IR sin
aberturas. Para permitir el ensamblaje de varias unidades, éstas
están provistas de un mecanismo de acoplamiento adecuado, que se
encuentra en los extremos superior e inferior de la unidad. En
relación con las figuras 6 y 7, se muestran detalles ampliados I y
II que se refieren a los acoplamientos macho y hembra M y M',
formados respectivamente como una protuberancia de acoplamiento 20 y
una depresión 21. Dado que la protuberancia de una unidad modular
puede insertarse en la correspondiente depresión de la unidad
modular adyacente, las unidades pueden alinearse y ensamblarse.
Dentro de la cámara cilíndrica superior 8 se ha
montado también una de estas unidades modulares MU. Sin embargo, al
contrario de lo que ocurre en el resto de las unidades modulares, la
extensión tangencial de las aberturas realizadas en esta unidad está
dirigida en dirección opuesta a la de las aberturas realizadas en
las unidades modulares inferiores. El significado de este hecho, que
puede verse en la figura 3, se explicará más adelante. La unidad
modular inferior de la cámara de remolino, que está denotada en la
figura 1 por LMMU, no tiene ninguna abertura.
El SLF que rota dentro del espacio anular 15
entra en la cámara de remolino y a causa de las aberturas dirigidas
tangencialmente 16, adquiere un movimiento de vórtice.
Se ha establecido empíricamente que, a diferencia
de los separadores ciclónicos conocidos anteriormente que también
estaban provistos de diversos mecanismos de remolino, la presente
invención permite crear un movimiento de vórtice mucho más intensivo
del fluido cargado de sólidos y por lo tanto mejorar la eficacia del
proceso de separación.
Se ha visto en la práctica que la velocidad del
movimiento de vórtice puede ser controlada mediante el área abierta
total proporcionada por las aberturas 16. Esta área viene definida
por las dimensiones de las aberturas 16 y por su número. Dichos
parámetros, si se escogen adecuadamente, deberían permitir alcanzar
el área abierta total necesaria para incrementar la velocidad del
movimiento de vórtice hasta 60-100 m/s, lo cual se
traduce en una separación eficaz de partículas sólidas muy finas con
un tamaño de partícula menor que 10 micrómetros. En la práctica,
resulta ventajoso un valor de la anchura S de las aberturas con
forma de rendija de 1-5 mm, una longitud t de
30-120 mm, y una velocidad lineal del movimiento de
vórtice de unos 70 m/s.
El resultado obtenido puede explicarse por el
hecho de que dicho movimiento de vórtice intensivo viene acompañado
de la formación, junto a la pared periférica 14, de una capa estable
del SLF. Esta capa viene definida por el gradiente de presiones. En
la región intermedia de la capa la presión es baja, mientras que en
las áreas adyacentes a la cámara de remolino, la presión es alta. El
movimiento de vórtice del SLF puede verse en la figura 1, donde se
denota esquemáticamente por VM. A causa de la caída de presión, el
polvo con tamaño de partícula superior a 5 micrómetros se mueve
hacia la unidad modular inferior LMMU. Como esta unidad modular no
está provista de aberturas tangenciales, el movimiento de vórtice se
estabiliza aquí y la fracción gruesa del polvo se separa eficazmente
del SLF. Las partículas separadas descienden hacia la parte cónica 4
del receptáculo y se recogen en el recipiente 6.
El SLF, que sigue cargado de la fracción
intermedia y fina de las partículas sólidas con un tamaño de
partícula menor que 5 micrómetros, es expulsado a causa del
movimiento de vórtice hacia la cámara 8. Aquí, debido a la ubicación
opuesta de las aberturas tangenciales realizadas en la unidad
modular MU, tiene lugar un cierto retardo del movimiento de vórtice.
A causa de este retardo, la fracción intermedia de las partículas
sólidas restantes, de un tamaño de entre 2 y 5 micrómetros, se
separa del SLF y llega a través de los conductos 10 y 10' a la bomba
de succión 9. En la práctica, la capacidad de esta bomba debería ser
un 1-5% de la capacidad del ventilador principal.
Nótese, sin embargo, que la bomba de succión puede incluso no
resultar necesaria si la fuerza motriz generada por el ventilador
principal es suficiente para mover el SLF.
El SLF, que aún contiene la fracción fina
restante de las partículas sólidas, con un tamaño de partícula menor
que 2 micrómetros, entra en el conducto central 13 y asciende por
él. El conducto central 13 tiene la forma de una pieza tubular que
se extiende coaxialmente con el eje X-X del
receptáculo. El conducto está ubicado en el receptáculo de tal
manera que su extremo inferior se encuentra dentro de la unidad
modular inferior LMMU de la cámara de remolino. En la práctica, el
extremo inferior del conducto debería situarse al menos 30 mm más
bajo que la penúltima unidad modular de la cámara de remolino.
El extremo superior del conducto comunica con una
cámara de deflección 22, cuyo diámetro interior es mayor que el
diámetro del conducto 13. La cámara de deflección está comunicada
con una bomba 9 mediante el conducto 23. La fracción fina restante,
con partículas de un tamaño de 1-2 micrómetros, se
separa del SLF dentro de la cámara de deflección y es aspirada por
la bomba 9. Las partículas finas separadas llegan a través de un
conducto 11 al recipiente colector 6.
Encima de la cámara de deflección y adyacente a
ella, se ha montado un mecanismo de retardo 24 en la forma de una
cámara cilíndrica con un diámetro ligeramente superior al diámetro
del conducto central 10 y provisto de un gran número de álabes guía
25 dirigidos en sentido contrario a la dirección del movimiento de
vórtice. A causa del mecanismo de retardo, el resto de las
partículas finas se separa del SLF.
Nos referiremos ahora a las figuras
8-10 para explicar la segunda implementación de la
cámara de remolino del separador ciclónico según la presente
invención.
En esta implementación, la cámara de remolino
tiene la forma de una jaula compuesta de un gran número de álabes
guía 26 distribuidos a lo largo de una trayectoria circular CP. Los
álabes están fijados rígidamente entre dos rebordes anulares
opuestos 27 y 28 y se extienden en dirección longitudinal a lo largo
del eje X-X y en dirección transversal
tangencialmente a la trayectoria circular CP. Puede verse fácilmente
que esta disposición deja espacios abiertos entre los álabes
adyacentes, que vienen definidos por la anchura S y la longitud t.
Estos espacios son funcionalmente similares a las aberturas con
forma de rendija realizadas en la pared periférica de la cámara de
remolino según la implementación anterior. Además, al igual que en
dicha implementación, la cámara de remolino puede estar ensamblada a
partir de varias unidades modulares. Para permitir el ensamblaje de
las unidades, éstas están provistas de mecanismos de acoplamiento
adecuados, que pueden estar integrados con los rebordes 27 y 28 o
constituir elementos separados que pueden fijarse a dichos
rebordes.
En la figura 8 y las figuras 10a y 10b, que
muestran los detalles ampliados III y IV, puede verse el
acoplamiento macho con forma de anillo y con una protuberancia
anular 29. Este acoplamiento puede estar fijado al reborde superior
por medio de un tornillo, por ejemplo. El acoplamiento hembra tiene
la forma de un anillo con una depresión anular 30 y está fijado al
reborde inferior por medio de un tornillo.
Puede verse que la construcción del separador
ciclónico según la presente invención es muy sencilla y flexible y
puede llevarse a cabo fácilmente con tecnologías existentes. Gracias
al diseño modular de la cámara de remolino se puede controlar el
tamaño de la cámara y por tanto la compacidad del propio separador.
También pueden ajustarse las dimensiones de la cámara de remolino de
modo que pueda utilizarse para modificar un separador existente.
El separador ciclónico anteriormente descrito se
refiere a una unidad independiente. Puede verse fácilmente que
también se puede utilizar como una unidad que se incorpora a una
línea tecnológica existente y se usa en combinación con los demás
complejos de separación.
En la práctica, es conveniente fabricar la cámara
de remolino en un plástico resistente a la temperatura o en un
material metálico, para que pueda funcionar fiablemente a la hora de
limpiar gases contaminados calientes emitidos durante muchos
procesos tecnológicos industriales.
Nos referiremos ahora a las figuras 12 y 13 para
describir otra implementación preferida de la presente invención. En
esta implementación, la acción separadora se ha mejorado aún más
para permitir el modo de funcionamiento de limpieza húmeda. En la
práctica, con esta implementación no solamente se ha podido separar
polvo de un tamaño menor
que 1 micrómetro, sino además absorber simultáneamente los componentes gaseosos tóxicos presentes en el SLF.
que 1 micrómetro, sino además absorber simultáneamente los componentes gaseosos tóxicos presentes en el SLF.
En relación con la figura 12, la cámara
cilíndrica superior 8 está provista de una entrada 31 por la que se
introduce el líquido limpiador. La entrada está orientada
tangencialmente a la periferia de la cámara y permite suministrar
líquido limpiador con una velocidad lineal de al menos 0,1 m/s.
Se ha montado en la cámara un mecanismo de
distribución 32 del líquido limpiador en lugar de la unidad modular
MU. La construcción del mecanismo de distribución del líquido es
similar a la de la unidad modular MU; sin embargo, a diferencia de
ésta, la dirección de sus aberturas tangenciales coincide con la
dirección del movimiento de vórtice del SLF. En la práctica, la
anchura de las aberturas es de 2-5 mm.
El conducto central 13 tiene una extremidad
cónica superior 33 que se abre a la cámara colectora 34. El diámetro
de la cámara colectora 34 es al menos 1,7 veces mayor que el
diámetro del conducto central 13. La parte inferior 34' de la cámara
colectora 34 está inclinada para permitir que el líquido separado
del SLF fluya hacia la periferia del colector. Aquí se encuentran
las salidas 35, que canalizan el líquido separado a un contenedor
apropiado (que no se muestra).
El mecanismo de retardo 24 está montado dentro de
la cámara colectora y comunica con ella, permitiendo el paso del SLF
a través de los álabes guía 25. El SLF, por ejemplo aire con
contaminantes gaseosos tóxicos y partículas sólidas, se mezcla con
el líquido limpiador que entra en la cámara 8 por la entrada 31.
Aquí se forma una estructura estable de capas espumosas, que
adquiere un movimiento de rotación a causa del movimiento de vórtice
que se imprime al aire. El aire contaminado burbujea a través del
líquido limpiador y allí se absorbe gran parte de las partículas
sólidas y de los gases contaminantes debido a la gran superficie de
contacto entre las fases gaseosa y líquida, que intercambian calor y
masa.
El aire limpio asciende por la cámara colectora
34 hacia el mecanismo de retardo 24. El aire se seca a su paso por
la cámara colectora y gotitas de líquido residual caen a la parte
inferior 34' y salen por las salidas 35.
En la Tabla 1 que figura a continuación, que no
es limitadora, se resumen las dimensiones, capacidades y
rendimientos de los separadores ciclónicos provistos de una cámara
de remolino según la presente invención. Los separadores fueron
probados en limpieza seca y húmeda de aire contaminado emitido en el
proceso industrial de un horno de cal. En la tabla se utilizan las
siguientes designaciones:
C - capacidad del separador en m^{3} por
hora
D - diámetro exterior de la cámara de remolino en
mm
h - altura total de la cámara de remolino en
mm
n - número de aberturas realizadas en la pared
periférica de la cámara de remolino
S - anchura de las aberturas en mm
V - velocidad lineal del movimiento de vórtice
del aire dentro de la cámara de remolino, en m/s
E_{d} - rendimiento de la separación seca de
polvo con tamaño de partícula de 1-2 micrómetros, en
porcentaje
E_{w} - rendimiento de la separación húmeda de
polvo con tamaño de partícula de 1-2 micrómetros, en
porcentaje
| C | D | h | n | S | V | E_{d} | E_{w} |
| 100 | 232 | 150 | 16 | 2 | 70 | 95 | 97 |
| 5000 | 460 | 300 | 32 | 2 | 70 | 95 | 97 |
| 30000 | 1500 | 800 | 48 | 3 | 70 | 95 | 97 |
A efectos de comparación, podemos mencionar que
el rendimiento de la separación del polvo fino con tamaño de
partícula de 1-2 micrómetros en lavadores
convencionales es de un 75-80% y en multiciclones,
sólo de un 50%.
Nótese que la presente invención no está limitada
por las implementaciones anteriormente descritas y que cualquier
persona medianamente versada en este campo puede realizar cambios y
modificaciones sin desviarse del alcance de la invención tal y como
se define más abajo en las reivindicaciones adjuntas.
Nótese también que las características
presentadas en la descripción anterior o en las reivindicaciones que
siguen o en los dibujos que se acompañan o en los ejemplos o en las
tablas, pueden, tanto separadamente como en una combinación
cualquiera, constituir material para realizar la presente invención
en sus diversas formas.
Claims (10)
1. Un separador ciclónico, generalmente para la
separación de partículas materiales de un fluido cargado de sólidos
(SLF) por medio de su movimiento de vórtice. Dicho separador consta
de
- un receptáculo (H) definido por una pared
cilíndrica periférica (1) y extremos superior (3) e inferior (2).
Dicho receptáculo posee un eje longitudinal (X-X) y
está provisto de al menos una abertura de entrada (7) por la que
entra el fluido cargado de sólidos (SLF). La abertura de entrada se
encuentra en la pared periférica (1) y su dirección es
preferiblemente tangencial a la misma,
- una salida (4) para descargar de dicho
receptáculo (H) las partículas sólidas separadas. Dicha salida
tendrá preferiblemente la forma de un cono truncado hueco, con su
base mayor (5) separada de su base menor; la base mayor está
comunicada con el extremo inferior del receptáculo y la base menor
está comunicada con un recipiente colector apropiado (6),
- un conducto (13) para evacuar de dicho
receptáculo (H) el fluido limpio. Dicho conducto se encuentra dentro
del receptáculo, preferiblemente coaxialmente con su eje
longitudinal (X-X), estando el extremo superior del
conducto situado fuera del receptáculo y su extremo inferior situado
dentro de él,
- al menos un mecanismo de remolino (12) para
imprimir un movimiento de vórtice al fluido. Dicho mecanismo tiene
la forma de una pieza tubular, definida por una pared anular
periférica (14) y por sus extremos superior e inferior, montada
dentro del receptáculo coaxialmente con su eje longitudinal de modo
que quede entre ellos un espacio anular (15). Dicho mecanismo de
remolino está provisto de numerosas aberturas con forma de rendija
(16) en su pared periférica (14), permitiendo el paso del fluido
cargado de sólidos a través de las mismas,
- se caracteriza porque dicho conducto se
extiende a lo largo del mecanismo de remolino y porque dichas
aberturas con forma de rendija están distribuidas regularmente por
la pared periférica (14) del mecanismo de remolino y son
prácticamente tangenciales a su interior, estando estas aberturas
con forma de rendija definidas por su longitud (t) y su anchura (S),
siendo la longitud mayor que la anchura.
2. Un separador ciclónico tal como se define en
la reivindicación 1, se caracteriza porque la dimensión
longitudinal (t) de dichas aberturas (16) es paralela a dicho eje
longitudinal (X-X).
3. Un separador ciclónico tal como se define en
la reivindicación 1, se caracteriza porque dicho mecanismo de
remolino está compuesto por al menos dos unidades modulares (18),
cada una de las cuales está definida por una pared cilíndrica
periférica (14) y por extremos anulares opuestos superior e inferior
(19). Las aberturas con forma de rendija (16) se encuentran en la
pared periférica (14) de estas unidades modulares, cuyos extremos
superior e inferior están provistos de un mecanismo de acoplamiento
(M, M') que permite ensamblar las unidades modulares.
4. Un separador ciclónico tal como se define en
la reivindicación 3, se caracteriza porque dichos mecanismos
de acoplamiento (M, M') consisten en una protuberancia (21) y una
depresión (20) situadas respectivamente en dichos extremos opuestos
superior e inferior de las unidades modulares, de modo que la
protuberancia anular de una unidad modular puede insertarse en la
correspondiente depresión anular de la unidad modular adyacente.
5. Un separador ciclónico tal como se define en
la reivindicación 3, se caracteriza porque las aberturas con
forma de rendija (16) de cada unidad modular (18) se encuentran en
dos áreas opuestas de la pared periférica y separadas por una región
intermedia (IR); una de dichas áreas opuestas es adyacente al
extremo superior de la unidad modular y la otra es adyacente a su
extremo inferior (19).
6. Un separador ciclónico tal como se define en
la reivindicación 2, se caracteriza porque el mecanismo de
remolino (12) está formado por un gran número de álabes (26),
distribuidos regularmente a lo largo de una trayectoria circular
(CP) y preferiblemente son tangenciales a la misma; en este caso,
las aberturas con forma de rendija están formadas por los espacios
abiertos entre los álabes adyacentes.
7. Un separador ciclónico tal como se define en
la reivindicación 1, se caracteriza porque el receptáculo (H)
está provisto de un dispositivo de deflección para evacuar las
partículas finas y medianas que se separan del fluido cargado de
sólidos (SLF). Dicho dispositivo tiene la forma de una cámara
cilíndrica (8) de un diámetro superior al del mecanismo de remolino,
y puede montarse en el extremo superior del receptáculo de tal modo
que comunique con el interior del mecanismo de remolino.
8. Un separador ciclónico tal como se define en
la reivindicación 1, se caracteriza porque dicho conducto
está provisto de una cámara de deflección (22) para evacuar las
partículas finas que se separan del fluido cargado de sólidos (SLF);
dicha cámara de deflección tiene un diámetro superior al del
conducto (13).
9. Un separador ciclónico tal como se define en
la reivindicación 8, se caracteriza porque el conducto (13)
está provisto de un mecanismo de retardo (24) para retardar el
movimiento de vórtice del fluido cargado de sólidos. Dicho mecanismo
de retardo está montado preferiblemente encima de la mencionada
cámara de deflección (22) y provisto de álabes guía (25) dirigidos
en sentido contrario a la dirección del movimiento de vórtice del
fluido.
10. Un separador ciclónico tal como se define en
la reivindicación 1, se caracteriza porque está provisto de
un mecanismo de distribución de líquido (32) para la limpieza húmeda
del fluido cargado de sólidos. Dicho mecanismo consiste en una
cámara cilíndrica que puede montarse en el extremo superior del
receptáculo (H) y comunica con su interior; la cámara está provista
de entradas de suministro (31) por las que entra el líquido.
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