ES2278433T3 - Ciclones de alta eficacia. - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a ciclones de flujo inverso de alta eficiencia ¿- con una entrada tangencial de sección esencialmente rectangular, laterales a y b, siendo el primer paralelo al eje del ciclón; un cuerpo de una altura H con una sección superior cilíndrica de diámetro D y altura h y un cono inferior invertido con una base de diámetro inferior D{sub,b}; y un determinador de torbellino cilíndrico de diámetro D{sub,e} y longitud s - que puede utilizarse en condiciones de laboratorio o industriales, allí donde se necesite desempolvado. El inventor podría obtener una correlación empírica para estimar las difusividades turbulentas de partículas bajo el flujo ciclónico, a través del uso de una teoría de difusifividad finita que se ajusto en curvas de eficiencia de grado industrial, a escala piloto y de laboratorio. Esta correlación permite el diseño de ciclones de flujo inverso de geometría arbitraria, en función de las condiciones operativa y de distribución de dimensión de partícula. Se realizado un programa informático para obtener ciclones óptimos de flujo inverso diseñados y se obtuvieron dos geometrías que maximizan respectivamente la eficiencia de recogida y una relación eficiencia/costes. Las geometrías propuestas, definidas como relaciones de las dimensiones arriba mencionadas respecto del diámetro interior del ciclón, difieren de todas las geometrías disponibles en la literatura, siendo ambas significativamente más eficientes. Para las velocidades de flujo normales de los multiciclones industriales, las emisiones deberían reducirse entre un 30 y un 45% para la primera familia y entre un 20 y un 35% para la segunda, comparado con las emisiones de ciclones de alta eficiencia disponibles. Las prueba a escala de laboratorio con una geometría similar han confirmado las reducciones de emisiones esperadas, a niveles similares de caída de presión.
Description
Ciclones de alta eficacia.
La presente invención, sobre ciclones, pertenece
al área técnica de un equipo de desempolvado.
De hecho, los ciclones son aspiradores de polvo
empleados en una diversidad de industrias, con dos objetivos
complementarios: retirar el polvo de gases emitidos de procesos
industriales, antes de liberarlos a la atmósfera, (por ejemplo,
limpieza de gases de humero), y recuperar el polvo de materias
primas usadas en el diversos procesos (por ejemplo, industria de la
madera, corcho, ferrosa y no ferrosa).
Los ciclones industriales son de diversos tipos,
pero los más ampliamente usados son ciclones de flujo inverso,
tales como los mostrados en la Figura 1. El gas entra a través de
una sección rectangular ab y describe una espiral
descendente, cambiando finalmente la dirección de movimiento debido
al campo de presión establecido (de ahí el nombre "flujo
inverso") que sale a través del localizador de vórtice de
longitud s y diámetro D_{e}. Durante su paso
descendente, las partículas más pesadas (más grandes o más densas)
se ven arrastradas a la pared del ciclón y terminan en la parte
inferior del ciclón, donde se separan del gas.
Los fabricantes de ciclones especifican sus
diseños a través de "familias" que se caracterizan por
relaciones fijas de 7 dimensiones clave (las proporciones de a,
b, s, D_{e}, h, H y D_{b} con relación al
diámetro interior D).
Aunque los primeros ciclones tienen fecha del
siglo XIX, sólo recientemente se puede usar una teoría de recogida
en ciclón que puede emplearse con seguridad para diseñar ciclones de
flujo inverso. Por tanto, la teoría ajusta bien muchos datos en
curvas de clase-eficacia obtenidas a escala de
laboratorio y piloto o industrial, y se desarrolló por Mothes y
Loffler (1988), que a partir de ahora se llamará teoría ML. Su mayor
desventaja es que sólo podría usarse como una herramienta de
diagnóstico (concretamente, ajuste de datos recogidos de ciclones
disponibles) y no como una herramienta de pronóstico (predecir el
comportamiento del ciclón para geometrías arbitrarias, condiciones
de funcionamiento y distribuciones de tamaño de partícula). El
problema radica en la ausencia de conocimiento sobre el valor de la
difusividad turbulenta de las partículas, un parámetro fundamental
en la teoría ML, y sobre cómo se ve afectada por la geometría del
ciclón, condiciones de funcionamiento y distribución de tamaño de
partícula.
Algunos investigadores han estudiado este
problema, incluyendo el defensor (Clift et al., 1991;
Salcedo, 1993, 1996; Salcedo y Fonseca, 1996). Sin embargo, hasta
hace poco (Salcedo y Coelho, 1999), este parámetro no podía
describirse a través de ninguna relación útil para el diseño de
ciclones.
Por consiguiente, el problema de un diseño de
ciclón mejorado se ha abordado por un escenario empírico, como se
demuestra por los pocos trabajos relacionados con la materia y
disponibles en la bibliografía (Li et al., 1988; Schmidt,
1993). Aunque pueden obtenerse diseños mejorados por un enfoque
empírico, las mejoras no son muy significativas, requiriendo
adicionalmente un esfuerzo apreciable en el tiempo de
desarrollo.
En resumen, no existe garantía, sino lo
contrario, de que estén disponibles mejores ciclones de flujo
inverso en el mercado, por ejemplo, aquellos con las eficacias más
altas posibles y simultáneamente con una inversión y costes de
funcionamiento reducidos. Los fabricantes de ciclones continúan hoy
en día diseñando ciclones basados principalmente en su experiencia
y conocimiento empírico.
A continuación se hará una comparación más
detallada entre las geometrías propuestas en este documento y las
basadas en el estado de la técnica, concretamente en la geometría
que se refiere al documento EP0564992 y otras 9 geometrías
disponibles a partir de una revisión de la bibliografía, tanto en la
parte final de la Descripción de la invención como en el capítulo
de Ejemplos prácticos.
Con el objetivo de obtener ciclones de flujo
inverso que muestren eficacia significativamente potenciadas sobre
las de los ciclones de alta eficacia competidores disponibles,
primero se hizo un estudio sobre la aplicabilidad de la teoría ML a
curvas de clase-eficacia (eficacia de recogida
frente a tamaño de partícula) de 21 casos de la bibliografía. Los
diámetros de los ciclones variaron de 0,03658 a 0,305 m y los
caudales del gas de 0,7 a 835 Nm3h-1, que
corresponden a escalas tanto de laboratorio como piloto o
industrial. Las difusividades turbulentas ajustadas se
correlacionaron a continuación con el tamaño de partícula, geometría
del ciclón y condiciones de funcionamiento. Después de un esfuerzo
considerable, podría obtenerse una correlación empírica que es
estadísticamente significativa a un nivel de confianza del 95%, y
que explica el 70% de la varianza de los datos observada. Esta
correlación puede emplearse con una confianza para el diseño de
nuevas geometrías del tipo de flujo inverso, y se da por (Salcedo y
Coelho, 1999):
(1)Pe = A
\cdot
Re^{B}
\newpage
donde (A, B) son dos
constantes apropiadas, Pe es el número de Peclet no
dimensional, que depende de la difusividad turbulenta de la
partículas, y Re es el número de Reynold no dimensional, que
depende de la geometría del ciclón y las condiciones de
funcionamiento. Las condiciones de funcionamiento, cuando están
acopladas a la teoría ML y a la geometría del ciclón, dan el valor
correspondiente para Re. A partir de la correlación (1),
después se obtiene el valor de Pe, que después da
directamente el valor correspondiente para la difusividad
turbulenta de las partículas. El uso de la correlación propuesta da
resultados muchos mejores que usando un valor constante para la
difusividad, como hacen algunos autores (Clift et al., 1991,
Hoffmann et al., 1996) o usando diferentes correlaciones
propuestas en la bibliografía (Ogawa, 1984, 1987; Li y Wang,
1989).
En una segunda fase, se desarrolló un programa
informático para optimizar la geometría del ciclón, en base a dos
criterios distintos: eficacia máxima y proporción máxima de
eficacia/costes. Para este segundo criterio, la inversión y costes
de funcionamiento se estimaron maximizando un parámetro no
dimensional K_{Licht}, propuesto por Licht (1980). El
programa informático usa la teoría ML con la difusividad estimada
obtenida de la correlación (1), y optimiza la geometría del ciclón
usando un optimizador no lineal disponible (Salcedo, 1992). Se
impusieron varias restricciones a la optimización, tales como
criterios geométricos, para obtener ciclones viables, y criterios
de disminución de presión máxima, para obtener diseños rentables. La
disminución de presión máxima se ajustó a 1500 Pa (\approx150 mm
w.g.), ya que estos son valores habituales en ciclones de alta
eficacia para aplicaciones industriales. También se incluyó una
restricción sobre la velocidad de saltación, usando el criterio de
Kalen y Zenz (Licht, 1980), de modo que los diseños optimizados
corresponden a ciclones en los que la saltación es pequeña o
ausente (emisión a la atmósfera de partículas que han vuelto a
entrar). Por tanto, los diseños optimizados deben tener eficacias de
recogida cercanas a las dianas del diseño.
Como los resultados obtenidos del optimizador en
la segunda fase produjeron geometrías que variaron con las
condiciones de funcionamiento, fue necesario realizar simulaciones
adicionales para obtener una única geometría para cada uno de los
dos criterios de optimización previamente considerados (eficacia
máxima y proporción máxima de eficacia/costes). Después de cientos
de realizaciones de simulación-optimización,
pudieron detectarse geometrías similares para cada uno de los dos
criterios de optimización. Estos definen dos geometrías de ciclón,
a partir de ahora denominados ciclones (A) y (B).
Los ciclones de flujo inverso de alta eficacia
según la invención -que comprenden una entrada tangencial de
sección esencialmente rectangular, de laterales a y b,
el primero paralelo al eje del ciclón, así como un cuerpo de altura
H, con un cuerpo cilíndrico superior de diámetro D y
altura h, con un cono invertido inferior con base de la
parte inferior de diámetro D_{b}, así como un localizador
de vórtice cilíndrico de diámetro D_{e} y longitud
s- con geometrías obtenidas como se ha descrito
anteriormente, se caracterizan, respectivamente, por las geometrías
A o B (la primera con relación a ciclones de eficacia máxima y la
segunda a ciclones con un valor máximo para el parámetro
K_{Licht}, por ejemplo, la proporción eficacia/coste) que
tienen los laterales, alturas y diámetros mencionados anteriormente
interrelacionados de modo que las proporciones de las dimensiones
internas correspondientes al diámetro interno del ciclón están entre
los valores no dimensionales enumerados en las primeras siete
líneas de la Tabla 1.
Dicha tabla, daba a continuación, más allá de
mostrar las siete proporciones de las dimensiones clave citadas
anteriormente, tiene dos líneas adicionales: una relacionada con la
altura del cono no dimensional (H/D - h/D) y la otra
relacionada con la proporción K_{Licht}, de
eficacia/coste.
Para verificar que las geometrías propuestas son
muy diferentes a las disponibles en el mercado, la Tabla 2 muestra
las mismas proporciones dadas en la Tabla 1, para diversas
geometrías conocidas.
Los nueve ciclones de la Tabla 2 se identifican
en la Tabla 3
Comparando los valores de las Tablas 1 y 2, el
ciclón A tiene todas las proporciones de las siete dimensiones
clave diferentes de todos los demás ciclones, excepto en tres casos,
en los que, además, las diferencias son enormes ya que solamente
una proporción es habitual para alguna otra geometría, mientras que
los seis restantes son todos diferentes. Para el ciclón B, la
situación, en número es exactamente igual.
Las características principales que distinguen
las geometrías optimizadas de las otras geometrías, y que pueden
leerse de las tablas, son:
- entrada de gas preferiblemente a través de una
sección cuadrada y no una rectangular;
- el localizador de vórtice tiene diámetro más
pequeño (D_{e}/D menor) y el cono es más grande
(H/D-h/D mayor) en el ciclón A;
- cuerpo cilíndrico más alto (h/D mayor)
y cono más corto (H/D-h/D menor) en el ciclón
B;
- mayor valor la proporción K_{Licht}
de eficacia/coste.
Por otro lado, para demostrar que las geometrías
propuestas son bastantes diferentes de las correspondientes al
diseño de ciclón descrito en el documento EP0564992 -a partir de
ahora denominado como ciclón 10- las proporciones correspondientes
de la Tabla 1 se dan para esta geometría en la Tabla 4:
\vskip1.000000\baselineskip
Comparando los valores correspondientes de las
Tablas 1 y 4, se observa que ambos ciclones A y B tienen cuatro de
las siete proporciones de las dimensiones claves completamente
diferentes del ciclón 10. Además, el ciclón A tiene dos de las
proporciones restantes parcialmente diferentes de las del ciclón 10,
mientras que el ciclón B tiene una.
Las características principales que distinguen
las geometrías propuestas del ciclón 10, entre otras que pueden
extraerse de las Tablas 3 y 4, son las siguientes:
- entrada de gas preferiblemente a través de una
sección cuadrada y no una rectangular;
- el cono es más grande
(H/D-h/D mayor) en cada ciclón A, y el
localizador de vórtice tiene un diámetro más pequeño
(D_{e}/D menor) en parte de los mismos;
- cuerpo cilíndrico más alto (h/D mayor)
y mayor valor para la proporción K_{Licht} de
eficacia/coste en el ciclón B
Por otro lado, el ciclón B con relación al
ciclón A está caracterizado por un rasgo común para las primeras
tres proporciones y la última proporción de las dimensiones clave,
ya que los límites del intervalo para el ciclón B están en los
límites del intervalo para el ciclón A. Además, como las dos
primeras proporciones son idénticas, para cada tipo de ciclón, esto
demuestra que las dos geometrías comparten alguna característica de
entrada de gas común.
Por tanto, la presente solicitud de patente se
refiere a dos geometrías de ciclón de flujo inverso que se
optimizaron por ordenador, con características geométricas muy
diferentes de los ciclones disponibles en el mercado y que son
significativamente más eficaces. El ciclón A es el más eficaz
mientras que el ciclón B, con una eficacia algo menor, tiene
también por consecuencia pérdidas de presión y una inversión y
costes de funcionamiento inferiores.
La Figura 1 representa un ciclón de flujo
inverso típico, con las correspondientes dimensiones clave;
la Figura 2 representa una versión a escala de
los primeros 8 ciclones de la Tabla 2, para un diámetro arbitrario
de 0,02 m, donde las entradas del primero y el cuarto ciclón son de
aplicación al cilindro y las otras son helicoidales;
la Figura 3 compara la
clase-eficacia experimental y predicha para el
ciclón A y el ciclón 3 (Tabla 2), a una escala de laboratorio. Las
condiciones de funcionamiento fueron: caudal 0,9 m^{2}h^{-1},
diámetro másico medio 1,37 \mum;
la Figura 4 compara las eficacias de recogida
global para el ciclón A y diversas geometrías de ciclón
representadas en la Figura 2 (concretamente los ciclones 2, 3, 6 y
8), para caudales variables. Las condiciones de funcionamiento
fueron: diámetro másico medio 3,67 \mum;
la Figura 5 es idéntica a la Figura 4, para las
mismas condiciones de funcionamiento, pero se refiere al ciclón B
en lugar del ciclón A.
La Figura 6 muestra, para el mismo diámetro
arbitrario que la Figura 2, y también a escala, un ejemplo de un
ciclón A y otro de un ciclón B.
Se construyeron seis miniciclones con diámetros
que varían de 0,0215 a 0,07 m para confirmar experimentalmente el
comportamiento esperado. Tres fueron del tipo Stairmand HE (ciclón 3
de la Tabla 2 y de la Figura 2), mientras que los otros tres eran
optimizados. Para todos los casos, se observó un aumento sustancial
en la eficacia.
La Figura 3 muestra el comportamiento de dos
miniciclones, respectivamente el ciclón A, y el otro, el ciclón 3
como se ha mencionado. Esta figura muestra la
clase-eficacia experimental (mostrada por puntos
blancos para el ciclón A y por puntos negros para el ciclón 3) y
también, para ambos ciclones, la clase-eficacia
esperada a partir de la teoría ML cuando se acoplan con las
estimaciones de difusividad turbulenta dada para la correlación
(1). Éstas se representan por una curva discontinua para el ciclón A
y por una curva continua para el ciclón 3. El polvo de ensayo es
ultra-fino, ya que tiene un diámetro másico medio de
1,37 \mum (es la distribución de masa en cuestión ya que los
límites legales de emisión se refieren a la concentración de polvo
en una base de masa). Las eficacias globales, que son promedios
ponderados de la clase-eficacia teniendo en cuenta
la distribución del tamaño de partícula, fueron respectivamente del
38% y el 55% para los ciclones 3 y A, concretamente la penetración
a través del ciclón optimizado fue el 27% inferior en comparación
con el ciclón Stairmand HE.
El comportamiento esperado del ciclón en
condiciones industriales puede observarse a partir de las Figuras 4
y 5, que comparan, para un polvo muy fino (diámetro másico medio de
3,67 \mum), la recogida esperada para las dos familias
optimizadas A y B con las de cuatro geometrías de alta eficacia
(Licht, 1980; Li et al., 1988). La recogida aumentada de las
geometrías optimizadas es significativa. Para caudales entre
100-200 Nm^{3}h^{-1}, típico de multiciclones
industriales (ciclones de diámetro pequeño, en paralelo), las
penetraciones esperadas de la geometría A son aproximadamente el
30-45% inferiores a las de los ciclones Swift HE y
Stairmand HE de alta eficacia, respectivamente (Figura 4). Para la
geometría B, las penetraciones esperadas son el
20-35% inferiores (Figura 5).
Comparando ahora el comportamiento predicho del
ciclón 10 (documento EP0564992) con las geometrías propuestas, para
el mismo tipo de polvo mencionado en la Figura 4 y, por ejemplo, con
un caudal de 110 m^{3}h^{-1}, típico de multiciclones
industriales, aunque la eficacia global para el ciclón A es del
92,5%, como puede observarse a partir de la Figura 4, la del ciclón
10 está entre el 65% y el 78%, dependiendo de si su dimensionado se
hace considerando la velocidad de entrada máxima que se puede
permitir para evitar la saltación, o no. Claramente, el ciclón 10
no es un diseño de alta eficacia.
Por tanto, se espera que las geometrías
optimizadas puedan reducir significativamente las penetraciones en
comparación con otros diseños de alta eficacia, a una disminución de
presión y efectos de saltación (reentrada) comparables. Estas
conclusiones están de acuerdo con los datos experimentales
observados en condiciones de laboratorio.
El desarrollo de ciclones con eficacias de
recogida significativamente mayores que los actualmente disponibles
en diseños de alta eficacia, especialmente para tamaños de partícula
de aproximadamente 2-3 \mum, tiene un buen
potencial para aplicabilidad industrial. Varias industrias
(procesamiento de madera, ferrosa y no ferrosa, cemento, producción
química en polvo o granulados, fertilizantes) así como simplemente
para la limpieza del gas de humeros podría beneficiarse de los
equipos de bajo coste con una eficacia de recogida suficiente para
evitar el uso de un equipo mucho más caro, tal como precipitadores
electrostáticos y filtros de bolsa. Incluso si los límites legales
solamente estuvieran impuestos con el uso de precipitadores
electrostáticos y filtros de bolsa, el uso de ciclones de eficacia
muy elevada como colectores principales podría justificarse
fácilmente con vistas a la protección que atribuirían a los equipos
más caros. Además, en el caso de temperaturas muy altas, los
ciclones actualmente son el único medio disponible para la recogida
de polvo.
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Claims (5)
1. Ciclón de flujo inverso de alta eficacia -con
una entrada helicoidal tangencial de sección esencialmente
rectangular, laterales a y b, el primero paralelo al
eje del ciclón; un cuerpo con un cuerpo cilíndrico superior de
diámetro D y altura h y un cono invertido inferior con
un diámetro de base D_{b}; y un localizador de vórtice
cilíndrico, de altura s- caracterizado por
interrelaciones entre los laterales, alturas y diámetros de modo
que las proporciones de las dimensiones internas correspondientes al
diámetro del ciclón interno D pertenecen a los siguientes
intervalos no dimensionales:
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
a/D \+ 0,270-0,360\cr b/D \+
0,270-0,360\cr s/D \+
0,330-0,495\cr D _{b} /D \+
0,200-0,300\cr}
2. Ciclón de flujo inverso -con una alta
eficacia, según la reivindicación previa, con un cuerpo de altura
H, con un cuerpo cilíndrico superior de altura h y un
localizador de vórtice cilíndrico de diámetro D_{e}-
caracterizado por tener su geometría definida,
adicionalmente, en términos de las proporciones de alturas y
diámetro al diámetro del ciclón interno correspondiente D,
por los siguientes intervalos no dimensionales:
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
D _{e} /D \+ 0,280-0,370\cr h/D \+
1,001-1,300\cr H/D \+
4,050-4,250\cr}
3. Ciclón de flujo inverso -con una alta
eficacia, según la primera reivindicación, con un cuerpo de altura
H, con un cuerpo cilíndrico superior de altura h y un
localizador de vórtice cilíndrico de diámetro D_{e}-
caracterizado por tener su geometría definida,
adicionalmente, en términos de las proporciones de alturas y
diámetro al diámetro del ciclón interno correspondiente D,
por los siguientes intervalos no dimensionales:
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
D _{e} /D \+ 0,405-0,430\cr h/D \+
2,050-2,260\cr H/D \+
3,500-3,700\cr}
y en términos de las proporciones según la
primera reivindicación, por los siguientes subgrupos:
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
a/D \+ 0,270-0,310\cr b/D \+
0,270-0,310\cr s/D \+
0,330-0,395\cr D _{b} /D \+
0,250-0,300\cr}
4. Ciclón según cualquiera de las
reivindicaciones previas, caracterizado porque los laterales
a y b son iguales, con una sección de entrada
cuadrada.
5. Ciclón según la reivindicación nº 3,
caracterizada por una entrada tangencial de aplicación al
cilindro.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PT102166A PT102166B (pt) | 1998-06-08 | 1998-06-08 | Ciclones de elevada eficiencia |
| PT10216698 | 1998-06-08 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2278433T3 true ES2278433T3 (es) | 2007-08-01 |
Family
ID=20085770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES99670006T Expired - Lifetime ES2278433T3 (es) | 1998-06-08 | 1999-06-08 | Ciclones de alta eficacia. |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0972572B1 (es) |
| AT (1) | ATE347448T1 (es) |
| DE (1) | DE69934274T2 (es) |
| ES (1) | ES2278433T3 (es) |
| PT (2) | PT102166B (es) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| ES2390332A1 (es) * | 2008-06-30 | 2012-11-12 | Petróleo Brasileiro S.A. Petrobras | Separador ciclónico con dos salidas de gas y método de separación. |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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