PT102166B

PT102166B - Ciclones de elevada eficiencia

Info

Publication number: PT102166B
Application number: PT102166A
Authority: PT
Inventors: Romualdo Luis Ribera Salcedo
Original assignee: Romualdo Luis Ribera Salcedo
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2000-03-31
Also published as: ATE347448T1; PT102166A; PT972572E; EP0972572B1; EP0972572A3; ES2278433T3; EP0972572A2; DE69934274D1; DE69934274T2

Description

DESCRIÇÃO “Ciclones de elevada eficiência

Domínio Técnico.

O presente invento, respeitando a um ciclone, enquadra-se no domínio dos equipamentos de despoeiramento.

Com efeito, os ciclones são despoeiradores utilizados em vários tipos de indústrias, com dois fins complementares: remoção de poeiras dos gases emitidos por processos, antes de serem libertados para a atmosfera (ex. fumos de caldeiras), e recuperação de poeiras úteis como matéria prima dos processos que as geraram (ex. indústria de madeiras, cortiças e metalomecânica).

Estado da técnica anterior.

Os ciclones industriais são de vários tipos, sendo os mais utilizados os do tipo de fluxo invertido, cujo esquema se mostra na figura 1. O gás entra pela secção ab e é obrigado a descrever uma espiral descendente, até que muda de direcção devido ao campo de pressões estabelecido (daí a designação de “fluxo invertido) saindo no topo pelo tubo de vórtice de altura s e diâmetro D_e. No seu trajecto descendente, as partículas são arrastadas para as paredes e acabam por cair no fundo do ciclone, sendo parte delas separadas do gás.

Os fabricantes de ciclones especificam os seus projectos através de “famílias”, caracterizadas por apresentarem relações fixas de certas dimensões internas chave, designadamente os sete rácios de a, b, s, D_e, h, H e D_b relativamente ao diâmetro interno D.

Embora, os primeiros ciclones datem já do século XIX, o certo é que não existe até ao presente nenhum modelo de cálculo que se possa aplicar com fiabilidade ao projecto de ciclones de fluxo invertido. Existe apenas uma teoria que consegue ajustar razoavelmente muitos dos dados existentes relativos a ciclones laboratoriais e à escala piloto ou industrial, tendo sido desenvolvida por Mothes e Loffler (1988), teoria essa doravante designada por teoria ML. A sua desvantagem é que apenas pode ser utilizada como diagnóstico (ajuste de resultados obtidos com ciclones existentes) e não como prognóstico (ou previsão do comportamento de ciclones com geometria arbitrária). O problema reside no desconhecimento do valor da difusividade turbulenta das partículas, parâmetro fundamental na teoria ML e do modo como ele é afectado pela geometria, condições operatórias e granulometria.

Alguns investigadores têm-se debruçado sobre este tema, incluindo o próprio Requerente (Clift et al., 1991; Salcedo, 1993, 1996; Salcedo e Fonseca, 1996). No entanto, até ao presente não foi possível descrever este parâmetro através de qualquer relação utilizável no projecto de ciclones.

Sendo assim, o problema da obtenção de geometrias mais eficientes tem sido abordado através da via empírica (por tentativa e erro), como o demonstram os poucos trabalhos existentes sobre o assunto (Li et al., 1988; Schmidt, 1993). Embora estes métodos conduzam a projectos melhorados, as melhorias não são geralmente muito significativas, requerendo demasiado tempo e custo de desenvolvimento.

Resumindo, os ciclones de fluxo invertido do mercado não são certamente os melhores, isto é, os mais eficientes e que, simultaneamente, possuam baixos consumos energéticos. Os fabricantes de ciclones vão projectando estes equipamentos baseados sobretudo na sua experiência e conhecimentos empíricos.

Seja, como for, uma comparação mais detalhada entre os ciclones conforme a presente invenção e os do estado anterior da técnica, designadamente o correspondente à patente EP0564992 e nove outros colhidos, essencialmente, de exemplos constantes da literatura, será feita adiante, tanto após a Descrição da invenção na parte final do respectivo capítulo, como ainda no capítulo Exemplos práticos.

Uma nova abordagem.

Com o objectivo de conseguir projectos de ciclones de eficiência significativamente superior à dos ciclones disponíveis no mercado, numa primeira fase, efectuou-se um estudo sobre a aplicabilidade (ajuste) da teoria ML às curvas de eficiência fraccional (eficiência versus tamanho das poeiras) de 21 casos relatados na literatura. Os ciclones estudados variam de 0,03658m a 0,305m de diâmetro D e os caudais de 0,7m³h'¹ a 835m³h'¹, ou seja, estudaram-se quer condições laboratoriais, quer condições à escala piloto e industrial. As difusividades turbulentas obtidas nos 21 ajustes foram de seguida correlacionadas com a granulometria, geometria dos ciclones e condições operatórias (caudal e temperatura). Conseguiu-se obter, após um esforço considerável, uma correlação empírica que explica 70% da variabilidade dos dados, e que é estatisticamente significativa com elevado grau de confiança (95%), isto é, uma correlação que pode ser utilizada com fiabilidade para o projecto de novos ciclones e previsão da sua eficiência. A correlação vem dada por:

Pe = A-Re ^B (1)

em que A e B são duas constantes, Pe é o número de Peclet, que depende da difusividade turbulenta das partículas, e Re é o número de Reynolds, que depende da geometria e condições operatórias. As condições operatórias, quando acopladas à teoria ML e à geometria do ciclone, fornecem os valores de Re. De seguida, retira-se da correlação (1) o valor de Pe, do qual se extrai directamente o valor da difusividade turbulenta das partículas. Esta correlação produz muito melhores resultados do que considerar um valor constante para a difusividade, tal como é proposto por alguns autores (Clift et al., 1991; Hoffmann et al., 1996) ou através de uma outra correlação proposta na literatura (Li e Wang, 1989).

Numa segunda fase, elaborou-se um programa de computador que efectua a optimização da geometria dos ciclones, baseada em dois critérios distintos: máxima eficiência ou máximo rácio eficiência/custos, sendo neste caso os custos de investimento e operatórios estimados pelo critério de Licht (1980), que define um parâmetro adimensional, K_Licht, o qual se pretende maximizar. O programa de computador utiliza a teoria ML com a difusividade retirada da correlação (1) e acopla-a com uma rotina de optimização desenvolvida pelo proponente (Salcedo, 1992).

Como restrições à optimização foram impostos vários critérios geométricos, para permitir a obtenção de ciclones com viabilidade de construção, e critérios de máxima queda de pressão admitida, a qual foi fixada em aproximadamente 1500Pa (150mmH₂O), tal como é vulgar em aplicações industriais deste tipo de equipamento. Foi igualmente incluído, como restrição, que a geometria obtida não conduzisse ao fenómeno de ressuspensão das poeiras (emissão para a atmosfera por arrastamento de

partículas previamente capturadas), tendo para isso sido utilizado o critério de Kalen e Zenz (Licht, 1980). Isto é, pretendeu-se que os ciclones optimizados tivessem uma eficiência de projecto o mais próximo possível da real.

Uma vez que os resultados da optimização obtidos na segunda fase forneceram geometrias que variavam conforme as condições operatórias, foi necessário proceder a trabalhosas simulações adicionais na tentativa de obtenção de uma única geometria para cada um dos dois critérios de optimização previamente fixados (máxima eficiência ou máximo rácio eficiência/custos). Tal exercício obrigou à realização de centenas de simulações/optimizações, até se conseguirem identificar traços comuns que definem duas famílias de ciclones, doravante designadas, respectivamente, por ciclone(s) A e ciclone(s) B.

Descrição da invenção.

Os ciclones de fluxo invertido e de alta eficiência conforme a invenção - que são do tipo dos que integram quer uma entrada tangencial de secção essencialmente rectangular, de lados a e b, o primeiro deles paralelo ao eixo do ciclone, quer um corpo de altura H, com um troço superior cilíndrico de diâmetro D e altura h e com um troço inferior tronco-cónico invertido de base menor de diâmetro D_b, quer ainda um tubo de vórtice cilíndrico, de diâmetro D_e e altura s - cuja geometria foi obtida do modo anteriormente descrito, caracterizam-se, consoante a respectiva família, A ou B (a primeira relativa aos ciclones de máxima eficiência e a segunda aos ciclones que maximizam o parâmetro K_Ucht, ou seja, o rácio eficiência/custos), por os referidos lados, alturas e diâmetros se relacionarem entre si de modo que os rácios das respectivas dimensões internas pela dimensão do dito diâmetro

interno D do corpo do ciclone se encontram compreendidos entre os valores (adimensionais) limite constantes das sete primeiras linhas da tabela 1.

Tal tabela, abaixo representada, para além dos sete rácios das dimensões chave anteriormente citadas, cujos valores limite se encontram representados na sua primeira parte, contém duas linhas adicionais: uma relativa ao parâmetro adimensional relativo à altura do cone (H/D-h/D) e a outra ao parâmetro K_Licht.

Λ? Rácio Ciclones A Ciclones B

a/D	0,270-0,360	0,270-0,310
b/D	0,270-0,360	0,270-0,310
s/D	0,330-0,495	0,330-0,395
De/D	0,280-0,370	0,405-0,430
h/D	1,001-1,300	2,050-2,260
H/D	4,050-4,250	3,500-3,700
Dt/D	0,200-0,300	0,250-0,300
(H-h)/D	2,750-3,250	1,240-1,650
^Licht	59,0	124,7
Tab.1 - Geometrias das famílias optimizadas

Para verificação de que as geometrias propostas são muito diferentes das disponíveis no mercado, representam-se, na tabela 2, os valores dos mesmos rácios constantes da tabela 1, mas relativamente às geometrias disponíveis na literatura.

Rácio	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)	(7)	(8)	(9)
a/D	0,544	0,500	0,500	0,750	0,500	0,440	0,500	0,583	0,635
b/D	0,306	0,230	0,200	0,375	0,250	0,210	0,250	0,208	0,279
s/D	0,544	0,654	0,500	0,875	0,625	0,500	0,600	0,583	0,500
De/D	0,500	0,523	0,500	0,750	0,500	0,400	0,500	0,500	0,583
h/D	0,544	0,654	1,500	1,500	2,000	1,400	1,750	1,333	1,750
H/D	2,988	3,165	4,000	4,000	4,000	3,900	3,750	3,170	3,850

Dt/D	0,500	0,317	0,375	0,375	0,250	0,400	0,400	0,500	0,400
(H-h)/D	2,444	2,511	2,500	2,500	2,000	2,500	2,000	1,837	2,100
^Licht	9,04	24,33	46,94	1,73	25,45	41,21	25,10	27,57	10,25

Tab. 2 - Geometrias de famílias disponíveis na literatura

Os nove ciclones a que se refere a tabela 2, encontram-se discriminados na tabela 3.

Ciclone

Almeida (1980). Ciclone para fumos de caldeira

Li et al. (1988). Ciclone Zhou^#8

Licht (1980). Ciclone Stairmand HE

Licht (1980). Ciclone Stairmand HT

Licht (1980). Ciclone Lapple

Licht (1980). Ciclone Swift HE

Licht (1980). Ciclone Swift GP

Licht (1980). Ciclone Petterson-Whitby

Ciclone de elevada eficiência comercializado em Portugal

Tab. 3 - Discriminação dos ciclones da Tabela 2

Da comparação dos valores constantes das tabelas 1 e 2, verificase que os ciclones A têm todos os rácios das dimensões chave diferentes de todos os outros nove ciclones, salvo em três casos, onde, ainda assim, as diferenças são enormes pois só um rácio é pontualmente comum sendo os restantes seis todos diferentes. No caso dos ciclones B a situação, em número, é precisamente idêntica.

Como características principais que distinguem as famílias optimizadas das restantes, ressaltam, entre outras que se podem extrair das tabelas, as seguintes:

- Entrada do gás através de secção preferencialmente quadrada e não rectangular;

- Tubo de vórtice mais estreito (D/D menor) e cone mais alto (H/D-h/D maior), nos ciclones A;

- Corpo cilíndrico mais alto (h/D maior) e cone menos alto (H/D-h/D menor), nos ciclones B;

- Elevado valor do factor K_Ljcht.

Por seu lado, igualmente para verificação de que as geometrias propostas são muito diferentes das correspondentes aos ciclones descritos no documento EP0564992 - doravante ciclones 10 - representam-se, na tabela 4, os valores dos mesmos rácios constantes da tabela 1, mas relativamente a estes ciclones.

Rácio (10)

a/D	0,274-0,500
b/D	0,141-0,258
s/D	0,270-0,750
De/D	0,300-0,700
h/D	0,160-1,000
H/D	0,800-2,000
Db/D	>0,640
(H-h)/D	<2,511
^Licht	80

Tab. 4 - Geometria do ciclone EP0564992

Da comparação dos valores constantes das tabelas 1 e 4, verificase que quer os ciclones A quer os B têm quatro dos sete rácios das dimensões chave integralmente diferentes dos dos ciclones 10, possuindo ainda, os ciclones A, dois dos restantes rácios das dimensões chave parcialmente distintos dos dos ciclones 10 e, os ciclones B, um deles também parcialmente distinto.

Como características principais que distinguem as famílias optimizadas da dos ciclones 10, ressaltam, entre outras que se podem extrair das tabelas 1 e 4, as seguintes:

- Cone mais alto (H/D-h/D maior), em todos os ciclones A, e tubo de vórtice mais estreito (D/D menor) para parte deles;

- Corpo cilíndrico mais alto (h/D maior) e maior valor do factor K_Lich(., nos ciclones B.

Por outro lado, os ciclones B, relativamente aos ciclones A, caracterizam-se por as características técnicas relativas aos três primeiros e ao último dos rácios das dimensões chave terem fortes traços em comum, resultantes de os respectivos valores limite definirem, para cada um desses rácios dos ciclones B, subconjuntos dentro dos intervalos dos correspondentes rácios dos ciclones A. Mais propriamente, no caso dos dois primeiros rácios, constata-se, pela identidade, entre si, dos respectivos limites, um traço de união entre as entradas dos ciclones dos dois tipos.

Portanto, o presente pedido de patente refere-se a duas famílias de geometrias de ciclones de fluxo invertido, as quais foram optimizadas por computador, possuindo características geométricas substancialmente distintas das dos ciclones existentes no mercado e sendo ambas significativamente mais eficientes. A família de ciclones A é de eficiência

máxima e a família de ciclones B, sendo de eficiência ligeiramente menor, tem, contudo, menores quedas de pressão e os respectivos custos operatórios são igualmente inferiores.

Breve descrição das figuras.

A figura 1 constitui uma representação esquemática de um ciclone de fluxo invertido, com a indicação das suas dimensões chave;

A figura 2 constitui uma representação proporcional dos oito primeiros ciclones indicados na tabela 2, para um diâmetro D (arbitrário) de 0,02m. As entradas do primeiro e do quarto ciclones são involutas.

A figura 3 representa um gráfico de eficiências fraccionais de ciclones do tipo A, versus ciclones do tipo 3 (da tabela 2), para vários diâmetros das poeiras. As condições operacionais foram as seguintes: caudal 0,9m³/h e diâmetro médio mássico de1,37pm.

A figura 4 representa um gráfico de eficiências globais de ciclones do tipo A, versus vários ciclones dos representados na figura 2 (designadamente os 2, 3, 6 e 8), para diversos caudais quantificados em massa de poeiras por volume de gás. As condições operacionais foram as seguintes: diâmetro médio mássico de 3,67pm.

A figura 5 representa um gráfico idêntico ao da figura 4, relativamente às mesmas condições operacionais, mas com referência a ciclones do tipo B em vez de do tipo A.

A figura 6 representa, para o mesmo diâmetro arbitrário da figura 2, e também proporcionalmente, um exemplo de ciclone A e um de ciclone B.

Exemplos práticos

Para confirmar experimentalmente os resultados obtidos, foram construídos 6 miniciclones, com diâmetros entre 0,0215m e 0,07m, sendo três do tipo Stairmand HE (Licht, 1980) - ciclone número 3 da tabela 2 e da figura 2 - e os outros três optimizados. Em todos os casos observou-se, nos optimizados, uma significativa melhoria na eficiência de captura.

A figura 3 mostra o comportamento de dois miniciclones, sendo o optimizado um ciclone A e o outro do tipo 3 conforme atrás referido. Esta figura mostra as eficiências experimentais (representadas por circunferências para o ciclone A e por círculos para o ciclone 3) e também, para ambos os ciclones, as eficiências previstas pela teoria ML quando acoplada à estimativa da difusividade pela correlação (1). Estas eficiências encontramse representadas por uma linha descontínua para o ciclone A e por uma linha contínua para o ciclone 3. A poeira a capturar é extraordinariamente fina, pois tem diâmetro médio (em massa) de 1,37pm. É a distribuição em massa que interessa considerar já que a legislação em vigor para a emissão de partículas se refere a massa de poeira por volume de gás. As eficiências globais (resultantes da ponderação das eficiências fraccionais pela massa) foram respectivamente de 38% e 55% para os ciclones Stairmand HE e optimizado, ou seja, as emissões do ciclone optimizado são cerca de 27% inferiores às do ciclone Stairmand HE.

A previsão do comportamento dos ciclones para situações industriais pode ser vista nas figuras 4 e 5, que comparam, para uma poeira muito fina (3,67pm de diâmetro médio em massa), as eficiências estimadas para as duas famílias optimizadas (A e B) e para quatro famílias de elevada eficiência conhecidas (Licht, 1980; Li et al., 1988). É notório o aumento de

'V eficiência esperado das famílias optimizadas. Para caudais entre 100200m³h'¹, típicos de multiciclones industriais (baterias de ciclones de pequenas dimensões em paralelo), prevêem-se emissões, com ciclones A, cerca de 30-45% inferiores às dos ciclones de elevada eficiência Swift HE e Stairmand HE, respectivamente, (figura 4), Para a geometria dos ciclones B, prevêem-se emissões cerca de 20-35% inferiores (figura 5).

Em termos de comparação com os ciclones 10 para o mesmo tipo de poeira a que se refere a figura 4 e, por exemplo, para um caudal de 110m³h'¹, enquanto que a eficiência de um ciclone A é de 92,5% - conforme se extrai da dita figura - a de um ciclone 10 com dimensões correspondentes sensivelmente ao valor médio dos intervalos preferenciais de rácios indicados em EP0564992, queda-se pelos 78,2% ou mesmo só pelos 65%, se se considerar a velocidade máxima admitida para evitar o fenómeno de ressuspensão.

Assim, estima-se que qualquer das geometrias optimizadas consiga reduzir significativamente as emissões em comparação com outras geometrias de elevada eficiência. Estas previsões estão de acordo com os valores obtidos em laboratório e apresentados acima.

Ora, o desenvolvimento de ciclones com eficiências significativamente superiores às dos ciclones actualmente existentes, sobretudo para partículas de diâmetro abaixo de 2-3pm, tem um elevado potencial para aplicação industrial. Várias indústrias (madeiras, metalomecânicas, cimenteiras, produção química de granulados e em pó) poderiam usufruir de equipamentos de baixo custo e com eficiência suficiente para colmatar a necessidade de recorrer a equipamentos muito mais caros, como filtros de mangas e electrofiltros. Mesmo que a legislação apenas possa ser cumprida recorrendo a filtros de mangas ou electrofiltros, a existência de ciclones de muito elevada eficiência a montante seria amplamente justificada pela protecção que os ciclones trariam aos equipamentos mais dispendiosos, mediante a menor abrasão, erosão e desgaste destes. Acresce que, em alguns casos de processos a elevadas temperaturas e pressão, os ciclones são actualmente os únicos despoeiradores que se podem aplicar.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1^a. - Ciclone de fluxo invertido, de elevada eficiência - integrando uma entrada tangencial de secção essencialmente rectangular, de lados a e b, o primeiro deles paralelo ao eixo do ciclone; um corpo com um troço superior cilíndrico de diâmetro D e com um troço inferior tronco-cónico invertido de base menor de diâmetro D_b, e um tubo de vórtice cilíndrico de altura s - caracterizado por ter uma geometria definida, em termos dos rácios das dimensões internas dos referidos lados, altura e diâmetros pela dimensão do dito diâmetro interno D do corpo do ciclone, pelo conjunto dos seguintes parâmetros (adimensionais):

a/D 0,270-0,360; b/D 0,270-0,360; s/D 0,330-0,495; DJD 0,200-0,300.
2^a. - Ciclone de fluxo invertido, de elevada eficiência, conforme a reivindicação anterior - com o corpo de altura H, sendo o respectivo troço superior cilíndrico de altura h, e com o tubo de vórtice cilíndrico de diâmetro D_e - caracterizado por ter uma geometria definida, adicionalmente, em termos dos rácios das dimensões internas da referidas alturas e diâmetro pela dimensão do dito diâmetro interno D do corpo do ciclone, pelo conjunto dos seguintes parâmetros (adimensionais):

D/D h/D

H/D

0,280-0,370;

1,001-1,300; 4,050-4,250.
3^a. - Ciclone de fluxo invertido, de elevada eficiência, conforme a primeira reivindicação - com o corpo de altura H, sendo o respectivo troço superior cilíndrico de altura h, e com o tubo de vórtice cilíndrico de diâmetro D_e - caracterizado por ter uma geometria definida, adicionalmente, em termos dos rácios das dimensões internas da referidas alturas e diâmetro pela dimensão do dito diâmetro interno D do corpo do ciclone, pelo conjunto dos seguintes parâmetros (adimensionais):

D_e/D h/D 0,405-0,430; 2,050-2,260; /* ' \'.-y H/D 3,500-3,700; e,

em termos dos rácios constantes da dita primeira reivindicação, pelos seus seguintes subconjuntos:

a/D 0,270-0,310; b/D . 0,270-0,310; s/D 0,330-0,395; Dt/D 0,250-0,300.
4^a. - Ciclone conforme qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por preferencialmente a dimensão dos lados a e b ser igual, sendo a secção de entrada quadrada.
5^a. - Ciclone conforme qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por a entrada, embora tangencial, ser involuta.