Separación ciclónica

La separación ciclónica es un método para eliminar partículas de una corriente de aire, gas o líquido, sin el uso de filtros , mediante separación por vórtice . ^{[ 1 ]} Para eliminar partículas de un líquido, se utiliza un hidrociclón ; para eliminarlas de un gas, se utiliza un ciclón de gas. Los efectos rotacionales y la gravedad se emplean para separar mezclas de sólidos y fluidos. El método también puede utilizarse para separar finas gotas de líquido de una corriente gaseosa.

Dentro de un recipiente cilíndrico o cónico llamado ciclón, se establece un flujo de aire giratorio de alta velocidad . El aire fluye en forma helicoidal , comenzando en la parte superior (extremo ancho) del ciclón y terminando en la parte inferior (extremo estrecho), antes de salir en línea recta por el centro y hacia la parte superior. Las partículas más grandes (y densas) en la corriente giratoria tienen demasiada inercia para seguir la curva pronunciada de la corriente, por lo que chocan contra la pared exterior y caen al fondo del ciclón, donde pueden ser eliminadas. En un sistema cónico, a medida que el flujo giratorio se mueve hacia el extremo estrecho del ciclón, el radio de rotación de la corriente se reduce, separando así partículas cada vez más pequeñas. La geometría del ciclón, junto con el caudal volumétrico , define el punto de corte del ciclón. Este es el tamaño de partícula que se eliminará de la corriente con una eficiencia del 50 %. ^{[ 2 ]} Las partículas más grandes que el punto de corte se eliminarán con mayor eficiencia, y las partículas más pequeñas con menor eficiencia, ya que se separan con mayor dificultad o pueden estar sujetas a reincorporación cuando el vórtice de aire invierte su dirección para moverse hacia la salida. ^{[ 3 ]}

Un diseño alternativo de ciclón utiliza un flujo de aire secundario en su interior para evitar que las partículas recolectadas impacten contra las paredes, protegiéndolas así de la abrasión. El flujo de aire primario, que contiene las partículas, entra por la parte inferior del ciclón y es forzado a girar en espiral por paletas giratorias fijas. El flujo de aire secundario entra por la parte superior y se desplaza hacia abajo, interceptando las partículas del aire primario. Este flujo de aire secundario también permite montar el colector horizontalmente, ya que empuja las partículas hacia la zona de recolección y no depende únicamente de la gravedad para realizar esta función.

Los separadores ciclónicos se encuentran en todo tipo de aplicaciones industriales y de energía, incluidas plantas de pulpa y papel, plantas de cemento, acerías, plantas de coque de petróleo, plantas metalúrgicas, aserraderos y otros tipos de instalaciones que procesan polvo. ^{[ 4 ]}

Los ciclones de gran escala se utilizan en aserraderos para eliminar el aserrín del aire extraído. También se emplean en refinerías de petróleo para separar aceites y gases, y en la industria cementera como componentes de precalentadores de hornos . Su uso en el hogar es cada vez más frecuente, como tecnología central en aspiradoras portátiles sin bolsa y sistemas de aspiración centralizada . Asimismo, se utilizan en la ventilación de cocinas industriales y profesionales para separar la grasa del aire de escape en campanas extractoras. ^{[ 5 ]} Los ciclones más pequeños se emplean para separar partículas en suspensión para su análisis. Algunos son lo suficientemente pequeños como para llevarlos sujetos a la ropa y se utilizan para separar partículas respirables para su posterior análisis.

Se utilizan separadores similares en la industria de refinación de petróleo (por ejemplo, para el craqueo catalítico fluidizado ) para lograr una rápida separación de las partículas del catalizador de los gases y vapores reactivos. ^{[ 6 ]}

Los ventiladores ciclónicos se utilizan ampliamente en sistemas industriales de ventilación y tratamiento de aire debido a su capacidad para generar una alta fuerza centrífuga. ^{[ 7 ]} Su aplicación principal se encuentra en sistemas de recolección de polvo, donde separan y recuperan partículas medianas y grandes —como aserrín, polvo de cemento y granos agrícolas— en instalaciones de carpintería , construcción y molienda. Además, la tecnología ciclónica se integra en ventiladores industriales de techo para la extracción de calor y en aspiradoras domésticas para separar los residuos del flujo de aire, evitando la obstrucción de los filtros y manteniendo una potencia de succión constante.

Los dispositivos análogos para separar partículas o sólidos de líquidos se denominan hidrociclones o hidroclones. Estos pueden utilizarse para separar los residuos sólidos del agua en el tratamiento de aguas residuales .

Los tipos más comunes de colectores centrífugos o inerciales que se utilizan hoy en día son:

Separadores de ciclones múltiples

Los separadores de ciclones múltiples constan de varios ciclones de pequeño diámetro que funcionan en paralelo y tienen una entrada y salida de gas comunes, como se muestra en la figura, y funcionan según el mismo principio que los separadores de un solo ciclón: crear un vórtice exterior descendente y un vórtice interior ascendente.

Los separadores de ciclones múltiples eliminan más polvo que los de un solo ciclón, ya que los ciclones individuales tienen mayor longitud y menor diámetro. La mayor longitud proporciona un tiempo de residencia más prolongado, mientras que el menor diámetro genera una mayor fuerza centrífuga. Estos dos factores dan como resultado una mejor separación de las partículas de polvo. La caída de presión en los colectores de los separadores de ciclones múltiples es mayor que en los de un solo ciclón, lo que requiere más energía para limpiar la misma cantidad de aire. Un separador de ciclón de una sola cámara del mismo volumen es más económico, pero no elimina tanto polvo.

Como el ciclón es esencialmente un sistema bifásico partícula-fluido, se pueden utilizar ecuaciones de mecánica de fluidos y transporte de partículas para describir su comportamiento. El aire en un ciclón se introduce inicialmente tangencialmente en el ciclón con una velocidad de entrada.${\displaystyle V_{in}}$Suponiendo que la partícula sea esférica, se puede establecer un análisis sencillo para calcular los tamaños de partícula críticos para la separación.

Si se considera una partícula aislada que gira en el componente cilíndrico superior del ciclón a un radio de rotación de${\displaystyle r}$Desde el eje central del ciclón, la partícula está, por lo tanto, sujeta a fuerzas de arrastre , centrífugas y de flotación . Dado que la velocidad del fluido se mueve en espiral, la velocidad del gas se puede dividir en dos componentes de velocidad: una componente tangencial,${\displaystyle V_{t}}$y un componente de velocidad radial hacia afuera${\displaystyle V_{r}}$Suponiendo la ley de Stokes , la fuerza de arrastre en la dirección radial hacia afuera que se opone a la velocidad hacia afuera sobre cualquier partícula en la corriente de entrada es:

${\displaystyle F_{d}=-6\pi r_{p}\mu V_{r}.}$

Usando${\displaystyle \rho _{p}}$En función de la densidad de la partícula, el componente centrífugo en la dirección radial hacia afuera es:

${\displaystyle F_{c}=m{\frac {V_{t}^{2}}{r}}}$

${\displaystyle ={\frac {4}{3}}\pi \rho _{p}r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}.}$

El componente de fuerza de flotación está en la dirección radial hacia adentro. Está en la dirección opuesta a la fuerza centrífuga de la partícula porque actúa sobre un volumen de fluido que falta en comparación con el fluido circundante.${\displaystyle \rho _{f}}$Para la densidad del fluido, la fuerza de flotación es:

${\displaystyle F_{b}=-V_{p}\rho _{f}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}}$

${\displaystyle =-{\frac {4\pi r_{p}^{3}}{3}}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{f}.}$

En este caso,${\displaystyle V_{p}}$es igual al volumen de la partícula (a diferencia de la velocidad). El movimiento radial hacia afuera de cada partícula se determina igualando la segunda ley del movimiento de Newton a la suma de estas fuerzas:

${\displaystyle m{\frac {dV_{r}}{dt}}=F_{d}+F_{c}+F_{b}}$

Para simplificar esto, podemos suponer que la partícula en consideración ha alcanzado la "velocidad terminal", es decir, que su aceleración${\displaystyle {\frac {dV_{r}}{dt}}}$es cero. Esto ocurre cuando la velocidad radial ha generado suficiente fuerza de arrastre para contrarrestar las fuerzas centrífuga y de flotabilidad. Esta simplificación cambia nuestra ecuación a:

${\displaystyle F_{d}+F_{c}+F_{b}=0}$

Lo cual se expande a:

${\displaystyle -6\pi r_{p}\mu V_{r}+{\frac {4}{3}}\pi r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{p}-{\frac {4}{3}}\pi r_{p}^{3}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}\rho _{f}=0}$

Resolver para${\displaystyle V_{r}}$tenemos

${\displaystyle V_{r}={\frac {2}{9}}{\frac {r_{p}^{2}}{\mu }}{\frac {V_{t}^{2}}{r}}(\rho _{p}-\rho _{f})}$.

Observe que si la densidad del fluido es mayor que la de la partícula, el movimiento es negativo (-), hacia el centro de rotación, y si la partícula es más densa que el fluido, el movimiento es positivo (+), alejándose del centro. En la mayoría de los casos, esta solución se utiliza como guía para el diseño de un separador, mientras que el rendimiento real se evalúa y modifica empíricamente.

En condiciones de no equilibrio, cuando la aceleración radial no es cero, se debe resolver la ecuación general anterior. Reordenando los términos obtenemos

${\displaystyle {\frac {dV_{r}}{dt}}+{\frac {9}{2}}{\frac {\mu }{\rho _{p}r_{p}^{2}}}V_{r}-\left(1-{\frac {\rho _{f}}{\rho _{p}}}\right){\frac {V_{t}^{2}}{r}}=0}$

Desde${\displaystyle V_{r}}$es distancia por tiempo, esta es una ecuación diferencial de segundo orden de la forma${\displaystyle x''+c_{1}x'+c_{2}=0}$.

Experimentalmente se encuentra que el componente de velocidad del flujo rotacional es proporcional a${\displaystyle r^{2}}$, ^{[ 9 ]} por lo tanto:

${\displaystyle V_{t}\propto r^{2}.}$

Esto significa que la velocidad de alimentación establecida controla la tasa de vórtice dentro del ciclón, y la velocidad a un radio arbitrario es, por lo tanto:

${\displaystyle U_{r}=U_{in}{\frac {r}{R_{in}}}.}$

Posteriormente, dado un valor para${\displaystyle V_{t}}$En función del ángulo de inyección y de un radio de corte, se puede estimar un radio característico de filtrado de partículas, por encima del cual se eliminarán las partículas del flujo de gas.

• Recolección de polvo horizontal de alta eficiencia
• Patente 2377524 (junio de 1945)
• Enlace alternativo a la patente citada