Guia de Laboratorio Ciclón

 

 

UNIVERSIDAD DE NARIÑO  FACULTAD DE CIENCIAS AGRÍCOLAS  DEPARTAMENTO DE RECURSOS NATURALES Y SISTEMAS AGROFORESTALES- RENSAF  LABORATORIO CALIDAD DE AIRE- LCAR  Guía de laboratorio No. 7 ASIGNATURA CÓDIGO TITULO DE LABORATORIO ELABORADO POR REVISADO POR

Contaminación y Calidad del Aire  –   –  Control de Emisiones LCAR07 Separador de Partículas Ciclónico Rubén Paladines Flórez y Carolina Cabrera Luna Diana Carolina Morales

INTRODUCCIÓN La desmesurada contaminación atmosférica, al provocar una gran magnitud de efectos adversos sobre la salud de todo ser vivo, hace que dicho crecimiento sea visto en el mundo como uno de los principales problemas ambientales. Por tal razón, para disminuir o mitigar la contaminación en el recurso aire, diferentes organizaciones e instituciones en congruencia a la normatividad ambiental y a las estrategias propuestas por agencias de protección ambiental, han formulado e implementado técnicas que logren disminuir de manera significativa la emisión de gases contaminante contaminantess y material particulado (Valdivi (Valdivia, a, 2012). Una de las técnicas empleadas con co n mayor frecuencia por su bajo costo y facilidad de em empleo, pleo, es la separación de partículas a través de un equipo ciclónico, que utiliza la fuerza centrífuga para remover el material particulado de los gases presentes en fuentes fijas de procesos industriales. Para un mayor entendimiento del proceso ejecutado por el ciclón de partículas, en esta guía de laboratorio se abarcará el paso a paso de su funcionamiento y el análisis respectivo de su porcentaje de eficiencia en la remoción de diferentes materiales contaminantes.

OBJETIVO GENERAL Evaluar el funcionamiento de un separador de partículas ciclónicas, comprendiendo la eficiencia que puede llegar a tener. OBJETIVOS ESPECÍFICOS   Medir longitudes del separador de partículas ciclónico   Calcular el caudal del separador   Determinar la eficiencia de remoción del separador de partículas ciclónico 



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DEFINICIONES  Ciclones

Los ciclones o separadores centrífugos permiten la purificación del aire o de un gas del polvo utilizando el principio de la fuerza centrífuga.

 

 

Material particulado

Fuerza centrifuga

Se denomina material particulado a una mezcla de partículas líquidas y sólidas, de sustancias orgánicas e inorgánicas, que se encuentran en suspensión en el aire. Es una fuerza ficticia que aparece cuando se describe el movimiento de un cuerpo en un sistema de referencia o rotación. El calificativo de “centrífuga” significa que “huye del centro”; en efecto, un observador no inercial situado sobre una plataforma giratoria siente que existe una «fuerza» que actúa sobre él, que le impide permanecer en reposo sobre

la ejeplataforma de rotacióna menos que él mismo realice otra fuerza dirigida hacia el Remolino de viento o aire que avanza rápidamente y levanta a su paso Vórtice polvo o materias poco pesadas. La eficiencia de un proceso o de un dispositivo se define como la relación Eficiencia entre la energía útil y la energía invertida para lograr un efecto en cuestión con el mínimo de recursos posibles o en el menor tiempo posible. MARCO TEÓRICO Los separadores tipo ciclón son equipos ampliamente utilizados para el control de la contaminación del aire (Jiménez et al. 2008) debido a que éstos constituyen uno de los medios menos costosos de recolección de polvo, tanto desde el punto de vista de operación como de la inversión. Dichos dispositivos son básicamente construcciones simples que no cuentan con partes móviles, lo cual facilita las operaciones de mantenimiento; así como pueden ser hechos de una amplia gama de materiales y ser diseñados para altas temperaturas (que ascienden incluso a 1000 oC) y presiones de operación (Londoño, 2006).  Además, los separadores de partículas tipo ciclón son reconocidos por su fácil empleo ya que sin importar el material o las dimensiones en las que están hechos, cumplen con el siguiente principio de funcionalidad: En un ciclón, el gas entra en la cámara superior tangencialmente y desciende en espirales hasta el ápice de la sección cónica; luego, asciende en un segundo espiral, con diámetro más pequeño, y sale por la parte superior a través de un ducto vertical centrado. Los sólidos se mueven radialmente hacia las paredes, se deslizan por las paredes, y son recogidos en la parte inferior. El diseño apropiado de la sección cónica del ciclón obliga al cambio de dirección del vórtice descendente; el vórtice ascendente tiene un radio menor, lo que aumenta las velocidades tangenciales; en el cono se presenta la mayor colección partículas, especialmente de las partículas pequeñas al reducirse el radio dede giro (Marañón, 2015).

Uno de los múltiples tipos y diseños existentes, es el ciclón con diseño alternativo, el cual cuenta con una corriente de aire secundaria para recolectar la mezcla de aire a depurar. Que en últimas, lo que logra este diseño es que a partir del ingreso del flujo de aire secundario, el flujo de aire primario (mezcla gas-partículas) pueda entrar desde la parte lateral del ciclón, y así ser separadas todas las partículas de la mezcla de aire contaminada, por acción de la fuerza f uerza centrífuga. Para un mayor entendimiento del funcionamiento del separador de partículas tipo ciclón es necesario reconocer a la fuerza centrífuga, como aquella fuerza que se genera por los giros del gas dentro del ciclón y que dependiendo de la velocidad a la que se someta el gas ydepurar el radioen decierto giro de éste,las dicha fuerzade resulta ser mayor a la fuerza gravitacional, para así grado muestras aire contaminadas.

 

 

Teóricamente el aumento de la velocidad de entrada al ciclón implicaría un aumento de la fuerza centrífuga  y, por lo tanto, un aumento de la eficiencia; sin embargo, si las velocidades de entrada llegan a ser muy altas van a generar la resuspensión de material particulado de las paredes internas del ciclón, lo cual disminuye dism inuye en cierto grado la eficiencia del ciclón; adicionalmente, aumentar la velocidad de entrada implica mayor consumo de energía (Londoño, 2006).  Adicional  Adicionalmente mente para el cálculo d de e la eficiencia  del diseño, se debe contemplar el siguiente diseño con sus respectivas relaciones geométricas,  que comúnmente son abarcados por el separador de partículas ciclónico:

Imagen 1. Modelo de Separador de Partícula Ciclónico Convencional – Convencional  –   Fuente: Petit, H. et al., 2012

Relaciones geométricas, con características de ciclones estudiados por Petit et al  (2012) Tabla 1 Relaciones geométricas en ciclones convencionales Dimensión Rel. Lapple Vibco dimensional Diámetro del ciclón Dc/Dc 1 1  Altura de entrada entrada a/Dc 0.5 0.4  Ancho de entrada b/Dc 0.25 0.31  Altura de salida salida S/Dc 0.625 0.433 Diámetro de salida Ds/Dc 0.5 0.4  Altura de la parte h/Dc 2 0.8 cilíndrica  Altura cónica de la parte  Altura total del ciclón ciclón Diámetro de la salida del polvo Número de cabezas de velocidad Número de Vórtices

Muschelknautz D 1 0.5 0.15 0.9 0.33 0.73

z/Dc H/Dc B/Dc

2 4 0.25

1.72 2.5 0.23

1.68 2.4 0.55

NH

8

12.4

11.0

N

6

4.1

3.12

Tabla 2 Relaciones geométricas en ciclones de alta eficiencia Dimensión Rel. Stairmand Storch 4 dimensional Diámetro del ciclón Dc/Dc 1 1  Altura de entrada entrada a/Dc 0.5 1  Ancho de entrada entrada b/Dc 0.2 0.15  Altura de salida salida S/Dc 0.5 0.68 Diámetro de salida Ds/Dc 0.5 0.45

Tengbergen C 1 0.3 0.3 0.43 0.33

 

 

 Altura de la parte cilíndrica  Altura de la parte cónica  Altura total del ciclón ciclón Diámetro de la salida del polvo Número de cabezas

h/Dc

1.5

3.5

0.55

z/Dc

2.5

2.7

2.2

H/Dc B/Dc

4 0.375

6.2 0.35

2.75 0.33

NH

6.4

11.8

13.2

de velocidad Número de Vórtices

N

5.5

4.85

5.5

Tabla 3 Relaciones geométricas en ciclones de alta capacidad Dimensión Rel. Stairmand dimensional HF Diámetro del ciclón Dc/Dc 1  Altura de entrada entrada a/Dc 0.75  Ancho de entrada entrada b/Dc 0.375  Altura de salida salida S/Dc 0.875 Diámetro de salida Ds/Dc 0.75  Altura de la parte parte cilíndrica h/Dc 1.5  Altura de la parte parte cónica z/Dc 2.5  Altura total del ciclón ciclón H/Dc 4 Diámetro dedela salida del polvo Número cabezas de B/Dc NH velocidad Número de Vórtices N

Tengbergen B 1 0.85 0.27 1.06 0.53 1.54 1.35 2.9

0.375 8

0.53 13.1

3.7

2.62

Entonces, La eficiencia eficien cia total se define como el porcentaje de la masa de partículas entrantes que es separado en el ciclón. Para el cálculo de la eficiencia de remoción llevada a cabo en laboratorios, se hace un cálculo sencillo en el que se relaciona el resultado generado (material particulado removido en un intervalo de tiempo) sobre el resultado previsto (material particulado a remover en un intervalo de tiempo).

Ecuación 1

  =      ×100 Otro modelo para estimar la eficiencia de remoción de partículas se basa en el número de giros o vórtices externos que la corriente gaseosa realiza en el interior del ciclón (Leith & Licht, 1972; Clift et al., 1991; Cortés & Gil, 2007; Echeverri, 2006). El número de vórtices es común para cada familia de ciclones. Los valores de este número para las principales familias de ciclones se incluyen en las Tabla 1, 2 y 3. La ec. 2 relaciona la eficiencia del ciclón con los parámetros geométricos, las propiedades del fluido y las condiciones de operación.

Ecuación 2

  −       =− [    ] 

ρp

Dónde: de giros o vórtices; : Densidad  de la partícula; Dp: Diámetro de la partícula;N:VNúmero gas.   i: Velocidad de entrada del gas y μ: viscosidad de gas. 

 

 

MATERIALES Y EQUIPOS          

  





Separador de partículas ciclónico Anemómetro Balanza digital Pie de rey Cinta métrica

  Material de muestra (Confeti (Confeti –  – Esferas  Esferas de poliestireno – poliestireno – Esferas  Esferas de Sílice)   Probeta de 250 mL   Tapaoídos



 

PROCEDIMIENTO   Tomar medidas del ciclón

1.

Tabla 4 Registro de relaciones dimensionales

Diámetro del ciclón Altura de entrada Ancho de entrada Altura de salida Diámetro de salida Altura de la parte cilíndrica Altura de la parte cónica Altura total del ciclón Diámetro de la salida del polvo   Calcular el caudal:

2.

= 

Dónde: Q: Caudal; V: Velocidad y A: Área de la salida de la manguera (π*r 2) Para determinar la velocidad se usará un anemómetro en la salida de la manguera de aire. Tabla 5 Registro de Velocidad y Caudal

Vel (m/s) Q (m3 /s)    Preparación de la muestra

3.

Área (m2)

 

 

Una vez, tomadas las medidas del ciclón y haber calculado el caudal se prosigue a la preparación de la muestra; pesándola previamente y modificando la cantidad de granos para evaluar la eficiencia de remoción del ciclón. Tabla 6 Registro de los pesos a usar por muestra

Peso de partículas (g)

Material Esferas poliestireno Esferas de sílice Confeti

de Medida1

Medida 2

Medida 3

  Toma de la muestra

4.

Una vez encendido el ciclón se ingresa al ciclón el peso preparado por cada una de las muestras, en un lapso de 1 minuto. Transcurrido este tiempo, se detiene el equipo. Se recoge en un bote las partículas dosificadas, se las pesa y se calcula la eficiencia del muestreo. *Ecuación 1

Eficiencia= Peso Pesoretenido inicial  ×100  Tabla 7 Registro de la eficiencia calculada por cada peso de muestra

Material empleado Esferas de poliestireno  Esferas de sílice  Confeti 

Peso de partículas Eficiencia (%) recolectadas (g) Medida 1 Medida 2  Medida 3 Medida 1 Medida 2  Medida 3 Medida 1 Medida 2  Medida 3

  Cálculo de la densidad

5.

Por último, se calcula la densidad de los granos que se introducen en el ciclón. Para ello, se toma una masa fija de partículas y se mete en una probeta con un volumen conocido (40 mL). Midiendo la variación de volumen y conociendo una masa estándar de las partículas se obtiene su densidad.

Tabla 8 Registro de densidades 3

Material

Densidad g/m

 

 

Esferas de poliestireno Esferas de sílice Confeti

  Suponiendo que las mezclas de aire contaminadas utilizadas en laboratorio tienen las siguientes viscosidades:

6.

Tabla 9 Valores teóricos de viscosidad

Material

Viscosidad g/m3

Esferas de poliestireno Esferas de sílice Confeti

  Calcular el porcentaje de remoción, empleando la ecuación 1 explicada en el marco teórico y los datos experimentales obtenidos durante toda la práctica de laboratorio. Tener en cuenta también las tablas 1, 2 y 3 para identificar el número de vórtices efectuado por el ciclón (asemejar relaciones dimensionales experimentales con las teóricas). Los cálculos elaborados deben llevan una discusión o análisis.

7.

BIBLIOGRAFÍA Londoño, C. 2006. Diseño óptimo de ciclones. Revista Ingenierías Universidad de Medellín. Medellín – Medellín  – Colombia.  Colombia. 5 (9):123-139. Monteagudo, J. & Durán, A. 2008. Guion G uion de prácticas de laboratorio de Ingeniería Ambiental. Ambiental. Editorial Grupo de Ingenierí I ngeniería a Química. Jiménez, B.; Castillo, R. & Álvarez D. 2010. Transparencias y apuntes teóricos de Ingeniería  Ambiental. Marañon, Elena; Mahamud, Manuel; Castrillón Leonor & Sastre, Herminio. 2015; “Problemas de Ingeniería Ambiental”. Publicaciones de la Universidad de Oviedo. Petit, H.; Pico, L. & Barbosa, M. 2012. Influencia de la longitud del cono de un ciclón sobre las variables de flujo. Avances en Ciencia e Ingeniería. Olavarría – Olavarría  – Argentina.  Argentina. 3 (3): 103-118.