Ciclones
Ciclones
Ciclones
Figura 11.1. a) Vista exterior de un ciclón típico, Fuente: Ortegas-Rivas (2005); b) Movimiento
de sólidos y gases en el interior del ciclón, Fuente: Walas (1990).
INTRODUCCIÓN:
El equipo de recolección de polvo que se usa con mayor frecuencia es el ciclón. Los ciclones
remueven el material particulado de la corriente gaseosa, basándose en el principio de
impactación inercial, generado por la fuerza centrífuga. La figura 1 muestra el movimiento de
las partículas mayores hacia las paredes del ciclón debido a la fuerza centrífuga. El ciclón es
esencialmente una cámara de sedimentación en que la aceleración gravitacional se sustituye
con la aceleración centrifuga. Los ciclones constituyen uno de los medios menos costosos de
recolección de polvo, tanto desde el punto de vista de operación como de la inversión. Estos
son básicamente construcciones simples que no cuentan con partes móviles, lo cual facilita las
operaciones de mantenimiento; pueden ser hechos de una amplia gama de materiales y
pueden ser diseñados para altas temperaturas (que ascienden incluso a 1,000 °C) y presiones
de operación.
Figura 1. Mecanismos de colección de partículas en un ciclón.
Los ciclones son adecuados para separar partículas con diámetros mayores de 5 µm; aunque
partículas muchos más pequeñas, en ciertos casos, pueden ser separadas. Los ciclones
presentan eficiencias mayores que la cámara de sedimentación gravitacional y eficiencias
menores que los filtros de talegas, lavadores y precipitadores electrostáticos. La fuerza
centrífuga generada por los giros del gas dentro del ciclón puede ser mucho mayor que la fuerza
gravitacional, ya que la fuerza centrífuga varía en magnitud dependiendo de la velocidad de giro
del gas y del radio de giro. 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 velocidades de entrada muy altas generan la resuspensión de material particulado de
las paredes internas del ciclón, lo cual disminuye la eficiencia del ciclón; adicionalmente
aumentar la velocidad de entrada implica mayor consumo de energía.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
En un ciclón, la trayectoria del gas comprende un doble vórtice, en donde el gas dibuja una
espiral descendente en el lado externo y ascendente en el lado interno. Las figuras 2 y 3 ilustran
dichos vórtices.
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 de partículas, especialmente de las
partículas pequeñas al reducirse el radio de giro.
FAMILIAS DE CICLONES
Los ciclones son un dispositivo de control de material particulado bastante estudiado, el diseño
de un ciclón se basa normalmente en familias de ciclones que tienen proporciones definidas.
– Ciclones convencionales.
Los margenes de la eficiencia de remoción para los ciclones, están con frecuencia basados en las
tres familias de ciclones, es decir, convencional, alta eficiencia y alta capacidad. La tabla 1
presenta el intervalo de eficiencia de remoción para las diferentes familias de ciclones.
Los ciclones de alta eficiencia están diseñados para alcanzar mayor remoción de las partículas
pequeñas que los ciclones convencionales. Los ciclones de alta eficiencia pueden remover
partículas de 5 µm con eficiencias hasta del 90%, pudiendo alcanzar mayores eficiencias con
partículas más grandes. Los ciclones de alta eficiencia tienen mayores caídas de presión, lo cual
requiere de mayores costos de energía para mover el gas sucio a través del ciclón. Por lo general,
el diseño del ciclón está determinado por una limitación especificada de caída de presión, en
lugar de cumplir con alguna eficiencia de control especificada. Los ciclones de alta capacidad
están garantizados solamente para remover partículas mayores de 20 µm, aunque en cierto
grado ocurra la colección de partículas más pequeñas. Se ha reportado que los multiciclones han
alcanzado eficiencias de recolección de 80 a 95 % para partículas de 5 µm. Las tabla 2 a 4
presentan un resumen de las características de las principales familias de ciclones de entrada
tangencial. La figura 4 identifica las principales dimensiones del ciclón de entrada tangencial. El
diámetro del ciclón identifica la dimensión básica de diseño, todas las demás dimensiones
simplemente son una proporción del diámetro del ciclón.
Tabla 2. Características de los ciclones de alta eficiencia.
No existen un método teórico sencillo que permita el cálculo de la eficiencia (definido como el
porcentaje de la masa de partículas entrante que es separado en el ciclón) de forma exacta. Esto
es en parte debido a que, en la práctica, partículas pequeñas que teóricamente deberían salir
con el gas, debido a la aglomeración y al barrido y choque con partículas mayores, serán
capturadas; mientras, partículas grandes que deberían ser retenidas rebotarán contra las
paredes o serán capturadas por turbulencias, escapándose del ciclón.
b) Falta de partes móviles, por lo tanto, pocos requerimientos de mantenimiento y bajos costos
de operación.
Los ciclones son diseñados para muchas aplicaciones. Generalmente, los ciclones por si solos no
son adecuados para cumplir con las reglamentaciones más estrictas en materia de
contaminación del aire, pero tienen un propósito importante como pre-limpiadores antes del
equipo de control final más caro, tal como los precipitadores electrostáticos (PEs) o los filtros de
tela. Además del uso en tareas de control de la contaminación, los ciclones se utilizan en muchas
aplicaciones de proceso, como por ejemplo, para la recuperación y reciclado de productos
alimenticios y materiales de proceso tales como los catalizadores. Disminución de material
particulado en calderas, retiro del aire en redes de procesos neumáticos.
Los ciclones se utilizan ampliamente después de operaciones de secado por aspersión en las
industrias química y de alimentos y después de las operaciones de trituración, molienda y
calcinación en las industrias química y de minerales para recolectar material útil o vendible.
En la industria de metales ferrosos y no ferrosos, los ciclones se utilizan con frecuencia como
primera etapa en el control de las emisiones de MP en plantas; sinter (plantas que crean una
masa coherente por calentamiento sin fundición), roasters (un tipo horno para calentar material
inorgánico con acceso al aire y efectuar un cambio sin fundir), kilns (tipo de hornos de
calcinación).
En casi todos los casos el material que se separa de las partículas más pequeñas, va a la línea de
proceso y el material más pequeño se elimina o reinyecta para mejorar combustiones (en el caso
de madera).