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Ciclones y fluidización 1
CICLONES Y FLUIDIZACIÓN EQUIPOS, CARACTERÍSTICAS Y OPERACIÓN
1
Dayanna Fajardo 2
Daniela Londoño 3
Carol Medina
Dayanna.fajardo2@estudiantes.uamerica.edu.co, Angie.londono@estudiantes.uamerica.edu.co,
carol.medina@estudiantes.uamerica.edu.co
DOCENTE: I.Q. Iván Ramírez Marín
Departamento de Ingeniería Química, Universidad de América Sede Los Cerros
Introducción: Los ciclones son dispositivos utilizados para separar partículas sólidas que
se encuentran en un gas, por medio de la sedimentación generada por una fuerza centrífuga.
El ciclón es uno de los dispositivos de separación que opera mejor a toda carga que con
carga parcial, además se utilizan ampliamente para separar sólidos de líquidos,
especialmente con fines de clarificación. La fluidización se conoce como la suspensión de
sólidos en un fluido (líquido o gaseoso) donde tales partículas tienden a tomar un
comportamiento similar al del fluido, es común el uso de ciclones internos en lechos
fluidizados turbulentos aunque también se emplean grandes ciclones fuera de los lechos
fluidizados de fase dispersa. A través de este artículo se hace un resumen de los principales
aspectos teóricos de los equipos de separación ciclónicos, así como del proceso de
fluidización que ocurre entre los sólidos suspendidos en un fluido tanto líquido como
gaseoso, explicando algunas ventajas y desventajas de las diferentes situaciones.
Resumen: Por medio de este trabajo se realizó una recopilación de información teórica a
cerca de los ciclones y la fluidización, haciendo referencia a los ciclones como equipos de
sedimentación utilizados para la separación de sólidos en un gas, y la fluidización como la
suspensión de sólidos en un líquido o gas. Se explica su funcionamiento, tipos, factores de
diseño, usos, ventajas, desventajas, entre otras características principales. Adicionalmente
se realizó un video, donde se agrega contenido audio visual con respecto a los ciclones y
fluidización, donde puede observarse de manera más práctica el funcionamiento y
desarrollo de estos.
Palabras claves: Ciclones, fluidización, separación sólidos
Abstract: By means of this work a collection of theoretical information about cyclones and
fluidization was made, referring to the cyclones as sedimentation equipment used for the
separation of solids in a gas, and fluidization as the suspension of solids in a Liquid or gas.
It explains its operation, types, design factors, uses, advantages, disadvantages, among
other main features. In addition, a video was created, where audio visual content is added to
the cyclones and fluidization, where the operation and development of these can be
observed in a more practical way.
Keywords: Cyclones, fluidization, solid separation
Ciclones y fluidización 2
CICLONES
Los ciclones son dispositivos de
sedimentación en los que actúa una fuerza
centrífuga en lugar de la gravedad para
aumentar la velocidad de sedimentación
de una partícula sólida en un gas.
Consiste en un cilindro vertical con un
fondo cónico, una entrada tangencial
cerca a la parte superior por donde entra
el gas con partículas sólidas, también
llamadas polvo, una salida para las
partículas sólidas situada en el fondo del
cono y una salida para el gas en la parte
superior. (MCCABE)
Figura 1. Ciclón Tomada de (Sanchez,
2017)
Funcionamiento
El aire cargado con las partículas ingresa
tangencialmente al separador ciclónico a
través de un ducto de altura AlDu, y
ancho AnDu, como se puede apreciar en
la Figura2.
Una vez dentro del separador, gracias a la
velocidad tangencial y la curvatura del
cilindro, la fuerza centrífuga desarrollada
en el vértice tiende a desplazar
radialmente una fracción de las partículas
hacia la pared, de forma que aquellas que
alcanzan la pared, chocan, pierden
energía cinética, se deslizan hacia abajo
dentro del cono y se recogen. La fracción
restante que no alcanza a llegar hasta la
pared no se separa del aire y sale por la
parte superior del ciclón. Los factores que
influyen en qué fracción de partículas
chocarán con la pared es la aceleración
centrífuga que adquieren las partículas, la
distancia desde el centro de la órbita hasta
la pared del separador, la masa de
partículas y el tiempo medio de residencia
de ellas en el separador. (PERRY, 1986.)
Figura 2. Funcionamiento de un ciclón
Tomada de (ALLEY, 2001)
En la siguiente imagen se puede observar
el movimiento de las partículas mayores
hacía las paredes del ciclón debido a la
fuerza centrífuga.
Ciclones y fluidización 3
Figura 3. Mecanismo de colección de
partículas de un ciclón Tomada de
(ECHEVERRY, 2006)
El factor de separación se define como el
cociente de la fuerza centrífuga (Fc) con
respecto a la fuerza de la gravedad (Fg),
además depende de factores como el radio
(r), la masa de la partícula (m), la
velocidad tangencial (utan) y la gravedad
(g), se puede calcular por medio de la
siguiente fórmula:
Un ciclón de gran diámetro tiene un
factor de separación mucho menor para la
misma velocidad que un ciclón de menor
diámetro. Adicionalmente no se puede
utilizar a velocidad superiores a 15-20m/s
debido a que se genera una alta caída de
presión y un aumento de la abrasión. Por
lo tanto, para tratar grandes flujos de gas
es recomendable acoplar varios ciclones
de diámetro pequeño en una sola cámara
de conducciones comunes para
alimentación y las salidas. Se define un
diámetro de corte (cut diameter) como
aquel diámetro para el que el 50% de las
partículas precipitan, y el 50% restante es
retenido por el aire que sale por la parte
superior del separador.
Las partículas sólidas o de polvo que
entran en el ciclón son aceleradas
radialmente, pero la fuerza que actúa
sobre una partícula no es constante
debido a la variación del radio (r) y
también a que la velocidad tangencial en
el vórtice varía con (r) y con la distancia
por debajo de la entrada. Por esta razón el
cálculo de las trayectorias de las
partículas es difícil por lo que la eficacia
de un ciclón se predice ordinariamente a
partir de correlaciones empíricas.
A continuación, se muestra una imagen
con los efectos del tamaño de las
partículas y del diámetro del ciclón sobre
la eficiencia. Los tres ciclones que
aparecen allí son de proporciones
similares, con diámetros alrededor de 14,
31 y 70 pulgadas. Además, es importante
mencionar que la menor eficiencia de los
ciclones más grandes es principalmente
consecuencia de la disminución de la
fuerza centrífuga, así como para
determinada velocidad de flujo de aire y
velocidad de entrada, pequeños aumentos
en el diámetro del ciclón mejoran la
eficiencia de separación, debido a que el
aumento de superficie compensa la
disminución de la fuerza centrífuga.
También es importante que la eficiencia
global es función de la distribución de
tamaños de partículas y no se puede
predecir a partir del tamaño medio.
Ciclones y fluidización 4
Figura 4. Eficacia de separación de
ciclones típicos. Tomada de (MCCABE)
La eficiencia de separación de un ciclón
aumenta con la densidad de las partículas
y disminuye al aumentar la temperatura
del gas debido al aumento de la
viscosidad del gas.
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.
Las principales familias de ciclones de
entrada tangencial son: ciclones de alta
eficiencia, ciclones convencionales y
ciclones de alta capacidad.
Los márgenes 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.
Tabla 1. Intervalo de eficiencia de
remoción para las diferentes familias de
ciclones. Tomada de (MCCABE)
En la tabla 1 puede observarse los
diferentes porcentajes de eficiencia de las
tres familias de ciclones, encontrándose
que todos los ciclones tienen mayor
eficiencia en PST, y los ciclones de alta
eficiencia y alta capacidad tienen un
mayor porcentaje de remoción que los
ciclones convencionales
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
La eficiencia total se calcula realizando la
sumatoria del producto de las eficiencias
fraccionales por la masa fraccional, como
se indica a continuación:
Ciclones y fluidización 5
Donde:
nT: Eficiencia total
ni: Eficiencia fraccional
mi: Porcentaje másico %
Tipos de Ciclones
Los ciclones se pueden dividir por
familias como anteriormente se había
mencionado, en las tablas 2,3,4 se
presentan un resumen de las
características de las principales familias
de ciclones de entrada tangencial, así
como las dimensiones indicadas en la
tabla 4.
Tabla 2. Características de los ciclones
de alta eficiencia. Tomada de
(ECHEVERRY, 2006)
En la Tabla 2 se puede observar que
existen tres tipos de ciclones de alta
eficiencia (Stairmand, Swift y Echeverri),
con sus respectivas dimensiones dadas
principalmente en diámetros y alturas.
Tabla 3. Características de los ciclones
convencionales. Tomada de
(ECHEVERRY, 2006)
En la Tabla 3 se puede observar que
existen cuatro tipos de ciclones
convencionales (Lappe, Swift, Peterson-
Whiby, y Zen) con sus respectivas
dimensiones.
Tabla 4. Características de los ciclones
de alta capacidad. Tomada de
(ECHEVERRY, 2006)
En la Tabla 4 se puede observar que
existen dos tipos de ciclones de alta
capacidad (Stairmand y Swift) con sus
respectivas dimensiones.
Aplicaciones
Son utilizados por las empresas cuyo
proceso de producción genera polvo de
cualquier tipo, pero con tamaño de grano
grueso y de alta concentración, tales
como el trabajo de la madera (para la
purificación del aire del polvo y del
serrín), de los metales, de la goma, del
plástico, mezclado, pesaje y embalaje de
materiales polvorientos, chorreado de
arena, esmerilado, cortes de diversos
tipos, fusión de materiales metálicos y la
combustión de materiales sólidos,
operaciones mecánicas, refinerías,
cementeras, entre otros.
Ciclones y fluidización 6
Los separadores centrífugos de polvo
también se utilizan en circuito con los
molinos de finos, haciendo circular por el
molino una corriente de aire que extrae el
polvo, cuya presencia disminuye los
rendimientos de la molienda. El aire
cargado se pasa por el separador, el cual
da una fracción gruesa, que vuelve al
molino, y una fracción fina que se
aprovecha directamente. (PlastoQuímica,
2017)
Ventajas
 Alta eficiencia en partículas gruesas,
reducción incluso de partículas finas,
aunque con baja eficiencia.
 Simplicidad en la recuperación del
polvo.
 Necesidad de espacios limitados para
la implementación del sistema.
 Bajos costos de implementación y
uso.
 Posibilidad de trabajar a cualquier
temperatura.
 Posibilidad de trabajar con humos
húmedos.
 Buena flexibilidad operativa
 Bajos costos de capital.
 Falta de partes móviles, por lo tanto,
pocos requerimientos de
mantenimiento y bajos costos de
operación.
 Caída de presión relativamente baja,
comparada con la cantidad de
partículas removidas.
 Las limitaciones de temperatura y
presión dependen únicamente de los
materiales de construcción.
 Colección y disposición en seco.
 Requisitos espaciales relativamente
pequeños. eficientes y costosos.
(ECHEVERRY, 2006)
Desventajas
 Su principal problema es la rigidez de
su diseño y el hecho de que la
eficiencia es función de las
condiciones de operación.
 Para una eficiencia alta se requiere un
tamaño grande, o una caída de presión
muy alta.
 La baja eficiencia para granometrías
finas es una desventaja importante,
que rebaja este dispositivo como pre-
tratamiento de sistemas de separación.
 Eficiencias de recolección de
partículas suspendidas totales
relativamente bajas, particularmente
para partículas menores de 10 µm.
 No pueden manejar materiales
pegajosos o aglomerantes.
 Las unidades de alta eficiencia pueden
tener altas caídas de presión.
FLUIDIZACIÓN
La fluidización es un proceso en el cual
un fluido en estado gaseoso o líquido
transforma sólidos finos en un estado
similar al del fluido. A partir de este
proceso es posible obtener excelentes
resultados de contacto entre partícula-
fluido.
Ciclones y fluidización 7
Figura 5. Clases de contacto partícula-
fluido en un lecho. Tomada de (Theodore,
2014)
La anterior figura hace referencia a los
diferentes tipos de contacto producidos al
incrementarse la velocidad superficial del
gas que inicia desde el lecho
empaquetado con una velocidad reducida
y termina con transporte neumático el
cual tiene una velocidad elevada. A
medida que va aumentando la velocidad
del gas en el lecho empaquetado (en
movimiento) la velocidad se intensifica
hasta cierto punto en donde las fuerzas
de arrastre que son ejercidas sobre las
partículas igualan el peso de las partículas
del lecho de tal forma que se termina
fluidizando el lecho. Cuando se fluídiza el
lecho las partículas están suspendidas en
el gas y la masa fluidizada posee gran
variedad de propiedades de un líquido.
Cuando el fluido presenta un movimiento
ascendente con una la velocidad mínima
puede atravesar un lecho de partículas
finas filtrándose a través de los espacios
generados entre estas que tienen un
estado estacionario; este fenómeno es
conocido como lecho “hundido”
generalmente se trata de un lecho fijo de
altura Lm; al incrementarse esta velocidad
se da inicio al proceso fluidización donde
la velocidad superficial del fluido se
denomina velocidad mínima de
fluidificación vmf, y la altura del lecho es
Lmf. Si la velocidad del fluido es mayor
que vmf, el lecho se expande y el vacío del
lecho aumenta. Cuando se presentan
velocidades bajas de fluidización
(velocidad del fluido > vmf) la operación
se conoce como densa aumentando el
vacío del lecho (Theodore, 2014).
Grafico 1. Curva de pérdida de presión
de un lecho fluidizado. Tomada de
http://www.madrimasd.org/blogs/energias
alternativas/2016/12/02/133311
Es posible fluidizar partículas tan
pequeñas de aproximadamente 1µm y tan
grandes que se acercan a los 4 cm, el
intervalo de tamaño promedio de
partículas sólidas que son comúnmente
fluidizadas es de 30µm o más de 2 cm. El
tamaño de partícula perjudica gravemente
el funcionamiento de un lecho fluidizado
a diferencia de la densidad de partícula o
la forma de esta. Las partículas grandes
(150µm) y de mayor diámetro producen
burbujas más grandes cuando se
fluidizan., dichas burbujas dan lugar a un
lecho fluidizado menos homogéneo que
puede manifestarse en grandes
fluctuaciones de presión. Las partículas
pequeñas (menores de 30 mm de
diámetro) tienen grandes fuerzas
intermoleculares (generalmente fuerzas
de Van Der Waals) produciendo que las
partículas se adhieran o se aglomeren
como lo hacen las partículas de harina
(PERRY, 1986.)
Ciclones y fluidización 8
Grafico 1. Curva de pérdida de presión
de un lecho fluidizado. Tomada de
http://www.madrimasd.org/blogs/energias
alternativas/2016/12/02/133311
Regímenes de fluidización
El flujo de un fluido en un medio poroso
se clasifica como laminar, transitorio o de
transición y turbulento. El número de
Reynolds (Repm) registra los siguientes
rangos:
 Laminar (Repm < 10 )
 Transición (10 < Repm < 1000 )
 Turbulento( Repm > 1000)
Dp = Diámetro de partícula
ρ= Densidad
ϵ = Porosidad
µ= Viscosidad
v = Velocidad
Las fluctuaciones que presenta la
porosidad (así mismo la altura del lecho)
con la velocidad superficial pueden ser
calculadas por medio de la ecuación de
Kozeny-Carman, considerando un flujo
laminar y ρf << ρs:
Para las condiciones de flujo laminar
(Repm < 10), la ecuación de Blake-Kozeny
permite conocer la pérdida de carga h'f en
términos de la velocidad superficial del
gas a la fluidificación mínima vmf y otras
propiedades del líquido y del lecho:
También se puede expresar de la siguiente
manera
La ecuación de Burke-Plummer se aplica
para expresar la pérdida de carga h'f para
un régimen turbulento (Repm> 1000)
Se puede obtener una ecuación general
que combina los diferentes tipos de
regímenes para partículas de diversas
formas. Siempre y cuando se asuma que
los efectos laminares y turbulentos son
aditivos. Este resultado se conoce como la
ecuación de Ergun:
Existen dos tipos de fluidización:
Fluidización lisa o particulada
Es propia de sistemas líquido-sólido y se
presenta cuando las partículas son de
tamaño reducido o la diferencia entre las
densidades de fluidos y sólidos es
prácticamente despreciable; lo que
significa que la velocidad del flujo es
mínima y por lo tanto el lecho se fluidiza
uniformemente, de manera que cada
partícula se moviliza individualmente a
través del lecho.
Fluidización agregada o por burbujeo
Ciclones y fluidización 9
Es propia de sistemas gas-sólido, y se
produce cuando las partículas son de gran
tamaño o las densidades entre fluidos y
sólidos difieren de forma considerable de
tal manera que la velocidad del flujo
tendera a ser relativamente alta. En este
caso, la fluidización se da de manera
inestable y el fluido pasa a través del
lecho en forma de grandes burbujas. -
Estas burbujas estallan en la superficie,
rociando las partículas sólidas sobre el lecho.
Este lecho tiene características de un líquido,
en la fase fluida actúa como un gas que
burbujea a través de él. (Theodore, 2014, p.
89)
Es posible estimar la transición de
burbujeo a fluidización lisa a través del
número adimensional de Froude teniendo
en cuenta una fluidización mínima. El
número de Froude se expresa como:
vmf = velocidad mínima de fluidificación
dp = el diámetro de partícula aceleración
g = aceleración por gravedad
Aplicaciones
Su campo de aplicación se encuentra en
diversidad de procesos industriales fluido
– sólido y pueden ser de naturaleza tanto
química como física.
Aplicaciones a procesos físicos
Abarca todos los procesos en donde tanto
el sólido como el fluido no experimenten
transformaciones químicas. De tal manera
que solo se produzca una transferencia de
masa y/o calor entre ambas fases o entre
el lecho y el ambiente. Entre estos
procesos se encuentran:
-Transporte de polvos
Las características que presenta el lecho
fluidizado facilita el transporte del
material sólido pulverizado. Este sistema
es ideal debido a que tiene un bajo
consumo energético, no contiene partes
móviles y se adapta para el transporte
horizontal de partículas finas y secas,
taeles como ceniza de soda, cemento,
harinas, resinas, etc.
-Mezcla de polvos
Usando técnicas convencionales se
dificulta mezclar de manera manual
diferentes tipos de materiales sólidos
finamente fraccionados o divididos. No
obstante, la fluidización de los sólidos
permite la correcta recirculación de estos
en el recipiente que los contiene dando
lugar a una buena mezcla. El grado de
mezcla y el tiempo necesario para
uniformar el lecho depende del flujo de
gas y del tipo de placa distribuidora.
-Intercambio de calor
Los lechos fluidizados son ampliamente
utilizados en este proceso gracias a su
eficaz capacidad para transportar calor y
de mantener una temperatura uniforme en
el lecho.
-Secado
Al producirse simultáneamente una gran
velocidad de transferencia de calor y
masa en el lecho fluidizado, se da de
manera factible el secado de grandes
cantidades de sólidos granulares con
tiempos de contacto relativamente
pequeños; generando un producto de alta
calidad y con un menor consumo
energético a comparación de los
secadores convencionales.
Ciclones y fluidización 10
Aplicaciones a procesos químicos
Las aplicaciones químicas pueden
asociarse u aglomerarse de la siguiente
manera:
-Procesos en los cuales interesa la
conversión del fluido: El sólido se
comporta como un catalizador o como
fuente de calor.
- Procesos en los cuales interesa la
conversión del solido: Reacciones de
interés metalúrgico; reducciones,
tostaciones calcinaciones, etc.
Procesos de conversión del fluido
En este tipo de procesos el uso de un
lecho fluidizado es ideal, ya que permite
controlar rigurosamente la temperatura en
la zona de reacción. Algunas de las
reacciones catalíticas más importantes a
nivel industrial son:
-Reacciones de síntesis:
-Oxidación controlada de olefinas y
aromáticos: Producción de óxidos de
propileno y etileno, oxidación parcial del
naftaleno para la producción de anhídrido
ftálico, acrilonitrilo, etc.
-Halogenación de olefinas: producción de
halogenuros de alquilo, materia prima
básica para la alquilación de aromáticos.
-Síntesis de hidrocarburos por la reacción
de Fischer Tropsch: Producción de
hidrocarburos a partir de H2 y CO a
reducidas presiones.
-Reacciones de cracking y
reforzamiento catalítico de
hidrocarburos:
Se producen reacciones endotérmicas y
se originan depósitos de carbón sobre las
superficies sólidas con el rompimiento de
hidrocarburos en moléculas de menor
peso molecular (reacciones de cracking) o
su síntesis en moléculas de mayor peso
molecular (reforzamiento catalítico).
Generalmente se aplica en la industria de
la refinación del petróleo.
Procesos que interesan el sólido
En este tipo de proceso es necesario una
gran velocidad de transferencia de calor y
masa entre el fluido y el sólido. En la
industria metalúrgica se encuentra en
diversidad de aplicaciones, algunas de
estas son:
-Tostación de sulfuros:
Esta operación es altamente exotérmica y
usualmente se da en reactores de una
etapa por lo cual no requiere de calor
externo, este está provisto de un sistema
de refrigeración.
Se destaca en la tostación de piritas y de
concentrados de minerales sulfurados
como Cu, Zn y Mo.
-Reducción de óxidos metálicos:
El lecho fluidizado se aplica
principalmente en la reducción de óxidos
de fierro. (Solar, 5 de julio de 2017)
Ventajas
 El comportamiento de fluido
permite operaciones continuas,
controladas de manera automática
y con gran facilidad de manejo.
 Al mezclar de manera rápida el
sólido produce que las
condiciones de operación se den
con gradientes de temperatura casi
nulos dentro del lecho, de tal
manera que la operación puede ser
controlada de forma sencilla.
 El tráfico de sólidos entre dos
lechos fluidizados facilita el
Ciclones y fluidización 11
trasporte de grandes cantidad de
calor.
 Aplicable a operaciones en gran
escala.
 Al comparar con otros métodos de
contacto es posible observar que
las velocidades de transferencia de
masa y calor entre el fluido-
partícula son considerablemente
grandes.
 Se considera que la velocidad de
transferencia de calor entre un
lecho fluidizado y un objeto
sumergido en él, así como con las
paredes del lecho, es elevada
Desventajas
 Al requerirse una alta conversión
de fluido se considera ineficaz la
gran desviación del fluido al
escurrimiento del pistón, así como
el paso del sólido por las burbujas
representando un sistema poco
provechoso en el contacto fluido-
sólido.
 Se presenta una distribución
tiempos de residencia no uniforme
debido a la rápida mezcla de
sólidos en el lecho. Para una
operación de forma continua las
partículas presentan diferentes
grados de conversión con
eficiencia global baja (trabajando
con equipos de una sola etapa).
 Los sólidos que se desintegran
con facilidad son destruidos
rápidamente y finalmente
arrastrados por el fluido fuera del
lecho.
 La abrasión producida por las
partículas en las cañerías,
accesorios y equipos puede ser
llegar a ser crítica.
 En operaciones donde se trabaje a
altas temperaturas y no sean de
tipo catalítico, la aglomeración y
la sinterización de las partículas
finas demanda reducir la
temperatura de operación,
disminuyendo así la velocidad de
reacción (Solar, 5 de julio de
2017)
Bibliografía
ALLEY, R. &. (2001). Manual de control
de la calidad del aire. México.:
Mc Graw-Hill.
ECHEVERRY, C. A. (2006). Diseño
Óptimo de Ciclones. Universidad
de Medellín.Vol.5 no.9. .
MCCABE, W. (s.f.). Operaciones
Unitarias en Ingeniería Química.
Mc Graw Hill.
PERRY, R. &. (1986.). Manual del
Ingeniero Químico. vol. 5, .
México, D. F.: McGraw-Hill.
PlastoQuímica. (5 de Julio de 2017).
PlastoQuímica. Obtenido de
http://www.plastoquimica.com/pr
oductos/ficha/ciclones-alto-
rendimiento/14
Sanchez, D. (5 de Julio de 2017).
Bioseparaciones. Obtenido de
http://bioprocbsep.blogspot.com.c
o/2014/09/centrifugacion.html
Solar, M. (5 de julio de 2017).
Remetallica. Obtenido de
http://metalurgia.usach.cl/sites/me
talurgica/files/paginas/12_-
_fluidizacion_-
_aplicaciones_industriales_-
_marco_solar.pdf
Theodore, L. (2014). Chemical
Engineering: The Essential
Reference.
Ciclones y fluidización 12

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  • 1. Ciclones y fluidización 1 CICLONES Y FLUIDIZACIÓN EQUIPOS, CARACTERÍSTICAS Y OPERACIÓN 1 Dayanna Fajardo 2 Daniela Londoño 3 Carol Medina Dayanna.fajardo2@estudiantes.uamerica.edu.co, Angie.londono@estudiantes.uamerica.edu.co, carol.medina@estudiantes.uamerica.edu.co DOCENTE: I.Q. Iván Ramírez Marín Departamento de Ingeniería Química, Universidad de América Sede Los Cerros Introducción: Los ciclones son dispositivos utilizados para separar partículas sólidas que se encuentran en un gas, por medio de la sedimentación generada por una fuerza centrífuga. El ciclón es uno de los dispositivos de separación que opera mejor a toda carga que con carga parcial, además se utilizan ampliamente para separar sólidos de líquidos, especialmente con fines de clarificación. La fluidización se conoce como la suspensión de sólidos en un fluido (líquido o gaseoso) donde tales partículas tienden a tomar un comportamiento similar al del fluido, es común el uso de ciclones internos en lechos fluidizados turbulentos aunque también se emplean grandes ciclones fuera de los lechos fluidizados de fase dispersa. A través de este artículo se hace un resumen de los principales aspectos teóricos de los equipos de separación ciclónicos, así como del proceso de fluidización que ocurre entre los sólidos suspendidos en un fluido tanto líquido como gaseoso, explicando algunas ventajas y desventajas de las diferentes situaciones. Resumen: Por medio de este trabajo se realizó una recopilación de información teórica a cerca de los ciclones y la fluidización, haciendo referencia a los ciclones como equipos de sedimentación utilizados para la separación de sólidos en un gas, y la fluidización como la suspensión de sólidos en un líquido o gas. Se explica su funcionamiento, tipos, factores de diseño, usos, ventajas, desventajas, entre otras características principales. Adicionalmente se realizó un video, donde se agrega contenido audio visual con respecto a los ciclones y fluidización, donde puede observarse de manera más práctica el funcionamiento y desarrollo de estos. Palabras claves: Ciclones, fluidización, separación sólidos Abstract: By means of this work a collection of theoretical information about cyclones and fluidization was made, referring to the cyclones as sedimentation equipment used for the separation of solids in a gas, and fluidization as the suspension of solids in a Liquid or gas. It explains its operation, types, design factors, uses, advantages, disadvantages, among other main features. In addition, a video was created, where audio visual content is added to the cyclones and fluidization, where the operation and development of these can be observed in a more practical way. Keywords: Cyclones, fluidization, solid separation
  • 2. Ciclones y fluidización 2 CICLONES Los ciclones son dispositivos de sedimentación en los que actúa una fuerza centrífuga en lugar de la gravedad para aumentar la velocidad de sedimentación de una partícula sólida en un gas. Consiste en un cilindro vertical con un fondo cónico, una entrada tangencial cerca a la parte superior por donde entra el gas con partículas sólidas, también llamadas polvo, una salida para las partículas sólidas situada en el fondo del cono y una salida para el gas en la parte superior. (MCCABE) Figura 1. Ciclón Tomada de (Sanchez, 2017) Funcionamiento El aire cargado con las partículas ingresa tangencialmente al separador ciclónico a través de un ducto de altura AlDu, y ancho AnDu, como se puede apreciar en la Figura2. Una vez dentro del separador, gracias a la velocidad tangencial y la curvatura del cilindro, la fuerza centrífuga desarrollada en el vértice tiende a desplazar radialmente una fracción de las partículas hacia la pared, de forma que aquellas que alcanzan la pared, chocan, pierden energía cinética, se deslizan hacia abajo dentro del cono y se recogen. La fracción restante que no alcanza a llegar hasta la pared no se separa del aire y sale por la parte superior del ciclón. Los factores que influyen en qué fracción de partículas chocarán con la pared es la aceleración centrífuga que adquieren las partículas, la distancia desde el centro de la órbita hasta la pared del separador, la masa de partículas y el tiempo medio de residencia de ellas en el separador. (PERRY, 1986.) Figura 2. Funcionamiento de un ciclón Tomada de (ALLEY, 2001) En la siguiente imagen se puede observar el movimiento de las partículas mayores hacía las paredes del ciclón debido a la fuerza centrífuga.
  • 3. Ciclones y fluidización 3 Figura 3. Mecanismo de colección de partículas de un ciclón Tomada de (ECHEVERRY, 2006) El factor de separación se define como el cociente de la fuerza centrífuga (Fc) con respecto a la fuerza de la gravedad (Fg), además depende de factores como el radio (r), la masa de la partícula (m), la velocidad tangencial (utan) y la gravedad (g), se puede calcular por medio de la siguiente fórmula: Un ciclón de gran diámetro tiene un factor de separación mucho menor para la misma velocidad que un ciclón de menor diámetro. Adicionalmente no se puede utilizar a velocidad superiores a 15-20m/s debido a que se genera una alta caída de presión y un aumento de la abrasión. Por lo tanto, para tratar grandes flujos de gas es recomendable acoplar varios ciclones de diámetro pequeño en una sola cámara de conducciones comunes para alimentación y las salidas. Se define un diámetro de corte (cut diameter) como aquel diámetro para el que el 50% de las partículas precipitan, y el 50% restante es retenido por el aire que sale por la parte superior del separador. Las partículas sólidas o de polvo que entran en el ciclón son aceleradas radialmente, pero la fuerza que actúa sobre una partícula no es constante debido a la variación del radio (r) y también a que la velocidad tangencial en el vórtice varía con (r) y con la distancia por debajo de la entrada. Por esta razón el cálculo de las trayectorias de las partículas es difícil por lo que la eficacia de un ciclón se predice ordinariamente a partir de correlaciones empíricas. A continuación, se muestra una imagen con los efectos del tamaño de las partículas y del diámetro del ciclón sobre la eficiencia. Los tres ciclones que aparecen allí son de proporciones similares, con diámetros alrededor de 14, 31 y 70 pulgadas. Además, es importante mencionar que la menor eficiencia de los ciclones más grandes es principalmente consecuencia de la disminución de la fuerza centrífuga, así como para determinada velocidad de flujo de aire y velocidad de entrada, pequeños aumentos en el diámetro del ciclón mejoran la eficiencia de separación, debido a que el aumento de superficie compensa la disminución de la fuerza centrífuga. También es importante que la eficiencia global es función de la distribución de tamaños de partículas y no se puede predecir a partir del tamaño medio.
  • 4. Ciclones y fluidización 4 Figura 4. Eficacia de separación de ciclones típicos. Tomada de (MCCABE) La eficiencia de separación de un ciclón aumenta con la densidad de las partículas y disminuye al aumentar la temperatura del gas debido al aumento de la viscosidad del gas. 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. Las principales familias de ciclones de entrada tangencial son: ciclones de alta eficiencia, ciclones convencionales y ciclones de alta capacidad. Los márgenes 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. Tabla 1. Intervalo de eficiencia de remoción para las diferentes familias de ciclones. Tomada de (MCCABE) En la tabla 1 puede observarse los diferentes porcentajes de eficiencia de las tres familias de ciclones, encontrándose que todos los ciclones tienen mayor eficiencia en PST, y los ciclones de alta eficiencia y alta capacidad tienen un mayor porcentaje de remoción que los ciclones convencionales 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 La eficiencia total se calcula realizando la sumatoria del producto de las eficiencias fraccionales por la masa fraccional, como se indica a continuación:
  • 5. Ciclones y fluidización 5 Donde: nT: Eficiencia total ni: Eficiencia fraccional mi: Porcentaje másico % Tipos de Ciclones Los ciclones se pueden dividir por familias como anteriormente se había mencionado, en las tablas 2,3,4 se presentan un resumen de las características de las principales familias de ciclones de entrada tangencial, así como las dimensiones indicadas en la tabla 4. Tabla 2. Características de los ciclones de alta eficiencia. Tomada de (ECHEVERRY, 2006) En la Tabla 2 se puede observar que existen tres tipos de ciclones de alta eficiencia (Stairmand, Swift y Echeverri), con sus respectivas dimensiones dadas principalmente en diámetros y alturas. Tabla 3. Características de los ciclones convencionales. Tomada de (ECHEVERRY, 2006) En la Tabla 3 se puede observar que existen cuatro tipos de ciclones convencionales (Lappe, Swift, Peterson- Whiby, y Zen) con sus respectivas dimensiones. Tabla 4. Características de los ciclones de alta capacidad. Tomada de (ECHEVERRY, 2006) En la Tabla 4 se puede observar que existen dos tipos de ciclones de alta capacidad (Stairmand y Swift) con sus respectivas dimensiones. Aplicaciones Son utilizados por las empresas cuyo proceso de producción genera polvo de cualquier tipo, pero con tamaño de grano grueso y de alta concentración, tales como el trabajo de la madera (para la purificación del aire del polvo y del serrín), de los metales, de la goma, del plástico, mezclado, pesaje y embalaje de materiales polvorientos, chorreado de arena, esmerilado, cortes de diversos tipos, fusión de materiales metálicos y la combustión de materiales sólidos, operaciones mecánicas, refinerías, cementeras, entre otros.
  • 6. Ciclones y fluidización 6 Los separadores centrífugos de polvo también se utilizan en circuito con los molinos de finos, haciendo circular por el molino una corriente de aire que extrae el polvo, cuya presencia disminuye los rendimientos de la molienda. El aire cargado se pasa por el separador, el cual da una fracción gruesa, que vuelve al molino, y una fracción fina que se aprovecha directamente. (PlastoQuímica, 2017) Ventajas  Alta eficiencia en partículas gruesas, reducción incluso de partículas finas, aunque con baja eficiencia.  Simplicidad en la recuperación del polvo.  Necesidad de espacios limitados para la implementación del sistema.  Bajos costos de implementación y uso.  Posibilidad de trabajar a cualquier temperatura.  Posibilidad de trabajar con humos húmedos.  Buena flexibilidad operativa  Bajos costos de capital.  Falta de partes móviles, por lo tanto, pocos requerimientos de mantenimiento y bajos costos de operación.  Caída de presión relativamente baja, comparada con la cantidad de partículas removidas.  Las limitaciones de temperatura y presión dependen únicamente de los materiales de construcción.  Colección y disposición en seco.  Requisitos espaciales relativamente pequeños. eficientes y costosos. (ECHEVERRY, 2006) Desventajas  Su principal problema es la rigidez de su diseño y el hecho de que la eficiencia es función de las condiciones de operación.  Para una eficiencia alta se requiere un tamaño grande, o una caída de presión muy alta.  La baja eficiencia para granometrías finas es una desventaja importante, que rebaja este dispositivo como pre- tratamiento de sistemas de separación.  Eficiencias de recolección de partículas suspendidas totales relativamente bajas, particularmente para partículas menores de 10 µm.  No pueden manejar materiales pegajosos o aglomerantes.  Las unidades de alta eficiencia pueden tener altas caídas de presión. FLUIDIZACIÓN La fluidización es un proceso en el cual un fluido en estado gaseoso o líquido transforma sólidos finos en un estado similar al del fluido. A partir de este proceso es posible obtener excelentes resultados de contacto entre partícula- fluido.
  • 7. Ciclones y fluidización 7 Figura 5. Clases de contacto partícula- fluido en un lecho. Tomada de (Theodore, 2014) La anterior figura hace referencia a los diferentes tipos de contacto producidos al incrementarse la velocidad superficial del gas que inicia desde el lecho empaquetado con una velocidad reducida y termina con transporte neumático el cual tiene una velocidad elevada. A medida que va aumentando la velocidad del gas en el lecho empaquetado (en movimiento) la velocidad se intensifica hasta cierto punto en donde las fuerzas de arrastre que son ejercidas sobre las partículas igualan el peso de las partículas del lecho de tal forma que se termina fluidizando el lecho. Cuando se fluídiza el lecho las partículas están suspendidas en el gas y la masa fluidizada posee gran variedad de propiedades de un líquido. Cuando el fluido presenta un movimiento ascendente con una la velocidad mínima puede atravesar un lecho de partículas finas filtrándose a través de los espacios generados entre estas que tienen un estado estacionario; este fenómeno es conocido como lecho “hundido” generalmente se trata de un lecho fijo de altura Lm; al incrementarse esta velocidad se da inicio al proceso fluidización donde la velocidad superficial del fluido se denomina velocidad mínima de fluidificación vmf, y la altura del lecho es Lmf. Si la velocidad del fluido es mayor que vmf, el lecho se expande y el vacío del lecho aumenta. Cuando se presentan velocidades bajas de fluidización (velocidad del fluido > vmf) la operación se conoce como densa aumentando el vacío del lecho (Theodore, 2014). Grafico 1. Curva de pérdida de presión de un lecho fluidizado. Tomada de http://www.madrimasd.org/blogs/energias alternativas/2016/12/02/133311 Es posible fluidizar partículas tan pequeñas de aproximadamente 1µm y tan grandes que se acercan a los 4 cm, el intervalo de tamaño promedio de partículas sólidas que son comúnmente fluidizadas es de 30µm o más de 2 cm. El tamaño de partícula perjudica gravemente el funcionamiento de un lecho fluidizado a diferencia de la densidad de partícula o la forma de esta. Las partículas grandes (150µm) y de mayor diámetro producen burbujas más grandes cuando se fluidizan., dichas burbujas dan lugar a un lecho fluidizado menos homogéneo que puede manifestarse en grandes fluctuaciones de presión. Las partículas pequeñas (menores de 30 mm de diámetro) tienen grandes fuerzas intermoleculares (generalmente fuerzas de Van Der Waals) produciendo que las partículas se adhieran o se aglomeren como lo hacen las partículas de harina (PERRY, 1986.)
  • 8. Ciclones y fluidización 8 Grafico 1. Curva de pérdida de presión de un lecho fluidizado. Tomada de http://www.madrimasd.org/blogs/energias alternativas/2016/12/02/133311 Regímenes de fluidización El flujo de un fluido en un medio poroso se clasifica como laminar, transitorio o de transición y turbulento. El número de Reynolds (Repm) registra los siguientes rangos:  Laminar (Repm < 10 )  Transición (10 < Repm < 1000 )  Turbulento( Repm > 1000) Dp = Diámetro de partícula ρ= Densidad ϵ = Porosidad µ= Viscosidad v = Velocidad Las fluctuaciones que presenta la porosidad (así mismo la altura del lecho) con la velocidad superficial pueden ser calculadas por medio de la ecuación de Kozeny-Carman, considerando un flujo laminar y ρf << ρs: Para las condiciones de flujo laminar (Repm < 10), la ecuación de Blake-Kozeny permite conocer la pérdida de carga h'f en términos de la velocidad superficial del gas a la fluidificación mínima vmf y otras propiedades del líquido y del lecho: También se puede expresar de la siguiente manera La ecuación de Burke-Plummer se aplica para expresar la pérdida de carga h'f para un régimen turbulento (Repm> 1000) Se puede obtener una ecuación general que combina los diferentes tipos de regímenes para partículas de diversas formas. Siempre y cuando se asuma que los efectos laminares y turbulentos son aditivos. Este resultado se conoce como la ecuación de Ergun: Existen dos tipos de fluidización: Fluidización lisa o particulada Es propia de sistemas líquido-sólido y se presenta cuando las partículas son de tamaño reducido o la diferencia entre las densidades de fluidos y sólidos es prácticamente despreciable; lo que significa que la velocidad del flujo es mínima y por lo tanto el lecho se fluidiza uniformemente, de manera que cada partícula se moviliza individualmente a través del lecho. Fluidización agregada o por burbujeo
  • 9. Ciclones y fluidización 9 Es propia de sistemas gas-sólido, y se produce cuando las partículas son de gran tamaño o las densidades entre fluidos y sólidos difieren de forma considerable de tal manera que la velocidad del flujo tendera a ser relativamente alta. En este caso, la fluidización se da de manera inestable y el fluido pasa a través del lecho en forma de grandes burbujas. - Estas burbujas estallan en la superficie, rociando las partículas sólidas sobre el lecho. Este lecho tiene características de un líquido, en la fase fluida actúa como un gas que burbujea a través de él. (Theodore, 2014, p. 89) Es posible estimar la transición de burbujeo a fluidización lisa a través del número adimensional de Froude teniendo en cuenta una fluidización mínima. El número de Froude se expresa como: vmf = velocidad mínima de fluidificación dp = el diámetro de partícula aceleración g = aceleración por gravedad Aplicaciones Su campo de aplicación se encuentra en diversidad de procesos industriales fluido – sólido y pueden ser de naturaleza tanto química como física. Aplicaciones a procesos físicos Abarca todos los procesos en donde tanto el sólido como el fluido no experimenten transformaciones químicas. De tal manera que solo se produzca una transferencia de masa y/o calor entre ambas fases o entre el lecho y el ambiente. Entre estos procesos se encuentran: -Transporte de polvos Las características que presenta el lecho fluidizado facilita el transporte del material sólido pulverizado. Este sistema es ideal debido a que tiene un bajo consumo energético, no contiene partes móviles y se adapta para el transporte horizontal de partículas finas y secas, taeles como ceniza de soda, cemento, harinas, resinas, etc. -Mezcla de polvos Usando técnicas convencionales se dificulta mezclar de manera manual diferentes tipos de materiales sólidos finamente fraccionados o divididos. No obstante, la fluidización de los sólidos permite la correcta recirculación de estos en el recipiente que los contiene dando lugar a una buena mezcla. El grado de mezcla y el tiempo necesario para uniformar el lecho depende del flujo de gas y del tipo de placa distribuidora. -Intercambio de calor Los lechos fluidizados son ampliamente utilizados en este proceso gracias a su eficaz capacidad para transportar calor y de mantener una temperatura uniforme en el lecho. -Secado Al producirse simultáneamente una gran velocidad de transferencia de calor y masa en el lecho fluidizado, se da de manera factible el secado de grandes cantidades de sólidos granulares con tiempos de contacto relativamente pequeños; generando un producto de alta calidad y con un menor consumo energético a comparación de los secadores convencionales.
  • 10. Ciclones y fluidización 10 Aplicaciones a procesos químicos Las aplicaciones químicas pueden asociarse u aglomerarse de la siguiente manera: -Procesos en los cuales interesa la conversión del fluido: El sólido se comporta como un catalizador o como fuente de calor. - Procesos en los cuales interesa la conversión del solido: Reacciones de interés metalúrgico; reducciones, tostaciones calcinaciones, etc. Procesos de conversión del fluido En este tipo de procesos el uso de un lecho fluidizado es ideal, ya que permite controlar rigurosamente la temperatura en la zona de reacción. Algunas de las reacciones catalíticas más importantes a nivel industrial son: -Reacciones de síntesis: -Oxidación controlada de olefinas y aromáticos: Producción de óxidos de propileno y etileno, oxidación parcial del naftaleno para la producción de anhídrido ftálico, acrilonitrilo, etc. -Halogenación de olefinas: producción de halogenuros de alquilo, materia prima básica para la alquilación de aromáticos. -Síntesis de hidrocarburos por la reacción de Fischer Tropsch: Producción de hidrocarburos a partir de H2 y CO a reducidas presiones. -Reacciones de cracking y reforzamiento catalítico de hidrocarburos: Se producen reacciones endotérmicas y se originan depósitos de carbón sobre las superficies sólidas con el rompimiento de hidrocarburos en moléculas de menor peso molecular (reacciones de cracking) o su síntesis en moléculas de mayor peso molecular (reforzamiento catalítico). Generalmente se aplica en la industria de la refinación del petróleo. Procesos que interesan el sólido En este tipo de proceso es necesario una gran velocidad de transferencia de calor y masa entre el fluido y el sólido. En la industria metalúrgica se encuentra en diversidad de aplicaciones, algunas de estas son: -Tostación de sulfuros: Esta operación es altamente exotérmica y usualmente se da en reactores de una etapa por lo cual no requiere de calor externo, este está provisto de un sistema de refrigeración. Se destaca en la tostación de piritas y de concentrados de minerales sulfurados como Cu, Zn y Mo. -Reducción de óxidos metálicos: El lecho fluidizado se aplica principalmente en la reducción de óxidos de fierro. (Solar, 5 de julio de 2017) Ventajas  El comportamiento de fluido permite operaciones continuas, controladas de manera automática y con gran facilidad de manejo.  Al mezclar de manera rápida el sólido produce que las condiciones de operación se den con gradientes de temperatura casi nulos dentro del lecho, de tal manera que la operación puede ser controlada de forma sencilla.  El tráfico de sólidos entre dos lechos fluidizados facilita el
  • 11. Ciclones y fluidización 11 trasporte de grandes cantidad de calor.  Aplicable a operaciones en gran escala.  Al comparar con otros métodos de contacto es posible observar que las velocidades de transferencia de masa y calor entre el fluido- partícula son considerablemente grandes.  Se considera que la velocidad de transferencia de calor entre un lecho fluidizado y un objeto sumergido en él, así como con las paredes del lecho, es elevada Desventajas  Al requerirse una alta conversión de fluido se considera ineficaz la gran desviación del fluido al escurrimiento del pistón, así como el paso del sólido por las burbujas representando un sistema poco provechoso en el contacto fluido- sólido.  Se presenta una distribución tiempos de residencia no uniforme debido a la rápida mezcla de sólidos en el lecho. Para una operación de forma continua las partículas presentan diferentes grados de conversión con eficiencia global baja (trabajando con equipos de una sola etapa).  Los sólidos que se desintegran con facilidad son destruidos rápidamente y finalmente arrastrados por el fluido fuera del lecho.  La abrasión producida por las partículas en las cañerías, accesorios y equipos puede ser llegar a ser crítica.  En operaciones donde se trabaje a altas temperaturas y no sean de tipo catalítico, la aglomeración y la sinterización de las partículas finas demanda reducir la temperatura de operación, disminuyendo así la velocidad de reacción (Solar, 5 de julio de 2017) Bibliografía ALLEY, R. &. (2001). Manual de control de la calidad del aire. México.: Mc Graw-Hill. ECHEVERRY, C. A. (2006). Diseño Óptimo de Ciclones. Universidad de Medellín.Vol.5 no.9. . MCCABE, W. (s.f.). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Mc Graw Hill. PERRY, R. &. (1986.). Manual del Ingeniero Químico. vol. 5, . México, D. F.: McGraw-Hill. PlastoQuímica. (5 de Julio de 2017). PlastoQuímica. Obtenido de http://www.plastoquimica.com/pr oductos/ficha/ciclones-alto- rendimiento/14 Sanchez, D. (5 de Julio de 2017). Bioseparaciones. Obtenido de http://bioprocbsep.blogspot.com.c o/2014/09/centrifugacion.html Solar, M. (5 de julio de 2017). Remetallica. Obtenido de http://metalurgia.usach.cl/sites/me talurgica/files/paginas/12_- _fluidizacion_- _aplicaciones_industriales_- _marco_solar.pdf Theodore, L. (2014). Chemical Engineering: The Essential Reference.