Análisis de las Condiciones de Operación de un Ciclón de Alta Eficiencia a través de Simulación de Flujo

Abstract

Los separadores ciclónicos se utilizan con dos finalidades principales: separación de polvo y clasificación de material particulado. Para lograr el primer objetivo se utilizan ciclones convencionales, en tanto que para la clasificación, son más adecuados los ciclones de alta eficiencia.
Un parámetro fundamental en estos últimos es el tamaño de corte (x50), definido como el tamaño de partícula para el cual la eficiencia fraccional de separación es del 50 %.
Actualmente, la industria demanda material de partículas finas que se emplean en la fabricación de pigmentos, refuerzos de materiales poliméricos, mezclas asfálticas, elementos de limpieza, industria alimentaria, etc. En este sentido, los ciclones de alta eficiencia presentan un rol importante porque las nuevas tecnologías aplicadas a estos dispositivos han perfeccionado su desempeño manteniendo su relativo bajo costo y fácil mantenimiento.
En las últimas décadas la investigación tecnológica ha enfocado el estudio a través de dos aspectos que se complementan: la experimentación física y la simulación computacional.
El desarrollo de la mecánica computacional ha contribuido notablemente a la optimización del diseño de los ciclones. La información que proporciona la Fluidodinámica Computacional (CFD) permite reducir la cantidad de experiencias requeridas para el diseño. Éstas, a su vez, son de gran importancia para la validación de los modelos establecidos por las simulaciones.
En este trabajo se utiliza la simulación del flujo en el interior del ciclón para analizar el efecto de las variables de operación (temperatura T, velocidad de entrada vi, concentración de polvo c), sobre el tamaño de corte que se obtiene empleando un ciclón de alta eficiencia, tipo Stairmand.
Los resultados obtenidos permitieron definir una zona vi /T recomendable para el funcionamiento del ciclón basada en la existencia de dos situaciones limitantes para las condiciones de operación: la diferencia de presiones generada en el dispositivo y el fenómeno de resuspensión de las partículas.
A fin de estudiar el comportamiento del flujo en diferentes condiciones de trabajo, se realizaron simulaciones para un rango de temperaturas entre 20 y 500 ºC, velocidades de entrada entre 20 y 97 m/s y concentraciones de polvo entre 2 y 100 g/m3 de aire. Las simulaciones permiten la representación de las curvas de grado de eficiencia (GEC), de las cuales es posible establecer el x50.
Se observa que las GEC y por consiguiente el valor de corte, son de mejor calidad en los casos en que las condiciones de operación corresponden a la zona de trabajo recomendada. Los resultados de las simulaciones muestran buena concordancia con los modelos semiempíricos establecidos en la literatura.
La CFD ha mostrado ser una valiosa alternativa en el estudio de este flujo complejo, permitiendo una sistematización de conocimientos que, hasta el momento, se ha basado fundamentalmente en empirismos.