Ciclón Corbitt

Un ciclón es un separador versátil y de bajo costo que separa las partículas de la corriente de gas sin el uso de partes móviles. Una amplia variedad de unidades están disponible. El vórtice requerido para la separación de partículas se crea inyectando la corriente de gas en la sección del cilindro a través de entradas tangenciales o mediante el uso de paletas estacionarias con entradas axiales. La mayoría de los ciclones tienen una trayectoria de gas de doble vórtice que expulsa partículas a lo largo de las paredes del cilindro en el punto en el que el vórtice cambia de dirección.

El rendimiento de los separadores ciclónicos depende principalmente del tamaño de partícula, y el diseño del sistema tiene en cuenta la eficiencia de recolección, la caída de presión y el tamaño de la unidad.  La eficiencia de recolección aumenta con mayores caídas de presión asociadas con factores como como velocidades de gas de entrada más altas y características de unidad más grandes, como la longitud del cuerpo del ciclón.

La eficiencia ciclónica también aumenta con el aumento de la densidad de partículas, el número de revoluciones de gas, la relación entre el diámetro del cuerpo y el diámetro de salida y la suavidad de la pared ciclónica interna. La eficiencia aumentará con una disminución en la viscosidad del gas, el diámetro del cilindro, el ancho o área del conducto de entrada, el diámetro de salida y la densidad del gas.

La configuración básica para un solo separador ciclónico es la unidad tangencial de entrada, salida axial de gas y salida axial de polvo, como se muestra en la figura siguiente. Sin embargo, las siguientes discusiones y relaciones son fundamentales para todos los separadores de ciclones.

Aunque no se expresa mediante una ecuación específica, la eficiencia de recolección generalmente varía directamente con el factor  de separación de partículas, de acuerdo a la siguiente expresión:

En donde:

• Sp = Factor de separación de partículas
• Vi = Velocidad de entrada de gases al ciclón, en m/s
• Rc = Radio del cilindro del ciclón, en m
• g = Aceleración de la gravedad, en m/s2

La caída de presión a través de un ciclón es el resultado de varios factores, incluidas las pérdidas de entrada y salida, la fricción de la pared interior y la energía cinética en el gas de salida. La determinación más precisa se realiza a través de pruebas de actuación o prototipo. La caída de presión puede ser aproximada por la ecuación:

Donde:

• F = pérdida por fricción ciclónica, m (cabeza de presión)
• K = constante empírica
• B c = anchura de entrada de gas, m
• Hc = altura de entrada de gas, m
• Ds = diámetro de salida de gas, m

Los valores de  K varían de  7.5 a 18.4, siendo 16 un valor  típico.

El rendimiento del ciclón puede correlacionarse con varios parámetros utilizando numerosos modelos teóricos. La práctica común es utilizar el concepto de “tamaño de corte” “dc”, que se define como el diámetro de partícula recogido con una eficiencia del 50%. Las partículas más pequeñas se recolectarán de manera menos efectiva, y las partículas de mayor diámetro se recolectarán de manera más eficiente. El diámetro de partícula crítico es ese tamaño recogido con una eficiencia del 100%.

Un modelo popular de rendimiento ciclónico “dc”, implica el cálculo del diámetro de corte de partículas del 50%, como lo siguiente:

En donde:

• dc = diámetro de partícula recogido con una eficiencia del 50 por ciento, m
• μ  = viscosidad del gas, kg/m·s
• Bc = anchura de entrada de gas, m
• N = número efectivo de vueltas de gas
• Vi = velocidad de entrada del gas, m/s
• ρP = densidad de partículas, kg/m 3 
• ρG = densidad del gas, kg/m3

El número de vueltas de gas puede variar de 0,5 a 10 con un valor de 5 esperado para ciclones de alta eficiencia.  El valor N se aproxima mediante la siguiente ecuación:

Donde:

• Lc = longitud del cilindro, m
• Zc = longitud del cono, m
• Hc = altura  de entrada de gas, m

El separador ciclónico de alta eficiencia resulta de aumentar la longitud del cuerpo y disminuir el diámetro del cuerpo, en un ciclón simple. Los ciclones de alta eficiencia se utilizan para partículas en tamaños de 5 a 10 μ m. Estas características físicas, en relación con el ciclón simple, tienden a aumentar la longitud del cilindro, la velocidad de entrada, el tiempo de detención y la fuerza centrífuga sobre las partículas, y a disminuir el diámetro del cilindro.

 

Robert A. Corbitt / Standard-handbook-of-environmental-engineering-2nd-edition