autor jonahtan alejandro valle palacio
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Diseño de sistema de filtrado para equipo de extracción de ceniza de la
central de energía y vapor (CEVA) de Coltejer S.A.
Autor
Jonahtan Alejandro Valle Palacio
Universidad de Antioquia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería
Mecánica
Medellín, Colombia
2019
Diseño de sistema de filtrado para equipo de extracción de ceniza de la central de energía y
vapor (CEVA) de Coltejer S.A.
Jonahtan Alejandro Valle Palacio
Informe de práctica o monografía o investigación o tesis o trabajo de grado
como requisito para optar al título de:
Ingeniero Mecánico.
Asesores.
Asesor Interno: Andrés Felipe Colorado Granda, Ingeniero Mecánico, PhD. en
Ingeniería Mecánica y Aeroespacial.
Asesor Externo: Sergio Andrés Mejía Sánchez, Ingeniero Mecánico.
Universidad de Antioquia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica.
Medellín, Colombia
2019.
Tabla de contenido 1. Resumen .......................................................................................................... 5
2. Introducción ...................................................................................................... 6
3. Objetivos ........................................................................................................... 8
3.1. Objetivo general ......................................................................................... 8
3.2. Objetivos específicos ................................................................................. 8
4. Marco Teórico ................................................................................................... 8
4.1. Mecanismos básicos. ................................................................................. 9
4.1.1. Impacto ................................................................................................ 9
4.1.2. Interceptación ...................................................................................... 9
4.1.3. Difusión .............................................................................................. 10
4.2. Otros mecanismos ................................................................................... 11
4.2.1. Atracción electrostática ...................................................................... 11
4.2.2. Gravedad ........................................................................................... 11
4.2.3. Fuerza centrífuga ............................................................................... 11
4.2.4. Termoforesis ...................................................................................... 11
4.2.5. Difusioforesis ..................................................................................... 12
5. Metodología .................................................................................................... 20
6. Resultados y análisis ...................................................................................... 23
6.1. Cálculos teóricos ...................................................................................... 23
6.2. Simulación ................................................................................................ 26
7. Conclusiones .................................................................................................. 35
8. Bibliografía ........................................................................................................ 36
9. Anexos ............................................................................................................ 37
Lista de tablas
Tabla 1. Configuraciones geométricas típicas de ciclones.. .................................. 16
Tabla 2. Correlaciones para ciclones según su desempeño. ............................... 18
Tabla 3. Dimensiones de los 3 tipos de ciclón....................................................... 23
Tabla 4 Coincidencia con diámetro hidráulico de entrada. .................................... 23
Tabla 5. Número efectivo de turnos para cada tipo de ciclón. ............................... 23
Tabla 6. Parámetros del sistema. .......................................................................... 24
Tabla 7. Diámetro de partículas captadas con el 50% de eficiencia. ................... 25
Tabla 8. Calidad del mallado. ................................................................................ 28
Tabla 9. Resultados de la simulación. ................................................................... 32
Tabla 10. Costo de operación equipo de extracción con vapor. ............................ 33
Tabla 11. Costos de operación de equipo de talegas con ventilador-turbina. ....... 34
Lista de figuras
Figura 1.Bag House, caja de talegas y el ventilador de succión. ............................ 7
Figura 2. Mecanismos básicos de colección de partículas. . ................................. 11
Figura 3. Esquema básico de un precipitador electrostático.. ............................... 13
Figura 4. Esquema de cámara de talegas (baghouse).. ........................................ 13
Figura 5. Esquema de lavador de partículas. ........................................................ 14
Figura 6.Dimensiones de un ciclón y funcionamiento de un ciclón. ...................... 16
Figura 7. Curvas de eficiencia para los distintos diseños de ciclón.. ..................... 17
Figura 8. Comportamiento de la eficiencia con relación al tipo de ciclón.. ............ 18
Figura 9. Curva de eficiencia de Lapple. ............................................................... 25
Figura 10. Modelo del ciclón de alta eficiencia. ..................................................... 27
Figura 11. Fronteras del ciclón en la simulación. .................................................. 27
Figura 12. Mallado del ciclón. ................................................................................ 28
Figura 13. Flujo de aire sin partículas. .................................................................. 29
Figura 14. Trayectoria de partículas para inyección de 45 micras. ....................... 30
Figura 15. Comportamiento de las partículas de 10, 20 y 30 micras. .................... 31
Figura 16. Resultados Teóricos vs Resultados Simulación. .................................. 33
Figura 17. Pérdida de presión del sistema. ........................................................... 33
Diseño de sistema de filtrado para equipo de extracción
de ceniza de la central de energía y vapor (CEVA) de
Coltejer S.A.
1. Resumen
Durante la práctica empresarial de ingeniería mecánica realizada en la central de
energía y vapor de Coltejer S.A. se encontró que uno de los equipos de extracción
de ceniza trabaja cortos periodos de tiempo debido a su saturación prematura.
Dichos equipos tratan las cenizas ante de su disposición final en silos y constan de
una caja de talegas pequeña, de limpieza neumática, donde el vacío es generado
por un ventilador tipo turbina. El filtro de mangas tiene una lenta capacidad de
evacuación luego de atrapar la ceniza en sus talegas. Como solución se planteó
hacer una filtración adicional previa para el filtrado de partículas de ceniza para bajar
la carga que ingresa a la caja de talegas y que la capacidad de evacuación permita
extender sus tiempos de funcionamiento. Entre múltiples sistemas de filtración de
partículas se consideró más viable, económico y funcional un precipitador ciclónico
y para su diseño se hizo una revisión técnica de artículos, manuales y propiedades
del fluido y material transportado (ceniza). Se utilizaron correlaciones empíricas para
dimensionar algunas variables de ciclón y mediante la comparación con la literatura
especializada se verificó la capacidad de precipitación de las partículas, es decir la
eficiencia de colección. Se seleccionó un ciclón de alta eficiencia como el más
apropiado para la aplicación por su capacidad de precipitar partículas de menores
tamaños, lo cual se verificó con una simulación por dinámica de fluidos
computacional en el Software ANSYS Fluent Versión Académica. En la simulación
numérica se variaron los parámetros de funcionamiento como la diferencia de
presión, velocidad de entrada de partículas, carga de partículas, tamaño de partícula
de ceniza, entre otras y se compararon los resultados de las simulaciones con los
cálculos teóricos pudiendo reforzar con estos elementos el concepto técnico sobre
el desempeño del ciclón bajo las condiciones de trabajo para la extracción de
ceniza. Los resultados de las correlaciones empíricas fueron muy parecidos a los
de la simulación, verificando así la vigencia de correlaciones empíricas para el
diseño de estos sistemas de control de polución.
Palabras clave: ceniza, central de energía, ciclón, control de polución, dinámica de
fluidos, diseño, fuerza centrífuga, manufactura, polvos, simulación.
2. Introducción
La empresa Coltejer S.A. en búsqueda de la sostenibilidad y aumento de la
eficiencia en los procesos de generación de energía, vapor y aire comprimido para
procesos textiles crea el Sistema de Gestión de Eficiencia Energética (SIGES). El
sistema evalúa el estado del consumo energético de la compañía y propone mejoras
para un uso óptimo y racional de la energía térmica y eléctrica en aras de cumplir
las normas y aumentar la rentabilidad de la empresa.
Esta propuesta está orientada a proponer y diseñar mejoras en varios sistemas de
la Central de Energía, Vapor y Aire (CEVA). Lo anterior bajo el esquema SIGES en
cuanto a optimización y uso racional de los recursos energéticos.
Algunos de los problemas energéticos actuales fueron identificados previamente por
el personal de Coltejer S.A. o por practicantes anteriores en sus trabajos
respectivos. Otras oportunidades de mejoramiento energético han sido identificadas
durante esta práctica con los criterios de ingeniería adquiridos en la formación
académica.
Uno de los problemas recurrentes en la empresa es la saturación rápida del filtro de
mangas con el que se filtran las cenizas. En este proyecto se diseñará un sistema
de filtrado de partículas de ceniza con el fin de evitar la saturación prematura del
sistema de filtrado por mangas del equipo de succión neumático existente. Dicho
equipo presenta cortos tiempos de operación por su saturación rápida. Se propone
el diseño de un ciclón específicamente dimensionado para cumplir con los
requerimientos de filtrado de la empresa.
Cabe resaltar que el control de las emisiones es una de las responsabilidades de
las empresas que en sus procesos utilizan energía proveniente de la quema de
combustibles fósiles, en el área metropolitana la resolución 912 de 2.017 [1] es la
que reglamenta la prevención y control de la contaminación atmosférica y la calidad
del aire en general para el sector industrial.
Se busca diseñar y optimizar un sistema de filtrado tipo ciclón que al implementarlo
en línea con el sistema actual le disminuya la carga, se aplicará una metodología
de diseño de ciclones, mediante relaciones empíricas y se optimizará el
funcionamiento de este mediante simulaciones de dinámica de fluidos
computacional (CFD).
En la figura 1 se muestran los elementos principales en el problema a solucionar, el
ventilador genera una succión para que desde el Bag House el aire con ceniza
llegue a la caja de talegas y deje la ceniza atrapada dejando pasar el aire limpio, la
ceniza quedará depositada en el silo. El ciclón estará en la línea entre el Bag House
y la caja de talegas.
Figura 1. A la izquierda el Bag House. A la derecha en amarillo la caja de talegas y en rojo el ventilador de succión.
La quema de carbón para cogeneración de vapor y energía eléctrica para procesos
textiles arroja como uno de los productos de la combustión la ceniza, la cual debe
ser evacuada para garantizar el correcto funcionamiento de las calderas y la
adecuada evacuación de los gases de combustión, la ceniza también debe ser
dispuesta de manera apropiada para evitar contaminar el ambiente. A corto plazo la
central de energía, vapor y aire de Coltejer S.A. implementará el proyecto del
aumento de venta de excedentes y aumentará la generación de energía eléctrica y
por lo tanto será mayor el consumo de combustible y proporcionalmente la
producción de ceniza por lo que es indispensable garantizar la disponibilidad de los
equipos de extracción del material particulado para mantener la estabilidad y
eficiencia del proceso.
3. Objetivos
3.1. Objetivo general:
Diseñar un sistema de filtrado tipo ciclón de partículas de ceniza para un equipo
de extracción.
3.2. Objetivos específicos:
• Caracterizar el estado del equipo de extracción neumática de ceniza.
• Analizar los diseños actuales de sistemas filtrantes de material particulado y
sus distintas configuraciones.
• Desarrollar múltiples opciones de diseño de ciclones acorde a los
requerimientos y variables del sistema.
• Modelar y simular distintas variables de un ciclón separador con el fin de
resolver la necesidad de la compañía.
• Formular y analizar la viabilidad económica del proyecto.
• Realizar el diseño geométrico de espesores y selección de materiales del
ciclón apropiado para las condiciones de operación de la central de energía
y vapor de Coltejer S.A.
4. Marco Teórico
El proceso productivo de la empresa Coltejer S.A. requiere de energía eléctrica,
vapor y aire comprimido; para la cogeneración de electricidad y vapor se cuenta con
un ciclo Rankine en el que se genera el vapor con calderas alimentadas por carbón
pulverizado, el proceso de combustión de combustibles sólidos implica vaporización
físico-química de minerales, colisiones dinámicas y fragmentaciones [2], parte del
carbón no reacciona en la combustión, generando un material volátil que es la
ceniza la cual esta fraccionada en distintos tamaños de partícula estandarizados
como lo son PM0.4, PM0.4-2.5, PM2.5-33.2 y PM33.2+ [2], dependiendo de su
tamaño son más o menos nocivos y se deben captar en el lugar de generación.
Para el control de partículas se tienen en cuenta aspectos como la distribución de
tamaño de partícula, diámetros aerodinámicos y el factor de corrección de
Cunningham [3].
La captación de partículas se puede hacer con distintos mecanismos [11] la
descripción esquemática se puede observar en la figura 2:
4.1. Mecanismos básicos.
4.1.1. Impacto: En el mecanismo de impacto las partículas grandes que viajan
hacia un objetivo tienen masa y por tanto un impulso, lo que hace que las
partículas tiendan a viajar en línea recta. La partícula deja su línea de
corriente a medida que ésta se inclina para rodear el objetivo, pero
mientras más masiva la partícula más probable es que continúe su viaje
en línea recta. Mientras aumenta la diferencia de velocidad entre la
partícula y el objetivo la partícula tendrá un mayor impulso y será más
probable que sea atrapada por el objetivo. El radio de curvatura en la línea
de corriente tiene un efecto importante en la probabilidad de que la
partícula se transporte al objetivo. Cuanto menor sea el radio de
curvatura, menos probable es que una partícula siga la línea de corriente,
por lo tanto, los objetivos pequeños tienen más probabilidades de verse
afectados que los objetivos grandes.
4.1.2. Interceptación: Por este mecanismo las partículas entre 0,1 y 1 micras de
diámetro son transportadas en un gas lo suficientemente cerca del
objetivo como para que por su propia inercia dejen la línea de flujo. La
intercepción es un mecanismo relativamente débil de recolección de
partículas en comparación la impactación y como se explicará con la
difusión. Es una coincidencia que la trayectoria de la corriente y la
partícula se encuentren cerca del objetivo, es por esta razón que las
partículas de tamaño pequeño don difíciles de recolectar en comparación
con las más grandes.
4.1.3. Difusión: La difusión de partículas extremadamente pequeñas es el
resultado del movimiento browniano, teoría física que explica los
fenómenos de transporte, colección y aleatoriedad de partículas muy
pequeñas [12]. Las partículas pequeñas tienen una masa tan poco
significativa que el número de colisiones es bajo lo que hace que las
partículas constantemente reboten y tengan movimiento aleatorio. Si se
permite un tiempo adecuado la difusión puede ser el mecanismo
adecuado para una recolección efectiva. Por esta razón las cámaras o
casas de filtros de tela o fibras son efectivas en la recolección de
partículas muy pequeñas y he ahí la dificultad de los depuradores Venturi
húmedos para colección de dichas partículas teniendo estos últimos
ventajas como reducción de la visibilidad de la pluma y la desulfurización
de los gases [13].
Existen equipos que funcionan con los mecanismos convencionales combinados
buscando la mayor eficiencia de colección como lavadores gravitacionales que
consideran además de los tres mecanismos anteriores la gravedad [18], las fuerzas
viscosas [19] o variables turbulentas de la difusión [20].
Figura 2. Mecanismos básicos de colección de partículas. Tomado de [3].
4.2. Otros mecanismos:
4.2.1. Atracción electrostática: Las partículas tienen una carga y son sometidas
a un campo electromagnético que las ubica en su destino final sacándolas
de la corriente de gas particulado.
4.2.2. Gravedad: Es el principal mecanismo de filtrado de partículas grandes
que son precipitadas por la fuerza gravitacional, es un mecanismo
ineficiente con fuertes corrientes y partículas pequeñas.
4.2.3. Fuerza centrífuga: Es la fuerza en dirección radial que causa el
movimiento circular del ciclón. En el ciclón el gas particulado entra en el
volumen de control y el movimiento del ciclón precipita las partículas
contra las paredes, mientras que el vacío generado por el sistema
mantiene el flujo de fluido a través de este.
4.2.4. Termoforesis: Es un fenómeno que aprovecha diferencias de temperatura
en un sistema y las partículas van del lugar caliente al más frio.
4.2.5. Difusioforesis: Un ejemplo es la captación de partículas haciendo que la
corriente de gas pase por vapor de agua e intercambie gotas de agua por
partículas de material y estas a su vez fluyan con el agua condensada.
Los equipos de filtrado o captación de material particulado funcionan con los
mecanismos mostrados, y algunos de ellos incluyendo el ciclón que se desarrollará
en este proyecto, son:
a. Precipitadores electrostáticos: Utiliza el fenómeno de atracción
electrostática para captar partículas y orientarlas a su disposición final. En
la figura 3 se muestra el esquema básico de un precipitador electrostático
el cual puede ser de simple o doble etapa como se indica en la parte
inferior, El precipitador de dos etapas, es un dispositivo en serie con el
electrodo de descarga o ionizado, precediendo a los electrodos de
recolección, mientras el de una etapa es solo un mecanismo [14]. En la
parte superior de la figura 3 se muestran elementos básicos que hacen
que este mecanismo de colección funcione como el generador de voltaje
para los electrodos y la zona de colección, para este caso en particular se
tiene una medición de corriente y un transductor de movimiento partículas.
b. Casas de talegas o mangas (baghouses): El gas se obliga a fluir por filtros
de mangas que atrapan las partículas y dejan fluir el aire limpio. En el
esquema de la figura 4 se muestra como por la parte inferior del sistema
ingresa el aire inducido con una carga de material particulado, que se
obliga a pasar por las talegas señaladas con la letra G promoviendo la
salida de un aire limpio por la parte superior. En condiciones ideales el
sistema de talegas de la empresa funcionaría de esa manera evacuando
con la válvula rotativa H las partículas de ceniza a los silos.
Figura 3. Esquema básico de un precipitador electrostático. Tomado de [14].
Figura 4. Esquema de cámara de talegas (baghouse). Tomado de [15].
c. Lavadores (wet scrubbers): Un líquido atomizado, normalmente agua se
rocía sobre las partículas haciendo que se precipiten por su propio peso
combinado con el del agente humidificador. En la figura 5 se muestra un
ejemplo en que los residuos de combustión de una caldera (enumerada
como 1) son prefiltrados en un sistema similar a una casa de talegas
enumerada como 3 en la figura y luego los residuos no precipitados en la
cámara de filtros pasan a un lavador indicado con el número 4 donde el
agua movida por la bomba 5 entra en contacto con el aire cargado de
partículas precipitando los residuos restantes y el aire limpio es extraído
por el ventilador en el esquema 7.
Figura 5. Esquema de lavador de partículas. Tomado de [16].
Existen variantes de sistemas que combinan los lavadores con precipitadores
electrostáticos para capturar partículas submicrónicas combinando los fenómenos
previamente mencionados y potenciándolos [17].
d. Ciclones: son muy comunes en la industria para múltiples aplicaciones,
no es muy eficiente colectando partículas pequeñas porque la pequeña
masa que tienen no genera una fuerza centrífuga [3]. Son dispositivos
simples que aprovechan la fuerza centrífuga para separar partículas de
un gas, son de bajo costo, no necesitan partes móviles y ocupan un
espacio pequeño, dependen de un soplador o un generador de succión
como fuente de presión para movilizar el gas, se pueden usar para gases
a alta temperatura y con gran concentración de partículas.
Para el diseño de ciclones se han encontrado algunas correlaciones las cuales
dependen del diámetro del cilindro y así se obtienen todas las dimensiones
encontrándose relaciones de dimensiones para alta eficiencia, alto desempeño o
ciclones estándar [3], sin embargo, distintos estudios han modificado dimensiones
y estudiado el comportamiento del ciclón con simulaciones CFD, donde se observan
trayectorias de partículas y cambios en la presión del sistema [4]. Otros estudios se
enfocan en el comportamiento de partículas ultralivianas [5] y como modificando
parámetros se puede mejorar el desempeño del ciclón. El desempeño de un ciclón
varía dependiendo la carga y tamaño de partículas ya que en la relación del radio
de partículas y la velocidad de flujo afectan la generación de la fuerza centrífuga [6].
En la figura 6 se observa como es el comportamiento del aire cargado de partículas
al entrar al equipo con una geometría específica para generar un vórtice en la parte
cónica dando así lugar a que partículas pesadas se precipiten primero y luego las
más livianas por la fuerza centrífuga tiendan a ir también hacia la parte inferior,
también se indican las medidas principales en un ciclón, el cual en un principio es
de una forma simple (lo que lo hace fácil y económico de fabricar) pero a la vez
versátil para el cumplimiento de su función.
Como se decía anteriormente algunos diseñadores han planteado por experiencia
sus propias relaciones de dimensiones respetando siempre el diámetro de la parte
principal del cuerpo, el cilindro, en la industria una de las más conocidas y utilizadas
es la correlación de Swift, que coincide con otros autores como las relaciones de
dimensiones para los ciclones de más alta eficiencia, es decir, los que precipitan la
mayoría de las partículas. Pero la eficiencia tiene un precio y es la perdida de
presión de vacío en el sistema como lo menciona Hyun [8].
Figura 6.Izquierda, Dimensiones de un ciclón. Derecha, funcionamiento de un ciclón. Tomado de [3].
Tabla 1. Configuraciones geométricas típicas de ciclones. Adaptado de [7] y [3].
La típica perdida de presión en los ciclones va entre 1 y 4 pulgadas de columna de
agua [9], donde los de alta eficiencia por tener tamaños mayores generan una
pérdida de accesorio mayor en la línea, mientras los convencionales precipitan
menos, pero la perdida de presión da valores menores, en la figura 7 se pueden ver
las curvas de eficiencia de algunos de los ciclones de distintos autores realizados
en los últimos 60 años.
Figura 7. Curvas de eficiencia para los distintos diseños de ciclón. Varios autores. Tomado de [3].
Como se puede evidenciar hay muchos estudios que arrojan dimensiones de
ciclones diferentes con comportamientos experimentales en su eficiencia similar
para algunos y un poco mejor o peor para otros, pero como se lee en la tabla 2 los
ciclones son divididos en tres tipos principalmente, los de alta eficiencia, con una
colección de partículas importante respecto a los demás (Figura 8) y con una
capacidad mayor de atrapar partículas muy pequeñas, sin embargo como se
comentó tienen un perdida de presión importante y afecta también la velocidad
asumiéndose como un accesorio muy grande en una línea de fluido. Los de alto
desempeño son ciclones que tienen una pérdida de presión baja, permiten
velocidades de arrastre mayores, pero no precipitan tantas partículas como el ciclón
de alta eficiencia, dejan pasar una cantidad importante de partículas y las más
pequeñas no son colectadas de manera adecuada. Entre los tipos ya mencionados
se encuentra el ciclón estándar, el cual tiene una buena condición para captar
partículas, es más grande que el de alto desempeño y más pequeño en tamaño que
el de alta eficiencia y no genera una pérdida de presión tan grande como el de alta
eficiencia, sin embargo las correlaciones de Swift (que coinciden con las de alta
eficiencia como se puede notar) son las que tienen un ciclón de mayor eficiencia
con menor pérdida de presión como ya se verificará en este trabajo más adelante.
Tabla 2. Correlaciones para ciclones según su desempeño. Adaptado de [3]
Figura 8. Comportamiento de la eficiencia con relación al tipo de ciclón. Tomado de [3].
Conociendo ya las dimensiones principales y las correlaciones más utilizadas no
solo se puede calcular el tamaño para un ciclón, sino que también con condiciones
del fluido y la carga de material particulado se puede estimar la eficiencia para un
caso en particular. La ecuación 1 se utiliza para estimar el número de turnos o
vueltas que tienden a dar las partículas en el ciclón antes de precipitarse, a más
vueltas mayor posibilidad de precipitar la partícula, por eso los de alta eficiencia
tienen un volumen mayor, para garantizar una mayor residencia de partículas y su
posterior atrapamiento. En la ecuación 1 se utilizan valores de las dimensiones
halladas con alguna de las correlaciones mostradas como son la longitud del cono,
longitud del cilindro y altura de la entrada rectangular.
High Efficiency Standard High Troughput
Inlet height H/D 0,44 0,5 0,8
Inlet width W/D 0,21 0,25 0,35
Gas exit diameter De/D 0,4 0,5 0,75
Body length Lb/D 1,4 1,75 1,7
Cone length Lc/D 2,5 2 2
Vortex finder S/D 0,5 0,6 0,85
Dust outlet diameter Dd/D 0,4 0,4 0,4
Typical Cyclone Dimensions
Dimensions
Ecuación 1. Número efectivo de turnos del ciclón.
𝑁𝑒 = 1
𝐻(𝐿𝑏 +
𝐿𝑐
2)
Ecuación 1. Tomado de [3]
Con el dato que arroja la ecuación 1 y las condiciones del fluido se puede calcular
la eficiencia de colección para cierto tamaño de partícula como lo muestra la
ecuación 2.
Ecuación 2. Diámetro de partícula con X eficiencia de colección.
𝑑𝑝𝑥 = [𝑥
100
9𝜇𝑊
𝜋𝑁𝑒𝑉𝑖(𝜌𝑝 − 𝜌𝑔)]
0,5
Ecuación 2. Tomado de [3]
Donde:
𝜇 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑊 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑡𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟
𝑁𝑒 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑟𝑛𝑜𝑠
𝑉𝑖 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜
𝜌𝑔 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠
𝜌𝑝 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎
Con las anteriores relaciones matemáticas se pueden obtener resultados teóricos
de cómo será el comportamiento en eficiencia del ciclón y si puede ser útil o no para
la aplicación especifica de arrastre de limadura, ceniza y polvos en general.
Para todos los mecanismos de control de polución se busca estimar su eficiencia,
para algunos sistemas se realizan mediciones de flujos o cantidades de partículas
recolectadas [18] o con estimaciones de las trayectorias de las partículas y su
destino final se puede cuantificar la posible eficiencia de colección del sistema [21].
Buscando una cercanía con las técnicas de manufactura modernas y dado que las
correlaciones han sido desarrolladas con la experiencia uno de los ciclones se
seleccionará y simulará por técnicas de CFD en el software ANSYS FLUENT,
existen distintos fenómenos de turbulencia con los que se puede acercar la
digitalización de un problema a la realidad.
Hay 3 tipos de modelos de turbulencia [10] LES, RANS y DES, los LES (Large Eddy
Simulation) son modelos en los que se detallan todos los remolinos y vórtices que
pueda tener un fenómeno, por eso su gran costo computacional. Los RANS
(Reynolds Averaged Navier-Stokes) como su nombre detallado lo indica se
fundamentan en las ecuaciones de transporte, de este grupo hacen parte los
modelos más conocidos y económicos computacionalmente como lo son k-omega,
k-épsilon, SST, entre otros. Y finalmente los DES son un hibrido entre los otros dos
modelos mencionados, sin embargo, son más detallados que los RANS y de igual
manera implican un costo computacional mayor.
Para el desarrollo de este trabajo se utilizarán modelos RANS, para los cuales se
debe realizar un mallado muy controlado para obtener buenos resultados, el mallado
se refiere a la división en una cantidad considerable de nodos de un volumen de
control con el fin de predecir mejor su comportamiento.
5. Metodología
1. Se tuvo un acercamiento con el personal técnico y de operaciones de la
central para identificar posibilidades de mejora en los sistemas.
2. Se identificó una falencia en el sistema de extracción de ceniza de caja de
talegas con limpieza neumática.
3. Se revisó la información técnica respecto al equipo y se encontró que en un
trabajo previo se diagnosticó la prematura saturación del filtro lo que acortaba su
tiempo de funcionamiento.
4. Se verificó el funcionamiento del sistema en las condiciones normales y se
corroboró la información encontrada, es decir, se notó la pérdida de succión y
saturación del equipo.
5. Se identificaron los parámetros de funcionamiento del sistema con la lectura
de información técnica presente en la empresa.
6. Se puso en marcha el equipo nuevamente y se midió con un anemómetro la
velocidad de salida del aire, y se relacionaron las dimensiones con el caudal de aire
para hallar la velocidad de transporte de partículas en el aire,
7. La información pendiente se consultó con la empresa contratista que se
encarga de la disposición de la ceniza.
8. Se realizó una revisión del estado del arte de los sistemas de control de
polución (lavadores, precipitadores electrostáticos, ciclones, cajas de talegas).
9. Se identificaron las características de cada uno de los sistemas, sus ventajas
y viabilidad para implementar en línea con la caja de talegas instalada
10. El precipitador ciclónico fue el seleccionado como el más adecuado acorde
a las condiciones de trabajo.
11. Se encontraron correlaciones empíricas de distintos autores para
dimensionar y caracterizar un ciclón.
12. En un documento de Excel se programaron las distintas correlaciones y se
evaluó la eficiencia de los ciclones con ecuaciones ya establecidas.
13. En el documento de Excel se evaluaron los diámetros de partícula de ceniza
más representativos para encontrar su eficiencia de colección.
14. Se seleccionó como más adecuado un ciclón de alta eficiencia de colección
de acuerdo con la literatura y los resultados de los cálculos concluyendo la parte
teórica del estudio.
15. El ciclón seleccionado se modelo en un software CAD (Inventor).
16. Se modeló el fluido dentro del ciclón en Inventor.
17. Se realizo un seccionado del fluido en el Software ANSYS para facilitar el
mallado del fluido.
18. En el Workbench de ANSYS se realizó el mallado estructurado del fluido al
interior del ciclón.
19. Se verificó la calidad del mallado y la continuidad de los elementos.
20. En ANSYS Fluent se hizo una configuración de la simulación con los
parámetros reales.
21. Se realizó una corrida de solamente el fluido (aire) a las condiciones de
trabajo del sistema.
22. Posteriormente se corrieron distintas simulaciones con distintos tamaños de
partículas.
23. Se evaluaron los resultados y se aplicaron ecuaciones de eficiencia acordes
con la configuración hecha de la simulación.
24. Se relacionaron los datos de la simulación con los de las ecuaciones de la
literatura.
25. Se recomendó el ciclón adecuado y su diseño (material, espesores, etc.)
26. Con la certeza de la condición del ciclón y su impacto se realizó un estudio
económico del impacto de la implementación en línea con la caja de talegas.
27. Se arrojó un concepto respecto a los ahorros de agua y vapor generados al
implementar el ciclón y disminuir el uso de otros equipos.
28. Se elaboró el plano del ciclón y la recomendación del lugar de montaje.
29. Se sugirió para el futuro otra opción de control de polución que reemplaza la
caja de talegas por otro sistema más eficiente en la colección.
30. Se realizó el informe correspondiente al proyecto.
6. Resultados y análisis
6.1. Cálculos teóricos
Como primer resultado con el uso de las correlaciones buscando la coincidencia del
diámetro de la tubería por la cual se transporta la ceniza con el diámetro hidráulico
de la entrada rectangular del ciclón (el cual debe ser así para la correcta entrada y
distribución del flujo) se obtuvieron dimensiones posibles para el ciclón. Las
correlaciones utilizadas fueron mostradas en la tabla 2 obteniendo las dimensiones
indicadas en la tabla 3 para las coincidencias de diámetro hidráulico indicadas en la
tabla 4.
Tabla 3. Dimensiones de los 3 tipos de ciclón.
Tabla 4 Coincidencia con diámetro hidráulico de entrada.
Con las medidas obtenidas se calculó la eficiencia de cada uno de los ciclones
utilizando las ecuaciones mostradas en el marco teórico, calculando el numero
efectivo de turnos para los tres ciclones dando como resultado los siguientes
valores:
Tabla 5. Número efectivo de turnos para cada tipo de ciclón.
High Efficiency Standard High Troughput
3,38Number of effective
turns (Ne)6,02 5,50
Como se esperaba para el ciclón de alta eficiencia por su tamaño mayor y su
tendencia a un tiempo de residencia incrementado el número de turnos es mayor
respecto a los demás. Luego, considerando las condiciones de trabajo del equipo
mostradas en la tabla 6 se procede a calcular la partícula que filtra con 50% de
eficiencia.
Tabla 6. Parámetros del sistema.
Parámetro Valor Magnitud
Velocidad de
entrada 12 m/s
Flujo de ceniza 2 ton/h
0,555556 kg/s
Temperatura del
aire 75 °C
Presión de vacío 80 in 𝐻2𝑂
Densidad ceniza 900 𝑘𝑔 𝑚3⁄
Densidad aire 0,1857 𝑘𝑔 𝑚3⁄
Viscosidad aire 0,00002189 𝑃𝑎 ∙ 𝑠
Ecuación 3. Eficiencia de colección de partícula de diámetro j.
𝜂𝑗 =1
1 + (𝑑𝑝50
𝑑𝑝𝑗)
2 Ecuación 3. Tomado de [3]
Si se observa la ecuación 3 para hallar la eficiencia de colección de un tamaño en
específico es necesario calcular el tamaño filtrado con 50% de eficiencia, valor que
ya se tiene y solo basta con ingresar en el denominador de la parte inferior de la
ecuación el diámetro de partícula del cual se desea conocer su eficiencia.
La ecuación 3 es conocida como la ecuación de eficiencia de Lapple, como se
comentó en la introducción las correlaciones son empíricas y no garantizan un
comportamiento en la realidad más allá de que hayan funcionado bien bajo ciertas
condiciones, sin embargo, para cálculos de eficiencia de colección Lapple se
fundamentó en el 50% de eficiencia de colección para alrededor de ese valor
garantizar un cálculo teórico cercano a la realidad [3]. Con los valores calculados de
eficiencia de colección se puede establecer la llamada curva de eficiencia de
colección de Lapple mostrada en la figura 9 para este caso en particular donde se
enfrenta la eficiencia con la relación de tamaños de partículas.
Con la aplicación de la ecuación 2, se obtuvo el tamaño de partícula filtrado con la
mitad de eficiencia total, dando lo mostrado en la tabla 7.
Tabla 7. Diámetro de partículas captadas con el 50% de eficiencia.
Los resultados son en micrómetros. Como se esperaba teóricamente el ciclón de
alta eficiencia (el primer valor de la izquierda) filtra a la misma eficiencia partículas
más pequeñas que los demás, lo que muestra su buena capacidad de captación.
Figura 9. Curva de eficiencia de Lapple.
dp50 7,4E-06 7,8E-06 9,7E-06
m
6.2. Simulación
Ahora lo que se buscó fue corroborar los resultados teóricos con una simulación con
ecuaciones de transporte buscando predecir también el funcionamiento real del
sistema. Se seleccionó para la modelación el ciclón de alta eficiencia y con las
dimensiones arrojadas por las correlaciones se modeló usando Inventor. Luego se
realizó toda la simulación en ANSYS Fluent.
En la figura 6 se puede apreciar el modelo y su escala, con un diámetro de medio
metro aproximadamente en el cuerpo del cilindro y una altura de poco más de 2
metros.
En el software como se observa en la figura 11 se nombraron las respectivas
fronteras del sistema (entrada y salidas) y la parte que atrapaba el volumen de
control es decir la parte externa del equipo para acercarlo a la realidad. Para este
tipo de simulaciones lo que se debe modelar es el fluido que como se puede notar
es lo que está fraccionado en distintas partes para poder controlar su posterior
mallado, es decir su partición en múltiples nodos para tener un panorama más
detallado de lo que pasa en todas las partes del volumen de control.
Para el mallado estructurado es importante respetar algunos valores como la calidad
ortogonal de los elementos, la relación de aspecto y la oblicuidad ya que las
interacciones entre nodos dependen de la buena forma de los elementos.
Figura 10. Modelo del ciclón de alta eficiencia.
Figura 11. Desde la derecha: Entrada, Salida de ceniza, Salida de aire más limpio.
El mallado mostrado en la figura 12 consta de un total de 166280 elementos, se
buscó realizarlo de la manera más estructurada posible y que los muros tuvieran
tamaños adecuados para que en la simulación los modelos de turbulencia pudieran
simular bien la trayectoria de las partículas y el fluido.
Se revisaron los parámetros de calidad del mallado mencionados, y en la mayoría
de los elementos excepto en la entrada tangencial que es una zona difícil de refinar
se garantizó lo mostrado en la tabla 8.
Tabla 8. Calidad del mallado.
Parámetro Calidad
deseada
Calidad obtenida
Oblicuidad < 0,75
Relación de aspecto < 12
Calidad Ortogonal > 0,5
Figura 12. Mallado del ciclón.
En el módulo de Fluent del software ANSYS se configuran los parámetros de la
simulación. En una corrida inicial se garantizó el y-plus cercano a 1 para trabajar
con el modelo k-omega ya que se presentaron dificultades con un modelo más
utilizado como es el k-épsilon. Los parámetros para la configuración son los de la
tabla 6. Se buscó que la continuidad estuviera por debajo de 1e-03 y los demás
valores de la simulación con valores inferiores y se dejo que las simulaciones
continuaran hasta que fluctuaran sin divergir. Se utilizó DPM (Discrete Phase Model)
para inyectar partículas al sistema como lo son las partículas de ceniza, se aplicaron
densidades, temperaturas y velocidades del flujo como las reales.
Las fronteras para el DPM se definieron como Velocity Inlet – reflect para la entrada
de velocidad, Pressure Outlet – escape para la salida de aire más limpio, Wall – trap
para la parte inferior donde se precipita la ceniza, lo anterior con el fin de cuantificar
cuantas partículas quedan atrapadas respecto a las que ingresa y se escapan.
Figura 13. Flujo de aire sin partículas.
Se realizaron inyecciones de 5 tamaños de partículas de 1 a 45 micras ya que del
Bag House las partículas que salen son de un tamaño menor a 45 micras en un
90% según información de la empresa encargada del tratamiento de la ceniza.
Las partículas de 45 micras son relativamente pesadas para las condiciones de
trabajo de este ciclón y la capacidad que tiene de precipitar teóricamente partículas
de ese tamaño, en la figura 10 se aprecia el comportamiento de una inyección de
partículas de 45 micras y su trayectoria con tendencia a la parte inferior, es decir
precipitándose mayormente.
Figura 14. Trayectoria de partículas para inyección de 45 micras.
Figura 15. Comportamiento de las partículas de 10, 20 y 30 micras.
Para el caso de partículas más livianas en comparación con la de 45 micras tienen
trayectorias múltiples, es decir algunas quedan atrapadas mientras otras se
escapan, el comportamiento es similar para partículas de tamaños medianos o
pequeños de 1 a 30 micras siendo para las más pequeñas mayor el porcentaje de
partículas escapadas como se mostrará adelante. La figura 15 muestra las
trayectorias típicas de estos conjuntos de partículas.
En la consola de resultados se muestra información sobre la interacción de las
partículas, el DPM, en este se incidan partículas inyectadas, escapadas, abortadas,
atrapadas, evaporadas entre otras características y posibilidades dependiendo si
hay intercambios de energía, temperatura, etc.
Como se muestra en el anterior segmento de la consola los aspectos más
importantes para este estudio son las partículas inyectadas, escapadas y atrapadas.
Con la anterior información y una sencilla ecuación de eficiencia se puede
establecer el comportamiento de la colección del ciclón para distintos tamaños.
𝜂𝐶𝑜𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 =# 𝑡𝑟𝑎𝑝𝑝𝑒𝑑
# 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑘𝑒𝑑=
# 𝑝𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑎𝑡𝑟𝑎𝑝𝑎𝑑𝑎𝑠
# 𝑡𝑟𝑎𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠
En la simulación se buscó que quedaran 0 partículas incompletas en todas las
simulaciones con el fin de un resultado más claro y transparente del comportamiento
real.
Para los tamaños de partículas los resultados de eficiencia fueron los mostrados en
la tabla 9.
Tabla 9. Resultados de la simulación.
Como se esperaba las partículas de mayor tamaño son las que tienen una eficiencia
de colección mayor, es decir su mayoría quedan atrapadas. Sin embargo, lo
importante era verificar los resultados de los cálculos empíricos, en la figura 16 se
muestran la comparación entre ambos estudios realizados en este trabajo.
La tendencia es similar para ambos casos, sin embargo, la limitación para hacer
corridas con más tamaños y hacer una curva más discreta deja algunos puntos sin
comparación.
Con el uso de la herramienta computacional también se verificó la perdida de
presión en el sistema integrando en el volumen de control, empíricamente se dice
que está entre 1 y 4 pulgadas de columna de agua la perdida de presión en un
sistema de este tipo, en la figura 17 se muestra la imagen del resultado de la
integración en la consola. El valor convertido de pascales a pulgadas de columna
de agua es de 1,82 in H2O, coincidiendo con los valores empíricos.
Inyectadas Atrapadas Escapadas
1 84 46 38 55%
10 84 54 30 64%
20 100 76 24 76%
30 100 92 8 92%
45 100 99 1 99%
Eficiencia de
captación
Cantidad de partículasTamaño de partículas
(en micras)
Figura 16. Resultados Teóricos vs Resultados Simulación.
Figura 17. Pérdida de presión del sistema.
También se realizó un cálculo económico de la habilitación del sistema para el que
se calculó el ciclón y el otro sistema que genera vacío con agua y vapor de 125 psi
por efecto Venturi.
Tabla 10. Costo de operación equipo de extracción con vapor.
En estos cálculos se estima la operación y el costo ambiental y de mantenimiento
de ambos equipos justificando la viabilidad de la implementación del equipo para
garantizar un funcionamiento constante del equipo neumático.
Tabla 11. Costos de operación de equipo de talegas con ventilador-turbina.
7. Conclusiones
- Las relaciones para dimensiones empíricas han funcionado de manera
adecuada para calcular los ciclones haciéndolos un equipo muy versátil para
el control de polución y manejo de material particulado.
- Los ciclones son equipos sencillos de fácil fabricación y mantenimiento
económico por lo que es una alternativa viable para la solución del problema
presente en la saturación del equipo presente en la compañía Coltejer S.A.
- El costo computacional es una limitación para modelar procesos de una
manera más cercana a la realidad, para el caso de este trabajo al no poder
simular más trayectorias posibles para el tamaño de 1 micra, cuyo
comportamiento es más impredecible comparado con las más macizas, no
se obtuvo un resultado similar o que refutara los resultados de cálculos
teóricos.
- Las partículas de más de 10 micras para ambos casos estudiados dan una
eficiencia de colección superior al 60 % por lo que el ciclón es un elemento
adecuado para estas condiciones de trabajo y puede bajar la carga de la caja
de talegas de manera importante.
- Con la implementación y puesta en marcha del sistema con ventilador
extractor de ceniza y reducción del uso del sistema con vapor se tiene un
impacto ecológico y económico importante ahorrando cerca de 635´000.000
millones de pesos al año.
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9. Anexos
Anexo 1. Plano con dimensiones geométricas de ciclón de alta eficiencia.
Anexo 1.