Repositorio Institucional de Documentos

Análisisexperimentaldelainfluenciadelacargadesólidosenlacaídadepresiónenun ciclóntangencial 1  Análisisexperimentaldelainfluenciadelacargadesólidosenlacaídadepresiónenun ciclóntangencial 2  Análisisexperimentaldelainfluenciadelacargadesólidosenlacaídadepresiónenun ciclóntangencial 3    Agradecimientos  ALuismiyAna,porsudirección,colaboraciónyasesoramiento.Pordarmela oportunidaddeintroducirmeenelmundodelainvestigación.Graciasalosdospor vuestraayudaconstanteparapermitirmerealizarycompletaresteproyectoconmás facilidad. Atodamifamilia,especialmenteamimadre,porsuapoyoincondicionalalo largodetodamicarrera.Siemprecreyeronenmisposibilidadesymeanimarontanto enlosbuenoscomoenlosmalosmomentos.AmiabueloÁngelquehoyporhoyya noestáentrenosotrosypormuypoconohavistocompletadomisueño,elcualle hubieradadomuchaalegría. Amiscompañerosycompañerasdelauniversidad,aloscualesconsidero grandesamigosporeltiempocompartidoylasexperienciasvividasjuntos.Gracias porvuestracompañíayapoyoincondicionalentodomomentoyhacerquetodohaya sidomuchomásdivertido. Amisamigosyamigasdetodalavida,porsucompañía,suapoyoabsolutoy sucompresiónentodomomento.Graciasporestarahísiempre. ARosaqueaunquehoydíanoestáenmivida,hasidounapersonamuy importanteparalograrllegaramimeta.Siempreteestaréagradecidoportuayuday comprensibilidad. Muchasgraciasatodos,sinvosotrostodoloqueheconseguidonohubiera sidoposible.   Análisisexperimentaldelainfluenciadelacargadesólidosenlacaídadepresiónenun ciclóntangencial 4       Análisisexperimentaldelainfluenciadelacargadesólidosenlacaídadepresiónenun ciclóntangencial 5 TABLADECONTENIDOS i. Índice5 ii.Índicedefiguras7 iii.Índicedetablas9 iv.Nomenclatura10  i.Índice 1.INTRODUCCIÓN:ALCANCEYOBJETIVO15 2.INFLUENCIADELACANTIDADDEPARTÍCULASENLACAÍDADEPRESIÓN DEUNCICLÓN21 2.1Introducción21 2.2Principiodefuncionamientodeunciclón23 2.3Clasificacióndeciclones25 2.4Geometríadeunciclón29 2.5Patróndeflujo30 2.6Eficienciadeunciclón33 2.7Caídadepresiónenunciclón35 2.8Modelosparaelcoeficiente,ζg,decaídadepresiónenvacío 37 2.8.1ModelodeShepherdyLapple(1939)38 2.8.2ModelodeAlexander(1949)39 2.8.3ModelodeCasalyMartines(1983)40 2.9Modelosparaelcoeficiente,ζs,decaídadepresiónencarga 41 2.9.1ModelodeBriggs(1946)41 2.9.2ModelodeSmolik(1975)42 2.9.3ModelodeKaskakov(1990)42 2.10ModelodeEnricoGriecoyLucaMarmo43 3.ANÁLISISEXPERIMENTAL45 3.1Descripciónteóricadeinstalación45 3.1.1Equiposprincipaleseinstrumentacióndelainstalación  45 3.1.2Funcionamientodelainstalación54 3.1.3Aplicacionesyventajas/desventajadelainstalación   56 3.2Planteamientosdelosensayos57 3.3Resultadosexperimentales61 3.3.1Comparaciónentrelasdiferentesalternativasteórico‐experimentales 61 3.3.2Seleccióndelacorrelaciónadecuadayajustedelamisma  69  Análisisexperimentaldelainfluenciadelacargadesólidosenlacaídadepresiónenun ciclóntangencial 6  4.CONCLUSIONES75 5.REFERENCIASBIBLIOGRÁFICAS79        Análisisexperimentaldelainfluenciadelacargadesólidosenlacaídadepresiónenun ciclóntangencial 7 ii.Índicedefiguras  Figura1.DiagramageneraldelosprocesosylossistemasdecaptacióndeCO2 adaptadade[1]. Figura2.Movimientodelaspartículasenunciclón. Figura3.Vórticesenunciclóntangencial. Figura4.Curvasdeeficienciadelosciclonesenfuncióndeltamaño(diámetro)de partícula.Figuraadaptadade[4]. Figura5.Diferentesdisposicionesgeométricasenciclones[5]. Figura6.Dimensionesdeunciclón. Figura7.Perfildelavelocidadtangencialenunciclóntangencial.Figuraadaptadade [6]. Figura8.Perfildelasdiferentescomponentesdelavelocidadenunciclóntangencial deflujoinverso:(a)tangencial,(b)radial.(c)axial[6]. Figura9.Vistadelanteradelventilador. Figura10.Vistatraseradelventiladormásmotoreléctrico. Figura11.Conjuntodeválvulasdelcircuitodecarbonatación. Figura12.Lechofluidocirculantedelcircuitodecarbonatación. Figura13.Ciclóntangencial. Figura14.Filtrosdemanga. Figura15.Loopsealdelcircuitodecarbonatación. Figura16.Conexionesdelasloopsealsdeloscircuitosdecarbonataciónycalcinación Figura17.Conexionesdelaloopsealdelcircuitodecarbonatación. Figura18.Calentadoreléctrico(vistafrontal). Figura19.Calentadoreléctrico(vistalateral). Figura20.Válvulademariposa(Tipo:cuartodegiro). Figura21.Instalacióndeexperimentación. Análisisexperimentaldelainfluenciadelacargadesólidosenlacaídadepresiónenun ciclóntangencial 8  Figura22.Conexióndelaloopsealconlechofluidocirculantedelcircuitode carbonatación. Figura23Configuracióndelcircuitodecarbonatacióndelainstalación. Figura24.Representacióndelosresultadosdelacaídadepresiónenvacio. Figura25.Representacióndelosresultadosdelacaídadepresiónenvacioteórica respectodelaexperimental. Figura26.Representacióndelosresultadosteóricosdelacaídadepresiónencarga respectodelosdatosexperimentales. Figura27.Representacióndelosresultadosdelacaídadepresiónencargaenfunción delamisma. Figura28.Representacióndelosresultadosdelacaídadepresiónencargaen funcióndelavelocidad. Figura29.Representacióndelosresultadosteóricosdelacaídadepresiónencarga respectodelosdatosexperimentales.        Análisisexperimentaldelainfluenciadelacargadesólidosenlacaídadepresiónenun ciclóntangencial 9 iii.Índicedetablas  Tabla1.Modelosteóricosdelacaídadepresióndelosciclones. Tabla2.Datosgeométricosdelosciclonesdelainstalación. Tabla3.Condicionesdeoperacióndelciclóndecarbonatación. Tabla4.Rangodeparámetrosdeoperacióndelosdostiposdeensayos. Tabla5.NúmerosdeEulerenvaciocalculadospordiferentesmodelosteóricos. Tabla6.Resultadosexperimentalesdelosensayosenvaciorealizadosenelciclónde lainstalación. Tabla7.ValoresdelafunciónR2delosdiferentesmodelosteóricosanalizados. Tabla8.Resultadosexperimentalesdelosensayosencargarealizadosenelciclónde carbonatacióndelainstalación. Tabla9.ValoresdelafunciónR2losdiferentesmodelosteóricosanalizados. Tabla10.ValoresdelafunciónR2delosmodelosteóricoseinvestigadosanalizados.       Introducción:Alcanceyobjetivo 16 Porestemotivo,unaalternativaquehoyporhoyestáteniendomucha consideracióneslacapturayalmacenamientodedióxidodecarbono.Existen diferentesprocesosqueseexplicanacontinuación,peroelobjetivodetodoselloses elmismoreducirlasemisionesdedióxidodecarbonoalaatmósfera.Peroesta alternativapresentatambiénunaproblemáticaimportantequeeslanecesidadde almacenarelCO2capturado,yaquesuaplicaciónesmuyreducida.Además,en algunoscasosestossistemasdecapturanoevitanquesuusoreduzcaelrendimiento globaldelaplanta,debidoaquedichossistemasparaoperarrequierenabsorberuna ciertaenergía. Enlaactualidad,elCO2separadoenplantasindustrialesseutilizapara satisfacerlasdemandasdesuspropiosprocesosynoparaalmacenarlo.Lacapturade CO2hastaelmomentohasidoaplicadaenpequeñasplantasdegeneraciónde energíayaqueparalasgrandesplantasseencuentraenfasededesarrollo.La capturaenprocesosindustrialescorrientessellevaacabodesdehaceunos80años aunquelamayoríadelCO2queescapturadoesvertidoalaatmósferaporquenohay incentivosorequerimientosaseralmacenado.Eldióxidodecarbonoescapturadoen procesoscomolapurificacióndelgasnaturalyproduccióndegassintéticocon contenidodehidrógenoparaelaboraramoniaco,alcoholycombustibleslíquidos sintéticos[1].LamayoríadelastécnicasempleadasparalacapturadeCO2enlos ejemplosmencionadossonsimilaresalausadaenlacapturaenprecombustión. Existentresprocesosprincipalesdecapturadedióxidodecarbonocomoson:en Postcombustión,enPrecombustiónyoxicombustión. Lossistemasdecapturaenprecombustiónalteranelcombustibleantesdesu combustiónenunreactorconvaporyaireuoxígeno,paradarlugarunamezclade monóxidodecarbonoehidrógenoquesellamagasdesíntesis[1].Esteprimerproceso escomplejoycaro.Elmonóxidodecarbonoreaccionaconelvaporenunsegundo reactor,enelcualseproduceCO2ymáshidrógeno.Estamezclapuedesepararseen unflujodeCO2yotrodehidrógeno,frecuentementeporunprocesodeabsorción físicaoquímica.Elresultadoesuncombustiblericoenhidrógenoelcualactualmente puedeserusadoenalgunasaplicaciones,talescomo:pilasdecombustible,turbinasde gas,fabricacióndefertilizantes,calderasyhornos.Estatécnicaseaplicaenciclos combinadosdegasificaciónintegrada(CCGI). Lossistemasdecapturaenoxicombustiónutilizanoxígenopuroenvezdel aire,elcualestácompuestomayormentepornitrógeno,paralacombustióndel combustible.Elobjetivoesproducirungasdecombustióncompuesto principalmenteporaguaydióxidodecarbono.Estegasdecombustiónqueseorigina tienealtasconcentracionesdeCO2yaquenoexistenitrógeno[1].Posteriormente,el vapordeaguaseextraefácilmenteporcondensación.  Introducción:Alcanceyobjetivo 17 Porotrolado,esteprocesorequieredelaseparaciónpreviadeloxígenodel aireparaobtenerungasconunapurezadel95%al99%[1].Loquesetraduceenun altocosteparalaaplicacióndeestatecnología.Eldesafíodecómoseparareloxígeno delrestodelaireselacriogenizacióndelaire.Esteprocesodecapturapuede emplearseenhornos,calderasysistemasdeturbinasdegas. Lacapturadedióxidodecarbonoenpostcombustiónconsisteensepararel CO2delosgasesproducidostraslacombustión.Elobjetivodeestatecnologíaes poderaplicarlaengrandescentralesdecarbón,cicloscombinadosdegasnaturaly biomasayaquesegúnlosestudiosrealizadoseseconómicamenteviableynose necesitahacergrandesmodificacionesenlacentraldondesevainstalar.Existen diferentesmétodosdecapturadeCO2enpost‐combustiónaunquelamayoríade ellossehallantodavíaenfasesdedemostraciónoinvestigación. Algunosdeestosmétodossebasanenunprocesodeabsorciónquímica,enel cualutilizanunsolventeparacapturarlafraccióndeCO2existenteenlosgasesde combustión.Unadeestastécnicasesellavadoquímicoqueempleaunsolvente líquidocomoporejemplo,lamonoetanolamina[1].Otraconsisteenunciclode carbonatación‐calcinaciónquepormediodeunsorbentesólido,comoeselóxidode calcio,capturaeldióxidodecarbono.Dichoprocesoseexplicaconmayor detenimientoposteriormente.Peroambastécnicasestántodavíaenfasede desarrollo.Otrosprocesosenpostcombustión,queactualmenteseencuentranenfase investigación,sonlacriogenizaciónquecondensaelCO2existenteenlosgasesde combustión,laeliminacióndeCO2conotrosadsorbentessólidos,opasarlacorriente degasesdelacombustiónatravésdeunamembranayatraparelCO2[2].A continuaciónenlafigura1semuestranunarepresentaciónesquemáticadelos procesosdecapturadedióxidodecarbono.  Figura1.DiagramageneraldelosprocesosylossistemasdecaptacióndeCO2adaptadode[1]. Introducción:Alcanceyobjetivo 18 Enesteproyectoseestudiaunainstalación,quesebasaenunsistemade capturadedióxidodecarbonoenpostcombustión,conunciclodecarbonatacióncalcinación.Unciclodecarbonatación‐calcinaciónesenunprocesodeabsorción química,enelcualseutilizaóxidodecalcio(CaO),conocidocomocal,comosorbente regenerabledeCO2.Esteprocesosellevaacaboendosetapas(reacciones):la primeradeellasseconocecomocarbonataciónylasegundacomocalcinación. Lareaccióndecarbonatación(reac.1)serealizaenreactoratemperaturas cercanasa650ºC.ElóxidodecalcioabsorbeelCO2existenteenunacorriente gaseosa.Deestaformaseevitaqueeldióxidodecarbonoseaexpulsadoala atmosfera.Finalmente,enestaetapaseobtieneunsólidodecarbonatocálcico (CaCO3)paraqueposteriormenteserecupereeldióxidodecarbonoenelcalcinador. Porotrolado,seproducecaloryaqueesunareacciónexotérmica. Encuantoalareaccióndecalcinación(reac.2),lasegundaetapa,serealizaen unreactoratemperaturaspróximasa900ºC.Endichoreactorseproduceuna reacciónquímicaenlacualseliberaelCO2existenteenlacaliza(CaCO3).Esta reacciónesendotérmicaporloqueesnecesariounaportedecalor,elcualseráel únicoconsumoenergéticodeesteciclo.Lasreaccionesquímicasqueseproducen sonlassiguientes:   Reaccióndecarbonatación:   󰇟1800  ](reac.1)   Reaccióndecalcinación: 󰇣1800  󰇤(reac.2)  Porotrolado,losreactoresenloscualesserealizanestasreaccionespueden serdecualquiertipo:calderasconvencionalesdecombustión,quemadoresdegaso lechosfluidos.Estaúltimaopcióneslamejordetodasporqueunlechofluidoesun equipoquepermiteunabuenamezcladegasysólidos.Ademáspuedecontrolarque latemperaturaseahomogénea.Estosdosfactoressonimportantesparatenerunas reaccionesfavorablesyconellounbuenrendimientodelciclo.Porlotanto,la instalaciónenlacualseexperimentó,comoseexplicaráunpocomásadelante, constadedoslechosfluidos.   Introducción:Alcanceyobjetivo 19 HayquemencionarqueestanuevatecnologíadecapturadeCO2pormedio deunciclodecarbonatación‐calcinaciónpuedeseraplicada,porejemplo,en centralestérmicasdecarbónocicloscombinadosexistentesynuevosyaqueel consumodeenergíanecesarioparalaregeneracióndelsorbente(calcinación)se podríarecuperarintegrandolosflujosdecaloraaltatemperaturadelciclodecaptura enunciclodevapor.Ademásconlautilizacióndeestatécnicatambiénesposible capturaróxidosdeazufre(SOx). Lainstalacióndelaquesedisponeesdeflujofrío,enellanoseproducen reaccionesquímicas,yaquesolosepretendeanalizarlafluidodinámicadeeste proceso.Laproblemáticaquepresentaestainstalacióndecapturadedióxidode carbonoespodermedirdemaneracontinuaynointrusivaelcaudaldepartículas. Actualmenteestamedidadelcaudaldepartículasesnocontinuadebidoaquenose puedemedirentodomomentoeintrusivaporqueafectaalfuncionamientodela instalaciónproduciendocambiosdepresionesypérdidasdepartículas,comose explicarámásadelanteenestamemoria.Elobjetivoprincipaldeesteproyectoes realizarunestudioexperimental(enlainstalación)yteóricodelosciclones tangencialesdelainstalaciónparalograrresolveresteproblema.Endichoestudio,se obtendráunacorrelacióndelacaídadepresiónenlosciclonesenfuncióndelacarga departículasconlaquetrabajaylavelocidaddelgasalaentrada.Deestamanera, comotantolacaídadepresióncomolavelocidadsepuedenmedirdeformacontinua ynointrusiva,sepodrácalcularelcaudaldepartículasdeformacontinuayno intrusiva,apartirdedichacorrelación,comoseexpondráconmásdetenimientoalo largodelamemoria.Porotrolado,comoambosciclonestieneslasmismas dimensionesgeométricasyoperaránbajocondicionesdetrabajoiguales,entoncesla correlacióndelacaídadepresiónseráválidaparalosdos.   Introducción:Alcanceyobjetivo 20 Lasetapasquesesiguenparalograrelobjetivodeesteproyectoseenumeran acontinuación: Enprimerlugar,serealizaunestudiodelprincipiodefuncionamiento, clasificación,patróndeflujoyeficienciadeseparacióndelosciclonestangenciales. Posteriormente,serealizaunestudiomásexhaustivoparalacompresióndelacaída depresiónqueseproduceenunciclón.Porotroladoycomoseveráensu correspondienteapartado,seelaboraunadocumentacióndelosdiferentesmodelos teóricosparaelcálculodelacaídadepresiónenunciclóntangencial.Paraello,seha buscadoeinvestigadoenbibliografíaespecíficaendichotema.Contodoesto,en estaprimeraetapasepretendeconocerlasprincipalescaracterísticasqueserigenen unciclóntangencial. Ensegundolugar,serealizanunaseriedeensayosexperimentalespara obtenerlacaídadepresióndelciclón.Estosensayosseefectúanbajodiferentes condicionesdetrabajo,variandolavelocidaddelgasalaentradadelciclónylacarga departículas.Semidelapresiónalaentradaysalidadelciclón,paraconocerla pérdidadecarga. Enlatercerayúltimaetapaseevalúanlascorrelacionesexistentesdelos diferentesmodelosdecaídadepresiónanalizados.Seguidamente,seestudiayajusta unacorrelacióndelacaídadepresiónpordiferentescriteriosdecálculoyseelige aquellaquemejorseaproximaalosdatosexperimentales.Paraconcluir,esta correlaciónsevalidacomparándolajuntoconlosmétodosteóricosexaminadosy resultadosexperimentalesparademostrarquelacorrelaciónobtenidaeslamás idóneaparadeterminarlacaídadepresiónlosciclonesdelainstalación.Deeste modo,conestacorrelaciónsepuededeterminardemaneracontinuaynointrusivael caudaldepartículasquecirculaporlainstalación,cumpliendoelobjetivodeeste proyecto.     Introducción  21 2.INFLUENCIADELACANTIDADDEPARTÍCULASENLACAÍDADEPRESIÓNDE UNCICLÓN  2.1Introducción  Losciclonessondispositivoscentrífugosqueseutilizanparalaseparaciónde partículassólidassuspendidasenunacorrientegaseosa.Actualmente,estosequipos sonlosmásempleadospararealizardichatarea.Principalmente,debidoasubaja inversión,fácilmantenimiento(noposeenpiezasmóviles)yquepuedentrabajaren condicionesdefuncionamientocomplicadas.Básicamente,unciclóntangencialestá compuestoporuncilindroverticalconunfondocónico.Normalmentetienen entradatangencialydescargaaxialaunquetambiénexistenconentradaydescarga axial. Losciclonesencomparaciónconotrosdispositivosdeseparaciónde partículassólidascomolascámarasdesedimentacióngravitacional,filtro,lavadores yprecipitadoreselectrostáticopresentanlassiguientesventajas[3]:  Elmaterialcapturadoquedasecoy,normalmente,aprovechable.  Bajocostedeinversiónymantenimiento.  Porlogenerallosciclonestieneneficienciasmayoresquelacámarade sedimentacióngravitacional.  Puedenserusadosencondicionesextremas,enparticularaaltastemperaturas ypresionesyconsustanciasquímicamenteagresivas.  Notienenpartesmóvilesysonmuyrobustos  Lacaídadepresiónesconstantecuandosetrabajaenlasmismascondiciones deoperación.  Puedeserconstruidoapartirdediferentesmateriales,comoporejemplode láminadeacero,metalesfundidos,aleaciones,aluminio,plásticos,cerámicas, etc.  Puedeserequipadoconrevestimientosdematerialescapacesderesistirla erosiónycorrosión.  Enalgunosprocesos,elciclónpuedeencargarsedesólidosviscososopegajosos conayudadeunriegolíquidoadecuado.  Losciclonestambiénsepuedenutilizanparaseparargotasdelíquidoen suspensiónenungasypartículassólidasensuspensiónenunlíquido.Eneste últimocasosellamanhidrociclones.  Introducción 22 Porotrolado,losciclonestambiénpresentanunaseriededesventajas[3] frenteaotrostiposdedispositivosdeseparacióndepartículassólidascomolos anteriormentemencionados:  Losciclonesnosonlosequiposmásadecuadosparasepararpartículascon diámetrosmenoresde5μm,aunqueenalgunoscasosconcretospartículas muchomáspequeñaspuedenllegaraserseparadasconunaceptable rendimiento.  Tienerendimientosbajoscuandooperafueradesupuntodefuncionamiento óptimo,esdecir,contamañosdepartículasmáspequeñosqueparalosquefue diseñado.  Espropensoaerosionarseproduciéndoseundesgasteyensuciamientodel mismo,sobretodosilossólidosqueestáprocesandosonabrasivosoviscosos.  Tienealtoscostesdeexplotacióndebidoalaenergíarequeridaparasuperarla pérdidadepresión.  Losciclonespresentaneficienciasmenoresquelosfiltrosdemangas,lavadores yprecipitadoreselectrostáticos.  Sielciclónnoesdiseñado,mantenidoyoperadocorrectamenteentonces trabajarápordebajodelrendimientoesperado.       Principiodefuncionamientodeunciclón  23 2.2Principiodefuncionamientodeunciclón  Elfuncionamientodelosciclonessebasaendaralflujodegasesunarápida rotación.Deestaforma,laspartículassondesplazadasporlaaccióndelafuerza centrífugahacialasparedesdelciclón,loquepermitequelaspartículasmáspesadas (mayordiámetroodensidad)seaglomerenyseseparendelacorrientegaseosa. Comosepuedeobservarenlafigura2,laspartículasmáspesadasseaproximanhacia lazonadelaparedmientrasquelasmenospesadassequedanenlazonacentral,no lleganasepararsedelacorrientegaseosaysalenporlasalidasuperiordelciclón.Por otrolado,conlaactuacióndelafuerzagravitacional,laspartículasmáspesadas desciendenporlasparedeshacialasalidainferiordelciclón. Paraexplicarlatrayectoriaquedescribeelgasenelinteriordeunciclón,hay quemencionarquedichatrayectoriadescribeundoblevórtice,endondeelgas desciendetrazandounaespiralenlaregiónexternadelinteriordelciclón. Posteriormenteelgasasciendelimpiodepartículastrazandootraespiralporla regióncentraldelinteriordelciclón,comomuestralafigura3.        Figura2.Movimientodelaspartículas enunciclón.     Inicialmente,elgasconpartículascirculaporlaentradadelciclónconuna trayectorialinealycuandoelgasentraenelcuerpodelciclónsumovimientocambia aunatrayectoriahelicoidal.Estemovimientoesocasionadoporeldiseñodela Figura3.Vórticesenunciclóntangencial. Principiodefuncionamientodeunciclón 24 entradadelciclón,queproducequeelgasentreconcomponentetangencialhacialas paredesinternasdelcuerpodelciclón.Eltipodeseccióndeentradaquemásseusa paralograrestepropósitoeslasecciónrectangular,talycomopuedeverseenla figura3. Enlaprimerapartedelcuerpodelciclóndondesudiámetroesconstante,el gascargadoconpartículas,describeunatrayectoriaaxialmentedescendienteen espiral.Esenestazonadondeseproducelaseparacióndelaspartículasdemayor tamañodelgasdebidoalaactuacióndelafuerzacentrifuga,éstasseaglomeranyse deslizandescendiendoporlasparedesdelciclón.Lafuerzacentrífugavaríasu magnituddependiendodelavelocidadtangencialdelgasydelradiodelcuerpodel ciclón.Porloque,estafuerzacentrifugapuedesermuchomayorquelafuerza gravitacional. Lapartecónicadelciclónesdiseñadadetalformaqueelgasesforzadoa entrarenlaregióninternadelciclón,dondeelmovimientoenespiral(endirección axial)esdirigidohaciaarriba.Aldisminuirelradioseproduceunaumentodela velocidadtangencialdelgas,estoexplicaporquéenelconodelciclónesdondese presentalamayorrecoleccióndepartículas,especialmentelasdemenortamaño (diámetro).Laspartículassiguendescendiendodeslizándoseporlasparedesinternas hastallegaralasalidainferiordelciclóndondesonalmacenadasenunrecipiente determinadoorecirculadascomoeselcasodelainstalaciónanalizadaeneste proyecto. Finalmente,elgasasciendeconunatrayectoriaenespiralporlaregión centraldelciclón.Estacorrientedegasseencuentra(casiensutotalidad)limpiade partículasdetamañodepartículaparaelcualelciclónfuediseñadoqueseparase. Dichacorrientegaseosasedirigehacialasalidasuperiordelciclón.Estasalida,quese conocecomo“vortexfinder”,setratadeuntubodediámetroconstanteyde longitudsimilaralapartedelcuerpodelciclóndediámetroconstante,dependiendo deldiseñoquesequisierarealizar.Porlotanto,elgaslimpioatraviesael“vortex finder”ysaledelseparadordepartículasalsiguienteprocesodelimpieza, almacenamientooalaatmósferadependiendodelaaplicacióndequesetrate.     Clasificacióndeciclones  25 2.3Clasificacióndeciclones  Hoyendía,losciclonessonundispositivodeseparadordepartículasyamuy estudiado,eldiseñodeéstossebasanormalmenteenfamiliasdeciclonesquetienen proporcionesdefinidas.Estosdispositivoscentrífugospuedenserclasificadossegún [3]: A. Laeficienciadelciclón. B. Laconfiguracióndelaentrada. C. Laformadesucuerpo. D. Ladireccióndelfluidoenlaentradaysalidadelosciclones. E. Ladisposicióngeométrica. Encuantoalosciclonesdeentradatangencialquesepuedenclasificarsegún sueficienciaexistentrestipos[4],comopuedenapreciarseenlasiguientefigura4:  Ciclonesdealtaeficiencia.  Ciclonesconvencionales.  Ciclonesdealtacapacidad. Figura4.Curvasdeeficienciadelosciclonesenfuncióndeltamaño(diámetro)departícula. Figuraadaptadade[4].  0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20 η% dp,µm Altaeficiencia Convencional Altacapacidad Patróndeflujo 32 Ladistribucióndelflujoydelapresiónalolargodeunciclón,sepuede comprenderconlapresiónestáticaydinámica:py½ρv2,respectivamente,dondeρ esladensidaddelfluido.LaecuacióndeBernoulliparaunflujoestablesinfricción afirmaque[3]:  1 2󰇛2󰇜 Eltérminodelaizquierdadeestaecuaciónesconocidocomo“Trinomiode Bernoulli”.Enelcasodeloscicloneselprimerytercertérminodedichotrinomioson losimportantes,yaquelasdiferenciasdealturasnosonmuygrandes. Estaecuacióndemuestraquelapresiónestáticaydinámicasepueden intercambiarenelcampodefluido.Enlasáreasdondelavelocidadesalta,lapresión estáticaserábajayviceversa.Porconsiguiente,examinandodenuevolafigura anteriorsepuedeafirmarquelapresiónestáticaenlazonainternadelcilindrode Stairmandesbajayfueradeél,esalta.Encuantoalapresióndinámica,es proporcionalalcuadradodelavelocidad,porloquesudistribuciónserásimilarala delavelocidad,cuandoéstaesaltalapresióntambiényviceversa.    Figura8.Perfildelascomponentesdelavelocidadenunciclón:(a)tangencial,(b)radial.(c)axial[6]. Eficienciadeunciclón  3333 33 2.6Eficienciadeunciclón  Laeficienciaorendimientodeseparaciónglobalsedefinecomoelporcentaje delamasadepartículasqueentraalciclónconlacorrientegaseosayquees separadadelamismaenelinteriordelciclón.Aunqueelrendimientodependedel tamañoydeladensidaddelaspartículassólidas,noessuficienteparacaracterizar adecuadamenteunciclón.Dichoesto,lasiguienteecuacióndeterminael rendimientodeseparaciónglobal,dondeMceslamasadepartículascapturadasyMa eslamasadepartículasqueentranenelciclón:  󰇛3󰇜 Existenbásicamentedosconceptosenlosquesebasanlosmodelosde eficienciadeunciclón:elconcepto“órbitadeequilibrio”(equilibrium‐orbit)yel concepto“tiempodevuelo”(time‐of‐flight)[3].Ambosdependendeltamaño(d)yla densidaddepartículas(ρp),incrementándosesudependenciaamedidaqueaumenta eltamañodedichaspartículas.Porconsiguiente,estosmodelossonapropiadospara determinarlaeficienciadeunciclón.Elprimerosebasaenunbalancedefuerzas sobrelapartículaqueestárotandoenunvolumendecontrol(cilindroidealde Stairmand,VC).Elsegundoconceptosefundamentaenlaideadesiunapartícula, inyectadaenalgunaposiciónlateralenlaentrada,tieneeltiemposuficientepara alcanzarlapareddeciclónyserrecogidaantesdellegaralaparteinferiordelciclón. Araízdeestosdosconceptoshanaparecidoalgunosmodeloshíbridosentreambos, considerandotantounintercambiodepartículasatravésdelvolumendecontrol comoatravésdelamigracióndepartículaalapareddeciclón. Enconclusión,sepuedecomentarquelosmodelosobtenidosaraízdel conceptode“tiempodevuelo”soncompletamentediferentesalosqueseobtienen conelconcepto“órbitaenequilibrio”,perodanvaloresdeeficienciacorrectosy similares,enunaampliagamadediseñosdeciclónycondicionesdefuncionamiento. Encuantoalaformadelafuncióndelaeficienciadelciclón,queesdeterminadacon estosmodelos,idealmenteesunescalóndevaloriguala1apartirdelpuntocríticoo decorte(d50valordetamañodelapartículaparaelcualelrendimientodelciclónes del50%).Sinembargo,tieneperfildecurva“S”,estecambiosedebeprincipalmente alassiguientescausas:  Debidoalaturbulenciacreadaporlacorrientegaseosaalgunasdelas partículasquedeberíanseratrapadasenelciclónnolosony viceversa.  Existenpartículaspequeñasquenodeberíandesersepararasperoal adherirseaotrasdemayortamaño,soncapturadasconellas. Eficienciadeunciclón  34  Laspartículasacausadesuagitadomovimientosedancontinuos choquesconlasparedesdelciclónyentreellasmismas, produciéndoseundesgasteyreduccióndetamaño.Porloque, algunasdeestaspartículasquetendríanquesercapturadasnoloson ydanlugaraunamayorconcentracióndepartículasdemenor tamaño.  Laposicióndelapartículaalaentradapuedeasucaptura.       Caídadepresiónenunciclón  35 2.7Caídadepresiónenunciclón  Existeuncompromisoimportanteentrelacaídadepresiónylaeficienciade capturaenunciclóntangencial.Engeneral,cuantomayoreslaeficienciamayores sonlaspérdidasdepresiónyenconsecuenciasuconsumoenergéticotambién.Esto esdebidoengranparteaquesilavelocidaddelacorrientegaseosaenlaentradadel ciclónseincrementa,tantolaeficienciacomolapérdidadecargasonmayores.Enel casodelacaídadepresión,esteaumentoesproporcionaladichavelocidadal cuadrado. Elprocesoestándarquesellevaacaboenlaindustriaparaevaluarlapérdida decargaenunciclónesmedirlapresiónestáticaenlapareddesutuberíadeaguas arribaydeaguasabajo.Esteprocesoescomplicadorealizarloenelinteriordelciclón debidoalmovimientohelicoidalqueexisteenelflujo.Lacaídadepresiónenun ciclónsedividenormalmenteentrescontribucionesozonas.Porloquese consideraraquelacaídatotaldepresióneslasumadetalescontribuciones: 1. Laspérdidasenlaentradadelciclón. 2. Laspérdidasenelcuerpodelciclón. 3. Laspérdidasenel“vortexfinder”. Laspérdidasenlaentradaseoriginanporlaexpansiónocompresióndela corrientegaseosa,ladisminucióndelapresiónestáticayporlafricciónenlaentrada delciclón.Dichaspérdidas,sonfrecuentementedespreciablesencomparacióncon lasotrasdoscontribuciones.Lamenordeestaspérdidassedaenlosciclonescon entradatangencial.Encuantoalaspérdidasenelcuerpodelciclón,quesonmayores quelasanteriores,seproducenporlafricciónconlaspropiasparedesysugran trascendenciaradicaenquelimitanlaintensidadenelvortex.Laspérdidasenel “vortexfinder”sonlasmásimportantes.Enconclusióntodasestaspérdidasdanlugar enlacorrientegaseosaaunadisminucióndesupresióndinámicayestáticaentrela entradaylasalida. Lacaídadepresiónquesufreelflujodentrodeunciclón,Δp,esproporcional alcuadradodelavelocidaddelflujo,yaqueenunciclónelflujoesturbulento.Esta caídadepresiónescaracterizadaapartirdelnúmerodeEuler[3]: ∆ 1 2 󰇛4󰇜 Dondevzeeslavelocidadaxialdelacorrientedegasenlaentradadelciclón. Enelanálisisdelacaídadepresiónenunciclóntangencialinfluyenunaserie deparámetroscomoelnúmerodeFroude,Reynolds(operabajocondicionesdeflujo turbulento),larelaciónentreladensidaddepartículasyladelgas,etc…Perolos Caídadepresiónenunciclón  36 factoresmásinfluyentessonlageometríadelciclónylacargadepartículas.Esto explicalaestructuraquetienenlamayoríadelosmodelosdecaídadepresiónenun ciclón.Enalgunosdeellos,losdosefectossonintroducidosindependientemente,yel productodeambosseráelnúmerodeEulerdelciclón,ζc,[6]: 󰇛5󰇜 DondeζgrepresentaelnúmerodeEulerquehabríaenausenciadepartículas (vacío),ζ gesunafuncióndelageometríadelciclón.Encuantoaζ s1estimala reduccióndelacaídadepresióncuandoelciclónoperaconunaaltacargade partículas.Enconclusiónatodoloexplicado,sepuedededucirquelacaídade presiónenunciclónesfuncióndesugeometría,delavelocidaddelflujoalaentrada asícomodeladensidadycaudaldepartículasquecirculanporél.      Modelosparaelcoeficiente,ζg,decaídadepresiónenvacío  37 2.8Modelosparaelcoeficiente,ζg,decaídadepresiónenvacío  ComosehamencionadoanteriormentesesabequeelnúmerodeEulerpara lacaídadepresiónenvacíoenunciclóntangencialesfuncióndelasdimensionesdel ciclón,aunqueenalgunosmodelosestenúmerotambiéndependelaspropiedades delgasysuscondicionesdeoperación.Actualmenteexistenvariosmodelosquehan sidodesarrolladosparaestimarlacaídadepresiónenvacío,entreellosdestacanel de:ShepherdyLapple(1939),Alexander(1949),Stairmand(1949,1952),Barth (1956),Muschelknautz(1972),CasalYMartines(1983),etc… Sinembargo,existendiscrepanciasentreellossobrelacontribuciónmás relevanteenlacaídadepresión.Paraalgunosautores,comoShepherdyLapple (1939),Alexander(1949),Stairmand(1949,1952),CasalYMartines(1983),lamás importanteeslacorrespondientealazonadeentradayalcuerpodelciclón. MientrasqueotrosmodeloscomoBarth(1956)yMuschelknautz(1972),tratanlas pérdidasenlazonadel“vortexfinder”comolasmásimportantes. Algunosdeestosmodelossonempíricosyotrosteóricosperoningunode ellospredicelacaídadepresiónconprecisiónparaunampliorangodediseñosde ciclones.Además,sedebemencionarquealgunosmodelosdecálculocomoelde Stairmand,BarthyMuschelknautzsoncomplejos.Senecesitaconocercondiciones defuncionamiento(cinemática)quenosonfácilesdeobtenercomosonlasdel “vortexfinder”.Poresto,acausadesudificultadyaqueconotrosmodelosmás sencillossepuedenobteneryaestimacionesbuenasdelacaídadepresión,nosehan utilizadoparaelestudiodelciclóntangencialtratadoenesteproyecto.      Modelosparaelcoeficiente,ζg,decaídadepresiónenvacío  38 2.8.1ModelodeShepherdyLapple(1939)  ElModelodeShepherdyLapple,queespuramenteempírico,determinauna simpleexpresióndelnúmerodeEuler,ζ g,enfuncióndelageometríadelciclón, puestoquesuponeunnúmerodeReynoldslosuficientealtocomoparadespreciar suinfluencia.Lasdimensionesqueutilizadichomodelosoneldiámetrodelcuerpo del“vortexfinder”ydelaentradadelciclón,enelcasodeunciclónconunaentrada tangenciallaanchuraylaaltura.Estemodeloesampliamenteutilizadodebidoasu buenarelacióndecálculoyaproximación.ShepherdyLappledieronlasiguiente expresiónparaelnúmerodeEuler[6]: 16  󰇛6󰇜 ExisteunmodelomuysimilaraesteparadeterminarelnúmerodeEuler,Eug, elcualseconocecomoelmodelodeCoker.Dichomodelotienelamismaestructura queelmodelodeShepherdyLapple.Paraunciclónconunaentradatangencial dependedelamismageometríaloúnicoquecambiaeselvalordelacorrelaciónde 16a9,47.Porlotantoestemodelotambiénserápuramenteempírico.Paraalgunos diseñosdeciclonesconestemodeloseobtienenmejoresaproximacionesdelacaída depresiónenvacíoqueconelmodelodeShepherdyLapple. Porotrolado,lavelocidadcaracterísticadelciclónqueseutilizaraen“ambos modelos”eselvalorpromediodevelocidadaxialenlaentradadelmismo,esdecir:  ó  󰇛7󰇜 DondeQciclónenteselcaudaldelfluidoqueentraenelciclón.   Modelosparaelcoeficiente,ζg,decaídadepresiónenvacío  39 2.8.2ModelodeAlexander(1949)  ElmodelodeAlexanderdeterminaelnúmerodeEuler,ζg,enfuncióndela geometríadelciclónperoadiferenciadelmodeloanterior,Alexanderintrodujola dependenciadelaviscosidaddelgasconlatemperaturaapartirdelexponentede vórtice“n1”.Porotroladoenestemodelodelageometríadelciclónseutilizanel diámetrodelcuerpodelciclónyeldel“vortexfinder”.Tambiénsehademencionar quesetratadeunmodelosemi‐empíricoyqueparasuestudiosenecesitanconocer máspropiedadesdelgasqueenelmodelodeShepherdyLapple.Peroaunasísu cálculonoresultadifícilysuaproximaciónesmejor.Alexanderdefiniólasiguiente expresióndelnúmerodeEuler[6]: 4.62 󰇩󰇧 1󰇨1  󰇪󰇛8󰇜 0.8󰇩1 󰇛1󰇜󰇧42 3󰇨1 󰇪 0.2󰇛21󰇜1 1.5󰇛2󰇜󰇛9󰇜 1󰇛0.67.󰇜 283.󰇛10󰇜 Encuantoalavelocidadcaracterísticadelciclónqueseutilizaenestemodelo eselvalormediodelavelocidadaxialalaentradadelciclón,vze,altratasedeun modeloquetambiénconsideralaspérdidasenlaentradaycuerpodelciclóncomo lasmásrelevantes.     Modelosparaelcoeficiente,ζg,decaídadepresiónenvacío  40 2.8.3ModelodeCasalyMartines(1983)  ElmodelodeCasalyMartines,espuramenteempíricoydeterminaelnúmero deEuler,ζg,enfunciónsolodelageometríadelciclón,enconcretodeldiámetrodel “vortexfinder”ydelasdimensionesdelaentradaqueparaunciclóndeunaentrada tangencialsonlaanchuraylaaltura.Estemodelocomosepuedeobservarpartedel modelodeShepherdyLappleyapartedeobtenerotrovalordelacorrelación,como fueelde11,3ydeelevarlaparteenfuncióndelageometríadelaecuación, añadieronotracorrelaciónindependientedevalor3,33.Deestamanera,laexpresión delnúmerodeEulerqueseobtuvofuelasiguiente[6]: 3.3311.3  󰇛11󰇜 ConestastresmodificacionesCasalyMartinesmejoraronlaestimación presióndelcálculodelacaídadepresiónenvacíoenunrangodediseñosde ciclones,encomparaciónconelmétododeShepherdyLapple.Encuantoala velocidadcaracterísticadelciclónqueseutilizaenestemodeloeselvalormediode lavelocidadaxialalaentradadelciclón,vze,porquecomoocurreconlosmodelos explicadostratalaspérdidasenlaentradaycuerpodelciclóncomolasmás relevantes.       Modelosparaelcoeficiente,ζs,decaídadepresiónencarga  41 2.9Modelosparaelcoeficiente,ζs,decaídadepresiónencarga  Existeconstanciadequeenunciclónlacaídadepresiónseveinfluenciada cuandoestáoperandoconunaconcentracióndesólidosalta,detalformaqueal aumentarlacarga,lacaídadepresióndisminuye.Esteefectoseatribuye principalmentealapropiainerciadelaspartículas.Porestemotivoseintroduceun coeficientedecorrección,ζs,alnúmerodeEulerdelciclón,ζc. Estareduccióndelacaídadepresióncuandoexisteunaaltaconcentraciónde partículashasidoestudiadaporvariosinvestigadoreseneltemacomo:Briggs(1946), Smolik(1975),Baskakov(1990),…Dichosautoresobtuvierondiferentesmodelosde cálculodeζs,ycomoocurrecuandosetrabajaenausenciadecarga(vacio)existen discrepanciasentreellos.Enestaocasióndichasdiscrepanciasradicanespecialmente enlacuantificacióndesuefecto. Porotraparte,aligualqueocurreconlosmodelosenvacíoningunodeestos modelospredicelacaídadepresiónencargaconunagranprecisiónparaunamplio rangodediseñosdeciclones.   2.9.1ModelodeBriggs(1946)  ElmodelodeBriggsdeterminaunaexpresióndelnúmerodeEuler,ζ p,en funcióndelaconcentracióndepartículasyladensidaddelgas.Apesardeserla correlaciónmásantiguadetodas,conellaseobtienenunosresultadosmuy correctos.Estosedebeaqueesunmodelomuchomásconservadorqueelresto.Por todoesto,estacorrelaciónesampliamenteutilizadaporsubuenarelacióndecálculo yaproximación.Briggsobtuvolasiguienteexpresiónparaelcoeficientede corrección,ζs[6]:   1 10.0086 󰇛12󰇜 DondeCsieslaconcentracióndepartículasengsol/kggas.   Descripciónteóricadelainstalación  48  CICLÓNTANGENCIAL:Estainstalaciónconstadedosciclonestangencialesde igualescaracterísticasgeométricas,unoenelcircuitodecarbonatación(véase figura13)yotroeneldecalcinación.Encuantoasugeometría,seconoceenla siguientetabla:  DATOSGEOMETRICOS H(mm)837 Hc(mm)439 Acentrada(m2)0,003 a(mm)43 b(mm)71 Dx(mm)93 Dc(mm)180 S(mm)112 Dd(mm)70 Tabla2.Datosgeométricosdelosciclonesdelainstalación. Portenerunconceptobásicodelfuncionamiento,aloperarenlos ensayossoloconelcircuitodecarbonatación,seanalizósoloelciclóndeeste circuitoconunacorrientedeaireycaliza.Porlotanto,lafunciónque desempeñadichociclónesladesepararlacalizadelacorrientedeaire.    Figura13.Ciclóntangencial. Descripciónteóricadelainstalación Descripciónteóricadelainstalación 49  FILTROSDEMANGA:Losfiltrosdemangasonequiposquetienencomofunción separarlaspartículassólidasquearrastraunacorrientegaseosamedianteun medioporoso.EnestainstalacióndecapturadeCO2sehadecididocolocarunoen lasalidadecadaciclón,conelfinde,recogerpartículasdecalizaquenosehan podidoatraparconsurespectivociclón.Losfiltrosdemangasseleccionadospara estainstalación,quepuedenobservarseenlafigura14,estánformadosporuna bolsadefibrasintéticaconformademanga.Dichabolsaescolocada(sincarcasa) enunossoportes.                Figura14.Filtrosdemanga. Descripciónteóricadelainstalación  50  VÁLVULANOMECÁNICAOLOOPSEAL:Dispositivodelainstalación,queestá construidodemetacrilato,funcionacomosellodepresionesentreelciclón(baja presión)ysucorrespondientelechofluidocirculante(amáspresión).Ademásde recircularlaspartículassólidasentreambosequipos.Estainstalacióntienedos loopseals,unoparacadacircuito.Enlafigura15puedeobservarselaloopsealdel circuitodecarbonatación. Estosequiposconstandedosentradas:unadepartículasqueesla salidadelciclónyotradeaireprovenientedelventilador,yunasalidade partículasdirigidaallechofluidocirculante.Dichoesto,unacaracterística importantedeestosequiposesquesegúnsedistribuyansusentradasysu salidacambianlaconfiguracióndelainstalacióndependiendodelestudioy ensayoquesevayaarealizarenella(véasefigura16).Encuantoasu funcionamientoenestainstalación,básicamenteconsisteenfavorecerla circulacióndelacalizaentreelciclónyellechofluidocirculantequeestán conectados. Enlosensayosrealizadosenestainstalación,comosehamencionado anteriormente,solosetrabajóconunodeloscircuitosenconcretoconeldel carbonatador.Porconsiguiente,lasalidadelaloopsealestádirigidaallecho fluidocirculantedelmismocircuito,véasefigura17.    Descripciónteóricadelainstalación Descripciónteóricadelainstalación 51   Figura15.Loopsealdelcircuitodecarbonatación.Figura16.Conexionesdelasloopsealsdeloscircuit o decarbonataciónycalcinación.  Figura17.Conexionesdelaloopsealdelcircuitodecarbonatación. Descripciónteóricadelainstalación  52   CALENTADORELÉCTRICO:Estedispositivodelainstalación,elcualsepuede observarenlasfiguras18y19,esunsencilloequipoeléctricoquetransforma laenergíaeléctricaenenergíacalorífica.Dichodispositivo,siseempleatienela funciónenlainstalacióndecalentarelairedefluidificacióndelmodelodel calcinador.Esdecir,elcalentadoreléctricoesúnicamenteunrequerimientodel escaladodelainstalaciónparamantenerlosnúmerosadimensionalesylos ratiosdedensidadentrelacorrientedeaireylaspartículasdecaliza.    EQUIPOSDEMEDIDA(INSTRUMENTACIÓN):Paraelestudiodeestainstalación sehanempleadounaseriedeequiposdemedidadepresión,temperaturay velocidaddelacorrientedeaire.Estosequipossecolocanenposiciones estratégicasdelapropiainstalación,comoporejemploenloslechosfluidos circulantes,loopsealsasícomoenlosciclones.Deestamanera,sepueden obtenermedidas,quesonenviadasaunsistemadeadquisicióndedatos,que permitenconocerentodomomentocómoestáoperandolainstalación.      Figura18.Calentadoreléctrico(vistafrontal).Figura19.Calentadoreléctrico(vistaperfil).  Descripciónteóricadelainstalación Descripciónteóricadelainstalación 53 Paramedirlapresiónseutilizantransductoresdepresióndiferencial.En lainstalaciónexistentransductoresdediferentesrangosdelectura/medida:de 0a10mbar,de0a50mbaryde0a100mbar. Paramedirlatemperaturaylavelocidaddelacorrientegaseosaseusa untermo‐anemómetrodesondadehilocaliente.Elrangodemedidade velocidaddeltermo‐anemómetroutilizadoesde0a20m/s. Enlafigura20sepuedeobservarlaválvulademariposadelcircuitode carbonatación,queseutilizaenlosensayosrealizadosconcargaparamedirla circulacióndepartículasconlaqueseestátrabajando.   Figura20.Válvulademariposa(Tipo:cuartodegiro).   Descripciónteóricadelainstalación  54 3.1.2Funcionamientodelainstalación  Enesteapartadoesimportantedetallarquesevaaexponerel funcionamientodeestainstalaciónenflujofrío(figura21),nodelfuncionamiento real,esdecir,conreaccionesquímicasquetendríaunainstalacióndeestetipo(ciclo decarbonatación‐calcinación).Porestemotivo,enestainstalacióndeflujofriose decidióoperarconunacorrientedeaireycalizacomosorbente,yaqueesbarata, disponibleyabundante.                Elfuncionamientodelainstalación,dondesehanllevadoacabolosdistintos ensayos,sepuedeexplicarapoyándoseenelprocesoquerigeunciclode carbonatación‐calcinación.Enprimerlugar,enellechofluidocirculantede carbonataciónsemezclaunacorrientedeaire,provenientedelventilador,con carbonatocálcico(caliza).Estacorrientedeaireconpartículasdecalizaseconduce porunatuberíaalciclóndelcircuitodecarbonatación.Enesteciclónsecapturala calizacontenidaenlacorrientedeaire,ydichacorrientesaledelciclónlimpiade caliza.Antesdeabandonarlainstalaciónlacorrienteatraviesaunfiltrodemangas  Figura21.Instalacióndeexperimentación. Descripciónteóricadelainstalación Descripciónteóricadelainstalación 55  paracapturarpartículasdecalizaqueelciclónnohayasidocapazdeseparar.La caliza,queesatrapadaporelciclón,sedepositaenlaloopsealcircuitode carbonatación.Estedispositivohacecircularlacalizaallechofluidocirculantedel circuitodecalcinación.Porotrolado,sepuedepasarunacorrientedeaire provenientedelventiladorporlaresistenciaeléctricadelainstalacióndondese calientaantesdeintroducirseenellechofluidocirculante.Estecalentadoreléctrico seempleaúnicamenteparaconservarlosnúmerosadimensionalesylosratiosde densidadentrelacorrientedeaireylaspartículasdecaliza. Acontinuaciónenellechofluidocirculantedecalcinaciónsemezclala corrientedeairecalentadaconlacalizaparaluegodirigirsealciclóndelcircuitode calcinación.Endondelacalizaseseparadelacorrientedeaire.Finalmente,lacaliza seconducealaloopsealdelcircuitodecalcinaciónparareenviarlaalcircuitode carbonataciónyasíreciclarlaparavolverlaausar,encuantoalaire,seexpulsadel ciclónlimpiodecaliza.Perocomoocurreenelcircuitodecarbonatación,antesde salirdelainstalaciónlacorrienteatraviesaunfiltrodemangas,endonde,se capturanlaspartículasdecalizaqueelciclónnohasidocapazdeatrapar.        Descripciónteóricadelainstalación  56 3.1.3Aplicacionesyventajas/desventajadelainstalación  EstesistemadecapturadeCO2conunciclodecarbonatación‐calcinaciónse aplicaráprincipalmenteenplantasdegeneracióneléctricatantodecarbóncomode gas,talescomo,centralestérmicasconvencionalesycicloscombinados, respectivamente.Yademásenprocesosindustrialesdondeexistanhornos,calderas, etc…Laproblemáticaquetieneestesistemaesqueaunestáenfasedeinvestigación ydemostración.Perosillegaaserválidosedaríaungrancambiobeneficiosoenel mundodelacapturadeCO2porquetienemuybuenasventajasencomparacióncon elrestodeprocesosbasadosprincipalmenteenpre‐combustiónyenoxicombustión. Porotrolado,estainstalacióndeflujofrioenconcretopresentalassiguientes ventajasydesventajas: Ventajas:  Elsorbenteelegido,lacalizaesbarata,disponibleyabundante.  Costedeinversióndelainstalaciónnoesalto.  Lainstalaciónnopresentaningúnriesgoalahoradeoperarconella,ya que,esunprocesoquenoesnadapeligroso.  Elmantenimientodeestainstalaciónesmuysimple,aunqueellono quitaquenoseaimportante.  Permiterealizardistintasconfiguracionesdecircuitosdentrodela propiainstalaciónparallevaracabodiferentesensayosyestudiosen ella.  Desventajas:   Existeunconsumoenergéticoenlaresistenciaeléctrica(calcinador).  Seproduceunadegradacióndelsorbente,esmuyimportantecalcularla paraconocerlacantidaddesorbenteconlaqueseestáoperando.   Planteamientosdelosensayos  57 3.2Planteamientosdelosensayos  Laproblemáticaquepresentaestainstalacióndecapturadedióxidode carbonoespodermedirdemaneracontinuaelcaudaldepartículasquecirculaporel ciclón.Actualmente,estamedidanoescontinuayaquenosepuedeconoceren cualquierinstante.Además,esintrusivadebidoaquesumedidaafectaal funcionamientodelainstalación.Resolverestoesnecesarioparaconoceryanalizar lafluidodinámicadelsistema.Partiendodequesepuedemedirdemaneracontinua ynointrusivatantolacaídadepresióncomolavelocidaddelacorrientealaentrada delciclón,ycomosehaexplicadoanteriormente,sesabequelacaídadepresiónes funcióndelageometríadelciclón,ladensidaddelgas,lavelocidaddelacorrientea laentradayelcaudaldepartículasrespectivamente: ∆󰇛,,,,,󰇜󰇛16󰇜 Enconsecuencia,siseconocecómoserelacionan,sepodrácalculardemanera continuaynointrusivaelcaudaldepartículasquecirculaporelciclón.Elobjetivo principaldeesteproyectoesobtenerunacorrelacióndelacaídadepresiónenlos ciclonesenfuncióndelacargadepartículasconlaquetrabajaylavelocidaddelflujoa laentradayladensidaddelacorriente.Paraobtenerdichacorrelación,senecesita realizarunestudioexperimental(enlainstalación)yteórico(conlosmodelos)delos ciclonestangencialesdelainstalación.Esimportantecomentartambiénquecomo ambosciclonesoperaránbajolasmismascondicionesdetrabajoytienenlamisma geometría,estacorrelacióndelacaídadepresiónseráválidaparalosdosciclones.De ahí,queunaconfiguraciónadecuadadelainstalaciónpararealizarlosensayoshaya sidosóloelcircuitodecarbonatación,esdecir,ellechofluidocirculanteseconectóala loopsealdelmismocircuito,talycomomuestranlasfiguras22y23(siguientepágina). Encuantoalafunción,quehadesarrolladoelciclóndedichocircuitohasidola desepararlacalizadelacorrientedeaireycircularlahacialaloopseal,mientrasquela corrientedeairesaledelainstalacióncasilimpiadepartículas,porelloantesde abandonarlainstalaciónestacorrienteatraviesaunfiltrodemangas,endondese atrapapartículaspequeñasqueelciclónnohapodidocapturar.Principalmente,esto esnecesarioporseguridad,paraquelosoperariosdedichainstalaciónnorespiren partículasdecaliza,además,paraquelanavedondeestálainstalaciónnoseensucie conlacaliza.  Resultadosexperimentales  64  Porotrolado,enlafigura24sehanrepresentadográficamentelosvaloresde lacaídadepresiónobtenidosconlosmodelosteóricosexaminadosyvalores experimentalesenfuncióndelavelocidaddeentradaenelciclón.   Figura24.Representacióndelosresultadosdelacaídadepresiónenvacio.  Enlafigura25seexponenlosvaloresdelacaídadepresióncalculadaconlos diferentesmodelosteóricosenvacío,respectodelosvaloresexperimentales obtenidos.Estarepresentacióngráficainformavisualmentemuchomejorquela anteriordelaaproximacióndecadavalorteóricodelacaídadepresiónobtenidocon surespectivovalorexperimentaldelensayo. 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 ΔP(Pa) Vcy(m/s) ∆pcyclone[Pa] ∆pcyclone[Pa] ∆pteocyclone[Pa] ∆pteoSherpherd cyclone[Pa] ∆pteoAlexander cyclone[Pa] ∆pteoCasal cyclone[Pa] ∆pteoCoker cyclone[Pa] Resultadosexperimentales  65  Figura25.Representacióndelosresultadosdelacaídadepresiónenvacioteóricarespectodela experimental.  Porlotanto,examinandolatablaanteriorsepuedecomprobarquelos resultadosdelajusterealizadoenesteapartado,aligualquelosdelosdemás modelosteóricos,tieneunaaproximaciónmuybuenaalosresultados experimentales.Porotrolado,observandolafigura25sepuedeapreciarcómounos modelosseajustanmejorqueotrosalosvaloresexperimentales,esdecir,suspuntos estánmáspróximosalarectax=y(ΔPcexp=ΔPcteo).Enconclusión,elajustedelacaída depresiónenvacíoquemejorseasemejaalosresultadosexperimentales,yquepor elloeselmásidóneopararepresentarlacaídadepresiónenlosciclonesdela instalacióncuandooperanenausenciadepartículas,eselajusteteóricoestudiadoen esteapartado(ΔPteocyclone).Otrosajustesquetienenunabuenaaproximaciónsonel modelodeCasalyelmodelodeAlexander.    0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 ΔPteo(Pa) ΔPexp(Pa) ∆pcyclone[Pa] ∆pteocyclone[Pa] ∆pteoSherpherd cyclone[Pa] ∆pteoAlexander cyclone[Pa] ∆pteoCasalcyclone [Pa] ∆pteoCokercyclone [Pa] Resultadosexperimentales  66 3.3.1.2Pruebasencargaconlavariacióndevelocidad  Losresultadosexperimentalesqueseobtuvieronenlaspruebasencarga variandolavelocidadycargadepartículasfueronlossiguientes:  Prueba/ Ensayo vzlecho [m/s] vzi [m/s] ∆Pcexp [mbar] ∆Pcexp [Pa] Tª [ºC] ρ [kg/m3] mp [kgsol]t[s] Gs [kgsol/s] Csi [kgsol/kggas]ζsexp C10,5834,3440,42142,11531,509 1,1590,010600,00020,0110,962 C21,2099,0141,461146,146 35,352 1,1440,316600,00530,1680,785 C32,22316,5723,945394,534 39,145 1,1311,374200,06871,2040,635 C42,30517,1823,554355,390 33,517 1,1510,554100,05540,9200,522 C50,5954,4330,42542,45133,472 1,1510,010600,00020,0110,937 C60,9687,2161,011101,100 35,139 1,1450,028300,00090,0370,847 C71,37410,2431,463146,317 37,951 1,1350,234300,00780,2200,614 C81,87413,9663,078307,825 40,287 1,1260,652150,04350,9070,700 C92,30917,2154,574457,367 41,218 1,1230,978100,09781,6610,686 C100,5584,1620,32932,85336,708 1,1390,010600,00020,0120,832 C111,1248,3781,300130,045 39,671 1,1290,066300,00220,0760,820 C121,2469,2861,760175,976 40,497 1,1260,140200,00700,2200,906 C131,2829,5591,943194,281 41,100 1,1230,178200,00890,2720,945 C141,68712,5762,554255,428 42,356 1,1190,552150,03680,8590,721 C152,15016,0252,976297,571 43,735 1,1141,020160,06381,1730,520 C160,5614,1810,31931,92239,101 1,1310,010600,00020,0120,807 C170,8346,2171,194119,365 42,234 1,1190,038600,00060,0301,378 C181,1258,3851,478147,844 43,918 1,1140,160600,00270,0940,943 Tabla8.Resultadosexperimentalesdelosensayosencargarealizadosenelciclóndecarbonatacióndela instalación.   Resultadosexperimentales  67  Unavezconocidalacargadepartículasencadaensayosecalculólacaídade presiónenelciclónapartirdelosdistintosmodelosteóricosencarga,loscualesse expusieronenlosapartados2.8y2.9.Estosvaloresteóricosdelacaídadepresióny lafunciónR2decadamodeloseexpresanenlatabla9yfigura26.     Tabla9.ValoresdelafunciónR2losdiferentesmodelosteóricos analizados.  Figura26.Representacióndelosresultadosteóricosdelacaídadepresiónencargarespectode losdatosexperimentales.    ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000 0 100 200 300 400 500 ΔPTeo ΔPExp ΔPTeo/ΔPExp ∆pBriggs[Pa] ∆pSmolik[Pa] ∆pBaskakov[Pa] ∆pGrieco[Pa] Prueba/ Ensayo ∆Pc Briggs [Pa] ∆Pc Smolik [Pa] ∆Pc Baskakov [Pa] ∆Pc Grieco [Pa] R2=0,932190,735330,907690,94805 Resultadosexperimentales  68 EvaluandotantoelvalordelafuncióndeR2comolagráficamostradaenla figura26,querelacionanlosresultadosteóricosconlosexperimentales,sepuede deducirqueelmodeloteóricoencargaquemejorseasemejaalosdatos experimentales,sinduda,eselmodelodeGrieco.Existenotrascorrelacionescomo ΔPcBriggslacualobtieneresultadosmuyfavorables.Tambiénsepuedeobservarquela correlaciónΔPcSmolikeslaquepeoresvalorescalcula. Porlotanto,lacorrelacióndelacaídadepresiónquesevaaanalizartiene comobaseelmodelodeGrieco,comosemuestraenlaecuación(19): ∆ 1 2   󰇛22󰇜 Dondetanto“B”como“n”y“m”sonlasconstantesquesecalcularanbajoun procedimientodeajustecomoseexpondráenelsiguienteapartado3.3.2.Encuanto alnúmerodeEulerenvacíodelciclónsetrabajaráconelvalorobtenidoporel ajusterealizadoenelapartadoanterior,yaquecomosehademostradoeselmás adecuado.Comoseobservaysepretendíaestacorrelaciónesfunción(entreotros datos)delacargadepartículasylavelocidaddelacorrientegaseosaenlosciclones delainstalación.    Resultadosexperimentales  69 3.3.2Seleccióndelacorrelaciónadecuadayajustedelamisma  Enesteapartadoseexplicaráelajustedelacorrelacióninvestigada.Se comentarátantoeltipodecorrelacióncomoelmétododeajusteporelcualfue calculada.TodoestotambiénpodráverseenelarchivodeExcelenelcualse realizarontodosloscálculosnecesarios.Seguidamente,losresultadosdeesta correlaciónsecomparanconlosresultadosobtenidosdelosmodelosteóricosy experimentales.Parafinalizarseelegiráaquelajustedelacorrelaciónquese aproximemejorquelosmodelosteóricosalosdatosexperimentales. Lacorrelaciónexaminadafue: ∆1 2   󰇛23󰇜 Estacorrelaciónescomplejayaqueconstadetresincógnitascomoson“B”, “m”y“n”.Elcálculodeestacorrelación,cómosevaexplicar,serealizóbajola suposicióndequeelciclónoperaavelocidadconstanteconcargavariable,utilizando losdatosexperimentales(tabla8).Endichocriterioelvalordeζg(vacío)conelquese trabajófue4,004(ajusteexperimental). Paraobtenerelvalorde“B”,“m”y“n”serealizaronlossiguientespasos: 1) Losensayosrepresentadosenlastabla5seagruparonenparejas,aquellos queteníanunavelocidad(vzi)muysimilar.Deestaclasificaciónse obtuvieronlassiguientesparejasdeensayos:C1conC10,C4conC9yC11 conC18.  2) Elvalorde“n”seobtuvoapartirdelasparejasdeensayoselegidasenel pasoanterior.Paraello,seaplicóelsiguienteprocesodecálculoylas siguientesecuaciones: ∆󰇛12󰇜  ⁄󰇛24󰇜 ∆󰇛12󰇜    󰇛25󰇜  Dondeelsubíndice“i”representalosvaloresexperimentalesdeunensayo yel“j”losdelotroensayodelapareja.Apartirdeestesistemadedos ecuacionesydosincógnitassecalculóelvalorde“nij”.Deunadeellas,por ejemplo,ΔPisedespejóvmparasustituirloenlaotrayaplicando propiedadeslogarítmicasseobtuvo:    Resultadosexperimentales  70   log󰇧 󰇨󰇧∆󰇛1/2󰇜  ∆󰇛1/2󰇜󰇨󰇛26󰇜  Unavezresueltoestoparacadapareja,setomócomovalorde“n”parala correlaciónelvalormediodelasumadetodaslas“n”delasparejasde ensayosanalizadas.  3) SerealizóelsiguientecambiodevariableB´=B∙vzim,paraposteriormente comoseexplicará,calcular“B”y“m”delacorrelaciónpormediodeun ajustelogarítmico.Paracadaensayodelatabla8secalculósuvalorde “B´”,suponiendoelvalorde“n”obtenidoenelpasoanterior.Despejando “B´”delaecuación23setieneque:  ´∆󰇡1 2󰇢   󰇛27󰇜 Dondeelsubíndice“i”representacadaensayo.  4) Enesteúltimopasosecalculóelvalorde“B”y“m”apartiruna aproximaciónlogarítmica.Peroantes,comolosvaloresdeB´delosensayos sonnegativosycomosesabequenoexisteellogaritmodeunnúmero negativo,esnecesariorealizarelsiguientecambiodevariable: B´=B∙vzim→ ‐B´=‐B∙vzim a´=a∙vzimsiendo,a´=‐B´ya=‐B Aplicandovariaspropiedadeslogarítmicasseobtieneque: a´=a∙vzim→ln(a´)=ln(a)+m∙ln(vzi) Porlotanto,elajustelogarítmicoconsistióenrepresentargráficamentelos valoresdelln(a´)frentealosdelln(vzi)paracadaensayodelatabla5. Dichosvaloresseaproximaronporlarectay=A+qxysecalcularonlos valoresdeAyqconelprogramainformáticoExcel2007.Para seguidamente,obtener“B”y“m”conesteprocedimiento: y=ln(a´) A=ln(a)→ a=eA→B=‐a q=m   Resultadosexperimentales  71 Finalmente,losvaloresde“B”,“m”y“n”queselograronfueron‐2,7813E‐05, 5,701y‐0,74754respectivamente.Detalmanera,quelacorrelacióncalculadase definecomo: ∆ 1 24,004 󰇛2,781310󰇜 ,󰇛28󰇜 Unavezdefinidaestacorrelación,secalcularonsusvaloresdelacaídade presiónparacompararlosconlosresultadosexperimentalesyteóricosquesehan obtenidoanteriormente.Paraelegiraquelajustequemejorseaproximealosdatos experimentalesseutilizólafunciónestadísticaR2,ademásdelarepresentación gráficacomosepuedeverenlasiguientetablayfiguras:  Prueba/ Ensayo ∆PcBriggs[Pa] ∆PcSmolik[Pa] ∆PcBaskakov[Pa] ∆PcGrieco[Pa] ΔPcCal1[Pa] R20,932190,735330,907690,948050,95863 Tabla10.ValoresdelafunciónR2delosmodelosteóricoseinvestigadosanalizados.  Figura27.Representacióndelosresultadosdelacaídadepresiónencargaenfuncióndelamisma.  ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 ΔP(Pa) C(kgsol/kggas) ΔPciclon ∆pBriggs[Pa] ∆pSmolik[Pa] ∆pBaskakov[Pa] ∆pcyclone[Pa] ∆pGrieco[Pa] ΔpCal1[Pa] Resultadosexperimentales  72   Figura28.Representacióndelosresultadosdelacaídadepresiónencargaenfunción delavelocidad.   Figura29.Representacióndelosresultadosteóricosdelacaídadepresiónencargarespectodelosdatos experimentales. ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000 0 5 10 15 20 ΔP(Pa) Vcy(m/s) ΔPciclon ∆pBriggs[Pa] ∆pSmolik[Pa] ∆pBaskakov[Pa] ∆pcyclone[Pa] ∆pGrieco[Pa] ΔpCal1[Pa] ‐800 ‐600 ‐400 ‐200 0 200 400 600 800 1000 0 100 200 300 400 500 ΔPTeo ΔPExp ΔPTeo/ΔPExp ∆pBriggs[Pa] ∆pSmolik[Pa] ∆pBaskakov[Pa] ∆pGrieco[Pa] ΔpCal1[Pa] Resultadosexperimentales  73 Examinandolosresultadosdetodaslascorrelacionesanalizadassepuede apreciarquelacorrelación,ΔPcCal1,tieneelvalordelafunciónR2máspróximoala unidaddetodasyportantoelmejordetodos.Dichovaloressuperioralmodelode Grieco,comosehacomentadoanteriormente,eselquemejoresresultadosobtiene detodoslosmodelosteóricos.Porconsiguiente,sepuedededuciratravésdeesta funciónestadística(R2),quelacorrelaciónΔPcCal1eslaquemejorseajustadetodasa losdatosadquiridosexperimentalmente. Ademásanalizandolasrepresentacionesgráficasunaaunasepuedeobservar quelaúltimadeellaseslaquemayorymejorinformaciónproporcionaparaconocer cuáldetodaslascorrelacioneseslaquemejorseaproximaalosdatosconseguidos experimentalmente.Deestaforma,enestaúltimagráficasepuedeapreciarcómo paravaloresbajosdelacaídadepresióntodaslascorrelacionesseajustanmuy correctamente.Peroparavaloresaltosyengeneral,lasquemejorseaproximanalos resultadosexperimentalesson:ΔPcCal1,ΔPcBriggsyΔPcGrieco.Ydetodasellasla correlaciónquetienemáspuntoscercanosalarectax=y,esdecirΔPcexp=ΔPcexp,es ΔPcCal1.Porlotanto,sedemuestragráficamentequeestacorrelacióneslaque obtieneresultadosdelacaídadepresiónenelciclónmáspróximosalosdatos experimentales. Endefinitivaparaterminarlaselecciónyelajustedelacorrelaciónmás adecuadaparalosciclonesdelainstalación,porlorazonadoanteriormente,se deducequeesΔPcCal1,esdecir,lacorrelacióninvestigada.   Referenciasbibliográficas  80     Análisisexperimentaldelainfluenciadelacargadesólidosenlacaídadepresiónenun ciclóntangencial  81       Análisisexperimentaldelainfluenciadelacargadesólidosenlacaídadepresiónenun ciclóntangencial  82     