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Sistemas de aspiración y recolección de polvo (control de polvo): una visión general

Guía de ingeniería para el diseño y operación de colectores de polvo para una extracción eficiente de polvo

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Resumen de la página
1. Definición de un sistema de aspiración de polvo
2. Recolección de polvo en un solo punto
3. Sistema centralizado de aspiración de polvo
4. Problemas comunes con sistemas de recolección de polvo
5. Monitoreo de un sistema de recolección de polvo

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Los colectores de polvo industriales son sistemas que permiten extraer polvo en uno o varios lugares, transportarlo con el flujo de aire y recogerlo en un receptor, a menudo equipado con un sistema de filtración antes de liberar aire limpio. Estos sistemas son críticos para garantizar tanto un área de trabajo segura como asegurarse de que el aire liberado en el medio ambiente esté limpio. La Guía de Ingeniería presentada en esta página proporciona detalles sobre el diseño de sistemas de recolección de polvo, su rendimiento y cómo resolver problemas que las fábricas suelen experimentar con estos sistemas.

1. Definición de un sistema de recolección de polvo

Tipos de sistemas de recolección de polvo / ¿Qué es un sistema de aspiración de polvo?

Todas las industrias que deben manejar sólidos también deben lidiar con polvo: por supuesto, las industrias de procesamiento de polvo, pero también las industrias de plásticos, madera, talleres mecánicos o incluso nuevas tecnologías como la fabricación aditiva que maneja polvos poliméricos o metálicos. Es crucial al manejar polvos poder contenerlos por razones de limpieza, higiene o seguridad (evitar que el operador inhale el polvo y / o que se generen riesgos de explosión de polvo (ATEX)). Por lo tanto, los sistemas para recoger polvo deben diseñarse, instalarse y operarse adecuadamente. Tales sistemas se denominan comúnmente Sistemas de aspiración de polvo, sistemas de recolección de polvo o colectores de polvo.

Los sistemas de aspiración de polvo pueden tener diferentes diseños y tamaños. Típicamente, powderprocess.net distingue 2 categorías:

• Sistema de aspiración de polvo local: pequeño sistema montado localmente, directamente en el equipo donde puede ocurrir la emisión de polvo
• Sistema de recolección de polvo centralizado: sistema más grande que permite recoger polvo en diferentes lugares

Ambos tipos tienen en común tener un ventilador para succionar aire y llevar el polvo lejos del área de trabajo, y un filtro para recoger el polvo.

Los sistemas centralizados de recolección de polvo tienen además algunas tuberías / conductos para llevar aire y polvo a un tolva colectora. La tolva colectora suele utilizar un filtro (baghouse o cartucho) para capturar el polvo y asegurarse de que el aire limpio sea rechazado. Cabe señalar que otros procesos se pueden utilizar como colectores de polvo: ciclones, lavadores, precipitadores electrostáticos. Sin embargo, estos son sistemas más grandes que no están dentro del alcance de esta página, que se centra más en capturar emisiones pequeñas a medianas localizadas observadas en una estación de volcado, por ejemplo, o cuando se vierte polvo de un recipiente.

¿Buscas otros sistemas de aspiración de polvo o componentes específicos? Echa un vistazo a estas otras páginas: FILTROS, SEPARACIÓN GAS / SÓLIDOS. Por PowderProcess.net

2. Recolección de polvo en un solo punto

2.1 ¿Cómo funciona?

Una solución particularmente adaptada a las emisiones de polvo debido a la manipulación de bolsas abiertas, típicamente en estaciones de volcado de bolsas, es tener un sistema de aspiración de polvo montado directamente en el equipo desde donde ocurrirá la emisión de polvo.

Tal sistema está compuesto por:

• Un filtro que recogerá el polvo
• Un ventilador que proporcionará la fuerza motriz para succionar el aire ubicado en el punto de emisión de polvo y llevar el polvo con él

Figura 1: ejemplos de estaciones de volcado de bolsas con aspiración montada en la parte superior

Si es posible cerrar el equipo una vez que se completa la operación que genera polvo, entonces la utilización de un filtro de chorro de pulso es una buena elección, ya que permitirá desenchufar el filtro y dejar que el polvo caiga de nuevo en el proceso una vez que el operador haya completado el volcado, evitando así el desperdicio de materiales.

Al igual que en todos los sistemas de aspiración de polvo, el dimensionamiento del ventilador y del filtro es de gran importancia para garantizar el buen rendimiento del sistema, es decir, para asegurarse de que el polvo sea capturado adecuadamente.

En el caso de una estación de volcado, el ventilador debe ser lo suficientemente fuerte como para garantizar que la velocidad del aire a través de la abertura sea de al menos ~0.5 m/s, con el filtro dimensionado de manera que la caída de presión sea mínima (pocos mbar).

2.2 ¿Pros y contras de un sistema de aspiración de polvo localizado?

Tabla 1: pros y contras de un sistema de aspiración de polvo localizado

Pros	Contras
Sistema compacto Sin conductos Se adapta bien a las estaciones de volcado de bolsas Posible reciclar el polvo capturado directamente	Solo 1 sistema por equipo, por lo que puede ser costoso si hay muchas fuentes de emisión

3. Sistema centralizado de recolección de polvo

3.1 ¿Qué es un sistema central de aspiración de polvo?

Un sistema central de aspiración de polvo se encuentra alejado de la fuente de emisión de polvo y conectado a ella gracias a conductos que transportarán aire y polvo al colector central. Luego es posible conectar varios equipos a un solo sistema de extracción centralizado. Esto es particularmente atractivo, por ejemplo, en el caso de algunos talleres mecánicos que tienen varias máquinas que pueden generar polvo, o si un fabricante tiene un gran número de estaciones de volcado instaladas cerca una de la otra. Las aplicaciones típicas de este tipo de sistema son las siguientes:

• Trabajo de la madera
• Corte y molido de metales
• Manejo de materiales (estaciones de volcado)

El sistema está compuesto por un colector de polvo, que es un tolva equipado con un filtro y conectado a un ventilador que succionará el aire desde los diferentes puntos de recolección hasta el tolva receptor. Al igual que en el sistema localizado explicado anteriormente, es una buena práctica que el filtro esté equipado con un sistema de limpieza automática, típicamente de chorro de pulsos, para extender la vida útil del filtro.

Si el sistema de extracción central de polvo está conectado a varios equipos, lo que normalmente es el caso ya que permite ahorrar en inversiones en comparación con tener un sistema para cada fuente de polvo, el diseño del sistema de ductos es de suma importancia. De hecho, cuanto mayor sea el número de ductos, más difícil será garantizar que la potencia de succión se distribuya de manera uniforme en todos los equipos.

Figura 2: ejemplo de sistema central de recolección de polvo

¿Cómo diseñar un sistema de recolección de polvo eficiente?

Los requisitos de diseño típicos son los siguientes:

• La velocidad del aire en el punto de extracción (velocidad de captación) debe ser lo suficientemente alta como para capturar el polvo
• La velocidad del aire en los ductos debe ser lo suficientemente alta como para permitir transportar el polvo hasta el tolva receptor
• En consecuencia, el ventilador debe estar diseñado para garantizar esas velocidades, y el filtro debe tener el tamaño adecuado según la capacidad máxima del ventilador
• Todo el sistema de ductos debe estar bien equilibrado para evitar que algunos puntos de emisión no tengan suficiente aire para una aspiración adecuada. Para ello, se utilizan compuertas u otros sistemas de equilibrio.

Además, se pueden considerar las siguientes recomendaciones de diseño:

• Los ductos deben ser lo más cortos y rectos posible para reducir la caída de presión (y así reducir el tamaño del ventilador y el consumo de energía)
• La velocidad no debe ser demasiado alta (desperdicio de energía, algunos riesgos de abrasión) ni demasiado baja (depósitos de polvo que pueden obstruir los ductos)
• El sistema puede automatizarse, con un ventilador de frecuencia variable, de modo que la potencia de succión se adapte a las necesidades (ahorro de energía), si solo unos pocos puntos de recolección están en uso en un momento dado
• Debe pensarse de antemano cómo se manejará el polvo: ¿es posible recogerlo en bolsas, por ejemplo, o, mejor aún, es posible reciclarlo directamente en el proceso?

¿Cuáles son los pros y los contras de un colector de polvo central?

Tabla 2: pros y contras de un sistema central de aspiración de polvo

Pros	Contras
Bien adaptado a múltiples fuentes de emisión de polvo	Se requiere mantenimiento del polvo A veces, el equilibrio del sistema de ductos no es fácil o no es bien gestionado por los operadores Riesgo ATEX a considerar en la instalación y en el receptor Puede no ser fácil reciclar el polvo recogido si se recogen diferentes materiales que luego se mezclan en el colector

3.4 Campana de captación y velocidad de captación

Este es un aspecto básico de la aspiración de polvo, pero en realidad no se realiza adecuadamente con frecuencia en el campo.

Lo primero es tener un diseño de campana adecuado para tener una aspiración eficiente:

• Es mejor tener una campana perfilada, adaptada a la aplicación, en lugar de simplemente un tubo. Puede ser necesario tener un recinto para una captura eficiente [SHAPA]
• La campana debe estar posicionada cerca de la fuente de emisión de polvo: la velocidad más alta es, por supuesto, en la entrada del ducto cuando el diámetro es más estrecho, pero hay que tener en cuenta que la velocidad será un 70% menor a ~1/2 diámetro del punto de captación, mientras que es un 90% menor a 1 diámetro [Maynard]
• La campana debe estar posicionada de manera que no arrastre el polvo hacia la cara del operador [Constance]

La velocidad de captación debe adaptarse a la aplicación, ya que los requisitos variarán según la naturaleza del polvo a capturar, pero también según las condiciones dinámicas de la captura, es decir, si el polvo está casi estático o si hay corrientes de aire que lo alejan del punto de recolección. En la literatura [SHAPA] se pueden encontrar las siguientes velocidades de captura:

Tabla 3: velocidades de captura de polvo recomendadas

Tipo de emisión	Velocidad de captación	Ejemplos
Sin velocidad	0,3-0,5 m/s	Vapor, humos de soldadura
Baja velocidad	0,5-1 m/s	Pesaje de polvo, envasado, corte láser
Alta velocidad	1-2,5 m/s	Corte por plasma, cinta transportadora de alta velocidad
Alta fuerza	2,5-10 m/s	Molienda

Es posible estimar el flujo requerido considerando la velocidad de captación recomendada y la distancia de la entrada de la campana a la fuente de emisión de polvo mediante la siguiente fórmula [SHAPA]:

Q = V.(10X² + A)

Donde

Q = flujo de aire requerido (m³/min)
V = velocidad de captura requerida (m/min)
X = distancia a la fuente de emisión de polvo (m)
A = área de la cara abierta de la campana (m²)

3.5 Velocidad del aire en los ductos

La velocidad del aire en los ductos no debe ser ni demasiado alta (desperdicio de energía, riesgo de abrasión), ni demasiado baja (acumulación de polvo en los tubos). Según el tipo de polvo, las velocidades del aire se recomiendan alrededor de 10 m/s para humos y entre 15 (polvo ligero) y 23 m/s (partículas gruesas) para sólidos ([SHAPA], [Maynard]).

3.6 Ductos

Los ductos que transportan el aire y el polvo deben estudiarse en detalle durante la concepción del sistema de recolección de polvo. De hecho, es muy importante asegurarse de que se hayan tenido en cuenta adecuadamente algunos aspectos del diseño:

• El diámetro de la tubería debe ser tal que se alcance la velocidad de aire requerida
• La caída de presión debe minimizarse (lo que permitirá reducir el tamaño del ventilador y hacer ahorros tanto en la inversión como en el gasto de electricidad para hacer funcionar el sistema)
• La construcción del ducto debe reducir los riesgos de fuga
• El sistema debe estar bien equilibrado lo que significa que todos los puntos de captación deben tener un flujo de aire óptimo. [Maynard] propone equilibrar el sistema mediante el diseño, lo que significa que el diámetro de las diferentes ramas se ajusta para satisfacer las necesidades de cada punto de captación, sin dejar lugar a un ajuste manual por parte del operador, por ejemplo. Aunque es posible, puede no ser muy flexible a lo largo de la vida de la instalación, por lo que muchos sistemas aún recurren a utilizar compuertas / puertas de explosión en cada punto de captación para ajustar la corriente de aire. De hecho, es más flexible, pero debe gestionarse con cuidado para asegurarse de que no se realicen modificaciones no controladas del sistema que puedan desequilibrarlo. Las compuertas de explosión también deben limpiarse regularmente
• Las ramas deben conectarse al ducto principal a través de una entrada inclinada, no de 90 grados [Maynard]

3.7 Ventilador y filtro

Para alcanzar las velocidades de captación de aire y las velocidades de transporte en los ductos diseñadas, es necesario dimensionar adecuadamente el ventilador y el filtro según el requisito de flujo de aire y la caída de presión que se generará a través del sistema.

• Un ventilador es un impulsor de aire centrífugo. Por lo tanto, hay que tener cuidado de que el flujo de aire generado no sea constante con la presión, lo que normalmente es el caso con un soplador de desplazamiento positivo como un soplador de lóbulos. Esto significa que si la caída de presión en los ductos no se evalúa correctamente, o si los operadores cierran demasiado las compuertas, el flujo de aire total a través del ventilador disminuirá y, por lo tanto, impedirá una buena captura y transporte del polvo.
• Para generar ahorro de energía, el ventilador puede estar equipado con un variador de frecuencia que variará la velocidad según la demanda real. Sin embargo, requiere cierto grado de automatización, pero el retorno de la inversión suele valer la pena.
• Se recomienda una sección de tubo recto en la entrada del ventilador [Constance], si la entrada del ventilador está formada por una curva en ángulo, el flujo de aire puede no ser constante y el ventilador puede sufrir pulsaciones y un flujo de aire inferior al esperado.

3.8 Protección contra explosiones de polvo

El polvo puede provocar una explosión si una nube de polvo se somete a una fuente de ignición. Los polvos, según su naturaleza, tienen diferentes MIE haciéndolos más o menos sensibles a explosiones. Sin embargo, hay que tener en cuenta que los polvos suelen ser finos, lo que reduce la MIE y hace que la recolección de polvo sea un claro peligro potencial para la fábrica.

Como consecuencia:

• A un análisis de peligro por polvo (DHA, DSEAR, análisis de riesgo ATEX) es obligatorio.
• Todas las buenas prácticas, como la puesta a tierra eléctrica de cada parte del sistema de recolección de polvo son obligatorias. Los operadores deben tener especial cuidado en el conducto, flexible y soporte de los filtros.
• Dependiendo del polvo manejado, el tamaño y la cantidad retenida en el colector, puede ser necesario proteger el colector de polvo con un panel de explosión o un sistema de supresióny asegurarse de que la explosión no se propague de vuelta a los conductos.

Hay muchos ejemplos de explosiones en colectores de polvo, este tema debe tomarse con la máxima seriedad por parte de los proveedores y operadores de los sistemas.

4. Problemas comunes con los sistemas de extracción de polvo

Tabla 4: problemas comunes con sistemas centralizados de recolección de polvo

Problema	Causa raíz y acción
Polvo no aspirado adecuadamente	Velocidad de aspiración demasiado baja: verificar el flujo de aire, asegurarse de que el conducto de aspiración tenga una campana/envoltura y esté lo suficientemente cerca de la fuente de polvo, verificar si se ha cambiado una compuerta
Acumulación en los conductos	Velocidad del aire en los conductos demasiado baja: verificar el flujo de aire del ventilador, verificar el filtro, comprobar la adecuación del diámetro del conducto/flujo de aire del ventilador
Alto consumo de energía	El ventilador siempre está a alta velocidad incluso si no hay requisitos: automatizar el sistema con ventilador en VFD
Demasiada caída de presión a través del filtro	El filtro está obstruido: verificar el filtro, verificar la presión y frecuencia del sistema de limpieza

5. Monitoreo de un sistema de recolección de polvo

Los problemas pueden anticiparse y evitarse, o la resolución de problemas puede facilitarse, si el sistema de filtración y recolección de polvo está instrumentado y monitoreado adecuadamente. Al comprar o actualizar un sistema de aspiración de polvo, se deben considerar los siguientes instrumentos:

• Medición de la caída de presión del filtro: es el dato esencial para seguir el rendimiento de un filtro de polvo, si la caída de presión aumenta por encima de un cierto umbral, significa que los filtros probablemente estén obstruidos. Seguir la tendencia de la caída de presión a través de los filtros también es útil para detectar incidentes específicos; por ejemplo, si la caída de presión estaba aumentando linealmente y de repente salta, podría significar que el sistema de limpieza automático no está funcionando como se esperaba, por el contrario, si la presión disminuye repentinamente, podría significar que una bolsa del filtro se ha roto dejando pasar el aire, y el polvo, sin resistencia
• Medición del flujo de aire: la capacidad de succionar el aire en los diferentes puntos de recolección y llevarlo al filtro central se basa en la velocidad del aire. Si el flujo de aire (por lo tanto, la velocidad) es demasiado bajo, la recolección de polvo no será eficiente y, para el polvo aún aspirado, no se transportará adecuadamente, lo que conducirá a una acumulación en los conductos (riesgos potenciales de explosión de polvo). Asegurarse de que el flujo de aire siempre sea óptimo es, por lo tanto, un indicador clave del rendimiento de un sistema.
• Medición de la presión de aire comprimido: para los filtros que utilizan un sistema de chorro de aire comprimido para limpiar los filtros, es importante asegurarse de que la presión del aire comprimido de limpieza esté correctamente ajustada. Si es demasiado baja, el flujo de aire no será suficiente para desprender el polvo acumulado en el filtro. Si es demasiado alta, los pulsos repetidos pueden dañar el filtro y provocar una fuga de polvo.
• Sensor de nivel en el tolva de recolección: el polvo recogido en los filtros cae de nuevo en el tolva durante el ciclo de limpieza. Dado que el polvo es muy fino, es probable que tenga una pobre fluidez, lo que puede llevar a puentes o agujeros de rata en los tolvas, lo que provoca un aumento del nivel que finalmente alcanza el filtro y obliga a una parada. Tener uno o dos sensores de nivel permitirá detectar que el polvo se está acumulando y luego desencadenar un mantenimiento temprano.

6. ¿Cómo comprar un colector de polvo?

¿Cuáles son los proveedores de colectores de polvo? ¿Qué hay que saber antes de comprar un colector de polvo?

El diseño de un colector de polvo de buen rendimiento no es sencillo, requiere un diseño cuidadoso que debe ser realizado por el proveedor del colector de polvo. Por lo tanto, es crítico ponerse en contacto con uno (o mejor, varios para poder comparar ofertas) proveedor de colectores de polvo y proporcionar a esta empresa toda la información posible sobre la aplicación: naturaleza del polvo, PSD, uno o varios puntos de emisión, cómo se emite el polvo, características de explosión de polvo/toxicidad del polvo... etc... El fabricante del colector de polvo podrá entonces hacer una propuesta informada para un sistema que satisfaga al usuario.

Aquí hay algunos ejemplos de proveedores de colectores de polvo:

• Aspi Ouest
• Nederman
• Donaldson
• ACT dust collectors
• Camfil
• Delfin (sistemas pequeños, basados en aspiradoras)

(Nota que PowderProcess.net no tiene relación con estas empresas)

Fuente

[Maynard] Seis consideraciones clave para el diseño adecuado de un sistema de recolección de polvo, Maynard, PBE, 2018

[Constance] Getting it right the next time, Constance, PBE, 2019

[SHAPA] 10 pasos clave para comparar propuestas de sistemas de extracción de polvo, Whitehead, SHAPA, 2002