Dimensionamiento de precipitador electrostático: cálculo rápido paso a paso

A lo largo de los años, los países han implementado regulaciones cada vez más estrictas para el control de la contaminación atmosférica, especialmente en lo que respecta a la emisión de partículas sólidas finas. Puede resultar particularmente difícil y costoso eliminar esas partículas finas de los gases de escape de grandes fábricas químicas o centrales eléctricas. Una solución para depurar grandes volúmenes de gas es el uso de un precipitador electrostático. Esta página presenta un cálculo rápido para estimar el dimensionamiento de un precipitador electrostático tipo conducto requerido para una aplicación específica. El procedimiento de dimensionamiento se detalla paso a paso para facilitar su comprensión y aplicación.

1. PASO 1: Recopilación de datos

Debe recopilar los siguientes datos sobre la corriente de gas a depurar, el gas limpio objetivo, así como el comportamiento esperado de las partículas en el precipitador electrostático:

• Tasa de flujo volumétrico de gas
• Carga de partículas en el gas de entrada
• Carga objetivo de partículas en el gas de salida
• Velocidad de deriva de las partículas
• Asumir un número de secciones para el precipitador

¿Qué es la eficiencia de un ciclón?

La eficiencia de un ciclón representa la proporción de partículas que el ciclón puede retener:

Eficiencia = (carga_entrada - carga_salida) / carga_entrada * 100

donde:

Eficiencia = eficiencia del ciclón (%)
carga_entrada = concentración de sólidos en el gas que ingresa al ciclón (kg/m^³ o grains/ft^³)
carga_salida = concentración de sólidos en el gas que sale del ciclón (kg/m^³ o grains/ft^³)

2. Cálculo de la eficiencia de un ciclón: cálculo paso a paso

2.1 PASO 1: recopilar los datos

Debe recopilar datos sobre: el ciclón a verificar, el flujo de gas y las características de las partículas sólidas.

• Diámetro del ciclón
• Ancho de la entrada de gas del ciclón
• Número de vueltas efectivas en el ciclón
• Carga de partículas en el gas de entrada
• Diámetro de las partículas
• Densidad de las partículas
• Temperatura del gas de entrada
• Viscosidad del gas de entrada
• Velocidad del gas de entrada

2.2 PASO 2: Cálculo del diámetro de corte

El diámetro de corte es el diámetro de las partículas para el cual el 50% de dichas partículas son capturadas por el ciclón. Las partículas más grandes serán capturadas en >50%, mientras que las más pequeñas lo serán en <50%.

El diámetro de corte puede calcularse con la siguiente fórmula [Chopey]:

d_{_pc} = [9*μ*B_{_c}/2*π*n_{_t}*v_{_i}*(ρ_{_p}-ρ)]^{^0.5}

Donde:

d_{_pc} = diámetro de corte (micras)
μ = viscosidad del gas (lb/ft·s)
B_{_c} = ancho de la entrada del ciclón (ft)
n_{_t} = número de vueltas efectivas en el ciclón (-)
v_{_i} = velocidad del gas de entrada (ft/s)
ρ_{_p} = densidad de las partículas (lb/ft^³)
ρ = densidad del gas (lb/ft^³)

2.3 PASO 3: Calcular la relación entre el diámetro promedio de las partículas y el diámetro de corte

La relación es igual a:

relación_tamaño_partícula = d_{_p}/d_pc

Donde:

d_p = diámetro medio de partícula de las partículas en el flujo de entrada (micras)
d_pc = diámetro de corte (micras)

2.4 PASO 4: Estimar la eficiencia del ciclón

Para estimar rápidamente la eficiencia del ciclón a partir de los cálculos anteriores, se puede utilizar la curva de Lapple. Este ábaco se muestra a continuación:

Es necesario utilizar la relación de tamaño de partícula para estimar la eficiencia de un ciclón.

También es posible utilizar la siguiente fórmula [Chopey]:

Eficiencia = E = 1/(1+(d_p_c/d_p)^{^2})

Donde:

E = Eficiencia del ciclón (%)
d_p = diámetro medio de partícula de las partículas en el flujo de entrada (micras)
d_pc = diámetro de corte (micras)

2.5 PASO 5: Estimar la carga de partículas en el flujo de salida

Una vez estimada la eficiencia del ciclón, también es posible estimar la carga de partículas en el flujo de gas a la salida del ciclón.

carga_salida = carga_entrada*(1-E)

3. Ejemplo de estimación de eficiencia de ciclón

Una instalación necesita reducir el nivel de emisiones de partículas de un taller específico. Se dispone de un ciclón de segunda mano, con un diámetro de 0.6 m, un ancho de entrada de 0.15 m y diseñado para 5 vueltas efectivas. La instalación desea conocer cuál será la eficiencia del ciclón en el flujo de escape de aire del taller, con una carga de 17.65 granos/m³, partículas sólidas de 2500 kg/m³ y diámetro medio de 10 micras. Bajo las condiciones consideradas, la velocidad de entrada del flujo de aire es de 15 m/s, la viscosidad del aire es 1.8×10⁻⁵ Pa·s y la densidad del aire es 1.2 kg/m³.

3.1 PASO 1: Recopilar los datos de entrada para el cálculo

A partir de los datos anteriores, se pueden identificar:

μ = viscosidad del gas (Pa·s) = 1.8×10⁻⁵ Pa·s
B_c = ancho de entrada del ciclón (m) = 0.15 m
n_t = número de vueltas efectivas en el ciclón (-) = 5
v_i = velocidad de entrada del gas (m/s) = 15 m/s
ρ_p = densidad de las partículas (kg/m^³) = 2500 kg/m^³
ρ = densidad del gas (kg/m^³) = 1.2 kg/m^³
d_p = diámetro medio de partícula de las partículas en el flujo de entrada (micras) = 10 micras

3.2 PASO 2: Calcular el diámetro de corte

Se puede utilizar la siguiente fórmula para calcular el diámetro de corte:

d_pc = [9*μ*B_c/2*π*n_t*v_i*(ρ_p-ρ)]^{^0.5}

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que las entradas deben convertirse a unidades imperiales.

μ = viscosidad del gas (Pa·s) = 1.8×10⁻⁵ Pa·s = 1.21×10⁻⁵ lb/ft·s
B_c = ancho de entrada del ciclón (m) = 0.15 m = 0.49 ft
n_t = número de vueltas efectivas en el ciclón (-) = 5
v_i = velocidad de entrada del gas (m/s) = 15 m/s = 49.2 ft/s
ρ_p = densidad de las partículas (kg/m³) = 2500 kg/m³ = 156 lb/pie³
ρ = densidad del gas (kg/m³) = 1.2 kg/m³ = 0.075 lb/pie³
dp = diámetro medio de partícula en el flujo de entrada (micras) = 10 micras

d_pc = [9*1.21*10^-5*0.49/2*π*5*49.2*(156-0.075)]^0.5 = 4.54 micras

3.3 PASO 3: Calcular la relación de tamaño de partícula

La relación de tamaño de partícula es simplemente d_p/d_pc = 2.2

3.4 PASO 4: Calcular la eficiencia estimada de recolección del ciclón

La eficiencia puede estimarse con la siguiente fórmula:

Eficiencia = E = 1/(1+(d_c/d_p)^²) = 1/(1+(1/2.2)²) = 0.829

La eficiencia se estima así para esta aplicación en un 82.9%

Siempre es recomendable verificar con la curva de Lapple.

3.5 PASO 5: Estimar la carga de partículas en el flujo de salida

Gracias a la eficiencia de 0.829, la carga del flujo de aire que sale del ciclón puede calcularse como:

carga_salida = carga_entrada*(1-E) = 17.65*(1-0.829) = 3.02 granos/m³

El operador del ciclón puede entonces comparar este valor con la normativa aplicable y determinar si el ciclón es adecuado.

4. Herramienta gratuita en Excel para estimar la eficiencia de un ciclón

La eficiencia de un ciclón, basada en los cálculos mostrados anteriormente, puede estimarse mediante esta calculadora gratuita en Excel: Herramienta de Cálculo - Estimación de eficiencia de ciclón

Advertencia: esta calculadora se proporciona para ilustrar los conceptos mencionados en esta página web, no está destinada para diseño detallado. Consulte a un diseñador de reconocimiento para cualquier necesidad de diseño detallado.

Fuente

[Chopey] Manual de Cálculos en Ingeniería Química, Chopey, McGraw Hill