Esta página ofrece una visión general de las tecnologías de proceso disponibles para separar polvo y polvos de una corriente de gas, especialmente filtros, ciclones o depuradores.

1. Introducción - Importancia de los separadores Sólido-Gas en la industria

La separación del gas y los sólidos que transporta es de suma importancia en las industrias de proceso y se realiza mediante diferentes métodos. Los sólidos pueden estar presentes en la corriente de gas de manera intencional, como ocurre, por ejemplo, en una línea de transporte neumático. En casos donde se requiere la recuperación del 100% del sólido al final de la fase de transporte para garantizar un proceso económico. Sin embargo, los sólidos también pueden estar presentes como contaminación, en forma de polvo, y las crecientes preocupaciones ambientales exigirán un sistema de colección de polvo para limpiar el gas antes de su emisión a la atmósfera.

Existen diferentes tecnologías de separación que se adaptan a distintos propósitos. En esta página web se presentan los Filtros , Ciclones y Depuradores.

2. Los diferentes tipos de fenómenos físicos involucrados en la separación Sólido-Gas

¿Cuáles son las formas de separar un sólido de un gas?

Recolección inercial

Este fenómeno de colección está bien representado por el número de Stokes, que puede calcularse para una partícula en una corriente de fluido

Ecuación 1: Número de Stokes

Sk = Fuerza inercial / fuerza viscosa
ρ_D= gravedad específica de la fase dispersa (sólidos) (kg/m³)
u_CD= u_C- u_D= Diferencia de velocidad entre la fase dispersa y la fase continua (m/s)
d = diámetro de las partículas (m) - si no son todas de la misma dimensión, tomar d50
C_m= corrección de Cunningham-Millikan del coeficiente de arrastre
μ_c= viscosidad de la fase continua (Pa·s)
D_c= dimensión característica del equipo de separación

Si el número de Stokes es bajo, significa que la partícula tiende a seguir al fluido cuando cambia de dirección: será difícil separarlas en un separador basado en el principio de inercia.

Lo que ocurre es lo siguiente: cuando el flujo de partículas + fluido se expone a un objetivo determinado (por ejemplo, una placa), las partículas con un diámetro demasiado grande (es decir, con un número de Stokes alto) no podrán seguir las líneas del fluido alrededor del obstáculo y serán recolectadas por el obstáculo mediante impacto inercial. El primer diámetro en el que las partículas no serán recolectadas es el diámetro de "corte" del separador.

Recolección por difusión - Movimiento browniano

Para partículas muy pequeñas (diámetro < 1 micra), el fenómeno físico dominante es el movimiento browniano. La transferencia difusional, que puede conducir a la interceptación de las partículas pequeñas, competirá con la transferencia convectiva.

Si el transporte convectivo es alto (alta velocidad del fluido), la interceptación no será posible. En consecuencia, capturar partículas muy pequeñas requerirá operar a baja velocidad del fluido para permitir que las partículas viajen por movimiento browniano hacia un objetivo que las recolecte.

Recolección por gravedad

Es un modo especial de colección utilizado típicamente en separadores que tienen un volumen de desenganche, especialmente para partículas grandes. Las partículas sedimentarán debido a una mayor velocidad terminal de asentamiento en comparación con la velocidad del gas.

3. Los diferentes tipos de equipos disponibles para separar Sólidos de Gas

¿Cuáles son las técnicas comunes de separación gas-sólido?

La tabla a continuación enumera los equipos clave de separación Sólido-Gas que se pueden encontrar en las industrias de proceso

Tabla 1: Separadores industriales Sólido-Gas

Equipo	Detallado en esta página
Separadores gravitacionales	No
Ciclones	Sí
Depuradores	Sí
Separadores electrostáticos	No
Filtros	Sí

Todos estos equipos pueden utilizarse como colectores de polvo industriales. Algunos de ellos, especialmente los ciclones acoplados a Filtros , pueden posicionarse al final de líneas de transporte neumático para recuperar el producto transferido. Los depuradores o precipitadores electrostáticos se utilizan más en corrientes muy diluidas, como sistemas de eliminación de polvo, para garantizar el control de polvo en el aire que sale del proceso, separando partículas sólidas en gases de desecho.

4. Ciclones

Los ciclones son equipos muy simples basados en el principio de separación inercial. El gas y las partículas entran en el ciclón (generalmente constituido por un cuerpo cilíndrico, una salida cónica para sólidos y una tubería axial superior para la salida del gas) de manera tangencial.

Se crea un vórtice debido a la fuerza centrífuga aplicada y el gas gira descendentemente hacia el fondo cónico. Las partículas con un diámetro demasiado grande son empujadas contra la pared y separadas del gas. En la parte cónica, el flujo de gas invierte su dirección para ascender a través de la parte central del ciclón y sale por la parte superior mediante la tubería de salida de gas. Los sólidos descienden por la pared y se recogen en el fondo de la parte cónica.

Cabe señalar que el gas, al invertir su dirección, puede arrastrar nuevamente algunos sólidos (rearrastre), lo que reduciría la eficiencia de separación. Para evitar este fenómeno, el diseño del ciclón y su operación (asegurarse de que nunca se acumulen sólidos en el cono) son de suma importancia.

Figura 1: Diseño del ciclón y principio de separación

5. Depuradores (separadores húmedos)

Los depuradores son separadores Sólido-Gas muy eficientes que funcionan según el principio de contacto de las partículas con un líquido (generalmente agua). Mientras que los ciclones suelen limitarse a tamaños de partícula > 1 micra, los depuradores pueden separar partículas muy por debajo de 1 micra. Su eficiencia se debe principalmente a que combinan diferentes mecanismos de intercepción:

• Inercial (las partículas chocan contra el empaque interno humedecido —a veces— del depurador)
• Intercepción (las partículas son capturadas por las gotas de agua o superficies humedecidas si pasan lo suficientemente cerca)
• Difusión (para partículas muy pequeñas < 0,3 micras)

En algunos casos, estos mecanismos se refuerzan con otros debido a la presencia de humedad (por ejemplo, con condensación sobre una partícula, o aglomeración de partículas).

Figura 1: Diseño del depurador y principio de separación

Sin embargo, los depuradores presentan una gran desventaja: generan grandes cantidades de lodos que luego deben ser tratados. En la actualidad, considerando los requisitos ambientales, el uso de depuradores debe reservarse para aplicaciones donde sea posible un manejo sencillo de los efluentes o donde otras técnicas de separación no puedan utilizarse definitivamente.

6. Filtros

El gas y los sólidos también pueden separarse mediante un medio sólido denominado filtro. Existen diferentes mecanismos que intervienen en la separación de gases y sólidos, y la física varía según si el filtro es nuevo o ha sido utilizado durante algún tiempo.

En un filtro nuevo, las partículas podrán penetrar profundamente en la estructura del filtro y ser capturadas (o no, ya que los filtros, como otras técnicas de separación, tienen una cierta eficiencia) por inercia y difusión.

Durante su uso, las partículas se acumularán dentro y sobre la superficie del filtro, formando finalmente una torta. Por lo tanto, la filtración posterior es el resultado de la filtración dentro del filtro y a través de la torta formada. Cuanto mayor sea la cantidad de partículas, mayor será la caída de presión. Será necesario reemplazar o limpiar el filtro.

La limpieza a veces se realiza automáticamente aplicando un flujo inverso de gas. Esto es particularmente útil en filtros de mangas ubicados en la recepción de líneas de transporte neumático. En las líneas de transporte neumático, las altas cargas de sólidos y el propósito del proceso hacen que la filtración sea la única opción viable para recolectar el producto; a veces se combina con un ciclón para evitar saturar el filtro demasiado rápido.

Un parámetro clave de dimensionamiento para los filtros es la velocidad de filtración (también llamada relación gas-tela). Suele ser bastante baja, alrededor de 1–5 cm/s, dependiendo de la tecnología; con algunas excepciones, como los prefiltros de HVAC, que pueden alcanzar hasta 1,5 m/s.

Fuentes

Principios de Tecnología de Polvos
Operaciones Unitarias Mecánicas: Despolvoreo y Desembotellado, N. Midoux, Curso ENSIC