Teoría
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6.1. Introducción<br />
Capítulo 6. TRANSPORTE NEUMÁTICO<br />
El transporte neumático se usa con éxito en la industria desde hace muchos años,<br />
puede transportarse desde harina a granos, desde pellets plásticos hasta carbón. Al<br />
comienzo se utilizaba aire a alta velocidad para transportar pocos sólidos que quedan<br />
suspendidos por el aire (transporte en fase diluida), sin embargo este método<br />
requiere altos caudales de aire. Desde los años 1960 se presta atención al transporte<br />
en fase densa donde los sólidos no están totalmente suspendidos, pero los<br />
requerimientos de aire se reducen drásticamente. Si bien se utiliza un menor caudal de<br />
aire se requiere una mayor presión para impulsar los sólidos. Al trabajar con menores<br />
caudales, la atrición de las partículas provocada por el choque entre sí mismas y con<br />
las paredes de los ductos de transporte también disminuye.<br />
6.2. Transporte en fase diluida y en fase densa<br />
En la Tabla 6.1 resumen las principales características que diferencian ambos<br />
transportes.<br />
Tabla 6.1. Principales diferencias entre los transportes en fases diluida y densa.<br />
Propiedad<br />
Transporte en fase<br />
diluida<br />
Transporte en fase<br />
densa<br />
Velocidad de gas, m/s 20 1-5<br />
Concentración de sólidos, % en<br />
volumen<br />
30<br />
ΔP<br />
, mbar / m<br />
L<br />
6.3. Transporte vertical de sólidos<br />
< 5 >20<br />
La Figura 6.1 muestra la relación de la caída de presión por unidad de longitud en<br />
una línea de transporte vertical en función de la velocidad superficial del gas utilizado<br />
para el transporte. La pérdida de carga total está dada, como se verá más adelante, en<br />
función de la energía cinética de las partículas y del gas, de la energía potencial de<br />
ambas fases y de la fricción de los sólidos y el gas con el ducto de transporte. En la<br />
6.1
Figura 6.1 se grafica la pérdida de carga para distintos flujos másicos de sólidos por<br />
unidad de área de la línea de transporte (G; Kg/h m 2 ).<br />
Figura 6.1. Diagrama de fases en transporte neumático vertical. Fuente: Rhodes<br />
(2003).<br />
Cuando G=0 estamos en el caso que sólo se transporta gas, de manera que la<br />
pérdida de carga en el tubo es la calculada convencionalmente para un flujo<br />
monofásico, es decir:<br />
ΔP<br />
=<br />
L<br />
2f<br />
2<br />
ρf<br />
u<br />
D<br />
(6.1)<br />
donde f es el factor de fricción y D el diámetro del ducto. El factor de fricción puede<br />
definirse en función del Reynolds como sigue:<br />
3<br />
f = 16 / Re<br />
D<br />
para ReD<br />
≤ 2x10<br />
(6.2)<br />
−0.<br />
25<br />
3<br />
f = 0.<br />
079 Re<br />
D<br />
para 2x10<br />
< ReD<br />
≤ 2x10<br />
−1/<br />
5<br />
f = 0.<br />
046 Re<br />
D<br />
para ReD<br />
> 2x10<br />
donde el número de Reynolds se define como:<br />
4<br />
4<br />
(6.3)<br />
(6.4)<br />
ρf<br />
u D<br />
ReD<br />
=<br />
(6.5)<br />
μ<br />
6.2
Cuando se aumenta el flujo de sólidos, las curvas de pérdida de carga cambian<br />
significativamente (ver curvas para G=G1 y G2 en Figura 6.1; donde G2>G1). En el<br />
punto C de la Figura 6.1 la velocidad del gas es alta, la concentración de sólidos es<br />
baja; por lo tanto la pérdida de carga se aproxima a la caída de presión por la fricción<br />
del gas con las paredes de la línea de transporte. A medida que la velocidad del gas<br />
disminuye, la pérdida de carga cae hasta una dada velocidad donde la presión<br />
estática aumenta debido al aumento de la concentración de sólidos. En este punto el<br />
gas no puede fluidizar el medio, y comienzan a formarse tapones de gas (slugs) en la<br />
línea de transporte. La velocidad para la cual se produce este fenómeno se denomina<br />
“velocidad de ahogo” (en inglés “choking velocity” uCH), y es la transición del transporte<br />
neumático en fase diluida a fase densa. Cuando se transporta un caudal másico por<br />
unidad de área mayor (G2) la velocidad de ahogo es mayor.<br />
Por el momento no es posible determinar teóricamente la velocidad de ahogo, sin<br />
embargo existen varias correlaciones empíricas que permiten estimar dicha velocidad.<br />
Rhodes (2003) sugiere el uso de las siguientes expresiones:<br />
uCH<br />
− ut<br />
=<br />
εCH<br />
ρp<br />
G<br />
( 1−<br />
ε )<br />
CH<br />
−4.<br />
7 ( ε − 1)<br />
0.<br />
77 2250 D<br />
ρ<br />
CH<br />
f =<br />
2<br />
⎛ uCH<br />
⎞<br />
⎜ − ut<br />
⎟<br />
⎝ εCH<br />
⎠<br />
(6.6)<br />
(6.7)<br />
donde ε CH es la porosidad del medio en condiciones de la velocidad de ahogo u CH,<br />
ut<br />
es la velocidad terminal. En la expresión (6.7) debe utilizarse unidades SI. Las<br />
ecuaciones (6.6) y (6.7) deben resolverse en simultáneo para calcular ε CH y u CH.<br />
6.4. Transporte horizontal de sólidos<br />
La Figura 6.2 muestra el diagrama de fases para el transporte neumático para<br />
líneas de transporte horizontal. La línea AB representa la pérdida de carga que se<br />
manifiesta cuando sólo gas se transporta en tuberías horizontales. Cuando se<br />
alimentan sólidos a G1, si la velocidad superficial del gas es alta (punto C) los sólidos<br />
se encuentran en suspensión, no sedimentan. Cuando la velocidad se disminuye para<br />
un mismo caudal de sólidos, la caída de de presión baja; esto ocurre hasta una<br />
velocidad para la cual los sólidos sedimentan en el fondo de la línea de transporte. A<br />
dicha velocidad (punto D) se la denomina “velocidad de sedimentación” (en inglés<br />
saltation velocity, uSALT). A partir de esta velocidad, descensos de la velocidad<br />
6.3
ocasionan una mayor pérdida de carga debido a la disminución de área para el pasaje<br />
para el gas.<br />
Figura 6.2. Diagrama de fases en transporte neumático horizontal. Fuente: Rhodes<br />
(2003).<br />
En el tramo EF algunos sólidos se mueven en fase densa por el fondo de la<br />
tubería, mientras que otros viajan en fase diluida en la parte superior de la línea de<br />
transporte.<br />
La velocidad de cambio de fase diluida a densa tampoco puede obtenerse de<br />
manera teórica, por lo tanto se utilizan correlaciones. Rhodes (2003) sugiere la<br />
siguiente ecuación:<br />
m&<br />
p<br />
ρf<br />
uSALT<br />
1 uSALT<br />
A ( 1440x<br />
+ 1.<br />
96<br />
10<br />
) gD ⎟ ⎡<br />
⎤ ⎛ ⎞<br />
= ⎢<br />
⎥<br />
⎜<br />
⎣<br />
⎦<br />
⎜<br />
⎝ ⎠<br />
( 1100x<br />
+ 2.<br />
5)<br />
(6.8)<br />
donde m& p es el flujo másico de sólidos, uSALT es la velocidad de sedimentación, x el<br />
tamaño de la partícula. Para distribuciones de partículas se utiliza como diámetro<br />
promedio, la mediana de la población (Yang, 2003). A es el área transversal del tubo.<br />
En la expresión (6.8) debe utilizarse unidades SI.<br />
6.5. Pérdida de carga en el transporte neumático<br />
6.5.1. Velocidades del gas y de las partículas<br />
Las velocidades superficiales del gas y del sólido se calculan como sigue:<br />
6.4
Qf<br />
uf<br />
= (6.9)<br />
A<br />
Qp<br />
up<br />
= (6.10)<br />
A<br />
donde Qf y Qp son los flujos volumétricos del fluido y de las partículas,<br />
respectivamente. Como ya se mencionó, A representa el área transversal total del<br />
ducto.<br />
En este medio bifásico se mueven ambas fases, por lo tanto es posible calcular<br />
la velocidad intersticial tanto para el gas como para el sólido. Se utilizará el subíndice i<br />
para indicar que se trata de velocidades intersticiales:<br />
Qf<br />
uf<br />
u fi = =<br />
(6.11)<br />
Aε<br />
ε<br />
Qp<br />
up<br />
upi<br />
= =<br />
(6.12)<br />
A<br />
( 1−<br />
ε)<br />
( 1−<br />
ε)<br />
donde ε es la porosidad en la tubería.<br />
La diferencia de las velocidades intersticiales del fluido y de las partículas se<br />
denomina velocidad relativa (in inglés “slip velocity”):<br />
urel = ufi<br />
− upi<br />
(6.13)<br />
Suele asumirse en transporte vertical en fase diluida que la velocidad relativa<br />
se aproxima a la velocidad terminal.<br />
6.5.2. Flujos másicos<br />
Los flujos másicos de partículas y fluidos se calculan como sigue:<br />
( 1−<br />
ε)<br />
ρp<br />
= A up<br />
p<br />
m& p = A upi<br />
ρ<br />
(6.14)<br />
m& f = A ufi<br />
ερ<br />
f = A uf<br />
ρf<br />
(6.15)<br />
En función de los flujos másicos antes definidos es posible establecer la carga de<br />
sólidos en la línea:<br />
m&<br />
p<br />
=<br />
m&<br />
f<br />
( 1−<br />
ε)<br />
upi<br />
ρp<br />
up<br />
ρp<br />
=<br />
ufi<br />
ε ρf<br />
uf<br />
ρf<br />
(6.16)<br />
6.5
La porosidad en la línea varía a lo largo de la línea dependiendo de la relación de<br />
sólidos a gas y de las velocidades de cada medio.<br />
Recordemos que el flujo másico de sólidos por unidad de área se define como:<br />
6.5.3. Caída de presión<br />
m&<br />
p<br />
G = (6.17)<br />
A<br />
Para obtener la caída de presión a lo largo de la línea de transporte, es necesario<br />
plantear el balance de energía mecánica para el sistema. Considere la sección<br />
diferencial de la tubería descripta en la Figura 6.3, para este sistema el balance de<br />
cantidad de movimiento conduce a:<br />
u pi x<br />
u fi x<br />
θ<br />
Δx Δx Δx<br />
p x<br />
u pi x+Δx<br />
A<br />
p x+Δx<br />
u fi x+Δx x+Δx x+Δx<br />
Figura 6.3. Sección de una línea de transporte. Adaptado de Rhodes (2003).<br />
Haciendo un balance de energía mecánica en estado estacionario (asumiendo<br />
densidad y porosidad constantes) e integrándolo resulta:<br />
1 2 1<br />
2<br />
p1 − p2<br />
= ε ρf<br />
u + ( 1−<br />
ε)<br />
ρpu<br />
FfwL<br />
FpwL<br />
( 1 ) L p g sen(<br />
) L f g sen(<br />
) 0<br />
2 fi 2<br />
pi<br />
+ + + − ε ρ θ + ε ρ θ =<br />
( 1)<br />
( 2)<br />
( 3)<br />
( 4)<br />
( 5)<br />
( 6)<br />
(6.18)<br />
6.6
La ecuación (6.18) indica que la caída de presión en un tramo de línea recta<br />
que transporta sólidos está dado por los siguientes componentes:<br />
1. Pérdida de carga por aceleración del gas.<br />
2. Pérdida de carga por aceleración de los sólidos.<br />
3. Pérdida de carga debido a la fricción del gas con la pared.<br />
4. Pérdida de carga debido a la fricción de los sólidos con la pared.<br />
5. Pérdida de carga por la energía potencial de los sólidos.<br />
6. Pérdida de carga por la energía potencial del gas.<br />
Algunos términos de la ecuación generalizada (6.18) pueden omitirse, por ejemplo<br />
cuando la línea de transporte es horizontal los términos (5) y (6) se desprecian.<br />
6.6. Diseño del transporte en fase diluida<br />
El diseño de un sistema de transporte de sólidos en fase diluida involucra las<br />
siguientes tareas:<br />
Selección de la combinación del tamaño de la línea y de la velocidad del gas<br />
que aseguren transporte en fase diluida.<br />
Cálculo de la caída de presión en la línea.<br />
Selección del equipamiento para mover los sólidos.<br />
Selección de las unidades para separar los sólidos al final de la línea.<br />
6.6.1. Velocidad del gas<br />
Tanto para el transporte vertical como para el horizontal es deseable operar a la<br />
menor velocidad posible para:<br />
Disminuir la pérdida de carga.<br />
Reducir la atrición.<br />
Disminuir los costos operativos.<br />
Si la línea de transporte incluye tramos verticales y horizontales, se debe tener en<br />
cuenta que la velocidad de sedimentación es siempre mayor que la de ahogo. Por lo<br />
tanto el diseño debe prever que la velocidad sea mayor a la de sedimentación (uSALT).<br />
Las correlaciones para obtener las velocidades límites tienen grandes errores<br />
asociados, se recomienda por lo tanto dar un margen de seguridad del orden del 50%<br />
o mayor para seleccionar la velocidad del gas.<br />
6.6.2. Caída de presión<br />
6.7
La ecuación (6.18) es válida para cualquier mezcla gas-sólido en una tubería. Para<br />
que se aplique de manera específica a un transporte en fase diluida, es necesario<br />
poder expresar los términos de fricción de los sólidos y el gas con la pared en función<br />
de variables conocidas.<br />
En el transporte neumático en fase diluida la fricción gas-pared puede considerarse<br />
que no está influenciada por los sólidos y utilizarse entonces las expresiones de<br />
pérdida de carga por fricción de gas en tuberías (expresiones 6.1 a 6.4).<br />
Para calcular la fricción entre los sólidos y la pared las siguientes expresiones<br />
pueden ser usadas:<br />
Transporte neumático vertical:<br />
g<br />
Fpw L = 0.<br />
057 G L<br />
(6.19)<br />
D<br />
Transporte neumático horizontal<br />
2 fp<br />
G upi<br />
L<br />
Fpw<br />
L =<br />
D<br />
Otra alternativa para el cálculo del Fpw es:<br />
(6.20)<br />
2<br />
2 fp<br />
( 1−<br />
ε)<br />
ρp<br />
u<br />
pi<br />
L<br />
Fpw<br />
L =<br />
D<br />
(6.21)<br />
donde upi pueden calcularse como:<br />
0.3 0.<br />
5<br />
upi = uf<br />
( 1−<br />
0.0638 x ρp<br />
) - (6.22)<br />
donde x el tamaño de la partícula y u es la velocidad superficial del gas de diseño.<br />
Para distribuciones de partículas se utiliza como diámetro promedio, la mediana de la<br />
población (Yang, 2003). Finalmente el factor fp se calcula como sigue:<br />
2<br />
3 ρf<br />
D ⎛ ufi<br />
− upi<br />
⎞<br />
fp<br />
= C ⎜ ⎟<br />
D<br />
- (6.23)<br />
8 ρp<br />
x ⎜ u ⎟<br />
⎝ pi ⎠<br />
donde CD es el coeficiente de arrastre que sugiere Rhodes que se calcule como:<br />
Rep<br />
< 1<br />
CD<br />
=<br />
1 < Rep<br />
< 500<br />
500 < Rep<br />
<<br />
2x10<br />
24<br />
Rep<br />
CD<br />
=<br />
5<br />
−0.<br />
6<br />
18.<br />
5Rep<br />
CD<br />
=<br />
0.<br />
44<br />
Para el cálculo del Rep se utiliza la velocidad relativa entre ambas fases:<br />
(6.24)<br />
6.8
6.6.3. Codos<br />
( u − u )<br />
ρf<br />
fi pi x<br />
Rep<br />
=<br />
- (6.25)<br />
μ<br />
Cuando se diseña las líneas de transporte debe considerase los codos que existan<br />
en la misma. Se recomienda minimizar el número de codos, ya que ellos constituyen<br />
los puntos de mayor erosión de tuberías y atrición de sólidos (ver Figura 6.4).<br />
Figura 6.4. Erosión en líneas de transporte neumático.<br />
Anteriormente se consideraba que la curvatura de los codos debía ser suave para<br />
evitar grandes pérdidas de carga, sin embargo se ha probado que el uso de Ts con un<br />
tramo ciego (ver Figura 6.5) alargan el tiempo de vida útil en más de 15 veces<br />
respecto a un codo convencional. En la parte ciega se forma un colchón de partículas<br />
que amortiguan los golpes contra las cañerías.<br />
Figura 6.5. T ciega. Fuente: Rhodes (2003).<br />
6.9
Si bien se han realizado muchos estudios de la pérdida de carga en codos, no<br />
existen correlaciones muy confiables. Como regla del pulgar Rhodes (2003) sugiere<br />
asignarle al codo una caída de presión equivalente a 7.5 metros de una tubería<br />
vertical.<br />
En la Figura 6.6 se presentan líneas de transportes con codos de gran<br />
curvatura.<br />
Figura 6.6. Líneas de transporte neumático con codos de gran radio.<br />
6.6.4. Compresibilidad<br />
Para sistemas que sean de una longitud no muy elevada (
constante. Para mayores distancias o altas caídas de presión la compresibilidad del<br />
gas debe incluirse en el análisis.<br />
6.6.5. Elementos del sistema de transporte<br />
En los sistemas diluidos los sólidos son alimentados en una corriente de aire. La<br />
Figura 6.7 presenta un sistema de presión positiva, en general estos sistemas están<br />
límitados a una presión máxima cercana a 1 atmósfera. En estos sistemas, como<br />
puede observarse en la Figura 6.7, se requiere de un soplante que impulsa el gas a la<br />
tubería. A la línea de transporte ingresan los sólidos, almacenados en tolvas o silos, a<br />
través de una válvula rotativa que permite controlar el caudal de alimentación. Un<br />
esquema del modo en que operan las válvulas rotativas se presenta en la Figura 6.9.<br />
Figura 6.7. Transporte en fase diluida. Sistema de presión positiva. Fuente: Rhodes<br />
(2003).<br />
La Figura 6.8 muestra un sistema que opera con vacío, este proceso está<br />
limitado a pérdidas de carga cercanas a 0.4 atmósferas.<br />
6.11
Figura 6.8. Transporte en fase diluida. Sistema de presión negativa. Fuente: Rhodes<br />
(2003).<br />
Figura 6.9. Funcionamiento de válvulas rotativas para alimentar controladamente<br />
sólidos a una línea por donde circula gas.<br />
Ejemplo:<br />
Diseñar un sistema de transporte neumático de presión positiva en fase diluida para<br />
transportar 900 Kg/h de arena con una densidad de 2500 Kg/m 3 y un tamaño medio de<br />
partícula de 100 μm entre dos puntos que están separados en total por 10 metros de<br />
distancia vertical y 30 m de distancia horizontal. Asuma que la línea de transporte<br />
posee 6 codos de 90 grados y que el fluido que se utiliza para el transporte es aire a<br />
temperatura ambiente. La pérdida de carga máxima posible, de acuerdo al soplante<br />
6.12
disponible, es de 0.55 bar. Se dispone de tuberías con un diámetro interior de 78, 63,<br />
50 y 40 mm.<br />
Datos<br />
g= 9.8 m/s2<br />
mp= 0.25 Kg/s<br />
x= 100 um 0.0001 m<br />
rop= 2500 Kg/m3<br />
Lvert= 10 m<br />
Lhoriz= 30 m<br />
Ncodos= 6<br />
Δp max= 0.55 bar<br />
rof= 1.2 Kg/m3<br />
mu= 1.84E-05 Pa s Kg m/s<br />
D= 0.078 0.063 0.05 0.04 m<br />
A= 0.00477836 0.00311725 0.0019635 0.00125664 m2<br />
Cálculo de la velocidad del gas<br />
La línea tiene tramos verticales y horizontales, sabemos que la velocidad de sedimentación<br />
es mayor que la de ahogo, por lo tanto debemos calcular dicha velocidad.<br />
Cálculo de la velocidad de sedimentación. Transporte horizontal.<br />
m p<br />
f u SALT<br />
1 u SALT<br />
A ( 1440 x + 1.<br />
96<br />
10<br />
) gD<br />
( 1100 x + 2.<br />
5)<br />
⎟ &<br />
ρ<br />
⎡<br />
⎤ ⎛<br />
= ⎢<br />
⎥<br />
⎜<br />
⎣<br />
⎦<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
1440x+1.96= 2.104<br />
1100x+2.5= 2.61<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
usalt, m/s f(usalt)=0 usalt, m/s f(usalt)=0 usalt, m/s f(usalt)=0 usalt, m/s f(usalt)=0<br />
9.88 -1.6651E-05 10.30 7.3885E-05 10.76 0.00014665 11.24 0.00019507<br />
Los errores son importantes, de manera que se multiplica * 1.5 para asegurar suficiente caudal uf=vel. Superficial!!!<br />
uf, m/s uf, m/s uf, m/s uf, m/s<br />
14.82 15.44 16.15 16.85<br />
Cálculo de la caída de presión<br />
Tramos horizontales<br />
1 2 1<br />
2<br />
p1 −p2<br />
= ε ρfu<br />
+ ( 1−<br />
ε)<br />
ρpu<br />
+ FfwL<br />
+ FpwL<br />
+ ( 1−<br />
ε)<br />
Lρp<br />
g sen(<br />
θ)<br />
+ εLρf<br />
g sen(<br />
θ)<br />
= 0<br />
2 fi 2<br />
pi<br />
( 1)<br />
( 2)<br />
( 3)<br />
( 4)<br />
( 5)<br />
( 6)<br />
Términos 5, 6=0<br />
1 2 1<br />
ΔPHoriz<br />
= ε ρfu<br />
p pi fw pw<br />
2<br />
fi<br />
+<br />
2<br />
Cálculo de upi<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
upi, m/s upi, m/s upi, m/s upi, m/s<br />
11.84 12.34 12.90 13.46<br />
Cálculo de Porosidad<br />
m&<br />
p = A u pi ( 1 − ε ) ρ p<br />
ε = 1 −<br />
A<br />
m&<br />
p<br />
u pi ρ p<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
ε ε ε ε<br />
0.9982 0.9974 0.9961 0.9941<br />
Cálculo de ufi<br />
Qf<br />
uf<br />
ufi<br />
= =<br />
Aε<br />
ε<br />
2 ( 1−<br />
ε)<br />
ρ u + F L + F L+<br />
= 0<br />
0.3 0.<br />
5<br />
( 1 − 0.0638 x )<br />
upi =<br />
u f<br />
ρp<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
ufi, m/s ufi, m/s ufi, m/s ufi, m/s<br />
14.85 15.48 16.21 16.96<br />
6.13
Cálculo de Ffw L - Término (3)<br />
f = 64 / Re<br />
D<br />
3<br />
para ReD<br />
≤ 2x10<br />
−1/<br />
5<br />
f = 0.<br />
184 Re<br />
D<br />
4<br />
para ReD<br />
> 2x10<br />
−0.<br />
25<br />
f = 0.<br />
316 Re<br />
D<br />
para<br />
3<br />
4<br />
2x10<br />
< ReD<br />
≤ 2x10<br />
ρ f u D<br />
Re D =<br />
μ<br />
Se usa la uf, velocidad superficial!!!!<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
ReD ReD ReD ReD<br />
75395.54 63452.22 52650.11 43969.01<br />
fg fg fg fg<br />
0.0049 0.0050 0.0052 0.0054<br />
ΔP<br />
=<br />
L<br />
2f<br />
2<br />
ρ f u<br />
D<br />
Se usa la uf, velocidad superficial!!!!<br />
para gas - pared<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
Ffw L Ffw L Ffw L Ffw L<br />
986.97 Pa 1373.24 Pa 1963.23 Pa 2772.35 Pa<br />
Cálculo de Fpw L - Término (4)<br />
2<br />
2 fp<br />
( 1 − ε)<br />
ρp<br />
u<br />
pi<br />
L<br />
Fpw<br />
L =<br />
D<br />
Re p < 1<br />
24<br />
CD<br />
=<br />
Re p<br />
2<br />
3 ρ u<br />
f D ⎛ fi − upi<br />
⎞<br />
fp<br />
= C ⎜ ⎟<br />
D<br />
8 ρp<br />
x ⎜ u ⎟<br />
⎝ pi ⎠<br />
−<br />
0.<br />
6<br />
1 < Re p < 500 CD<br />
= 18.<br />
5 Re p<br />
5<br />
500 < Re p < 2x10<br />
CD<br />
= 0.<br />
44<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
Rep Rep Rep Rep<br />
19.63 20.53 21.61 22.78 Pa<br />
Cd Cd Cd Cd<br />
3.10 3.02 2.93 2.84<br />
fp fp fp fp<br />
0.03 0.02 0.02 0.01<br />
Fpw L Fpw L Fpw L Fpw L<br />
13403.85 Pa 21007.75 Pa 34267.65 Pa 55208.89 Pa<br />
1 2<br />
ε ρfu<br />
2 fi<br />
Cálculo Término( 1)<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
término (1) término (1) término (1) término (1)<br />
132.04 143.47 157.04 171.46<br />
1<br />
2<br />
2 ( 1−<br />
ε)<br />
ρ<br />
pu<br />
pi<br />
Cálculo Término( 2)<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
término (2) término (2) término (2) término (2)<br />
309.68 Pa 494.63 Pa 821.00 Pa 1339.12 Pa<br />
Cálculo ΔP horizontal total (1)+(2)+(3)+(4)<br />
ρ f<br />
Re p =<br />
( u − u )<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
Δphor Δphor Δphor Δphor<br />
14832.53 Pa 23019.09 Pa 37208.92 Pa 59491.82 Pa<br />
fi<br />
μ<br />
pi x<br />
6.14
p1 − p 2<br />
Tramos verticales<br />
1 2 1<br />
2<br />
= ε ρ f u ( 1 ) u F L F L ( 1 ) L g<br />
2 fi<br />
+ − ε ρ p<br />
2<br />
pi + fw + pw + − ε ρ p + εL<br />
ρ f<br />
( 1)<br />
( 2)<br />
( 3)<br />
( 4)<br />
( 5)<br />
Los términos (1) y (2) son mucho más dominantes en el transporte horizontal<br />
que en el vertical, por eso se desprecian.<br />
Cálculo de Ffw L - Término (3) Idéntico al tramo horizontal! Pero dividido 3!!<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
Ffw L Ffw L Ffw L Ffw L<br />
328.9883735 Pa 457.74634 Pa 654.411503 Pa 924.115475 Pa<br />
Cálculo de Fpw L - Término (4)<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
Fpw L Fpw L Fpw L Fpw L<br />
334.2731655 Pa 570.146742 Pa 1016.04516 Pa 1774.95784 Pa<br />
Cálculo deTérmino (5)<br />
Para realizar este cálculo es necesario estimar la porosidad en la línea de transp. vertical<br />
Se necesita evaluar la up para la línea vertical.<br />
Si asumimos que las partículas se comportan individualmente, la velocidad relativa puede asumirse<br />
igual a la velocidad terminal, es decir:<br />
del tramo vertical.<br />
Relacionando estas dos expresiones resulta:<br />
( 1 − ε ) L ρ g + ε L ρ g = 0<br />
p 1 − p 2 = F fw L + Fpw<br />
L +<br />
p<br />
f<br />
Fpw L =<br />
0.<br />
057 G L<br />
( − ε)<br />
Lρ<br />
g<br />
1 p<br />
u pi =<br />
u f<br />
ε<br />
− u t<br />
m& p = A upi<br />
ρ<br />
g<br />
D<br />
( 1−<br />
ε)<br />
p<br />
⎛ uf<br />
⎞<br />
m& p = A⎜<br />
− ut<br />
⎟ ρ<br />
⎝ ε ⎠<br />
( 1−<br />
ε)<br />
p<br />
Si se conoce ut es posible determinar la porosidad, ut para esferas<br />
ut<br />
=<br />
4<br />
3<br />
( ρ − ρ )<br />
p f g x<br />
CD<br />
ρf<br />
Re p < 1<br />
CD<br />
=<br />
1 < Re p < 500<br />
500 < Re p <<br />
2x10<br />
ut Rep CD ut<br />
0.6 3.91304348 8.15948831 0.57746554<br />
0.577465535 3.76607958 8.34906867 0.5708717<br />
0.570871702 3.72307631 8.40679709 0.56890827<br />
0.568908273 3.71027134 8.42419333 0.56832056<br />
24<br />
Re p<br />
− 0.<br />
6<br />
CD<br />
= 18.<br />
5 Re p<br />
CD<br />
=<br />
g = 0<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
◊ ◊ ◊ ◊<br />
0.998539801 0.0010007 0.99785575 0.00087742 0.9968 0.00449166 0.9951404 0.0001<br />
0.<br />
44<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
Term5 Term5 Term5 Term5<br />
357.75 Pa 525.34 Pa 784.00 Pa 1190.60 Pa<br />
5<br />
( 6)<br />
Re<br />
p<br />
=<br />
ρ<br />
f<br />
u<br />
μ<br />
t<br />
x<br />
6.15
εL<br />
ρf<br />
g<br />
Cálculo de Término (6)<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
Term6 Term6 Term6 Term6<br />
117.43 Pa 117.35 Pa 117.22 Pa 117.03 Pa<br />
Cálculo ΔP vertical total (3)+(4)+(5)+(6)<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
Δpvert Δpvert Δpvert Δpvert<br />
1138.44 Pa 1670.58 Pa 2571.68 Pa 4006.70 Pa<br />
Codos<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
Δpvert/L Δpvert/L Δpvert/L Δpvert/L<br />
113.8438634 Pa 167.058174 Pa 257.168034 Pa 400.670308 Pa<br />
Δpcodo=6*7.5*Dpvert /L!!!<br />
Δpcodo Δpcodo Δpcodo Δpcodo<br />
5122.973853 Pa 7517.61784 Pa 11572.5615 Pa 18030.1639 Pa<br />
TOTAL<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
Δp Δp Δp Δp<br />
21093.95 Pa 32207.29 Pa 51353.16 Pa 81528.69 Pa<br />
0.211 bar 0.322 bar 0.514 bar 0.816 bar<br />
Cuadro Resumen<br />
Para D=0.078 Para D=0.063 Par D=0.05 Para D=0.05<br />
Δp 0.21115884 bar 0.32240786 bar 0.51406571 bar 0.81613481 bar<br />
uf 14.82 m/s 15.44 m/s 16.15 m/s 16.85 m/s<br />
Qf 0.07082176 m3/s 0.04814086 m3/s 0.03170266 m3/s 0.02118035 m3/s<br />
mp/(Qfrof) 2.942 Kgp/Kgf 4.328 Kgp/Kgf 6.571 Kgp/Kgf 9.836 Kgp/Kgf<br />
Si trabajamos con D= 0.05 m se tiene una caída de presión inferior a la admisible (0.55 bar)<br />
y se trabaja con el menor caudal de aire posible<br />
6.7. Transporte en fase densa<br />
6.7.1. Patrones de flujo<br />
La fase densa puede definirse como el punto de operación para el cual los sólidos<br />
que son transportados no están totalmente suspendidos en la línea. Como ya<br />
mencionamos la transición se da a las velocidades de ahogo o sedimentación según el<br />
transporte sea vertical u horizontal.<br />
A modo de ejemplo se presenta en la Figura 6.10 los patrones de flujo que se<br />
producen en un transporte horizontal. El transporte en fase densa continua, en el<br />
cual los sólidos ocupan totalmente la cañería conduce prácticamente a la obstrucción<br />
de la línea. Si se quiere impulsar los sólidos en esta condición se requiere una alta<br />
6.16
presión, y sólo es posible si existe una porosidad mínima para que permita el paso del<br />
gas.<br />
Figure 6.10. Transporte horizontal en fase densa. Fuente: Rhodes (2003).<br />
El transporte en fase densa continua se divide en tres tipos de flujos:<br />
Flujo pistón discreto: Existen tapones de sólidos discretos en las líneas.<br />
Flujo de dunas: Los sólidos depositados en el fondo del tubo se mueven<br />
a lo largo de la línea de transporte como dunas.<br />
Flujo pistón: Es una patrón de flujo intermedio entre el pistón discreto y<br />
el de dunas. Las dunas pueden en algún momento ocupar toda la sección<br />
del tubo.<br />
No todos los polvos/sólidos exhiben todos los patrones de flujo descriptos, y en<br />
una misma línea es posible encontrar zonas con distintos flujos. Los materiales que<br />
tienden a ser muy cohesivos son difíciles de manejar en fase densa ya que la<br />
permeabilidad disminuye drásticamente. Existen algunos dispositivos que permiten<br />
evitar la obstrucción total del tubo.<br />
Si bien la ecuación de energía mecánica presentada también es válida para el<br />
transporte en fase densa, tiene poca aplicabilidad ya que los resultados no son<br />
confiables. En general el diseño en fase densa se hace por prueba y error, basándose<br />
en resultados experimentales y experiencia previa.<br />
6.17
6.8. Equipos para el transporte de gas<br />
Tantos los lechos fluidizados como las líneas de transporte requieren de equipos que<br />
impulsen gas. Los equipos para el transporte de gas en general pueden denominarse<br />
ventiladores. Un ventilador es una turbomáquina que se caracteriza porque el fluido<br />
impulsado es un gas (fluido compresible) al que transfiere una potencia con un<br />
determinado rendimiento.<br />
A pesar de que no existe convenio alguno universalmente adoptado; los ventiladores<br />
pueden subdividirse en cuatro grupos:<br />
ventiladores de baja presión: hasta una presión del orden 200 mm c agua<br />
(ventiladores propiamente dichos).<br />
ventiladores de media presión: entre 200 y 800 mm c agua (soplantes)<br />
ventiladores de alta presión: entre 800 y 2500 mm c agua (turbosoplantes)<br />
ventiladores de muy alta presión , mayor a 2500 mm c agua<br />
(turbocompresores)<br />
Sólo se presentarán en este capítulo los ventiladores propiamente dichos y<br />
soplantes, que son los usados para transporte neumático en fase diluida y fluidización,<br />
operaciones que requieren vencer caídas de presión del sistema relativamente bajas.<br />
En función de la trayectoria del fluido, todos estos ventiladores se pueden clasificar<br />
en (ver Figura 6.11):<br />
de flujo radial (centrífugos)<br />
de flujo semiaxial (helico-centrífugos)<br />
de flujo axial<br />
Figura 6.11. Rodetes: radial, semiaxial y axial.<br />
6.18
6.8.1. Ventiladores radiales (centrífugos)<br />
En los ventiladores centrífugos la trayectoria del fluido sigue la dirección del eje del<br />
rodete a la entrada y está perpendicular al mismo a la salida (ver Figura 6.12). Estos<br />
ventiladores tienen tres tipos básicos de rodetes (ver Figura 6.13):<br />
álabes curvados hacia adelante,<br />
álabes rectos,<br />
álabes inclinados hacia atrás/curvados hacia atrás.<br />
Figura 6.12. Vista de un ventilador centrífugo.<br />
Los ventiladores de álabes curvados hacia adelante (también se llaman de<br />
jaula de ardilla) tienen una hélice o rodete con las álabes curvadas en el mismo<br />
sentido que la dirección de giro. Estos ventiladores necesitan poco espacio, baja<br />
velocidad periférica y son silenciosos. Se utilizan cuando la presión estática<br />
necesaria es de baja a media, tal como la que se encuentran en los sistemas de<br />
calefacción, aire acondicionado o renovación de aire, etc.<br />
Los ventiladores centrífugos radiales tienen el rodete con los alabes<br />
dispuestas en forma radial.<br />
Los ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia atrás tienen un rodete<br />
con álabes inclinados en sentido contrario al de rotación. Este tipo de ventilador es el<br />
de mayor velocidad periférica y mayor rendimiento con un nivel sonoro relativamente<br />
bajo.<br />
6.19
Figura 6.13. Ventiladores centrífugos de a) álabes curvados hacia delante, b)<br />
radiales y c) hacia atrás.<br />
Figura 6.14. Curvas características, ventiladores centrífugos. Na: Potencia del motor.<br />
6.20
En la Figura 6.14 se presentan las curvas características para ventiladores<br />
centrífugos. Se debe trabajar a la derecha de los máximos de Δp vs caudal, para<br />
garantizar operaciones estables.<br />
6.8.2. Ventiladores axiales<br />
Existen tres tipos básicos de ventiladores axiales: helicoidales, tubulares y<br />
tubulares con directrices (ver Figura 6.15).<br />
Figura 6.15. Efecto de las directrices sobre las líneas de corriente a entrada y salida<br />
del rodete axial.<br />
Existen también ventiladores centrífugos de flujo axial, tal como se muestra<br />
en la Figura 6.15.<br />
Figura 6.16. Ventilador centrífugo axial.<br />
6.21
6.8.3. Soplante tipo Roots<br />
En la Figura 6.17 se presenta un soplante tipo Roots, posee dos rotores que<br />
giran en sentido contrario y producen un flujo de gas comprimido perpendicular a<br />
los ejes de los rotores. En la Figura 6.18 se compara, de manera cualitativa, la<br />
caída de presión vs. caudal para el soplante Roots y ventiladores centrífugos.<br />
Caída de Presión<br />
Figura 6.17. Soplante tipo Roots<br />
Roots<br />
Ventilador<br />
centrífugo<br />
Caudal<br />
Figura 6.18. Comparación caída de presión vs caudal para soplantes tipo Roots y<br />
ventiladores centrífugos<br />
Ejemplo<br />
Para el ejemplo anterior, estime si el siguiente ventilador es adecuado.<br />
6.22
6.23
.<br />
6.24
6.25
6.26