operació n que desea 1) Una industria posee un flujo volumétrico de 5000 [m 3/min] de un gas de operación limpiar, este gas contiene una concentración de PM con valor 40 [mg/m 3], relativamente seco. El sistema propuesto por los ingenieros a cargo de la limpieza consiste en un pre-limpiado con una batería de ciclones (consistentes en 50 ciclones de tipo desconocido que operan en paralelo) seguido de un PES. La idea es lograr una eficiencia global de 99.7%. Por motivos del tipo de partículas y mantención del PES, se prioriza la remoción de la mayor cantidad de material particulado en el pre limpiado. La empresa no escatima en costos de inversión de equipos en caso de ser necesarios para lograr una adecuada adecuada calidad en los gases emitidos. Tamaño [um]
% alimentación
0-2
8
2-4
18
4-6
16
6-8
15
8-10
10
10-12
9
12-16
8
16-29
6
20-25
6
>25
4
Flujo
5000
[m3/min]
Concentración PM
40
[mg/m3]
Densidad Partícula
1500
[kg/m3]
Densidad Gas
1,3
[kg/m3]
Presión Operación
98,15
[kPa]
Viscosidad Gas
0,00125
[kg/m*min]
Se tienen disponibles las eficiencias de remoción por tamaño de partícula para los 3 tipos de ciclones disponibles, dependiendo cual se desee utilizar. Cualquier supuesto debe ser especificado, recuerde ser consecuente con sus cál culos. a) Con el gráfico de distribución log-normal que desarrollará, determine determine si la distribución es normal, de ser efectivo esto, calcule el d 50 y la desviación estándar. b) Según los datos disponibles, ¿con qué tipo de ciclón diseñaría su proceso de pretratamiento? Justifique su su respuesta. respuesta. c)
En base a lo anterior calcule la eficiencia del pre-tratamiento.
d) Determine:
Concentración entrada PES
Concentración final proceso tratamiento (concentración salida PES)
Eficiencia del PES
e) Diseñe las dimensiones de los ciclones (50 i dénticos) a utilizar según las condiciones de proceso y las elecciones realizadas considerando una área transversal de entrada del gas en cada ciclón de 0.1 m 2. Llene la tabla: Batería
f)
50
ciclones
Q total
[m3/min]
Flujo por ciclón Aréa entrada ciclon
[m3/min] [m2]
D ciclón
[m]
W
[m]
H
[m]
De
[m]
S
[m]
Lb
[m]
Lc
[m]
Dd
[m]
En base a la eficiencia obtenida del PES, calcula el área total de placas recolectores considerando una resistividad promedio de las partículas de 6x10 10 [Ω*cm].
-Información adicional: Formula Deutsch: Eficiencia PES = 1 – exp(-vt*A/Q), donde vt = velocidad terminal, A = área total de placas y Q = flujo de gas Relación entre v t y resistividad: vt (en m/min) = 30.8 – 2.4* log resistividad (en Ω*cm)
Dimensiones ciclones Alta eficiencia
Lapple
D/D
1
1
Alta capacidad 1
W/D
0.5
0.5
0.8
H/D
0.2
0.25
0.35
De/D
0.5
0.5
0.75
S/D
0.5
0.625
0.85
Lb/D
1.5
2
1.7
Lc/D
2.5
2
2
Dd/D
0.375
0.25
0.4
Ciclón
Eficiencias para cada tipo de ciclón Eficiencias % Tamaño de particula, [um] 0-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-16 16-29 20-25 >25
Alta eficiencia
Lapple
Alta Capacidad
58
50
35
62
55
38
69
63
43
77
70
50
83
77
66
89
84
77
93
90
82
96
94
86
99
97
91
100
100
95
2) Una industria posee un flujo volumétrico de 10000 [m 3/min] de un gas de operación que debe limpiar. Este gas contiene una cantidad de material particulado (“fly-ash”) de 40 [mg/m3], relativamente seco. El sistema propuesto por Ingenieros Civiles Ambientales y Químicos de la UTFSM, consiste en un pre-limpiado con un multi-cicló n (que consiste en 100 ciclones tipo Lapple) seguido por un Precipitador Electroestático. La idea de este sistema es que se logre una eficiencia de remoción global de un 99,7 %. Considerar flujo volumétrico constante durante todo el proceso.
Datos Multiciclón: Velocidad del gas a la entrada en cada ciclón “separadamente”, Vi = 1000[m/min] Ciclon tipo Lapple Diámetro del Cuerpo, D/D Height of Inlet, H/D Width of Inlet, W/D
0,5 0,25
Diámetro de Gas, De/D
0,5
Largo del Vortex, S/D
0,625
Largo del Cuerpo, L b/D
2
Largo del cono, Lc/D
2
Diámetro de salida de Partículas, Dd/D
0,25
1
Distribución de tamaño de partícula y eficiencia del ciclón: Tamaño de Partícula [µm]
% Peso Alimentación
Eficiencia Multiciclón
0-2
2%
50%
2-4
9%
55%
4-6
15%
60%
6-8
16%
65%
8 - 10
18%
75%
10 - 12
14%
87%
12 - 16
11%
93%
16 - 20
9%
97%
20 - 25
4%
99%
> 25
2%
100%
Datos PES: Existe la siguiente relación entre la Velocidad terminal, vt, y el diámetro de la partícula, d p: vt = 0.015.106 d p (m/s) donde d p se usa en metros. Se elige un d p representativo del gas. Relación entre altura y largo de la placa: H/Lp = 2,75 “Aspect ratio” relación entre longitud del ducto total y la altura de las placas: R = 1,1 Nº de placas total = 168 Velocidad del gas a la entrada del PES, u = 110[m/min] Considerar alto total del PES 1,8 veces la altura de la placa Spacing total entre secciones: Ls = 1,2[m], Largo de entrada del PES: Len = 3[m], Largo de la saida del PES: Lex = 3[m]
Preguntas. a.-) Calcular d50 y la desviación estándar b. ) Calcular la eficiencia del multiciclón c.-) Dimensionar el ciclón d.-) Calcular la eficiencia del PES e.-) Dimensionar el PES: Numero de secciones en la dirección del gas, el alto total, el largo total y el ancho total
3) Un gas procedente de un proceso de combustión de carbón contiene cenizas volantes (“fly ash”) en concentración elevada. Los datos conocidos del gas y las partí culas son los siguientes:
Gas:
Flujo: 1700 m3/min Temperatura: 350 ºC Presión: 1.2 atm
(1 ft = 0.3042 m)
Partículas: Cantidad que pasa por la chimenea: 1600 kg/h Densidad: 1.9 g/cm 3 Distribución del tamaño de partícula: diámetro, μm 0 – 2 2 -6 6 – 12 12 – 20 20 – 30 30 – 50 50 – 100 100 – 200
% masa 4.3 19.6 34.0 26.1 8.6 5.0 1.6 0.8
a)
(10%) ¿Es esta distribución log-normal? Si es así calcule d50 y la desviación estándar
b)
(10%) Para cumplir con las normas vigentes, la carga máxima permitida es de 15 mg/m 3 de gas. Calcule la eficiencia necesaria y mencione que métodos sirven.
c)
(15%) Se considere usar un ciclón como pre-tratamiento del gas. Calcule la eficiencia global de un ciclón tipo estándar Lapple con el diámetro de 0.9 m para tratar el gas. ¿Cual es la carga o concentración final de partículas en el gas después del tratamiento del ciclón?
d)
(15 %) Diseñe un filtro de mangas tipo “Shaker baghouse” para tratar el gas que sale del ciclón para cumplir con la norma de emisión. Indique el área total de la tela filtrante, un tipo de tela adecuado, el numero total de mangas, el número de compartimentos y el número de mangas por compartimento. Dimensiones típicas de una manga: largo: 4 a 8 m, diámetro: 15 a 30 cm. La temperatura ha caído unos 50 C después de la temperatura “original”.
e)
(5 %) Evalúe si la caída presión tiene importancia en cada proceso (ciclón y filtro de mangas).
4) Una industria tiene que tratar un gas que contiene una gran cantidad de materia particulada (MP) relativamente seca. Se nececita una eficiencia de remocion de 99.9 % porque aparte de la problema ambiental, el polvo tiene un gran valor comercial. Se eligieron una solucion que consta de una prelimpieza con un ciclon Lapple seguida por un precipitador electrostatico.
Datos del gas: Flujo: Temperatura: Presion: Concentracion de MP: Densidad de la MP: Densidad del gas: Viscosidad del gas:
10000 m 3/min 300 C 1.1 atm 40 mg/m3 1200 kg/m3 1.02 kg/m3 0.075 kg/(m hr)
Distribucion de tamaño de particulas: Tamaño de partículas µm Masa de particulas (% peso)
0-2 5
2-4 24
4-7 7-10 28 20
10-15 14
15-25 7
>25 2
a. Evalue si la eleccion de procesos de tratamiento es adecuado solamente considerando las datos iniciales. b.
Muestra que la distribucion de tamaño de particulas sigue una funcion log-normal, y determine d50 y la deviacion estandar.
c. Se utiliza un ciclon Lapple estandar con un diametr o del cuerpo del ciclon (D) igual a 1.2 m. Determine la eficiencia global del ciclon y calcule la concentracion de materia particulada en el gas que sale del ciclon. Un operador dice que “si hacemos el ciclon un poco mas alto aumentamos la eficiencia”: ¿Qué opinas tu? d. Diseñe el precipitador electrostatico que trata el gas que sale del ciclon. Se considera placas de 9 m de altura y 3 m de ancho. Considere una velocidad terminal, vt, de 5 m/min. El diseño debe incluir el área total de placas de recoleccion, el número de placas, el ancho del canal, el número de ductos y secciones, y el largo del precipitador (incluye unos 4m para la entrada y 4m para la salida del precipitador). Evalue nuevamente si la eleccion de procesos de tratamiento es adecaudo, considerando los costos tambien.
