Diseño y Validación de un Ciclón Stairmand Destinado al Filtrado Parcial de Material Particulado
DOI:
https://doi.org/10.37843/rted.v11i1.196
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Resumen
Los materiales particulados incluyen solidos o líquidos o una mezcla de ellos a escalas micrométricas. Estas partículas, pueden ser perjudiciales para el medio ambiente y se asocia a algunos problemas de salud humana, debido principalmente a su tamaño. Por esta situación se han creado tecnologías para su mitigación, como los ciclones. Esta tecnología aprovecha la energía cinética del movimiento de flujo contaminado para efectuar una separación de forma mecánica, por ello son implementados en diversas aplicaciones industriales como en los prelimpiadores de líquidos o gases. El objetivo de esta investigación fue diseñar un ciclón de alta eficiencia tipo Stairmand para separación de partículas sólidas en un flujo gaseoso, con una eficiencia del 80%, a partir de un problema de estudio, donde se conocen los parámetros iniciales junto a las variables implicadas en el sistema. El proceso metodológico empleado para esta investigación se centró en un estudio descriptivo-correlacional, siguiendo los siguientes pasos: 1) clasificación de las variables para calculo teórico, diseño tridimensional con análisis de simulación, 2) determinación de los parámetros geométricos teóricos, 3) diseño y modelado de ciclón en software Solidworks®, 4) cálculo teórico de eficiencia de colección, 5) análisis de eficiencia de colección con Solidworks® Flow Simulation a partir de resultados de simulación. Los resultados teóricos, aunados a los de simulación mostraron una coincidencia con error inferior a 1%, demostrando la hipótesis planteada en esta investigación.
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Citas
Alahmer, A., & Al-Dabbas, M. (2014). Modeling and simulation study to predict the cement portland cyclone separator performance. Emirates Journal for Engineering Research, 19(1), 19-25.
An, Z., Jin, Y., Li, J., Li, W., & Wu, W. (2018). Impact of Particulate Air Pollution on Cardiovascular Health. Current Allergy and Asthma Reports, 18(3). https://doi.org/10.1007/s11882-018-0768-8 DOI: https://doi.org/10.1007/s11882-018-0768-8
Ast Ingeniería. (2016). Simulación de sistemas fluidodinámicos mediante la aplicación del método de los volúmenes finitos. http://www.ast-ingenieria.com/capacidades-soluciones/simulacion-cfd.
Bahamón, D., Alzate, H., & Quintana, G. (2009). Simulación del patrón de flujo en fase simple para diferentes diseños de separadores ciclónicos. Revista Investigaciones Aplicadas, 6(1), 11-20.
Barrios, J., Ferrer, C., & Rosillón, K. (2020). Planta piloto de bombas hidráulicas para la enseñanza y aprendizaje de la mecánica de fluidos. Revista Tecnológica-Educativa Docentes 2.0, 9(1), 124-131. https://doi.org/10.37843/rted.v9i1.116 DOI: https://doi.org/10.37843/rted.v9i1.116
Cao, X., & Bian, J. (2019). Supersonic separation technology for natural gas processing: A review. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 136, 138-151. https://doi.org/10.1016/j.cep.2019.01.007 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cep.2019.01.007
Capote, J., Alvear, A., Abreu, O., Lázaro, M., & Espina, P. (2008). Influencia del modelo de turbulencia y del refinamiento de la discretizacion espacial en la exactitud de las simulaciones computacionales de incendios. Rev. Int. Met. Núm. Calc. Dis. Ing. 24,227-245.
Cengel, Y., & Cimbala, J. (2018). Mecánica de fluidos: fundamentos y aplicaciones (4a ed.). McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. de C.V.
Echeverri, C. (2006). Diseño óptimo de ciclones. Revista Ingenierías Universidad De Medellín, 5(9), 123-139.
Echeverri, C. (2019). Contaminación atmosférica (20a ed., p. 86). Ediciones de la U.
EPA (2020). Particulate Matter (PM) Basics. US EPA. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics.
EPA-CICA (2012). Hoja de Datos. EPA. https://www3.epa.gov/ttncatc1/dir1/fcyclons.pdf
Eslava, J. (2016). Reflexiones acerca de la relación ambiente y saludables (1a ed., p. 103). Universidad Nacional de Colombia.
Fiordelisi, A., Piscitelli, P., Trimarco, B., Coscioni, E., Iaccarino, G., & Sorriento, D. (2017). The mechanisms of air pollution and particulate matter in cardiovascular diseases. Heart Failure Reviews, 22(3), 337-347. https://doi.org/10.1007/s10741-017-9606-7 DOI: https://doi.org/10.1007/s10741-017-9606-7
Gamiño, M., Castillo, F., Vázquez, R., Díaz, C., Guzmán, A., & Herrera, F. (2018). Análisis del efecto geométrico de ciclones en el secado por aspersión de leche usando CFD. Avances en Ciencias e Ingeniería, 9, 11- 23.
Gheorghe, G., Mateescu, M., Persu, C., & Gageanu, I. (2018). Theoretical simulation of air circulation inside cyclone mounted at exhaust outlet of pneumatic seed drill to optimize it. Engineering for Rural Development, 813-817. https://doi.org/10.22616/erdev2018.17.n047 DOI: https://doi.org/10.22616/ERDev2018.17.N047
Gopalakrishnan, B., & Arul-Prakash, K. (2019). Numerical study on pressure drops and filtration efficiency of gas–solid flow through axial cyclone separators. International Journal of Advances in Engineering Sciences and Applied Mathematics, 11(4), 280-287. https://doi.org/10.1007/s12572-020-00259-5 DOI: https://doi.org/10.1007/s12572-020-00259-5
Hadei, M., & Naddafi, K. (2020). Cardiovascular effects of airborne particulate matter: A review of rodent model studies. Chemosphere, 242, 125204. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.125204 DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.125204
Herna?ndez-Sampieri, R., & Mendoza-Torres, C. (2014). Metodologi?a de la investigacio?n (6th ed., p. 89). McGraw-Hill / Interamericana Editores, S.A. DE C.V.
Hoffmann, A., Stein, L., & Bradshaw, P. (2008). Gas Cyclones and Swirl Tubes: Principles, Design and Operation. Applied Mechanics Reviews, 56(2), 28-29. DOI: https://doi.org/10.1115/1.1553446
Khaniabadi, Y., Goudarzi, G., Daryanoosh, S., Borgini, A., Tittarelli, A., & De Marco, A. (2016). Exposure to PM10, NO2, and O3 and impacts on human health. Environmental Science and Pollution Research, 24(3), 2781-2789. https://doi.org/10.1007/s11356-016-8038-6. DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-016-8038-6
Kirrane, E., Luben, T., Benson, A., Owens, E., Sacks, J., & Dutton, S. (2019). A systematic review of cardiovascular responses associated with ambient black carbon and fine particulate matter. Environment International, 127, 305-316. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.02.0277.
Kumar, V., & Jha, K. (2018). Numerical investigations of the cone-shaped vortex finders on the performance of cyclone separators. Journal of
Mechanical Science and Technology, 32(11), 5293-5303. https://doi.org/10.1007/s12206-018-1028-5 DOI: https://doi.org/10.1007/s12206-018-1028-5
Kurtin, K. (2020). Particle Separation using SOLIDWORKS Flow Simulation - Computer Aided Technology. Cati.com. Revisado el 28 octubre 2020, en https://www.cati.com/blog/2020/04/particle-separation-using-solidworks-flow-simulation/.
Kwiatkowski, S., Polat, M., Yu, W., & Johnson, M. (2019). Industrial Emissions Control Technologies: Introduction. Encyclopedia of Sustainability Science and Technology, 1-35. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2493-6_1083-1 DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2493-6_1083-1
Kyung, S., & Jeong, S. (2020). Particulate-Matter Related Respiratory Diseases. Tuberculosis and Respiratory Diseases, 83(2), 116. https://doi.org/10.4046/trd.2019.0025 DOI: https://doi.org/10.4046/trd.2019.0025
Leikauf, G., Kim, S., & Jang, A. (2020). Mechanisms of ultrafine particle-induced respiratory health effects. Experimental & Molecular Medicine, 52(3), 329-337. https://doi.org/10.1038/s12276-020-0394-0. DOI: https://doi.org/10.1038/s12276-020-0394-0
Lucas, D. (2016). Qualification of CFD-models for multiphase flows. Kerntechnik, 81(2), 167-169. https://doi.org/10.3139/124.110686 DOI: https://doi.org/10.3139/124.110686
Luciano, R., Silva, B., Rosa, L., & Meier, H. (2018). Multi-objective optimization of cyclone separators in series based on computational fluid dynamics. Powder Technology, 325, pp.452-466. DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.11.043
Maduabuchi, F., & Kuye, A. (2017). Optimization of Cyclone Design Parameters using Java in Netbeans Integrated Development Environment (IDE) Programme. Journal of Scientific and Engineering Research, 4(8), 221-230.
Makwana, P., & Lakdawala, A. (2016). CFD Analysis of Particle Laden Flow in a Cyclone Separator Using RANS and LES Methodologies. Fluid Mechanics and Fluid Power – Contemporary Research, 669-678. https://doi.org/10.1007/978-81-322-2743-4_64 DOI: https://doi.org/10.1007/978-81-322-2743-4_64
Mannucci, P. (2017). Air pollution levels and cardiovascular health: Low is not enough. European Journal of Preventive Cardiology, 24(17), 1851-1853. https://doi.org/10.1177/2047487317719356 DOI: https://doi.org/10.1177/2047487317719356
Matsson, J. (2018). An Introduction to SOLIDWORKS Flow Simulation 2018 (1a ed., p. 1). SDC Publications.
Miller, B. (2017). Introduction to Coal Utilization Technologies (2a ed., pp. 147-229). Elsevier.
Petit, A., Pico, H., & Barbosa, M. (2012). Influence of the cyclone cone length on flow variables. Avances En Ciencias E Ingeniería, 3(3), 103-118.
Petit, A., & Barbosa, M. (2013). Simulación de flujo turbulento dentro de un separador tipo ciclón usando Large Eddy Simulation. Asociación Argentina De Mecánica Computacional, 1(1).
Schnelle, K., Dunn, R., & Ternes, M. (2016). Air pollution control technology handbook (2a ed., pp. 334-335). Taylor & Francis.
Sicard, P., Khaniabadi, Y., Perez, S., Gualtieri, M., & De Marco, A. (2019). Effect of O3, PM10 and PM2.5 on cardiovascular and respiratory diseases in cities of France, Iran, and Italy. Environmental Science and Pollution Research, 26(31), 32645-32665. https://doi.org/10.1007/s11356-019-06445-8 DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-019-06445-8
Sofia, D., Gioiella, F., Lotrecchiano, N., & Giuliano, A. (2020). Mitigation strategies for reducing air pollution. Environmental Science and Pollution Research, 27(16), 19226-19235. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08647-x DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-020-08647-x
Sotomayor, A. (2018). Tecnologías limpias (1a ed.). Universidad de Lima, Fondo Editorial.
Tahir, M., Mursalim, M., Salengke, S., & Metusalach, M. (2020). Design and performance of a cyclone separator integrated with heat exchanger for smoked fish production. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 12(19), 5398.
Vakamalla, T., Vadlakonda, B., Aketi, V., & Mangadoddy, N. (2016). Multiphase CFD Modelling of Mineral Separators Performance: Validation Against Tomography Data. Transactions of The Indian Institute of Metals, 70(2), 323-340. https://doi.org/10.1007/s12666-016-0995-4. DOI: https://doi.org/10.1007/s12666-016-0995-4
Virto, L. (2017). Dina?mica de gases (1a ed., p. 111). UPCGRAU.
Wang, S., Li, H., Wang, R., Wang, X., Tian, R., & Sun, Q. (2019). Effect of the inlet angle on the performance of a cyclone separator using CFD-DEM. Advanced Powder Technology, 30(2), 227-239. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.10.027 DOI: https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.10.027
Wasilewski, M., & Brar, L. (2019). Effect of the inlet duct angle on the performance of cyclone separators. Separation and Purification Technology, 213, 19-33. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.12.023 DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.12.023
Witt, P., Mittoni, L., Wu, J., & Shepherd, I. (1999). Validation of a CFD model for predicting gas flow in a cyclone. Proceedings of CHEMECA99. http://hdl.handle.net/102.100.100/215218?index=1.
World Health Organization. (2020). Technology and design-based interventions. https://www.who.int/airpollution/household/interventions/technology/en/.
Xamán, J., & Girón, M. (2015). Dinámica De Fluidos Computacional Para Ingenieros (1a ed.). Palibrio.
Yin, P., Guo, J., Wang, L., Fan, W., Lu, F., & Guo, M. (2020). Higher Risk of Cardiovascular Disease Associated with Smaller Size-Fractioned Particulate Matter. Environmental Science & Technology Letters, 7(2), 95-101. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.9b00735 DOI: https://doi.org/10.1021/acs.estlett.9b00735
Yao, Z., You, S., Dai, Y., & Wang, C. (2018). Particulate emission from the gasification and pyrolysis of biomass: Concentration, size distributions, respiratory deposition-based control measure evaluation. Environmental Pollution, 242, 1108-1118. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.07.126 DOI: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.07.126
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