PROCEDIMIENTO DE SEPARACIÓN Y CLASIFICACIÓN DE PARTÍCULAS SUSPENDIDAS EN UN FLUIDO.
Procedimiento de separación y clasificación de partículas suspendidas en un fluido.
Método de separación y clasificación de partículas suspendidas en el seno de un fluido mediante la aplicación de un campo de vorticidad periódico. De acuerdo con el procedimiento descrito se consigue separa y, dependiendo de las condiciones especificas de aplicación del campo de vorticidad, también clasificar las partículas en función de su inercia.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200900732.
Solicitante: UNIVERSIDAD DE HUELVA.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: MORENO LOPEZ,MARIA JOSE, SANCHEZ DOMINGUEZ,URBANO.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- B01D45/08 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B01 PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL. › B01D SEPARACION (separación de sólidos por vía húmeda B03B, B03D, mesas o cribas neumáticas B03B, por vía seca B07; separación magnética o electrostática de materiales sólidos a partir de materiales sólidos o de fluidos, separación mediante campos eléctricos de alta tensión B03C; aparatos centrifugadores B04B; aparato de vórtice B04C; prensas en sí para exprimir los líquidos de las sustancias que los contienen B30B 9/02). › B01D 45/00 Separación de partículas dispersas en gases o en vapores por gravedad, inercia o fuerza centrífuga. › por proyección contra los diafragmas separadores.
Fragmento de la descripción:
Procedimiento de separación y clasificación de partículas suspendidas en un fluido.
La presente invención se enmarca dentro de la mecánica de fluidos, en el sector técnico de la separación y clasificación de partículas suspendidas en el seno de un fluido.
Con aplicaciones tales como la limpieza de gases, la clasificación de partículas por tamaño, la eliminación de partículas de vertidos líquidos (por ejemplo, depuración de aguas residuales industriales), purificación de entornos de trabajo contaminados por partículas (por ejemplo, zonas de molienda, trituración, molturación, etc., en sectores tales como químicos, alimentarios o agrícolas), o la recuperación de partículas de carácter valioso (por ejemplo, pulido de metales preciosos).
Estado de la técnica anterior
La presencia de flujos multifásicos dispersos es muy común en el entorno medioambiental y en muchos procesos industriales. Por citar algunos ejemplos se podría mencionar la minería, el polvo resultante de la erosión, los residuos de las combustiones, procesos de Ingeniería Química, etc. Por tanto los procesos de separación de partículas de un fluido y su clasificación constituyen en la actualidad un importante campo de investigación [Frank T. H., Wassen E., Yu Q. & Schneider J., Proceedings of the 3rd ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conferences, 1999] y de aplicación.
Algunos métodos usualmente utilizados incluyen la supresión de la producción de polvo, aceleración de la sedimentación de partículas, ventilación [Dawson J. R., J. Agricultural Eng. Res. 47, pp. 235-248, 1990] o bien el empleo de filtros, precipitadores electrostáticos [Veenhuizen M. A. & Bundy D. S., ASAE paper nº 904066, 1990] y ciclones [Frank T. H., Wassen E., Yu Q., CD-Rom Proceedings of the 3rd International Conference on Multiphase Flow, paper nº 217, pp. 1-8, 1998; Ogawa A., Sugiyama K. & Nagasaki K., Filtech Conference, pp. 627-640, 1993].
Estos métodos existentes de separación de partículas son útiles en situaciones muy particulares y específicas, disminuyendo su rendimiento ante pequeñas desviaciones de su situación de rendimiento óptimo y además no resulta fácil la clasificación de las partículas separadas según su tamaño o densidad. Por ello sería deseable el desarrollo de una tecnología flexible ante la variación de las condiciones de funcionamiento y que además permitiera la clasificación de partículas de diferentes características suspendidas en diferentes fluidos.
Descripción de la invención
El proceso de la presente invención aporta, frente a los procedimientos conocidos, una nueva técnica de separación y clasificación de partículas suspendidas en un fluido mediante el empleo de un campo de vorticidad periódico, teniendo como ventajas la clasificación de las partículas separadas según su tamaño o densidad, así como la flexibilidad ante las distintas condiciones de funcionamiento y ante las diferentes características de las partículas y del fluido; con el consiguiente ahorro económico y mayores facilidades de recuperación y eliminación de partículas.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, ésta proporciona un procedimiento de separación de partículas suspendidas en un fluido y de clasificación de las mismas por la aplicación de un campo de vorticidad periódico inducido en el fluido. De este modo, con la aplicación del campo de vorticidad periódico en el fluido, se consigue la separación y, en función de las condiciones de aplicación del mismo, la clasificación de las partículas suspendidas en el fluido en función de su inercia.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona el uso de un campo de vorticidad periódico inducido en un fluido en la limpieza de gases, la clasificación de partículas por tamaño, la eliminación de partículas de vertidos líquidos, purificación de entornos de trabajo contaminados por partículas o en la recuperación de partículas de carácter valioso.
En el contexto de la presente invención, el término "inercia" debe ser entendido como la propiedad de las partículas de no modificar su estado de movimiento si no es por la acción de una fuerza.
El término "velocidad angular o de giro" hace referencia al ángulo descrito en la unidad de tiempo por cualquier elemento infinitesimal del fluido al girar alrededor del eje de un vórtice.
El término "vorticidad" hace referencia al doble de la velocidad angular a la que un elemento infinitesimal de fluido gira como sólido rígido alrededor de un punto considerado.
El término "campo de vorticidad periódico" hace referencia a la región del espacio en la que a cada punto le corresponde un determinado valor de la vorticidad, repitiéndose dicho valor de modo periódico en las direcciones horizontal y vertical.
De modo que, se entiende que es equivalente separar o clasificar las partículas en función de su inercia que hacerlo en función de su tamaño o su densidad, puesto que:
• para partículas de un tamaño dado, mientras mayor sea su densidad mayor es su tendencia a continuar en su estado de movimiento, es decir, mayor es su inercia;
• para partículas con una densidad determinada, mientras mayor es su tamaño mayor es su inercia.
Breve descripción de los dibujos
Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los cuales, esquemáticamente y sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.
En los dibujos:
Fig. 1 muestra un diagrama esquemático de un sistema para separar partículas suspendidas en un fluido, en el que el campo de vorticidad periódico viene dado por una disposición bidimensional periódica de los cilindros girando en el mismo sentido;
Fig. 2 muestra una representación gráfica de las trayectorias adimensionales de las partículas (obtenidas mediante simulación numérica para vórtice Rankine) sedimentando bajo la acción del campo de flujo generado por los cilindros periódicos girando en el mismo sentido, de acuerdo con la Fig. 1, para una inercia St > 100 (para una velocidad terminal adimensional de caída Vt}AD = 0,5);
Fig. 3 muestra un diagrama esquemático del sistema para separar partículas suspendidas en un fluido, en el que el campo de vorticidad periódico viene dado por una disposición bidimensional periódica de los cilindros girando con sentidos de giro alternados;
Fig. 4 muestra una representación gráfica de las trayectorias adimensionales de las partículas (obtenidas mediante simulación numérica para vórtice Rankine) sedimentado bajo la acción del campo de flujo generado por los cilindros periódicos girando con sentidos de giro alternados, de acuerdo con la Fig. 3, velocidad terminal adimensional de caída VtAD = 0,5);
Fig. 5 muestra una representación gráfica de la velocidad media de sedimentación obtenida mediante simulación numérica para vórtice Rankine, frente a la velocidad terminal adimensional de caída en fluido en reposo, en el caso de cilindros periódicos girando con sentidos de giro alternados, de acuerdo con la Fig. 3, para una inercia de St > 5.
Descripción de realizaciones preferidas
En una realización preferida de la presente invención, la aplicación del campo de vorticidad periódico se genera por la acción de un conjunto de cilindros o conos, preferentemente dispuestos de tal modo que queden paralelos entre sí horizontalmente repetidos periódicamente tanto en la dirección horizontal como en la vertical. Alternativamente, es posible generar dicho campo de vorticidad periódico por la acción de un conjunto de cilindros o conos de ejes paralelos con cierta inclinación respecto al plano horizontal y/o vertical, repetidos periódicamente tanto en la dirección horizontal como en la vertical.
En una realización más preferida, los cilindros o conos, son accionados por unos motores, que hacen girar cada uno de los cilindros o conos alrededor de su propio eje creando un campo de vorticidad periódico.
Los parámetros que caracterizan a este mecanismo son:
• Vorticidad ω (rad/s). Entendiéndose por este término: el doble de la velocidad angular con que un elemento infinitesimal de fluido gira como sólido rígido alrededor...
Reivindicaciones:
1. Procedimiento de separación de partículas suspendidas en un fluido caracterizado porque se aplica un campo de vorticidad periódico inducido en el fluido.
2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizado porque el campo de vorticidad periódico se genera mediante un conjunto de cilindros o conos, cuya disposición es:
3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación anterior 2, caracterizado porque los cilindros son accionados por unos motores, girando cada uno de ellos alrededor de su propio eje, creando un campo de vorticidad periódico.
4. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 3, caracterizado porque el campo de vorticidad se genera al hacer girar todos los cilindros en el mismo sentido.
5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación anterior 4, caracterizado porque se consigue la sedimentación de las partículas en la frontera de la franja de baja vorticidad de flujo y con ello su separación del fluido.
6. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 4 a 5, caracterizado porque se consigue también la clasificación de las partículas.
7. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 4 a 6, caracterizado porque para un valor del número de Stokes (St) del orden de St > 100 para VtAD = 0,5; se origina una región en el espacio situada debajo de cada hilera vertical de cilindros, libre de partículas.
8. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 4 a 6, caracterizado porque para un valor suficientemente elevado del número de Stokes (St) del orden de St > 100 para VtAD = 0,5; se origina además una franja de baja vorticidad del flujo situada entre las líneas verticales de la zona central entre dos hileras verticales de cilindros, en las que no pueden entrar las partículas que inicialmente estaban fuera de ellas.
9. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 7 a 8, caracterizado porque tanto la anchura de la región libre de partículas como la de la franja de baja vorticidad depende de la inercia de las partículas.
10. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 3, caracterizado porque el campo de vorticidad se genera al hacer girar los cilindros con sentidos de giro alternados.
11. El procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque para valores de inercia de las partículas del orden de St > 5 para Vt^{AD = 0,5; las partículas se separan al acumularse en la zona central situada entre dos hileras verticales de cilindros.
12. El procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque para bajas velocidades de caída de las partículas (Vt), se acelera la sedimentación de las partículas.
13. Uso de un campo de vorticidad periódico inducido en un fluido en la limpieza de gases, la clasificación de partículas por tamaño, la eliminación de partículas de vertidos líquidos, purificación de entornos de trabajo contaminados por partículas,o en la recuperación de partículas de carácter valioso.
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