Aplicaciones

Aplicación 1: agroindustria venturi scrubber

Un complejo agroindustrial disponde de aproximadamente 400 tons/día de residuos agroindustriales que pretende recuperar como biomasa para combusitble.  Dentro de las alternativas que se manejan, se desea explorar el empleo de torres lavadoras de tipo venturi, siendo aplicables las siguientes especificaciones

          Caudal de gas a procesar                               200 m3/h

          Diámetro de particula                                     8 µ      

          Temperatura de gas                                        100°C (212 °F)

 NOTA: Si bien no se dispone de información adicional se estima que puede dimensionarse un estimativo fundamentalmente exhibiendo porcentajes de captura en función de diámetro de particular, cantidad de agua necesaria (disponible a 30°C) y orden de magnitud en cuanto a requerimientos energéticos.

Ciertamente una pequeña maratón numérica recomienda el empleo de una planilla electrónica a efectos de minimizar errors así como especular distintos scenarios – extremadamente didáctico.  

De todas maneras podemos desarrollar una secuencia “manual” como sigue:

Factor de corrección de Cunningham =1+(6.21/10^4)* T / df

siendo

            T = temperatura en °K

            Df = diámetro de partícula (físico)

En nuestro caso:

Cc = 1+(6.21/10^4)* (100°C+273) / 8 = 1.029

A partir del factor de corrección calculado podemos a continuación estimar el diámetro aerodinámico como sigue

Diámetro aerodinámico = Df*(Cc*r)^0.5

                        Siendo r = densidad del constitutivo particulado, e.g. 1.7 g/cm3

En nuestro caso:

            Diámetro aerodinámico = Da = 8 µ * ( 1.029 * 1.7 g/cm3)^0.5 = 10.6 µ

Suponiendo una velocidad en el paso del venturi de Vv = 349 fps (= 10625 cm/s) y un cociente líquido/gas L/G = 0.0009, podemos estimar el diámetro de gota idealizada según la ecuación de Nukiyama Tanasawa, a saber

Diámetro de gota = Dg = 50/Vv +91.8*(L/G)^1.5 = 50 / 10625 cm/s + 91.8 * 0.0009^1.5 = 0.0072 cm = 72 µ

Suponiendo una viscosidad de fase gas Vfg = 2 * 10^-4 g/cm s, podemos ahora estimar el denominado parámetro inercial Kpg, definido como

Kpg =  Da^2 * Vv / ( 9 * Vfg * Dg) = (0.00106)^2 * 10625 cm/s / ( 9 * 0.0002 * .0072) = ca. 921

El cálculo del número de Reynolds sale directamente, asumiendo por ejemplo una viscosidad cinética Vc = 0.2 cm2 /s, luego obtenemos:

Número de Reynolds = Nr = Vv * Dg / Vc = 10625 cm/s * .0072 cm / 0.2 cm2/s = 382

A partir del número de Reynolds, calculamos ahora el coeficiente de resistencia Cd:

Cd = =0.22+24*(1+0.15*Nr^0.6)/ Nr = =0.22+24*(1+0.15*382^0.6)/382 = 0.617

Finalmente el parámetro B, que caracteriza el cociente líquido gas, definido como

B = ( L/G) * densidad del líquido (agua) / ( densidad fase gas * Cd)

En nuestro caso resulta

B = 0.0009 * 1000 kg/m3 / ( 1 kg/m3 * 0.617) = 1.46

A los efectos del dimensionamiento preliminar pues en realidad no contamos con datos de la distribución, e.g. desviación standard, evaluamos la eficiencia de captura para el diámetro de partícula considerado, i.e. 8 µ, a partir de la formula presentada anteriormente:

eficiencia de captura = 1 – Pt

siendo

Pt = 1/ e^(B*(4*Kpg+4.2-5.02*Kpg^0.5*(1+0.7/Kpg)* ArcTan((Kpg/0.7)^0.5))/(Kpg+0.7))

Arimética mediante obtenemos

Pt = 1/ e^(1.46*(4*921+4.2-5.02*921^0.5*(1+0.7/921)* ArcTan((921/0.7)^0.5))/(921+0.7)) = 0.0042

Finalmente

eficiencia de captura = 1 – Pt = 1 – 0.0042 = 0.9958

 La torre lavadora de tipo venturi estaría captando aproximadamente 99.58% del particulado de diámetro 8 µ.

Repitiendo exactamente la misma secuencia de cálculo para otros diámetros de particulado se logra la siguiente gráfica de eficiencia de captura vs. diámetro de particulado.

      .              

La estimación de la pérdida de carga sale directamente

DeltaP = 8.24 * Vg^2 * L/G / 10^4 = 8.24 * (10625 cm/s)^2 * 0.0009 / 10^4= 84 cm c.a. = ca. 33” c.a.

La energía requerida por cada una de las torres lavadoras de tipo venturi será entonces:

BHPs = 58799  CFM * 33” * 0.000181 =  351 kW = ca. 470  HP orden de magnitud

Descargue el inserto, que ilustra el cálculo/comportamiento del venturi para diámetros de particulado desde 0.1 µ hasta prácticamente 10µ.   Asimismo puede fácilmente verse como se incrementa el BHP considerablemente al considerar eficiencias objetivo y consiguente pérdida de carga mayor.

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