Modelado y optimización de procesos de separación gas-sólido incorporando aspectos microscópicos de las partículas

• Autores: Borsa, Eugenia
• Año de publicación: 2024
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Piña, Juliana; Paulo, Cecilia I.
• Materia: Procesos de separación; Micropartículas; Partículas sólidas; Equipos de separación; Separador ciclónico; Elutriador
• Institución: Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires

Las tecnologías de separación gas-sólido son fundamentales en diversas industrias, como las cementeras, cerámicas, asfálticas, farmacéuticas, de plásticos, biotecnológicas, de pinturas, entre otras. La manufactura de estos productos involucra procesos sofisticados y costosos debido a que los mismos requieren materiales particulados con tamaños de partícula controlados, los cuales exigen procesos de separación-clasificación de alta calidad. Este trabajo de tesis propone predecir la eficiencia de separación,en términos de propiedades microscópicas de las partículas como el tamaño, la forma y el coeficiente de restitución, en dos equipos de separación: un elutriador y un ciclón. En este contexto, primeramente, se diseñó un dispositivo para medir el coeficiente de restitución de diferentes partículas. Utilizando un modelo de movimiento de la partícula en un fluido, se analizó la bondad del ajuste a los datos experimentales para la posterior estimación del coeficiente de restitución. Además, se propuso un modelo novedoso para la estimación del coeficiente de restitución a partir de las propiedades de las partículas y de la superficie de impacto, el cual fue contrastado con los datos experimentales. Uno de los materiales utilizados fue la arena granítica producida en una cantera de la zona centro de la Provincia de Buenos Aires, dada su importancia en el sector minero nacional. Con este material, se realizaron ensayos de clasificación en dos equipos de separación, un elutriador y un ciclón disponibles en la planta piloto de separación-clasificación de partículas del Laboratorio de Micropartículas de la Facultad de Ingeniería de la UNCPBA, para analizar el efecto de diferentes variables operativas sobre la eficiencia de separación. Los valores experimentales fueron comparados con los obtenidos mediante simulaciones de fluidodinámica computacional, las cuales incorporaron el valor experimental del coeficiente de restitución. También, mediante simulaciones, se analizó el efecto de esta propiedad microscópica de las partículas sobre la eficiencia se separación. Finalmente, se optimizaron la eficiencia de separación, las dimensiones del separador ciclónico y variables operativas de un proceso de separación gas- sólido, para diferentes materiales. Se formularon dos modelos novedosos para estimar la eficiencia de separación en función del coeficiente de restitución, los cuales fueron incorporados al algoritmo de optimización de la eficiencia de separación para arena granítica molida. Se contrastaron los resultados con los datos obtenidos experimentalmente, demostrando que la inclusión del efecto de aspectos microscópicos, como el coeficiente de restitución, mejora la performance predictiva de los modelos. Los modelos integrados desarrollados en esta tesis para la separación de partículas sólidas de un gas portador, aplicados a diversos equipos y bajo diferentes condiciones de operación, representan una mejora significativa en la simulación y optimización de estos sistemas. Además, contribuyen a un avance considerable en el conocimiento actual de los procesos de separación gas-sólido dentro de la comunidad científica
Gas-solid separation technologies are fundamental in various industries, such as cement, ceramics, asphalt, pharmaceuticals, plastics, biotechnologies, paints, among others. The manufacture of these products involves sophisticated and costly processes because they require particulate materials with controlled particle sizes, which demand high-performance separation-classification processes. This thesis proposes to predict separation efficiency, in terms of microscopic properties of the particles, such as size, shape, and restitution coefficient, in two separation equipment: an elutriator and a cyclone. In this context, firstly, a device was designed to measure the restitution coefficient of different particles. Using a model of particle motion in a fluid,the goodness of fit to the experimental data was analyzed for the subsequent estimation of the restitution coefficient. Furthermore, a novel model for estimating the restitution coefficient based on the particles and impact surface properties was proposed, which was contrasted with experimental data. One of the materials used was granitic sand produced in a quarry in the central area of Buenos Aires Province, due to its importance to the national mining sector. With this material, classification tests werecarried out in two separations equipment, an elutriator and a cyclone, available in the particle separation-classification pilot plant of the Microparticles Laboratory at the Faculty of Engineering of UNCPBA, to analyze the effect of different operating variables on the separation efficiency. The experimental values were compared with those obtained through computational fluid dynamics simulations, which incorporated the experimental value of the restitution coefficient. Additionally, simulations were used to analyze the effect of this microscopic particle property on the separation efficiency. Finally, the separation efficiency, the dimensions of the cyclonic separator, and the operating variables of a gas-solid separation process were optimized for different materials. Two novel models were formulated to estimate the separation efficiency based on the restitution coefficient, which were incorporated into the separation efficiency optimization algorithm for ground granitic sand. The results were contrasted with the data experimentally obtained, demonstrating that the inclusion of the effect of microscopic aspects, such as the coefficient of restitution, improves the predictive performance of the models. The integrated models developed for the separation of solid particles from a carrier gas, applied to various equipment and under different operating conditions, represent a significant improvement in the simulation and optimization of these systems. Additionally, they contribute to a considerable advance in the current understanding of gas-solid separation processes within the scientific community.
Fil: Borsa, Eugenia. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina.
Fil: Piña, Juliana. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina.
Fil: Paulo, Cecilia I. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina.