Modelado y optimización de procesos de separación gas-sólido incorporando aspectos microscópicos de las partículas - Borsa, Eugenia (2024)
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