Modelo matemático de ciclones industriales para optimización de la producción de cemento (Diseño de un ciclón para manejar alto contenido de partículas)

Se estudiaron tres casos a escala real de ciclones en la industria del cemento utilizando modelado computacional (CFD). El primer caso, un ciclón de alto volumen con problemas de estabilidad en la operación, instalado en una de las plantas de CEMEX. En el segundo caso, se realizaron modificaciones en las condiciones de operación del ciclón anterior y se evaluó la respuesta del sistema para resolver el problema de inestabilidad. Finalmente, en el tercer caso se propuso una nueva geometría optimizada a otras condiciones de operación para resolver el problema de inestabilidad. El estudio se hizo mediante un modelo matemático resuelto numéricamente mediante el uso Fluent ®. El modelo se basó en la ecuación de Navier Stokes (NS) en régimen turbulento estabilizado. El análisis se hizo en un marco de referencia de Euler para la fase gaseosa, y de Lagrange para la fase sólida. Se utilizó el modelo de esfuerzos de Reynold (RSM) para simular la turbulencia. La fase sólida se manejó mediante el modelo de fase discreta (DPM) y la distribución de tamaños se desarrollo con la ecuación de Rosin - Rammler. En los tres casos se obtuvieron los perfiles o estructuras coherentes para: La velocidad de gases, caída de presión, turbulencia y el tiempo de residencia de las partículas. Los resultados coinciden con los valores de mediciones físicas a los equipos en operación. En los tres casos estudiados las estructuras coherentes encontradas para el perfil de velocidad, caída de presión y turbulencia de la fase gaseosa se comportan como atractores. El atractor tiene una dependencia débil de la geometría del sistema y de las condiciones de operación. El tiempo de residencia de las partículas tiene una dependencia fuerte de la geometría y de las condiciones de operación en los tres casos. La solución de la dinámica sólido – gas se comporta como un conjunto límite para el caso uno y dos (incluso puede divergir). En el caso tres, la solución de la dinámica del sistema gas – sólido se comporta como un atractor, además, fija junto con el tiempo de residencia de los gases un criterio para evaluar si el ciclón opera en condiciones estables, o bien, se romperá el “equilibrio” dinámico y entrará en una operación inestable (se rompen las simetrías de las ecuaciones)