Lecho fluidizado

Un lecho fluidizado es un fenómeno físico que se produce cuando una sustancia sólida particulada (generalmente presente en un recipiente) se encuentra bajo las condiciones adecuadas para comportarse como un fluido . La forma habitual de obtener un lecho fluidizado es bombear fluido a presión a través de las partículas. El medio resultante presenta entonces muchas propiedades y características de los fluidos normales, como la capacidad de fluir libremente por gravedad o de ser bombeado mediante tecnologías de fluidos.

El fenómeno resultante se denomina fluidización . Los lechos fluidizados se utilizan para diversos fines, como reactores de lecho fluidizado (tipos de reactores químicos ), separación de sólidos, ^{[ 1 ]} craqueo catalítico fluidizado , combustión en lecho fluidizado , transferencia de calor o masa o modificación de la interfaz, como la aplicación de un recubrimiento a elementos sólidos. Esta técnica también se está volviendo más común en la acuicultura para la producción de mariscos en sistemas integrados de acuicultura multitrófica. ^{[ 2 ]}

Propiedades

Un lecho fluidizado consiste en una mezcla fluido-sólido que exhibe propiedades similares a las de un fluido. Por lo tanto, la superficie superior del lecho es relativamente horizontal, lo cual es análogo al comportamiento hidrostático. El lecho puede considerarse una mezcla heterogénea de fluido y sólido que puede representarse mediante una única densidad aparente .

Además, un objeto con mayor densidad que el lecho se hundirá, mientras que un objeto con menor densidad flotará; por lo tanto, se puede considerar que el lecho exhibe el comportamiento fluido esperado según el principio de Arquímedes . Dado que la "densidad" (en realidad, la fracción de volumen sólido de la suspensión) del lecho puede modificarse cambiando la fracción de fluido, los objetos con densidades diferentes a la del lecho pueden, al alterar la fracción de fluido o de sólido, hundirse o flotar.

En los lechos fluidizados, el contacto de las partículas sólidas con el medio de fluidización (un gas o un líquido) se ve considerablemente mejorado en comparación con los lechos empacados . Este comportamiento en los lechos de combustión fluidizados permite un buen transporte térmico dentro del sistema y una buena transferencia de calor entre el lecho y su contenedor. De forma similar a la buena transferencia de calor, que permite una uniformidad térmica análoga a la de un gas bien mezclado, el lecho puede tener una capacidad calorífica significativa manteniendo un campo de temperatura homogéneo.

Solicitud

Los lechos fluidizados se utilizan como un proceso técnico que tiene la capacidad de promover altos niveles de contacto entre gases y sólidos. En un lecho fluidizado se puede utilizar un conjunto característico de propiedades básicas, indispensables para la ingeniería química y de procesos moderna , estas propiedades incluyen:

Superficie de contacto extremadamente alta entre el fluido y el sólido por unidad de volumen de lecho.
Altas velocidades relativas entre el fluido y la fase sólida dispersa.
Altos niveles de mezcla de la fase particulada.
Colisiones frecuentes entre partículas y entre partículas y paredes.

Un ejemplo de la industria alimentaria: los lechos fluidizados se utilizan para acelerar la congelación en algunos congeladores de túnel de congelación rápida individual (IQF) . Estos túneles de lecho fluidizado se emplean normalmente para productos alimenticios pequeños como guisantes, gambas o verduras cortadas, y pueden utilizar refrigeración criogénica o por compresión de vapor . El fluido utilizado en los lechos fluidizados también puede contener un fluido catalítico; por ello, se utiliza para catalizar la reacción química y mejorar la velocidad de reacción.

Los lechos fluidizados también se utilizan para el secado eficiente de grandes volúmenes de materiales. La tecnología de lecho fluidizado en los secadores aumenta la eficiencia al permitir que toda la superficie del material a secar quede suspendida y, por lo tanto, expuesta al aire. Este proceso también puede combinarse con calentamiento o enfriamiento, si es necesario, según las especificaciones de la aplicación.

Historia

En 1922, Fritz Winkler realizó la primera aplicación industrial de fluidización en un reactor para un proceso de gasificación de carbón . ^{[ 3 ]} En 1942, se construyó el primer lecho fluidizado circulante para el craqueo catalítico de aceites minerales , y la tecnología de fluidización se aplicó al procesamiento metalúrgico (tostación de arsenopirita ) a finales de la década de 1940. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} Durante este tiempo, la investigación teórica y experimental mejoró el diseño del lecho fluidizado. En la década de 1960, VAW-Lippewerk en Lünen, Alemania, implementó el primer lecho industrial para la combustión de carbón y posteriormente para la calcinación de hidróxido de aluminio .

Tipos

Los tipos de lecho se pueden clasificar a grandes rasgos según su comportamiento de flujo, incluyendo: ^{[ 6 ]}

El lecho fluidizado estacionario o particulado es el método clásico en el que se utiliza gas a bajas velocidades y la fluidización de los sólidos es relativamente estacionaria, con la incorporación de algunas partículas finas.
En el lecho fluidizado burbujeante (también llamado lecho fluidizado agregativo), la velocidad del fluido es alta, lo que da lugar a la formación de dos fases separadas: una fase continua (fase densa o de emulsión) y una fase discontinua (fase pobre o de burbujas).
En los lechos fluidizados circulantes (CFB), los gases circulan a una velocidad mayor, suficiente para mantener en suspensión el lecho de partículas, debido a la mayor energía cinética del fluido. Por consiguiente, la superficie del lecho es menos lisa y se pueden arrastrar partículas de mayor tamaño que en los lechos estacionarios. Las partículas arrastradas se recirculan al lecho del reactor mediante un circuito externo. Según el proceso, las partículas pueden clasificarse mediante un separador ciclónico y separarse del lecho o reintegrarse a él, en función de su tamaño de corte.
Los lechos fluidizados vibratorios son similares a los lechos estacionarios, pero añaden una vibración mecánica para excitar aún más las partículas y aumentar su arrastre.
Reactor de transporte o de fusión instantánea (FR): A velocidades superiores a las del lecho fluidizado circulante (CFB), las partículas se aproximan a la velocidad del gas. La velocidad de deslizamiento entre el gas y el sólido se reduce significativamente a costa de una distribución de calor menos homogénea.
Lecho fluidizado anular (AFB): Una boquilla grande en el centro de un lecho de burbujas introduce gas a alta velocidad, logrando una zona de mezcla rápida por encima del lecho circundante, comparable a la que se encuentra en el circuito externo de un lecho fluidizado circulante (CFB).
Reactor de fluidización mecánica (MFR): Se utiliza un agitador mecánico para movilizar partículas y lograr propiedades similares a las de un lecho fluidizado bien mezclado. No requiere gas de fluidización. ^{[ 7 ]}
Lechos fluidizados estrechos (NFB): En este caso, la relación entre el diámetro del tubo y el del grano es igual o inferior a aproximadamente 10. La dinámica del lecho difiere entonces de la de otros tipos de lechos fluidizados debido a los fuertes efectos de confinamiento, y es común la presencia de tapones granulares, que consisten en regiones con altas concentraciones de sólidos que se alternan con bajas concentraciones de sólidos. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

Diseño

Modelo básico

Cuando un fluido pasa sobre el lecho empacado, la caída de presión del fluido es aproximadamente proporcional a la velocidad superficial del fluido . Para pasar de un lecho empacado a una condición fluidizada, la velocidad del gas aumenta continuamente. Para un lecho libre existirá un punto, conocido como punto de fluidización mínimo o incipiente, en el cual la masa del lecho queda suspendida directamente por el flujo de la corriente de fluido. La velocidad del fluido correspondiente, conocida como "velocidad mínima de fluidización", $u_{mf}$ . ^{[ 11 ]}

Más allá de la velocidad mínima de fluidización ( $u\geq u_{mf}$ ), el material del lecho quedará suspendido por la corriente de gas y los aumentos adicionales en la velocidad tendrán un efecto reducido sobre la presión, debido a la percolación suficiente del flujo de gas. Por lo tanto, la caída de presión para $u>u_{mf}$ es relativamente constante.

En la base del recipiente, la caída de presión aparente multiplicada por el área de la sección transversal del lecho se puede igualar a la fuerza del peso de las partículas sólidas (menos la flotabilidad del sólido en el fluido).

$\Delta p_{w}=H_{w}(1-\epsilon _{w})(\rho _{s}-\rho _{f})g=[M_{s}g/A][(\rho _{s}-\rho _{f})/\rho _{s}]$

dónde:

$\Delta p_{w}$ es la caída de presión del lecho

$H_{w}$ es la altura de la cama

$\epsilon _{w}$ es la porosidad del lecho, es decir, la fracción del volumen del lecho que está ocupada por los huecos (los espacios de fluido entre las partículas).

$\rho _{s}$ es la densidad aparente de las partículas del lecho

$\rho _{f}$ es la densidad del fluido fluidizante

$g$ es la aceleración debida a la gravedad

$M_{s}$ es la masa total de sólidos en el lecho

$A$ es el área de la sección transversal de la cama

Agrupaciones de Geldart

En 1973, el profesor D. Geldart propuso la agrupación de polvos en cuatro denominados "Grupos de Geldart". ^{[ 12 ]} Los grupos se definen por su ubicación en un diagrama de diferencia de densidad sólido-fluido y tamaño de partícula. Los métodos de diseño para lechos fluidizados pueden adaptarse en función de la agrupación de Geldart de las partículas: ^{[ 11 ]}

Grupo A: En este grupo, el tamaño de partícula oscila entre 20 y 100 μm, y la densidad de partícula suele ser inferior a 1,4 g/cm³ ^. Antes de que se inicie la fase de lecho burbujeante, los lechos formados por estas partículas se expandirán entre 2 y 3 veces durante la fluidización incipiente, debido a una menor densidad aparente. La mayoría de los lechos catalizados con polvo utilizan este grupo.

Grupo B. El tamaño de las partículas oscila entre 40 y 500 μm y la densidad entre 1,4 y 4 g/cm³ ^. El burbujeo se forma típicamente en el momento de la fluidización incipiente.

Grupo C. Este grupo contiene partículas extremadamente finas y, por consiguiente, las más cohesivas. Con un tamaño de 20 a 30 μm, estas partículas se fluidizan en condiciones muy difíciles de lograr y pueden requerir la aplicación de una fuerza externa, como la agitación mecánica.

Grupo D: Las partículas de esta región tienen un tamaño superior a 600 μm y suelen presentar altas densidades. La fluidización de este grupo requiere energías de fluido muy elevadas y generalmente se asocia con altos niveles de abrasión. El secado de granos y guisantes, el tostado de granos de café, la gasificación de carbón y el tostado de algunos minerales metálicos son ejemplos de estos sólidos, que suelen procesarse en lechos poco profundos o mediante chorro.

Distribuidor

Normalmente, el gas o líquido a presión entra en el lecho fluidizado a través de numerosos orificios mediante una placa distribuidora, situada en la parte inferior del lecho. El fluido fluye hacia arriba, suspendiendo las partículas sólidas. Si se interrumpe el suministro de fluido, el lecho puede sedimentarse, compactarse sobre la placa o gotear a través de ella. Muchos lechos industriales utilizan un distribuidor de aire en lugar de una placa distribuidora. En este caso, el fluido se distribuye mediante una serie de tubos perforados.

Véase también

Separación ciclónica : un método para separar gases y partículas.
Fluidización : principios y teoría de la fluidización.
Combustión en lecho fluidizado : aplicación de lechos fluidizados a la combustión.
Reactor de lecho fluidizado : aplicación de lechos fluidizados a procesos químicos reactivos.
Concentrador de lecho fluidizado : aplicación de lechos fluidizados para eliminar COV/HAP de los gases de escape industriales.
Operación de unidades – Otras operaciones de unidades de ingeniería
Combustión con bucle químico : aplicación de lecho fluidizado doble

Referencias

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Enlaces externos

Vídeo: Lecho fluidizado líquido-sólido
Sitio web de información general sobre la tecnología de lecho fluidizado del Departamento de Energía de EE. UU.
Hoja informativa del Departamento de Energía de EE. UU. sobre el NETL

[1] Peng, Z.; Moghtaderi, B.; Doroodchi, E. (2017), "Un modelo simple para predecir la distribución de la concentración de sólidos en lechos fluidizados líquido-sólido binarios", AIChE Journal , 63 (2): 469:484, doi : 10.1002/aic.15420

[2] "Wang, JK, 2003. Diseño conceptual de un sistema de recirculación de ostras y camarones basado en microalgas. Aquacultural Engineering 28, 37-46" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 20 de octubre de 2013. Consultado el 23 de enero de 2014 .

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[4] Oficina de Comunicaciones (3 de noviembre de 1998), El reactor de lecho fluidizado: Baton Rouge, Luisiana (pdf) , Sociedad Química Estadounidense , consultado el 4 de junio de 2012.

[5] Grace; Leckner; Zhu; Cheng, pág. 5:75 {{citation}}: Falta o está vacío |title=( ayuda )

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