La fluidización es un fenómeno mediante el cual las partículas sólidas se colocan bajo ciertas condiciones para que se comporte como un fluido . Un lecho fluidizado es un sistema concebido para facilitar la fluidización. Los lechos fluidizados tienen una amplia gama de aplicaciones que incluyen, entre otras: ayudar con reacciones químicas , transferencia de calor , mezcla y secado . Un concepto reciente ideado y patentado por Outotec, "Un lecho fluidizado anular consiste en una gran boquilla central rodeada por un lecho fluidizado estacionario". [1]
Un lecho fluidizado anular (AFB) general introduce gas a altas velocidades que ingresa al reactor desde la parte inferior de la gran boquilla central y se introduce gas fluidizado adicional a través de un anillo de boquilla anular. Como resultado, el gas y los sólidos se mezclan ampliamente en la parte inferior densa de la cámara de mezcla y fluyen hacia arriba en el tubo ascendente. Tanto el gas como los sólidos abandonan el tubo ascendente y se separan en un ciclón dependiendo de las velocidades establecidas. El gas separado fluye a través de un filtro de mangas y los sólidos se mueven hacia abajo en el descargador que se alimenta al fondo de la planta, que repite el proceso nuevamente.
La sección inferior del tubo ascendente está estrechada para evitar que se acumulen sólidos en la sección inferior. En lugar de que las paredes ascendentes sean lisas, generalmente están compuestas por superficies de paredes de agua de membrana; esta característica adicional influye en los patrones de flujo de sólidos en las proximidades y, por lo tanto, influye en la mezcla y en la mezcla de gas y sólido. Las salidas ascendentes se dividen en dos tipos; “salidas de una sola vez”, lo que implica que las salidas sean suavemente curvadas o ahusadas. [3] Esta salida permite una gran circulación neta y es óptima para tiempos de residencia cortos y uniformes, así como para catalizadores que se descomponen rápidamente. La otra salida son las "salidas de reflujo interno", que es una salida abrupta que provoca que una cantidad sustancial de sólidos arrastrados se separe internamente del gas que llega a la parte superior del reactor. [3] El ciclón es una parte integral de un lecho fluidizado anular; las partículas de tamaño particular se separan variando la velocidad del gas de alimentación. [1] En consecuencia, a alta velocidad el gas proporciona suficiente energía cinética para separar las partículas del lecho fluidizado. El gas de alimentación y las partículas pequeñas vuelan hacia un separador ciclónico y allí se separan el gas de alimentación y las partículas. A su vez, las partículas pueden regresarse o retirarse al lecho dependiendo del tamaño de la partícula. Los sólidos arrastrados se capturan y se envían de regreso a la base del tubo ascendente a través de un tubo vertical. [4] La gran boquilla central es el componente principal del lecho fluidizado anular y esto lo diferencia de otros lechos fluidizados. La boquilla central está rodeada por un lecho fluidizado estacionario y "debido a la fluidización moderada del gas primario del anillo, los sólidos se desbordan en el borde superior de la boquilla central" [1] que luego es transportado y mezclado en la cámara de mezcla mediante una alta corriente de gas secundaria central de velocidad ascendente.
El lecho fluidizado anular es un nuevo tipo de lecho fluidizado que tiene un tipo de movimiento específico donde se mueve en forma radial. Hay relativamente poca mezcla axial de gases y hay movimiento radial. El perfil de flujo axial del lecho fluidizado anular se puede determinar mediante las caídas de presión a lo largo de la altura de la planta, que se puede dividir en tres partes principales: el anillo, la parte inferior y la parte superior de la cámara de mezcla. Según la altura del lecho, si bien el anillo tiene una porosidad cercana a la porosidad mínima de fluidización de los sólidos, cada región del lecho se caracteriza por diferentes gradientes de presión. Cuanto más cerca de la boquilla central, menor será el gradiente de presión y mayor será la caída de presión en la cámara de mezcla. Con un gradiente de presión conocido (ΔP/ΔH), la concentración de sólidos se puede calcular utilizando la ecuación de Wirth que se muestra a continuación:
〖(1-ε)〗_∆P=∆P/∆H(ρ_s-ρ_f )g
Según un experimento de caracterización del patrón de flujo en un lecho fluidizado anular realizado por Anne Collin, Karl-Ernst Wirth y Michael Stroder, [1] a una altura de 150 mm por encima de la boquilla central, el gradiente de presión es aproximadamente cero para velocidades pequeñas. y aumenta al aumentar la velocidad.
Se muestran dos tipos distintos de flujo en dos regiones diferentes: “el patrón de flujo directamente encima de la boquilla central muestra un perfil de chorro típico caracterizado por bajas concentraciones de sólidos alrededor del 8% y altas velocidades de sólidos hacia arriba (3 m/s), lo que resulta en altas velocidades locales. flujos de masa de sólidos”. Por otro lado, el entorno de la región anular en el fondo de la cámara de mezcla, el patrón de flujo se caracteriza por una alta concentración de sólidos "con valores crecientes hacia la pared, por ejemplo, 46% para la altura de la sonda de 100 mm por encima de la boquilla central" . Las velocidades y los flujos de masa son positivos alrededor de la región de la pared donde se espera un descenso. Sin embargo, las velocidades medidas pueden no ser una representación precisa de las velocidades reales de los sólidos en la región donde hay una alta mezcla transversal y radial. Esto se debe a que las sondas de capacitancia solo registran velocidades verticales. Por lo tanto, los flujos másicos de sólidos calculados siempre deben considerarse en la misma dirección. En resumen, el patrón de flujo completamente desarrollado en el lecho fluidizado anular muestra una estructura de núcleo-anillo, que se "caracteriza por la formación típica de un chorro central rodeado por una región de alta concentración de sólidos en el fondo de la cámara de mezcla". Variar la velocidad de fluidización en el anillo promueve que se eliminen más sólidos de las burbujas y permite que el flujo de masa convectivo penetre en el aumento del chorro. La cantidad de sólidos que se pueden incorporar al final del chorro está determinada por la velocidad del gas. Además, la relación entre la circulación interna y externa de sólidos en la planta se puede regular debido a la interacción de ambos mecanismos. [1]
Como la velocidad del gas en el anillo depende de una velocidad calculada de los sólidos expulsados de las burbujas, es más difícil para los sólidos que vienen del anillo con velocidad creciente en la boquilla penetrar en el chorro de gas central bajo una velocidad de fluidización constante. Aumentar la velocidad central a una altura de 25 mm por encima de la boquilla disminuye la concentración de sólidos promediada en el tiempo. Sin embargo, un aumento en esta velocidad no tiene efecto sobre la concentración de sólidos por encima del anillo. Por otro lado, para una velocidad central baja del gas, las velocidades de los sólidos sobre el anillo y sobre la boquilla muestran casi el mismo valor con un gradiente de velocidad pronunciado.
El patrón de flujo de un lecho fluidizado circulante se desarrolla completamente a la altura de la sonda de 200 mm por encima de la boquilla central. A esta altura, la concentración típica aumenta hacia la pared y después de combinarse con la velocidad de caída de los sólidos, esto da como resultado un flujo de masa sólida negativo. La forma del perfil de concentración de sólidos es independiente de la velocidad del gas; sin embargo, la concentración absoluta es menor en la sección transversal con concentraciones de sólidos integrales. Como resultado, el flujo másico de sólidos tiene una ligera disminución al aumentar la velocidad del gas en la boquilla central con valores integrales a lo largo de la sección transversal de la planta.
El burbujeo se produce en el lecho fluidizado anular causado por la introducción de gas por la boquilla central a una cierta velocidad que se mueve en la dirección general hacia arriba. La erupción repentina de gas en la boquilla central hace que las partículas se transporten en la estela de burbujas [1]. Al aumentar la velocidad del anillo se produce un aumento en el tamaño de la burbuja y la velocidad de burbujeo. El nuevo aumento de la dinámica de las burbujas permite que “los sólidos expulsados penetren más profundamente en el chorro de gas central” . [1] Como resultado de esto, la concentración y la velocidad de los sólidos aumentan y, en consecuencia, aumenta el flujo de masa óptimo de sólidos.
Debido a las características particulares de AFB mediante las cuales los gases se introducen a través de la boquilla central a alta velocidad, se logra una zona de mezcla intensa en el lecho comparable a las condiciones de un circuito externo de un lecho fluidizado circulante. [2] El AFB combina las ventajas de un largo tiempo de residencia sólida y una buena transferencia de calor y masa, [1] lo que lo hace ideal para utilizar procesos de intercambio de calor como enfriamiento, calentamiento o recuperación de calor y facilitar reacciones. AFB se puede combinar con otros tipos de lecho fluidizado para ayudar con el proceso y mejorar aún más sus propiedades existentes para aumentar la productividad de un proceso.
Las características de AFB son muy deseables en algunas aplicaciones, sin embargo, pueden tener un efecto indeseable en otras aplicaciones, que requerirían tiempos de residencia más cortos y una mezcla menos intensa, como en tostadores de minerales donde no sería necesario que las partículas abandonen el lecho fluidizado. El coste de un AFB también sería mayor en comparación con el de otros lechos fluidizados, ya que la introducción de la boquilla central complica la producción de los componentes e introduce costes adicionales. Una AFB requeriría un mantenimiento más frecuente y mayores costos de mantenimiento debido a los componentes adicionales y más complicados. La boquilla central puede obstruirse fácilmente debido a la entrada de partículas no deseadas en la boquilla.
Aunque la AFB tiene potencial para mejorar la eficiencia de los procesos actuales, no está exenta de limitaciones. Debido a que la AFB es un avance reciente en la tecnología de fluidización, se han realizado pocos estudios sistemáticos al respecto, y caracterizar los patrones de flujo globales y locales puede resultar difícil para los ingenieros químicos ya que "la hidrodinámica del lecho no es la misma en lechos fluidizados a pequeña y gran escala". " . [1] La implementación de esta nueva tecnología en plantas existentes puede resultar difícil y costosa; por lo tanto, ha habido sólo unos pocos avances en la AFB desde su concepción. Existen pocas plantas donde se haya implementado la tecnología AFB; sin embargo, aún pueden pasar algunos años antes de que se realicen y utilicen ampliamente sus aplicaciones industriales completas.
Un lecho fluidizado anular (AFB) puede tener una amplia gama de aplicaciones debido a su capacidad para usarse junto con otros tipos de lecho fluidizado. [2] El AFB es ideal para aplicaciones que requieren una transferencia de calor y masa rápida y eficiente con mezcla intensa. Estas aplicaciones pueden variar desde secadores, intercambiadores de calor, calentadores, refrigeradores y reactores.
Aunque se trata de una tecnología relativamente nueva, el uso de AFB en la industria ha aumentado lentamente a lo largo de los años. Un ejemplo de ello es la empresa Outotec, que se especializa en el campo de la tecnología de fluidización. Outotec ha integrado el uso de AFB en los diseños de sus plantas recientes para mejorar aún más el proceso. Las plantas actuales existentes de Outotec que utilizan AFB incluyen: [2]
Nota: Datos y cifras obtenidas para Outetec Los procesos Circored, Circoheat y Circotherm ideados por la empresa son algunos ejemplos de aplicaciones de esta tecnología de lecho fluidizado.
Como se ve en los ejemplos de Outotec, un lecho fluidizado anular puede tener una amplia gama de aplicaciones como cualquier otra tecnología de fluidización. Sin embargo, como se trata de un desarrollo reciente en este campo, aún no se ha aprovechado ni implementado todo su potencial para aplicaciones industriales.
Una aplicación de un AFB es la purificación del aire. Comienza enfocando la luz ultravioleta del sol en partículas de gel de sílice, que están recubiertas con una fina capa de catalizador de dióxido de titanio. La luz ultravioleta luego puede cargar estas partículas. Estas partículas cargadas positiva y negativamente están disponibles para iniciar diversas reacciones químicas. [6] Cuando el aire contaminado pasa a través de la boquilla central hacia el lecho fluidizado, los contaminantes que entran en contacto con las partículas fotocatalíticas se adsorben en la superficie de las partículas. Los contaminantes reaccionan con las cargas positivas y negativas y se descomponen químicamente. El resultado es aire purificado.
El gas residual es el producto gaseoso que sale de un separador ciclónico que está conectado a un lecho fluidizado. Si el gas está limpio y libre de contaminantes, se puede enfriar mediante un condensador y luego filtrar para eliminar las partículas finas. Una vez filtrado, puede dirigirse nuevamente al sistema o reducirse gradualmente. En diversos casos se pueden utilizar gases volátiles y/o venenosos como gas de alimentación para lechos fluidizados. El gas de escape producido durante la operación puede tener una cantidad considerable de dichos gases y, por lo tanto, debe ser neutralizado. Permitir que los gases escapen al medio ambiente puede provocar gases de efecto invernadero y son tóxicos para la flora y la fauna locales. La limpieza de los gases residuales aumenta la sostenibilidad y anula los efectos adversos para el medio ambiente.
Durante el funcionamiento de un lecho fluidizado, las partículas son transportadas mediante la energía cinética proporcionada por un gas de alimentación. A determinadas velocidades, las partículas finas pueden volar hacia un ciclón y separarse de los gases de combustión. Estas partículas finas pueden regresar al sistema o eliminarse. Una vez eliminadas estas partículas dependiendo de su naturaleza pueden tener efectos adversos sobre el medio ambiente y deben ser tratadas con cuidado.
Por ejemplo, en el proceso minero actualmente en Mozambique, se utilizan lechos fluidizados anulares para precalentar y reducir el mineral de ilmenita; la ilmenita es un compuesto peligroso ya que se sabe que la sílice cristalina causa fibrosis pulmonar y es un carcinógeno conocido. [7] Las empresas que operan tales equipos y sustancias nocivas deben eliminar sus residuos adecuadamente.
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