El lecho fluidizado vibratorio (VFB) es un tipo de lecho fluidizado donde la vibración mecánica mejora el rendimiento del proceso de fluidización. Desde el primer descubrimiento del lecho fluidizado vibratorio, sus propiedades de vibración demuestran ser más eficientes al tratar con partículas finas, lo que parece ser muy difícil de lograr con un lecho fluidizado normal. A pesar de las numerosas publicaciones y su popularidad en aplicaciones industriales, el conocimiento sobre la dinámica y propiedades vibratorias es muy limitado. Se necesitan investigaciones y desarrollo futuros para mejorar aún más esta tecnología y llevarla a otro nivel.
La tecnología de lecho fluidizado vibratorio ha existido desde su primer descubrimiento en 1984 por Geldart, donde realizó un experimento para observar el comportamiento de diferentes tipos de grupos de partículas cuando se introducen mecanismos de vibración para fluidizar aún más las partículas. [1] Aunque ha existido durante los últimos 20 años, solo se han realizado algunas investigaciones para mejorar aún más esta tecnología. Recientemente, el mundo se está centrando en maquinaria respetuosa con el medio ambiente para la sostenibilidad de la tierra. Por lo tanto, se han realizado más investigaciones para estudiar el efecto de la vibración en la fluidización porque no sólo el lecho fluidizado vibratorio es respetuoso con el medio ambiente, sino que también es más barato en comparación con otros lechos fluidizados.
La mejora con respecto a la tecnología de lecho fluidizado convencional ha llevado al descubrimiento del lecho fluidizado vibratorio donde el lecho se diseña combinando vibración y gas que fluye verticalmente hacia el lecho transportador. Ofrece algunas ventajas del lecho fluidizado, sin embargo, el alimento se moverá a lo largo del transportador vibratorio hasta que se hayan secado lo suficiente para romperse y esto causará una menor probabilidad de que se acumulen aglomerados en el alimento; por lo tanto, es útil para procesar partículas del grupo C que tienen un tamaño pequeño de partículas finas en aglomerados más pequeños. [2] [3]
Los lechos fluidizados vibratorios se utilizan principalmente en varias industrias, como la farmacéutica, agrícola, catalítica , plástica, minerales y de procesos alimentarios. [4] [5] Las aplicaciones típicas de los lechos fluidizados vibratorios son el secado de productos en forma de granos y cristales, el enfriamiento de los productos secos, la aglomeración y granulación de partículas gruesas y la esterilización. [4] [6]
Como se mencionó anteriormente, los lechos fluidizados vibratorios se utilizan principalmente en numerosas industrias donde se necesita que ciertos tamaños de partículas sean consistentes y sin ningún defecto para producir un mejor producto para el consumidor. Las operaciones de proceso más comunes utilizadas en la tecnología de lecho fluidizado vibratorio son los secadores y enfriadores.
El tipo estándar de secador fluidizado vibratorio consiste en un transportador de bandeja vibratoria donde los gases calientes de la cámara fluirán a través de los orificios dentro de la bandeja y entrarán en contacto con los materiales a secar. El área de la bandeja es lo suficientemente grande como para tolerar un flujo constante de material a través del lecho y pasa a lo largo de la plataforma con una profundidad baja en la bandeja. Las vibraciones a la plataforma se dirigen en componente vertical para ayudar en la fluidización del material, mientras que la componente horizontal de la vibración ayuda en el transporte de materiales a lo largo de la bandeja. [5]
Los enfriadores fluidizados vibratorios funcionan de la misma manera, pero en lugar de que se alimenten gases calientes desde la cámara, tienen aire recirculante que fluye a través de la cámara y están equipados con una boquilla atomizadora para generar agua nebulizada como medio de enfriamiento. Otros diseños alternativos incluyen el uso de serpentines de agua fría con el aire de entrada pasando sobre ellos y esta opción se utiliza cuando el aire entrante tiene una gran diferencia de temperatura en comparación con el material que se está enfriando. [7]
Algunas de las ventajas de los lechos fluidizados vibratorios incluyen: [4] [7] [8]
Las limitaciones del lecho fluidizado vibratorio son las siguientes: [7] [9] [10]
Para brindar una visión más detallada del lecho fluidizado vibratorio, a continuación se establecen varias características para mostrar la relación entre las características, así como las condiciones de operación, y cómo podrían afectar algún proceso realizado utilizando un lecho fluidizado vibratorio.
El término vacío se refiere al espacio entre los materiales. Es fundamental saber cómo el comportamiento de vacío de ciertos tamaños de partículas afecta el proceso en un lecho fluidizado vibratorio, ya que son uno de los factores clave a considerar al diseñar y ampliar el lecho fluidizado vibratorio desde la escala de laboratorio hasta la escala industrial. A partir de varios experimentos realizados, se demostró que la vibración ayuda en la fluidización de partículas a medida que la distribución de vacíos axial y radial se vuelve más homogénea. Esto es especialmente cierto para lechos fluidizados vibratorios con grandes amplitudes de vibración. También se descubrió que al aumentar la altura del lecho, las capas de partículas del lecho podían ser amortiguadas por la energía de vibración. El análisis de la propagación de las ondas mostró que sus parámetros se ven afectados por el comportamiento de fluidización. [11]
En un lecho fluidizado vibratorio, la energía se transfiere cuando la pared vibratoria entra en contacto con las partículas. Estas partículas chocan con otras partículas en el lecho, lo que transmite energía cinética en forma de propagación de ondas por todo el lecho fluidizado vibrante. La magnitud de la energía transferida es relativa a la amplitud. Esto se debe a las oscilaciones causadas por la reflexión de las ondas del límite del medio en el lecho fluidizado vibrante. [12]
Para evaluar el comportamiento de burbujeo del lecho fluidizado vibratorio también se tuvieron en cuenta factores como el tamaño de la burbuja y su velocidad. Para diversas amplitudes y frecuencias de vibración, se realizaron simulaciones numéricas del lecho fluidizado vibratorio para comprender mejor el comportamiento de las burbujas en las condiciones de vibración. Los resultados mostraron que debido al desplazamiento oscilatorio del lecho fluidizado vibratorio, el diámetro medio de las burbujas aumenta pero reduce la tasa de aceleración de las burbujas. Por lo tanto, se concluyó que el comportamiento de burbujeo en un lecho fluidizado vibratorio depende de las vibraciones. [13]
Para considerar la humedad multicomponente sólida en un secador de lecho fluidizado vibratorio, se utilizó un modelo para evaluar las características del secado de una fina capa de partícula que se humedeció con una mezcla multicomponente. Esto se hizo para comprender mejor el complejo tratamiento del secado multicomponente, que es un proceso tedioso y que requiere mucho tiempo. A partir del modelo que utiliza un flujo pistón de sólidos, se determinó la selectividad y las mejores condiciones de secado para lograr la composición de humedad final ideal. Para una mezcla de componentes que es altamente volátil, la composición del líquido que quedó en el producto del lecho fluidizado vibratorio se puede controlar usando una pequeña cantidad de los otros componentes en la alimentación sólida. [5]
Sabiendo que una de las ventajas del lecho fluidizado vibratorio es su pequeña caída de presión, se han realizado varios estudios para demostrar que para un rango de condiciones de operación determinado, la caída de presión del lecho vibratorio en comparación con uno convencional es mucho menor. Este también es el caso cuando se compara la caída mínima de presión de fluidización a medida que la vibración disminuye debido al aumento de la amplitud y la disminución de la frecuencia. [14] La presencia de esta caída de presión a través del lecho fluidizado vibratorio tiene un gran impacto en la transferencia de calor y masa en el proceso. Hay un aumento en la porosidad del lecho que corresponde a la reducción de la pérdida de presión. Este cambio en la pérdida de presión depende de la frecuencia y amplitud de la vibración de la superficie. [15]
La altura del lecho de un lecho fluidizado vibratorio también es una característica importante, ya que también afecta algunos otros parámetros. A partir de investigaciones anteriores, se descubrió que para un lecho fluidizado vibratorio, la velocidad mínima de fluidización se ve afectada por la altura del lecho. Aparte de eso, los cambios en la altura del lecho para un lecho fluidizado vibratorio también afectan el comportamiento de fluidización y la dinámica del flujo. Al aumentar la altura del lecho estático, hubo un aumento en la concentración de sólidos en la parte central del lecho fluidizado vibratorio. [dieciséis]
Al diseñar por primera vez el lecho fluidizado vibratorio, se siguieron ciertas heurísticas para que los diseños del lecho fluidizado vibratorio pudieran adaptarse mejor al proceso deseado, así como conocer las condiciones operativas óptimas a utilizar. Algunas de las heurísticas son:
Después de que los primeros lechos fluidizados se aplicaron con éxito en procesos industriales, ha aumentado la demanda de más tipos de tecnología de fluidización para satisfacer la creciente demanda industrial. La adición de un mecanismo vibratorio al lecho fluidizado en 1984, donde Geldart [1] demostró que el uso de un tamiz vibratorio mecánico puede mejorar el rendimiento de la fluidización de partículas finas de pequeño tamaño. En estos experimentos resulta difícil procesar estos polvos mediante fluidización debido al comportamiento impredecible de las partículas. Más tarde se descubrió que sería más barato y más respetuoso con el medio ambiente añadiendo vibración al proceso de fluidización. Esto fue utilizado luego como punto de partida por muchos otros para futuras investigaciones sobre la fluidización basadas en los efectos de las vibraciones. Mujumdar (1988) [17] ideó dos métodos utilizando la técnica de fluidización por vibración para fluidificar materiales pastosos y sensibles al calor. Yoshihide et al. (2003) [18] estudiaron el efecto de la vibración sobre el comportamiento de fluidización y la predicción de la velocidad mínima de fluidización. Kaliyaperumal et al. (2011) [19] determinaron el efecto de diferentes vibraciones en las nanopartículas y submicropartículas; esas partículas son difíciles de fluidificar en ausencia de vibración mecánica y tienen propiedades especiales.
Como se mencionó anteriormente, una forma de determinar las mejores condiciones operativas sería crear un modelo matemático o modelo de proceso utilizando software para simular el lecho fluidizado vibratorio para el proceso deseado. Se modelaron los efectos de la velocidad y la temperatura del gas. Una condición operativa óptima sería aumentar la velocidad de secado. Esto se debe a que con una mayor velocidad de secado, el proceso de secado en el lecho fluidizado vibratorio será más corto, lo que le dará al lecho fluidizado vibratorio una mejor eficiencia general. Hay 3 mecanismos principales que determinan la velocidad de secado. Los mecanismos son la transferencia de calor y masa en el lado del gas, el equilibrio termodinámico entre las dos fases durante el contacto y la transferencia de calor y masa dentro del sólido húmedo. Estos tres mecanismos aumentarán con el aumento de la velocidad del gas, así como con el coeficiente de transferencia de calor y masa . Esto hará que la velocidad de secado aumente debido al aumento de la temperatura del gas, lo que hace que disminuya la humedad del gas. [20] También se modelaron los efectos del tamaño de las partículas. Se encontró que. Las partículas más grandes necesitan más tiempo para secarse y alcanzar el mismo contenido de humedad debido al aumento de la resistencia dentro de las partículas contra el calor y la transferencia de masa. Dado que la resistencia contra la transferencia de calor dentro de la partícula es menor que la resistencia contra la transferencia de masa; El calor de convección que no se usa para vaporizar el agua se usa para elevar la temperatura del material, lo que generará coeficientes de transferencia de humedad más altos dentro de las partículas y provocará una mayor velocidad de secado. Por lo tanto, se concluyó que para lograr condiciones operativas óptimas, se deberían reducir las partículas que se alimentan al lecho fluidizado vibratorio. Normalmente, el tamaño de partícula del material de alimentación no es un parámetro controlado a menos que se utilicen métodos como la molienda, pero hacerlo implicaría costos operativos adicionales que deberían evitarse. Por tanto, otra opción sería aumentar la intensidad de las vibraciones en el lecho fluidizado vibratorio. [20]
Una de las partes finales de la heurística sería la ampliación del lecho fluidizado vibratorio desde la escala de laboratorio a la escala industrial. Hay algunos factores que deben tenerse en cuenta al proceder con la ampliación. Uno sería el consumo de energía de un lecho fluidizado vibratorio a escala industrial. Esto se debe a que un cliente potencial querría conocer los requisitos del proceso. Por lo tanto, se debe tener en cuenta el consumo de energía individual para cada parte del lecho fluidizado vibratorio. [21] Lo mismo puede decirse del lecho fluidizado vibratorio cuando lo miramos desde una perspectiva económica. La mayoría de los compradores del lecho fluidizado vibratorio probablemente lo utilizarían en un proceso para obtener ingresos. Por lo tanto, se debe realizar un análisis de costos detallado. [21] Desde un punto de vista medioambiental, no hay mucho de qué preocuparse excepto por posibles problemas de seguridad, porque el lecho fluidizado vibratorio en sí generalmente se considera respetuoso con el medio ambiente porque los residuos producidos ya se tratan en el proceso. Por último, sin olvidar las características que pueden causar un efecto al aumentar la escala, como el comportamiento de formación de huecos en el tamaño de las partículas, como se mencionó anteriormente. [11]
Para el lecho fluidizado vibratorio, los productos de desecho comunes incluyen cenizas, polvo y pequeñas partículas sólidas producidas por el contacto o calentamiento de los materiales. El gas de entrada y el rebose de un lecho fluidizado generalmente deben limpiarse debido a problemas ambientales. El flujo de residuos también contiene una gran cantidad de productos que nos interesan y que debemos recuperar. Este proceso podría lograrse mediante técnicas de separación simples, como ciclones de gas, cámaras de bolsas y depuradores.
El ciclón de gas es un dispositivo para separar pequeñas partículas sólidas de la suspensión en un gas. Al introducir gas tangencialmente en el cuerpo del ciclón, el flujo giratorio de alta velocidad estableció una fuerza centrífuga y crea vórtices de partículas. [22] Los diferentes ciclones tienen diferentes especificaciones y características. Generalmente, las partículas mayores de 100 μm o más densas, que tienen más inercia, son empujadas hacia la pared y se hunden hasta el fondo del ciclón, saliendo por el flujo inferior. Esta parte de sólido se recogerá como producto del lecho fluidizado. Si el proceso lo requiere, se pueden operar varios ciclones en paralelo para aumentar la eficiencia o en serie para aumentar la recuperación. El desbordamiento contiene gas y una pequeña cantidad de ceniza y polvo; generalmente se deposita en el aire o se introduce en una cámara de bolsas para su posterior tratamiento.
Una cámara de bolsas es un dispositivo de control de la contaminación del aire diseñado para filtrar partículas del aire u otro gas mediante el uso de tubos filtrantes de tela diseñados. Se pueden aplicar diferentes métodos de limpieza de bolsas a diferentes aplicaciones. El principio general es utilizar calor o presión para impulsar aire a través de la parte superior del material del filtro de tela para separar las partículas recolectadas de las bolsas. Las partículas "finas", como cenizas y polvo, se filtrarán y recogerán en una caja de descarga de finos. Alternativamente, los finos se pueden reintroducir en la corriente de producto original con una válvula rotativa de tipo "soplado". El gas limpio se depositará en la atmósfera mediante un extractor de aire industrial y una chimenea.
Un depurador es también un dispositivo de control de la contaminación del aire. En comparación con la cámara de filtros, un depurador inyecta un reactivo seco o una suspensión en el gas de alimentación sucio, a través del contacto de los materiales objetivo para eliminar la contaminación. Dependiendo de las propiedades del compuesto, diferentes contaminantes corresponden a diferentes técnicas de lavado y reactivos. Para las cenizas y el polvo, se puede utilizar agua como solución limpiadora.
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