La fluidización (o fluidización ) es un proceso similar a la licuefacción mediante el cual un material granular pasa de un estado estático similar a un sólido a un estado dinámico similar a un fluido . Este proceso ocurre cuando un fluido ( líquido o gas ) pasa a través del material granular.
Cuando se introduce un flujo de gas a través del fondo de un lecho de partículas sólidas, se moverá hacia arriba a través del lecho a través de los espacios vacíos entre las partículas. A bajas velocidades del gas, la resistencia aerodinámica sobre cada partícula también es baja y, por lo tanto, el lecho permanece en un estado fijo. Al aumentar la velocidad, las fuerzas de resistencia aerodinámica comenzarán a contrarrestar las fuerzas gravitacionales, lo que hará que el lecho se expanda en volumen a medida que las partículas se alejan unas de otras. Al aumentar aún más la velocidad, alcanzará un valor crítico en el que las fuerzas de resistencia ascendentes serán exactamente iguales a las fuerzas gravitacionales descendentes, lo que hará que las partículas queden suspendidas dentro del fluido. En este valor crítico, se dice que el lecho está fluidizado y exhibirá un comportamiento fluídico. Al aumentar aún más la velocidad del gas, la densidad aparente del lecho continuará disminuyendo y su fluidización se volverá más intensa hasta que las partículas ya no formen un lecho y sean "transportadas" hacia arriba por el flujo de gas.
Cuando se fluidiza, un lecho de partículas sólidas se comportará como un fluido, como un líquido o un gas. Como el agua en un balde : el lecho se ajustará al volumen de la cámara, su superficie permanecerá perpendicular a la gravedad ; los objetos con una densidad menor que la del lecho flotarán en su superficie, subiendo y bajando si se los empuja hacia abajo, mientras que los objetos con una densidad mayor se hundirán hasta el fondo del lecho. El comportamiento fluídico permite que las partículas se transporten como un fluido, canalizadas a través de tuberías , sin requerir transporte mecánico (por ejemplo, cinta transportadora ).
Un ejemplo simplificado y cotidiano de un lecho fluidizado gas-sólido sería una máquina para hacer palomitas de maíz con aire caliente . Los granos de palomitas de maíz , que son todos bastante uniformes en tamaño y forma, están suspendidos en el aire caliente que sube desde la cámara inferior. Debido a la intensa mezcla de las partículas, similar a la de un líquido hirviendo, esto permite una temperatura uniforme de los granos en toda la cámara, lo que minimiza la cantidad de palomitas quemadas. Después de hacer estallar, las partículas de palomitas de maíz, ahora más grandes, encuentran una mayor resistencia aerodinámica que las empuja fuera de la cámara y hacia un recipiente.
El proceso también es clave en la formación de un volcán de arena y estructuras de escape de fluidos en sedimentos y rocas sedimentarias .
La mayoría de las aplicaciones de fluidización utilizan una o más de tres características importantes de los lechos fluidizados:
En la década de 1920 se desarrolló el proceso Winkler para gasificar carbón en un lecho fluidizado, utilizando oxígeno. No tuvo éxito comercial.
La primera implementación comercial a gran escala, a principios de la década de 1940, fue el proceso de craqueo catalítico fluido (FCC) , [1] que convertía los cortes de petróleo más pesados en gasolina . El " coque " rico en carbono se deposita sobre las partículas del catalizador y desactiva el catalizador en menos de un segundo . Las partículas del catalizador fluidizado se transportan entre el reactor de lecho fluidizado y un quemador de lecho fluidizado donde se queman los depósitos de coque, generando calor para la reacción de craqueo endotérmico .
En la década de 1950, la tecnología de lecho fluidizado se estaba aplicando a procesos minerales y metalúrgicos como el secado, la calcinación y la tostación de sulfuro .
En la década de 1960, varios procesos de lecho fluidizado redujeron drásticamente el costo de algunos monómeros importantes . Algunos ejemplos son el proceso Sohio para acrilonitrilo [2] y el proceso de oxicloración para cloruro de vinilo [3] . Estas reacciones químicas son altamente exotérmicas y la fluidización asegura una temperatura uniforme, minimizando las reacciones secundarias no deseadas y una transferencia de calor eficiente a los tubos de enfriamiento, lo que garantiza una alta productividad.
A finales de los años 1970, un proceso de lecho fluidizado para la síntesis de polietileno redujo drásticamente el coste de este importante polímero , haciendo que su uso fuera económico en muchas aplicaciones nuevas. [4] La reacción de polimerización genera calor y la intensa mezcla asociada con la fluidización evita los puntos calientes donde las partículas de polietileno se derretirían. Un proceso similar se utiliza para la síntesis de polipropileno .
En la actualidad, la mayoría de los procesos que se están desarrollando para la producción industrial de nanotubos de carbono utilizan un lecho fluidizado. [5] Arkema utiliza un lecho fluidizado para producir 400 toneladas/año de nanotubos de carbono multipared. [6] [7]
Una nueva aplicación potencial de la tecnología de fluidización es la combustión en bucle químico , que aún no se ha comercializado. [8] Una solución para reducir el efecto potencial del dióxido de carbono generado por la combustión de combustible (por ejemplo, en centrales eléctricas ) sobre el calentamiento global es el secuestro de dióxido de carbono . La combustión regular con aire produce un gas que es principalmente nitrógeno (ya que es el componente principal del aire en aproximadamente el 80% en volumen), lo que impide el secuestro económico. El bucle químico utiliza un óxido metálico como portador de oxígeno sólido . Estas partículas de óxido metálico reemplazan al aire (específicamente al oxígeno en el aire) en una reacción de combustión con un combustible sólido, líquido o gaseoso en un lecho fluidizado, produciendo partículas metálicas sólidas a partir de la reducción de los óxidos metálicos y una mezcla de dióxido de carbono y vapor de agua , los principales productos de cualquier reacción de combustión. El vapor de agua se condensa, dejando dióxido de carbono puro que puede secuestrarse. Las partículas metálicas sólidas circulan hasta otro lecho fluidizado donde reaccionan con el aire (y, de nuevo, específicamente con el oxígeno del aire), lo que produce calor y oxida las partículas metálicas a partículas de óxido metálico que se recirculan hasta la cámara de combustión del lecho fluidizado. Se utiliza un proceso similar para producir anhídrido maleico mediante la oxidación parcial del n-butano, en el que las partículas circulantes actúan como catalizador y transportador de oxígeno; también se introduce oxígeno puro directamente en el lecho. [9]
Casi el 50% del silicio de las células solares se produce en lechos fluidizados. [8] Por ejemplo, el silicio de grado metalúrgico se hace reaccionar primero con gas silano . El gas silano se agrieta térmicamente en un lecho fluidizado de partículas de silicio semilla, y el silicio se deposita sobre las partículas semilla. La reacción de agrietamiento es endotérmica y el calor se proporciona a través de la pared del lecho, normalmente hecha de grafito (para evitar la contaminación metálica del silicio producto). El tamaño de las partículas del lecho se puede controlar utilizando chorros de atrición. El silano a menudo se premezcla con hidrógeno para reducir el riesgo de explosión de silano filtrado en el aire (véase silano ).
La fluidización líquido-sólido tiene varias aplicaciones en ingeniería [10] [11] La aplicación más conocida de la fluidización líquido-sólido es el retrolavado de filtros granulares con agua. [12] [13]
La fluidización tiene muchas aplicaciones con el uso de partículas de intercambio iónico para la purificación y procesamiento de muchas corrientes de líquidos industriales. Industrias como la de alimentos y bebidas, hidrometalúrgica, ablandamiento de agua, catálisis, química de base biológica, etc. utilizan el intercambio iónico como un paso crítico en el procesamiento. Convencionalmente, el intercambio iónico se ha utilizado en un lecho empacado donde un líquido preclarificado pasa hacia abajo a través de una columna. Se ha realizado mucho trabajo en la Universidad de Western Ontario en London Ontario, Canadá, sobre el uso de un sistema de intercambio iónico fluidizado continuo, llamado "lecho fluidizado circulante líquido-sólido" (LSCFB), que recientemente se ha denominado "intercambio iónico fluidizado circulante" (CFIX). Este sistema tiene aplicaciones generalizadas que extienden el uso de los sistemas de intercambio iónico tradicionales porque puede manejar corrientes de alimentación con grandes cantidades de sólidos suspendidos debido al uso de la fluidización. [14] [15]