Cama fluidizada

La central eléctrica más antigua que utiliza tecnología de lecho fluidizado circular, en Lünen , Alemania

Un lecho fluidizado es un fenómeno físico que ocurre cuando una sustancia particulada sólida (generalmente presente en un recipiente de almacenamiento) se encuentra en las condiciones adecuadas para que se comporte como un fluido . La forma habitual de conseguir un lecho fluidizado es bombear fluido presurizado al interior de las partículas. El medio resultante tiene entonces muchas propiedades y características de los fluidos normales, como la capacidad de fluir libremente bajo gravedad o de ser bombeado utilizando tecnologías de fluidos.

El fenómeno resultante se llama fluidización . Los lechos fluidizados se utilizan para varios propósitos, como reactores de lecho fluidizado (tipos de reactores químicos ), separación de sólidos, ^[1] craqueo catalítico fluido , combustión en lecho fluidizado , transferencia de calor o masa o modificación de la interfaz, como la aplicación de un recubrimiento sobre elementos sólidos. . Esta técnica también se está volviendo más común en la acuicultura para la producción de mariscos en sistemas acuícolas multitróficos integrados. ^[2]

Propiedades

Un lecho fluidizado consiste en una mezcla fluido-sólida que exhibe propiedades similares a las de un fluido. Como tal, la superficie superior del lecho es relativamente horizontal, lo que es análogo al comportamiento hidrostático. Se puede considerar que el lecho es una mezcla heterogénea de fluido y sólido que puede representarse mediante una única densidad aparente.

Además, un objeto con una densidad mayor que el lecho se hundirá, mientras que un objeto con una densidad menor que el lecho flotará, por lo que se puede considerar que el lecho exhibe el comportamiento fluido esperado del principio de Arquímedes . Como la "densidad" (en realidad, la fracción de volumen sólido de la suspensión) del lecho se puede alterar cambiando la fracción fluida, se pueden provocar objetos con diferentes densidades en comparación con el lecho, alterando la fracción fluida o sólida. hundirse o flotar.

En los lechos fluidizados, el contacto de las partículas sólidas con el medio de fluidización (un gas o un líquido) es mucho mayor en comparación con los lechos empacados . Este comportamiento en lechos fluidizados de combustión permite un buen transporte térmico dentro del sistema y una buena transferencia de calor entre el lecho y su contenedor. De manera 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 al mismo tiempo 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 los procesos modernos y la ingeniería química, estas propiedades incluyen:

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

Tomando un ejemplo de la industria de procesamiento de alimentos: 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 utilizan normalmente en productos alimenticios pequeños como guisantes, camarones o verduras en rodajas, y pueden utilizar refrigeración criogénica o por compresión de vapor . El fluido utilizado en lechos fluidizados también puede contener un fluido de tipo catalítico; por eso también se utiliza para catalizar la reacción química y también para mejorar la velocidad de reacción.

Los lechos fluidizados también se utilizan para el secado eficiente de materiales a granel. 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 se puede combinar con calentamiento o enfriamiento, si es necesario, según las especificaciones de la aplicación.

Historia

En 1922, Fritz Winkler realizó la primera aplicación industrial de la fluidización en un reactor para un proceso de gasificación del carbón . ^[3] En 1942, se construyó el primer lecho fluido circulante para el craqueo catalítico de aceites minerales , con tecnología de fluidización aplicada al procesamiento metalúrgico (tostación de arsenopirita ) a finales de los años 1940. ^{[4] [5]} Durante este tiempo, la investigación teórica y experimental mejoró el diseño del lecho fluidizado. En los años 60, VAW-Lippewerk en Lünen, Alemania, instaló el primer lecho industrial para la combustión de carbón y más tarde para la calcinación de hidróxido de aluminio.

Tipos de lecho fluidizado

Los tipos de lecho se pueden clasificar en términos generales según su comportamiento de flujo, que incluyen: ^[6]

• El lecho fluidizado estacionario o de partículas es el enfoque clásico en el que se utiliza gas a bajas velocidades y la fluidización de los sólidos es relativamente estacionaria, con algunas partículas finas arrastradas.
• En el burbujeo fluidizado (también llamado lecho fluidizado agregativo), las velocidades del fluido son altas, por lo que se forman dos fases separadas: una fase continua (fase densa o de emulsión) y una fase discontinua (fase pobre o de burbuja).
• Lechos fluidizados circulantes (CFB), donde los gases tienen una velocidad más alta suficiente para suspender el lecho de partículas, debido a una mayor energía cinética del fluido. Como tal, la superficie del lecho es menos lisa y se pueden arrastrar partículas más grandes desde el lecho que en los lechos estacionarios. Las partículas arrastradas se recirculan a través de un circuito externo de regreso al lecho del reactor. Dependiendo del proceso, las partículas pueden clasificarse mediante un separador ciclónico y separarse o devolverse al lecho, según el tamaño de corte de las partículas.
• Los lechos fluidizados vibratorios son similares a los lechos estacionarios, pero agregan una vibración mecánica para excitar aún más las partículas y lograr un mayor arrastre.
• Reactor de transporte o flash (FR): a velocidades superiores a las del CFB, las partículas se acercan a la velocidad del gas. La velocidad de deslizamiento entre el gas y el sólido se reduce significativamente a costa de una distribución del 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 sobre el lecho circundante comparable a la que se encuentra en el circuito externo de un CFB.
• Reactor fluidizado mecánicamente (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 los diámetros del tubo y del grano es igual o menor que alrededor de 10. La dinámica del lecho es entonces diferente de los 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 de cama

Un diagrama de un lecho fluidizado.

Modelo basica

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 compacto a una condición fluidizada, la velocidad del gas aumenta continuamente. Para un lecho independiente existirá un punto, conocido como punto de fluidización mínimo o incipiente, por 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" . ^[11] ${\displaystyle u_{mf}}$

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

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

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

dónde:

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

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

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

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

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

${\displaystyle g}$es la aceleración debida a la gravedad

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

${\displaystyle A}$es el área de la sección transversal de la cama

Agrupaciones Geldart

En 1973, el profesor D. Geldart propuso agrupar los polvos en cuatro llamados "Grupos Geldart". ^[12] Los grupos se definen por sus ubicaciones en un diagrama de diferencia de densidad sólido-fluido y tamaño de partícula. Los métodos de diseño para lechos fluidizados se pueden adaptar en función de la agrupación Geldart de las partículas: ^[11]

Grupo A Para este grupo, el tamaño de partícula está entre 20 y 100 µm, y la densidad de partícula es típicamente inferior a 1,4 g/cm ³ . Antes del inicio de una fase de lecho burbujeante, los lechos de estas partículas se expandirán en un factor de 2 a 3 en la fluidización incipiente, debido a una densidad aparente disminuida. La mayoría de los lechos catalizados en polvo utilizan este grupo.

Grupo B El tamaño de partícula está entre 40 y 500 µm y la densidad de partícula entre 1,4 y 4 g/cm ³ . El burbujeo normalmente se forma directamente en la fluidización incipiente.

Grupo C Este grupo contiene partículas extremadamente finas y, en consecuencia, 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 en esta región tienen un tamaño superior a 600 µm y normalmente tienen altas densidades de partículas. La fluidización de este grupo requiere energías de fluido muy altas y normalmente está asociada con altos niveles de abrasión. El secado de granos y guisantes, el tostado de granos de café, la gasificación de carbones y algunos minerales metálicos son tales sólidos y generalmente se procesan en lechos poco profundos o en modo de chorro.

Distribuidor

Normalmente, el gas o líquido presurizado ingresa al recipiente del lecho fluidizado a través de numerosos orificios a través de una placa conocida como placa distribuidora, ubicada en el fondo del lecho fluidizado. El fluido fluye hacia arriba a través del lecho, lo que hace que las partículas sólidas queden suspendidas. Si se desactiva la entrada de fluido, el lecho puede asentarse, acumularse en la placa o gotear a través de la placa. Muchas camas industriales utilizan un distribuidor rociador en lugar de una placa distribuidora. Luego, el líquido se distribuye a través de una serie de tubos perforados.

Ver 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 unitaria – Otras operaciones unitarias de ingeniería
• Combustión química en bucle : aplicación en lecho fluidizado dual

Referencias

1. Peng, Z.; Moghtaderi, B.; Doroodchi, E. (2017), "Un modelo simple para predecir la distribución de la concentración de sólidos en lechos fluidizados líquidos-sólidos 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 a base de microalgas. Ingeniería Acuícola 28, 37-46
3. Gracia, John R.; Leckner, Bo; Zhu, Jesse; Cheng, Yi (2008), "Fluidised Beds", en Clayton T. Crow (ed.), Multiphase Flow Handbook , CRC Press, pág. 5:71, doi :10.1201/9781420040470.ch5, ISBN 978-1-4200-4047-0, consultado el 4 de junio de 2012
4. Oficina de Comunicaciones (3 de noviembre de 1998), The Fluid Bed Reactor:Baton Rouge, Louisiana (pdf) , American Chemical Society , consultado el 4 de junio de 2012
5. Gracia; Leckner; Zhu; Cheng, pág. 5:75 {{citation}}: Falta o está vacío |title=( ayuda )
6. Tecnología de fluidización, Outotec , mayo de 2007 , consultado el 4 de junio de 2012
7. Chaudhari, Mitesh C., "Efecto del contacto líquido-sólido sobre el craqueo térmico de hidrocarburos pesados ​​en un reactor fluidizado mecánicamente" (2012). Repositorio electrónico de tesis y disertaciones. Documento 1009. http://ir.lib.uwo.ca/etd/1009
8. Cúñez, FD; Franklin, EM (2019). "Régimen de tapón en lechos fluidizados de agua en tubos muy estrechos". Tecnología en polvo . 345 : 234–246. arXiv : 1901.07351 . Código Bib : 2019arXiv190107351C. doi :10.1016/j.powtec.2019.01.009. S2CID  104312233.
9. Cúñez, Fernando David; Franklin, Erick M. (marzo de 2020). "Imitando la inversión de capas en lechos fluidizados sólido-líquido en tubos estrechos". Tecnología en polvo . 364 : 994–1008. arXiv : 1912.04989 . doi :10.1016/j.powtec.2019.09.089. S2CID  209202482.
10. Cúñez, Fernando David; Franklin, Erick M. (1 de agosto de 2020). "Cristalización y atasco en lechos fluidizados estrechos". Física de Fluidos . 32 (8): 083303. arXiv : 2007.15442 . Código Bib : 2020PhFl...32h3303C. doi : 10.1063/5.0015410. ISSN  1070-6631. S2CID  220871672.
11. Holdich, Richard Graham (1 de noviembre de 2002), "Capítulo 7: Fluidización" (PDF) , Fundamentos de la tecnología de partículas , Midland Information Technology & Publishing, ISBN 978-0-9543881-0-2, consultado el 4 de junio de 2012
12. Geldart, D. (1973). "Tipos de fluidización de gases". Tecnología en polvo . 7 (5): 285–292. doi :10.1016/0032-5910(73)80037-3.

enlaces externos

• Vídeo: Lecho fluidizado líquido-sólido
• Tecnología de lecho fluidizado del Departamento de Energía de EE. UU.: sitio web de descripción general
• Hoja informativa del DOE NETL de EE. UU.