Aplicaciones industriales de la fluidización
Concepto de fluidización. La fluidización es una operación básica mediante la cual el conjunto formado por partículas sólidas y una o más fases fluidas cualesquiera cualesquiera adquiere un estado estado parecido al de un líquido. Un lecho de partículas está fluidizado cuando las partículas están suspendidas y en movimiento en el fluido. Dos casos: a- Una fase fluida y una fase sólida. b- Dos fases fluidas y una fase sólida.
Aplicaciones de la fluidización. Los lechos fluidizados tienen múltiples aplic aciones, tales como: a- La clasificación mecánica de partículas en base a su tamaño, forma o densidad. b- El lavado o lixiviación de partículas sólidas. c- Cristalización. d- Adsorción e intercambio iónico. e- Intercambiado de calor en lecho fluidizado. f-
Reacciones catalíticas heterogéneas.
g- Combustión de carbón en lecho fluidizado. h- Gasificación de carbón en lecho fluidizado. i-
Bioreactores de lecho fluidizado.
Veamos con un poco de detalle algunas de las aplicaciones más comunes.
Combustión en lecho fluido. La combustión en lecho fluido (Fluizided bed combustion,FBC) es una tecnología de combustión usada en centrales eléctricas. Tecnología que permite una mayor flexibilidad en el uso de combustible: carbón, biomasa, basura, etc… Además de un mayor aprovechamiento del combustible y una mejor transferencia del calor producido durante la combustión. Un lecho fluido está formado por el combustible en pedazos (aproximadamente es un 2-5% del peso total del lecho) y el lecho propiamente dicho (cenizas, piedra caliza, material adicional, etc.). No se permite la fundición del lecho, por lo que la temperatura está limitada a 850-900ºC. Esta temperatura evita el reblandecimiento de las cenizas del combustible y la descomposición del sulfato de calcio. El lecho fluido sustenta el combustible sólido mientras se bombea aire hacia arriba durante la combustión. El resultado es la formación de remolinos que favorecen la mezcla del gas y del combustible.
El carbón, en partículas de 5-10 mm, es quemado en un lecho fluidizado con partículas sólidas inertes cuyo tamaño está comprendido entre 0.5-3 mm. Menos del 2% del material del lecho es el combustible; el resto son cenizas del combustible y absorbente el cual es añadido para capturar el azufre durante la combustión. Al aumentar la velocidad de fluidización gran cantidad de material sólido es arrastrado.
-
Algo de historia...
El concepto de combustión en lecho fluido surgió a principios de los años 60 en USA y Reino Unido, pero no atrajo el interés de las empresas eléctricas, principalmente por el alto coste y la poca importancia de las emisiones contaminantes en aquel tiempo. En 1968 se construyó una planta experimental en Reino Unido donde se mejoró la tecnología y se probaron las posibilidades que ofrecía este tipo de centrales, sin embargo el gobierno británico no tuvo mucho interés en la planta, por lo que la mayor parte de los estudios eran financiados por empresas suecas. A principios de los años 70 se construyó la primera planta que suministró electricidad a la red, era una pequeña planta de carbón en Rivesville, Virginia Occidental. Tras muchos problemas económicos y técnicos, debidos al alto coste de mantenimiento de la planta, la central se cerró a finales de esa misma década. Otras plantas pioneras también experimentaron muchos problemas con la erosión, la entrada de aire y la alimentación por carbón. A mediados de los años 70 se inició la construcción de plantas en USA y Reino Unido que finalmente lograron probar su eficacia y beneficios, incluso algunas de estas plantas se hallan en funcionamiento. Paralelamente se efectuó a principios de los años 80 un gran desarrollo y construcción de plantas en Alemania y los países escandinavos, que sirvió para mejorar la tecnología existente así como la creación de nuevos conceptos. Actualmente la combustión en lecho fluido está experimentando un gran auge, debido al mejor aprovechamiento del carbón y la menor emisión de gases contaminantes. -
Tipos y características
Los lechos fluidos se clasifican en función del parámetro R que indica la cantidad de material que recircula entre el material que se introduce en el lecho. a- 0
2
Ventajas: -
temperatura de combustión más baja
-
buena transferencia de calor (superficie de metal para favorecer la transmisión de calor dentro del lecho)
-
desulfuración interna por medio de piedra caliza, se evita la formación de otros gases contaminantes como halógenos.
-
permite el quemado de carbones ricos en ceniza y combustibles de difícil ignición (por ejemplo basura).
Desventajas: -
alto consumo propio y pérdidas en el hogar.
-
mala respuesta a trabajo a carga parcial.
-
el arranque en frío es complicado.
-
técnica y económicamente costoso.
-
la superficie de intercambio es susceptible a la erosión.
-
se supera frecuentemente el límite de emisión de NOx.
b- 1
más complejidad técnica, es decir más componentes, ciclón de recirculación.
-
sin intercambiador de calor dentro del lecho.
-
velocidad del gas mayor que la velocidad de caída de las partículas (5-6 m/s) .
-
mejor mezcla de los sólidos (mejor desulfuración, menos consumo de caliza).
-
temperatura constante en todo el ciclo, menos pérdidas en el hogar.
-
menores emisiones de NOx (la combustión es escalonada).
Gasificación de carbón en lecho fluidizado. En un principio el objetivo era producir un g as natural que pudiese transformarse en productos químicos (incluyendo combustibles líquidos). En la actualidad, ha aumentado la disponibilidad de gas natural. La gasificación del carbón, se ha centrado en el suministro de un combustible gaseoso limpio y flexible para la alimentación de plantas industriales, aisladas de suministros de gas natural y para centrales generadoras de energía de ciclo combinado. La gasificación de carbón se utilizó inicialmente por compañías de gas para la iluminación hace más de 70 años y fue ampliamente utilizada en Europa donde el petróleo era escaso en los 40. Los gasificadores de carbón se utilizan en muchos países para la producción comercial de gas y
compuestos carboquímicos. La elevada eficiencia de los procesos de ciclo combinado que usan gas natural como combustible ha llevado a proponer como vía posible para un aprovechamiento limpio y eficiente del carbón, su conversión a gas mediante la gasificación.
-
Usos industriales
En todos los casos de interés comercial, la gasificación con vapor, la cual es endotérmica, es una reacción química importante. La entrada de calor necesario es típicamente suministrada al gasificador por combustión de una porción del carbón con oxígeno adicionado junto con el vapor. Desde el punto de vista industrial, el producto final es ya sea chemical synthesis gas (CSG), medium-Btu gas (MBG), o substitute natural gas (SNG). Cada uno de los tipos de gas tiene potenciales aplicaciones industriales. En la industria química, el gas de síntesis de carbón es una fuente alternativa potencial de hidrógeno y monóxido de carbono. Esta mezcla se obtiene principalmente del vapor reformando de gas natural, líquidos naturales del gas, u otros líquidos del petróleo. Los usuarios de combustible en el sector industrial han estudiado la viabilidad de utilizar el medium-Btu gas en lugar de gas natural o petróleo para aplicaciones de combustible. Finalmente, la industria del gas natural está interesada en substituir el gas natural , el cual puede ser distribuido en redes de tubería. También ha habido algo de interés por la industria eléctrica en gasificar el carbón usando aire para la entrada necesaria de calor. Esto podría producir low-Btu gas (por la presencia de nitrógeno), el cual puede ser quemado en un sistema de generación de potencia del ciclo combinado. -
El proceso de gasificación
En casi todos los procesos, el diagrama general de flujo de proceso es el mismo. El carbón está preparado por chancado y secado, retratado si es necesario para prevenir el endurecimiento, y luego convertido en gas con una mezcla de aire u oxígeno y vapor. El gas resultante es enfriado y limpiado de los residuos quemados, ácido sulfhídrico, y CO 2 antes de entrar a las fases opcionales de procesamiento para ajustar su composición al uso final. -
Termodinámica
En el estudio de la termodinámica de la gasificación del carbón suponemos que el carbón puede ser tratado como carbón puro aunque realmente sea un sólido no homogéneo que contiene hidrógeno, oxígeno, azufre, nitrógeno y materia mineral, pues los errores asociados con esta suposición probablemente no son significativos.
Carbón
→
Gases (CO, CO 2, H2, CH4) + C ("char")
(1)
C ("char") + H 2O → CO + H 2 (endotérmica) 3
C ("char") + /2 O2 → CO2 + CO (exotérmica) CO + H2O → CO2 + H2 (medianamente exotérmica) CO + 3H2 → CH4 + H2O (exotérmica)
(2) (3) (4) (5)
El asunto termodinámico principal en procesos de gasificación más prácticos es cómo suministrar el calor para esta reacción. Varios métodos son ideados, pero generalmente el calor es suministrado permitiendo que ocurran las reacciones exotérmicas (3) y (5) en el mismo reactor junto con la reacción (2). El grado al cual usamos una reacción o la otra depende de la configuración del proceso y del producto deseado. Las reacciones (4) y (5) son llevadas a cabo en etapas posteriores con el fina de medir la composición de los gases para sus usos particulares. -
Procesos
Para el proceso de lecho fluidizado , sin aglomeración, Winkler. a- Presión: atmosférica-40 Bar b- Agente gasificante: Aire u oxígeno
Secado en lechos fludizados. -
Sus fundamentos
El procesamiento en lechos fluidizados implica el secado, enfriamiento, aglomeración, granulación y revestimiento de los materiales en gránulos. Es ideal para una amplia gama de productos sensibles y no sensibles al calor. El procesamiento uniforme se logra haciendo pasar un gas (por lo general aire) a una velocidad controlada a través de una capa del producto para crear un estado fluidizado. El gas de fluidización aporta el calor para el secado en lechos fluidizados, pero el flujo del gas no tiene que provenir de una sola fuente. El calor se puede introducir de manera eficaz calentando las superficies (paneles o tubos) inmersas en la capa fluidizada. En el enfriamiento en lechos fluidizados se usa gas frío (por lo general aire acondicionado o ambiental). En las plantas de tamaño más económico en ocasiones será necesario acondicionar el gas para lograr que el producto se enfríe adecuadamente y para evitar que capte partículas volátiles (por lo general humedad). El calor también se puede eliminar enfriando las superficies inmersas en la capa fluidizada. La aglomeración y la granulación se pueden realizar de varias formas, dependiendo del producto que se vaya a alimentar y las propiedades que deba tener el producto final.
El revestimiento en lechos fluidizados de polvos, gránulos o tabletas requiere de la aspersión de un líquido en condiciones estrictamente controladas sobre el polvo fluidizado. Existen toda una serie de sistemas para el secado en lechos fluidizados. Los secadores continuos y por lotes, los enfriadores y los sistemas de aglomeración, revestimiento, aglomeración en bolas y granulación están diseñados para operar en ciclos abiertos (que implican la evaporación de agua), o en ciclos cerrados (que implican la evaporación de solventes, en su mayor parte orgánicos). Para los productos que presentan riesgo de explosión de polvo durante el procesamiento, existen disponibles diseños a prueba de choques de explosión y sistemas auto-inertizados y de cic lo cerrado. -
Aplicaciones
Aplicación para la obtención de productos químicos, bioquímicos, farmacéuticos, alimenticios, lácteos y de polímeros. -
Sus ventajas
a- La fluidización de los materiales en gránulos permite una mayor facilidad en el transporte de los materiales , altas velocidades de intercambio de calor con una gran eficiencia térmica, a la vez que evita el sobrecalentamiento de las partículas. b- Las propiedades de los productos se determinan basándose en la información derivada de su velocidad de secado , por ejemplo, la forma en que el contenido de partículas volátiles cambia con el tiempo en un lote en lecho fluidizado que opera en condiciones controladas. Otras propiedades importantes son la velocidad del gas de fluidización, el punto de fluidización (es decir, el contenido de partículas volátiles bajo el cual se logra la fluidización sin agitación mecánica o vibración), el contenido de partículas volátiles en equilibrio y el coeficiente de transferencia de calor para las superficies de calentamiento inmersas.
c- Estos y otros datos se alimentan a un modelo por computadora del procesamiento en lechos fluidizados permitiendo así dimensionar los sistemas de secado industriales.
d- El secado en lechos fluidizados resulta adecuado para polvos, gránulos aglomerados y pastillas con un tamaño de partícula promedio entre 50 y 500 micras . Es muy probable que los polvos muy finos y ligeros o las partículas altamente elongadas requieran vibración para lograr con éxito el secado en lechos fluidizados.
Reactores de lecho fluidizado. FCC (Fluid Catalytic Cracking). Las refinerías han ido adaptándose para producir cada vez mayor porcentaje de fracciones ligeras (los productos más valiosos del barril de crudo). Hemos pasado de la refinería que hace el fraccionamiento del crudo por destilación atmosférica o al vacío a la compleja refinería que convierte mediante craqueo catalítico (entre otros procedimientos) las fracciones pesadas de la destilación al vacío en fracciones ligeras, y finalmente a las refinerías que utilizan procesos más profundos, consiguiendo un barril más blanco. Para comprender el craqueo catalítico operando en doble lecho fluidizado empezamos por el craqueo térmico que consiste en la ruptura de las cadenas carbonadas por la acción del calor (400-650 ºC). Las cadenas se rompen, deshidrogenan o polimerizan produciendo parafinas más cortas, olefinas, naftenos o aromáticos, según los casos. En principio, la ruptura de un hidrocarburo da lugar a una nueva parafina más corta y a una olefina. De acuerdo con esto, la realización del craqueo obliga a calentar la fracción tratada a una temperatura determinada y de la forma más homogénea posible, y luego separar las fracciones originadas de acuerdo con su volatilidad. Estas operaciones serán continuas, dada la alta escala a la que se efectúan. El craqueo se practica en fase líquida o en fase vapor. Dependiendo de la volatilidad del aceite tratado y de la presión y temperatura de trabajo. Las condiciones más corrientes de fase líquida (preferentemente para tratar aceites pesados) es de unos 450 ºC y 10-80 atm. En fase vapor (gasóleos ligeros y querosenos) las temperaturas son algo más altas, 500ºC o más y la presión nunca llega a las 4-5 atm. La proporción de la carga que se transforma en gasolina varía con la temperatura y el tiempo. El rendimiento en gasolina llega a veces al 80%. En las refinerías modernas el craqueo térmico a quedado desplazado por el craqueo catalítico. Sigue utilizándose por 3 objetivos: -
Visbreaking o reducción de la viscosidad de los residuos pesados de la destilación atmosférica o al vacío.
-
Producción térmica de gasóleo.
-
Coquización, para aprovechar al máximo las partes volátiles.
Las operaciones de craqueo térmico se han perfeccionado con el empleo de catalizadores que han permitido disminuir las temperaturas y las presiones y mejorar el rendimiento en gasolina, aumentando así mismo su calidad carburante al producir una mayor ramificación en las cadenas. Los catalizadores empleados pueden ser dadores de protones o transportadores de electrones.
La diferencia fundamental entre las reacciones de craqueo térmico y catalítico es que las primeras se producen a través de un mecanismo de radicales libres y las segundas mediante la producción de carbocationes producidos por la adición del catalizador. Se practica de manera semejante al térmico pero intercalando en la cámara de reacción el lecho catalítico para que lo atraviesen los vapores a reformar. Este sería el sistema de lecho fijo. El depósito de coque obliga a trabajar con doble lecho; mientras uno está en funciones se pasa por el otro una corriente de aire caliente que quema la carbonilla y libera la superficie del catalizador. Como esta forma intermitente de trabajo no puede ser muy eficaz, se ha evitado de varias maneras, empleando sistemas en que las bolas de material cerámico se sustituyen por el catalizador granulado; o también operando en doble lecho fluidizado, uno de cuyos lechos
trabaja en catálisis y simultáneamente el otro se descoquiza por combustión , pasando continuamente el catalizador granular microesférico de uno a otro. Las ventajas de este sistema fluidizado especialmente se basa en la gran producción por
unidad. El resto del proceso es análogo también al craqueo térmico. En general, el reformado da muy elevados rendimientos en gasolina y mucho menor en gases, pues las reacciones catalíticas transforman las olefinas y parafinas gaseosas en hidrocarburos alcohilados, nafténicos y aromáticos.
Documentación. -
Introducción a la Química Industrial. Prof. Dr. Ángel Vian Ortuño.
-
Fuentes en internet:
es.wikipedia.org plantdesign.iespana.es (diseño de plantas químicas y agroindustriales) www.virtual.unal.edu.co (portal de la Universidad Nacional de Colombia)
