LABO RATO RIO DE “LECH OS FLUID IZADO S”
INTRODUCIÓN.
Se da el nombre de fluidización al proceso de contacto que ocurre entre un sólido y un fluido (gas o líquido) en el cual el lecho formado por partículas sólidas finamente divididas se levanta y se agita por medio de una corriente ascendente de fluido. Ahora bien, c !abe y Smith se"alan que se habla de fluidización particulada cuando e#iste una e#pansión grande pero uniforme del lecho a velocidades elevadas, la cual generalmente se manifiesta en sistemas líquido$sólido, para partículas muy finas y un rango limitado de velocidad. %icen que tambi&n se habla de fluidización agregativa cuando los lechos de sólidos se encuentran fluidizados con gases, como el aire, donde la mayor parte del gas pasa a trav&s del lecho en forma de burbu'as o huecos que estn casi e#entos de sólidos, y solamente una peque"a fracción del gas fluyen por los canales e#istentes entre las partículas, las cuales se mueven de forma errtica. a principal desventa'a de la fluidización gas$sólido consiste en el desigual contacto del gas y el sólido. a mayor parte del gas pasa a trav&s del lecho en forma de burbu'as y sólo hace contacto directamente con una peque"a cantidad del sólido en una delgada envoltura ubicada alrededor de la burbu'a. *na peque"a fracción del gas pasa a trav&s de la fase densa, la cual contiene casi todo el sólido. +#iste algo de intercambio de gas entre las burbu'as y la fase densa por difusión y por procesos turbulentos tales como la división y coalescencia de burbu'as pero la conversión global de un reactante gaseoso es en general mucho menor que la que tiene lugar en el contacto uniforme a la misma temperatura, como en un reactor ideal con flu'o pistón. Sin embargo, el flu'o de fluidos a trav&s de lechos de partículas sólidas (fluidización) es un proceso de uso amplio en operaciones industriales tales como- filtración, intercambio iónico, e#tracción de solventes, absorción y reactores catalíticos.
OBJETIVOS.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS.
*n lecho consiste en una columna formada por partículas sólidas, a trav&s de las cuales pasa un fluido (líquido o gas) el cual puede ser librado de algunas impurezas y sufre una caída de presión. Si el fluido se mueve a velocidades ba'as a trav&s del lecho no produce movimiento de las partículas, pero al ir incrementando gradualmente la velocidad llega un punto donde las partículas no permanecen estticas sino que se levantan y agitan, dicho proceso recibe el nombre de fluidización. A medida que se incrementa la velocidad del fluido, con lo cual tambi&n se aumenta el caudal (si el rea se mantiene constante), se pueden distinguir diferentes etapas en el lecho de acuerdo con lo se"alado por el&ndez y uti&rrez
Lecho Fijo: las partículas permiten el paso tortuoso del fluido sin separarse una de otras, esto hace que la altura del lecho se mantenga constante y por tanto la fracción de vacío en el lecho (porosidad) se mantiene constante. +n esta etapa el
fluido e#perimenta la mayor caída de presión del proceso. Lecho prefluidizado - tambi&n es conocido como fluidización incipiente, y se trata de un estado de transición entre el lecho fi'o y el fluidizado. *na de las características que presenta esta etapa es que la velocidad en este punto recibe el nombre de velocidad mínima de fluidización. /ambi&n se caracteriza porque la
porosidad comienza a aumentar. Fluidización discontinua: tambi&n se conoce como fase densa y es cuando el movimiento de las partículas se hace ms turbulento formndose torbellinos.
%entro de esta etapa se pueden distinguir dos tipos de fluidización0articulada- se manifiesta en sistemas líquido$sólido, con lechos de partículas
finas en los cuales se manifiesta una e#pansión suave. Agregativa- se presenta en sistemas gas$sólido. a mayor parte del fluido circula en burbu'as que se rompen en la parte superior dando origen a la formación de
aglomerados. Fluidización continua: todas las partículas son removidas por el fluido, por lo que el lecho de'a de e#istir como tal, mientras que la porosidad tiende a uno.
!on respecto a la porosidad, se tiene que es definida como la fracción de vacío en el lecho, y se puede calcular mediante la siguiente ecuación-
(1) %onde- 0orosidad inicial del lecho, 2adimensional3. ε- 0orosidad, 2adimensional3. 4o- 4olumen ocupado por todas las partículas, 2m53. 4t- 4olumen del lecho en un instante dado, 2m53. Si el rea es constante, la ecuación anterior queda de la forma(6) %onde- 0orosidad inicial del lecho, 2adimensional3. ε- 0orosidad, 2adimensional3. o- Altura inicial del lecho, 2m3. - Altura del lecho en un momento dado, 2m3. 0ara el estudio de lechos, un elemento importante es conocer la caída de presión en el mismo. +n este sentido, c !abe y Smith se"alan que e#isten dos ecuaciones que permiten calcular este valor. a primera es la ecuación de +rgun que es utilizada para lechos fi'os (1)(5) %onde- 4iscosidad de fluido, 20a7s3. - 4elocidad superficial de fluidización, 2m8s3. %p- %imetro de la partícula, 2m3. e - 0orosidad, 2adimensional3. r f- %ensidad del fluido, 29g8m53. - !aída de presión, 20a3. - ongitud del lecho, 2m3. 0ara lechos fluidizados se utiliza la siguiente ecuación(:) %ondee - 0orosidad, 2adimensional3. - %ensidad de las partículas del lecho, 29g8m53. r f- %ensidad del fluido, 29g8m53. - !aída de presión, 20a3. - ongitud del lecho, 2m3. g- Aceleración de gravedad, 2m8s63. 0ara el estudio de los lechos fluidizados se hace necesario la determinación de tres parmetros adimensionales que permiten su caracterización. %ichos parmetros son- el
n;mero de
?au9 (>@0 y >@). +l n;mero de ?au9 son(D) %onder f- %ensidad del fluido, 29g8m53. %p- %imetro de la partícula, 2m3. - !aída de presión, 20a3. o- Altura inicial del lecho, 2m3. - 4iscosidad del fluido, 20a7s3. gc- Eactor de conversión gravitacional, 21 (9g7m8s6)8C3.
(F) %onder f- %ensidad del fluido, 29g8m53. %p - %imetro de la partícula, 2m3. - %ensidad de las partículas del lecho, 29g8m53. - 4iscosidad de fluido, 20a7s3. gc- Eactor de conversión gravitacional, 21 (9g7m8s6)8C3. 0ara el desarrollo de la prctica es necesario conocer el valor de la velocidad de flu'o en el lecho para poder calcular el n;mero de
cuando hay una obstrucción en un tubo o ducto aparece un diferencial de presión a trav&s de la misma, y a partir de esta diferencia de presión se puede calcular la velocidad del fluido mediante la siguiente e#presión (1)-
%ondeH- !audal, 2m58s3. !d- !oeficiente de descarga, 2adimensional3. J- Eactor de e#pansión 2adimensional3 A- Irea de la sección transversal, 2m63. gc- Eactor de conversión gravitacional, 21 (9g7m8s6)8C3. b -
Fundamento Teórico.
a fluidización es un proceso por el cual una corriente ascendente de fluido (líquido, gas o ambos) se utiliza para suspender partículas sólidas. %esde un punto de vista macroscópico, la fase sólida (o fase dispersa) se comporta como un fluido, de ahí el origen del t&rmino KfluidizaciónK. Al con'unto de partículas fluidizadas se le denomina tambi&n Klecho fluidizadoK. +n un lecho de partículas con flu'o ascendente, la circulación de un gas o un líquido a ba'a velocidad no produce movimiento de las partículas. +l fluido circula por los huecos del lecho perdiendo presión. +sta caída de presión en un lecho estacionario de sólidos viene dada por la ecuación de +rgun. Si se aumenta progresivamente la velocidad del fluido, aumenta la caída de presión y el rozamiento sobre las partículas individuales. Se alcanza un punto en el que las partículas no permanecen por ms tiempo estacionarias, sino que comienzan a moverse y quedan suspendidas en el fluido, es decir, LfluidizanM por la acción del líquido o el gas. os lechos fluidizados tienen variedad de aplicaciones, entre las cuales se pueden mencionar•
•
!lasificación mecnica de partículas seg;n su tama"o, forma o densidad. avado o li#iviación de partículas sólidas. !ristalización. Adsorción e intercambio iónico. Nntercambiado de calor en lecho fluidizado.
TIPOS DE FLIDI!"#I$% .
a utilización amplia de la fluidización comienza en la industria del petróleo con el desarrollo del crac9ing (craqueo) catalítico en el lecho fluidizado.
&' Fluidización particulada !uando se fluidiza arena con agua, las partículas se encuentran ms separadas y su movimiento es ms vigoroso a medida que aumenta la velocidad de fluidización, aunque la densidad media del lecho a una velocidad dada es la misma que en toda sus secciones. Pstas se denominan fluidización particulada y se caracteriza por una e#pansión grande pero uniforme del lecho a velocidades elevadas.
(' Fluidización de )ur)ujeo o tur)ulento os lechos de sólidos fluidizados con aire presentan lo que se denomina fluidización agregativa o de burbu'eo. A velocidades superficiales la mayor parte del gas pasa a trav&s del lecho en forma de burbu'as o huecos que estn casi e#entos de sólidos, y solamente una peque"a fracción del gas fluye por los canales e#istentes entre las partículas.
*' Fluidización circulante A velocidades de gas ms altas, todas las partículas de alimentación son rpidas arrastradas con el gas, pero es posible recuperarlas con un ciclón regresarlas al fondo para mantener los sólidos en la unidad. +ste tipo de sistema recibe el nombre de lecho de fluido circulante. a utilización amplia de la fluidización comienza en la industria del petróleo con el desarrollo del crac9ing (craqueo) catalítico en el lecho fluidizado.
La aplicación %e la fluidización dentro de los procesos industriales se puede ubicar en dos grandes grupos- (i) procesos físicos o mecnicos, y (ii) procesos químicos. Algunas de las aplicaciones ms frecuentes en la industria se enumeran a continuación.
E+pansión del lecho de part,culasa presencia de las burbu'as dentro del reactor, ocasionan que el límite superior del lecho se incremente. !abe destacar que, la e#pansión es afectada de manera
considerable por el dimetro y distribución de las burbu'as durante su recorrido a trav&s del reactor. Así, por e'emplo si se logra una buena distribución transversal, las burbu'as de menor dimetro afectarn ms drsticamente la e#pansión, debido a que estas tienen una velocidad inferior que aquellas de mayor dimetro. +sto se ve refle'ado en un incremento del tiempo de permanencia de las burbu'as dentro del sistema. +sta especial característica, adquiere una importancia relevante por ser de gran utilidad para estimar la altura del lecho de partículas dentro del reactor al operar así como, para calcular el tiempo en que ambas fases permanecen en contacto. Aun cuando la e#pansión es uno de los parmetros ms reportados en la literatura por su relativa facilidad de observación, no puede ser determinado con absoluta precisión ya que el límite superior del lecho est su'eto a un intenso movimiento ondulatorio, causado por el paso y estallamiento de las burbu'as. %ebido a esto y al comple'o patrón de burbu'eo, cuantificar la e#pansión del lecho se vuelve complicado, ya que adems en el instante en que las burbu'as estallan, arro'an una gran cantidad de sólidos a la fase diluida, haciendo casi imposible poder establecer el límite superior del lecho. A pesar de lo anterior, se ha sugerido que la columna de sólidos puede ser dividida en tres zonas diferentes. a clasificación de cada una de estas zonas est hecha en base a la concentración de sólidos presentes en ella, y aun cuando los límites no estn bien determinados, las regiones pueden ser inferidas. %e acuerdo con esto, y partiendo desde el distribuidor hacia arriba se tiene a la fase densa como la primera zona, aquí la concentración de sólidos es la m#ima posible y por lo tanto es el lugar en donde se lleva a cabo la mayor parte de las transformación química o física. Su límite superior puede fluctuar alternativamente entre un valor mínimo y un m#imo o mantenerse apro#imadamente constante, de acuerdo con las características del sistema.
Nnmediatamente despu&s, se localiza una zona de transición &sta se distingue porque es el lugar en donde las burbu'as estallan, adems se ha reportado que en esta sección el coeficiente de transferencia de calor aumenta. !omo ya se mencionó, las burbu'as arro'an una gran cantidad de sólidos a la fase diluida, por lo que la concentración de &stos, es menor que para el caso anterior. Einalmente, la tercera de las zonas que se
distinguen con mayor claridad cuando se e#panden los lechos fluidizados, es la fase diluida. +sta sección, es la que menor concentración de sólidos tiene, por lo tanto la conversión química o transformación física es pobre en esta parte. Co obstante, es la que generalmente ocupa una mayor e#tensión del reactor. 0or otro lado, resulta irónico percatarse que no fue sino hasta 1QD5 que se pudo relacionar a la e#pansión del lecho con el patrón de burbu'eo. Ambas características son asociadas en el traba'o propuesto por %avidson y Rarrison, en el cual se sugiere una ecuación para el clculo de la e#pansión del lecho, que incluye el dimetro de las burbu'as.
D"TOS O.TE%IDOS ∆P
Q
h
10
1
0
14
3
1
14,5
5
2
16
7
3
16
9
4
16,5
11
4,5
16,5
14
6
17
17
7
17,5
20
8
18,5
40
10
19
60
12
20,5
90
17
22
120
20
24,5
150
28
28
180
28
