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FLUIDIZACIÓN DE SÓLIDOS Y EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO Procesos Industriales Lunes 10 de Octubre de 2016
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Índice I. Introducción ........................................................................................................................ 3 II. Antecedentes ......................................................................................... ............................. 4 III. Metodología ...................................................................................................................... 4 1. Fluidización de sólidos ....................................................................................................... 4 1.2. Cálculo de las caídas de presión .................................................................................. 4 1.3. Velocidad mínima de fluidización ............................................................................... 5
1.4. Criterio para juzgar el tipo de fluidización .................................................................. 5 1.5. Fluidización de partículas sólidas mediante un líquido ............................................... 6 1.6. Fluidización de partículas sólidas por un gas .............................................................. 8 1.7. Tipos de fluidización.................................................................................................... 8
1.7.1. Fluidización particulada. ....................................................................................... 8 1.7.2. Fluidización agregativa o de burbujeo. ................................................................. 9 1.7.3. Fluidización turbulenta. ......................................................................................... 9 1.8. Aplicaciones de la fluidización .................................................................................... 9
2. Extracción Sólido-Líquido ............................................................................................... 10 2.1. Aparatos .......................................................................................... ........................... 11 2.2. Lecho sólido estacionario .......................................................................................... 12 2.3. Contacto en dispersión ............................................................................................... 12 2.4. Métodos de trabajo ..................................................................................................... 13 2.5. Método de cálculo ...................................................................................................... 14 IV. Conclusiones .................................................................. Error! Bookmark not defined. V. Referencias ...................................................................................................................... 16
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Índice de Ilustraciones Ilustración 1. Influencia de la velocidad superficial sobre la pérdida de carga experimentada por un fluido que se desplaza de abajo arriba a través de una capa de partículas de tamaños muy próximos. ........................................................................................................................ 7
Ilustración 2. Influencia del número de Reynolds sobre la porosidad de un lecho de partículas, a través del cual se desplaza un fluido de abajo arriba con una velocidad superficial. .............................................................................................................................. 7
Ilustración 3. Sección transversal de un gran depósito para la disolución por percolación, mostrando algunos detalles constructivos (dibujo no a escala). ........................................... 12 Ilustración 4. Esquema de un extractor continuo de capas móviles, sistema Bollman. ....... 13
Ilustración 5. Esquema demostrativo de las etapas y número de contactos necesarios para efectuar una extracción discontinua en contracorriente. ...................................................... 14
Índice de Tablas Tabla 1. Valores del número de Froude en el punto de fluidización en los dos tipos de fluidización de partículas y agregados.................................................................................... 6
3 I. Introducción En la siguiente investigación se presentarán definiciones y características respecto a los sólidos; se explicará el proceso de fluidización, características, cálculo de velocidad y tipos de fluidización a emplear según ciertos criterios. Durante el curso se ha hablado de muchos procesos los cuales involucran la manipulación de la materia prima ya sea sólida, líquida y gas. En esta investigación se presenta el proceso de extracción sólido- líquido, en dicho proceso se extrae uno o varios componentes solubles albergados en un sólido, un ejemplo donde se usa este proceso es en la industria minera o en la recuperación de aceites vegetales contenidos en semillas. La extracción sólido-líquido tiene importancia en gran número de procesos industriales. El cobre metálico se recupera de los minerales oxídicos, generalmente de baja calidad (ya que su riqueza no llega al 1,5 % en peso de cobre), mediante la extracción con disolventes tales como el ácido sulfúrico diluido.
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II. Antecedentes Un fluido se define como una sustancia que cambia su forma continuamente siempre que esté sometida a un esfuerzo constante, sin importar que tan pequeño sea. Un cuerpo sólido, por otra parte, es aquel que mantiene su forma y volumen constante gracias a la gran cohesión de sus moléculas. La fase sólida es uno de los cuatro estados de agregación de la materia, junto al líquido, el gaseoso y el plasmático. Entre las propiedades de los sólidos, destacan su elasticidad (un sólido puede recuperar su forma original cuando es deformado), la dureza (no puede ser rayado por otro cuerpo más blanco) y la fragilidad. A baja temperatura y presión constante, los cuerpos sólidos forman, generalmente, estructuras cristalinas. Esto les permite soportar fuerzas sin deformarse en apariencia. Los sólidos suelen gozar de forma y volumen definidos (a diferencia de los líquidos o los gases) y tienen alta densidad (Warren, Smith, 1991).
III. Metodología 1. Fluidización de sólidos Cuando un líquido o un gas pasan a muy baja velocidad a través de un lecho de partículas sólidas, las partículas no se mueven. Si la velocidad del fluido aumenta de manera
progresiva, aumenta la caída de presión y el rozamiento sobre las partículas individuales y, eventualmente, las partículas comienzan a moverse y quedan suspendidas en el fluido.
La fluidización es un proceso por el cual una corriente ascendente de fluido se utiliza para suspender partículas sólidas.
1.2. Cálculo de las caídas de presión Las fuerzas que tienden a levantar una partícula son las de flotación y las de frotamiento. En el estado de fluidización, las fuerzas que tienden a elevar las partículas son iguales al peso total (fuerza de la gravedad) de las partículas, es decir:
Siendo: X= Porosidad del lecho (lugar donde se encuentra depositado el sólido, durante el proceso de fluidización). A= Área de la sección transversal del lecho.
5 L= Espesor del lecho. P= Densidad de las partículas sólidas. p= Densidad del fluido. ∆ = Caída de presión necesaria para la fluidización.
Resuelta la ecuación para −∆
1.3. Velocidad mínima de fluidización Es posible obtener una ecuación para la velocidad mínima de fluidización
considerando la caída de presión a través del lecho igual al peso del lecho por unidad de área de la sección transversal, teniendo en cuenta la fuerza de flotación del fluido desplazado:
Para la fluidización incipiente, ε es la porosidad mínima εM. (Si a su vez las partículas son porosas, ε es la fracción externa de huecos del lecho.) Por lo tanto,
Para la velocidad de fluidización mínima (V-0M), se obtiene la ecuación cuadrática:
Para partículas muy pequeñas, sólo es importante el término de flujo laminar. Para Rep < 1, la ecuación de la velocidad mínima de fluidización se transforma en
1.4. Criterio para juzgar el tipo de fluidización El número de Fraude (v2/gDp) constituye un criterio adecuado para determinar si un sistema dado debe fluidizar según el tipo de fluidización que se ha expuesto para el caso de líquidos y de gases. El valor de v en el grupo de Froude se toma en el punto de fluidización.
6 En la Tabla 1 se exponen los datos típicos para sistemas que utilizan aire o agua como fluido. Como se ve en Froude parece ser la citada tabla, el número de característico de cada tipo de fluidización. La fluidización por líquidos se produce con Fr bastante menores que la unidad; los Fr superiores caracterizan a la fluidización por gases. Tabla 1. Valores del número de Froude en el punto de fluidización en los dos tipos de fluidización de partículas y agregados.
1.5. Fluidización de partículas sólidas mediante un líquido Cuando el fluido es un líquido, como el agua, y el sólido se comporta como cuentas de vidrio en cuanto a propiedades, al iniciarse la fluidización el movimiento de las partículas tiene lugar en pequeña escala en la totalidad del lecho. Conforme aumentan la velocidad del fluido y la pérdida de presión, la capa se dilata y la oscilación de cada una de las partículas aumenta en velocidad y amplitud. El recorrido libre de las partículas, entre choque y choque, aumenta al crecer la velocidad del fluido. Paralelamente, aumenta la porosidad del lecho. Esta expansión del lecho continúa al seguir aumentando la velocidad del fluido, hasta que cada partícula se comporta como un
7 ente individual cuyos desplazamientos no se ven impedidos por la acción de cualquier otra partícula sólida.
Ilustración 1. Influencia de la velocidad superficial sobre la pérdida de carga experimentada por un fluido que se desplaza de abajo arriba a través de una capa de partículas de tamaños muy próximos.
La ilustración 1 muestra cómo varía la pérdida de carga con la velocidad superficial. La recta AB corresponde al régimen llamado de lecho fijo, cuando aún no tiene lugar desplazamiento de partículas. En el punto B el lecho se vuelve inestable y comienzan a producirse pequeños movimientos de reajuste entre sus partículas, para ofrecer el máximo de superficie transversal al flujo del fluido. Este cambio de estructura del lecho provoca una desviación de la sencilla relación existente entre la pérdida de presión y la velocidad (representada por la recta AB). La inestabilidad del lecho crece al aumentar la velocidad del fluido, hasta que en el punto e el lecho adquiere la mínima compacidad, continuando aun las partículas en contacto mutuo. Por aumento posterior de la velocidad de flujo, algunas de las partículas del lecho ya no permanecen en contacto con las otras y adquieren una agitación continua. Este punto e se conoce como el punto crítico de fluidización.
Ilustración 2. Influencia del número de Reynolds sobre la porosidad de un lecho de partículas, a través del cual se desplaza un fluido de abajo arriba con una velocidad superficial.
8 A partir de este momento el lecho comienza a dilatarse a medida que aumentan las velocidades del fluido. En el punto D, la fluidización es completa y todas las partículas se encuentran en movimiento. El aumento de la velocidad del fluido más allá del punto D origina aumentos relativamente pequeños del gradiente de presión, solamente en la cuantía necesaria para vencer el aumento de las pérdidas por frotamiento entre el fluido, las partículas suspendidas y las paredes del recipiente. La expansión del lecho durante la fluidización está representada en la ilustración 2, en la que se consignan los logaritmos del número de Reynolds en función de los logaritmos de la porosidad. El número de Reynolds en la ilustración 2 está basado en las dimensiones de las partículas sólidas y en la velocidad superficial del fluido. La porosidad de la capa durante el período de lecho fijo permanece constante al aumentar la velocidad, hasta alcanzar el punto B. Pasado este punto, la porosidad aumenta continuamente al hacerla el número de Reynolds hasta que se alcanza un valor de éste, en el cual cada partícula se mueve como una individualidad, independientemente.
1.6. Fluidización de partículas sólidas por un gas Cuando el fluido que interviene en la operación es un gas, la fluidización del sólido granular de tamaños de grano muy próximos sigue un mecanismo algo diferente. Mientras que en la fluidización por un líquido el comienzo del estado de fluidización viene señalado por un movimiento suave de oscilación de algunas de las partículas que constituyen el lecho, en la fluidización por un gas el fluido comienza literalmente a «burbujear» a través del sólido, igual que un gas burbujea a través de un líquido. Las burbujas del fluido gaseoso se elevan atravesando la capa y rompen en la superficie superior de la misma, salpicando hacia arriba unas cuantas partículas sólidas. Conforme la velocidad del fluido va aumentando, la acción del borboteo se hace más y más violenta, con proyección de penachos de polvo hasta distancias considerables por encima del lecho, que tardan en volver a caer al mismo.
1.7. Tipos de fluidización 1.7.1. Fluidización particulada. Cuando se fluidiza arena con agua, las partículas se encuentran más separadas y su movimiento es más vigoroso a medida que aumenta la velocidad de fluidización, aunque la
densidad media del lecho a una velocidad dada es la misma que en todas sus secciones. Se caracteriza por una expansión grande pero uniforme del lecho a velocidades elevadas.
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1.7.2. Fluidización agregativa o de burbujeo. Los lechos de sólidos fluidizados con aire presentan este tipo de fluidización. A velocidades superficiales mucho mayores que V – 0M, la mayor parte del gas pasa a través del lecho en
forma de burbujas o huecos que están casi exentos de sólidos, y solamente una pequeña fracción del gas fluye por los canales existentes entre las partículas.
1.7.3. Fluidización turbulenta. Cuando la velocidad superficial del gas aumenta a valores muy por encima de V – 0M, hay una transición de fluidización de burbujeo a la que se llama fluidización turbulenta o fluidización rápida. La transición ocurre cuando el lecho se ha expandido tanto que no es
posible una mayor fase de burbujeo. La fase gaseosa es continua, y hay pequeñas regiones de alta o baja densidad del lecho, con una rápida fluctuación de densidad en todos los puntos
del lecho.
1.8. Aplicaciones de la fluidización La utilización amplia de la fluidización comienza en la industria del petróleo con el desarrollo del cracking (craqueo) catalítico en el lecho fluidiz ado. Aunque en la actualidad la industria utiliza reactores de transporte para el craqueo catalítico en vez de lechos fluidizados,
la regeneración del catalizador todavía se realiza en reactores de lecho fluidizado que tienen hasta 10 m de diámetro. La fluidización se emplea en otros procesos catalíticos, tales como
la síntesis de acrilonitrilo, y para llevar a cabo reacciones gas-sólido. Existe mucho interés en la combustión de carbón en lecho fluidizado con el fin de reducir el costo de las calderas y disminuir la emisión de contaminantes. Los lechos fluidizados se utilizan también para el curtido de minerales, secado de sólidos finos y absorción de gases.
Las principales ventajas de la fluidización consisten en que el fluido que circula a través del lecho agita en forma vigorosa el sólido, y la mezcla de los sólidos asegura que prácticamente no existen gradientes de temperatura en el lecho aun con reacciones fuertemente exotérmicas o endotérmicas. El movimiento violento de los sólidos también da lugar a elevadas velocidades de transferencia de calor hacia la pared o los tubos de enfriamiento sumergidos en el lecho. Debido a la fluidez de los sólidos resulta sencillo
pasarlos de un recipiente a otro.
10 La principal desventaja de la fluidización gas-sólido consiste en el desigual contacto
del gas y el sólido. La mayor parte del gas pasa a través del lecho en forma de burbujas y sólo hace contacto directamente con una pequeña cantidad de sólido en una delgada envoltura, conocida como la nube de burbuja, ubicada alrededor de la burbuja. Una pequeña fracción del gas pasa a través de la fase densa, la cual contiene casi todo el sólido. Existe algo de intercambio de gas entre las burbujas y la fase densa por difusión y por procesos turbulentos tales como la división y coalescencia de burbujas; 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 flujo pistón. Otras desventajas de los lechos fluidizados incluyen la erosión de las partes internas del recipiente y la trituración de los sólidos, elevando la pérdida de partículas finas. La mayor parte de los reactores de lecho fluidizado tienen ciclones externos o internos para la recuperación de las partículas finas, pero con frecuencia se necesitan también filtros y depuradores.
2. Extracción Sólido-Líquido Se refiere a la extracción de uno o varios componentes solubles de un sólido mediante el contacto de este con un solvente líquido selectivo. Esta operación también recibe el nombre de lixiviación-preferentemente en la industria minera- o de percolación cuando el solvente está a temperatura cercana a su punto de ebullición. Es muy usada para extraer sustancias inorgánicas, solubles, de minerales sólidos. También muchas substancias orgánicas son obtenidas de su estado natural mediante extracción, como se hace con el azúcar contenido en la remolacha, o con el café o el té. Otro ejemplo es la recuperación de aceites vegetales contenidos en semillas oleaginosas, extraídos con solventes apropiados. El mecanismo de la extracción sólido-líquido depende de la diferencia de solubilidades. Si se toma como modelo un sistema de tres componentes: F(material sólido original contenido S - sólido - y c - substancia por extraer-) B, solvente selectivo de c.
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Si B y S no son solubles entre sí, al mezclar B con F se tendrá un sistema con dos fases y dos composiciones por fase: es decir habrá cuatro variables de composición más la presión y la temperatura lo cual equivale a seis variables. En el equilibrio la composición de la fase líquida se hace dependiente de la composición de la fase sólida a determinados valores de presión y temperatura; de tal manera que solo quedan tres variables independientes (presión, temperatura, y una composición). El tratamiento de los casos de extracción sólido - líquido son semejantes a la extracción liquido-liquido, pero, debido a que, frecuentemente, se acumulan datos en una esquina de los diagramas triangulares, es preferible usar diafragmas en un sistema de coordenadas rectangulares, derivados de los triangulares. La expresión' «extracción sólido-líquido» se aplica solamente a las operaciones en que existe una fase sólida, y comprende, por tanto, a las designadas frecuentemente con los términos de percolación, lixiviación, lavado y agotamiento.
2.1. Aparatos Los aparatos utilizados en la extracción sólido-líquido pueden clasificarse de acuerdo con el modo de realizar la primera etapa. La expresión «lecho sólido estacionario» significa que las partículas sólidas se mantienen en posiciones invariables entre sí, mientras que el disolvente circula a través de ellas, tanto si el material sólido se halla o no estacionario con respecto a la tierra, durante la extracción. La expresión «contacto en dispersión» significa que las partículas sólidas suspendidas en el líquido están en movimiento relativo entre sí y con el disolvente, durante el tiempo de contacto. En ambos tipos de aparatos la operación puede realizarse con un lote del sólido, a tratar con uno o más lotes del disolvente, o con el disolvente fluyendo sucesivamente a través de los sólidos sometidos a la extracción.
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2.2. Lecho sólido estacionario Depósitos abiertos. Cuando se utiliza un lecho fijo o estacionario, el tipo de aparato más sencillo consiste en un depósito abierto, construido de madera, cemento o acero, con un revestimiento protector adecuado si la disolución es corrosiva. El depósito puede llevar falsos fondos que sirven de soporte al lecho de materias sólidas, permitiendo el paso del disolvente o de la disolución. El sólido a tratar se dispone en el depósito en forma tal que se evite la segregación o distribución no uniforme de las partículas sólidas; el disolvente se introduce por la parte superior o por la inferior del depósito. Según uno de los métodos de trabajo, el disolvente o la disolución se «bombea» al depósito hasta que el lecho quede cubierto, y el líquido se deja en contacto con el sólido durante un tiempo dado, que puede Ser tan breve que sólo una fracción mínima del soluto resulte disuelta o separada de la fase sólida, o tan dilatado que la concentración del saluto alcance un valor máximo. El líquido se escurre después y se separa del sólido por el falso fondo. Este ciclo puede repetirse con nuevas cantidades de disolvente puro, si bien suelen utilizarse disoluciones de concentración decreciente hasta que, finalmente, el sólido agotado, después de escurrido, se descarga del depósito.
Ilustración 3. Sección transversal de un gran depósito para la disolución por percolación, mostrando algunos detalles constructivos (dibujo no a escala).
2.3. Contacto en dispersión Se utilizan un gran número de aparatos en los que las partículas sólidas están dispersas en un disolvente durante la extracción. Los productos que no son lo suficientemente finos para permanecer suspendidos en el disolvente pueden manipularse en los clasificadores de rastrillo, compuestos de varias unidades. Se emplea flujo en contracorriente con las partículas
13 sólidas en movimiento hacia arriba sobre la cubierta inclinada, y el líquido deslizándose hacia abajo sobre la misma. El escurrido, que tiene lugar en la "parte superior de la cubierta inclinada, separa la mayor parte de la disolución adherida a las partículas sólidas, antes de que pasen al piso inmediato, en el que toman contacto con una disolución menos concentrada. Pero si los sólidos son de tamaño suficientemente fino para que se mantengan en suspensión por agitación, pueden utilizarse los agitadores o una combinación de
Ilustración 4. Esquema de un extractor continuo de capas móviles, sistema Bollman.
2.4. Métodos de trabajo El método más sencillo de operar para la extracción líquido-sólido, o para el lavado de un sólido, consiste en llevar primeramente todo el material sólido a tratar, y todo el disolvente, a un contacto íntimo y separar luego la disolución formada del sólido residual insoluble. Esta operación discontinua de contacto único se realiza en el laboratorio y en las operaciones de escala semi-industrial, pero raramente en. las operaciones industriales, debido a la menor recuperación de materiales solubles conseguida y a las disoluciones relativamente diluidas que se obtienen.
14 Si la cantidad total de disolvente a utilizar se subdivide en varias fracciones, y el sólido es extraído sucesivamente con cada una de ellas, después de un escurrido del sólido entre dos adiciones consecutivas de disolvente, la operación se llama contacto múltiple simple.
Ilustración 5. Esquema demostrativo de las etapas y número de contactos necesarios para efectuar una extracción discontinua en contracorriente.
2.5. Método de cálculo Una etapa ideal o de equilibrio para una extracción sólido-líquido se define como aquella etapa en la cual la disolución resultante que sale tiene la misma composición que la disolución adherida a los sólidos descargados en dicha etapa. Como esta condición no siempre resalta satisfecha, la relación entre el número de etapas ideales y el número de las
15 reales exigidas para conseguir los mismos resultados, será la expresión del rendimiento global de la etapa o eficiencia de la misma.
A fin de simplificar el cálculo del número de etapas ideales requeridas para una extracción sólido-líquido, se hacen generalmente las siguientes hipótesis: 1. El sistema está formado por materias que pueden tratarse como si sólo contuviesen tres componentes, de este modo: (a) Sólidos inertes, insolubles. (b) Un solo soluto, que puede ser líquido o sólido. (c) Un disolvente en el cual se disuelve el soluto (b), pero que no tiene acción sobre los sólidos inertes, o está saturado de ellos (a). 2. El soluto no es adsorbido por el sólido inerte. 3. El soluto se separa por simple disolución en el disolvente, sin que tenga lugar reacción química alguna.
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V. Referencias Brown, G. G. (1965). Operaciones Básicas de la Ingeniería Química. Barcelona: MANUEL MARÍN. Warren L. McCabe; Julian C. Smith; Peter Harriot (1991). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. España: McGraw-Hill.
