Fluidizacion y Reactores de Lecho Fluidizado

ANALISIS AVANZADO DE REACCIONES Y REACTORES MASTER EN INGENIERÍA QUÍMICA: INGENIERÍA DE PROCESOS

TEMA 3. FLUIDIZACIÓN Y REACTORES DE LECHO FLUIDIZADO

Prof. José M. Toledo Gabriel 2

TEMA 3. Fluidización y Reactores de lecho fluidizado

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• Introducción • Descripción del fenómeno • Características Características de la fluidización • Ventajas e inconvenientes

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• Clasificación de sólidos de Geldart • Variables características de un lecho fluidizado: umf , umcf , ut y TDH

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• Reactores de lecho fluidizado • Introducción al diseño de un lecho fluidizado burbujeante • Modelos para lechos fluidizados burbujeantes • Lechos fluidizados circulantes

3 Jose Manuel Toledo Gabriel Departamento de Ingeniería Química Universidad Complutense de Madrid. ‐

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Curso 2016 2017 ‐


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• Introducción • Descripción del fenómeno • Características Características de la fluidización • Ventajas e inconvenientes

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Curso 2016 2017 ‐

INTRODUCCION FLUIDIZACIÓN La fluidización es un tipo o modo de contacto entre sólidos granulares y fluidos, donde las partículas aparecen como suspendidas en el fluido que se mueve en sentido ascendente Empuje del fluido

PARTÍCULA

Peso partícula 5

Jose Manuel Toledo Gabriel Departamento de Ingeniería Química Universidad Complutense de Madrid. ‐

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Curso 2016 2017 ‐

INTRODUCCION FLUIDIZACIÓN Cuando la fluidización tiene lugar las partículas adquieren propiedades similares a las de un líquido. Fluidización incipiente o mínima fluidización

Lecho fijo

Fluidización homogénea Transporte neumático

Aumento u 0

Aumen to u 0 Aumento u 0

Fluidización heterogénea 6


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INTRODUCCION FLUIDIZACIÓN Características de un lecho fluidizado: Flotabilidad de objetos:

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Curso 2016 2017 ‐

INTRODUCCION FLUIDIZACIÓN Características de un lecho fluidizado:

Vasos comunicantes

Nivelación de la superficie del lecho

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Curso 2016 2017 ‐

INTRODUCCION FLUIDIZACIÓN Características de un lecho fluidizado: Descarga de sólidos

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Curso 2016 2017 ‐

INTRODUCCION FLUIDIZACIÓN Características de un lecho fluidizado: Esquemas de contacto gas-sólido

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Curso 2016 2017 ‐

INTRODUCCION FLUIDIZACIÓN  Ventajas:

• Isotermicidad del lecho. • Elevada superficie de contacto G S. Disminuye la resistencia a los ‐

efectos difusionales

• Fácil manejo de sólidos por sistemas neumáticos. Carga, descarga o transporte del sólido.

• Aumento de los coeficientes de transmisión de calor entre el lecho y superficies de calefacción. Se requiere una menor superficie de intercambio de calor.

• Procesos a gran escala. • Circulación de sólidos entre dos lechos fluidizados para un mejor aprovechamiento del calor. 11


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INTRODUCCION FLUIDIZACIÓN  Inconvenientes:

• Flujo del gas: desviación de fijo pistón. Las burbujas generan mal contacto entre el gas y el solido.

• Flujo del sólido: mezcla completa. • Erosión en tuberías y recipientes. • Sólidos de poca dureza sufren abrasión y elutriación del lecho. Necesidad de instalaciones de separación de sólidos

• Sinterización de partículas sólidas en reacciones a alta temperatura.

• Velocidad del gas restringida a las propiedades del sólido.

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Curso 2016 2017 ‐


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• Introducción • Descripción del fenómeno • Características de la fluidización • Ventajas e inconvenientes

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CLASIFICACIÓN DE SÓLIDOS DE GELDART

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CLASIFICACIÓN DE SÓLIDOS DE GELDART C Cohesivo, difícil de fluidizar

Características

A

B

D

Tamaño de burbuja estable

Burbujea a la umf

Tamaño grande de sólido

Alta

Moderada

Baja

PROPIEDADES Expansión lecho Baja con la existencia de canales

Burbujas

No existen. Canales y fracturas en el lecho

Tamaño estable. Grandes estelas de burbuja

La burbujas crecen con la altura del lecho

Pequeñas estelas

Mezcla sólidos

Muy baja

Alta

Moderada

Baja

Retromezcla gas

Muy baja

Alta

Moderada

Baja

Emboladas de sólidos

Simétricos respecto al eje

Simétricos y asimétricos

Espacio vacíos y emboladas de solidos en columnas pequeñas

"Spouting"

No

No. Excepto en lechos de baja altura

Solo en lechos de baja altura

Si. Incluso en lecho de gran altura

Sólidos típicos

Harina, cemento

Catalizador FCC

Arena silícea, sal

Grava, arroz, guisantes

"Slugging"

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CLASIFICACIÓN DE SÓLIDOS DE GELDART Sólido tipo A

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Curso 2016 2017 ‐

CLASIFICACIÓN DE SÓLIDOS DE GELDART Sólido tipo B

Velocidad alta

Velocidad baja 17


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Curso 2016 2017 ‐

CLASIFICACIÓN DE SÓLIDOS DE GELDART Sólido tipo C

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Curso 2016 2017 ‐

CLASIFICACIÓN DE SÓLIDOS DE GELDART Sólido tipo D

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Velocidad de mínima fluidización (umf ) Velocidad de paso del fluido a la cual se iguala el empuje del mismo en sentido ascendente con el peso de las partículas. Cálculo de la u mf experimental y teórica:

EXPERIMENTAL 20


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Curso 2016 2017 ‐

Velocidad de mínima fluidización (umf )

EXPERIMENTAL 21


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Curso 2016 2017 ‐

Velocidad de mínima fluidización (umf )

EXPERIMENTAL 22


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Curso 2016 2017 ‐

Velocidad de mínima fluidización (umf ) TEÓRICA: Ec. de Ergun

Re < 20

Re > 1000 23


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Curso 2016 2017 ‐

Velocidad de mínima fluidización (umf ) TEÓRICA: Si el factor de esfericidad y la porosidad no son conocidas se utiliza la aproximación de Wen y Yu

Re < 20

Re > 1000

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Velocidad de mínima fluidización (umf ) TEÓRICA: Para regimen laminar y un diámetro de partícula < 500 m:

Ec. Otero y Corella umf : cm/s dp: mm : g/cm3

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Velocidad mínima de completa fluidización (umcf )

Velocidad reducida

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Curso 2016 2017 ‐

Velocidad terminal (ut)

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Curso 2016 2017 ‐

Velocidad terminal (ut)

Para partículas esféricas:

Rep < 0.4

0.4 < Rep < 500

Rep > 500

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Curso 2016 2017 ‐

Altura crítica de recuperación de sólidos (TDH) Altura a partir de la cual la carga de sólidos presenta un valor constante

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Curso 2016 2017 ‐

Altura crítica de recuperación de sólidos (TDH) Correlaciones para su cálculo

FOURNOL

AMITIN

HORIO SMOLDERS AND BAEYENS DARTON 30


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• Introducción • Descripción del fenómeno • Características de la fluidización • Ventajas e inconvenientes

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DISEÑO DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE

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Curso 2016 2017 ‐

DISEÑO DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE Cálculo del diámetro medio de partícula 125-200  m

10 % en peso

200-300  m

20 % “

300-400  m

40 % “

400-500  m

20 % “

500-800  m

10 % “

= 158.1 m 244.9 m 346.4 m 447.2 m 632.4 m

Q (m3/s) = S (m2)·u (m/s)

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Curso 2016 2017 ‐

DISEÑO DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE Necesitamos calcular los parámetros característicos del lecho fluidizado.

Velocidad mínima fluidización, umf . Primero suponemos un régimen de flujo. Empezamos por laminar

Re < 20

umf = 0.102 m/s Comprobamos la suposición inicial

Remf = 2.12 < 20

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Curso 2016 2017 ‐


Velocidad terminal, ut. Primero suponemos un régimen de flujo. Empezamos por laminar

Rep < 0.4

ut = 0.99 m/s

Se utiliza el diámetro de partícula más pequeño

Rep = 8.2 > 0.4 0.4 < Rep < 500

ut = 0.88 m/s 35

Rep = 7.3

Suposición correcta


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Curso 2016 2017 ‐


Velocidad de operación, u0. Debe situarse entre la velocidad de mínima fluidización y la terminal

0.102 m/s < u0 < 0.88 m/s

u0 = 0.41 m/s

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Curso 2016 2017 ‐

DISEÑO DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE Tiempo espacial, . No conocemos L (altura del lecho). Aunque podemos calcular la altura del lecho en estado fijo

En estado fluidizado suponemos una expansión del lecho de un 30 % Lfluidizado = 1.3 L = 45.2 cm

 =

∙

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1.1 s


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Curso 2016 2017 ‐

DISEÑO DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE TDH

AMITIN TDH = 2.2 m

Altura total = 0.452 + 2.2 = 2.65 m

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Curso 2016 2017 ‐

MODELOS DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE

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Curso 2016 2017 ‐


B = burbuja D = fase densa C = nube E = emulsión

a) Modelo de dos fases. Todo el sólido asignado a la fase densa b) Modelo de dos fases. Nubes incluidas con la burbuja c) Modelo de tres fases 40


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Curso 2016 2017 ‐

MODELOS DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE Autores

A

B

C

D

E

F

G

Dos fases Kato and Wen (1969)

Fase burbujanube

Todo el gas en Flujo burbujas pistón

Tanques en serie

Estudios independientes

Por teoría de Davidson

Aumento con la altura de lecho

Werther (1980)

Burbuja libre de partículas

Teoría de fluidización de las dos fases

Flujo pistón

Correlación de planta piloto

N.A.

Aumento con la altura de lecho

Grace (1984)

Sólidos dispersos en burbuja


Estancado

Burbuja-fase densa

N.A.

Un único tamaño representativo

Sólidos dispersos en burbuja


Estancado

Burbuja-nube y nube-emulsión

Por teoría de Davidson

Un único tamaño representativo

Flujo pistón

Tres fases Kunii and Levenspiel (1969)

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Curso 2016 2017 ‐


A: Naturaleza de la fase diluida B: División del gas entre fases C: Dispersión axial en la fase diluida D: Dispersión axial en la fase densa E: Transferencia de materia entre fases F: Tamaño de nube G: Tamaño de burbuja

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Curso 2016 2017 ‐

MODELOS DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO BURBUJEANTE Modelo de Kunii Levenspiel ‐

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Curso 2016 2017

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Kf : Constante global de la velocidad para una reacción de primer orden, s 1. ‐

b: Volumen de sólidos dispersos en las burbujas

Kr: Constante cinética para una reacción de primer orden, s 1. Kbc: Coeficiente global de transferencia de materia entre la burbuja y la ‐

nube estela , s 1. c: Volumen de sólidos dispersos en la nube estela Kce: Coeficiente global de transferencia de materia entre la nube estela y la emulsión , s 1. e: Volumen de sólidos dispersos en la emulsión. ‐

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Curso 2016 2017 ‐


: Fracción de burbujas en un lecho fluidizado, sin dimensiones. : Tiempo espacial, s. f : Porosidad del lecho.

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Curso 2016 2017 ‐

LECHOS FLUIDIZADOS CIRCULANTES

Fracción de sólidos en el reactor (1

f )

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Curso 2016 2017 ‐


Zona densa Fracción de sólidos en el reactor (1

f )

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Curso 2016 2017 ‐


Zona diluida


f )

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Curso 2016 2017 ‐


Punto crítico


f )

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Curso 2016 2017 ‐


Fracción de sólidos en el reactor (1 50

f ).

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Resumen


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Curso 2016 2017 ‐

Fluidizacion y Reactores de Lecho Fluidizado

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