Descripción
Es la operación que consiste en poner en contacto un sólido, en forma de partículas, con un fluido que circula en forma continua a través de un dispositivo que generalmente es de forma tubular. En una operación tradicional, el fluido se hace circular de abajo hacia arriba en un cilindro conocido como columna de fluidización, y las partículas de sólido (lecho) se colocan en el interior. Si la velocidad de flujo del fluido es baja, las partículas permanecen agrupadas como si se tratara de un lecho fijo. Si el flujo del fluido se incrementa hasta lograr que las partículas se muevan de forma continua, en este momento las partículas adquieren las características de fluidez y se dice que el lecho está fluidizado.
La Columna de Fluidización
Los equipos que mayormente se usan en fluidización son de forma cilíndrica que pueden tener o no algunos aditamentos internos para modificar la dirección del fluido o la circulación de las partículas, dependiendo del tipo de aplicación. Todas las columnas de fluidización cuentan con un dispositivo llamado distribuidor que sirve de soporte de las partículas cuando el flujo del fluido se detiene por paro o arranque de la operación. Los diseños de los distribuidores dependen del tipo de aplicación y se pueden usar placas perforadas, placas de materiales porosos o mallas de material rígido.
Existen dos categorías de lechos fluidizados:
a) Sólidos fluidizados en un medio líquido.
b) Sólidos fluidizados en un medio gaseoso
Un incremento de la velocidad por encima de la mínima fluidización provoca un comportamiento diferente en el lecho dependiendo del sistema: líquido-sólido o gas-sólido. En el primer tipo de sistema un incremento en la velocidad por encima de la de mínima fluidización, normalmente da lugar a una suave y progresiva expansión del lecho, las posibles inestabilidades provocadas por un flujo irregular se amortiguan y en condiciones normales no se observan heterogeneidades ni formación de burbujas en el lecho.
En sistemas gas-sólido, este tipo de fluidización sólo tiene lugar en ciertos casos de partículas muy ligeras con gas denso a alta presión. Generalmente el comportamiento de los sistemas fluidizados por gas es bastante diferente; si se incrementa la velocidad del gas por encima de la correspondiente a la de mínima fluidización se observan grandes inestabilidades con aparición de burbujas y canales.
A mayores velocidades, la agitación pasa a ser más violenta y el movimiento de las partículas más vigoroso, y el lecho no se expande mucho más de su volumen de mínima fluidización. Este comportamiento se denomina “fluidización agregativa”, “burbujeante” o “heterogénea”.
Fenómeno de Fluidización
Si un fluido en movimiento ascendente a baja velocidad atraviesa un lecho de finas partículas, en principio el fluido se filtra a través de los espacios entre éstas, que permanecen estacionarias; este estado se denomina de lecho fijo. Con un incremento en la velocidad del fluido, las partículas se mueven de forma independiente por medio de pequeñas vibraciones. Si se sigue aumentando la velocidad, se alcanza un punto donde todas las partículas se encuentran suspendidas por el flujo ascendente de gas o líquido. En este punto la fuerza de fricción entre el fluido y las partículas se equilibra con el peso de éstas, desapareciendo entonces la componente vertical de la fuerza de compresión entre partículas adyacentes. De este modo, la pérdida de carga a través de un volumen determinado de lecho es igual al peso de las partículas existentes por unidad de área.
Ventajas de aplicación de los lechos fluidizados
Los lechos fluidizados muestran ciertas características deseables durante su operación. Entre los aspectos ventajosos de estos sistemas se destacan los siguientes:
- El comportamiento fluido que presentan las partículas en estado de fluidización permite desarrollar las operaciones con facilidad.
- La rapidez con que se mezclan las partículas facilita la consecución de valores de temperatura constantes en todo el lecho, lo que confiere sencillez y seguridad al control de la operación.
- Un lecho con partículas bien mezcladas resiste con eficacia las rápidas variaciones de temperatura, responde lentamente a los cambios bruscos en las condiciones de operación y ofrece un gran margen de seguridad, evitando pérdidas de temperatura en reacciones altamente exotérmicas.
- La circulación de sólidos entre dos lechos fluidizados hace posible conservar (o suministrar) grandes cantidades de calor que se puedan producir (o necesitar) en reactores de gran tamaño.
- Las velocidades de transferencia de calor y masa entre el gas y las partículas son mayores que en otros sistemas de mezclado.
- La capacidad de transferencia de calor entre un lecho fluidizado y un objeto inmerso en él es alta, por lo que los intercambiadores de calor dentro de los lechos fluidizados requieren una superficie de transferencia relativamente baja.
- La convincente ventaja relativa a la economía de utilización de los lechos fluidizados es la principal responsable de su desarrollo con éxito en operaciones industriales
Los lechos fluidizados tienen ciertas desventajas las cuales se mencionan a continuación:
- En lechos con fluidización burbujeante de partículas finas, la dificultad para definir el flujo de gas supone un mezclado ineficiente.
- La rápida mezcla de partículas en el lecho provoca tiempos de residencia variables.
- En el tratamiento continuo de sólidos, se tiene un producto no uniforme y un rendimiento bajo.
- Para reacciones catalíticas el movimiento de partículas catalizadoras porosas, que continuamente capturan y liberan moléculas de gas reactante.
Comportamiento de un fluido de lecho fluidizado
Un lecho de partículas de fase densa fluidizada con gas se asemeja mucho a un líquido en ebullición y, en muchos aspectos, muestra un comportamiento similar al de un fluido. De esta manera, un objeto de tamaño grande y poca densidad que se sumerge en el lecho fluidizado aparece inmediatamente en la superficie al dejarlo libre y Ilota. Por otra parte, si se inclina el depósito la superficie superior del lecho permanece horizontal y al conectar dos lechos fluidizados independientes sus niveles se igualan. Además, la diferencia de presión entre dos puntos del lecho es proporcional a la diferencia de altura entre ellos.
Parámetros de diseño de lecho fluidizado
En un lecho fluidizado se relacionan cuatro diferentes tipos de velocidades que se presentan en diferentes fases o tipos de lecho, éstas son las siguientes:
- velocidad superficial del gas,
- velocidad mínima de fluidización,
- velocidad terminal y
- la velocidad mínima de burbujeo
Características de las partículas sólidas
Es vital obtener las propiedades de la partícula ya que estos valores ayudan a encontrar factores importantes, tanto teóricos como experimentales de un lecho fluidizado, como la velocidad mínima de fluidización
Estas propiedades son:
- esfericidad,
- porosidad,
- densidad, y
- área superficial.
Diseño de lechos fluidizados
Aplicaciones de la fluidización
Gracias a las buenas propiedades que presentan los lechos fluidos su uso se ha extendido en el ámbito industrial.
a)OPERACIONES FÍSICAS
- Intercambio de calor
- Recubrimiento de metales.
- Secado de sólidos.
- Recubrimiento de objetos y crecimiento de partículas.
- Adsorción
b)REACCIONES DE SÍNTESIS
La necesidad de mantener un estricto control de la temperatura en la zona en la que se produce la reacción hace que el uso de lechos fluidizados en fase gas con catalizadores sólidos suponga una gran ventaja frente a los lechos fijos. Dicha necesidad está justificada por las siguientes razones:
- La operación puede ser explosiva fuera de un estrecho rango de temperaturas.
- La obtención de los productos deseados es dependiente de la temperatura de la operación.
- La concentración de altas temperaturas en el catalizador puede producir su rápido deterioro.
- Las reacciones son exotérmicas lo que hace muy difícil el control de la temperatura
c)CRAQUEO DE COMBUSTIBLE
La ruptura catalítica de hidrocarburos en elementos de menor peso molecular, denominadas reacciones de craqueo, está dominada por dos características fundamentales, las reacciones endotérmicas, y en las superficies de los sólidos cercanos se deposita carbono.
Estas características junto con las grandes cantidades de material a tratar determinan el tipo de proceso utilizado industrialmente para estas reacciones. Básicamente, estos procesos se dividen en dos partes:
- Absorción de calor, reacción y deposición de carbono.
- El carbono depositado se quema y se recupera el calor.
d)CARBONIZACIÓN Y GASIFICACIÓN
e) BIOFLUIDIZACIÓN
f) CALCINACIÓN
BIBLIOGRAFÍA
- Jácome Ramírez María Elizabeth, Tesis “Condiciones de operación de un secador de lecho fluidizado en el procesamiento de hoja de buganvilia para infusión rica en betalainas” Universidad Veracruzana, Facultad de Ciencias Químicas, 2015.
- De Prada Díaz Ángel (2014), “Estudio experimental de la aglomeración de partículas en un lecho fluidizado” (17 de abril de 2021), Obtenido de: https://core.ac.uk/download/pdf/44310631.pdf
- Arriola Guevara E., Guatemala Morales G.M Garcia Herrera T. Y Garcia Fajardo J.A. Mayo 2003. Diseño de un Sistema de Lechos Fuente en Multietapa para su Aplicación en Procesamiento de Granos. XXIV Encuentro Nacional de la AMIQ. Xalapa Zihuatanejo,Gro.
- Daizo Kunii, Octave Levenspiel, FLUIDIZATION ENGINEERING second Edition. Butterworth Heinemann 1991.