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2.2.4 Altura del lecho fluidizado Procesos de Separacin 1

Instituto Tecnolgico de Toluca Departamento de Ingeniera Qumica y Bioqumica

Elabor: M.C. Yenissei M. Hernndez Castaeda (yenissei@gmail.com)

Fluidizacin

La fluidizacin es el fenmeno por el cual un lecho de partculas slidas se suspenden en el seno de un gas o un lquido, adquiriendo un comportamiento semejante al de un fluido.

Si un fluido en movimiento ascendente a baja velocidad atraviesa un lecho de finas partculas, en principio el fluido se filtra a travs de los espacios entre stas, que permanecen estacionarias; este estado se denomina de lecho fijo.

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Fluidizacin

De acuerdo a Ergun al aumentar la velocidad de aproximacin aumenta la cada de presin.

Si la velocidad sigue aumentando llega u momento en que la cada de presin igualar a la fuerza gravitatoria sobre la masa de las partculas.

A ste punto se le conoce como fluidizacin mnima.

Fluidizacin mnima

La velocidad a la cual empieza la fluidizacin se llama velocidad de fluidizacin mnima, vmf

La porosidad del lecho cuando ocurre la verdadera fluidizacin es la porosidad mnima para la fluidizacin, mf

En la fluidizacin mnima a medida que la

velocidad de flujo aumenta, la cada de presin tambin.

El lecho se expande hasta este ahuecamiento o porosidad antes de que aparezca el movimiento de las partculas.

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Fluidizacin

Al seguir aumentando la presin la cada de presin decrece un poco y despus permanece prcticamente constante mientras el lecho sigue expandindose o aumentando su porosidad.

Cuando el aumento de la velocidad es muy grande el arrastre de partculas del lecho fluidizado se vuelve apreciable.

Etapas de la Fluidizacin

F.Cunill, M.Iborra, J.Tejero

AMPLIACIN DE REACTORES QUMICOS, Pgina 1

1. REACTORES CATALITICOS DE LECHO FLUIDIZADO 1.1 Hidrodinmica de la fluidizacin Un lecho fluidizado es un lecho de partculas slidas en suspensin por efecto del flujo ascendente de un fluido. Dependiendo del tipo de fluido se pueden distinguir dos tipos de lechos fluidizados: el gas-slido y el lquido-slido. No obstante, casi todas las aplicaciones comerciales conciernen a sistemas gas-slido, que ser el sistema tratado en este captulo. En la figura 1.1-1 se observan sucesivos estados del sistema gas-slido a medida que aumenta la velocidad de paso del gas. En el estado (a), el lecho de partculas permanece esttico comportndose como un lecho fijo. En el (b), el lecho esta expandido con una distribucin relativamente uniforme de las partculas, que, a su vez, presentan un movimiento catico. No se observan burbujas de ningn tipo y tamao. En el estado (c), correspondiente a velocidades del fluido mayores que en (a) y (b), el lecho se ha vuelto ha expander debido a la presencia de burbujas de fluido. En es estado (d), debido a la elevada velocidad se forman grandes burbujas que pueden llegar a ocupar todo el dimetro del reactor, y se puede iniciar ya el arrastre de las partculas. Finalmente en (e), se muestra el arrastre de las partculas fuera del reactor. El movimiento aleatorio de las partculas causado por el flujo del fluido en el estadio (b) slo se puede conseguir si la velocidad del fluido excede un cierto lmite. Este lmite se llama generalmente velocidad mnima de fluidizacin. Por encima de esta velocidad el lecho se pone en movimiento y se expande. En los sistemas fluidizados, el slido adquiere propiedades parecidas a las de un lquido como, por ejemplo, la viscosidad. Otras propiedades interesantes que adquiere el lecho fluidizado parecidas a las del lquido son: la de mantener la superficie horizontal al inclinar el contenedor y la circulacin del slido al perforar la pared. La buena agitacin del slido, provocada por las burbujas, junto con el pequeo tamao frecuente de partculas (50-250 micrones), hace que sean despreciables los gradientes de materia y de calor tanto en el reactor como en las partculas. De ello resulta un reactor que normalmente es isotermo y que no suele presentar problemas importantes de transferencia interna de materia en el slido. Por otro lado, dado que se comporta como un

lquido se facilita su manejo y transporte mecnico o "bombeo". La desventaja es que el gas normalmente fluye en forma de burbujas y no est mezclado reducindose el contacto. Tambin es posible que la agitacin vigorosa del slido origine su atricin y la erosin de las paredes y dispositivos internos del reactor. Sin embargo, las ventajas suelen sobrepasar a las desventajas, por lo que estos tipos de dispositivos son ampliamente usados. Sin embargo, la falta de modelos reales de flujo y contacto hacen complicado el cambio de escala.

Figura 1.1-1: Varios estados de contacto entre carga slidos y un fluido

F.Cunill, M.Iborra, J.Tejero

AMPLIACIN DE REACTORES QUMICOS, Pgina 1

1. REACTORES CATALITICOS DE LECHO FLUIDIZADO 1.1 Hidrodinmica de la fluidizacin Un lecho fluidizado es un lecho de partculas slidas en suspensin por efecto del flujo ascendente de un fluido. Dependiendo del tipo de fluido se pueden distinguir dos tipos de lechos fluidizados: el gas-slido y el lquido-slido. No obstante, casi todas las aplicaciones comerciales conciernen a sistemas gas-slido, que ser el sistema tratado en este captulo. En la figura 1.1-1 se observan sucesivos estados del sistema gas-slido a medida que aumenta la velocidad de paso del gas. En el estado (a), el lecho de partculas permanece esttico comportndose como un lecho fijo. En el (b), el lecho esta expandido con una distribucin relativamente uniforme de las partculas, que, a su vez, presentan un movimiento catico. No se observan burbujas de ningn tipo y tamao. En el estado (c), correspondiente a velocidades del fluido mayores que en (a) y (b), el lecho se ha vuelto ha expander debido a la presencia de burbujas de fluido. En es estado (d), debido a la elevada velocidad se forman grandes burbujas que pueden llegar a ocupar todo el dimetro del reactor, y se puede iniciar ya el arrastre de las partculas. Finalmente en (e), se muestra el arrastre de las partculas fuera del reactor. El movimiento aleatorio de las partculas causado por el flujo del fluido en el estadio (b) slo se puede conseguir si la velocidad del fluido excede un cierto lmite. Este lmite se llama generalmente velocidad mnima de fluidizacin. Por encima de esta velocidad el lecho se pone en movimiento y se expande. En los sistemas fluidizados, el slido adquiere propiedades parecidas a las de un lquido como, por ejemplo, la viscosidad. Otras propiedades interesantes que adquiere el lecho fluidizado parecidas a las del lquido son: la de mantener la superficie horizontal al inclinar el contenedor y la circulacin del slido al perforar la pared. La buena agitacin del slido, provocada por las burbujas, junto con el pequeo tamao frecuente de partculas (50-250 micrones), hace que sean despreciables los gradientes de materia y de calor tanto en el reactor como en las partculas. De ello resulta un reactor que normalmente es isotermo y que no suele presentar problemas importantes de transferencia interna de materia en el slido. Por otro lado, dado que se comporta como un

lquido se facilita su manejo y transporte mecnico o "bombeo". La desventaja es que el gas normalmente fluye en forma de burbujas y no est mezclado reducindose el contacto. Tambin es posible que la agitacin vigorosa del slido origine su atricin y la erosin de las paredes y dispositivos internos del reactor. Sin embargo, las ventajas suelen sobrepasar a las desventajas, por lo que estos tipos de dispositivos son ampliamente usados. Sin embargo, la falta de modelos reales de flujo y contacto hacen complicado el cambio de escala.

Figura 1.1-1: Varios estados de contacto entre carga slidos y un fluido

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Fluidizacin

Lecho hirviente

Fluidizacin continua

(con arrastre de

slidos)

P = Fg Las partculas

empiezan a moverse

Menor compactacin

Se forman torbellinos

La cada de presin

aumenta ms lentamente que

en el lecho relleno

Las partculas son arrastradas, la

porosidad se acerca a 1 y el lecho deja

de existir

Fluidizacin discontinua (sin arrastre de slidos)

Tipos principales de Fluidizacin

1. Fluidizacin de partculas

Cuando la densidad de la partcula y el fluido no son muy diferentes.

La partculas son pequeas y la velocidad de flujo es baja.

El lecho se fluidiza de manera uniforme con cada partcula, m o v i n d o s e d e m a n e r a individual a travs de una trayectoria libre.

La fase densa tiene muchas de las caractersticas de un lquido.

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Tipos principales de Fluidizacin

2. Fluidizacin de agregados

Cuando la densidad de la partcula y el fluido son muy diferentes.

La partculas son grandes y la velocidad de flujo es alta.

La mayor parte del fluido pasa a travs del lecho en grandes burbujas.

Estas burbujas desaparecen en la superficie dando lugar a una aspersin de partculas slidas por encima del lecho.

Adems:

Los lechos fluidizados muestran desviaciones y cortocircuitos

considerables (flujo intermitente e inestable de grandes burbujas a

travs del lecho).

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Adems:

NFR =v 2

Dpg=

energa cinticaenerga gravitacionalNmero de Froude

NFR( ) NRe( )particula

!

"##

$

%&&

LD

!

"#

$

%&100 Fludizacin por partculas

NFR( ) NRe( )particula

"

#$$

%

&''

LD

"

#$

%

&'100 Fludizacin de agregados

Altura de lecho fluidizado

En la medida en que se incrementa la velocidad del fluido el lecho se expande, algunas veces hasta 2.5 veces Lmf.

La cantidad exacta depende del diseo del distribuidor y del dimetro del lecho, por lo que es difcil predecir sobre la base de resultados del laboratorio o planta piloto.

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Altura de lecho fluidizado

Al disear un lecho fluidizado el/la ingeniero/a debe considerar no slo la expansin del lecho, sino tambin la altura por encima de la parte superior del lecho, requerida para alcanzar una separacin adecuada s l i d o - f l u i d o , l a a l t u r a d e desacoplamiento de transporte (ADT).

E l A D T d e p e n d e d e l a s caractersticas del sistema fluido-slido y no se ha encontrado una correlacin adecuada.

Fluidizacin por lquidos

Un incremento en la velocidad por encima de la correspondiente a la mnima fluidizacin, normalmente da lugar a una suave y progresiva expansin del lecho.

No se observan heterogeneidades ni formacin de burbujas en el lecho. Un lecho con estas caractersticas se denomina de fluidizacin particulada, no burbujeante u homognea

CAPTULO 2. CONCEPTOS DE FLUIDIZACIN

mucho ms de su volumen de mnima fluidizacin. Un lecho con este comportamiento se denomina de fluidizacin agregativa, burbujeante o heterognea (Figura 2.1(d)). En ocasiones concretas, los sistemas fluidizados por lquido tambin se comportan como lechos burbujeantes; tal es el caso de slidos muy densos fluidizados por lquidos de baja densidad. Los lechos fluidizados tanto por lquido como por gas se consideran lechos fluidizados de fase densa, puesto que existe un lmite superior que define con claridad la superficie del lecho de partculas. En sistemas fluidizados por gas, a velocidades por encima de la de mnima fluidizacin, se produce la coalescencia de burbujas de gas y crecimiento de stas a medida que ascienden por el lecho. En ocasiones, en lechos de elevada longitud y pequeo dimetro, las burbujas pueden llegar a ser lo suficientemente grandes como para extenderse a lo ancho del depsito. Se produce entonces lo que se conoce como fenmeno de slugging, caracterizado por la aparicin de burbujas de dimetro prximo al del depsito, denominadas slugs. El slugging puede ser de dos tipos, dependiendo del tamao de las partculas del lecho. En el caso de partculas ms finas, stas caen suavemente hacia abajo por la pared que rodea las burbujas, dando lugar a burbujas de tamao elevado; el fenmeno se conoce con el nombre de slugging con slugs axiales (Figura 2.1(e)). Para partculas de mayor grosor, la fraccin de lecho por encima de las burbujas es empujada aguas arriba, como si lo hiciera un pistn. Las partculas caen desde el slug, que finalmente se desintegra. A partir de dicho instante aparece un nuevo slug, repitindose continuamente este movimiento inestable. El comportamiento se llama slugging con slugs de pared (Figura 2.1(f)). El fenmeno de slugging se debe tener especialmente en cuenta en el diseo de lechos fluidizados largos y estrechos.

(a) (b) (c) (d)

ESTUDIO HIDRODINMICO DE UN LECHO FLUIDIZADO 13

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Fluidizacin por gases

Al producirse un incremento en la velocidad del gas por encima de la correspondiente a la mnima fluidizacin, se observan grandes inestabilidades con aparicin de burbujas y canales.

A mayores velocidades, la agitacin pasa a ser ms violenta y el movimiento de las partculas ms vigoroso; adems, el lecho no se expande mucho ms de su volumen de mnima fluidizacin.

Un lecho con este comportamiento se denomina de fluidizacin agregativa, burbujeante o heterognea.

CAPTULO 2. CONCEPTOS DE FLUIDIZACIN

mucho ms de su volumen de mnima fluidizacin. Un lecho con este comportamiento se denomina de fluidizacin agregativa, burbujeante o heterognea (Figura 2.1(d)). En ocasiones concretas, los sistemas fluidizados por lquido tambin se comportan como lechos burbujeantes; tal es el caso de slidos muy densos fluidizados por lquidos de baja densidad. Los lechos fluidizados tanto por lquido como por gas se consideran lechos fluidizados de fase densa, puesto que existe un lmite superior que define con claridad la superficie del lecho de partculas. En sistemas fluidizados por gas, a velocidades por encima de la de mnima fluidizacin, se produce la coalescencia de burbujas de gas y crecimiento de stas a medida que ascienden por el lecho. En ocasiones, en lechos de elevada longitud y pequeo dimetro, las burbujas pueden llegar a ser lo suficientemente grandes como para extenderse a lo ancho del depsito. Se produce entonces lo que se conoce como fenmeno de slugging, caracterizado por la aparicin de burbujas de dimetro prximo al del depsito, denominadas slugs. El slugging puede ser de dos tipos, dependiendo del tamao de las partculas del lecho. En el caso de partculas ms finas, stas caen suavemente hacia abajo por la pared que rodea las burbujas, dando lugar a burbujas de tamao elevado; el fenmeno se conoce con el nombre de slugging con slugs axiales (Figura 2.1(e)). Para partculas de mayor grosor, la fraccin de lecho por encima de las burbujas es empujada aguas arriba, como si lo hiciera un pistn. Las partculas caen desde el slug, que finalmente se desintegra. A partir de dicho instante aparece un nuevo slug, repitindose continuamente este movimiento inestable. El comportamiento se llama slugging con slugs de pared (Figura 2.1(f)). El fenmeno de slugging se debe tener especialmente en cuenta en el diseo de lechos fluidizados largos y estrechos.

(a) (b) (c) (d)

ESTUDIO HIDRODINMICO DE UN LECHO FLUIDIZADO 13

Fluidizacin

En ocasiones concretas, los sistemas fluidizados por lquido tambin se comportan como lechos burbujeantes; tal es el caso de slidos muy densos fluidizados por lquidos de baja densidad.

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Propiedades de los lechos fluidizados

Un lecho de partculas de fase densa fluidizado con gas se asemeja mucho a un lquido en ebullicin y, en muchos aspectos, muestra un comportamiento similar al de un fluido.

Un objeto de tamao grande y poca densidad que se sumerge en el lecho fluidizado aparece inmediatamente en la superficie al dejarlo libre y flota.

CAPTULO 2. CONCEPTOS DE FLUIDIZACIN

(a) (b)

(c) (d) (e)

Figura 2.4. Comportamiento fluido de un lecho de partculas fluidizado [1]: (a) Los objetos ligeros flotan sobre la superficie del lecho; (b) Las partculas

abandonan el lecho describiendo un chorro a travs de un agujero practicado en la pared; (c) La superficie se mantiene horizontal al inclinar el lecho; (d) Al poner en contacto dos lechos sus niveles se igualan; (e) La diferencia de presin entre dos

puntos del lecho es proporcional a la diferencia entre sus alturas.

ESTUDIO HIDRODINMICO DE UN LECHO FLUIDIZADO 17

Propiedades de los lechos fluidizados

E l l e c h o t a m b i n t i e n e propiedades semejantes a las del flujo de lquidos; as, las partculas se desplazan formando un chorro a travs de un orificio en la pared del depsito y pueden formar un flujo desde un depsito a otro, como si de un lquido se tratara.

CAPTULO 2. CONCEPTOS DE FLUIDIZACIN

(a) (b)

(c) (d) (e)

Figura 2.4. Comportamiento fluido de un lecho de partculas fluidizado [1]: (a) Los objetos ligeros flotan sobre la superficie del lecho; (b) Las partculas

abandonan el lecho describiendo un chorro a travs de un agujero practicado en la pared; (c) La superficie se mantiene horizontal al inclinar el lecho; (d) Al poner en contacto dos lechos sus niveles se igualan; (e) La diferencia de presin entre dos

puntos del lecho es proporcional a la diferencia entre sus alturas.

ESTUDIO HIDRODINMICO DE UN LECHO FLUIDIZADO 17

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Propiedades de los lechos fluidizados

Si se inclina el depsito la superficie superior del lecho permanece horizontal y al conectar dos lechos fluidizados independientes sus niveles se igualan. La diferencia de presin entre dos puntos del lecho es proporcional a la diferencia de altura entre ellos.

CAPTULO 2. CONCEPTOS DE FLUIDIZACIN

(a) (b)

(c) (d) (e)

Figura 2.4. Comportamiento fluido de un lecho de partculas fluidizado [1]: (a) Los objetos ligeros flotan sobre la superficie del lecho; (b) Las partculas

abandonan el lecho describiendo un chorro a travs de un agujero practicado en la pared; (c) La superficie se mantiene horizontal al inclinar el lecho; (d) Al poner en contacto dos lechos sus niveles se igualan; (e) La diferencia de presin entre dos

puntos del lecho es proporcional a la diferencia entre sus alturas.

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CAPTULO 2. CONCEPTOS DE FLUIDIZACIN

(a) (b)

(c) (d) (e)

Figura 2.4. Comportamiento fluido de un lecho de partculas fluidizado [1]: (a) Los objetos ligeros flotan sobre la superficie del lecho; (b) Las partculas

abandonan el lecho describiendo un chorro a travs de un agujero practicado en la pared; (c) La superficie se mantiene horizontal al inclinar el lecho; (d) Al poner en contacto dos lechos sus niveles se igualan; (e) La diferencia de presin entre dos

puntos del lecho es proporcional a la diferencia entre sus alturas.

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Calidad de fluidizacin

La capacidad para fluidizar de las partculas, y las condiciones de operacin que lo permiten, varan mucho de unos sistemas a otros y estn influidas por mltiples factores:

Tamao de los slidos y su distribucin Relacin de densidades entre el fluido y las partculas Geometra del lecho Dispositivos de alimentacin de gas Tipo de partcula utilizada, o el hecho de que los slidos puedan

fluir libremente o tiendan a aglomerarse

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Ecuaciones de lechos fluidizados