Caída de presión en lecho fluidizado

INTRODUCCIÓN

Como definición podemos decir que un lecho fluidizado es aquel compuesto de partículas suspendidas (polvo u otro material particulado sólido) en un flujo ascendente de aire u otro gas, que se comporta como fluido; su eficiencia en la transferencia de calor o humedad entre un gas y un sólido es muy alta, o en la producción de ciertas reacciones químicas.

Los equipos de lecho fluidizado son equipos utilizados en la industria de hidrocarburos, para procesos heterogéneos gas-sólido, en estos equipos se presenta el fenómeno de caída de presión.

Podemos encontrarnos con algunos tipos de equipos de lecho fluidizado, como lo son los reactores de flujo ascendente o también llamados “riser”, así como los de flujo descendente o “downer”.  Los riser tienen una distribución no uniforme de los tiempos de residencia para los sólidos, además de una distribución no homogénea en la dirección radial, estos diferentes tipos de contacto entre el gas y fases sólidas genera en ocasiones retromezcla de catalizador donde a sobre-caqueo y una reducción en la selectividad.

Hablando de velocidad, los sólidos son transportados hacia arriba por el centro del riser y descienden por paredes, quedando el centro diluido, para que las partículas puedan ser transportadas ascendentemente, la caída de presión axial debe ser mayor que el peso de la región diluida, el peso de la región anular debe ser inferior a la caída de presión axial, de esta forma desciende lentamente y el núcleo es más amplio en la parte inferior de la columna que en la cima, habiendo así recirculación interna.

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MARCO TEORICO

Un lecho de partículas sueltas ofrece resistencia a un fluido que atraviesa el lecho. Al mismo tiempo que la velocidad del flujo aumenta, la fuerza de arrastre ejercida en las partículas también aumenta. Si el fluido fluye hacia arriba la fuerza de arrastre tendera a causar movimientos y vibraciones entre las partículas. En el incremento en el fluido, la expansión continuara y alcanzara un estado donde las fuerzas de arrastre ejercidas serán suficientes para soportar el peso de las partículas y la comprensión debida al mismo peso de las partículas desaparecerá. En este proceso, la caída de presión a través del lecho será igual al peso del lecho donde pasa el fluido.

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La fluidización durante el proceso puede notarse de maneras diferente, dependiendo si el fluido es liquido o gas. Los líquidos continúan con la expansión uniforme del lecho debido al incremento de velocidad del flujo, mientras que los gases, la expansión ya no seria uniforme y seria interrumpida por cavidades. Un ejemplo visual de esta última es el vapor en un líquido hirviendo. Esto se debe a las propiedades del flujo gaseoso, la cantidad de partículas que existen, el diseño del lecho y el tipo de distribuidor usado.

Podemos encontrar diferentes tipos de lechos fluidizados, por ejemplo:

• Lecho fluidizado estacionario o burbujeante es el enfoque clásico donde se usa el gas a bajas velocidades y la fluidización de los sólidos es relativamente estacionaria, con algunas partículas arrastradas.

• Lecho fluidizado circulante (CFB), donde los gases están a una velocidad mas alta, suficiente para suspender el lecho de partículas, debido a una mayor energía cinética del fluido. Como tal, la superficie del lecho es menos lisa y se pueden arrastrar partículas mas grandes desde el lecho que para lechos estacionarios. Las partículas se recirculan a través de un bucle externo de regreso al lecho del reactor. Dependiendo del proceso, las partículas pueden clasificarse por un separador ciclónico y separarse o devolverse al lecho, según el tamaño de corte de la partícula.

• Lecho fluidizado vibratorio es similar a los estacionarios. Pero agregan una vibración mecánica para excitar aún más las partículas para aumentar el arrastre.

• Lecho fluidizado anular (AFB), es una gran boquilla en el centro de un lecho de burbujas introduce gas a alta velocidad, logrando una zona de mezcla rápida por encima del lecho circundante comparable a la que se encuentra en el bucle externo de un CFB.

• Lecho fluidizado estrecho (NFB). Para este caso, la relación entre el tubo y los diámetros de grano es igual o menor que alrededor de 10. La dinámica del lecho es entonces diferente de los otros tipos de lechos fluidizados debido a los fuertes efectos de confinamiento, y la presencia de tapones granulares, que consisten en regiones con altas concentraciones en sólidos que alternan con bajas concentraciones de sólidos.

Los lechos fluidizados se utilizan como un proceso técnico que tiene la capacidad de promover altos niveles de contacto entre gases y sólidos. En un lecho fluidizado se puede utilizar un conjunto característico de propiedades básicas, indispensables para los procesos modernos y la ingeniería química, estas propiedades incluyen:

• Área de superficie extremadamente alta entre el fluido y el sólido por unidad de volumen de lecho.
• Altas velocidades relativas entre el fluido y la fase sólida dispersada.
• Altos niveles de entremezclado de la fase particulada.
• Colisiones frecuentes partícula-partícula y partícula-pared.

Tomando un ejemplo de la industria de procesamiento de alimentos: los lechos fluidizados se utilizan para acelerar el proceso en algunos reactores de túnel de congelación rápida individual (IQF). Estos túneles de lecho fluidizado se usan típicamente en productos alimenticios pequeños como guisantes, camarones o verduras en rodajas, y pueden usar refrigeración criogénica o de compresión por vapor. El fluido utilizado en lechos fluidizados también puede contener un fluido de tipo catalítico; por eso también se utiliza para catalizar la reacción química y también para mejorar la velocidad de reacción.

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