Lechos Fluidizados

Movimiento de un fluido en presencia de partículas solidas

Un caso especial de movimiento de fluidos lo constituye el flujo a través de lechos porosos formados, bien por un cuerpo sólido atravesado por poros o canales de pequeño tamaño, o bien por un conjunto de partículas en contacto unas con otras que dejan espacios huecos por los que se desplaza el fluido. En este caso el concepto de lecho implica que las partículas no son arrastradas por el fluido aunque se permita un ligero desplazamiento de las mismas.

Aunque es la filtración la principal Operación Unitaria en la que se presenta este tipo de flujo, existen otras en las que el transporte de materia o calor entre fluidos y partículas sólidas necesitan el concurso de este modelo. Incluso las transferencias entre fases fluidas se ven muchas veces favorecidas por la presencia de partículas sólidas que, no participando realmente en el transporte, permite aumentar la velocidad del mismo a través de un incremento en la superficie de contacto entre ambas fases. En ocasiones, el flujo de un fluido a través del lecho persigue el efecto de aumentar la porosidad del mismo, llegando incluso a una situación en la que las partículas no se tocan entre ellas; este fenómeno, denominado de fluidización, aumenta considerablemente la superficie específica del conjunto de partículas y es utilizado en aquellos casos en que los fenómenos superficiales son determinantes.

Lechos Fluidizados

Tipos de lechos fluidizados.

Si se hace circular un fluido a través de un lecho de sólidos, con dirección descendente, no tiene lugar ningún movimiento relativo entre las partículas a menos que la orientación inicial de las mismas sea inestable. Si el flujo es laminar, la caída de presión a través del lecho será directamente proporcional a la velocidad de flujo, aumentando más rápidamente a grandes velocidades. En este caso siempre tenemos un lecho fijo.

Si el fluido circula a través del lecho en dirección ascendente, y el caudal es muy pequeño, se seguirá obteniendo un lecho fijo de partículas, y la caída de presión será la misma que en el caso anterior. Si se incrementa poco a poco el caudal de fluido, la pérdida de presión que sufre el fluido será cada vez mayor, de acuerdo con la ecuación de Ergun. Al aumentar el caudal, llegará un momento en que la fuerza que pierde el fluido por rozamiento sobre las partículas sea igual a su peso aparente (peso real menos empuje) de las mismas, y éstas sufren una reordenación para ofrecer una resistencia menor al desplazamiento del gas y el lecho se expansiona, quedando en suspensión en la corriente de fluido, y se producen pequeñas vibraciones (sobre todo en la superficie). Justo en el punto en que el lecho se expansiona se denomina estado de mínima de fluidización, y a la velocidad superficial a la que se produce, velocidad mínima de fluidización Si entonces se aumenta aún más la velocidad por encima de este punto, las partículas del sólido se mantienen en suspensión en la corriente gaseosa, diciéndose que el lecho es fluidizado. Mientras es fácil de distinguir entre los lechos fijos (está quieto) y fluidizados (está suspendido), el estado de mínima fluidización es el punto de transición entre los anteriores, y muy difícil de observar.

Figura 4.1. Tipos de lechos

En función del tipo de fluido (líquido y gas), y del tamaño de las partículas, los lechos fluidizados se comportan de forma diferente. En sistemas sólido líquido, un aumento de la velocidad de flujo sobre la mínima de fluidización produce una expansión progresiva y homogénea del lecho. Es un lecho homogéneamente fluidizado.

Generalmente el comportamiento de los sistemas sólido-gas es bastante diferente:

• Si las partículas son pequeñas, primero tienen fluidización homogénea (como con líquidos). Sin embargo, si se sigue aumentando la velocidad, llega un momento en que se supera la el punto de mínimo burbujeo. A partir de aquí, se produce una gran agitación con formación de burbujas y canales preferenciales de paso de gas. Además el lecho no se expande mucho sobre su volumen de mínima fluidización. Este tipo de lecho se conoce como lecho fluidizado burbujeante. El lecho toma el aspecto de un líquido en ebullición, moviéndose los sólidos vigorosamente y ascendiendo rápidamente grandes burbujas a través del lecho.

• Si las partículas son de tamaño intermedio, tras el estado de mínima fluidización, aparece directamente la fluidización burbujeante. A medida que aumenta la velocidad, en los sistemas gas sólido, las burbujas son más rápidas y pueden coalescer y crecen a medida que ascienden. Si el lecho es profundo y la velocidad de paso de gas es alta la coalescencia de las burbujas puede llegar a alcanzar el diámetro del tubo, formándose tapones de gas que ocupan la sección transversal. Estos tapones de gas quedan alternados con zonas de sólidos fluidizados que son transportados hacia arriba, deshaciéndose a continuación y cayendo los sólidos de nuevo. Este tipo de lecho se llama lecho fragmentado y al fenómeno se le llama slug.

• Si se sigue elevando la velocidad del gas, se puede superar la velocidad terminal del sólido, con lo que se produce un arrastre apreciable de sólidos al exterior (aunque no necesariamente masivo). Se tiene pues un lecho fluidizado disperso con transporte neumático de sólidos, en contraposición al lecho de fase densa. En este caso el sólido que sale por la parte superior del reactor suele ser recuperado mediante ciclones y devuelto al lecho, se tiene pues un lecho fluidizado circulante, que puede ser interno o externo.

Según Kunii y Levenspiel, la Fluidización es “aquella operación en la cual partículas sólidas se transforman en un estado fluido, mediante la suspensión producida por la acción de una corriente vertical de un líquido o un gas.” Así, mediante la fluidización, las partículas sólidas se comportan como si fueran un fluido, circunstancia que hace que la Ingeniería aproveche esta situación. El comportamiento de los lechos fluidizados es similar al de un fluido, ya que al estar en estado de suspensión en la corriente de fluido, adquiere muchas de sus propiedades, p. ej.: pueden sumergirse cosas en el seno de un lecho fluidizado; al inclinarse, se horizontaliza el nivel como un líquido, posibilidad de desplazar, sacar y alimentar sólidos. Y si el lecho es MECÁNICA DE FLUIDOS

Transporte cantidad movimiento sólido-fluido

Burbujeante, es similar al de un líquido en ebullición. Estas propiedades, así como su contacto íntimo con el gas, es a menudo

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