LECHO FIJO Y FLUIDIZADO

LECHO FIJO Y FLUIDIZADO

Práctica Especial

Departamento de Termodinámica y Fenómenos de Transporte

INTRODUCCIÓN

En ingeniería química, el proceso de fluidización es un proceso por el que determinados sólidos, generalmente con granulometría fina, se comportan como fluidos al mantenerlos en movimiento turbulento en una corriente gaseosa o líquida.El proceso de fluidización se produce cuando existe contacto entre un sólido y un fluido (gas o líquido) en el cual un lecho formado por finas partículas se levanta y se agita por medio de una corriente ascendente de fluido. En la práctica de laboratorio se recrearon procesos de fluidización en sistemas sólido-líquidos y sólido-gas para distintos tipos de lechos, y así observar las características de los mismos y las etapas de dicho proceso.

La utilización amplia de la fluidización, comenzó en los reactores catalíticos de cracking en la industria del petróleo. Las principales ventajas de la fluidización es que asegura el contacto del fluido con todas las partes de las partículas sólidas manteniendo una uniformidad completa de los sólidos debido a la total agitación del lecho y hace que las variaciones de temperatura sean mínimas en reactores de gran tamaño, a causa también de la vigorosa agitación[1]. Por otra parte el flujo de fluidos a través de lechos de partículas sólidas es un proceso encontrado en la naturaleza en reservorios naturales de crudo, filtración de la sangre, absorción del CO2 en las plantas, entre otros[2]. El objetivo principal de esta práctica consistió en el estudio del comportamiento del lecho fijo y fluidizado para sistemas gas-sólido y líquido-sólido y en la determinación de los parámetros que lo caracterizan.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Se conoce como fluidización al proceso que se lleva a cabo cuando se pone en contacto un sólido con fluido (gas o líquido), mediante el cual un lecho de partículas sólidas se levantan y agitan a medida que la corriente [2]. Este mecanismo presenta varias etapas, a medida que aumenta la velocidad del fluido.

Figura 1. Caída de presión en lechos fijos y fluidizados.

En un lecho fijo (a) las partículas se encuentran en reposo, en contacto unas con otras. A medida que se aumenta progresivamente la velocidad, aumenta la caída de presión, tal como se evidencia en la recta desde el origen hasta (a). Llega un momento en que la caída de presión es igual a la fuerza de gravedad sobre las partículas y lo granos comienzan a moverse, este es el punto (a). El lecho se expande lentamente, la porosidad aumenta y la caída de presión aumenta lentamente. Cuando se alcanza el punto (b), el lecho se encuentra en la condición menos compacta posible, manteniéndose los granos todavía en contacto. Al aumentar aún más la velocidad, los granos se separan y comienza la verdadera fluidización. La caída de presión disminuye a veces un poco desde el punto (b) hasta el (c), en este estado de transición se ubica la velocidad mínima de fluidización. A partir del punto (c) el movimiento de las partículas es cada vez más intenso, formándose torbellinos y desplazándose al azar. En este punto del proceso, se evidencia fluidización particulada (para los sistemas sólido-liquido), las partículas se mueven al azar y hay una expansión suave. Mientras que para sistemas sólido-gas la fluidización se denomina agregativa, parte del gas circula por el lecho entre las partículas individuales.Si la velocidad del fluido se aumenta más, la porosidad de lecho se incrementa, el lecho de sólido se expansiona y disminuye su densidad [2].

Al estudiar los lechos es necesario conocer ciertas propiedades de los mismos, entre ella se encuentra la porosidad, que se define como la fracción de vacío en el lecho de partículas sólidas:

ε=V_vacio/V_total =(V_t -〖V 〗_o)/V_t (1)

Donde:

 : Porosidad (adimensional)

Vo : Volumen ocupado por todas las partículas (m3)

Vt : Volumen del lecho en un instante dado (m3)

El volumen ocupado por las partículas del lecho se calcula de la siguiente manera:

Vo=V_Lechofijo (1-ε_lechofijo) (2)

Wilhelm y Kwauk relacionan los parámetros principales que influyen en las características de los lechos fluidizados en cuatro grupos adimensionales:

(3)

(4)

Donde:

Re: Número de Reynolds (adimensional)

f: Densidad del fluido (kg/m3)

f: Viscosidad del fluido (Pa.s)

Kp: Parámetros de correlación de Wilhelm y Kwauk.

p : Caída de presión en el lecho (Pa)

Lo: Altura inicial del lecho (m)

gc : Factor de conversión gravitacional (1 (kg.m/s2)/N)

Dp: Diámetro de partícula (m)

Hay muchas ecuaciones que permiten evaluar la caída de presión de los lechos fijos empacados, la más conocida es la de Ergun:

∆P/L=[(150.μ_f.v_o.(1-ε)²)/(D_p^2.ε³)]+[(1,75.ρ_f.v_o^2.(1-ε))/(D_p^2.ε³)] (5)

Donde:

L: Longitud del lecho (m)

vo : Velocidad superficial de fluidización (m/s)

La caída de presión en un lecho fluidizado se calcula a partir de la siguiente expresión:

(6)

La velocidad del lecho se puede calcular mediante la siguiente expresión:

V=Q_real/A(7)

Donde:

Qreal: caudal rea de la tubería (m3/s)

A: área transversal de la columna (m2)

La ecuación

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