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Fluidización
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FLUIDIZACIÒN
Dr. Danilo López Valerio. Ing. 1
El fenómeno de fluidización
Lecho de partículas se suspenden en el
seno de un gas o un líquido.
Si un fluido ascendente a baja velocidad
atraviesa un lecho de finas partículas, y
permanecen estacionarias; 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.
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Lecho fijo
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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.
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. (se denomina de lecho
en comienzo de fluidización y marca la
transición entre el lecho fijo y el lecho
fluidizado).
La velocidad superficial del fluido en este
punto se denomina velocidad de mínima
fluidización, Umf
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Lecho en comienzo de
fluidización
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En sistemas fluidizados por líquido.
Un incremento en la velocidad por encima de la
correspondiente a la 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.
Un lecho con estas características se denomina
de fluidización particulada, no burbujeante u
homogénea (Figura c).
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.
Lecho en fluidización no
burbujeante
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En sistemas fluidizados por gas
Poco frecuente comportamiento de fluidización
homogénea, teniendo lugar (partículas muy
ligeras con gas denso a alta presión).
Un incremento en la velocidad del gas por
encima de la correspondiente a la mínima
fluidización, se observan 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; además, el lecho no se expande
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Lecho en fluidización
burbujeante
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MECANISMO DE FLUIDIZACION
Considera un tubo vertical, corto y parcialmente lleno de un
material granular.
Si la velocidad del fluido ascendente es suficientemente
grande, la fuerza de empuje sobre las partículas sólidas se
hace igual al peso neto de las partículas, momento en el cual
éstas empiezan a moverse libremente y a mezclarse unas con
otras (paso de 1 a 2 en la Figura 2).
La velocidad del fluido para la que se alcanzan estas
condiciones se denomina velocidad mínima de fluidización
(Umf) y el lecho de partículas se conoce como lecho fluidizado.
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Se observa una progresiva expansión del lecho, que
va teniendo una porosidad ε, cada vez mayor a partir
del punto de velocidad mínima de fluidización (Umf).
El intervalo de velocidades útil para la fluidización está
comprendido entre Umf y la velocidad de arrastre ua,
para la cual las partículas sólidas son arrastradas
fuera del lecho, la porosidad se aproxima a la unidad
y el lecho deja de existir como tal.
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Como puede observarse en la figura 2, en un
lecho fijo de partículas de sección A y cuyo
peso es W, cuando se alcanza la velocidad
mínima de fluidización la pérdida de carga
adquiere su valor máximo (W/A) y se mantiene
en él hasta que se produce el arrastre de las
partículas, disminuyendo bruscamente en ese
momento.
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Figura 2. Formación de un lecho fluidizado a partir de un lecho fijo de
partículas: a) fases del lecho al aumentar la velocidad; b) variación de la
pérdida de presión y altura del lecho.
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Aplicaciones
• Secado de partículas
• Intercambio de calor
• Reacciones de síntesis
• Cracking de hidrocarburos
• Combustión e incineración, calcinación
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PARA LECHO INMÓVIL DE PARTÍCULAS SÓLIDAS
La porosidad es la parte relativa
del volumen no ocupado
Despreciando la densidad del medio
Donde:
Vrell: Volumen ocupado por las partículas, m3
V: el volumen del lecho, m3
Y rell : Densidad de las partículas y la densidad del lecho
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PARA LECHO FLUIDIZADO
La porosidad es
Donde Vlf Es volumen del lecho fluidizado, m3
Para que pase a un estado de suspensión, se
debe igualar la fuerza de presión por parte del
medio y del peso del lecho.
La característica principal del lecho fluidizado
es la caída de presión
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Donde:
Glf: Peso del material en el lecho, N
S: área de la sección transversal, m2
La caída de presión Pa, se determina por
Donde h y ho (m) son las
alturas de los lechos fluidizados e
inmóvil
Densidad de las partículas solidas y del medio,
Kg/m3
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Si el medio es un gas se puede despreciar la densidad del gas
La caída de presión Pa, en la rejilla distribuidora del
gas, se determina con la
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: sección activa de la rejilla (0.01 – 0.05)
Wor: w/ , velocidad del flujo en los orificios de la rejilla
w: velocidad del flujo referida a la sección total del aparato, m/s
C: Coeficiente de resistencia de la rejilla que depende de la
relación do/ y se determina con el grafico siguiente.
dor diámetro del orificio en la rejilla, m
: espesor de la rejilla, m
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Cuando las partículas del lecho inmóvil pasan al estado de
suspensión (fluidizado) (resistencia del lecho se hace igual al
peso) se llama velocidad critica o de fluidización
La velocidad critica para lecho de partículas esféricas de un mismo
diámetro se determina
Viscosidad cinemático
de velocidad m2/s
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Coeficiente dinámico de velocidad,
Pa s
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Para el gas
Para partícula de forma irregular
La Velocidad critica puede determinarse
Considerando el factor de forma
V: volumen de la partícula m3
S; superficie de la partícula m2
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Diámetro de la esfera, m
Para lecho polidisperso que consta de varias partículas
de distinto diámetro
n: Número de fracciones
di: tamaño medio de la fracción i
xi: Contenido másico de la fracción i
Volumen de la partícula, m3
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Al aumentar la velocidad del flujo W, aumenta la altura y la porosidad
del lecho fluidizado
h, (m)
ho, altura inicial
La porosidad se calcula mediante la siguiente ec.
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Número de fluidización
Velocidad de trabajo efectiva del gas
Velocidad critica
Velocidad real del flujo en la sección libre entre las partículas del lecho
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Velocidad de planeo: (sustentación) Es la velocidad del flujo a la cual una
partícula unitaria pasa al estado fluidizado
Esta velocidad corresponde aproximadamente al comienzo de
destrucción del lecho fluidizado monodisperso
La porosidad es igual a 1
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Donde Repl Es Reynolds de planeo
En la siguiente figura se representa Ly =f(Ar, Porosidad)
La grafica permite determinar la velocidad del flujo, W necesaria
para lograr la porosidad prefijada del lecho fluidizado que consta
de partículas de diámetro conocido d, o bien resolver el problema
inverso.
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Dr.
Da
nil
o L
óp
ez V
ale
rio
. In
g.
.
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El tiempo medio de permanencia (s) de las partículas del material sólido en el
aparato con lecho fluidizado
Masa del material que se
encuentra en el lecho, Kg
Gasto de material sólido, kg/s
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