Lecho fluidizado

Un lecho fluidizado o lecho fluido es un fenómeno físico que ocurre cuando una cantidad de una sustancia sólida particulada (generalmente presente en un recipiente de contención) se coloca en condiciones apropiadas para hacer que una mezcla sólido / fluido se comporte como un fluido. Esto generalmente se logra mediante la introducción de un fluido presurizado a través del medio de partículas. Esto da como resultado que el medio tenga muchas propiedades y características de los fluidos normales, como la capacidad de fluir libremente por gravedad, o de ser bombeado utilizando tecnologías de tipo fluido.

El fenómeno resultante se llama fluidización. Los lechos fluidizados se utilizan para varios propósitos, como reactores de lecho fluidizado (tipos de reactores químicos ), separación de sólidos,^[1]​ craqueo catalítico de fluidos, combustión en lecho fluidizado, transferencia de calor o masa o modificación de interfaz, como la aplicación de un revestimiento sobre elementos sólidos. Esta técnica también se está volviendo más común en la acuicultura para la producción de mariscos en sistemas multitróficos integrados de acuicultura.^[2]​

Un lecho fluidizado consiste en una mezcla fluido-sólido que exhibe propiedades similares a los fluidos. Como tal, la superficie superior del lecho es relativamente horizontal, lo que es análogo al comportamiento hidrostático. Se puede considerar que el lecho es una mezcla heterogénea de fluido y sólido que puede representarse por una sola densidad aparente.

Además, un objeto con una densidad más alta que el lecho se hundirá, mientras que un objeto con una densidad más baja que el lecho flotará, por lo tanto, se puede considerar que el lecho exhibe el comportamiento fluido esperado del principio de Arquímedes. Como la "densidad" (en realidad, la fracción de volumen sólido de la suspensión) del lecho se puede alterar cambiando la fracción de fluido, se pueden causar objetos con diferentes densidades comparativas al lecho, al alterar el fluido o la fracción sólida. hundirse o flotar.

En los lechos fluidizados, el contacto de las partículas sólidas con el medio de fluidización (un gas o un líquido) aumenta mucho en comparación con los lechos empacados. Este comportamiento en los lechos de combustión fluidizados permite un buen transporte térmico dentro del sistema y una buena transferencia de calor entre el lecho y su contenedor. e manera similar a la buena transferencia de calor, que permite una uniformidad térmica análoga a la de un gas bien mezclado, el lecho puede tener una capacidad calorífica significativa mientras se mantiene un campo de temperatura homogéneo.

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:

Tomando un ejemplo de la industria de procesamiento de alimentos: los lechos fluidizados se utilizan para acelerar la congelación en algunos congeladores 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.

Los lechos fluidizados también se utilizan para el secado eficiente de materiales a granel. La tecnología de lecho fluidizado en secadores aumenta la eficiencia al permitir que toda la superficie del material de secado se suspenda y, por lo tanto, se exponga al aire. Este proceso también se puede combinar con calentamiento o enfriamiento, si es necesario, de acuerdo con las especificaciones de la aplicación.

En 1922, Fritz Winkler realizó la primera aplicación industrial de fluidificación en un reactor para un proceso de gasificación de carbón.^[3]​ En 1942, se construyó el primer lecho fluido circulante para el craqueo catalítico de aceites minerales, con tecnología de fluidización aplicada al procesamiento metalúrgico (arsenopirita tostadora) a finales de los años cuarenta.^[4]​ ^[5]​ Durante este tiempo, la investigación teórica y experimental mejoró el diseño del lecho fluidizado. En la década de 1960, la VAW-Lippewerk en Lünen, Alemania, implementó el primer lecho industrial para la combustión del carbón y luego para la calcinación del hidróxido de aluminio.

Los tipos de lechos se pueden clasificar de manera aproximada por su comportamiento de flujo, que incluye: ^[6]​

Cuando el lecho empacado tiene un fluido pasado sobre él, la caída de presión del fluido es aproximadamente proporcional a la velocidad superficial del fluido. Para pasar de un lecho empacado a una condición fluidizada, la velocidad del gas aumenta continuamente. Para un lecho independiente, existirá un punto, conocido como punto de fluidización mínimo o incipiente, por el cual la masa del lecho se suspende directamente por el flujo de la corriente de fluido. La velocidad del fluido correspondiente, conocida como la "velocidad mínima de fluidización", ${displaystyle u_{mf}}$. ^[9]​

Más allá de la velocidad mínima de fluidización (${displaystyle ugeq u_{mf}}$), el material del lecho se suspenderá por la corriente de gas y los aumentos adicionales en la velocidad tendrán un efecto reducido sobre la presión, debido a la suficiente percolación del flujo de gas. Así, la caída de presión para ${displaystyle u>u_{mf}}$ es relativamente constante.

En la base del recipiente, la caída de presión aparente multiplicada por el área de sección transversal del lecho se puede equiparar a la fuerza del peso de las partículas sólidas (menos la flotabilidad del sólido en el fluido).

${displaystyle Delta p_{w}=H_{w}(1-epsilon _{w})( ho _{s}- ho _{f})g=[M_{s}g/A][( ho _{s}- ho _{f})/ ho _{s}]}$

donde:

En 1973, el profesor D. Geldart propuso la agrupación de polvos en cuatro de los llamados "Grupos de Geldart". ^[10]​ Los grupos se definen por sus ubicaciones en un diagrama de la diferencia de densidad sólido-fluido y el tamaño de partícula. Los métodos de diseño para lechos fluidizados pueden adaptarse según el grupo de Geldart de la partícula: ^[9]​

Típicamente, el gas o líquido presurizado ingresa al recipiente del lecho fluidizado a través de numerosos orificios a través de una placa conocida como placa de distribución, ubicada en el fondo del lecho fluidizado. El líquido fluye hacia arriba a través del lecho, lo que hace que las partículas sólidas se suspendan. Si se deshabilita el fluido de entrada, el lecho puede asentarse, empacarse en la placa o gotear a través de la placa. Muchas camas industriales utilizan un distribuidor de rociadores en lugar de una placa de distribución. El fluido se distribuye luego a través de una serie de tubos perforados.