Guía de Ingeniería de Lechos Fluidizados

1. ¿Qué es un lecho fluidizado?

Un lecho fluidizado está compuesto típicamente por una columna que contiene el sólido a fluidizar (principalmente polvos, a veces gránulos de <6 mm de diámetro) y que posee en su base una placa de distribución que permite soplar un gas a través del lecho de partículas. En la parte superior de la columna, se instala una salida de gas. Cuando el gas atraviesa los sólidos y alcanza cierta velocidad, el lecho de sólidos se expande al fluidizarse las partículas, comportándose de manera similar a un líquido, y aparecen burbujas de gas.

Nótese que algunos lechos fluidizados utilizan un líquido para realizar la fluidización. Este artículo se centra en el caso de los gases aunque algunas nociones son aplicables en el caso de líquidos.

2. ¿Cómo funciona un lecho fluidizado?

¿Cuál es el principio de los lechos fluidizados?

Estos son los elementos mínimos para construir un lecho fluidizado a escala de laboratorio; sin embargo, los sistemas industriales son, por supuesto, más complejos y pueden incluir lo siguiente:

• Un soplador y intercambiador de calor para llevar el gas a la columna, controlando su presión y temperatura
• Un intercambiador de calor en la columna, ya sea directamente una serpentina en el lecho de partículas o una camisa doble
• Una entrada y salida de partículas
• Ciclones / filtros en la salida de gas, con posibilidad de reciclar los finos al lecho fluidizado

La fluidización de los sólidos tiene como consecuencia que estos se comporten como un líquido, con el gas en contacto con todas las partículas y manteniéndolas en movimiento. Los lechos fluidizados presentan, por lo tanto, excelentes propiedades de transferencia de calor y materia.

3. Flujo de sólidos en un lecho fluidizado

¿Cómo se comportan los polvos en un lecho fluidizado?

El comportamiento del flujo dentro del lecho fluidizado depende, en realidad, de la naturaleza de los sólidos y sus propiedades de aireación y permeabilidad. A través de extensos experimentos, Geldart ha definido 4 grupos de polvos que muestran comportamientos distintivos al ser fluidizados (véase Gráfico 1) y ha creado un gráfico que permite anticipar en qué grupo se clasificará un polvo dado.

El criterio clave que diferencia estos grupos es cómo se va a distribuir el aire en los sólidos: formando burbujas pequeñas y uniformes, burbujas grandes, canalización, chorro... Es crítico conocer cómo se fluidizará el polvo, ya que tiene consecuencias directas en las propiedades de transferencia de calor y masa del lecho fluidizado y, por lo tanto, en el rendimiento del sistema.

Gráfico 1: Clasificación de Geldart

La densidad ρ_p de las partículas utilizada en el gráfico anterior se define como la masa de una partícula dividida por su volumen, incluyendo poros abiertos y cerrados.

Se definen los siguientes grupos:

• Grupo A: polvos aireables. Estos polvos retienen el aire muy bien y de manera homogénea. Tienen una baja permeabilidad (véase el párrafo siguiente), lo que les permite retener el aire con el tiempo y mantenerse fluidizados.
• Grupo B: polvos similares a arena; la interacción entre partículas es baja, con baja permeabilidad (véase el párrafo siguiente), lo que significa que las partículas dejan de estar fluidizadas en el instante en que se corta el aire. Las burbujas pueden crecer y alcanzar el diámetro del lecho fluidizado, creando "pistones" (slugs).
• Grupo C: polvos cohesivos; el gas no podrá distribuirse uniformemente en burbujas dentro del lecho de partículas, sino que creará canales (de ahí el término "canalización"). Es posible anticipar si un polvo pertenecerá al grupo C comparando las densidades aparentes suelta y compactada. Si la relación compactada/suelta > 1.4, entonces el polvo podría pertenecer al grupo C.
• Grupo D: polvos "chorreadores", con un comportamiento similar al del grupo B, aunque puede alcanzarse un estado de "chorro" donde una columna de gas se ubica en el centro del lecho fluidizado (esto requiere, sin embargo, que el aire se inyecte por un solo punto en lugar de distribuirse en toda la base del lecho de partículas).

4. Velocidad mínima de fluidización

¿Cómo calcular la velocidad mínima de fluidización de un polvo?

Una de las características clave para operar un lecho fluidizado es la velocidad mínima de fluidización, es decir, la velocidad del aire por encima de la cual el lecho de partículas comienza a fluidizarse. La velocidad crítica puede calcularse mediante la ecuación de Wen y Yu:

Ecuación 1: Correlación de Wen y Yu para el cálculo de la velocidad mínima de fluidización [Rhodes]

Donde:
U_mf = velocidad superficial mínima de fluidización (m/s)
μ = viscosidad del gas (Pa·s)
ρ_g = densidad del gas (kg/m^³)
d_v = tamaño de las partículas, en realidad el diámetro de la esfera con el mismo volumen que las partículas (m)
Ar = número de Arquímedes
ρ_p = densidad aparente de las partículas (kg/m³)

5. Caída de presión en un lecho fluidizado

¿Cómo calcular la caída de presión en un lecho fluidizado?

Otros datos clave que deben conocerse para diseñar u operar un lecho fluidizado es la caída de presión observada cuando las partículas están fluidizadas. En realidad, la caída de presión aumenta con la velocidad superficial del aire mientras esta sea menor que la velocidad mínima de fluidización, una vez superada, la caída de presión se estabiliza y permanece constante (véase Gráfico 2).

Gráfico 2: Caída de presión y altura del lecho en función de la velocidad superficial del gas en un lecho fluidizado [Coco]

En la mayoría de los casos, esta caída de presión por fluidización puede calcularse como el peso del lecho de partículas dividido por el área transversal de la columna.

Donde:
ΔP = caída de presión (Pa)
M_B = masa de polvo en la columna (kg)
A = área transversal de la columna (m²)
ρ_p = densidad aparente de las partículas (kg/m³)
ρ_g = densidad del gas (kg/m³)
ε = fracción de huecos en el lecho a la velocidad mínima de fluidización (-)
H_mf = altura del lecho fluidizado a la velocidad mínima de fluidización (m)
Hs = altura del lecho sedimentado suavemente (m)
ρ_BS = densidad del lecho sedimentado (kg/m³)

6. Aplicaciones de los lechos fluidizados

¿Cuál es el propósito de la fluidización de polvos?

Hoy en día, los lechos fluidizados se utilizan ampliamente en todo tipo de industrias. Han encontrado aplicaciones especialmente en las industrias química y petroquímica. De hecho, productos como la leche en polvo instantánea o el café instantáneo se producen gracias a este proceso. La posibilidad de evitar la degradación durante el secado lo convierte también en un proceso de elección para la industria farmacéutica.

Ejemplos de aplicaciones para lechos fluidizados se detallan a continuación:

• Craqueo catalítico fluidizado (FCC): producción de gasolina a partir de hidrocarburos más pesados
• Producción de acrilonitrilo
• Producción de polietileno
• Combustión en lecho fluidizado para generación de energía
• Secadores/Enfriadores posteriores para procesos de secado por *spray*

La lista es solo parcial, pero ya muy extensa. Muchas industrias utilizan el secado por *spray* porque ofrece una técnica de secado continua, con un tiempo de residencia en temperatura muy corto, permitiendo así, si el sistema está bien ajustado, secar componentes sensibles al calor.

A continuación, se presenta una sección sobre mantenimiento y resolución de problemas para lechos fluidizados:

7. Mantenimiento y resolución de problemas en lechos fluidizados

Los lechos fluidizados son sistemas robustos y eficientes, pero, al igual que cualquier equipo industrial, requieren mantenimiento regular y pueden presentar problemas operativos. Un mantenimiento adecuado y una resolución efectiva de problemas son esenciales para garantizar el rendimiento óptimo continuo de los lechos fluidizados. A continuación, se detallan consideraciones clave para el mantenimiento y la solución de problemas comunes en sistemas de lecho fluidizado.

7.1 Mantenimiento rutinario

• Inspección y limpieza: Inspeccione regularmente la columna del lecho fluidizado, la placa de distribución y los intercambiadores de calor en busca de acumulación de incrustaciones, depósitos o materiales extraños. Limpie o elimine cualquier obstrucción para mantener una fluidización constante.
• Reemplazo de partículas: Con el tiempo, las partículas dentro del lecho fluidizado pueden degradarse o contaminarse. Programe el reemplazo rutinario de partículas para garantizar una operación consistente y eficiente.
• Mantenimiento de la placa de distribución de gas: Revise la placa de distribución en busca de desgaste, obstrucciones o daños. Cualquier problema con la placa puede provocar una fluidización desigual. Reemplace o repare la placa según sea necesario.
• Revisión de intercambiadores de calor: Asegúrese de que los intercambiadores de calor funcionen correctamente. Cualquier ineficiencia en la transferencia de calor puede afectar el rendimiento del lecho fluidizado. Repare o reemplace los intercambiadores de calor dañados de manera oportuna.
• Ciclones y filtros: Inspeccione y limpie periódicamente los ciclones y filtros en la salida de gas. Los filtros obstruidos o dañados pueden afectar el reciclaje de gas y causar problemas operativos.
• Evaluación de sistemas de seguridad: Evalúe regularmente los sistemas de seguridad, como válvulas de alivio de presión y mecanismos de parada de emergencia, para asegurarse de que estén en condiciones de funcionamiento. La seguridad es primordial en las operaciones de lechos fluidizados.

7.2 Resolución de problemas comunes

• Fluidización no uniforme: Si el lecho fluidizado presenta una fluidización no uniforme, puede deberse a una distribución no uniforme del tamaño de partículas, agglomeración de partículas o canalización de gas. Verifique la distribución del tamaño de partículas y, si es necesario, reemplace las partículas. Aborde los problemas de agglomeración y considere modificar la distribución de gas para evitar la canalización.
• Aglomeración del lecho: La agglomeración de partículas puede ocurrir si la temperatura se vuelve demasiado alta o si hay partículas con recubrimientos pegajosos. Reduzca la temperatura de operación o considere el uso de agentes antiaglomerantes o tratamientos superficiales en las partículas para evitar la agglomeración.
• Variaciones en la caída de presión: Una caída de presión inconsistente puede ser el resultado de la acumulación de partículas en ciertas áreas del lecho. Ajuste la distribución de partículas, aumente el flujo de gas o realice un reemplazo parcial del lecho para resolver el problema.
• Desfluidización del lecho: Si el lecho pierde fluidización y las partículas se sedimentan, podría deberse a una velocidad de gas inadecuada, flujo de gas insuficiente o contaminación de partículas. Ajuste la velocidad y el caudal de gas dentro del rango óptimo y asegúrese de que la calidad de las partículas cumpla con las especificaciones.
• Emisiones excesivas: Emisiones más altas de lo esperado pueden ser el resultado de una combustión incompleta, limpieza insuficiente del gas o mala transferencia de calor. Revise y optimice el proceso de combustión, mejore los sistemas de limpieza de gas e inspeccione los intercambiadores de calor en busca de incrustaciones.
• Problemas de calidad del producto: Si la calidad del producto no cumple con los estándares deseados, investigue problemas relacionados con la degradación de partículas, el control de temperatura y la cinética de reacción. Realice ajustes según sea necesario para garantizar una calidad de producto consistente.
• Baja transferencia de calor o masa: Una transferencia de calor o masa deficiente puede surgir debido a incrustaciones dentro de la columna o intercambiadores de calor defectuosos. Limpie o reemplace los componentes incrustados y repare los intercambiadores de calor para mantener procesos de transferencia eficientes.
• Operación cíclica: Una operación cíclica o inestable puede deberse a un control inadecuado de variables como temperatura, presión y flujo de gas. Implemente estrategias de control más efectivas y sistemas de monitoreo para estabilizar la operación.
• Alarmas de seguridad y paradas: Tome en serio las alarmas de seguridad y las paradas. Investigue la causa de cualquier alarma de seguridad y resuelva el problema antes de reanudar la operación. Siga los procedimientos de parada adecuados en caso de emergencias.

El mantenimiento efectivo y la resolución rápida de problemas son vitales para el éxito continuo de los sistemas de lecho fluidizado. El mantenimiento programado regularmente, inspecciones exhaustivas y la resolución proactiva de problemas son clave para garantizar operaciones seguras y eficientes de lechos fluidizados.

Fuente

[Rhodes] *Principios de Tecnología de Polvos*, página 124, Martin Rhodes et al, Wiley, 1990

[Coco] *Introducción a la fluidización*, Coco et al, AICHE, 2014