Para entender los fundamentos de la fluidización, considere una cantidad de partículas esféricas estáticas en un recipiente. Si un gas es forzado a pasar a baja velocidad a través de las partículas y al mismo tiempo se distribuye a través de la sección completa del contenedor, se puede medir cierta caída de presión en el gas, pero no movimiento de las partículas.

Si se incrementa el flujo de gas, la caída de presión se incrementa hasta que esta sobrepasa el peso de las partículas. A este punto las partículas comenzarán a moverse ligeramente en la dirección del flujo de gas, de esta forma, expandiendo el lecho. Teóricamente el lecho puede ser estabilizado con todas las partículas suspendidas en la corriente de gas y separadas una de otra. Si incrementamos la velocidad del gas, aumenta también el movimiento o agitación del lecho, pero la caída de presión a través del lecho fluidizado permanece constante [5].

Este estado fluidizado se puede mantener sobre un rango bastante amplio de velocidades. En el extremo más alto del rango de velocidades, las burbujas de gas en levantamiento proyectan un número de partículas fuera del lecho, incluso si la velocidad superficial sobre el lecho no es suficiente para transportar realmente las partículas. Esta condición se denomina como "Emanando."

Partículas más pequeñas o partículas con densidades por debajo del promedio, pueden ser arrastradas por la corriente de gas que sale la cama. Estas partículas se dicen que tienen "elutriasión."

Si la velocidad a través de la cama se incrementa al punto donde todas las partículas son arrastradas por la corriente de gas la caída de presión comienza a incrementarse y el sistema se encuentra esencialmente en fase de transporte neumático. Se pierde por completo el lecho. En el estado fluidizado los sólidos tienden al comportamiento de un líquido hirviendo. Si los sólidos se agregan al lecho fluido en un punto, se distribuyen a través de todo el lecho, en lugar de llenar la parte superior. Los sólidos fluidificados atraviesan los vertederos, y vierten de cualquier apertura por debajo de la capa superior. Consecuentemente, los lechos fluidificados no requieren ninguna rampa o dispositivo mecánico para mover los sólidos desde la entrada hasta la salida.

Las mayores ventajas de los sistemas de secado de lecho fluido son que permiten un relativamente largo tiempo de residencia y permiten coeficientes de transferencia de calor verdaderamente altos entre las partículas y el gas. En adición es posible un control estrecho de temperatura de producto, permitiendo el procesamiento térmico de productos sólidos sensibles. Además, los secadores del lecho fluidizado funcionan a menudo con temperaturas de gas de escape muy cercanas al punto de condensación del gas, dando la eficacia térmica más alta de cualquier sistema de secado de suspensión gas.

En el lado bajo, los requisitos para alcanzar y mantener los límites de fluidización del rango de materiales que pueden ser manejados en un lecho fluido. Las partículas generalmente deben estar en el rango de tamaño de 5 a 50 mm y en una distribución de partícula no más amplia de la distribución dimensional de una que una de la magnitud, es decir, de 1 a 100 milímetros. Deben ser de una forma razonablemente regular y no particularmente pegajoso.

Las partículas en forma de aguja o plaqueta son a menudo difíciles de fluidizar. En muchos casos, no obstante, todos los problemas antedichos pueden ser superados agitando o vibrando el estrato fluidificado.

Diagrama de Flujo de Materiales

El secado que toma lugar en el lecho es sobre todo, secado de orden cero y el producto que sale del lecho tiende a tener humedad muy constante. Dado que el lecho puede ser muy eficiente en tanto que el gas al punto de salida está generalmente muy cercano a su punto de saturación. Debe de tomarse en cuenta que una alimentación no fluidizable debe ser de alguna manera mezclada en el lecho. De lo contrario, la alimentación húmeda puede caer en forma de pasta en el punto de alimentación, caer al fondo del lecho, taponar la salida del gas de fluidización en dicho punto, y eventualmente colapsar el sistema.

Los lechos fluidos pueden ser tanto cilíndricos como rectangulares, la forma rectangular representa la forma más eficiente de usar el espacio (Figura 6). El elegir un envase cilíndrico frecuente es dictado por consideraciones estructurales.

Figura 6: El transporte de sólidos a través de los lechos fluidos puede lograrse tanto por la fluidización solamente o a una combinación de fluidización y vibración.

Figura 6: El transporte de sólidos a través de los lechos fluidos puede lograrse tanto por la fluidización solamente o a una combinación de fluidización y vibración.

Cuando el secado de primer orden requiere remover la humedad ocluida, se requieren secadores con flujo de tipo "plug." En el flujo tipo "plug", el material se mueve a través de un canal relativamente estrecho, resultando esencialmente en el mismo tiempo de residencia para cada partícula. Esto se logra en un recipiente largo y estrecho dentro de un envase rectangular o cilíndrico, dividido por bafles para crear el flujo tipo "plug." Los secadores de flujo tipo "plug" pueden consistentemente lograr un contenido de humedad en el producto final verdaderamente bajo.

Es muy común usar un lecho fluido de tipo back-mix para manejar la alimentación húmeda y reducir su humedad a un nivel nominal y después continuar con un arreglo de secado tipo plug-flow para alcanzar la humedad del producto final especificada. Mientras que se emplean capas fluidificadas más profundas, la tendencia de los sólidos en el backmix incluso dentro de un canal estrecho aumentan [6]. Por lo tanto, puede no ser posible subir con un diseño simple para el flujo tipo "plug". En estos casos, una configuración de tanques enserie se utiliza para aproximar al flujo tipo "plug".

Diseño de proceso

Antes de realizar el diseño de un sistema de secado de lecho fluido, las características de la alimentación y el producto se deben establecer. El ingeniero debe, por medio de pruebas experimentales en el laboratorio determinar la velocidad de fluidización del polvo a ser secado.

El diseño de un lecho fluido es complicado debido a que el flujo másico del gas de secado necesario para evaporar la cantidad de humedad deseada debe pasar a través del lecho a la velocidad de fluidización pre determinada. En casos donde la diferencia de temperaturas de la entrada a la salida es pequeña y el tamaño de partícula de producto y su densidad a granel son bajas, esto requerirá para ambos, flujo másico y velocidad de fluidización pueden conducir a un lecho fluido de grandes dimensiones.

Un método comúnmente empleado para solucionar esta dificultad es sumergir una superficie de transferencia de calor en el seno de fluidización. La superficie de transferencia de calor usualmente toma la forma de un manojo de tubos o paneles de calentamiento, calentados por agua, vapor o fluido de calentamiento. El arreglo, espaciamiento y el método de instalación de tales baterías de calentamiento dentro del lecho fluido varían, pero en todos los casos, deben ser sumergidos en el estrato y no deben impedir el flujo del material a través del lecho.

Control de proceso

El control de un lecho fluido se logra al medir continuamente la temperatura de entrada, la temperatura de salida y las temperaturas de varias zonas dentro del lecho. Normalmente el flujo de aire permanece constante para proveer una fluidización adecuada y la caída de presión a través del lecho se mantiene al ajustar el flujo de alimentación de aire. El flujo de descarga de producto es función del flujo de la alimentación.

Con los flujos másicos de sólidos y aire permaneciendo constantes, la única manera de ajustar la temperatura de salida es ajustando la temperatura de entrada. Debido a que los lechos fluidos presentan esencialmente un contacto de flujo cruzado entre los sólidos y el gas, también las partículas que salen del secador están en contacto con el gas caliente a las condiciones de entrada. Esto resulta en una respuesta rápida más para un tiempo de residencia largo (típicamente en el rango de 5 minutos a una hora) para los sólidos.

 

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