1. INTRODUCCION
2. METODO DE DISEÑO
3. MANTENMIENTO MANEJO
4. EJEMPLO DETALLADO
5. SELECCIÓN DE MATERIALES
6. PLANSO DE DISEÑO
7. MEMORIA DE CALCULO
8. SISTEMA DE CONTROL (HARDWARE)
9. CONSTANTES DE CONTROL
10.SINTONIA
11.CONCLUSIONES
FLUIDIZACION – LECHO FLUIDIZADO
La fluidización es un proceso por el cual una corriente ascendente de fluido
(líquido, gas o ambos) se utiliza para suspender partículas sólidas. la fase sólida
(o fase dispersa) se comporta como un fluido, y el conjunto de partículas
fluidizadas se le denomina también "lecho fluidizado".
Un lecho consiste en una columna formada por partículas sólidas, a través de las
cuales pasa un fluido (líquido o gas), la circulación de este a baja velocidad no
produce movimiento de las partículas, pero a medida que va circulando sufre una
caída de presión.(Para lechos estacionarios la modela la ecuacion de Ergun (2)).
Si se aumenta progresivamente la velocidad del fluido, aumenta la caída de
presión y el rozamiento sobre las partículas individuales. Se alcanza un punto en
el que las partículas no permanecen por más tiempo estacionarias, sino que
comienzan a moverse y quedan suspendidas en el fluido, es decir, “fluidizan” por
la acción del líquido o el gas. La primera es la ecuación de Ergun que es utilizada
para lechos fijos (1):
(3)
donde:
: Viscosidad de fluido, [Pa·s].
: Velocidad superficial de fluidización, [m/s].
Dp: Diámetro de la partícula, [m].
e : Porosidad, [adimensional].
r f: Densidad del fluido, [kg/m3].
: Caída de presión, [Pa].
L: Longitud del lecho, [m].
Para lechos fluidizados se utiliza la siguiente ecuación:
(4)
donde:
e : Porosidad, [adimensional].
: Densidad de las partículas del lecho, [kg/m3].
r f: Densidad del fluido, [kg/m3].
: Caída de presión, [Pa].
L: Longitud del lecho, [m].
g: Aceleración de gravedad, [m/s2].
A medida que se incrementa la velocidad del fluido, con lo cual también se
aumenta el caudal (si el área se mantiene constante), se pueden distinguir
diferentes etapas en el lecho:
Lecho Fijo: las partículas permiten el paso tortuoso del fluido sin separarse una
de otras, esto hace que la altura del lecho se mantenga constante y por tanto la
fracción de vacío en el lecho (porosidad) se mantiene constante. En esta etapa
el fluido experimenta la mayor caída de presión del proceso.
Lecho prefluidizado: también es conocido como fluidización incipiente, y se trata
de un estado de transición entre el lecho fijo y el fluidizado. Una de las
características que presenta esta etapa es que la velocidad en este punto
recibe el nombre de velocidad mínima de fluidización. También se caracteriza
porque la porosidad comienza a aumentar.
Fluidización discontinua: también se conoce como fase densa y es cuando el
movimiento de las partículas se hace más turbulento formándose torbellinos.
Dentro de esta etapa se pueden distinguir dos tipos de fluidización:
o Particulada: se manifiesta en sistemas líquido-sólido, con lechos de
partículas finas en los cuales se manifiesta una expansión suave.
o Agregativa: se presenta en sistemas gas-sólido. La mayor parte del fluido
circula en burbujas que se rompen en la parte superior dando origen a la
formación de aglomerados.
Fluidización continua: todas las partículas son removidas por el fluido, por lo
que el lecho deja de existir como tal, mientras que la porosidad tiende a uno.
Con respecto a la porosidad, se tiene que es definida como la fracción de
vacío en el lecho, y se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
(1)
donde:
: Porosidad inicial del lecho, [adimensional].
: Porosidad, [adimensional].
Vo: Volumen ocupado por todas las partículas, [m3].
Vt: Volumen del lecho en un instante dado, [m3].
La principal desventaja de la fluidización gas-sólido consiste en el desigual
contacto del gas y el sólido. La mayor parte del gas pasa a través del lecho en
forma de burbujas y sólo hace contacto directamente con una pequeña cantidad
del sólido en una delgada envoltura ubicada alrededor de la burbuja. Una pequeña
fracción del gas pasa a través de la fase densa, la cual contiene casi todo el
sólido.
A pesar de esto , Los lechos fluidizados tienen variedad de aplicaciones en
operaciones industriales tales como :
Clasificación mecánica de partículas según su tamaño, forma o densidad.
Lavado o lixiviación de partículas sólidas.
Extraccion de solventes
Cristalización.
Adsorción e intercambio iónico.
Intercambiado de calor en lecho fluidizado.
Reacciones catalíticas heterogéneas (incluyendo la descomposición catalítica
del petróleo).
Gasificación de carbón
Bioreactores
Combustión de carbón en lecho fluidizado Existe mucho interés en
la combustión de carbón en lecho fluidizado con el fin de reducir el costo en
las calderas y disminuir la emisión de contaminantes.
curtido de minerales,
secado de sólidos finos
absorción de gases
¿QUÉ ES UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE LECHO FLUIDIZADO
(FBHE)?
una corriente de gas que fluye a través de un lecho de partículas sólidas (arena,
carbón, o catalizador) puede "fluidizar" este lecho dentro de un cierto rango de
caudales o velocidades de gas. en el estado fluidizado del sistema de gas-sólido
es muy bien mezclado (con una temperatura uniforme Ub toda la cama) debido a
la movilidad libre de las partículas sólidas.
En el lecho de la figura (2), una corriente de particulas frias y una corriente de gas
caliente entran, intercambian calor y salen. A continuacion se hace un analisis a la
corriente de solidos:
∆T de cada particula: se supone una particula a T S0 , rapidamente se situa
en un ambiente a T g. El tiempo que tarda la particula en alcanzar la
temperatura de su entorno, se denomina tiempo de relajacion.
.
Para estimar este tiempo de relajacion se suele determinar el tiempo necesario
para alcanzar un 90% de las condiciones de equilibrio de varios tamaños de
particulas que se mueven a traves del aire a 100 C y 1 m/s. Para este calculo
se tienen en cuenta 2 situaciones: Enfriamiento y calentamiento de las partículas
solidas.
PAGINA203
Una medida adimensional para la conducción, que tiene en cuenta el tiempo de
enfriamiento y el tamaño del objeto, viene dado por el numero de Fourier:
Fo=∝tL2
=ks
ρsC s
.t
(V /A )2
Y la importancia relativa de los terminos de resistencia en la superficie y en el
interior se miden mediante el numero de Biot, un grupo adimensional definido
como:
Bi=(resistenciainterior
resistenciaen la superficie
)=hLk s
A partir de los resultados de estos numeros se extrae los datos de las siguientes
tablas
TABLAS
∆T entre las partículas. Debido a la mayor capacidad calorífica de los
sólidos(aproximadamente 1000 veces las del gas por unidad de volumen) y
a la rapida circulacion de los solidos en el lecho fluidizado, se puede
suponer que las particulas presentan una temperatura uniforme en
cualquier parte del lecho.
∆T entre las particulas y los gases de salida: para obtener un orden de
magnitud aproximado de este ∆T se supone flujo en piston del gas y
solidos bien mezclados en el lecho. Con respecto a la figura un balance de
calor alrededor de la seccion diferencial de espesor dx conduce a:
lnT g , en−T s
T g , sal−T s
= haLρgμ0Cg
=Nuρ
Pr ℜρ
6(1−ϵ f )Ldρ
En resumen todas las particulas en un lecho fluidizado son isotermas y estan a
la misma temperatura. Ademas el gas sale a la temperatura de los solidos del
lecho (hg−sa)~¿∞.
Con estas caracterizaciones se clasifican los intercambiadores de la siguiente
forma.
INTERCAMBIADORES DE LECHO FLUIDIZADO EN ETAPA UNICA:
Figura . intercambiador de calor de lecho fluidizado de etapa unica con
flujo a su traves degas y solidos.
Las eficacias de utilización de calor, en estos intercambiadores son
siempre bajas. Por ejemplo si ng=0,7, para el gas, será 0,3 para el solido
(la suma siempre da 1).
INTERCAMBIADORES DE ETAPAS MULTIPLES CON FLUJO EN
CONTRACORRIENTE:
Son más eficientes que los de etapa única.
INTERCAMBIADORES DE CALOR DE LECHO FLUIDIZADO DE
ETAPAS DE LECHO CRUZADO:
Se consideran N lechos de igual tamaño que tienen el mismo caudal de gas a
traves de cada etapa
La comparacion de las operaciones de flujo cruzado y flujo en contracorriente
muestra para cualquier número de etapas N, que el flujo en contracorriente tiene la
ventaja de ser mas eficaz termicamente. Sin embargo el fujo en contracorriente
tiene los inconvenientes de perdida de presion mayor, mas problemas hidraulicos,
especialmente con los tubos de desague de las etapas y mas complicaciones de
diseño mecanico.
Posibilidad de controlar la transferencia de calor, tanto por la temperatura
del lecho en la cámara y por la velocidad de fluidización.
. Programas de desarrollo de intercambiadores de calor.??????????
Suspensiones diluidas – Contacto directo: la transferencia directa entre
gases y solidos tiene aplicaciones en el tratamiento físico de partículas
solidas; en la recuperación de calor de los gases y solidos y aun del
intercambio de calor gas-gas utilizando un solido intermedio como el medio
de transferencia de calor; a veces se corre con el riesgo de tener que
montar instalaciones excesivamente grandes, es necesario incrementar el
tiempo de contacto y la turbulencia entre el gas y el solido manteniendo al
mismo tiempo la caída de presión moderada a través del intercambiador
para minimizar los costos operatorios. La transferencia de calor en los
intercambiadores gas-solidos es muy dependiente del comportamiento
hidrodinámico…. []
Las hipótesis básicas usadas en los modelos de intercambiadores de esta
clase son: que las distribuciones del gas y del solido son homogéneas, que
el empaque es isotrópico. Se supone que las partículas chocan con el
empaque y rebotan a una velocidad directamente proporcional a la
velocidad incidente. La frecuencia de las colisiones solido-empaque se
considera dependiente del tipo de empaque, pero independiente de la
velocidad del gas. El balance de momento en el gas y el solido permite,
entonces, la determinación de la caída de presión a través del empaque
como una función de la caída de presión debida a la fuerza de fricción del
gas en el empaque y de la retención de sólido.
Suspensiones diluidas – Contacto indirecto: El intercambio de calor por
contacto indirecto de las suspensiones diluidas incluye todos los casos
donde la transferencia ocurre entre una superficie de transferencia de calor
y una suspensión menos densa que las caracteriza los lechos fluidizados
de la fase densa. ECN!!! PAG 146
Suspensiones densas – Contacto directo e indirecto: Los medios fluidizados
de fase densa se caracterizan por altos coeficientes de transferencia de
calor la uniformidad de la distribución de la temperatura. El primer aspecto
es importante para el intercambio de calor mientras que el segundo es
desventajoso en las aplicaciones de recuperación de calor donde un
intercambio a contracorriente seria mas deseable.
2.4. TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL INTERCAMBIADOR DE CALOR
FLUIDIZADO
La principal diferencia entre la transferencia de calor en un intercambiador de calor
convencional y uno de lecho fluidizado está en la convección de partícula. La
convección y radiación de gas también forman una parte significativa de la
transferencia total de calor.
2.5. EL FLUJO TOTAL DE CALOR DE LAS PARTÍCULAS DE lecho FLUIDIZADO
DEPENDE PRINCIPALMENTE DE:
La velocidad de Fluidización, que determina tanto la convección de gas y la
frecuencia de colisión de las partículas.
La temperatura de los sólidos que entran en la cámara, que determina la
radiación y la diferencia de temperatura entre el lecho y el vapor.
Las características de los sólidos (tamaño de partícula y forma, densidad,
térmica conductividad).
Suspensión densidad del lecho fluidizado.
PROBLEMA A DESARROLLAR
La idea es enfriar una corriente continua de solidos calientes desde 820 ªC hasta
220ªC, con un gas frio a 20 ªC, en lechos fluidizados. Determinar el numero de
etapas necesarias, encontrar las temperaturas de las corrientes que circulan por el
intercambiador.
PASOS:
Necesidad Ecuación
Balance térmico del intercambiador
q=(mCP )C(T EC−T SC)
q=(mCP )F(T SF−T EF)
trasmisión de calor q=UA (T C−T F)
Coeficiente global de transmisión de
calorUA= 1
lnℜri
1h1 A1
+R1+G+R2+1
heAe
Factor de ensuciamiento RS=1
U sucio
− 1U limpio
Numero de Nusselt NuL=hLk f
BALANCE TERMICO DEL INTERCAMBIADOR
q=(mCP )C(T EC−T SC)
q=(mCP )F(T SF−T EF)
2 ecuacion de trasmision de calor
q=UA (T C−T F)
3 Coeficiente global de transmision de calor
Resistencias termicas:
UA= 1
lnℜri
1h1 A1
+R1+G+R2+1
heAe
RS=1
U sucio
− 1U limpio
SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA
2.6. EROSION Y CORROCION EN INTERCAMBIADORES DE CALOR DE
LECHO FLUIDIZADO
El término erosión y la corrosión se utiliza para los casos en los que se describe
que el metal o el
óxido protector se debilitada primero por la corrosión, y los productos de corrosión
luego se retiran por la erosión. De acuerdo con Meuronen (1997), la erosión de las
superficies de transferencia de calor dependen de las condiciones del proceso, la
densidad de flujo de partículas, el flujo de masa y la velocidad, el ángulo de
colisión de las propiedades y materiales, tanto de la colisión de partículas
y la superficie de transferencia de calor.
Cuando se combina con los parámetros que afectan la velocidad de corrosión y el
mecanismo, la combinación de erosión-corrosión puede inesperadamente resultar
en una degradación de metal muy complejo y rápido Este tipo de corrosión es muy
difícil de detectar de forma fiable, porque hay pocos detectables productos de
corrosión a la izquierda en la muestra. Y no están disponibles normas generales
para la estimación de la tasa de reducción de la erosión-corrosión.
1. MATERIALES APLICABLES
Debido a la alta carga térmica y el entorno especial, los materiales para
intercambiadores de calor de lecho fluidizado tienen que ser seleccionados de
acuerdo a diferentes criterios en comparación con las unidades convencionales:
materiales para las plantas de energía modernas, con altos parámetros de vapor.
Los materiales utilizados para las superficies de transferencia de calor se
seleccionan generalmente de acuerdo a su fluencia y fuerza. La resistencia a la
oxidación interna o externa está también entre los criterios de selección.
2. CONCLUSIONES
Los nuevos procesos de conversión de energía y el aumento de la importancia
relativa de la Recuperación de calor en los procesos existentes, han colocado
nuevas demandas para el desarrollo de nuevos intercambiadores de calor de
medios fluidizados y una mayor investigación fundamental en la fenomenología
básica asociada.
Los intercambiadores de calor de lecho fluidizados han demostrado ser una
solución viable en los intentos para aumentar la eficiencia de la caldera en la
combustión en lecho fluidizado. Este enfoque incluye una cámara de fluidización,
en el cual los sólidos calientes se introducen, por lo general desde la de
separación de sólidos. Los tubos de transferencia de calor se encuentran dentro
de los sólidos fluidizados, y por lo tanto las velocidades de transferencia de calor
son mayores que en el canal de sobrecalentadores de gas convencional.
3. BIBLIOGRAFIA
1. Makkonen, P., Mäkipää, M. Materials for Fluidized Bed Heat Exchangers.
2. Muzyka, D. W.; Large, J. F. Uso de Medios Fluidizados en el Intercambio de
Calor; Ingeniería Química. 1984; 182. Vol 16 N. 182. p. 141-148
3. FRAAS, Arthur, P. HEAT EXCHANGER DESING. Second Edition. WILEY.
1989
4. GUPTA, C. K., SATHIYAMOORTHY, D. FLUID BED TECCHNOLOGY IN
MATEERIALS PROCESSING. CRC Press LLC. 2000
5. http://2011-es-oldwiki.com/wwkk/es/Combusti%C3%B3n_en_lecho_fluido
6. http://almadeherrero.blogspot.com/2010/08/oxicombustion-en-caldera-de-
lecho.html
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