Capítulo 3

PROYECTO FIN DE MÁSTER
2013/2014
3. DESCRIPCIÓN DE LA UNIDAD EXPERIMENTAL
3.1. Objetivos de la construcción de la planta
El principal objetivo de la construcción de la planta es la validación del modelo propuesto a
partir de los datos experimentales así como conseguir un mayor conocimiento en lo que se
refiere a la fluidodinámica de lechos fluidos circulantes. La unidad se construyó de metacrilato
para favorecer la visibilidad interior. Se llevó a cabo una construcción modular de reactor de
forma que su montaje y desmontaje fuese sencillo y se pudiesen realizar modificaciones en el
mismo, como por ejemplo, para estudiar la influencia de la geometría del último tramo del
riser sobre el valor de la densidad de los sólidos en esa zona.
3.2. Descripción general de la planta
El conjunto del sistema de lecho fluido circulante se puede ver en la imagen (Fig. 3-1). A
continuación, se irán describiendo cada una de las partes del mismo.
Fig. 3-1 Visión de conjunto de la unidad fría de lecho fluido circulante
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
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Riser
El riser tiene una altura total de 5.5 m y un diámetro de 15 cm. Está dividido en 6 tramos
unidos con bridas para facilitar su montaje y desmontaje. El tramo superior conecta con el
ciclón y, en principio, va a disponer de un codo de 90º con una disposición similar a la (2) de la
figura (Fig.
2-8). Esta configuración se irá variando para determinar la influencia de la
geometría en el flujo de sólidos y en la fluidodinámica.
El riser dispone de un plenum o caja de vientos por donde se encuentra la entrada de aire
primario y que tiene el mismo diámetro que el riser y una altura de 25 cm. Sobre él se sitúa un
plato distribuidor con 200 agujeros de 3 mm de diámetro cada uno y un grosor de 4 mm. Se ha
diseñado de forma que la pérdida de carga que ofrece el mismo para un caudal de aire
primario de 200 m3/h sea de 25 mbar.
La entrada de aire secundario se encuentra en el primer tramo del riser a una altura superior
que la de la entrada de la cámara de recirculación.

Ciclón
El ciclón se ha diseñado para capturar partículas con un tamaño de 5 µm con una eficiencia del
50% a la máxima velocidad de gas a la entrada (30m/s). Sus dimensiones aparecen recogidas
en el apartado 3.3.3. El gas a la salida del ciclón se dirige hacia un sistema de filtros de mangas
para evitar descargar a la atmósfera la mayor cantidad de sólidos posibles.

Downcomer
El downcomer se ha diseñado con el criterio de que su diámetro tiene que ser 1.5 veces
inferior al diámetro del riser, por lo que tiene un diámetro de 10 cm. Su altura es de 3.71 m.
Junto al downcomer y unido a él en ambos extremos con válvulas que inicialmente están
cerradas, se dispondrá un tubo de 3 cm de diámetro y 1.5 m de longitud que se utilizará para
medir el caudal de sólidos, GS, de forma indirecta. Este sistema no estará instalado para los
ensayos experimentales que abarca este proyecto.

Loop seal
El loop seal tiene una estructura rectangular. Debajo del mismo se encuentra un plenum o caja
de vientos sobre el que se sitúa el plato distribuidor, de la misma forma que en el riser, con un
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total de 90 agujeros de 2 mm cada uno y un grosor de 4mm. La cámara de reciclo del loop seal
conecta con una tubería al riser de forma que el sistema queda cerrado.
3.3. Diseño
3.3.1. Especificaciones en las entradas de aire
 Entrada de aire en el riser
Las entradas de aire en el riser se muestran en la siguiente figura:
Riser
FI
C-2
FI
Plenum
C-1
V-2
S-2
V-1
S-1
Fig. 3-2 Vista de detalle de la entrada de aire en el riser
Como se puede apreciar, la entrada de aire principal se encuentra en el plenum y la entrada de
aire secundario en el riser a una altura superior a la entrada proveniente del loop seal. Ambas
están separadas por un plato distribuidor. Los caudales de diseño que se han utilizado han sido
los máximos previsibles para la operación de la planta de forma que el caudal total sería de
460 m3/h (160 m3/h de aire primario y 300 m3/h de aire secundario). La velocidad de operación
que se corresponde con ese caudal total máximo es de 7.2 m/s.
La curva de la soplante de aire primario se ha obtenido de forma experimental en el
laboratorio y se muestra en la siguiente figura:
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Q (l/s)
28
33
38
43
48
53
58
180
160
y = -4,6678x + 295,98
R² = 0,9928
140
ΔP (mbar)
120
100
80
60
y = -1,2966x + 295,98
R² = 0,9928
40
20
0
100
120
140
160
180
200
220
Q (m3/h)
Fig. 3-3 Curva experimental de la soplante primaria
En el caso de la soplante de aire secundario, la curva de funcionamiento experimental se
muestra en la siguiente figura:
0
10
20
30
40
50
60
Q (l/s)
70 80
90 100 110 120 130
100
90
80
ΔP (mbar)
70
60
30 Hz
50
40 Hz
40
45 Hz
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
Q
300
350
400
450
500
(m3/h)
Fig. 3-4 Datos experimentales de la soplante secundaria
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Como se puede apreciar, a 45 Hz y para un caudal cercano a los 500 m 3/h la pérdida de carga
que vence la soplante es de 90 mbar aproximadamente. Esa soplante va a trabajar con
caudales de entre 100 y 250 m3/h por lo que se puede afirmar que va a vencer la pérdida de
carga necesaria durante su funcionamiento.
Se ha decidido que esta soplante suministre el aire a la línea de aire secundario ya que
proporciona una pérdida de carga muy constante en el rango de caudales con el que se va a
trabajar, como se aprecia en la curva experimental de la misma.
La línea de aire primario se puede ver con más detalle en la figura (Fig. 3-5). En ésta se puede
ver para un caudal de aire primario de 160 m 3/h las velocidades y pérdidas de carga calculadas
a partir de la ecuación de Darcy en cada uno de los tramos. La pérdida de carga total calculada
en este tramo es de 7.12 mbar. A esta pérdida de carga habría que sumarle 16.5 mbar que
proporcionaría el plato a ese caudal, con lo que en total, se necesitaría vencer una pérdida de
carga de 23.62 mbar a 160 m3/h antes de entrar en el riser.
Fig. 3-5 Características de la línea de aire primario para el caudal de diseño
Por otro lado, la línea de aire secundario desde la soplante hasta el anillo distribuidor del aire
en el riser, que se describirá a continuación, se puede ver en la siguiente figura:
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Fig. 3-6 Características de la línea de entrada de aire secundario
La inyección de aire secundario en un reactor de lecho fluido circulante altera la distribución
axial de los sólidos, la distribución radial de la velocidad de los mismos y el flujo másico local
de forma significativa. Es por ello que el diseño del dispositivo de introducción de aire
secundario en el reactor va a cobrar una relativa importancia. En este apartado se van a
mostrar los resultados obtenidos en varios procesos experimentales de distintas publicaciones
para obtener unas conclusiones que nos ayuden al diseño de nuestro propio reactor.
Principalmente, las distribuciones de entrada que se han estudiado en la literatura son las que
aparecen en la siguiente figura:
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Fig. 3-7 Diferentes inyectores de aire secundario. Koksal y Hamdullahpur (2004)
En general, se puede afirmar que con la inyección tangencial la mezcla de aire secundario con
la suspensión ascendente tiene lugar de forma más gradual a lo largo del riser con lo que
aumenta el tiempo de residencia de los sólidos en el reactor; con la inyección radial se
consigue una mejor mezcla radial que se manifiesta en una uniformización más rápida del gas
a lo largo de la columna debido a la penetración de los chorros hacia el interior del riser y a las
interacciones entre ellos; finalmente, la inyección mixta pretende conseguir un efecto
intermedio entre los dos anteriores.
En una revisión de diferentes autores que ensayaron distintas configuraciones de entrada de
aire secundario en el riser para determinar la influencia de la mismas sobre la distribución y
flujo de los sólidos se puede observa que la configuración radial es la más utilizada para lechos
de ensayo con diámetros de entre 10 y 23 cm y con hasta 4 orificios de inyección. Los
diámetros de los orificios de inyección van desde los 25 a los 40 mm en los ensayos
consultados y la velocidad en los mismos desde 2 a 6 m/s. En la siguiente figura se recogen las
características principales de los ensayos realizados por distintos autores.
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Fig. 3-8 Dimensiones y condiciones de operación para distintas instalaciones de lecho fluido circulante con
inyección de aire secundario. Koksal et al (2008)
Finalmente, se decidió que la disposición de la entrada de aire secundario se realizaría en
anillo con 4 entradas radiales ya que, además de que la disposición radial es la que da lugar a
una mejor mezcla radial, era más fácil de construir en la estructura de metacrilato que iba a
formar el riser. El diseño se realizó de forma que para un caudal máximo de aire secundario de
300 m3/h la velocidad de inyección fuese de 6 m/s. Un diagrama de la entrada del aire
secundario se puede apreciar en la siguiente figura:
Fig. 3-9 Características de la entrada en anillo del aire secundario. Vista en planta
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En total, la pérdida de carga que tiene que vencer la soplante de aire secundario, teniendo en
cuenta una expansión y una reducción que no aparecen reflejadas en los diagramas anteriores
es de 15 mbar para un caudal de aire secundario de 300 m3/h.
 Entrada de aire en el loop seal
Finalmente, la entrada de aire en el loop seal proviene de una red de aire comprimido
previamente instalada y se bifurca en 2: una entrada en la cámara de reciclo (corresponde al
standpipe del que se habló anteriormente) y otra en la cámara de suministro (situado en la
parte donde desemboca el dowcomer en el loop seal). La entrada de ambas se encuentra en el
plenum del loop seal y disponen de rotámetros con válvulas para controlar el caudal de aire y
para estudiar el comportamiento del sistema cuando sólo entra aire por una o por otra. El
caudal nominal de diseño va a ser de 70 m3/h.
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Fig. 3-10 Entrada de aire en el loop seal
3.3.2. Platos distribuidores
El plato distribuidor diseñado para el riser, éste consta de 200 agujeros de 3 mm de diámetro
cada uno y un grosor de 4 mm. Se ha diseñado de forma que la pérdida de carga que ofrece el
mismo para un caudal de aire primario de 200 m3/h sea de 25 mbar.
Por otro lado, el plato distribuidor diseñado para la entrada del aire en el loop seal tiene un
total de 90 agujeros de 2 mm cada uno y un grosor de 4mm.
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3.3.3. Ciclón
Para ciclón, se ha tomado un caudal máximo de operación de 460 m 3/h con una velocidad de
entrada en el mismo de 30 m/s. Tomando este caudal de operación, se puede determinar en
área de entrada del ciclón como el cociente entre el caudal y la velocidad. Esta área es igual al
producto de K x L (Fig. 3-11) y, tanto K y L como el resto de las dimensiones que aparecen en
la figura (Fig. 3-11), se relacionan con el diámetro del ciclón Dc de la siguiente forma según
Swift (1969):
Fig. 3-11 Ciclón con entrada tangencial. Basu 2006
0.44
0.21
0.4
0.5
1.4
3.9
0.4
Donde:

K representa el largo de la sección de entrada de aire al ciclón.

L es el ancho de la sección de entrada de aire al ciclón.
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
m se corresponde con el diámetro de la sección de salida del aire.

F es la altura de la sección de la salida del aire desde el interior hasta la superficie
externa del ciclón.

S representa el largo de la parte cilíndrica del ciclón.

H se corresponde con la altura total del ciclón.

E es el diámetro de la sección de salida de sólidos.

Dc tiene que ver con el diámetro interno del ciclón
Conociendo el área de la sección de entrada de aire en el ciclón y utilizando las relaciones
anteriores, se obtienen las siguientes dimensiones del ciclón:
92
44
83
104
291
811
83
208
El diámetro de corte de partícula para una eficiencia del ciclón del 50% es de 5 µm para las
condiciones de diseño mencionadas al principio. De esta forma nos aseguramos de que las
partículas con las que vamos a trabajar sean capturadas y no escapen del sistema.
3.3.4. Sistema de filtración con mangas
El aire a la salida del ciclón se hace pasar por mangas filtrantes para evitar la salida de finos al
exterior. En total, se van a utilizar 10 mangas de fieltro punzonado; 9 de ellas tiene unas
dimensiónes de ϕ 70 x 500 mm y la otra de ϕ 110 x 500 mm. De esta forma, se prevé que la
pérdida de carga del sistema de mangas trabajando al mayor caudal posible (460 m 3/h) esté en
torno a 10 mbar.
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