Subido por Cristian Santander

APLICACIONES DE FLUIDIZACION

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA
OPERACIONES UNITARIAS II
NOMBRE: SANTANDER RUIZ CRISTIAN
APLICACIONES INDUSTRIALES DEL FLUIDIZACIÓN
Gasificación de carbón en lecho fluidizado.
La gasificación de carbón se utilizó inicialmente por compañías de gas para la iluminación hace más
de 70 años y fue ampliamente utilizada en Europa donde el petróleo era escaso en los 40. Los
gasificadores de carbón se utilizan en muchos países para la producción comercial de gas y
compuestos carboquímicos. La elevada eficiencia de los procesos de ciclo combinado que usan gas
natural como combustible ha llevado a proponer como vía posible para un aprovechamiento limpio
y eficiente del carbón, su conversión a gas mediante la gasificación.
El proceso de gasificación
En casi todos los procesos, el diagrama general de flujo de proceso es el mismo. El carbón está
preparado por chancado y secado, retratado si es necesario para prevenir el endurecimiento, y luego
convertido en gas con una mezcla de aire u oxígeno y vapor.
El gas resultante es enfriado y limpiado de los residuos quemados, ácido sulfhídrico, y CO 2 antes
de entrar a las fases opcionales de procesamiento para ajustar su composición al uso final.
Termodinámica
En el estudio de la termodinámica de la gasificación del carbón suponemos que el carbón puede ser
tratado como carbón puro aunque realmente sea un sólido no homogéneo que contiene hidrógeno,
oxígeno, azufre, nitrógeno y materia mineral, pues los errores asociados con esta suposición
probablemente no son significativos.
Carbón → Gases (CO, CO2, H2, CH4) + C ("char")
C ("char") + H2O → CO + H2 (endotérmica)
C ("char") + 3/2 O2 → CO2 + CO (exotérmica)
CO + H2O → CO2 + H2 (medianamente exotérmica)
CO + 3H2 → CH4 + H2O (exotérmica)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
El asunto termodinámico principal en procesos de gasificación más prácticos es cómo suministrar
el calor para esta reacción. Varios métodos son ideados, pero generalmente el calor es suministrado
permitiendo que ocurran las reacciones exotérmicas (3) y (5) en el mismo reactor junto con la
reacción (2). El grado al cual usamos una reacción o la otra depende de la configuración del proceso
y del producto deseado. Las reacciones (4) y (5) son llevadas a cabo en etapas posteriores con el
fina de medir la composición de los gases para sus usos particulares.
Procesos
Para el proceso de lecho fluidizado, sin aglomeración, Winkler.
a- Presión: atmosférica-40 Bar
b- Agente gasificante: Aire u oxígeno
Reactores de lecho fluidizado. FCC (Fluid Catalytic Cracking).
Las refinerías han ido adaptándose para producir cada vez mayor porcentaje de fracciones ligeras
(los productos más valiosos del barril de crudo). Hemos pasado de la refinería que hace el
fraccionamiento del crudo por destilación atmosférica o al vacío a la compleja refinería que
convierte mediante craqueo catalítico (entre otros procedimientos) las fracciones pesadas de la
destilación al vacío en fracciones ligeras, y finalmente a las refinerías que utilizan procesos más
profundos, consiguiendo un barril más blanco.
Para comprender el craqueo catalítico operando en doble lecho fluidizado empezamos por el craqueo
térmico que consiste en la ruptura de las cadenas carbonadas por la acción del calor (400-650 ºC).
Las cadenas se rompen, deshidrogenan o polimerizan produciendo parafinas más cortas, olefinas,
naftenos o aromáticos, según los casos.
En principio, la ruptura de un hidrocarburo da lugar a una nueva parafina más corta y a una olefina.
El craqueo se practica en fase líquida o en fase vapor. Dependiendo de la volatilidad del aceite
tratado y de la presión y temperatura de trabajo. Las condiciones más corrientes de fase líquida
(preferentemente para tratar aceites pesados) es de unos 450 ºC y 10-80 atm. En fase vapor (gasóleos
ligeros y querosenos) las temperaturas son algo más altas, 500ºC o más y la presión nunca llega a
las 4-5 atm.
La proporción de la carga que se transforma en gasolina varía con la temperatura y el tiempo. El
rendimiento en gasolina llega a veces al 80%.
En las refinerías modernas el craqueo térmico a quedado desplazado por el craqueo catalítico.
Sigue utilizándose por 3 objetivos:
-
Visbreaking o reducción de la viscosidad de los residuos pesados de la destilación
atmosférica o al vacío.
Producción térmica de gasóleo.
Coquización, para aprovechar al máximo las partes volátiles.
Los catalizadores empleados pueden ser dadores de protones o transportadores de electrones.
La diferencia fundamental entre las reacciones de craqueo térmico y catalítico es que las primeras
se producen a través de un mecanismo de radicales libres y las segundas mediante la producción de
carbocationes producidos por la adición del catalizador.
Se practica de manera semejante al térmico pero intercalando en la cámara de reacción el lecho
catalítico para que lo atraviesen los vapores a reformar. Este sería el sistema de lecho fijo. El depósito
de coque obliga a trabajar con doble lecho; mientras uno está en funciones se pasa por el otro una
corriente de aire caliente que quema la carbonilla y libera la superficie del catalizador.
Como esta forma intermitente de trabajo no puede ser muy eficaz, se ha evitado de varias maneras,
empleando sistemas en que las bolas de material cerámico se sustituyen por el catalizador granulado;
o también operando en doble lecho fluidizado, uno de cuyos lechos trabaja en catálisis y
simultáneamente el otro se descoquiza por combustión, pasando continuamente el catalizador
granular microesférico de uno a otro.
Las ventajas de este sistema fluidizado especialmente se basa en la gran producción por unidad.
Secado en lechos fludizados.
-
Sus fundamentos
El gas de fluidización aporta el calor para el secado en lechos fluidizados, pero el flujo del gas no
tiene que provenir de una sola fuente. El calor se puede introducir de manera eficaz calentando las
superficies (paneles o tubos) inmersas en la capa fluidizada.
En el enfriamiento en lechos fluidizados se usa gas frío (por lo general aire acondicionado o
ambiental). En las plantas de tamaño más económico en ocasiones será necesario acondicionar el
gas para lograr que el producto se enfríe adecuadamente y para evitar que capte partículas volátiles
(por lo general humedad). El calor también se puede eliminar enfriando las superficies inmersas en
la capa fluidizada.
La aglomeración y la granulación se pueden realizar de varias formas, dependiendo del producto
que se vaya a alimentar y las propiedades que deba tener el producto final.
El revestimiento en lechos fluidizados de polvos, gránulos o tabletas requiere de la aspersión de un
líquido en condiciones estrictamente controladas sobre el polvo fluidizado.
Existen toda una serie de sistemas para el secado en lechos fluidizados. Los secadores continuos y
por lotes, los enfriadores y los sistemas de aglomeración, revestimiento, aglomeración en bolas y
granulación están diseñados para operar en ciclos abiertos (que implican la evaporación de agua), o
en ciclos cerrados (que implican la evaporación de solventes, en su mayor parte orgánicos). Para los
productos que presentan riesgo de explosión de polvo durante el procesamiento, existen disponibles
diseños a prueba de choques de explosión y sistemas auto-inertizados y de ciclo cerrado.
Sus ventajas
a- La fluidización de los materiales en gránulos permite una mayor facilidad en el transporte
de los materiales, altas velocidades de intercambio de calor con una gran eficiencia
térmica, a la vez que evita el sobrecalentamiento de las partículas.
b- Las propiedades de los productos se determinan basándose en la información derivada
de su velocidad de secado, por ejemplo, la forma en que el contenido de partículas volátiles
cambia con el tiempo en un lote en lecho fluidizado que opera en condiciones controladas.
Otras propiedades importantes son la velocidad del gas de fluidización, el punto de
fluidización (es decir, el contenido de partículas volátiles bajo el cual se logra la
fluidización sin agitación mecánica o vibración), el contenido de partículas volátiles en
equilibrio y el coeficiente de transferencia de calor para las superficies de calentamiento
inmersas.
c- Estos y otros datos se alimentan a un modelo por computadora del procesamiento en lechos
fluidizados permitiendo así dimensionar los sistemas de secado industriales.
d- El secado en lechos fluidizados resulta adecuado para polvos, gránulos aglomerados y
pastillas con un tamaño de partícula promedio entre 50 y 500 micras. Es muy probable
que los polvos muy finos y ligeros o las partículas altamente elongadas requieran vibración
para lograr con éxito el secado en lechos fluidizados.
Adsorción
En ocasiones, es necesario eliminar componentes muy diluidos en grandes flujos de gas. En
estos casos, los procesos continuos de adsorción mediante fluidización a través de múltiples
etapas llegan a ser de gran efectividad. En la adsorción por lecho fluidizado los componentes
se adsorben de forma periódica con partículas de carbón activo y se eliminan posteriormente
con vapor. Los ciclos de adsorción y desorción (regeneración del carbón activo) se llevan a
cabo en el mismo lecho. Ejemplos de aplicación son la retirada y concentración de solventes
como disulfuro de carbono, acetona, etanol y acetato de etilo, o la eliminación de trazas
contaminantes en gases residuales.
Figura 1.Adsorción en lecho fluidizado
BIBLIOGRAFÍA:
J. F. Davidson, D. Harrison(1998), Fluidised Particles, Cambridge University Press
S. Ergun(2000), Fluid Flow Through Packed Columns, Chemical Engineering Progress
www.virtual.unal.edu.co
(portal de la Universidad Nacional de Colombia)
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