BIORREACTORES DE LECHO FLUIDIZADO Arenas N., Burgos F., Orjuela C. DEFINICIÓN Y CONCEPTOS Introduzca su logotipo o su nombre aquí 2 BIORREACTORES DE LECHO FLUIDIZADO Los lechos fluidizados son reactores biopelícula con un amplio rango de aplicaciones en tratamiento biológico aerobio, anóxico y anaerobio. Estos sistemas materiales emplean particulados de pequeño tamaño como medio soporte para el crecimiento adherido de la biocenosis. Introduzca su logotipo o su nombre aquí 3 LECHO FIJO LECHO A MÍNIMA FLUIDIZACIÓN FENÓMENO DE FLUIDIZACIÓN La fluidización es el fenómeno por el cual un lecho de partículas sólidas se suspende en el seno de un gas o un líquido de tal manera que su comportamiento es semejante al de un fluido. LECHO DE FLUIDIZACIÓN PARTICULADA LECHO BURBUJEANTE Introduzca su logotipo o su nombre aquí 4 Lecho fijo Lecho de mínima fluidización Lecho de fluidización suave Lecho de fluidización burbujeante Lecho de fluidización burbujeante Lecho de fluidización turbulenta Fluidización en fase esbelta con transporte neumático Introduzca su logotipo o su nombre aquí 5 El comportamiento de un lecho se clasifica en función del caudal de fluido introducido y el diámetro de las partículas del lecho. Lecho fijo (segmento OA ): Cuando la velocidad del fluido es baja las partículas permanecen inmóviles, y a medida que se aumenta la velocidad aumenta la caída de presión del aire que circula a través del lecho. Llega un momento en que la caída de presión es igual a la fuerza de gravedad sobre las partículas por unidad de área de sección, y entonces las partículas comienzan a moverse (punto A). CURVAS DE FLUIDIZACIÓN Introduzca su logotipo o su nombre aquí 6 Región intermedia (curva ABF ): Al principio el lecho se expansiona lentamente manteniendo los granos todavía en contacto; la porosidad aumenta y la caída de presión aumenta ahora más lentamente. Cuando se alcanza el punto B, el lecho está en la condición menos compacta posible, manteniéndose los granos todavía en contacto. CURVAS DE FLUIDIZACIÓN Introduzca su logotipo o su nombre aquí 7 Fluidización continua: Cuando la velocidad del fluido sea suficientemente alta las partículas son arrastradas fuera del lecho, la porosidad se aproxima a la unidad (Ver Figura 2)y el lecho deja de existir como tal. El ∆P del lecho cae. Lecho fluidizado (segmento FP ): A partir del punto F el movimiento de las partículas es cada vez más intenso, formándose torbellinos y desplazándose al azar. El contenido del tubo se parece a un líquido en ebullición debido a la formación de burbujas del fluido gaseoso similares a las del vapor. Introduzca su logotipo o su nombre aquí FACTORES A TENER EN CUENTA 1 2 3 4 5 Tamaño de los sólidos y su distribución en el seno de lecho Relación de densidades entre el fluido y las partículas Geometría del lecho Modo de alimentación del gas Tipo de partícula La capacidad para fluidizar de las partículas, y las condiciones de operación, varían mucho según el tipo de sistema y dependen de múltiples factores. Introduzca su logotipo o su nombre aquí 9 GRUPO A GRUPO B CLASIFICACIÓN DE LAS PARTÍCULAS La clasificación de Geldart es función de la densidad y del tamaño de las partículas. Geldart clasifica las partículas en cuatro grupos distintos, atendiendo a sus propiedades de fluidización en condiciones ambiente. GRUPO C GRUPO D Introduzca su logotipo o su nombre aquí 10 VENTAJAS INCOVENIENTES • El comportamiento suave y fluido que presentan las partículas en estado de fluidización permite un control sencillo. •El rápido mezclado de partículas en el lecho provoca tiempos de residencia variables. El tratamiento continuo de sólidos proporciona productos no uniformes y un rendimiento bajo, especialmente a altos niveles de conversión. • El mezclado rápido de las partículas permite alcanzar iguales condiciones de temperatura en todo el lecho. • Un lecho con partículas bien mezcladas resiste las rápidas variaciones de temperatura, responde lentamente a los cambios bruscos en las condiciones de operación y ofrece un gran margen de seguridad evitando pérdidas de temperatura en reacciones altamente exotérmicas. • Las velocidades de transferencia de calor y masa entre el gas y las partículas son mayores comparados con otros modos de contacto. • La capacidad de transferencia de calor entre un lecho fluidizado y un objeto inmerso en su interior es alta, con lo cual los intercambiadores de calor en los lechos fluidizados requieren una superficie de transferencia relativamente baja. • La erosión en depósitos y tuberías debida a la abrasión por las partículas puede ser considerable. Por otra parte, las partículas finas en ocasiones son arrastradas por el gas y deben ser reemplazadas por otras. • El menor coste de operación de los lechos fluidizados frente a otros sistemas es el principal motivo por el que se utiliza en la industria. Introduzca su logotipo o su nombre aquí 11 DIMENSIONAMIENTO Introduzca su logotipo o su nombre aquí 12 Para empezar con el dimensionamiento, se tiene como objetivo primero encontrar la velocidad mínima de fluidización, para lo cual se utiliza la ecuación de Reynolds para régimen de flujo como sigue a continuación: de donde: Denotando con el subíndice “mf” la condición de velocidad mínima de fluidización. Para calcular el número de Reynolds a las condiciones de mínima fluidización, 𝑅𝑒𝑚𝑓 , se utiliza la ecuación: siendo: Introduzca su logotipo o su nombre aquí Ar hace referencia al número de Arquímedes, determinado por: Esta correlación del número de Reynolds a las condiciones de mínima fluidización y el número de Arquímedes, permite relacionar la velocidad mínima de fluidización con la temperatura mediante un diámetro de partícula definido, de donde se confirma la dependencia directa de las variables con la temperatura de trabajo. Y el número de Arquímedes depende de la viscosidad del gas, las densidades del sólido y el gas, que igualmente son funciones de la temperatura y parámetros característicos del sistema como lo es el diámetro de partícula; de donde se obtiene que: Introduzca su logotipo o su nombre aquí De acuerdo con la convención para el lecho fluidizado, según la cual la velocidad de entrada del gas de trabajo es de2 a 2,5 veces la velocidad mínima de fluidización del lecho, se tiene: Ahora, el objeto de evaluar las condiciones del sistema es obtener las dimensiones del reactor, dimensiones como diámetro del reactor, longitud del reactor, altura del lecho y condiciones de entrada de los flujos y compuestos implicados. De esta manera se procede a determinar: Caudal de entrada: en litros normales por hora Altura del lecho: donde ∆𝑃 = 𝑓(𝜀) por medio de la ecuación: 𝐿Τ ℎ , por medio de la ecuación de Abad: Introduzca su logotipo o su nombre aquí y a su vez 𝜀 = 𝑓 𝑅𝑒, 𝐴𝑟 = 𝑓(𝑇) por medio de la correlación de Thonglimp: Longitud del reactor: Una vez se determina la altura del lecho en función de la temperatura, procedemos a determinar la longitud del reactor por medio de: Peso del lecho: por medio de la ecuación en la cual se observa la dependencia de la temperatura (𝑇), el tamaño de partícula (𝑑𝑝 ) y el diámetro del reactor (𝐷) Tiempo de residencia: resultado del cociente entre el volumen del reactor sobre el flujo volumétrico o caudal entrante al mismo, de esta manera Introduzca su logotipo o su nombre aquí MODELO MATEMÁTICO Introduzca su logotipo o su nombre aquí 17 ECUACIÓN DE ERGUN Introduzca su logotipo o su nombre aquí ECUACIÓN DE ERGUN Velocidad del aire (cm/s) Introduzca su logotipo o su nombre aquí PARÁMETROS DEL MODELO K-L Introduzca su logotipo o su nombre aquí PARÁMETROS DE TRANSFERENCIA Introduzca su logotipo o su nombre aquí PROPORCIONES EN LAS FASES Introduzca su logotipo o su nombre aquí ESTELA Introduzca su logotipo o su nombre aquí OBTENCIÓN DEL Δ Introduzca su logotipo o su nombre aquí UNA BURBUJA ≈ REACTOR POR LOTES Introduzca su logotipo o su nombre aquí ECUACIÓN DE DISEÑO: 1 RXN Introduzca su logotipo o su nombre aquí ECUACIÓN DE DISEÑO: PRIMER ORDEN Introduzca su logotipo o su nombre aquí MODELOS DAVIDSON Y HARRISON División del reactor de lecho fluido en dos fases: fase burbuja (dilute o bubble phase) y fase emulsión (dense phase). • La fase burbuja es incompresible, e integrada por la fase gaseosa que recorre el lecho. • La presión en esta fase es uniforme. • La fase emulsión comprende las partículas sólidas del interior del reactor y el gas intersticial entre las mismas. • La densidad de esta fase es homogénea y constante. Introduzca su logotipo o su nombre aquí MODELO DE KUNII Y LEVENSPIEL Introduzca su logotipo o su nombre aquí Gracias BIORREACTORES DE LECHO FLUIDIZADO
