Fluidización

Fluidización
La fluidización es un proceso por el cual una corriente ascendente de fluido (líquido, gas o ambos)
se utiliza para suspender partículas sólidas. Desde un punto de vista macroscópico, la fase sólida
(o fase dispersa) se comporta como un fluido, de ahí el origen del término fluidización.
Los lechos fluidizados tienen variedad de aplicaciones, entre las cuales se pueden mencionar:
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Clasificación mecánica de partículas según su tamaño, forma o densidad.
Lavado o lixiviación de partículas sólidas.
Adsorción e intercambio iónico.
Intercambiado de calor en lecho fluidizado.
Reacciones catalíticas heterogéneas (incluyendo la descomposición catalítica del
petróleo).
Combustión de carbón en lecho fluidizado.
Gasificación de carbón en lecho fluidizado.
Secado

Regímenesde fluidización.

El análisis que se va realizar considera la fluidización mínima, que consiste en una
fluidización homogénea, a diferencia de la burbujeante que también es conocida como
agregativa.

1

Habrá fluidización si (-P)LA > peso del lecho

La siguiente gráfica muestra la caída de presión en el lecho cuando se hace pasar a
diferentes velocidades un fluido que fluye hacia arriba, tal comose muestra en la figura
anterior.
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




La recta A-B corresponde al
lecho fijo.
En el punto B: (-P)LA =
peso del lecho.
De B a C el lecho está
fluidizado.
De C a D el lecho se
desintegra y se produce
sedimentación retardada.
De D a E el lecho se
comporta en sedimentación
libre.

Cálculos en el punto B:
ΣFuerzas = caída de presión *área + fuerza de flotación –peso del lecho = 0
Es decir: 0= (-P)A + (1-ε)f*Vol*g- (1-ε)s*Vol*g, si Vol/A = L(long del lecho)
(-P)A=(1-ε)(s-f )g*Vol y
(-P)/ L = (1-ε)(s-f )g
Esta última ecuación permite encontrar la caída de presión que debe producir el fluido
al atravesar el lecho para que éste sea sostenido solo por el “empuje del fluido”.
Si lo que se desea es conocer que velocidad del fluido en lugar de la caída de presión
para lograr elpunto B se puede utilizar la ecuación de Ergun
2

−∆P dp φε3
L ρf u2 (1−ε)

1−ε

= 150 Re + 1.75. Sustituyendo -P/L obtenido del balance de fuerzas en el
p

punto B se encuentra:
(1 − εi )(ρs − ρf )g

dp φε3
i
ρf u2 (1−εi )

= 150

1−εi
Rep

+ 1.75. Donde se ha cambiado ε por εi para indicar el

punto en que inicia la fluidización.
2

Multiplicando esta última ecuación por el término
3

(dp φ) ρf(ρs −ρf )
μ2

=

150(1−εi ) dp φ∗ui ∗ρf
ϵ3i

μ

+ 1.75

(dp φ∗ui ∗ρf )

(dp φ∗ui ∗ρf )
μ2 ε3i

se encuentra:

μ2 ε3i
2

. Donde ui es la velocidad del fluido que

llega al ducto al inicio de la fluidización. Ecuación válida para cualquier número de Rep.
Simplificaciones:
2

a) Para Rep < 20, ignorando el segundo término del lado derecho: Vi =
b) Para Rep >1000, ignorando el primer término del ladoderecho Vi2 =

(dp φ) (ρs −ρf ) gϵ3i
150μ
1−εi
dp φ(ρs −ρf )
3
gεi
1.75ρ
f

3

Usando la definición del Rep y definiendo el número de Arquímedes como Ar =

(dp φ) ρf (ρs −ρf )

μ2

se obtiene:
Ar =

150(1−εi )
Rep
ϵ3i

+

1.75
Re2p
ε3i

A diferencia de fluidos a través de lechos rellenos, cuando no se conoce la porosidad del lecho
ε o la esfericidad de la partícula , para fluidización Wen y Yuencontraron que:
1
𝜑𝜀𝑖3

≅ 14

y

1−𝜀𝑖
𝜑2 𝜀𝑖3

≅ 11. Sustituyendo estas relaciones en la ecuación donde se define el

número de Arquímedes y despejando para el número de Reynolds se obtiene:
1/2

𝑑𝑝 𝑢𝑖 𝜌𝑓
0.0408𝑑𝑝3 𝜌𝑓 (𝜌𝑠 − 𝜌𝑓 )𝑔
= [(33.7)2 +
]
𝜇
𝜇2
Ecuación válida para cualquier número de Reynolds .

3

− 33.7

Simplificaciones:
2

c) Para Rep < 20 ui =

(dp φ) (ρs −ρf )g

d) Para Rep >1000 u2i =1650μ
dp φ(ρs −ρf )
24.5ρf

g

Lecho expandido: de B a C:
El grado de expansión se define como Y.
Y=

volumen del lecho expandido Vol
=
volumen del lecho fijo
Voli

Así, (1 − 𝜀𝑖 )𝑉𝑜𝑙𝑖 = (1 − 𝜀)𝑌𝑉𝑜𝑙𝑖𝑜 ,
𝑌=

despejando, el grado de expansión se determina como:

1−𝜀𝑖
1−𝜀

Para calcular la porosidad del lecho expandido, suponer que las ecuaciones en lecho expandido
funcionan con las utilizadas en...