intercambiador lecho fluidizado

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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

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Page 1: intercambiador lecho fluidizado

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):

Page 2: intercambiador lecho fluidizado

 (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].

Page 3: intercambiador lecho fluidizado

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.

Page 4: intercambiador lecho fluidizado

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.

Page 5: intercambiador lecho fluidizado

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.

Page 6: intercambiador lecho fluidizado

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.

Page 7: intercambiador lecho fluidizado

.

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:

Page 8: intercambiador lecho fluidizado

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:

Page 9: intercambiador lecho fluidizado

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.

Page 10: intercambiador lecho fluidizado

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

Page 11: intercambiador lecho fluidizado

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.

Page 12: intercambiador lecho fluidizado

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

Page 13: intercambiador lecho fluidizado

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

Page 14: intercambiador lecho fluidizado

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

Page 15: intercambiador lecho fluidizado

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.

Page 16: intercambiador lecho fluidizado

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-

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