Resumen Fluidización y Transporte neumático

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Operaciones unitarias 1 Burgos Maria Virginia 
 
 
FLUIDIZACIÓN 
INTRODUCCIÓN 
La fluidización es el fenómeno por el cual un lecho de partículas sólidas se suspenden en el seno de un 
gas o un líquido, adquiriendo un comportamiento semejante al de un fluido. 
Se considera un lecho poroso, al que está formado por partículas contiguas que dejan entre ellas huecos 
o espacios libres. 
La utilización amplia de la fluidización comienza en la industria del petróleo con el desarrollo del cracking 
(craqueo) catalítico en el lecho fluidizado. Los lechos fluidizados se utilizan también para el curtido de 
minerales, secado de sólidos finos y absorción de gases. 
MECANISMO DE LA FLUIDIZACIÓN 
Tenemos un tubo corto, vertical con un lecho de partículas sólidas. Entra aire a baja velocidad por la parte 
inferior, el flujo ascendente a través de la arena, pero no da lugar al movimiento de las partículas. Se 
aumenta progresivamente el flujo, en consecuencia, se aumenta la caída de presión hasta que se llega un 
momento en que la caída de presión es igual a la fuerza de gravedad sobre las partículas y comienzan a 
moverse (punto A). 
Si se sigue aumentando la velocidad, la caída de presión y la porosidad aumentan (pero más lentamente), 
hasta alcanzar el punto B, donde el lecho está en la condición menos compacta posible, con los granos 
todavía en contacto. El lecho es inestable entre los puntos B y F; y las partículas se acomodan para ofrecer 
una resistencia mínima al flujo de gas. El arreglo más flojo entre las partículas, sé logra en el punto F, que 
es el punto de fluidización, debido a esto, la caída de presión disminuye un poco desde B a F. 
A partir de F tenemos “fluidización discontinua”, 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 
por lo que se llama "lecho hirviente". Supongamos ahora que la velocidad del fluido se aumenta todavía 
más, el lecho de sólidos se expansiona y disminuye su densidad. 
A partir del punto P todas las partículas han sido arrastradas por el fluido, la porosidad se aproxima a la 
unidad y el lecho deja de existir como tal, tenemos “fluidización continua” o “transporte neumático”. 
Entre F y P la caída de presión aumenta con la velocidad del fluido, pero mucho más lentamente que entre 
O y A. Ésta entonces es la zona de trabajo debido a que se gasta menos energía. 
 
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VELOCIDAD DE FLUIDIZACIÓN 
 Velocidad mínima de fluidización: es la velocidad necesaria para que el lecho comience a 
expansionarse. Nos encontramos en el punto F del gráfico. 
 Velocidad de operación: se calcula como Q/A, pero en la práctica se calcula como 3 a 5 veces la 
velocidad mínima, además, en esta velocidad nos encontramos en la “fluidización discontinua” que es 
el rango de mejor rendimiento. 
 Velocidad terminal: se le llama también “velocidad de transporte neumático” y suele ser 10 veces la 
velocidad mínima. En esta velocidad el fluido arrastró consigo todos los sólidos, nos encontramos 
pasando el punto P. 
TIPOS DE FLUIDIZACIÓN 
Fluidización particulada: las partículas se mueven al azar por el seno de un líquido haciéndolo 
individualmente. Se produce cuando tenemos: 
• Densidades de fluido-sólido no muy diferentes 
• Bajas velocidades 
• Partículas pequeñas 
El lecho se fluidiza homogéneamente y cada partícula se mueve individualmente en un espacio libre 
uniforme. La fase sólida presentó las características de un fluido. 
Fluidización agregativa: las partículas se mueven en forma de agregados. Se produce cuando tenemos: 
• Densidades del sólido-fluido diferentes 
• Velocidad del fluido relativamente alta. 
• Partículas grandes 
Parte del gas circula entre las partículas individuales, pero la mayor parte 
circula en burbujas que no contienen prácticamente sólidos. Dentro del lecho 
las partículas se mueven en forma de agregados diferentes. 
El número que es característico para separar los distingos tipos de 
fluidización, es el dé Froude. Si Fr<1, se produce fluidización particulada y si 
Fr>1, fluidización agregativa. Pero, experimentalmente se ha encontrado que 
si el fluido es líquido se produce la fluidización particular y si es gas, 
agregativa. 
POROSIDAD Y ESFERICIDAD 
Porosidad 
Es la relación entre el volumen de los huecos y el volumen total del lecho. 
𝜀 =
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 ℎ𝑢𝑒𝑐𝑜𝑠
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
=
𝑉ℎ𝑢𝑒𝑐𝑜𝑠
𝑉𝑙𝑒𝑐ℎ𝑜
=
𝑉𝑙𝑒𝑐ℎ𝑜 − 𝑉𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠
𝑉𝑙𝑒𝑐ℎ𝑜
 
𝜀 =
𝑚𝑠. 𝜌𝑎 − 𝑚𝑠. 𝜌𝑠
𝑚𝑠. 𝜌𝑎
=
𝜌𝑎 − 𝜌𝑠
𝜌𝑎
= 1 −
𝜌𝑠
𝜌𝑎
→ Donde ρa: densidad aparente y ρs: densidad sólido 
 
 
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Esfericidad 
Es un factor de forma que se define como la relación entre el área superficial de una esfera y el área 
superficial de la partícula del mismo volumen. 
𝜑 =
𝐴𝑒
𝐴𝑝
=
𝜋. 𝐷𝑒
2
𝐴𝑝
 y como: 𝑉𝑒 = 𝑉𝑝 → 𝑉𝑝 = 𝜋.
𝐷𝑒
3
6
→ 𝐷𝑒 = (
6. 𝑉𝑝
𝜋
)
1
3
→ Entonces: 𝜑 =
𝜋. (
6. 𝑉𝑝
𝜋
)
2
3
𝐴𝑝
 
La dependencia de la porosidad con la esfericidad para lechos de 
partículas granulares de tamaño uniforme empacados 
irregularmente, se ve en la figura (en el diseño práctico se toma el 
empaque denso). 
 
Porosidad mínima 
La porosidad del lecho cuando comienza la fluidización recibe el nombre de porosidad mínima de 
fluidización. Depende de la forma y del tamaño de las partículas, generalmente (no siempre) disminuye al 
aumentar el diámetro de las partículas. Se encuentra a través de la siguiente ecuación empírica: 
𝜀 = 1 − 0,356. (log( 𝐷𝑝) − 1) → Donde 𝐷𝑝 está en μm y va de 50μm a 500μm 
Para materiales conocidos puede usarse: 
 
ALTURA DEL LECHO 
Cuando la velocidad del fluido se aumenta sobre la mínima necesaria para la fluidización, el lecho se 
expansiona y aumenta la porosidad. Si el área de la sección transversal del recipiente no varía con la 
altura, la porosidad es una función directa de la altura del lecho. 
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𝜀 =
𝐿 − 𝐿0
𝐿
= 1 −
𝐿0
𝐿
→ Donde Lo es la altura del lecho estático (ε = 0) como si no tuviese huecos 
Despejando: 𝐿0 = 𝐿(1 − 𝜀) = 𝐿1(1 − 𝜀1) = 𝐿2(1 − 𝜀2) = ⋯ 
Entonces: L2 =
𝐿1(1 − 𝜀1)
(1 − 𝜀2)
→ podemos calcular la altura para cualquier nuevo valor de porosidad 
CAIDA DE PRESIÓN EN UN LECHO FLUIDIZADO 
Cuando comienza la fluidización, la caída de presión a través del lecho equilibra a la fuerza de gravedad 
sobre los sólidos. La caída de presión para la fluidización incipiente puede hallarse igualando la fuerza que 
ejerce la presión sobre los sólidos a la fuerza de gravedad menos la fuerza de flotación debida al fluido 
desalojado. 
(𝑃𝑎 − 𝑃𝑏)𝑆 = 𝑔[𝜌𝑝(1 − 𝜀𝑀)𝑆. 𝐿𝑀 − 𝜌(1 − 𝜀𝑀)𝑆. 𝐿𝑀] →
−∆𝑃
𝐿𝑀
= 𝑔(𝜌𝑝 − 𝜌)(1 − 𝜀𝑀) 
Donde → LM: altura mínima de fluidización, S: área de la sección transversal y εM: porosidad mínima 
A medida que la velocidad del fluido aumenta sobre el valor necesario para inicial la fluidización, la caída 
de presión aumenta, pero la variación es pequeña y la podemos considerar como constante. Sin embargo, 
como el lecho se expansiona, disminuye la caída de presión por metro de altura del lecho expansionado. 
Si L y ε son la altura y la porosidad del lecho expansionado, la caída de presión por metro de altura es: 
−∆𝑃
𝐿(1 − 𝜀)
= 𝑔(𝜌𝑝 − 𝜌) = 𝑐𝑡𝑒 
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FLUIDIZACIÓN 
VENTAJAS: 
→ Permite realizar transferencia de masa y energía en forma muy eficiente porque el área específica es 
muy grande. 
→ Gracias a la agitación que produce el fluido, se asegura que prácticamente no existan gradientes de 
temperaturas en el lecho aún con reacciones fuertemente endo o exotérmicas. 
→ Debido a la fluidez de los sólidos es sencillo pasarlos de un recipiente a otro. 
→ Se puede usar para calentar o secar las partículas sólidas en el lecho. Se utilizaen operaciones de 
transferencia de calor, reacciones químicas y transferencia de masa. 
DESVENTAJAS: 
→ Elevado grado de desintegración necesario, o sea gastos de molturación y tamizado. Conviene usarse 
cuando la alimentación provenga de antemano con tamaño reducido. 
→ Erosión del recipiente. 
→ Formación de polvos (por choques) y partículas finas que son transportadas fácilmente por el fluido 
hacen necesario el uso de ciclones. 
→ Cuando la fluidización es agregativa, hay un contacto desigual entre gas y sólido. 
FLUJO A TRAVÉS DE LECHOS EMPACADOS 
Ejemplos: Asimilación de humedad por los suelos, adsorción, intercambio de iones, columnas de relleno 
para absorción o destilación. 
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La pérdida total de presión va a tener una componente laminar y una turbulenta y se utilizan las ecuaciones 
de: 
Carman-Kozeny: flujo laminar 
−∆𝑃
𝐿
= 𝐾2
(1 − 𝜀)2
𝜀3
𝜇 𝑣
𝐷𝑝
2 
Burke-Plummer: flujo turbulento 
−∆𝑃
𝐿
= 𝐾4
𝜌. 𝑣2
𝐷𝑝
(1 − 𝜀)
𝜀3
 
La pérdida total de presión resultante del flujo a través del lecho es la suma de ambas ecuaciones, tomando 
a K2=150 y K4=1.75, valores que se obtienen por representación gráfica. Esto nos da la ecuación de Ergun 
que es una ecuación que abarca todo el intervalo de velocidades de flujo suponiendo que las pérdidas de 
viscosidad y energía cinéticas son aditivas: 
−∆𝑃
𝐿
= 150
(1 − 𝜀)2
𝜀3
𝜇 𝑣
𝜑2𝐷𝑝
2 + 1.75
𝜌. 𝑣2
𝜑𝐷𝑝
(1 − 𝜀)
𝜀3
→ donde φ: esfericidad 
 
FLUIDIZACIÓN DE LECHOS 
El lecho empacado se expande cuando la pérdida de presión debida al flujo ascendente del fluido a través 
del lecho se iguala al peso del empaque, y la caída de presión es: 
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−∆𝑃
𝐿
= 𝑔(𝜌𝑝 − 𝜌)(1 − 𝜀) 
Reordenando la ecuación de Ergun al punto de fluidización incipiente se obtiene una ecuación para la 
velocidad mínima de fluidización: 
𝑔(𝜌𝑝 − 𝜌) = 150
(1 − 𝜀𝑀)
𝜀𝑀
3
𝜇 𝑣𝑀
𝜑2𝐷𝑝
2 + 1.75
𝜌. 𝑣𝑀
2
𝜑𝐷𝑝𝜀𝑀
3 
EQUIPO INDUSTRIAL 
 
 
 
 
 
 
 
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TRANSPORTE NEUMÁTICO 
En general los transportes neumáticos se clasifican en: 
 
De presión: se deja caer el material en una 
corriente de aire (por encima de la presión 
atmosférica). La velocidad de la corriente 
mantiene el material a granel en suspensión 
hasta que llega al recipiente receptor. 
 
 
 
 
 
 
De vacío: los materiales se desplazan 
por una corriente de aire de presión 
menor que la atmosférica, antes de 
llegar al recipiente final pasan por un 
separador. 
 
 
 
 
 
De presión-vacío: son una combinación de los dos métodos anteriores. El vacío induce al material a entrar 
al transportador y se desplaza una corta distancia hasta un separador. El aire pasa por un filtro al lado de 
succión de un ventilador de desplazamiento positivo. Luego se alimenta al material a la corriente de aire 
de presión positiva y se lo transporta al recipiente final.