Fluidización

La fluidización es un proceso similar a la licuefacción mediante el cual un material granular pasa de un estado sólido estático a un estado fluido dinámico . Este proceso ocurre cuando un fluido ( líquido o gas ) se hace pasar a través del material granular.

Cuando se introduce un flujo de gas a través de la parte inferior de un lecho de partículas sólidas, este se desplaza hacia arriba a través del lecho mediante los espacios vacíos entre las partículas. A bajas velocidades del gas, la resistencia aerodinámica sobre cada partícula también es baja, por lo que el lecho permanece en un estado fijo. Al aumentar la velocidad, las fuerzas de resistencia aerodinámica comienzan a contrarrestar las fuerzas gravitatorias, lo que provoca que el lecho se expanda en volumen a medida que las partículas se separan. Si se sigue aumentando la velocidad, se alcanza un valor crítico en el que las fuerzas de resistencia ascendentes se igualan exactamente a las fuerzas gravitatorias descendentes, lo que provoca que las partículas queden suspendidas en el fluido. En este valor crítico, se dice que el lecho está fluidizado y exhibe un comportamiento fluido. Al aumentar aún más la velocidad del gas, la densidad aparente del lecho continúa disminuyendo y su fluidización se intensifica hasta que las partículas dejan de formar un lecho y son transportadas hacia arriba por el flujo de gas.

Cuando se fluidiza, un lecho de partículas sólidas se comporta como un fluido, como un líquido o un gas. Al igual que el agua en un cubo , el lecho se adapta al volumen de la cámara, manteniendo su superficie perpendicular a la gravedad . Los objetos con menor densidad que la del lecho flotan en su superficie, subiendo y bajando si se les empuja hacia abajo, mientras que los objetos con mayor densidad se hunden hasta el fondo. Este comportamiento fluido permite transportar las partículas como un fluido, canalizándolas a través de tuberías , sin necesidad de transporte mecánico (por ejemplo, mediante una cinta transportadora ).

Un ejemplo sencillo y cotidiano de lecho fluidizado gas-sólido sería una máquina de palomitas de maíz de aire caliente . Los granos de maíz , de tamaño y forma bastante uniformes, se encuentran suspendidos en el aire caliente que asciende desde la cámara inferior. Debido a la intensa mezcla de las partículas, similar a la de un líquido hirviendo, se logra una temperatura uniforme de los granos en toda la cámara, minimizando así la cantidad de palomitas quemadas. Tras reventar, las palomitas, ahora más grandes, encuentran una mayor resistencia aerodinámica que las empuja fuera de la cámara hacia un recipiente.

Este proceso también es clave en la formación de volcanes de arena y estructuras de escape de fluidos en sedimentos y rocas sedimentarias .

La mayoría de las aplicaciones de fluidización utilizan una o más de las tres características importantes de los lechos fluidizados:

1. Los sólidos fluidizados se pueden transferir fácilmente entre reactores.
2. La intensa mezcla que se produce dentro de un lecho fluidizado implica que su temperatura es uniforme.
3. Existe una excelente transferencia de calor entre un lecho fluidizado y los intercambiadores de calor sumergidos en dicho lecho.

En la década de 1920, se desarrolló el proceso Winkler para gasificar carbón en un lecho fluidizado, utilizando oxígeno. No tuvo éxito comercial.

La primera implementación comercial a gran escala, a principios de la década de 1940, fue el proceso de craqueo catalítico fluidizado (FCC) , ^{[ 1 ]} que convertía fracciones de petróleo más pesadas en gasolina . El " coque " rico en carbono se deposita en las partículas del catalizador y lo desactiva en menos de 1 segundo . Las partículas de catalizador fluidizadas se transportan entre el reactor de lecho fluidizado y un quemador de lecho fluidizado donde se queman los depósitos de coque, generando calor para la reacción de craqueo endotérmica .

En la década de 1950, la tecnología de lecho fluidizado se estaba aplicando a procesos minerales y metalúrgicos como el secado, la calcinación y la tostación de sulfuros .

En la década de 1960, varios procesos de lecho fluidizado redujeron drásticamente el costo de algunos monómeros importantes . Ejemplos de ello son el proceso Sohio para el acrilonitrilo ^{[ 2 ]} y el proceso de oxicloración para el cloruro de vinilo ^{[ 3 ]} . Estas reacciones químicas son altamente exotérmicas y la fluidización garantiza una temperatura uniforme, minimizando las reacciones secundarias no deseadas, y una transferencia de calor eficiente a los tubos de enfriamiento, lo que asegura una alta productividad.

A finales de la década de 1970, un proceso de lecho fluidizado para la síntesis de polietileno redujo drásticamente el costo de este importante polímero , haciendo que su uso fuera económico en muchas aplicaciones nuevas. ^{[ 4 ]} La reacción de polimerización genera calor y la mezcla intensa asociada con la fluidización evita puntos calientes donde las partículas de polietileno se fundirían. Un proceso similar se utiliza para la síntesis de polipropileno .

Actualmente, la mayoría de los procesos que se están desarrollando para la producción industrial de nanotubos de carbono utilizan un lecho fluidizado. ^{[ 5 ]} Arkema utiliza un lecho fluidizado para producir 400 toneladas/año de nanotubos de carbono de paredes múltiples. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Una nueva aplicación potencial de la tecnología de fluidización es la combustión de bucle químico , que aún no se ha comercializado. ^{[ 8 ]} Una solución para reducir el efecto potencial del dióxido de carbono generado por la combustión de combustible (por ejemplo, en centrales eléctricas ) en el calentamiento global es el secuestro de dióxido de carbono . La combustión regular con aire produce un gas que es principalmente nitrógeno (ya que es el componente principal del aire en aproximadamente un 80% en volumen), lo que impide el secuestro económico. El bucle químico utiliza un óxido metálico como portador sólido de oxígeno . Estas partículas de óxido metálico reemplazan el aire (específicamente el oxígeno del aire) en una reacción de combustión con un combustible sólido, líquido o gaseoso en un lecho fluidizado, produciendo partículas metálicas sólidas a partir de la reducción de los óxidos metálicos y una mezcla de dióxido de carbono y vapor de agua , los principales productos de cualquier reacción de combustión. El vapor de agua se condensa, dejando dióxido de carbono puro que puede ser secuestrado. Las partículas metálicas sólidas se hacen circular a otro lecho fluidizado donde reaccionan con el aire (y, de nuevo, específicamente con el oxígeno del aire), produciendo calor y oxidando las partículas metálicas a partículas de óxido metálico que se recirculan al combustor de lecho fluidizado. Se utiliza un proceso similar para producir anhídrido maleico mediante la oxidación parcial de n-butano, donde las partículas circulantes actúan como catalizador y portador de oxígeno; también se introduce oxígeno puro directamente en el lecho. ^{[ 9 ]}

Casi el 50% del silicio en las células solares se produce en lechos fluidizados. ^{[ 8 ]} Por ejemplo, el silicio de grado metalúrgico reacciona primero con gas silano . El gas silano se craquea térmicamente en un lecho fluidizado de partículas de silicio semilla, y el silicio se deposita en las partículas semilla. La reacción de craqueo es endotérmica y el calor se suministra a través de la pared del lecho, generalmente hecha de grafito (para evitar la contaminación metálica del silicio del producto). El tamaño de las partículas del lecho se puede controlar mediante chorros de atrición. El silano a menudo se premezcla con hidrógeno para reducir el riesgo de explosión por fuga de silano en el aire (ver silano ).

La fluidización líquido-sólido tiene varias aplicaciones en ingeniería ^{[ 10 ] [ 11 ]} La aplicación más conocida de la fluidización líquido-sólido es el retrolavado de filtros granulares con agua. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La fluidización tiene numerosas aplicaciones mediante el uso de partículas de intercambio iónico para la purificación y el procesamiento de diversos flujos líquidos industriales. Industrias como la alimentaria y de bebidas, la hidrometalúrgica, la de ablandamiento de agua, la catálisis y la química de base biológica, entre otras, utilizan el intercambio iónico como paso crítico en sus procesos. Tradicionalmente, el intercambio iónico se ha empleado en un lecho empacado donde un líquido preclarificado fluye hacia abajo a través de una columna. En la Universidad de Western Ontario, en London, Ontario, Canadá, se ha investigado ampliamente el uso de un sistema continuo de intercambio iónico fluidizado, denominado "lecho fluidizado circulante líquido-sólido" (LSCFB), conocido recientemente como "intercambio iónico fluidizado circulante" (CFIX). Este sistema tiene aplicaciones generalizadas, ampliando el uso de los sistemas tradicionales de intercambio iónico, ya que puede procesar flujos de alimentación con grandes cantidades de sólidos en suspensión gracias a la fluidización. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

• Centro de Investigación de Fluidización de la UBC
• ICFAR