UAM Universidad Autnoma Metropolitana CBI Ciencias Bsicas e Ingeniera Licenciatura en Ingeniera en Energa Seminario de Proyectos I y II Distribucin de Tamaos de Partcula en un Reactor de Lecho Fluidizado Presenta: Quezada Garca Sergio Asesor: Dra. Elizabeth Maritza Salinas Barrios Mxico D.F., julio del 2008 Contenido Contenido Nomenclatura5 Captulo 1 Lechos fluidizados en sistemas energticos 1.1 Antecedentes y aplicaciones7 1.2 Tecnologa de lecho fluidizado en combustin10 1.3 El FCC en la refinacin del petrleo12 Captulo 2 Fluidizacin 2.1 Componentes del sistema16 2.2 Parmetros asociados con un lecho fluidizado17 Fraccin volumen de slidos17 Dimetro Sauter17 Esfericidad17 Fraccin volumen de fluido 17 2.3 Cundo fluyen las partculas?18 2.4 Regmenes de fluidizacin 19 Lecho fijo 20 Fluidizacin mnima20 Fluidizacin suave20 Fluidizacin con burbujeo20 Fluidizacin intermitente (slugging)20 Fluidizacin turbulenta20 Fluidizacin diluida con transporte neumtico20 2.5 Regmenes de flujo21 2.6 Fluidizacin particulativa y granular23 Particulativa23 Granular23 2.7 Clasificacin de partculas de Geldart24 Contenido Captulo 3 Ecuaciones para un lecho fluidizado 3.1 Balance de masa 27 3.2 Ecuacin de balance de momentum28 3.3 Ecuaciones de la mezcla30 3.4 Conservacin de la masa de la mezcla 31 3.5 Identidades de la mezcla32 3.6 Ecuacin de Balance de Momentum para la Mezcla 33 Captulo 4 Distribucin de tamaos de partculas 4.1 Distribucin de tamaos de cmulos35 4.2 Procesos de agregacin y rompimiento36 4.3 Fundamentos de procesos estocsticos37 Variable estocstica y momentos de la distribucin37 4.4 Ecuacin de balance de poblacin39 4.5 Distribucin de tamaos de partcula sin considerar procesos de fragmentacin ni agregacin 42 4.6 Distribucin de tamaos de partcula considerando procesos de fragmentacin y agregacin44 Conclusiones46 Apndice A Ecuaciones hidrodinmicas A.1 Ecuacin de continuidad47 A.2 La ecuacin de movimiento48 A.3 La ecuacin de energa mecnica52 A.4 Ejemplo para un fluido simple53 Contenido Apndice B Teorema de Transporte de Reynolds B.1 Mtodo esttico y del continuo58 B.2 Coordenadas Eulerianas y Lagrangianas 60 B.3 Derivada material61 B.4 Volumen de control62 B.5 Teorema de Transporte de Reynolds62 Apndice C Distribuciones de probabilidad C.1 Distribucin Normal o Gaussiana66 C.2 Distribucin log-normal67 C.3 Distribucin gamma68 C.4 Distribucin exponencial71 C.5 Distribucin chi-cuadrada71 C.6 Distribucin de Weibull 72 Bibliografa73 Nomenclatura 5Nomenclatura Ck = nmero medio de cmulos de tamaos k a un tiempo t. dp = dimetro de la partcula (m) s d = dimetro Sauter dsi = dimetro del tipo i (m) D = dimetro del ducto (m) Fr = nmero de Froude (adimensional) g = aceleracin de la gravedad (m/s2) H = altura (m) Kn= nmero de Knudsen (adimensional) p = presin (Pa) R=radio (m) S=rea (m2) t = tiempo (s) v = velocidad (m/s) vb = velocidad de mnima de fluidizacin con burbujeo (m/s) vd = velocidad mnima de fluidizacin diluida con transporte neumtico (m/s) vmf = velocidad mnima de fluidizacin (m/s) vs = velocidad mnima de fluidizacin intermitente (slugging) (m/s) vt = velocidad mnima de fluidizacin turbulenta (m/s) V = volumen (m3) Wi=fraccin masa de la fase i xi = frecuencia relativa del tipo i Nomenclatura 6Smbolos griegos f = fraccin volumen de fluido (adimensional) s = fraccin volumen de slido (adimensional) = trayectoria libre promedio de las molculas g = densidad del gas (kg/m3) s = densidad del slido (kg/m3) = esfericidad (adimensional) = viscosidad (kg/m*s) = densidad (kg/m3) = tensor de esfuerzos cortantes (kg/m*s2) Lechos fluidizados en sistemas energticos 7Captulo 1 Lechos fluidizados en sistemas energticos El proceso de fluidizacin es aquel que permite a partculas slidas comportarse como un sistema disperso con propiedades de un fluido mediante la accin sustentadora de un gas o lquido queacta como medio fluidizante. Estos sistemas multifsicos son ampliamenteusadoscomoreactoresenlaindustriaqumicaypetroqumica:como combustoresy/ogasificadoresdebiomasa,comointercambiadoresdecalorensecado deslidosycraqueodehidrocarburos.Estosedebeaqueentrelasprincipales caractersticasdeestossistemassetienequelas partculasdellechoestnencontinuo movimiento y por ello normalmente se encuentran bien mezcladas. Como resultado, es posibledisiparrpidamentepuntos calientesylograrqueellechoopere esencialmente en forma isotrmica. Tambin, como resultado del movimiento de los slidos, es posible lograraltastasasdetransferenciadecalorentreellechoysuperficiesdecontacto,lo que permite un buen control de temperatura del lecho. 1.1 Antecedentes y aplicaciones Lagasificacinde carbndeWinklerrepresent elprimerprocesocomerciala gran escala en el que se emplearon los lechos fluidizados. La unidad era alimentada con carbnenpolvoycontabacon13metrosdealturay12metroscuadradosenlabase, entrenoperacinen1926(Levenspiel,1991).Elprocesoconsistaenobtener monxido de carbono e hidrgeno a partir de carbn mineral. El proceso era ineficiente debido a la gran cantidad de oxigeno que requera para que la reaccin se llevara a cabo y a la perdida de materia por transporte neumtico. DurantelaSegundaGuerraMundiallosEstadosUnidosemplearonloslechos fluidizadosparallevaracaboprocesoscomoeldeHoudryyeldecraqueocataltico, estolohicieronanticipndosealanecesidaddecontarcongasolinasdealtooctanaje para los aviones, por ello, se cre una comunidad de ingenieros qumicos con el fin de encontrar nuevas tcnicas para obtener keroseno y gasolina. EnlaFig.1.1semuestraunreactorcatalticodelechofluidizadocon regeneracindecatalizador.Estereactoresutilizadoparatransformargasleoen gasolina. Lechos fluidizados en sistemas energticos 8 Figura 1.1. Reactor cataltico de lecho fluidizado. (Costa, 1991) Enlaactualidadlasaplicacionesdeloslechosfluidizadossehaextendidoa muchasotrasramasdelaingeniera.Algunasdelasaplicacionesindustrialesdelos lechos fluidizados actuales son los procesos de (Levenspiel, 1991): Secado de partculas Intercambio de calor Reacciones de sntesis Craqueo de hidrocarburos Combustin, incineracin y calcinacin. Sonmuchaslasaplicacionesquetienenloslechosfluidizadosenlasdiferentes industrias como la farmacutica, la qumica, la de alimentos y la minera, por mencionar algunas. Algunos procesos: calcinacin coccin desactivacin de enzimas eliminacin de polvo Lechos fluidizados en sistemas energticos 9enfriamiento por evaporacin esponjamiento esterilizacinfermentacin pasteurizacin pelado reaccinsecado con gas inerte y por congelacintostacin Una gran cantidad de productos se procesan en las industrias alimenticia, minera y qumica. En la primera se procesan. arroz azcar caf carnecereales frutos secosgranos de cacao leche en polvo tabacot sal queso vitaminas A y C En la industria minera se procesan: arena carbonato clcico metales frricos piedra caliza yeso etctera En la industria qumica se procesan: acido crmico cloruro clcico detergentes en polvo fertilizantes herbicidas pesticidas polmeros sales sulfato ntrico, amnico, potsico etctera Lechos fluidizados en sistemas energticos 10En las siguientes secciones se tratar la tecnologa de los lechos fluidizados en los procesos de combustin y en el craqueo cataltico de hidrocarburos. 1.2 Tecnologa de lecho fluidizado en combustin Enlosltimosaossehandesarrolladodiversastecnologasdecombustin, entre las que destaca la tecnologa de combustin en lecho fluidizado. La combustin en lecho fluidizado consiste en desarrollar el proceso en el seno de una masa de suspensin de:partculasdecombustible,cenizasy,aveces,uninerte,loscualessonfluidizados por una corriente ascendente de aire de combustin. En la Fig 1.2 se muestra un horno de lecho fluidizado. Figura 1.2. Horno de lecho fluidizado. (Castells, 2005) Los lechos fluidizados permiten quemar combustibles de diversas caractersticas, como son un bajo poder calorfico y un alto contenido en cenizas, de forma eficiente y limpia. La combustin se lleva a cabo alimentando el combustible de forma continua a unlecho,compuestogeneralmenteporunmaterialinertequeesfluidizadoporuna corriente ascendente de aire. La temperatura del lecho se mantiene entre 750C y 900C [RamosyBahillo,2004]yescontroladaeliminandoelcalordecombustinmediante intercambiadores de calor que utilizan agua, vapor o aire como fluido de refrigeracin. Ellechofluidizadotienelacapacidadparaquemarunagranvariedadde combustibles,carbn,biomasa,residuostalescomomunicipales,procedentesdela agricultura, lodos e industriales [Adnez, J. (2007)]. La combustin en lecho fluidizado puede contribuir a un uso ms efectivo de los recursos naturales disponibles as como a tratar los problemas procedentes del tratamiento de residuos. Esto permite llevar a cabo Lechos fluidizados en sistemas energticos 11estudiosdecomportamientodecombustindediferentesmaterialesconelfinde optimizar el proceso desde el punto de vista medioambiental. Los lechos fluidizados ofrecen las condiciones de operacin apropiadas para una buena combustin. La agitacindel lecho, la inercia trmica yla elevada superficie de contactoentrelaspartculashacequelatemperaturaenellechopermanezca aproximadamente constante. La mezcla que se logra en los lechos fluidizados mejora la reactividad de los residuos ya que alcanzan rpidamente los valores de la temperatura de operacin.Estascualidadespermitenqueloslechosfluidizadosseanpocosensiblesa las variaciones en el poder calorfico, logren una recuperacin energtica elevada al no requerir un gran exceso de aire, obtengan unas escorias con una fraccin de inquemados pequea (