Tesis doctoral de Antonio Soria Verdugo
Los lechos fluidos se emplean en la industria por sus excelentes propiedades para el transporte de calor y masa y por su capacidad para albergar y promover en su interior reacciones químicas. En el interior de un lecho fluido pueden desarrollarse procesos como el secado de un material granulado, intercambios de calor con una superficie o un tubo, la conversión térmica de combustibles sólidos o el recubrimiento de partículas. Muchas de estas aplicaciones requieren del movimiento de objetos en el interior del lecho. Partículas de combustible, catalizadores y aglomerados son ejemplos típicos de partículas que se pueden encontrar en los lechos fluidos. La caracterización del movimiento de dichos objetos es necesaria para un adecuado funcionamiento y para evitar problemas como por ejemplo la existencia de puntos calientes o fríos en un reactor o la aparición de zonas defluidizadas debido a la aparición de aglomerados. el presente trabajo recoge un estudio experimental, empleando técnicas de análisis digital de imagen, del movimiento de objetos grandes (mayores que el material del lecho) inmersos en un lecho fluido burbujeante. Los experimentos se llevaron a cabo en dos instalaciones, un lecho bidimensional y otro tridimensional y de escala de laboratorio. Se analizaron diferentes objetos, variando su densidad y tamaño. las características fundamentales del movimiento de los objetos se estudiaron sobre el lecho bidimensional. Siguiendo la trayectoria del objeto, se observaron y caracterizaron los caminos preferentes y la homogeneidad en la distribución. Posteriormente se estudiaron en detalle los ciclos descritos por el objeto en su camino desde y hacia la superficie del lecho. Cada ciclo se compone de procesos de descenso y procesos de ascenso, observándose en muchos casos una serie de movimientos de ascenso y descenso intercalados a lo largo de la trayectoria. A partir de esta evidencia experimental y considerando cada ciclo independiente de la historia previa, se desarrolló una modelización de los ciclos a partir de cuatro parámetros fundamentales: las velocidades medias de ascenso y descenso del objeto, la máxima profundidad alcanzada a lo largo del ciclo y el número de movimientos ascendentes independientes (número de saltos) que tienen lugar en el ciclo. Se estudiaron las velocidades de ascenso y descenso y se estableció una metodología de cálculo para los promedios, ante la existencia de cambios bruscos de tendencia y movimientos vibratorios que dificultan la tarea de separación de los procesos. El proceso de ascenso del objeto está vinculado al paso de burbujas. Se cuantificó la probabilidad de ascender hasta la superficie mediante la acción de una sola burbuja (un sólo salto) y en función de ella la existencia e importancia relativa de caminos de subida con múltiples saltos, fruto de la acción de una serie de burbujas y separados por periodos de descenso. Finalmente se definió un sencillo modelo semi-empírico para caracterizar el movimiento cíclico del objeto, basado en los cuatro parámetros fundamentales, el número de saltos durante el ciclo, la máxima profundidad alcanzada y las velocidades medias de ascenso y descenso. Estos dos últimos parámetros se relacionaron con correlaciones habituales para la velocidad media de la fase densa y de las burbujas y los dos primeros se modelaron, tanto en cuanto a su relación con el tiempo de circulación del objeto como en sus respectivas distribuciones de probabilidad. este procedimiento se utilizó inicialmente para caracterizar el movimiento de un objeto cilíndrico grande y de densidad similar a la del lecho y posteriormente se varió su tamaño y densidad para estudiar el efecto de las fuerzas de flotabilidad, teniendo también en cuenta el efecto de la velocidad del gas. Los resultados muestran que el modelo semi-empírico cuenta con validez general dentro del rango de variación de los experimentos. Esto incluye variaciones de la densidad desde ligeramente superiores a la del lecho a valores inferiores a la mitad, cambio de tamaño en el entorno del orden de magnitud e incluso para cambios de altura del lecho y de la distribución de tamaños del material que forma el lecho. La distribución de probabilidades para el número de saltos sigue una proporción geométrica. En función de ello se obtiene un valor de 45% para la probabilidad media de que una burbuja que mueva al objeto acabe depositándolo en la superficie del lecho y supone un 55% de probabilidades de que el ciclo conlleve un nuevo salto. Este valor medio se mantiene constante para todos los experimentos. También se obtiene un perfil parabólico para la distribución de profundidades, que se explica en función de los caminos preferentes de objetos y burbujas. En todos los procesos se observa un efecto despreciable de las fuerzas de flotabilidad en el ascenso de objetos y coherente con dichas fuerzas en los caminos de bajada. por último, en una tercera parte se estudió una aplicación práctica del movimiento de objetos, utilizando un lecho 3-d de escala de laboratorio. En este lecho se midieron los tiempos de circulación de los objetos mediante la adquisición de imágenes de la superficie del lecho. En el estudio se compararon las distribuciones de tiempos de recirculación para un lecho estándar y para otro en el que se introduce un actuador para modificar y mejorar las características de funcionamiento del lecho. El actuador empleado consiste en la rotación a baja frecuencia del distribuidor. Los resultados muestran la mejora de la circulación de objetos en todo el rango de medida. El aspecto fundamental consiste en que en un lecho estándar con distribuidor de placa perforada, el objeto acaba por desaparecer, quedando inmóvil en los huecos entre agujeros de la placa distribuidora. Por otro lado aumenta la incidencia de periodos de circulación muy largos a causa del paso del objeto por la zona. Estos efectos no existen (desaparición del objeto) o se minimizan (periodos largos) con el distribuidor rotatorio, lo que permite aumentar el rango de acción del lecho o recuperar objetos mediante la aplicación del actuador. Este trabajo incluye asimismo el estudio de la evolución de las distribuciones de probabilidad de los tiempos de circulación en función del tamaño del lecho, de la velocidad del gas y de la densidad y tamaño del objeto.
Datos académicos de la tesis doctoral «Motion of objects immersed in a bubbling fluidized bed«
- Título de la tesis: Motion of objects immersed in a bubbling fluidized bed
- Autor: Antonio Soria Verdugo
- Universidad: Carlos III de Madrid
- Fecha de lectura de la tesis: 17/12/2010
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- rivas Hernando Ruiz
- Tribunal
- Presidente del tribunal: bo Leckner
- Jesús Arauzo pérez (vocal)
- Jesús Guardiola soler (vocal)
- José Antonio Almendros ibañez (vocal)