UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA OPERACIONES UNITARIAS II NOMBRE: SANTANDER RUIZ CRISTIAN APLICACIONES INDUSTRIALES DEL FLUIDIZACIÓN Gasificación de carbón en lecho fluidizado. La gasificación de carbón se utilizó inicialmente por compañías de gas para la iluminación hace más de 70 años y fue ampliamente utilizada en Europa donde el petróleo era escaso en los 40. Los gasificadores de carbón se utilizan en muchos países para la producción comercial de gas y compuestos carboquímicos. La elevada eficiencia de los procesos de ciclo combinado que usan gas natural como combustible ha llevado a proponer como vía posible para un aprovechamiento limpio y eficiente del carbón, su conversión a gas mediante la gasificación. El proceso de gasificación En casi todos los procesos, el diagrama general de flujo de proceso es el mismo. El carbón está preparado por chancado y secado, retratado si es necesario para prevenir el endurecimiento, y luego convertido en gas con una mezcla de aire u oxígeno y vapor. El gas resultante es enfriado y limpiado de los residuos quemados, ácido sulfhídrico, y CO 2 antes de entrar a las fases opcionales de procesamiento para ajustar su composición al uso final. Termodinámica En el estudio de la termodinámica de la gasificación del carbón suponemos que el carbón puede ser tratado como carbón puro aunque realmente sea un sólido no homogéneo que contiene hidrógeno, oxígeno, azufre, nitrógeno y materia mineral, pues los errores asociados con esta suposición probablemente no son significativos. Carbón → Gases (CO, CO2, H2, CH4) + C ("char") C ("char") + H2O → CO + H2 (endotérmica) C ("char") + 3/2 O2 → CO2 + CO (exotérmica) CO + H2O → CO2 + H2 (medianamente exotérmica) CO + 3H2 → CH4 + H2O (exotérmica) (1) (2) (3) (4) (5) El asunto termodinámico principal en procesos de gasificación más prácticos es cómo suministrar el calor para esta reacción. Varios métodos son ideados, pero generalmente el calor es suministrado permitiendo que ocurran las reacciones exotérmicas (3) y (5) en el mismo reactor junto con la reacción (2). El grado al cual usamos una reacción o la otra depende de la configuración del proceso y del producto deseado. Las reacciones (4) y (5) son llevadas a cabo en etapas posteriores con el fina de medir la composición de los gases para sus usos particulares. Procesos Para el proceso de lecho fluidizado, sin aglomeración, Winkler. a- Presión: atmosférica-40 Bar b- Agente gasificante: Aire u oxígeno Reactores de lecho fluidizado. FCC (Fluid Catalytic Cracking). Las refinerías han ido adaptándose para producir cada vez mayor porcentaje de fracciones ligeras (los productos más valiosos del barril de crudo). Hemos pasado de la refinería que hace el fraccionamiento del crudo por destilación atmosférica o al vacío a la compleja refinería que convierte mediante craqueo catalítico (entre otros procedimientos) las fracciones pesadas de la destilación al vacío en fracciones ligeras, y finalmente a las refinerías que utilizan procesos más profundos, consiguiendo un barril más blanco. Para comprender el craqueo catalítico operando en doble lecho fluidizado empezamos por el craqueo térmico que consiste en la ruptura de las cadenas carbonadas por la acción del calor (400-650 ºC). Las cadenas se rompen, deshidrogenan o polimerizan produciendo parafinas más cortas, olefinas, naftenos o aromáticos, según los casos. En principio, la ruptura de un hidrocarburo da lugar a una nueva parafina más corta y a una olefina. El craqueo se practica en fase líquida o en fase vapor. Dependiendo de la volatilidad del aceite tratado y de la presión y temperatura de trabajo. Las condiciones más corrientes de fase líquida (preferentemente para tratar aceites pesados) es de unos 450 ºC y 10-80 atm. En fase vapor (gasóleos ligeros y querosenos) las temperaturas son algo más altas, 500ºC o más y la presión nunca llega a las 4-5 atm. La proporción de la carga que se transforma en gasolina varía con la temperatura y el tiempo. El rendimiento en gasolina llega a veces al 80%. En las refinerías modernas el craqueo térmico a quedado desplazado por el craqueo catalítico. Sigue utilizándose por 3 objetivos: - Visbreaking o reducción de la viscosidad de los residuos pesados de la destilación atmosférica o al vacío. Producción térmica de gasóleo. Coquización, para aprovechar al máximo las partes volátiles. Los catalizadores empleados pueden ser dadores de protones o transportadores de electrones. La diferencia fundamental entre las reacciones de craqueo térmico y catalítico es que las primeras se producen a través de un mecanismo de radicales libres y las segundas mediante la producción de carbocationes producidos por la adición del catalizador. Se practica de manera semejante al térmico pero intercalando en la cámara de reacción el lecho catalítico para que lo atraviesen los vapores a reformar. Este sería el sistema de lecho fijo. El depósito de coque obliga a trabajar con doble lecho; mientras uno está en funciones se pasa por el otro una corriente de aire caliente que quema la carbonilla y libera la superficie del catalizador. Como esta forma intermitente de trabajo no puede ser muy eficaz, se ha evitado de varias maneras, empleando sistemas en que las bolas de material cerámico se sustituyen por el catalizador granulado; o también operando en doble lecho fluidizado, uno de cuyos lechos trabaja en catálisis y simultáneamente el otro se descoquiza por combustión, pasando continuamente el catalizador granular microesférico de uno a otro. Las ventajas de este sistema fluidizado especialmente se basa en la gran producción por unidad. Secado en lechos fludizados. - Sus fundamentos El gas de fluidización aporta el calor para el secado en lechos fluidizados, pero el flujo del gas no tiene que provenir de una sola fuente. El calor se puede introducir de manera eficaz calentando las superficies (paneles o tubos) inmersas en la capa fluidizada. En el enfriamiento en lechos fluidizados se usa gas frío (por lo general aire acondicionado o ambiental). En las plantas de tamaño más económico en ocasiones será necesario acondicionar el gas para lograr que el producto se enfríe adecuadamente y para evitar que capte partículas volátiles (por lo general humedad). El calor también se puede eliminar enfriando las superficies inmersas en la capa fluidizada. La aglomeración y la granulación se pueden realizar de varias formas, dependiendo del producto que se vaya a alimentar y las propiedades que deba tener el producto final. El revestimiento en lechos fluidizados de polvos, gránulos o tabletas requiere de la aspersión de un líquido en condiciones estrictamente controladas sobre el polvo fluidizado. Existen toda una serie de sistemas para el secado en lechos fluidizados. Los secadores continuos y por lotes, los enfriadores y los sistemas de aglomeración, revestimiento, aglomeración en bolas y granulación están diseñados para operar en ciclos abiertos (que implican la evaporación de agua), o en ciclos cerrados (que implican la evaporación de solventes, en su mayor parte orgánicos). Para los productos que presentan riesgo de explosión de polvo durante el procesamiento, existen disponibles diseños a prueba de choques de explosión y sistemas auto-inertizados y de ciclo cerrado. Sus ventajas a- La fluidización de los materiales en gránulos permite una mayor facilidad en el transporte de los materiales, altas velocidades de intercambio de calor con una gran eficiencia térmica, a la vez que evita el sobrecalentamiento de las partículas. b- Las propiedades de los productos se determinan basándose en la información derivada de su velocidad de secado, por ejemplo, la forma en que el contenido de partículas volátiles cambia con el tiempo en un lote en lecho fluidizado que opera en condiciones controladas. Otras propiedades importantes son la velocidad del gas de fluidización, el punto de fluidización (es decir, el contenido de partículas volátiles bajo el cual se logra la fluidización sin agitación mecánica o vibración), el contenido de partículas volátiles en equilibrio y el coeficiente de transferencia de calor para las superficies de calentamiento inmersas. c- Estos y otros datos se alimentan a un modelo por computadora del procesamiento en lechos fluidizados permitiendo así dimensionar los sistemas de secado industriales. d- El secado en lechos fluidizados resulta adecuado para polvos, gránulos aglomerados y pastillas con un tamaño de partícula promedio entre 50 y 500 micras. Es muy probable que los polvos muy finos y ligeros o las partículas altamente elongadas requieran vibración para lograr con éxito el secado en lechos fluidizados. Adsorción En ocasiones, es necesario eliminar componentes muy diluidos en grandes flujos de gas. En estos casos, los procesos continuos de adsorción mediante fluidización a través de múltiples etapas llegan a ser de gran efectividad. En la adsorción por lecho fluidizado los componentes se adsorben de forma periódica con partículas de carbón activo y se eliminan posteriormente con vapor. Los ciclos de adsorción y desorción (regeneración del carbón activo) se llevan a cabo en el mismo lecho. Ejemplos de aplicación son la retirada y concentración de solventes como disulfuro de carbono, acetona, etanol y acetato de etilo, o la eliminación de trazas contaminantes en gases residuales. Figura 1.Adsorción en lecho fluidizado BIBLIOGRAFÍA: J. F. Davidson, D. Harrison(1998), Fluidised Particles, Cambridge University Press S. Ergun(2000), Fluid Flow Through Packed Columns, Chemical Engineering Progress www.virtual.unal.edu.co (portal de la Universidad Nacional de Colombia)
