Secado lecho fluido

Información

ISSN 0718-0764 versión on-line

tecnológica

Inf. tecnol. v.15 n.2 La Serena 2004 Como citar este artículo

Información Tecnológica-Vol. 15 N° 2-2004, págs.: 35-40 PROCESOS DE SECADO

Efecto de Aplicar Diferentes Niveles de Vacío en Dos Períodos de Secado en un Lecho Fluidizado Effect of Applying Different Vacuum Levels in Two Drying Periods in a Fluidized Bed

B. Kozanoglu, J. Welti, M. Mancebo y F. Martínez Univ. de las Américas-Puebla, Santa Catarina Martir, 72820 Puebla, Pue.-México (email: bulent@mail.udlap.mx)

Resumen Se realizó una serie de experimentos de secado en un lecho fluidizado al vacío, empleando presiones de operación variable, de modo que la combinación de efectos de disminución en la capacidad de transporte del medio exterior y el crecimiento de la difusividad interna resulta a favor del proceso de secado. Se usaron dos sólidos con estructuras diferentes, partículas porosas de silica gel y partículas compactas de lenteja. En cada período de secado se emplearon distintas presiones de operación al vacío. Para el caso del proceso de secado de silica gel se observó que al incrementar la presión de operación en el período de secado de velocidad decreciente, proporciona como resultado una humedad final menor de partícula. Se concluyó que en el período de velocidad decreciente de secado la resistencia interior domina el proceso, mientras la capacidad de transporte del medio exterior también adquiere importancia.

Abstract A series of vacuum-fluidized bed drying experiments was carried out, employing variable operating pressures such that, the combination of the effects of decrease in

the transport capacity of the exterior medium and the enhancement of the internal diffusivity results in favor of the drying process. Two solids with different structures were used, including porous silica gel particles and compact lentil particles. In these experiments, different vacuum operating pressures were employed for each drying rate period. It was observed that in the case of the drying process for porous silica gel particles, increasing the operating pressure during the decreasing drying rate period results in a higher drying rate. It is concluded that the interior resistances dominate the process in the decreasing drying rate period, where the transport capacity of the outside medium also gains importance.

Keywords: fluidized bed, drying process, vacuum, drying rate periods, diffusivity

INTRODUCCIÓN El secado en un lecho fluidizado ha sido teórica y experimentalmente estudiado por muchos investigadores. En esta técnica, un buen contacto entre partículas y fluido proveen altas razones de transferencia de calor y materia. Una temperatura prácticamente homogénea del lecho, lograda a través de un buen nivel de mezcla de sólidos, facilita el control del proceso. Estas características hacen la fluidización uno de los procesos mas atractivos de la industria química (Kunii y Levenspiel, 1991).

Sin embargo, debido a los problemas de la degradación térmica y seguridad, el secado de un lecho fluidizado ya no se utiliza en algunos campos, tales como en industrias químicas y farmacéuticas. El proceso de secado a temperaturas relativamente altas o largos tiempos de residencia, puede resultar con la degradación parcial de productos termolabiles. Además, si el proceso esta involucrado con la evaporación de un solvente orgánico, como en el caso de la industria farmacéutica, se puede formar una mezcla dentro de los límites de flamabilidad con un alto riesgo de explosión.

Un lecho fluidizado operado al vacío ofrece la posibilidad de eliminar estos problemas.

Temperaturas bajas de operación logradas bajo condiciones de vacío reducen la probabilidad de degradación térmica. Al mismo tiempo, las bajas presiones de operación pueden proveer un proceso seguro, fuera de los límites de flamabilidad.

Sin embargo, relativamente pocos documen- tos acerca de fluidización bajo condiciones de vacío han sido publicados. Kawamura y Suezawa (1961) realizaron uno de los primeros estudios en hidrodinámica de lechos fluidizados a presión reducida y notaron que el comportamiento del lecho era similar al comportamiento del lecho a presión atmosférica. La coexistencia de una capa fluidizada superior y una zona de lecho fijo fue observado por Germain y Claudel (1976). Kusakabe et al. (1989) también detecto la existencia de una capa superior fluidizada en el lecho, cuando la caída de presión del lecho y la presión absoluta de operación básicamente tienen la misma magnitud. Wraith y Harris (1992) realizaron una serie de experimentos a presión reducida y midieron la misma caída de presión característica, mientras observaron que el frente de fluidización avanza hacia la parte inferior al incrementar el flujo de gas. Una ecuación para calcular la velocidad mínima de fluidización en un rango muy amplio de condiciones de operación, de vacío a alta presión, fue propuesta por Llop et al.(1996). La velocidad mínima de fluidización para partículas, de tamaño muy variado, fluidizadas a condiciones de vacío fueron definidas por Fletcher et al.

(1993). Kozanoglu et al. (2002a) midieron velocidades mínimas de fluidización de partículas grandes en presiones reducidas de operación. Hoebink y Rietema (1980)

realizaron uno de los primeros estudios de secado de lecho fluidizado. Ellos desarrollaron un modelo de tres fases basado en una mezcla perfecta de fases, una densa, una de burbuja, otra de una fase nubosa tomada de un flujo pistón. Mas tarde, otro modelo de tres fases para operación de condiciones de estado estable de un lecho fluidizado continuo fue propuesto por Palancz (1983). En un estudio experimental, Thomas y Varma (1992) investigaron el efecto de la temperartura de operación, la velocidad superficial del gas, el tamaño de las partículas y masa de sólidos en la razón de secado para materiales granulares celulosos; presentando un modelo del núcleo retrocedente. Kannan et al. (1994) desarrollo otro modelo de tres fases. Ellos también asumieron una mezcla perfecta de fases del sólido y del gas intersticial, mientras consideraban una burbuja de tamaño constante a través del eje del lecho, sin tomar en cuenta la variación de la fase del gas Intersti cial, respecto al tiempo.

Una serie de experimentos de secado en un lecho fluidizado al vacío con varios tipos de partículas fue realizado por Arnaldos et al. (1998). Ellos observaron que el efecto de reducir la presión de operación, sobre la velocidad de secado, es mayor en caso de partículas porosas. Por otro lado, para partículas de estructura interna compacta la baja presión resultó una velocidad de secado menor. Después se concluyó que la presión de operación reducida produce una disminu- ción en la capacidad de eliminación de humedad para los dos tipos de partículas mientras incrementa la difusividad interna solo en las partículas porosas. Es decir, las partículas de estructura interna compacta no permiten que la difusividad interna se afecte por la variación de presión y como resultado, el aumento de la velocidad de secado obteniendo en el caso de partículas porosas no es observado en las partículas compactas.

Un modelo matemático, en estado transitorio, para simular el proceso de secado en un lecho fluidizado al vacío fue presentado por Kozanoglu et el. (2002b). Según este modelo el lecho es formado de dos fases; fase de sólidos y fase de gas, con transferencia de calor y materia entre ellos. Kozanoglu et al. (2001) calculó el coeficiente de transferencia de materia en operaciones de secado de un lecho fluidizado al vacío, comparando los resultados experimentales de Arnaldos et al.

(1998) con el modelo. Existen pocas publicaciones más acerca de secado de un lecho fluidizado en condiciones al vacío.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Usando el equipo experimental presentado en otro artículo (Kozanoglu et al., 2002a), una serie de experimentos de secado de lecho fluidizado fueron realizados bajo condiciones al vacío, empleando presión variable. La columna de fluidización, hecha de vidrio, tiene un diámetro interior de 100 mm y una altura de 800 mm. La columna cuenta con un distribuidor de acero inoxidable perforado, con orificios de 1 mm de diámetro, con el 3% de área libre así como con una sección llena de anillos Rasching localizados en la parte infe-rior. Las pruebas fueron realizadas con aire a tres temperaturas, 308±1 K, 328±1 K y 343±1 K, y varias presiones de operación al vacío.

El aire fue calentado antes de entrar al lecho por un sistema de resistencias eléctricas hasta la temperatura deseada y las con- diciones de vacío fueron logradas a través de una bomba rotatoria de vacío. Distintos puntos de medidas de temperatura y de presión así como toma de muestras fueron integrados en la columna. La presión de operación del lecho fue medida por dos sistemas: por el vaciómetro instalado en la parte inferior de la columna, y a través de la diferencia entre la presión indicada en el manómetro diferencial localizado en la parte superior de la columna y la presión atmos- férica. La caída de presión en el lecho estuvo en el rango de 0.5 a 0.8 kPa.

Consecuentemente, la variación de la presión de aire a lo largo del lecho fue prácticamente insignificante comparado con la presión absoluta. Así la velocidad de secado del lecho fluidizado es afectado fuertemente por las características de la partícula. Dos sólidos con estructuras diferentes fueron usados en estos experimentos: silica gel (dp = 1000 µm; ρp = 1650 kg/m3; Φ = 0.7) y lenteja (dp = 4130 µm; ρp = 1273 kg/m3 ; Φ = 0.65). En unos experimentos, diferentes presiones de operaci?n al vacío fueron empleadas en los dos periodos de secado; en el periodo de velocidad constante de secado y de velocidad decreciente de secado.

Otra serie de experimentos fue realizada empleando una presión de operación variable.

Estos experimentos fueron hechos aplicando diferentes presiones de operación en los periodos de velocidad constante y decreciente de secado. La Figura 1 muestra la comparación de los perfiles de humedad transitorios de partículas porosas de silica gel para las diversas combinaciones de presiones de operación durante dos periodos.

Como se observa en la figura, la más baja humedad final es obtenida cuando se incrementa la presión de operación en el periodo de velocidad de secado decreciente después de emplear una alta presión al vacío, es decir una presión de operación más baja, en el periodo de velocidad de secado constante. La misma tendencia fue observada en el secado de partículas porosas de silica gel bajo una variedad de temperaturas de operación y velocidades de gas superficiales. Por otro lado, las partículas compactas de lenteja no mostraron sensibilidad a la variación de la presión de operación.

Fig. 1: Comparación de los perfiles de humedad para las diversas combinaciones de presiones durante los dos periodos.

Como se observa en la figura, en lugar de aplicar una presión de operación absoluta constante de 60 kPa, reducir la presión a 20 kPa en el periodo de velocidad decreciente de secado, después de aplicar una presión de 60 kPa en el periodo de velocidad constante de secado, influenció positivamente en la humedad final de las partículas. La mejora con la velocidad de secado es atribuida al aumento con la difusividad interna a través de una estructura porosa como resultado de la presión reducida. Al mismo tiempo, incrementar la presión de operación a 60 kPa en el periodo de velocidad decreciente de secado, siguiendo una presión absoluta de 20 kPa en el periodo de velocidad constante de secado, provee una humedad final menor que una presión de operación constante de 20 kPa en ambos periodos de secado. En este caso, la mejora con la capacidad de transporte del aire exterior en el periodo decreciente de velocidad de secado, como resultado del incremento de la densidad por una mayor presión de 60 kPa, es responsable para que la humedad final sea más baja. Luego, se concluye que el proceso de secado de partículas porosas en un lecho fluidizado es controlado por las resistencias exteriores en el periodo de velocidad constante de secado, pero por las resistencias interiores en el periodo de velocidad decreciente de secado.

Este resultado es coherente con las conclusiones encontradas en Kozanoglu et al.

(2002b). Ellos encontraron que una difusividad interparticular efectiva más alta que ciertos valores juega un pequeño rol en el secado de sólidos en un lecho fluidizado. Es decir, disminuir más la presión de operación e incrementar la difusi vidad efectiva a través de partículas mas allá de ciertos valores, solamente causa una indeseable disminución de la capacidad de transporte en el medio exterior. Este comportamiento puede ser explicado también en términos del número de masa de Biot, Bim, Un mayor valor de la difusividad efectiva constituye una resistencia interna más baja a la transferencia de masa y un menor valor del número de masa de Biot. Esta tendencia confirma las conclusiones de Parti (1991), quien encontró que para valores menores a 1.5 del número de masa de Biot, la resistencia interna a la transferencia de calor y materia puede ser despreciable.

MODELO NÚMERICO En este trabajo los resultados experimentales fueron comparados con las predicciones del modelo matemático desarrollado anteriormente (Kozanoglu et al., 2001; Kozanoglu et al., 2002b). En el desarrollo de este modelo se consideró que tanto la fase sólida como la gaseosa son homogéneas, además el tamaño de las partículas se suponen suficientemente pequeñas para que la resistencia a la transferencia de calor a través de ellas sea despre- ciada, el balance de materia y energía se aplica para cada una de las fases.

En el modelo se tomaron en cuenta también el tamaño y crecimiento de las burbujas (Mori y Wen, 1975), la velocidad ascendente de las burbujas (Nicklin, 1962), una ecuación para predecir la velocidad mínima de fluidización (Llop et al., 1996), el flujo visible de las burbujas (Glicksman et al., 1991) y la porosidad de la fase de emulsión (Broadhurst y Becker, 1975). Este modelo simula el periodo de velocidad constante y el periodo de velocidad decreciente de secado, separadamente.

Para el coeficiente de transferencia de calor se utilizó la ecuación de Ranz (1952) la cual es dada para un lecho fijo, pero puede usarse en lechos fluidizados de partículas

grandes según Kunii y Levenspiel (1991). Se estructuró un esquema de regresión no lineal para poder calcular el coeficiente de transferencia de materia y el coeficiente de difusividad efectiva a través de los datos experimentales de Arnaldos et al. (1998).

Este esquema combina librerías del IMSL junto con un paquete, DSS/2 (Pirkle y Schiesser, 1987), que resuelve sistemas de ecuaciones diferenciales. El sistema de ecuaciones diferenciales parciales se resuelve numéricamente por medio de un esquema de integración de Runge Kutta, combinado con el método numérico de líneas para un valor dado del coeficiente de transferencia de materia. Este modelo de regresión no lineal optimiza dicho coeficiente, comparando las predicciones de las ecuaciones del modelo físico con los datos experimentales. Más detalles sobre el modelo son presentados en Kozanoglu et al. (2001) y Kozanoglu et al. (2002b).

En la Figura 2 se presenta la comparación entre los resultados experimentales y las predicciones del modelo. Como se observa, las predicciones del modelo confirman las tendencias experimentales observadas.

Fig. 2: Comparación entre las predicciones del modelo y los experimentos.

En todos los casos se encontró un buen acuerdo entre las predicciones del modelo y los experimentos.

CONCLUSIONES

Los resultados indicarían, en el caso de partículas porosas, que una disminución en la presión de operación aumenta la difusión en el sistema sólido-gaseoso y juega un rol favorable en el proceso de secado, aunque, al mismo tiempo, la capacidad de transporte del medio exterior disminuye. De cualquier modo, el incremento logrado en la velocidad de secado con las partículas porosas no es observado en el proceso de secado de partículas compactas ya que la difusividad efectiva a través de estas partículas no es sensible a la variación en la presión de operación.

También se observó que en el caso del proceso de secado de partículas porosas de silica gel existe una mayor velocidad de secado y una menor humedad final, obtenidas cuando se aplica un menor grado de presión al vacío en el periodo de velocidad decreciente de secado, después de emplear una presión al vacío más profunda en el periodo de velocidad constante de secado. Luego, se concluyó que durante el secado de partículas porosas en un lecho fluidizado, la resistencia exterior domina el proceso en el periodo de velocidad constante de secado, mientras que la resistencia interior adquiere importancia en el periodo de velocidad decreciente de secado.

En la parte númerica del trabajo, se concluyó que el modelo desarrollado es capaz de predecir el comportamiento del proceso de secado en un lecho fluidizado que opera bajo diferentes presiones en los dos periodos del proceso de secado.

Un estudio más profundo proveerá informa-ción sobre las condiciones de operación óptimas que permitan un aumento en la difusión del sistema y evite un mayor incremento en la resistencia exterior.

NOMENCLATURA C Def dp kd m/s Po R To t Uo Umf

humedad media del sólido (kg agua/ kg sólido seco) difusividad efectiva, m2/s diámetro de partícula, µ m coeficiente de transferencia de masa en la película alrededor de una partícula, presión absoluta, Pa radio de partícula, m temperatura de operación, oC tiempo, s velocidad superficial del gas, m/s velocidad mínima de fluidización, m/s

Símbolos griegos

φ ρp

factor de forma densidad de la partícula, kg/ m3

Grupos adimensionales Bim

número Biot de masa, Rkd/Def

REFERENCIAS Arnaldos, J., B. Kozanoglu y J. Casal, "Vacuum Fluidization: Application to Drying", en "Proceedings of the IXth International Fluidization Conference", editado por L.-S. Fan y T.M. Knowlton, publicado por Fundación de Ingeniería, Nueva York, 709-716 (1998).

Broadhurst, T.E. y H.A. Becker, "Onset of Fluidization and Slugging in Beds of Uniform Particles", AIChE J., 21, 238 (1975).

Fletcher, J.V., M.D. Deo y F.V. Hanson, "Fluidization of a multisized Group B sand at reduced pressure", Powder Technol., 76, 141-147 (1993).

Germain, B. y B. Claudel, Powder Technol., 13, pp. 115-121 (1976).

Glicksman, L., T. Yule y A. Dyrness, "Prediction of the Expansion of Fluidized Beds Containing Tubes", Chem. Eng. Sci., 46(7), 1561 (1991).

Hoebink, J.H. y K. Rietema, "Drying Granular Solids in Fluidized Bed-I", Chem. Eng. Sci., 35, 2135-2140 (1980).

Kannan, C.S., S.S. Rao y Y.B. Varma, "A Ki-netic Model for Drying of Solids in Batch Flui-dized Beds", Ind. Eng. Chem. Res., 33, 363-370 (1994).

Kawamura, S. y Y. Suezawa, "Mechanism of Gas Flow in a Fluidized Bed at Low Pressure", Kagaku Kogaku, 25, 524-533 (1961).

Kozanoglu, B., J.A. Vílchez, J. Arnaldos y J. Casal, "Mass Transfer Coefficient in Vacuum Fluidized-Bed Drying", Chem. Eng. Sci., 56, 3899-3901 (2001).

Kozanoglu, B., J. Welti, D. García y J.P. Santos, "Hydrodynamics of Large Particle Fluidization in Reduced Pressure Operations: An Experimental Study", Powder Technology, 125, 55-60, (2002a).

Kozanoglu, B., J.A. Vílchez, J. Arnaldos, y J. Casal, "Drying of Solids in Vacuum Fluidized Bed", The Canadian Journal of Chemical Engineering, 80(3) (2002b).

Kunii, D. y O. Levenspiel, "Fluidization Engineering", 2da Edición, ButterworthHeinemann, Boston (1991).

Kusakabe, K., T. Kuriyama, y S. Morooka, "Fluidization of Fine Particlesat Reduced Pressure", Powder Technol., 58, 125-130 (1989).

Llop, M.F., F. Madrid, J. Arnaldos y J. Casal, "Fluidization at Vacuum Conditions. A Generalized Equation for the Prediction of Minimum Fluidization Velocity", Chem. Eng. Sci., 51, 5149-5157 (1996).

Mori, S. y C.Y. Wen, "Estimation of Bubble Diameter in Gaseous Fluidized Beds", AIChE J., 21(1), 109 (1975).

Nicklin, D.J., "Two-phase Bubble Flow", Chem. Eng. Sci., 17, 693 (1962).

Palancz, B., "A Mathematical Model for Continuous Fluidized Bed Drying", Chem. Eng. Sci., 38, 1045-1059 (1983).

Parti, M., "Evaluation of Selected Mathematical Models for Grain Drying", "Drying 91", editado por A.S. Mujumdar y I. Filkova, Elsevier, Amsterdam, 369-378 (1991).

Pirkle, J.C., Jr. y W. E. Schiesser, "DSS/2: A transportable Fortran 77 Code for Systems of Ordinary and One, Two and Three-dimensional Partial Differential Equations", Transaccions de "1987 Summer Computer Simulation Conference", Montreal (1987).

Ranz, W.E., "Fixation and Transfer Coefficients for Single Particles and Packed Beds", Chem. Eng. Prog., 48(5), 247 (1952).

Thomas, P.P. y Y.B Varma, "Fluidized bed drying of granular food materials" Powder Technol., 69, 213-222 (1992).

Wraith, A.E. y R. Harris, "Fluidisation of a Mineral Concentrate at Reduced Pressure", Minerals Eng., 5, 993-1002 (1992).