Análisis experimental y modelo fluidodinámico de una unidad de lecho fluido circulante

Abstract

El desarrollo de reactores de lecho fluidizado para el procesamiento de reacciones gas-sólido es de gran interés para la mejora y modernización de la industria química, energética y ambiental. La falta de conocimiento preciso de la fluidodinámica de un lecho fluidizado, especialmente de lecho fluido circulante (CFB), ha hecho que en la actualidad aún se lleve a cabo el diseño de forma mayormente empírica, por ejemplo, del sistema de recirculación de sólidos (loop seal). En el presente trabajo se ha estudiado la fluidodinámica de un lecho fluido circulante con énfasis en la medida de la circulación de sólidos en el riser (columna principal del CFB) y en el sistema de recirculación (loop seal). Se han llevado a cabo pruebas en una planta piloto experimental fría de 150 mm de diámetro interno del riser con sólidos de 200 micras, obteniéndose flujos de circulación en el riser en el rango de 10-40 kg/(m2 s). Se han realizado ensayos variando la velocidad en el riser y loop seal, así como la distribución de aire en el sello en el sello y el inventario de material. Así mismo se ha desarrollado un modelo teórico de la unidad para ayudar a interpretar los resultados obtenidos. Se presta especial atención al impacto de la aireación en el loop seal y su papel como válvula no mecánica para el control de la circulación de sólidos. El incremento de la velocidad en el riser provoca un aumento en la circulación de sólidos y de la cantidad de material que llega al loop seal, produciéndose mayor pérdida de carga en la unidad. Al aumentar el caudal de aireación en el loop seal, la circulación de sólidos aumenta siempre que la cámara de suministro y la columna de sólidos o downcomer se mantengan en lecho móvil, por lo que el sistema de recirculación funciona como válvula de control. Sin embargo, a partir de que dicha cámara se fluidiza, el loop seal solo sirve para recircular el material, sin capacidad de control mediante la aireación. Al incrementar el inventario de sólidos aumenta la circulación de los sólidos, aunque solo hasta que se produce la saturación del sello. Se observa además que, para una misma aireación total, la circulación de sólidos es mayor cuando se produce la aireación por la cámara de suministro que por la de reciclo. Este fenómeno es de especial interés para muchos procesos industriales como gasificadores, calderas de lecho fluido circulante y gasificadores duales donde se debe minimizar la salida de gas por el standpipe o downcomer. En la actualidad se está acondionando la unidad experimental para poder realizar ensayos con una granulometría menor a la estudiada Así mismo se debe trabajar en el modelo para mejorar la predicción del submodelo de recirculación de sólidos.

The development of fluidized bed reactors for processing gas-solid reactions is of great interest for the improvement and modernization of the chemical, energy and environmental industries. The lack of precise knowledge of the fluid dynamics of a fluidized bed, especially circulating fluidized bed (CFB), has led to the design of the loop seal system, for example, still being carried out largely empirically. In the present work, the fluid dynamics of a circulating fluid bed has been studied with emphasis on the measurement of the circulation of solids in the riser (main column of the CFB) and in the loopseal (the main device for the solids recirculation system). Tests have been carried out on a cold model of 150 mm riser internal diameter with solids with average particle size of 200 microns, obtaining solids circulation flux in the riser in the range of 10-40 kg/(m2 s). Tests have been conducted varying the riser velocity and loopseal, as well as the air distribution in the seal and the material inventory. A theoretical model of the unit has also been developed to help interpret the results obtained. Special attention is paid to the impact of aeration on the loop seal and its role as a non-mechanical valve for the control of solids circulation. The increase in riser velocity causes an increase in the solids circulation and the amount of material that reaches the loop seal, resulting in a greater pressure drop in the unit. As the aeration flow in the loopseal increases, the circulation of solids increases as long as the supply chamber and the solids column or downcomer are kept in a moving bed, so the recirculation system performs as a control valve. However, as soon as this chamber is fluidized, the loop seal only serves to recirculate the material, without the ability to control through aeration. As the solids inventory increases, the circulation of solids increases, although only until the seal is saturated (i.e. the solids circulation does not increase with loopseal aeration any more). It is also observed that, for the same total aeration, the circulation of solids is greater when aeration is conducted through the supply chamber than through the recycling chamber. This phenomenon is of special interest for many industrial processes such as gasifiers, circulating fluidized bed boilers and dual gasifiers, where the exit of gas through the standpipe or downcomer must be minimized. The experimental unit is currently being conditioned in order to be able to carry out tests with a grain size lower than that studied. The model must also be worked on in order to improve the prediction of the solid recirculation sub-model.