Tema 3 Fluidización - Apuntes 3 PDF

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Apuntes tema 3...

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Bloque II. Operaciones basadas en el transporte de cantidad de movimiento Tema 3. Fluidización

Bibliografía • Rodríguez, F. (Ed.) y cols. “Ingeniería de la industria alimentaria”, vol II, “Operaciones de procesado de alimentos” Síntesis, 2002 (Cap. 4) • Ibarz, A.;Barbosa-Cánovas G.V. “Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos”, Mundi Prensa, Madrid, 2005 (Cap. 9) • Coulson, J.M.; Richardson, J.F. y cols. “Ingeniería Química”, vol II, 3ª ed. Reverté, Barcelona, 1988 (Cap. 6)

1

Índice  Definición de lecho fluidizado  Relación entre velocidad del fluido y pérdida de presión en el lecho  Determinación de la velocidad mínima de fluidización y de la velocidad de arrastre  Utilización de los lechos fluidizados en la industria alimentaria •

Congelación

•

Secado

 Transporte neumático

Definición de lecho fluidizado Estado de un lecho de partículas cuando se hace circular a su través una corriente fluida con velocidad suficiente para que el rozamiento llegue a compensar el peso neto de las partículas, con lo que éstas quedan flotando en el seno del fluido.

Se caracterizan porque el lecho de partículas sólidas se comportan como si fuera un fluido.

2

Otras definiciones: Porosidad del lecho: Relación entre el volumen de huecos y el volumen total del lecho 

 ó 1  

Esfericidad de una partícula: Cociente entre la superficie de una esfera de igual volumen que el volumen de la partícula y la superficie de la partícula  󰈅 Φ í 

Diámetro equivalente: Diámetro de una esfera que tiene el mismo volumen que el volumen de la partícula 6   Φ

dondeeselvolumen y  la superficie de la partícula

0Φ1 Forma de la partícula

Esfericidad

Esfera Cubo Cilindros h=d h=5d h=10d Discos h=d/3 h=d/6 h=d/10 Sólidos triturados Partículas granulares Trigo Anillos Raschig Sillas Berl

1 0,81 0,87 0,70 0,58 0,76 0,60 0,47 0,5-0,7 0,7-0,8 0,85 0,26-0,53 0,30-0,37

Adaptado de Ibarz y Barbosa-Cánovas (Cap. 9)

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Índice  Definición de lecho fluidizado  Relación entre velocidad del fluido y pérdida de presión en el lecho  Determinación de la velocidad mínima de fluidización y de la velocidad de arrastre  Utilización de los lechos fluidizados en la industria alimentaria •

Congelación

•

Secado

 Transporte neumático

Relación entre velocidad del fluido y pérdida de presión en el lecho AB

log󰇛∆󰇜

Tramo 0A: lecho fijo ∆  150

1 





 

  1,75

1        

: porosidad del lecho : viscosidad del fluido : densidad del fluido : altura del lecho  : diámetro de partícula : velocidad del fluido =/ : caudal volumétrico del fluido : sección transversal del lecho

C

Tramo AB: prefluidización. Las



0

log

Velocidad de mínima fluidización





 1     1   A





log

Velocidad de arrastre

B: punto de mínima fluidización Tramo BC: lecho fluidizado. La

C

B



partículas comienzan a moverse (aumento de porosidad y disminución de ∆ por reordenación de partículas)



log 

fuerza de rozamiento es igual al peso neto de las partículas del lecho (∆  󰇜. El lecho se comporta como un líquido en ebullición, con movimiento al azar de las partículas. El lecho se expande por lo que aumenta la porosidad

C: arrastre

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Índice  Definición de lecho fluidizado  Relación entre velocidad del fluido y pérdida de presión en el lecho  Determinación de la velocidad mínima de fluidización y de la velocidad de arrastre  Utilización de los lechos fluidizados en la industria alimentaria •

Congelación

•

Secado

 Transporte neumático

Determinación de la velocidad de mínima fluidización Fuerza de rozamiento = peso neto de sólidos en el lecho Fuerza de rozamiento = peso de las partículas – fuerza de empuje ∆ ∙    ∙  ∙ 1   ∙  ∙    ∙  ∙ 󰇛1  󰇜 ∙  ∙  150

1   



 ∙   

∆   ∙ 1   ∙ 󰇛 󰇜 ∙ 

  1,75

1    ∙       ∙ 1   ∙ 󰇛 󰇜 ∙   

 Para partículas pequeñas ,  20 150

1   





 ∙   

   ∙ 1   ∙ 󰇛 󰇜 ∙ 

 Para partículas muy grandes ,  1000 1,75

 

1    ∙      ∙ 1   ∙ 󰇛 󰇜 ∙      



1  

∙

  󰇛  󰇜 ∙   150 ∙ 

  󰇛  󰇜 ∙  1,75 ∙ 

5

  1  0,356󰇛log  -1)

 ?

Donde  debe de estar expresado en micras y es válido para diámetros comprendidos entre 50 y 500 micras

Otros métodos de cálculo de  :  Módulo de Arquímedes

 

, ∙   ∙ 

, 

27,2  0,0408 ∙

∙  ∙∙  

27,2

 Correlación de Baeyens y Geldart

 

0,0009 ∙ 󰇛  󰇜,∙ ,∙ ,  , ∙ ,

Determinación de la velocidad de arrastre La partículas serán arrastradas del lecho cuando la velocidad del fluido sea igual o mayor que la velocidad terminal de sedimentación de dichas partículas.

Para partículas esféricas

Si



   

  1 ⇒    ⇒     

Si 1   10 ⇒  





4 ∙  ∙  ∙ 󰇛  󰇜 3∙∙

  ∙∙󰇛 󰇜 ∙

1  0,15 ∙ ,

Si 10    10 ⇒   0,44

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Velocidad del fluido en un lecho fluidizado

    

La velocidad del aire en un lecho fluidizado debe de estar comprendida entre la velocidad de mínima fluidización y la velocidad terminal de las partículas más pequeñas del lecho. Habitualmente se utilizan valores entre 2 y 3 veces la velocidad de mínima fluidización.

Índice  Definición de lecho fluidizado  Relación entre velocidad del fluido y pérdida de presión en el lecho  Determinación de la velocidad mínima de fluidización y de la velocidad de arrastre  Utilización de los lechos fluidizados en la industria alimentaria •

Congelación

•

Secado

 Transporte neumático

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 Congeladores de lecho fluidizado Equipo en el que una corriente de aire muy frío (-25 a - 40 ºC) circula a través de un lecho de partículas de alimento a una velocidad suficiente como para que el rozamiento llegue a compensar el peso neto de las partículas. Durante el tiempo

de

permanencia

del

sólido

en

el

equipo

su

temperatura debe de alcanzar -18ºC.

Se caracteriza por un elevado coeficiente convectivo de transmisión de calor.

http://rpaulsingh.com/animations/animations_master.html

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Método de congelación

Coeficiente de transmisión de calor superficial (Wm-2 K-1)

Tiempo de congelación a -18 ºC (min)

Alimento

Aire (estático)

6-9

180-4320

Canales

Chorro de aire 5(m/s)

25-30

15-20

Guisantes

Chorro de aire 3 (m/s)

18

-

Cinta sinfín (en espiral)

25

12-19

Hamburguesa

En lecho fluidizado

90-140

3-4 15

guisantes tacos pescado

De placas

100

75

bloques de pescado de 25 kg

Superficie rascada

-

0.3-0.5

helado (1 mm espesor)

Criogénico (N2 líquido)

1500

1.5 0.9 2-5 0.5-0.6

panes de 454 g pasteles de 454 g mariscos frutas y verduras

Imágenes del interior de un congelador de lecho fluidizado

Ejemplos de alimentos que se congelan en un congelador de lecho fluidizado

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 Secaderos de lecho fluidizado Equipo en el que una corriente de aire caliente circula a una velocidad suficiente a través de un lecho de partículas de alimento para que el rozamiento llegue a compensar el peso neto de las partículas. Durante el tiempo de permanencia del sólido en el equipo éste perderá humedad hasta el valor deseado por las especificaciones del proceso. El aire además de ser el agente fluidizante será el portador del calor necesario para que el agua del alimento cambie de fase y se evapore, así como el medio al que se transfiere el agua del alimento. Se caracteriza por un elevada transferencia de calor y de materia.

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Imágenes del interior de un secadero de lecho fluidizado

Ejemplos de alimentos que se secan en un secador de lecho fluidizado

Índice  Definición de lecho fluidizado  Relación entre velocidad del fluido y pérdida de presión en el lecho  Determinación de la velocidad mínima de fluidización y de la velocidad de arrastre  Utilización de los lechos fluidizados en la industria alimentaria •

Congelación

•

Secado

 Transporte neumático

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 Transporte neumático El trasvase de materiales sólidos en grano o pulverulentos encerrados en tubería con la impulsión de un fluido o mediante la aspiración del mismo.

Existen diferentes tipos de clasificaciones para el transporte neumático. En la primera se tiene en cuenta la proporción entre el fluido y el sólido a transportar, de ahí fase densa y fase diluida. En la segunda se discrimina entre sistemas de presión positiva (impulsión) o sistemas de presión negativa (aspiración).

Harinera Molino

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Transporte de cereal al granero

http://www.dynamicair.com http://www.solid.es

 /  270





  

  62,3  

 ,󰇛󰇜

13...