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APLICACIONES DE FLUJOS POR LECHOS POROSOS

Nombres: Carolina Ayoví Noemí Palacios Alexis Simbaña Brenda Serrano Paola Tello Curso: 6to paralelo 2

Quito – Ecuador 2018- 2019

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APLICACIONES DE FLUJOS POR LECHOS POROSOS 1. Congelación Es una operación unitaria empleada para reducir la temperatura de sólidos, líquidos y gases; en la industria alimenticia se emplea la congelación en lecho fluidizado generalmente se considera adecuada para piezas de alimentos de forma uniforme de alrededor de 40 mm y ha encontrado una amplia aplicación en la congelación de frutas y verduras. La alta tasa de transferencia de calor que se puede obtener en un lecho fluidizado es la razón principal de su explotación en la congelación de alimentos Las aplicaciones de la fluidización en la congelación de alimentos se relacionan casi exclusivamente con el uso de lechos fluidizados sólidos como gases, el equipo utilizado para aplicaciones de congelación en particular está determinado en parte por la forma física del alimento que se va a congelar (Smith, 2003). En un congelador de lecho fluidizado, se supone que las partículas se congelan de forma independiente y muy rápida para obtener un producto IQF de flujo libre con un atractivo aspecto acristalado debido a la congelación del agua en la superficie de la partícula. las aplicaciones de la fluidización al procesamiento de alimentos en general se dividen en dos grupos: primero, aquellas en las que las partículas de los alimentos están fluidizadas y, en segundo lugar, aquellas donde el alimento (normalmente envasado) se sumerge en un lecho fluidizado de sólidos inertes para, el propósito de calentar o enfriar. La rápida tasa de congelación en un lecho fluidizado conduce a una pequeña pérdida de humedad y, por lo tanto, un mayor rendimiento del producto y una mejor calidad del producto debido a la cobertura de una película delgada de hielo alrededor de piezas individuales de alimentos (Tressler et al., 1968). A diferencia de un congelador de aire comprimido, Persson y Londahl (1993) sugieren que la distribución de aire en un lecho fluidizado es independiente de la carga del congelador, sin riesgo de canalización si el lecho está solo parcialmente cargado. Las otras ventajas de los lechos fluidizados son los bajos costos iniciales y de instalación; portabilidad y facilidad de expansión; Y facilidad de control e higiene. Los congeladores industriales de lecho fluidizado generalmente se operan en modo continuo y se han adoptado diversas técnicas para mover sólidos a través del lecho. Estos incluyen: alimentación por gravedad y un vertedero en la salida del lecho (Holdsworth, 1983); una placa ligeramente inclinada para promover el flujo de sólidos hacia adelante (Tressler et al., 1968); un distribuidor que toma la forma de una correa perforada en movimiento en lugar de una placa fija (Holdsworth, 1983); y un transportador vibratorio (Jowitt, 1977)

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2. Secado por lecho fluidizado El proceso de secado en lechos fluidizados, constituyen hoy en día, una alternativa eficiente para la deshidratación de productos. Este proceso se lleva a cabo, gracias a la transferencia de calor y masa que se realiza dentro del equipo, posibilitadas por el contacto íntimo que tiene el producto con los gases de secado dentro del lecho fluidizado. En secaderos de lechos fluidizados continuos, la alimentación se realiza por el extremo superior del lecho, la misma cae y se pone en contacto con una corriente de aire caliente, produciéndose de esta forma la fluidización y evaporación. Luego es transportada neumáticamente hacia una segunda zona, en donde el polvo es enfriado, obteniéndose en el proceso global una aglomeración parcial del polvo y consecuentemente la modificación de las propiedades iniciales. Debido a los altos coeficientes de transferencia térmica logrados con este proceso, se puede ubicar al secadero de lecho fluido continuos como un equipo de tiempo de residencia media, permitiendo la deshidratación de productos termo sensibles. (Vázquez-Chávez & Vizcarra-Mendoza, 2008) Este proceso es muy difundido para productos que requieren, una disminución limitada de humedad y definidas propiedades granulométricas. En cambio en los secaderos fluidizados discontinuos, el producto a deshidratar debe ser apto para soportar grandes tiempos de residencias. Para ambos casos, el calor intercambiado depende de la humedad del producto a procesar y tanto la temperatura del gas como la altura del lecho, pueden ser variadas compatibles con el diseño del equipo. (Vázquez-Chávez & Vizcarra-Mendoza, 2008) Figura 1 Secado por lecho Porosos

Fuente: https://www.slideshare.net/VLADIMIRVIERA/secado-por-lecho-fluidizado/8 El proceso de secado de los granos depende en gran medida del tipo de secador siendo los más utilizados aquellos donde el aire caliente fluye a través de las

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capas estacionarias de granos. En estos casos, en la medida que estos lechos sean más profundos, el control de temperatura se hace más difícil, generándose así gradientes de humedad y temperatura en las diferentes zonas del secador, que pueden afectar la calidad del grano (Preston y col.,1989; Fortes y Romero, 2004). Una alternativa interesante es el secado en lecho fluidizado, ya que permite un tratamiento térmico rápido y homogéneo con aire caliente, debido al mezclado de los sólidos fluidizados, eliminando el sobrecalentamiento de los mismos y en consecuencia evitando que la calidad del trigo se dañe. El secado es un proceso que disminuye la humedad de los granos y contribuye a conservarlos. No obstante, cuando el secado se lleva a cabo sin control adecuado de la temperatura, la calidad del trigo puede perderse la mayoría de las veces, sin alteración visual del grano. Diversos investigadores han señalado que el daño térmico del trigo está directamente relacionado con la desnaturalización térmica de las proteínas, principalmente las del gluten. (Preston & Morgan, 1989) 3. Combustión en lecho fluidizado La combustión en lecho fluido (Fluizided bed combustion,FBC) es una tecnología de combustión usada en centrales eléctricas. Tecnología que permite una mayor flexibilidad en el uso de combustible: carbón, biomasa, basura. Además de un mayor aprovechamiento del combustible y una mejor transferencia del calor producido durante la combustión. Un lecho fluido está formado por el combustible en pedazos (aproximadamente es un 2-5% del peso total del lecho) y el lecho propiamente dicho (cenizas, piedra caliza, material adicional.) No se permite la fundición del lecho, por lo que la temperatura está limitada a 850-900ºC. Esta temperatura evita el reblandecimiento de las cenizas del combustible y la descomposición del sulfato de calcio. El lecho fluido sustenta el combustible sólido mientras se bombea aire hacia arriba durante la combustión. El resultado es la formación de remolinos que favorecen la mezcla del gas y del combustible. (Vian, 2002) El concepto de combustión en lecho fluido surgió a principios de los años 60 en USA y Reino Unido, pero no atrajo el interés de las empresas eléctricas, principalmente por el alto coste y la poca importancia de las emisiones contaminantes en aquel tiempo. En 1968 se construyó una planta experimental en Reino Unido donde se mejoró la tecnología y se probaron las posibilidades que ofrecía este tipo de centrales, sin embargo el gobierno británico no tuvo mucho interés en la planta, por lo que la mayor parte de los estudios eran financiados por empresas suecas. A principios de los años 70 se construyó la primera planta que suministró electricidad a la red, era una pequeña planta de carbón en Rivesville, Virginia Occidental. Tras muchos problemas económicos

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y técnicos, debidos al alto coste de mantenimiento de la planta, la central se cerró a finales de esa misma década. Otras plantas pioneras también experimentaron muchos problemas con la erosión, la entrada de aire y la alimentación por carbón. A mediados de los años 70 se inició la construcción de plantas en USA y Reino Unido que finalmente lograron probar su eficacia y beneficios, incluso algunas de estas plantas se hallan en funcionamiento. Paralelamente se efectuó a principios de los años 80 un gran desarrollo y construcción de plantas en Alemania y los países escandinavos, que sirvió para mejorar la tecnología existente así como la creación de nuevos conceptos. Actualmente la combustión en lecho fluido está experimentando un gran auge, debido al mejor aprovechamiento del carbón y la menor emisión de gases contaminantes. (Prieto, 2005)

Figura 2. Procesos físico-químicos que tienen lugar en la combustión en lecho fluido

Fuente: Prieto, I. (2005). Centrales térmicas, Sistemas de combustión en lecho fluido. México: Paraninfo, S.A. 4. Lavado o lixiviación de partículas sólidas La lixiviación o extracción sólido-líquido es la operación en la que uno de los constituyentes de una sustancia sólida es transferida a un líquido. Este proceso tiene importancia en gran número de procesos industriales; por ejemplo, extracción de los aceites de las semillas de oleaginosas como la soja y del hígado de pescado, y del azúcar de la remolacha. (Fica, 2015) El proceso completo de extracción suele comprender la recuperación por separado del solvente y del soluto. En metalurgia en la extracción de: cobre con

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ácido sulfúrico, oro con cianuro, etc. Muchos productos orgánicos naturales se separan de sus estructuras originales mediante lixiviación. (Fica, 2015) La lixiviación tiene lugar en dos etapas: contacto del disolvente con el sólido a tratar y el lavado o separación de la disolución del resto del sólido. Los líquidos se adhieren siempre a los sólidos y éstos deberán lavarse para evitar las pérdidas de disolución (si el material soluble es el deseado) o la contaminación del sólido (si este es el deseado). (Fica, 2015) Los aparatos utilizados pueden clasificarse de acuerdo con el modo de realizar la primera etapa. La expresión “lecho sólido estacionario” significa que las partículas sólidas se mantienen en posiciones invariables entre sí, mientras que el disolvente circula a través de ellas, tanto si el material sólido se halla o no estacionario, durante la extracción. La expresión “contacto en dispersión” significa que las partículas sólidas suspendidas en el líquido están en movimiento relativo entre sí y con el disolvente, durante el tiempo de contacto. En ambos tipos de aparatos la operación puede realizarse con un lote del sólido, a tratar con uno o más lotes del disolvente, o con el disolvente fluyendo sucesivamente a través de los sólidos sometidos a la extracción. (Fica, 2015) Las corrientes que salen de un sistema de extracción líquido-sólido sufren en muchos casos una serie de operaciones posteriores antes de la obtención de un producto acabado. Tanto la solución como el sólido extraído pueden contener el material deseado. Además la obtención del producto, la recuperación del disolvente constituye, en general, una operación de importancia. (Fica, 2015) Se pueden clasificar de la siguiente manera: 4.1.Lixiviación de lechos fijos:  In situ, se refiere a la aplicación de soluciones directamente a un cuerpo mineralizado. (Cárdenas, 2010)  En botaderos, esta técnica consiste en lixiviar desmontes de minas de tajo abierto, el material es depositado sobre superficies poco permeables y las soluciones percolan a traves del lecho por gravedad. (Cárdenas, 2010)  En pilas, el mineral procedente de la explotación, a cielo abierto o subterránea, debe ser ligeramente preparado en una planta de chancado y/o aglomeración.  En bateas, consiste en contactar un lecho de mineral con una solución acuosa que percola e inunda la batea o estanque. Los minerales a tratar deben presentar contenidos metálicos altos o muy altos. (Cárdenas, 2010) 4.2.Lixiviación de pulpas:  Por agitación, se utiliza para los minerales de leyes mas altas.En el caso de que los minerales generen un alto contenido de finos en la etapa de chancado. El tiempo de contacto de los sólidos con la solución del orden de horas comparado con el proceso de lixiviación en pilas que requiere meses. (Cárdenas, 2010)

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5. Purificacion del Agua por adsorcion de lecho fijo La adsorción es un proceso de separación en la que componentes de una fase fluida se transfieren hacia la superficie de un sólido adsorbente (formado por un lecho de partículas fijas), mientras el fluido circula continuamente a través de dicho lecho sólido. La transferencia cesa cuando el sólido está prácticamente saturado, momento en que se debe regenerar el lecho para reutilizarlo. (González, 2008) El intercambio iónico es otro proceso que generalmente se lleva a cabo en operación semi-continua en un lecho fijo de forma similar. Mediante este proceso es posible ablandar o desionizar agua que se hace pasar sobre un lecho de esferas de resina de intercambio iónico, situadas en una columna, hasta que la resina alcanza prácticamente la saturación. (González, 2008) En todos estos procesos la eficacia depende del equilibrio sólido- fluido y de las velocidades de transferencia de materia. Las columnas de intercambio iónico, operan normalmente en condiciones transitorias, y se encuentran rellenas de partículas porosas de resina, que pueden ser ácidas (resinas catiónicas) o básicas (resinas aniónicas). (González, 2008) “En el caso de una resina catiónica (RH), al estar en contacto con una solución de NaOH va a intercambiar protones por el ión Na+, ya que van a reaccionar con el grupo OH-, en una reacción de neutralización” (González, 2008): RH + NaOH → RNa + H2O

Ec.5.-1

Cuando a una columna, inicialmente limpia de iones, ingresa una corriente de agua con una cierta concentración (Co) de NaOH, los iones Na+ quedan inmovilizados en el sólido, los H+ liberados, los OH- se neutralizan y el agua que abandona la columna es pura. A medida que transcurre el tiempo, el sólido se va saturando hasta llegar al equilibrio, momento en el cual el relleno no atrapa mas iones, obteniéndose un agua con la misma concentración inicial Co. Es en ese momento que debe regenerarse el filtro con una solución que revierta el equilibrio de intercambio para poder utilizarlo nuevamente. (González, 2008)

6. BIBLIOGRAFÍA Cárdenas, H. (2010). Lixiviación. Obtenido de Universidad Nacional de San Agustín: https://www.academia.edu/31774720/Lixiviaci%C3%B3n Fica, C. A. (2015). Tipos de Operaciones Unitarias. Obtenido de Operaciones Unitarias: https://www.academia.edu/7012415/TEMA_4_Tipos_de_Operaciones_Unitarias_Opera ciones_Unitarias_Tema_4_Tipos_de_Operaciones_Unitarias_Profesor_Sr

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González, E. (2008). Modelos simplificados aplicables a la adsorción en lecho fijo. Obtenido de https://digitum.um.es/jspui/bitstream/10201/5423/1/Modelos%20simplificados%20aplic ables%20a%20la%20adsorci%C3%B3n%20en%20lecho%20fijo.pdf Ontiveros, P. J. (2012). Universidad de Los Andes.Facultad de Ingeniería.Escuela de Ingeniería Química.Dpto. de Operaciones Unitarias y Proyectos. Obtenido de Flujo en Medio Poroso I: http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/jesusf/OP1001FlujoMedioP.pdf Preston, R., & Morgan, C. (1989). Assesmente of hear damage in Canadian. USA: Association Cereal Chem. Prieto, I. (2005). Centrales térmicas, Sistemas de combustión en lecho fluido. México: Paraninfo, S.A. Vázquez-Chávez, L., & Vizcarra-Mendoza, M. (2008). Secador por lecho poroso del trigo y su calidad. México D.F.: Departamento de Biotecnología área alimentos. Vian, Á. (2002). Introducción a la Química Industrial. Barcelona: REVERTÉ, S.A.