Modelado Matemático de un Granulador Industrial de Lecho Fluidizado Considerando Elutriación

BERTIN, DIEGO ESTEBAN; PIÑA, JULIANA; BUCALÁ, VERÓNICA

Mar del Plata, Argentina

Congreso; VI Congreso Argentino de Ingeniería Química; 2010

Los granuladores de lecho fluidizado utilizan ligantes líquidos para lograr el aumento de tamaño de partículas. La primer etapa del proceso de crecimiento de los gránulos es la deposición de las gotas sobre la superficie de las partículas. Cuando la solución atomizada colisiona satisfactoriamente con partículas, humedece la superficie de las mismas. Si las gotas son mucho más pequeñas que las partículas sobre las que se depositan, cada gota cubre una pequeña porción de la superficie del gránulo, de manera que hace falta una gran cantidad de gotas para formar una capa. En un granulador operando en estado estacionario, el aumento de tamaño por esta vía no modifica el número de partículas, ya que la cantidad de núcleos permanece invariante durante el crecimiento. Además del crecimiento de los gránulos, otros mecanismos pueden ocurrir dentro del granulador, como aglomeración, rotura, atrición, elutriación o nucleación. En particular, la elutriación (arrastre de las partículas finas fuera del lecho fluidizado debido a que la velocidad de fluidización del gas supera a la velocidad terminal de las partículas) modifica las distribuciones de tamaño disminuyendo la concentración de finos en el producto. La elutriación muchas veces está asociada al proceso de atrición, en el que ocurre una erosión gradual de las asperezas presentes en la superficie de las partículas. Las distribuciones de tamaño de partículas se calculan por medio del balance de población, ecuación basada en leyes de conservación que contiene las velocidades de cambio de tamaño para cada mecanismo. En este trabajo se analiza, mediante un modelo en estado estacionario del granulador, el efecto del mecanismo de elutriación sobre la distribución de tamaños del producto de un granulador industrial de lecho fluidizado. Este equipo suele estar compuesto por varias celdas de crecimiento y de enfriamiento. Una celda de crecimiento es básicamente un lecho de sólidos fluidizado mediante aire, en el que se alimentan partículas de urea de pequeño tamaño de manera continua. Por el fondo de la unidad se atomiza una solución concentrada de urea, las gotas se depositan sobre la superficie de las partículas para luego solidificar por enfriamiento y evaporación de agua, produciendo el aumento de tamaño de los gránulos. Las celdas de enfriamiento son similares a las de crecimiento, con la diferencia de que no se alimenta la solución de urea. El uso de varias cámaras en el granulador industrial tiene la función de aumentar y homogeneizar el tiempo de residencia de las partículas, permitiendo obtener un producto con una distribución de tamaños más angosta. El modelo matemático está basado en balances de masa, energía y población, y describe el comportamiento de todas las fases que coexisten dentro de la unidad, así como la hidrodinámica de los lechos fluidizados. Una ley para representar el mecanismo de elutriación es utilizada en el balance de población, según la cual la velocidad con que las partículas finas abandonan el lecho por arrastre del aire es función de la velocidad del aire, del tamaño de partículas y de una constante de proporcionalidad (constante de elutriación). El trabajo se divide en dos partes. Primero, se presenta un análisis de sensibilidad para estudiar la influencia de la constante de elutriación sobre la granulometría del producto particulado. Luego, se ajusta la constante de elutriación utilizando distribuciones de tamaños medidas en el granulador industrial. Las simulaciones indican que la velocidad de elutriación aumenta, como era de esperar, con la velocidad del aire de fluidización, siendo este efecto más notable para partículas pequeñas. Cuando no se incluye el mecanismo de elutriación en el modelo, la distribución de tamaños de partículas predicha es similar a la experimental alrededor de la mediana de la población, pero sobreestima la cantidad de  finos (<1mm) y subestima los gruesos totales (> 4mm). La inclusión del mecanismo de elutriación en el modelo permite mejorar sustancialmente la cola de los finos de la distribución de tamaño de partículas de la corriente que abandona el granulador. La diferencia en la predicción de gruesos, no mejorada a través de la inclusión del fenómeno de elutriación, sugiere la  posible formación de aglomerados dentro del granulador. El modelo presentado permite mejorar sustancialmente la predicción de la distribución de tamaño de partículas para clases pequeñas y medianas, el cálculo de los parámetros de elutriación permite aportar datos de importante valor práctico para el modelado de granuladores industriales.