Particle-fluid dynamics and solid ejection in fluidized beds

摘要

Los flujos multifásicos son, en general, difíciles de modelar. En concreto, los lechos fluidizados burbujeantes son incluso más complejos debido a la presencia de burbujas (aparte de las partículas y de la corriente principal del gas) que aparecen cuando las perturbaciones no son atenuadas por el sistema. Esta tesis doctoral intenta aclarar algunos aspectos relacionados con la dinámica fluido-partícula y con la proyección de sólidos en lechos fluidizados mediante resultados experimentales y simulaciones numéricas. Los experimentos fueron llevados a cabo en un lecho fluidizado bidimensional usando PIV (Velocimetría por Imágenes de Partículas) y técnicas de análisis de imágenes digitales. Algunos de los resultados experimentales fueron usados como datos de entrada en el análisis numérico mediante FEM (Método de los Elementos Finitos). Este documento contiene una introducción general (capítulo 1), un capítulo de conclusiones (capítulo 7) y cinco capítulos diferentes e independientes (del capítulo 2 al 6). Cada uno de ellos tiene su propio resumen, introducción, notación y bibliografía. Cada capítulo puede ser leído independientemente ya que han sido escritos como artículos independientes. El capítulo 2 presenta un novedoso método numérico-experimental que combina PIV y FEM para caracterizar la dinámica de los lechos fluidizados. En un lecho burbujeante, la geometría de las burbujas fue capturada con una cámara de alta velocidad, y el campo de velocidades de las partículas (velocidad del gránulo) se obtuvo aplicando PIV a la fase densa. La geometría de las burbujas se exportó a un programa de elementos finitos, donde aplicando las ecuaciones propuestas por Davidson (Davidson J.F., 1961. Symposium on fluidisation-Discussion. Transactions of the Institution of Chemical Engineers, vol. 29, pp. 230-232) el campo de velocidades del gas y el campo de presiones se calcularon con un bajo coste computacional. Diferentes tipos de burbujas fueron estudiadas: lentas, rápidas, rompiendo la superficie libre y coalesciendo. Además, se ha analizado el efecto de la no verticalidad de las burbuja rápidas, mostrando como estas burbujas pueden intercambiar gas con la corriente principal. En el capítulo 3, el método explicado en el capítulo 2 se ha extendido para tener en cuenta los efectos inerciales. La ley de Darcy propuesta por el modelo de Davidson se reemplazó por la ecuación de Ergun, que tiene en cuenta ambos efectos: viscosos e inerciales. Los mismos casos estudiados en el capítulo 3 fueron analizados incluyendo los efectos inerciales. Los resultados obtenidos muestran como estos efectos son más importantes cuando la velocidad local del gas, y en consecuencia el número de Reynolds, aumentan. En cualquier caso, estas diferencias locales no afectan apreciablemente las líneas de corriente del gas para las condiciones experimentales de este trabajo. El capítulo 4 presenta una nueva metodología para obtener la distribución de la porosidad alrededor de las burbujas. La instalación experimental utilizada consiste en un cámara de alta velocidad, un lecho fluidizado bidimensional y una fuente de luz difusa situada en la parte trasera del lecho. De los resultados experimentales obtenidos, se ha propuesto una nueva correlación para la distribución de la porosidad alrededor de las burbujas. Esta correlación difiere de las existentes en la literatura en dos aspectos. Primero, ha sido obtenida en una región adyacente al contorno de la burbuja (r/Rb . 1.2), donde la baja resolución espacial de otros estudios impidió obtener resultados. En segundo lugar, no se ha supuesto simetría radial, la porosidad depende de las posiciones radial y angular = ( , r). Además, se ha estudiado el efecto de la distribución de porosidad en el flujo de aire que atraviesa la burbuja, obteniendo un aumento del 20% para la geometría media de las más de 100 burbujas analizadas. El capítulo 5 presenta los resultados de un estudio experimental sobre la velocidad de proyección de sólidos en lechos fluidizados con gas. Los mecanismos observados previamente por Levy et al. (Levy E.K., Caram H.S., Dille J.C. and Edelstein S., 1983. Mechanims for solid ejection from gas-fluidized beds, AIChE Journal, vol. 29, pp. 383-388) han sido estudiados. Los resultados muestran como un grupo de partículas cayendo en forma de estalactitas dentro de la burbuja reduce notablemente la velocidad de la cúpula en burbujas aisladas. Las velocidades más grandes aparecen cuando hay coalescencia, especialmente en el mecanismo de proyección desde la estela. En el mecanismo de proyección en forma de canal o de chorro, los choques entre partículas reducen notablemente la velocidad de proyección. El capítulo 6 presenta un nuevo modelo para obtener el perfil de velocidad de las partículas proyectadas en burbujas que rompen aisladas. Este sencillo modelo es también válido para burbujas que no ascienden verticalmente. El modelo supone que la velocidad de proyección depende de la velocidad de la burbuja y de su velocidad de crecimiento. Los resultados experimentales muestran que, excepto en algunos casos aislados, el modelo predice correctamente la magnitud y dirección de la velocidad máxima y el perfil de velocidades. ____________________________________________