Fluidización de polvos finos y ultrafinos asistida por campos eléctricos oscilantes.

Se describe un método para mejorar la fluidización con gas de polvos finos y ultrafinos. Un procedimiento de fluidización de polvos que comprende hacer pasar un flujo de gas (4) a través de una placa porosa (5) por un lecho de polvo (6) dispuesto sobre dicha placa porosa (5) en una cámara de fluidización (10), comprendiendo el lecho de polvo (6) al menos un polvo seleccionado entre polvos finos que comprenden partículas primarias con un tamaño típico entre 1 y 20 micras, polvos ultrafinos que comprenden partículas primarias con un tamaño típico entre 1 y 1000 nm, y mezclas de los mismos; y simultáneamente someter el lecho de polvo (6) a un tratamiento de agitación para reducir el efecto de la cohesión entre dichas partículas, el cual comprende aplicar sobre dicho lecho al menos a un campo eléctrico oscilante (9). El movimiento inducido por el campo externo oscilante da como resultado una fluidización más uniforme y, consecuentemente, una mayor expansión del lecho fluido.Se describe también la instalación correspondiente para realizar el procedimiento y se presentan medios (7, 8) para generar el campo eléctrico oscilante

Fluidización de polvos finos y ultrafinos asistida por campos eléctricos oscilantes.

Campo técnico de la invención

La presente invención está comprendida dentro del campo de la producción industrial, en concreto donde se utilicen procesos de transferencia de masa o temperatura, mezclado de sólidos, descontaminación de gases, y catálisis de reacciones químicas en general, mediante técnicas de fluidización de partículas finas y ultrafinas.

Estado de la técnica

La fluidización de partículas sólidas con gases tiene especial aplicación en procesos como el craqueo de hidrocarburos, recubrimiento de partículas con aditivos, secado, granulación, mezclado, purificación y descontaminación de gases.

El interés de la técnica de fluidización crece conforme el tamaño de las partículas disminuye, puesto que así aumenta el área especifica de la superficie de contacto entre las fases gaseosa y sólida y, consecuentemente, el poder catalítico de las reacciones químicas. Una técnica que posee numerosas aplicaciones potenciales es la fluidización de nanopartículas. Esta técnica se emplea ya, por ejemplo, en la producción de nanotubos de carbono que, por el interés de sus propiedades electrónicas, termales y estructurales, están presentes en múltiples aplicaciones modernas y son el objeto de una intensa investigación en la actualidad. La fluidización de partículas finas también cobra un creciente protagonismo en la industria farmacéutica. La presente invención contribuye a optimizar la uniformidad del estado de fluidización de partículas finas y ultrafinas.

Si se hace pasar gas a través de un lecho de partículas sólidas en el sentido contrario al de la gravedad, se alcanza el estado de fluidización cuando la calda de presión del gas al atravesar el lecho granular iguala el peso por unidad de área del material. La velocidad superficial del gas v_g a la que ocurre este fenómeno se conoce como velocidad mínima de fluidización v_mf. Las propiedades del estado de fluidización, bajo condiciones de temperatura y presión ambientales, dependen básicamente del tamaño y densidad de las partículas (Geldart, 1973). La omnipresencia de fuerzas de cohesión entre partículas juega un papel relevante en la homogeneidad del estado de fluidización (Castellanos, 2005). Un parámetro adimensional que sirve para cuantificar la relativa intensidad de la fuerza de cohesión entre partículas es el número de Bond granular Bo_g, definido como la razón entre la fuerza de cohesión entre dos partículas y su peso individual. En el caso de granos gruesos poco cohesivos (Bo_g < 1, que típicamente comprende tamaños de partícula d_p < 100 micras), si la velocidad del gas es incrementada por encima de v_mf, una apreciable parte del gas asciende en forma de burbujas (tipo de fluidización conocido como Geldart B). Este burbujeo supone una de las mayores limitaciones a la eficiencia del proceso de fluidización puesto que impide un óptimo contacto entre las fases sólida y gaseosa. Cuando el medio granular es moderadamente cohesivo (Bo_g del orden de 1, que típicamente comprende tamaños de partícula d_p del orden de 50 micras), existe un corto intervalo de velocidades del gas más allá de v_mf en el que la fluidización es uniforme. En este estado, el lecho granular toma un aspecto similar al de un sólido poroso debido a las fuerzas de cohesión entre las partículas que pueden soportar la red de contactos permanentes en un estado de ligera expansión (tipo de fluidización conocido como Geldart A). Un ligero incremento adicional de v_g produce la ruptura de los contactos permanentes y, consiguientemente, la transición a la fase de burbujeo típica del comportamiento Geldart B propio de partículas más gruesas. Un considerable incremento de la superficie especifica de contacto gas-sólido se lograrla mediante la fluidización uniforme de partículas muy finas.

Sin embargo, se ha observado tradicionalmente que los polvos finos cohesivos (Bo_g > 1, que típicamente comprende tamaños de partícula d_p < 20 micras) son imposibles de fluidizar uniformemente en un estado expandido. Esto es debido a las intensas fuerzas de cohesión. Es usual la formación de superficies de fractura o canales a través de los cuales fluye la mayor parte del gas sin que se mezcle con las partículas (tipo de fluidización conocido como Geldart C). Sin embargo, existe un grupo de polvos finos y ultrafinos que pueden fluidizarse debido a que las partículas se organizan en aglomerados porosos poco cohesivos entre si (Castellanos, 2005; Zhu et al. 2005). En este régimen de fluidización, aparentemente uniforme, los aglomerados no se encuentran en contacto permanente si no que fluctúan en un estado similar al de un sistema de partículas en suspensión en un liquido. Así, por ejemplo, es posible fluidizar nanopartículas de dióxido de silicio.

Estas nanopartículas forman aglomerados de un tamaño típico de cientos de micras y muy porosos. No obstante, y a pesar de que a simple vista la fluidización de estos polvos es uniforme, existen burbujas de gas, cuyo tamaño es del orden o inferior a 10 veces el tamaño de los aglomerados, y que no llegan a alcanzar un tamaño macroscópico que impida la expansión del lecho (Valverde et al. 2008a). Además, la aglomeración de las partículas finas reduce el área especifica de contacto entre las fases gaseosa y sólida puesto que los aglomerados son prácticamente permeables al flujo de gas. Seria pues deseable mejorar la uniformidad del estado de fluidización de estas nanopartículas así como reducir el tamaño de los aglomerados.

Un parte importante del estudio de la fluidización se ha centrado en el desarrollo de técnicas de fluidización asistida. Por ejemplo, se ha demostrado que el incremento artificial de la cohesión entre granos gruesos da lugar a un cambio en el tipo de fluidización de Geldart B a Geldart A. Esto se ha logrado, por ejemplo, mediante la adición de líquidos (Seville & Clift, 1984) o gases que son absorbidos por la superficie de las partículas (Xie & Geldart, 1995).

También se ha mostrado que es posible estabilizar lechos fluidos de granos gruesos magnéticos mediante la aplicación de campos magnéticos, dando lugar a un comportamiento tipo Geldart A (Hristov, 2002). Asimismo, se ha observado que la aplicación de un campo eléctrico a un lecho fluidizado de granos gruesos conductores resulta en un cambio de tipo de fluidización al tipo Geldart A (Johnson & Melcher, 1975; Kleijn van Willigen et al. 2008).

La aplicación de un campo magnético sobre granos magnéticos o de un campo eléctrico sobre granos conductores, genera fuerzas de cohesión intensas entre los granos al ser éstos polarizados por el campo externo. Ello da lugar a la formación de cadenas de granos permanentes que se expanden a lo largo del lecho fluido quedando éste estabilizado en un estado sólido y ligeramente expandido.

Cabe destacar, sin embargo, que, por una parte, la expansión del estado de fluidización uniforme Geldart A es reducida, típicamente alrededor del 5% del volumen inicial.

Por otra parte, los contactos entre partículas son permanentes. Ambas características son un hándicap para el área especifica de contacto entre las fases gaseosa y sólida y, por tanto, también para la eficacia catalítica del lecho fluido.

En cuanto a la asistencia a la fluidización de partículas finas micrométricas (Geldart C), una de las técnicas desarrolladas consiste en recubrir la superficie de las partículas con esferas duras nanométricas que dan lugar a una disminución de las fuerzas de cohesión, desestabilizando los canales y permitiendo una fluidización uniforme (Valverde et al. 1998; Chen et al. 2008). También se ha observado que la aplicación de fuerzas externas ayuda a mejorar la calidad de la fluidización. Dentro de este grupo encontramos las técnicas de vibración (Valverde et al., 2001a; Xu y Zhu, 2006), aplicación de ultrasonidos (Herrera y Levy, 2001), agitación mediante elementos mecánicos como hélices, turbinas, etc. (Alavi y Caussat, 2005), adición de granos gruesos (Alavi y Caussat, 2005), y centrifugación (Qian et al., 2001).

Así mismo, se han desarrollado una serie de técnicas con el objetivo de mejorar la calidad de la fluidización de nanopartículas. Los métodos que han sido empleados con éxito son hasta el momento la aplicación de vibraciones al lecho fluido,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de fluidización de polvos que comprende:

- hacer pasar un flujo de gas (4) ascendente en sentido contrario al sentido de la gravedad (g) a través de una placa porosa (5) por un lecho de polvo (6) dispuesto sobre dicha placa porosa (5) en una cámara de fluidización (10), comprendiendo el lecho de polvo (6) al menos un polvo seleccionado entre polvos finos que comprenden partículas primarias con un tamaño típico entre 1 y 20 micras, polvos ultrafinos que comprenden partículas primarias con un tamaño típico entre 1 y 1000 nm, y mezclas de los mismos; y

- simultáneamente someter el lecho de polvo (6) a un tratamiento de agitación para reducir el efecto de la cohesión entre dichas partículas;

caracterizado porque el tratamiento de agitación comprende aplicar sobre dicho lecho al menos un campo eléctrico oscilante (9).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho flujo de gas se aplica en sentido contrario al sentido de la gravedad.

3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el campo eléctrico (9) es un campo eléctrico variable en el tiempo.

4. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el campo eléctrico (9) es un campo eléctrico no homogéneo en el espacio.

5. Procedimiento de fluidización de polvos según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el campo eléctrico (9) presenta una mayor intensidad en la cercanía de dicha placa porosa (5).

6. Una instalación para fluidificación asistida de un lecho de polvo que comprende al menos un polvo seleccionado entre polvos finos que comprenden partículas primarias con un tamaño típico entre 1 y 20 micras, polvos ultrafinos que comprenden partículas primarias con un tamaño típico entre 1 y 1000 nm, y mezclas de los mismos, que comprende

- una cámara de fluidización (10) delimitada interiormente por una placa porosa (5) destinada a soportar el lecho de polvo (6);

- una entrada de gas (11) situada debajo de la placa porosa (5) y una salida de gas (12) situada por encima de la placa porosa (5);

- medios agitadores para someter el lecho de polvo (6) a agitación;

caracterizada porque los medios agitadores comprenden medios generadores (7,8) de un campo eléctrico oscilante (9) que atraviesa el lecho de polvo.

7. Una instalación según la reivindicación 6, caracterizada porque dicha entrada de gas está situada en la parte inferior de la cámara y dicha salida de gas, en la parte superior.

8. Una instalación según las reivindicaciones 6 ó 7, caracterizada porque dichos medios generadores (7,8) son susceptibles de generar un campo eléctrico (9) variable en el tiempo.

9. Una instalación según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizada porque dichos medios generadores (7,8) son susceptibles de generar un campo eléctrico (9) no homogéneo en el espacio.

10. Una instalación según una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizada porque dichos medios generadores (7,8) son susceptibles de generar un campo eléctrico (9) que presenta una mayor intensidad en la cercanía de dicha placa porosa (5).