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ISSN 2477-9105
Número 29 Vol.1 (2023)
DOI: https://doi.org/10.47187/perf.v1i29.197
¹ Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería Química/ Facultad de Ingeniería y
Ciencias Aplicadas/ Facultad de Ingeniería Química, Quito, Ecuador.
² Invesgador independiente, Quito, Ecuador
* gggordillo@uce.edu.ec
Fluidización es una operación unitaria ampliamente ulizada en la industria farmacéuca, que engloba
el mezclado, secado, granulado y recubrimiento, por la versalidad en el manejo de patrones del ujo
de aire aplicados en granuladores con diferentes platos de distribución. En esta invesgación se diseñó
y construyó platos de distribución de aire, con la nalidad de potenciar el correcto funcionamiento de
los lechos uidizados por modicación de patrones de ujo.
Diseñando varios platos, desde el más simple; el distribuidor axial de oricios hasta el más soscado;
el de torbellino. Para el modelado se empleó un programa de diseño
CAD y para la fabricación una impresora 3D. Al analizar la incidencia del funcionamiento de los platos
en la generación de los patrones de ujo y la relación con parculas de diferente tamaño, forma y
comportamiento de acuerdo a la clasicacion de Geldart.
Los platos que mostraron mejores caracteríscas en las diferentes operaciones fueron los que
presentaron un efecto de ujo combinado entre po axial, radial y rotacional. Vericandose que el
patrón de ujo con mejores caracteríscas es el que causa un efecto rotacional sobre las parculas.
Palabras Clave: Fluidización, Granulador, Placa de distribución de aire, Patrón de ujo.
Fluidizaon is a unit operaon widely used in the pharmaceucal industry, witch encompasses mixing,
drying, granulang and coang, due to the versality in handling air ow paerns applied in granulators
with dierent distribuon plates. In this research air distribuon plates were designed and built, in
order to enhance the correct operaon of uidized beds by modifying ow paerns. Obtaining various
designs of plates, from the simplest; the axial distributor of orices up to the most sophiscated;
the whirlwind. A CAD design program was used for modeling and a 3D printer for manufacturing.
ANÁLISIS DEL PATRÓN DE FLUJO DE UN LECHO FLUIDIZADO
UTILIZANDO DISEÑOS ALTERNATIVOS DE PLATOS DE
DISTRIBUCIÓN DE AIRE
RESUMEN
ABSTRACT
Fluidized bed ow paern analysis using alternave air
distribuon plate designs
Fecha de recepción: 23-03-2022 Fecha de aceptación: 10-04-2022 Fecha de publicación: 24-03-2023
¹ Alejandro Delgado Araujo
¹ Jorge Santamaría Carrera
¹ Humberto González Gavilánez
¹ Gilda Gordillo Vinueza*
² Edison García Narváez
² Rita Delgado Araujo
iD
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http://ceaa.espoch.edu.ec:8080/revista.perfiles/
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Número 29 Vol.1 (2023)
DOI: https://doi.org/10.47187/perf.v1i29.197
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ANÁLISIS DEL PATRÓN DE FLUJO DE UN LECHO FLUIDIZADO UTILIZANDO
DISEÑOS ALTERNATIVOS DE PLATOS DE DISTRIBUCIÓN DE AIRE
Delgado, Gordillo, González, Santamaría, García, Delgado.
When analyzing the incidence of the operaon of the plates in the generaon of ow paerns and the
relaonship with parcles of dierent size, shape and behavior according to Geldart's classicaon,
the plates that showed beer characteriscs in the dierent operaons were those that presented a
combined ow eect between axial, radial and rotaonal type, verifying that the ow paern with
beer characteriscs is the one that causes a rotaonal eect on the parcles.
Keywords: Fluidized Bed, Granulator, Air Distribuon Plate, Flow Paern.
I. INTRODUCCIÓN
La fluidización es un proceso por el cual una
corriente ascendente de fluido (líquido, gas
o ambos) se utiliza para suspender partículas
sólidas con una turbulencia determinada.
Dentro de este fenómeno físico, se enfatiza
que en la fluidización de sólidos empleando un
gas, se observa que las partículas se fluidizan
cuando un gas que fluye hacia arriba presenta
una fuerza de arrastre lo suficientemente
alta como para superar la fuerza de gravedad
descendente. La fuerza de arrastre es una clase
de fuerza de fricción y presión impuesta por
el gas sobre la partícula; la partícula presenta
una fuerza de arrastre igual y opuesta sobre el
gas. Este efecto es mínimo para las partículas
esféricas, pero la influencia de la fuerza de
arrastre es más significativa para las partículas
de forma irregular (1). Además, se puede
vislumbrar que entre las fases sólida y fluido
(gas) aumentan considerablemente las tasas
de transferencia de cantidad de movimiento,
calor y masa, así es que se puede corroborar
que los procesos de mezclado por este método
son casi instantáneos. Por lo tanto, un lecho
fluidizado nos permite conseguir altas tasas
de transferencia al procesar un material y así
obtener un producto terminado con mejores
características, bajo consumo energético,
escalabilidad y menor tiempo de proceso.
La fluidización tiene amplias aplicaciones
industriales, siendo el caso más conocido en
la industria de refinación de petróleo; en el
proceso de craqueo catalítico (2). En las últimas
décadas la fluidización se está aplicando en
otras industrias, tal es el caso de la industria
farmacéutica que aplica estas tecnologías de
granulación de lecho fluidizado (3).
Los granuladores de lecho fluidizado utilizados
en la industria farmacéutica son equipos
constituidos principalmente de un procesador
FBG (Fluidized Bed Granulator) equipado
con una unidad de manejo de aire, una o dos
boquillas atomizadoras de fluido, platos de
distribución de aire y una bomba peristáltica.
Permitiendo realizar un proceso de granulación
de polvos y excipientes que se fijan en un
aglomerado por el efecto de la fluidización con
un gas calentado y que se unen mediante gotas
de substancias ligantes originadas en la boquilla
de atomización de dos fluidos (4), mejorando
las propiedades mecánicas y de transporte de
masa (difusión) del principio activo; ya que
las partículas fabricadas prometen presentar
buena fluidez, compresibilidad y hacen que el
espesor de recubrimiento de los gránulos sea
más homogéneo, acortando substancialmente
los tiempos de producción (5).
Por ende, se recalca la gran importancia de tener
un buen diseño de la cámara de fluidización,
enfatizando en esta investigación que uno de
los componentes más importantes es el plato
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1.1 PROCESO DE GRANULACIÓN
Un granulador de lecho uidizado consta de
una cámara de uidización donde se realiza una
determinada operación. A la cámara se le alimenta
aire que ha sido previamente acondicionado
en lo que se reere a temperatura, humedad,
contenido de impurezas y calidad del aire (8). Este
módulo de acondicionamiento de aire se le llama
AHU por sus siglas en ingles Air Handling Unit.
Adicionalmente, en este módulo se incluyen para
1.2 TIPOS DE PLATOS DE DISTRIBUCIÓN DE AIRE
Existen varios pos de platos que se han
desarrollado en la industria de procesos entre los
que tenemos: el axial perforado, por borboteo
(Wurster), el inclinado y torbellino o rotacional
de distribución de aire con el objetivo de
contribuir al mejoramiento del desempeño del
granulador farmacéutico de lecho fluidizado.
Para su versatilidad se ha adaptado diferentes
diseños de platos de distribución de aire,
evaluándolos mediante los perfiles de flujo
generados.
La viabilidad del uso de los diseños de platos
de fluidización propuestos y desarrollados en
esta investigación tienen un análisis enfocado
principalmente en los patrones de flujo de
aire obtenidos con cada diseño alternativo
de plato de distribución de aire, aplicando
diferentes tipos de partículas en base al criterio
de clasificación de polvos de Geldart, como
también otros factores como son velocidad de
aire, temperatura y presión de operación que
se manejan dentro de la cámara de fluidización
(6). Si bien, el propósito principal de un plato
de distribución de aire es proporcionar una
distribución uniforme del gas en el lecho
fluidizado, un buen funcionamiento implica
también una menor caída de presión posible
con el objetivo de minimizar el consumo de
energía, en el diseño también se debe tener en
cuenta el desgaste de las partículas, la erosión
del recipiente y los componentes internos y las
limitaciones mecánicas; expansión térmica,
hundimiento del lecho durante paradas de
emergencia, entre otras (7).
la eliminación de bacterias y otros patógenos
en aire, ltros HEPA (High Eciency Parculate
Arrestance (9).
A la cámara de uidización se alimenta una
solución ligante para provocar que las parculas
en movimiento se peguen entre sí y formen el
granulado, para la dosicación del ligante se usa
una bomba peristálca (10). En la parte superior
interna de la cámara de uidización se encuentran
un juego de ltros de mangas que impide que
salgan los polvos nos farmacéucos al ambiente;
así como también, en la salida de la cámara de
uidización existe otro sistema de ltración
adicional. Esto se debe a movos de seguridad
ya que los polvos nos farmacéucos enen
una alta probabilidad de producir problemas de
salud, daños ambientales y biológicos, razón por
la cual, deben ser retenidos ulizando este po
de sistema de ltros (11).
La Figura 1 muestra un diagrama de proceso
pico donde se observan todos los componentes
de un granulador farmacéuco. El soplador
insua aire sobre la cámara de uidización, lo
cual hace que trabaje a presión posiva. Sin
embargo, la industria farmacéuca preere a
presión negava debido a que nunca se debe
descargar los principios acvos y excipientes al
cuarto de operación donde se ubica el granulador
y de este modo se minimiza el riesgo químico que
presenta el material parculado al ser inhalado
por los operarios.
Figura 1. P&ID de un granulador farmacéuco de laboratorio
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ANÁLISIS DEL PATRÓN DE FLUJO DE UN LECHO FLUIDIZADO UTILIZANDO
DISEÑOS ALTERNATIVOS DE PLATOS DE DISTRIBUCIÓN DE AIRE
Delgado, Gordillo, González, Santamaría, García, Delgado.
1.3 CONFIGURACIÓN GEOMÉTRICA PARA EL
DISEÑO DE PLATOS DE DISTRIBUCIÓN
El diseño de los platos de distribución de gas,
está en función de su conguración geométrica,
desde el número de oricios, distribución de
oricios y diámetro de los oricios que contenga
un plato, enfocado en el balance adecuado de
estos parámetros para generar un ujo uniforme,
constante y eciente del gas para mantener en
uidización a las parculas en la cámara,
Figura 2. Tipos de platos de distribución de aire: (a) Plato axial:
perforaciones y dirección del ujo, (b) Plato de distribución Wurster
y patrón de ujo, (c) con ángulo de inclinación de 45o, y (d) po
torbellino.
con diferentes diseños (12). Cada uno de
estos pos de plato, dene un patrón de ujo
caracterísco y son medianamente efecvos
de acuerdo con el po de operación y material
a uidizar. Actualmente los fabricantes están
desarrollando platos universales; es decir, que
muestran buen funcionamiento en las diferentes
operaciones.
El plato axial perforado fue el diseño original
cuando se desarrollaron los primeros lechos
uidizados. En este plato, el aire pasa a través de
el en forma transversal. La conguración de las
perforaciones puede ser triangular o rectangular
y raramente se puede ver en forma circular como
se muestra en la Figura 2 (a).
El plato de distribución por borboteo (Wurster)
se uliza principalmente para recubrimiento del
granulo. Presenta un patrón de ujo caracterísco
como se puede ver en la Figura 2 (b). Dentro de
la cámara de uidización se coloca un tubo de
borboteo, donde también se localiza la boquilla
de recubrimiento por el fondo de la cámara. Este
tubo permite tener dos regiones donde se puede
variar el diferencial de presión entre el interior
y exterior del tubo de borboteo. Debido a este
diferencial se ene un transporte de masa cíclico.
Las perforaciones en el plato de distribución son
circulares con oricios de diferentes tamaños
para tener diferentes gradientes de velocidad y
un diferencial de presión que permita el patrón
de ujo deseado.
En los platos radiales con inclinación, al cambiar
el ángulo que se suministra el aire a la cámara
también cambia el patrón de ujo. La alimentación
axial ene el inconveniente que consume más
potencia comparando con los otros pos de
platos de nueva generación, además, es dicil de
controlar. Al jar un ángulo diferente a 90 grados,
por ejemplo, como se muestra en la Figura 2
(c), el ángulo es de 45 grados respecto a un eje
horizontal radial. Esta conguración presenta
un patrón similar al de borboteo (Wurster)
(13), entonces los platos de distribución de gas
se desarrollaron con modicación del ángulo
de soplado de aire, mejorando así la tasa de
recirculación.
Existen una gran variedad de conguraciones de
platos po torbellino como se muestra en la Figura
2 (d). El plato po torbellino o toroidal, ene la
caracterísca de crear movimientos giratorios en
el lecho, es decir un efecto rotacional sobre las
líneas de corriente de aire que se inyectan ya sea
por el ingreso por múlples entradas tangenciales
en la parte inferior del lecho creando remolinos
de aire o ulizando distribuidores de aire po
paletas anulares creando uidización juntamente
con remolinos (14). De esta manera, se asegura
que las parculas que se encuentren en la cámara
tengan un mayor empo de residencia (15) .
(a)
(b)
(c)
(d)
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minimizando las caídas de presión y evitando la
destrucción de las parculas especialmente las
más delicadas en concordancia con la clasicación
de parculas de Geldart (16). Si la caída de presión
en la cámara es demasiado baja, la aerodinámica
del lecho determinará el ujo de gas y el gas se
distribuirá mal. Esto se debe a que el movimiento
de los sólidos y el gas en un lecho uidizado se
compone de remolinos y torbellinos caócos, y
tal movimiento podría crear un camino de menor
resistencia para el gas o uido entrante (17).
El diseño de estos disposivos se desarrolló
considerando los siguientes parámetros: (a)
ángulo que forman las líneas de corriente de
aire en la descarga del plato con respecto a la
horizontal: 0< <90, (b) geometría de las ranuras:
Conguración del proceso Ubicación de la boquilla Tipo de proceso Típica operación
Atomización Wurster
(borboteo) / fondo
En la placa de uidización con la atomización
dirigida hacia arriba en corriente paralela
con el ujo de parculas de baja densidad
carga /
disconnuo
recubrimiento o
granulación
Atomización superior
Arriba de la cámara de uidización con
la atomización dirigida hacia abajo en
contracorriente con el ujo de parculas
carga /
disconnuo granulación
Atomización tangencial
(rotatoria)
Ubicado lateralmente con la atomización
dirigida tangencialmente con el ujo de
parculas de alta densidad
carga /
disconnuo granulación
Atomización tangencial
(estáca)
En el plato de distribución de aire con
atomización dirigida diagonalmente en
corriente paralela con respecto al ujo de
parculas de alta densidad.
carga /
disconnuo granulación
Tabla 1. Diferentes conguraciones cámara de granulación.
radial, circular y cuadricula, (c) números de
ranuras: N, (d) ángulo de soplado de aire: 0<β<90,
y (e) área efecva de ujo o área abierta (18).
1.4 TIPOS DE CÁMARAS DE FLUIDIZACIÓN
La conguración geométrica de la cámara como
también la ubicación de la boquilla de atomización
juegan un papel importante en el rendimiento
de las operaciones del procesador de lecho
uidizado como: mezclado, secado, granulación
y recubrimiento (19). A más del po de plato
en análisis se debe considerar la ubicación de
la boquilla de atomización para las operaciones
de granulación y recubrimiento (20). La Tabla 1
resume los pos de conguración de cámaras de
uidización.
1.5 CARACTERIZACIÓN DE LA PARTÍCULA
En la naturaleza, las parculas rara vez se
presentan homogéneas en su tamaño, forma,
densidad y morfología, por lo tanto, es
necesario trabajar con valores representavos
para garanzar la veracidad de los valores
experimentales. Consecuentemente las parculas
que son ulizadas en estudios de fenómenos
de uidización es recomendable caracterizar
parámetros tales como esfericidad y diámetro de
parcula (21) .
La esfericidad (ϕ) de una parcula, es la medida
geométrica más úl que nos permite caracterizar
la forma de las parculas, determinando cuanto
diere o se aproxima dicha parcula a la forma
esférica y se dene como la relación entre
supercie de la esfera y supercie de la parcula
para el mismo volumen ocupado, como se
expresa en la ecuación (1).
Donde:
Φ, esfericidad
Ssp, supercie de la esfera
Sp, supercie de la parcula
Si el valor de la esfericidad es más cercano a
1, entonces la parcula ende a tener forma
esférica, y aquellas que se alejan más de 1 enden
(1)
21
ANÁLISIS DEL PATRÓN DE FLUJO DE UN LECHO FLUIDIZADO UTILIZANDO
DISEÑOS ALTERNATIVOS DE PLATOS DE DISTRIBUCIÓN DE AIRE
Delgado, Gordillo, González, Santamaría, García, Delgado.
Figura 3. Tipos de lechos uidizados (11).
Figura 4. Vista isométrica de la cámara de uidización
a tener formas más irregulares.
El diámetro o tamaño de parcula es el tamaño
representavo o equivalente que se le puede
denir a una parcula de una forma determinada
y está relacionada con la esfericidad de la misma.
Dependiendo del tamaño de la parcula hay
varias maneras de denir este parámetro (22).
1.6 PATRONES DE FLUJO
El estudio de un ujo bifásico de sólidos en
gases, se caracteriza por el ujo de gases
con sólidos en suspensión. Este po de
ujo es fundamental para muchos procesos
industriales como el transporte neumáco, el
control de la contaminación por parculas, la
combusón de carbón pulverizado, el secado
de productos alimencios, el granallado,
el recubrimiento por arco de plasma y el
mezclado en lecho uidizado (23). Cabe
mencionar que estos pos de sistemas gas-
sólido presentan dos pos de ujos generales
que son los ujo diluidos y densos. Un ujo
diluido es un ujo de parculas de gas
en el que el movimiento de las parculas
está controlado por las fuerzas de arrastre
y elevación de la parcula. En un ujo
denso, el movimiento de las parculas está
controlado principalmente por colisiones
entre parculas.
Otra caracterísca importante de los ujos de
gas-sólido, es la interacción entre fases. Si el
gas afecta al movimiento y a la temperatura de
las parculas, pero las parculas no cambian
la velocidad del gas o los campos de ujo
térmico, entonces el ujo es unidireccional.
Por otro lado, si hay una interacción mutua
entre las fases, el ujo se acopla en dos
sendos (24).
La Figura 3 muestra los diferentes pos de
ujo que se pueden formar, esto depende
tanto de la geometría de la cámara, del
diseño del plato, del comportamiento del
material parculado a procesar así como
también, de las condiciones de proceso.
Cuando el caudal es mínimo, apenas se puede
ver que las parculas comienzan a uidizar;
por otro lado, una cama burbujeante se
produce debido a la presencia de parculas
grandes como son los granos. Sin embargo,
este po de comportamiento de los polvos
se ve principalmente en platos perforados
(axiales), claro que tambien dependen de la
naturaleza del polvo.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Para la producción de diseños alternavos de
platos de distribución de aire propuestos se ulizó
un soware de diseño 3D, jando las dimensiones
y parámetros geométricos, para posteriormente
imprimir el protopo con la ayuda de una
impresora 3D en base de un material polimérico;
ácido poli lácco (PLA). Para la evaluación de los
patrones de ujo se establecieron condiciones
operacionales equivalentes, con el uso de una
cámara de uidización que también fue diseñada
y construida como se puede ver en la Figura 4.
La cámara de uidización se diseñó para acoplar
los platos de distribución de aire de diferentes
diseños; los cuales presentan dimensiones y
22
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Figura 5. Flujograma para el diseño de un plato de distribución
de aire.
geometrías especícas y totalmente denidas,
y estas a ser constantes durante toda la
experimentación, como son: el ángulo de entrada
del cono del tazón de producto, el diámetro interno
del lecho, la altura denida de la cámara y la altura
del lecho estáco. Así como los parámetros de
operación que se manejaron y controlaron como:
velocidad de uidización, humedad relava del
aire de entrada al lecho uidizado el cual fue un
parametro constante. Obteniendo como resultado
principal los diferentes pos de patrones de ujo
producidos con cada po de plato de distribución
de gas en el sistema bifásico de aire en contacto
con parculas sólidas en corriente paralela. Para
observar las líneas de corriente y de forma global
el patrón de ujo que describe cada plato se ulizó
como una herramienta de ingeniería similar en
escencia al tunel de viento. En este caso, en vez
de usar humo, se usó parculas de poliesreno de
diferentes colores, para facilidad en la observación
y descripción del fenómeno, hacia la determinación
de los patroles de ujo y con ello caracterizar cada
plato diseñado.
2.1 DISEÑOS ALTERNATIVOS DE LOS PLATOS DE
DISTRIBUCIÓN DE AIRE
Para denir los parámetros geométricos de
cada plato se basó en patentes americanas e
información técnica de fabricantes de este po
de equipos de procesos (25).
Para los diseños alternavos de los platos
de distribución de aire que se realizaron en
función del ujograma indicado en la Figura 5,
se determinó y caracterizó el po de parculas
a ser estudiadas. Siguiendo con la especicación
de dimensiones y denición de parámetros
geométricos, considerando los siguientes como
preponderantes: ángulo, número de ranuras,
geometría de la ranura.
2.2 DISEÑOS ALTERNATIVOS DE LOS PLATOS DE
DISTRIBUCIÓN DE AIRE
Para evaluar el desempeño de un nuevo diseño
de plato se debe analizar el consumo energéco
expresado como caída de presión, el po de
parcula y la velocidad de ujo, como variables
signicavas para el estudio.
La velocidad mínima de uidización calculada
mediante la ecuación de Ergun resulto 0,84 m/s,
la misma que se aplico a la experimentación, con
cuyos resultados se muestran en la Tabla 2.
En la Figura 4 se muestra el uso del cono, el cual
es para evitar segregación del material, el cono
es un po de difusor, bastante conocido en la
industria aeronáuca para el diseño de turbinas
de avión.
Debido a que las parculas de ajonjolí son de gran
tamaño y revisando la clasicación de Geldart es
de po D, las cuales son de fácil borboteo.
2.3 IMPRESIÓN 3D Y PROTOTIPAJE
El desarrollo de un protopo como el que se
propone en esta invesgación, puede ser un
proceso lento y costoso, pero afortunadamente
existen algunas técnicas que permiten hacer
protopos de alta calidad a un costo menor.
Esta técnica ofrece el uso de la impresión
3D, lo que permite generar partes sicas de
geometría compleja de diferentes caracteríscas
y dimensiones a parr de un modelo digital
Tipo de plato Vmf (m/s)
Tres partes 1,80
Rot-45 1,59
Radial/afuera 1,45
Axial (perforado) 1,45
Tabla 2. Datos experimentales de velocidad mínima de uidización.
23
ANÁLISIS DEL PATRÓN DE FLUJO DE UN LECHO FLUIDIZADO UTILIZANDO
DISEÑOS ALTERNATIVOS DE PLATOS DE DISTRIBUCIÓN DE AIRE
Delgado, Gordillo, González, Santamaría, García, Delgado.
Tabla 3. Condiciones experimentales.
3D, ulizando un soware de modelado 3D,
permiendo de esta manera acceder al uso de
una amplia gama de materiales para impresión
3D, resultando procesos rápidos, de bajo costo y
más ecientes. El material que esta dominando
el mercado es el PLA. Este polímero es de origen
natural, y sus residuos no causan problemas de
salud cuando son incinerados.
2.4 PARÁMETROS EN GRANULADORES DE LECHO
FLUIDIZADO
Como se dijo anteriormente el plato
de distribución de aire es un elemento
importante en el desempeño de un
granulador de lecho uidizado en relación
con los siguientes parámetros de equipo,
formulación y proceso. Por tal razón en este
estudio se los verica detalladamente en
función a lo que se describe a connuación:
• Los parámetros de equipo corresponden
principalmente a la geometría de sus
elementos o su conguración que
incluyen: plato de distribución de aire, po
de boquilla de atomización y conguración
y la unidad de manejo de aire (AHU).
• Los parámetros de formulación
corresponden principalmente a las
caracteríscas o naturaleza de la materia
a tratar: parcula, polvo, ligante y su
solución.
• Los parámetros de procesos corresponden
a las propiedades termodinámicas, de
transporte que se ene que denir o
controlar como son: comportamiento
hidrodinámico, dispersión y tamaño de
gota del ligante, contenido de humedad
del hecho, altura del lecho y presencia de
nos.
2.5 EXPERIMENTACIÓN
Para determinar el patrón de ujo que genera
cada diseño de plato de distribución de aire
propuesto se ulizaron dos pos de parculas
según la clasicación de Geldart que fueron
respecvamente caracterizadas, como se
nombran en la Tabla 3, juntamente con las
condiciones experimentales siendo constantes
en empo de análisis de 10 a 15 minutos. Se
denota que en la cámara de uidización no se
ensambló con boquilla de atomización, sino que
se reemplazó un cono central.
2.5.1 Diseño de Experimentos
Las variables a considerar en el diseño de
experimentos son: caudal de aire (factor
cuantavo), temperatura de entrada de aire
(parámetro), plato usado (factor cualitavo
nominal, 3 valores), patrón de ujo (respuesta
cualitava ordinal): (insuciente, pobre, bueno,
excelente), po de lecho uidizado (según
Figura 3), material a uidizar (2 pos), carga
inicial, las demás variables de formulación y
equipo se manenen constantes (parámetros) y
variables aleatorias no controladas (Ej. humedad
ambiental). Las condiciones experimentales se
encuentran contenidas en la Tabla 3.
2.5.2 Platos Diseñados
Las variables a considerar en el diseño de
experimentos son: caudal de aire (factor
cuantavo), temperatura de entrada de aire
(parámetro), plato usado (factor cualitavo
nominal, 3 valores), patrón de ujo (respuesta
cualitava ordinal): (insuciente, pobre, bueno,
excelente), po de lecho uidizado (según
Figura 3), material a uidizar (2 pos), carga
inicial, las demás variables de formulación y
equipo se manenen constantes (parámetros) y
variables aleatorias no controladas (Ej. humedad
ambiental). Las condiciones experimentales se
encuentran contenidas en la Tabla 3.
Condiciones Valor
Parcula 1 Bolas de poliesreno
Parcula 2 Semillas de ajonjolí
Diámetro interno del lecho, mm 75
Altura de la cámara, mm 750
Presión atmosférica local, bar 0,72
Temperatura de la cámara, oC25
Humedad relava del aire aspirado 28 ± 3%
Velocidad de uidización, m/s 2,15
Mínima velocidad de uidización, m/s 1,45
Altura del lecho estáco, mm 85
Figura 6. Platos diseñados: plato axial, radial para adentro 450
(RPAD) sin cono central, rotacional 450(ROT) con cono central) y
rotacional en 3 niveles.
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Los platos diseñados presentan las siguientes dimensiones de ranura según se indica en la Tabla 4,
siendo dimensiones exibles a escalamiento dependiendo del diámetro interno de la cámara de
uidización ya sea proyectando al aumento o disminución de su escala.
Dimensiones de las ranuras de los platos diseñados
Dimensiones de la ranura Plato axial Plato radial para afuera 450 (RPA) con cono
central
Plato rotacional
450(ROT)
Espesor, mm 0,44 0,44 0,44
Longitud, mm 11,93 11,93 11,93
Área de la ranura, mm25,40 5,40 5,40
Número de ranuras 180,00 1200,00 1200,00
Área total de la ranura, mm2972,18 6481,20 6481,20
Diámetro del disco, mm 152,13 152,13 152,13
Área del disco, mm218176,89 18176,89 18176,89
Fracción de área hueca 0,05 0,36 0,36
Porcentaje de área hueca 5,35 35,66 35,66
Tabla 4. Geometría de los platos diseñados.
Figura 7. Rendimiento de los platos
2.5.3 Caracterización de la materia prima
Para la caracterización de los tres pos de parculas (semillas de ajonjolí, bolas de colores de
poliesreno y arena) ulizadas en la experimentación, se determinaron las condiciones ambientales
promedio (542 mmHg y 18 ºC)
Para las semillas de ajonjolí se caracterizaron aproximándolas a la forma de ovoide, bolas de poliesreno
como esféricas y arena de forma elipsoide, determinando para cada una de las parculas el tamaño,
esfericidad, diámetro de parcula equivalente, densidad real y densidad aparente, como se observa
en la Tabla 5.
2.5.4 Evaluación del Rendimiento de los Platos
Se evaluó el rendimiento de los platos diseñados
a través de la medición de la caída de presión
ulizando un manómetro diferencial variando el
caudal del ujo de aire obteniéndose la Figura
7. Cuyas caídas de presión fueron corroboradas
mediante la aplicación de la ecuación de Ergun.
Semillas de ajonjolí Bolas de poliesreno Arena (Arenisca)
Tipo de parcula Ovoide Esférica Elipsoide
Longitud, mm 2,8 8 0,15-0,3
Ancho, mm 1,69 8 0,15-0,3
Profundidad, mm 0,82 8 0,15-0,3
Diámetro geométrico promedio, mm 1,56 8 0,15-0,3
Densidad real, kg/m31224 1050 2659
Densidad aparente, kg/m3580 40 1100
Esfericidad 0,56 0,93 0,86
Tabla 5. Propiedades de las parculas ulizadas en la experimentación.
25
ANÁLISIS DEL PATRÓN DE FLUJO DE UN LECHO FLUIDIZADO UTILIZANDO
DISEÑOS ALTERNATIVOS DE PLATOS DE DISTRIBUCIÓN DE AIRE
Delgado, Gordillo, González, Santamaría, García, Delgado.
Al comparar la operación de uidización en el
granulador de lecho uidizado bajo condiciones
de operación especícas como se indica en la Tabla
3, los diferentes pos de platos de uidización de
gas diseñados conjuntamente con los tres pos
de parculas propuestas, se determinó que en los
patrones de ujo generados no existen cambios
signicavos, pues al ulizar semillas de ajonjolí,
bolas de poliesreno y arena, los patrones
observados fueron semejantes, pero con la
parcularidad que los patrones de ujo aunque
fueron los mismos estos se producen a diferentes
alturas dentro de la cámara de uidización.
La mejora del diseño de los platos se presenta
en el análisis de variación en el vector del ujo
de aire al observar mejores propiedades de
transporte en el procesamiento de los gránulos,
evidenciada por la altura alcanzada por el lecho.
En base al concepto de equilibrio de fuerzas
reejada indirectamente mediante la valoración
de densidades de las parculas, pues a bajas
densidades la altura de formación de los patrones
de ujo resulto ser más alta, es decir la altura de
formación del patrón de ujo es inversamente
proporcional a la densidad de la parcula
estudiada.
Esto se debe que se genera un mayor arrastre
de las parculas hacia la parte superior de la
cámara de uidización al exisr una rotación
sobre las parculas haciendo que se produzca un
desplazamiento de las parculas, sobresaliendo
las parculas de poliesreno, seguidas de las
Experimentalmente y mediante observación
se determinó que el patrón de ujo es similar
en cada material independientemente de las
caracteríscas individualizadas de las parculas,
resultando una ventaja para el procesamiento
y escalamiento del proceso, dependiente
únicamente del po de plato (13).
El patrón de comparación establecido para el
análisis fue el generado por el plato axial ya que
este resulta en un diseño estándar y base para el
desarrollo de los demás diseños. Sin embargo,
conforme se ha desarrollado la tecnología han
aparecido platos mucho más ecientes. Los platos
RPA y ROT muestran las siguientes diferencias
comparados con el plato patrón, como se detalla
en la Tabla 6.
Figura 8. Patrón de ujo rotacional 450(ROT) con diferentes
parculas
III. RESULTADOS semillas de ajonjolí y nalmente la arena, siempre
evitando que exista un transporte neumáco,
como se observa en la Figura 8.
Temp, oC25
Caudal, m3/h 75
Material Tipo de plato Patrón del ujo observado Descripción
Semillas de ajonjolí
Axial Burbujeo
(Lecho burbujeante)
Genera movimientos inestables del
uido, paralelos a la pared de la cá-
mara de uidización.
Radial para afuera
45o (RPA)
Volteo
(Lecho en ebullición)
Estable, genera movimiento en di-
rección tangencial, semejante a una
fuente con distribución hacia el ex-
terior
Rotacional 45o
(ROT)
Torbellino
(Lecho salpicado)
Estable, con alta velocidad angular
generando un ujo más homogéneo.
Bolas de
poliesreno Axial Elutriación
(Lecho burbujeante y acanalado)
Corrientes paralelas inestables a la
pared de la cámara de burbujeo. Pre-
senta burbujas de gran tamaño 1/3
parte de la cámara de uidización.
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ISSN 2477-9105
Número 29 Vol.1 (2023)
DOI: https://doi.org/10.47187/perf.v1i29.197
Tabla 6. Descripción de los patrones de ujo observados.
Bolas de
poliesreno
Radial para afuera
45o (RPA)
Volteo
(Lecho en ebullición)
Seudoestable, parculas más ligeras,
dejando espacios entre el ujo de
parculas, con grandes burbujas de
aire entre estas.
Rotacional 45o
(ROT)
Torbellino
(Lecho salpicado)
Estable, permite control de la cáma-
ra de expansión, a pesar de que el
patrón de ujo se genera a 1/3 de la
altura del lecho.
Arena (arenisca)
Axial
Burbujeo
(Lecho burbujeante)
Distribución del ujo heterogéneo,
seudoestable, paralelo a las paredes
de la cámara de uidización.
Radial para afuera
45o (RPA)
Volteo
(Lecho en ebullición)
Estable, presenta movimientos de las
parculas en dirección tangencial, a
manera de una fuente con distribu-
ción hacia el exterior
Rotacional 45o
(ROT)
Torbellino
(Lecho salpicado)
Flujo de la parcula estable y homo-
génea a lo largo de toda la cámara de
uidización, no presenta la forma-
ción de burbujas de aire.
Temp, oC25
Caudal, m3/h 75
Material Tipo de plato Patrón del ujo observado Descripción
En el análisis de los patrones de ujo producidos
por los diferentes diseños de platos fabricados,
sobre las diversas parculas sólidas destaca lo
siguiente:
• El patrón de ujo de lecho burbujeante,
caracterizado por la presencia de burbujeo,
se desarrolló al ulizar el plato de po axial,
cuando se manejó las parculas de semillas
de ajonjolí y arena observándose un ujo
de sólidos con presencia de gas que forman
burbujas de tamaño pequeño pero inestables.
• El patrón de ujo de lecho en ebullición con
una forma de po volteo, caracterizado por
representar un movimiento de las parculas
que se asemeja a un movimiento dentro de
un tambor giratorio con una capa supercial
irregular y con un ángulo de inclinación de 30º
al formar una turbulencia homogénea.
• El patrón de ujo a manera de lecho de borboteo
y en forma de torbellino, se caracterizó por
manejar ujos más homogéneos con alta
estabilidad, pues se observó que las burbujas
formadas por el gas ayudan al control y
movimiento de las diferentes parculas a
lo largo de toda la cámara de uidización
evitando la aglomeración entre ellas.
• El patrón de ujo del po lecho burbujeante
y acanalado tendió a producir elutriación
(choque de parculas y rompimiento),
únicamente cuando se ulizó las parculas
con baja densidad como son las bolas de
poliesreno, pues se obtuvo un movimiento
heterogéneo, presentando alta separación
entre ellas hasta alcanzar un perl inicial para
el desarrollo del transporte neumáco de
parculas.
Los resultados obtenidos se resumen en la
Tabla 6, producto de haber realizado un análisis
cualitavo basado en la observación focalizada
de video-grabaciones que fueron reproducidas
y analizadas en detalle que permió el correcto
análisis sector por sector de la cámara de
uidización, proporcionando mejor información
27
ANÁLISIS DEL PATRÓN DE FLUJO DE UN LECHO FLUIDIZADO UTILIZANDO
DISEÑOS ALTERNATIVOS DE PLATOS DE DISTRIBUCIÓN DE AIRE
Delgado, Gordillo, González, Santamaría, García, Delgado.
El soware de modelamiento 3D (AutoCAD)
ulizado, permió diseñar los diferentes
protopos de platos de distribución de aire
propuestos para el análisis de patrones de ujo a
ser ulizados en granuladores de lecho uidizado
para la industria farmacéuca, los mismos que
posteriormente y con la ayuda de una impresora
3D en base de un material polimérico, se lograron
obtener de manera sica, resultando una buena
alternava para la evaluación dado que acortó el
del movimiento de las parculas; semillas de
ajonjolí, bolas de poliesreno y arena como se
puede ver en la Figura 6. Los experimentos se
realizaron por duplicado y triplicado para su
vericación. El escoger diferentes parculas
con diferente tamaño nos permite entender la
mecánica que produce el aire sobre las parculas.
Se vericó los patrones de ujo al comparar con la
información bibliográca de platos comerciales.
La industria ha desarrollado nuevos diseños de
platos, los cuales han sido declarados en patente
(25). Por otro lado, las invesgaciones realizadas
hasta la fecha se enfocan principalmente en el
estudio del fenómeno sin considerar parámetros
mecánicos o geométricos, por lo cual en este
estudio se enfocó en el desarrollo y diseño de
platos de distribución de aire, para evaluar el
po de plato hacia el desarrollo de los patrones
de ujo que indirectamente dan a conocer el
fenómeno de transporte de masa y energía,
dependientemente en las operaciones que se
enfoque como por ejemplo mezcla, secado, entre
otras.
En este estudio se ulizó un lecho uidizado
estándar, donde se logró acoplar los pos de
platos diseñados y construidos, con la nalidad
de jar una versalidad en la operación para
evaluar los patrones de ujo, manteniendo
contantes las dimensiones del equipo variando
únicamente el po de plato de distribución de
aire y consecuentemente evaluar la calidad de
ujo según cada plato empleado.
En la presente invesgación los patrones de ujo
resultantes se vericaron mediante determinación
visual cualitava en sendo al movimiento del
uido en cuesón, pero para la comprobación
y validación del método visual cualitavo, es
indispensable realizar un análisis más exhausvo
mediante el empleo de mejores tecnologías e
instrumentación como por ejemplo la aplicación
de velocimetría por imagen, cuya tecnología
permiría validar al 100 % los patrones de ujo
y consecuentemente la calidad de los platos de
distribución, cuyas tecnologías son aplicables
principalmente cuando se pretenden sistemas de
uidización con equipos a gran escala.
Consecuentemente, el presente estudio de los
platos de distribución se considera totalmente
IV. DISCUSIÓN
valido pues el análisis se realizó a pequeña escala o
escala de laboratorio con factores dimensionales
estandarizados y con criterios de diseño jos
y juscados como se indica en el apartado de
metodología y experimentación.
El análisis para el mejoramiento en el rendimiento
de un plato de distribución está sujeto a una
función mulvariable, considerándose un
proceso complejo, el mismo que debe analizarse
en cada etapa de aplicación, desde la etapa de
invesgación en laboratorio hasta las diferentes
etapas de escalado. Considerando una de las
variables principales para dicho análisis la caída
de presión como punto de parda para el estudio
de más variables objevas como la velocidad
mínima de uidización las mismas que permitan
denir adecuadamente los diferentes platos de
distribución al momento de ser aplicados en
equipos de uidización a pequeña, mediana y
gran escala. Notando que los datos entregados
en esta invesgación resultan reproducibles y
aplicables principalmente a pequeña escala.
A pesar de que en el presente estudio no se
realizó un referente de escalamiento, se ene
el material inicial necesario para la proyección
de comportamientos de patrones de ujo a
mayor escala o escala producva, logrando con
ello posteriormente idencar la inuencia de
los patrones de ujo de distribución con en la
calidad del producto, además de la relación de
energía consumida en un proceso. Por lo cual,
posteriormente se ha planicado la construcción
de los platos de distribución en acero inoxidable
para ser aplicado en granuladores de lecho
uidizado soscados, como aquellos que se
ulizan en la industria farmacéuca, realizando
análisis mediante el soware de simulación de
dinámica de uidos o por sus siglas en inglés
(CFD).
V. CONCLUSIONES
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ISSN 2477-9105
Número 29 Vol.1 (2023)
DOI: https://doi.org/10.47187/perf.v1i29.197
VI. AGRADECIMIENTOS
VII. REFERENCIAS
empo de fabricación de los platos, obteniéndose
protopos más exactos, principalmente en sus
dimensiones y geometría, además de tener
costos de producción menores al comparar con
métodos de fabricación convencionales.
Para la evaluación y correcto análisis de los
patrones de ujo, se manejaron condiciones
operacionales equivalentes como se presentan
en la Tabla 3, para alcanzar este comedo
adicionalmente se diseñó una cámara de
uidización que garanzó la replicabilidad de
los experimentos y disminuyó los errores de
operación al tener un error máximo del 3,2
% concebido principalmente por el control de
velocidad de ujo de gas y temperatura.
Al observar y analizar la incidencia del
funcionamiento de los platos de distribución de
aire diseñados, en la generación de los patrones
de ujo y la relación con parculas de diferente
tamaño, forma y comportamiento según la
clasicación de polvos Geldart, los platos
que mostraron mejores caracteríscas en las
diferentes operaciones presentaron un efecto
combinado de po axial, radial y rotacional,
encontrándose el patrón de ujo mejorado en
los platos que causan un efecto rotacional sobre
las parculas a procesar, concordando con la
tecnología de punta que se aplican en equipos
comerciales.
Los protopos de platos diseñados y ulizados en
esta invesgación, aunque fueron fabricados en
base de PLA, ofrecieron resultados prometedores
a ser aplicables en granuladores de uidización,
pues presentaron gran versalidad al manejo
de diferentes pos de parculas en un rango de
densidades como se describen en la Tabla 6, al no
presentar grandes cambios al po de patrón de
ujo generado.
El uso de PLA como material para la fabricación de
los platos de distribución de ujo de aire presentó
gran facilidad para obtener diseños precisos, pues
se notó que las ranuras que exigían los modelos
propuestos en este estudio fueron exactamente
construidas a pesar de ser menores a 1 mm y
tener ángulos menores a 90º, a diferencia si se
hubiese ulizado acero inoxidable 316 que exige
el uso de técnica y tecnologías más costosas y
con empo de producción más largos. A pesar
de que el acero inoxidable 316 es el material
de fabricación denivo de un granulador
farmacéuco, los platos fabricados en PLA son
aceptables pues cumplieron con el objevo de
esta invesgación.
Con respecto a los pos de platos de distribución
de ujo, se observó que dependiendo del diseño
se puede tener diferentes expansiones en la
cámara de uidización, pues al evaluar con las
mismas condiciones de operación y con un po
de parcula, se generan diferentes alturas de
uidización en el interior de la cámara. Así, se
determinó que al ulizar el plato rotacional
se logró controlar fácilmente la expansión del
lecho, en comparación con el plato axial que
se observaba la tendencia de llegar a generar
el fenómeno de transporte neumáco de las
parculas, especícamente en aquellas que
presentan densidades más bajas como el caso de
las bolas de poliesreno.
Los autores agradecen a la Universidad Central
del Ecuador por el apoyo nanciero para llevar a
cabo esta invesgación a través de los proyectos
“Semilla”.
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ANÁLISIS DEL PATRÓN DE FLUJO DE UN LECHO FLUIDIZADO UTILIZANDO
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