FLUIDIZZAZIONE
FLUIDIZZAZIONE
. Il termine fluidizzazione è usato per descrivere i processi di contatto solido-fluido, in cui un insieme compatto di particelle solide finemente suddivise (letto granulare), è espanso e agitato per mezzo di una corrente fluida in moto ascendente; in queste condizioni il sistema si comporta come un fluido di elevata viscosità e l'operazione ha caratteristiche intermedie tra il moto dei solidi attraverso fluidi e il moto dei fluidi attraverso solidi.
Quando un fluido attraversa uno strato di solidi granulari con un moto dal basso verso l'alto, incontra una resistenza d'attrito nel passaggio fra gli interstizî tra le particelle, tanto più grande quanto maggiore è la velocità del fluido. Qualora la perdita di carico uguagli in valore il peso dello strato, questo comincerà ad espandersi sotto la spinta del fluido in moto ascensionale: in tali condizioni si ha l'inizio della fluidizzazione.
Si possono considerare due tipi di tale processo, che generalmente si verificano quando il fluido è un liquido oppure un gas: quello a fase dispersa e quello aggregante.
Fluidizzazione a fase solida dispersa. - In questo caso il moto delle particelle all'inizio della f. avviene in misura limitata. Mano a mano che la velocità del fluido e quindi la caduta di pressione aumenta, lo strato granulare si espande: l'oscillazione di ciascuna particella ed il cammino libero medio tra gli urti reciproci aumentano con la porosità dello strato; l'espansione del letto continua, fino a che ogni particella si comporta come un corpo a sé, non impedita cioè dall'azione di quelle vicine.
L'andamento tipico della variazione delle perdite di carico in funzione della velocità del fluido è dato dalla curva di fig. 1; nel diagramma, riportato in scala logaritmica, il tratto rettilineo AB rappresenta il periodo di funzionamento nel quale non si ha movimento dei granuli; nel punto B lo strato tende a diventare instabile, finché in C (punto di f.) esso comincia ad espandersi; in D si ha che tutte le particelle sono in movimento ed il letto cessa di esistere come tale. L'ulteriore aumento della velocità del fluido non porta ad incrementi notevoli della perdita di carico.
L'espansione dello strato durante la f. può essere rappresentato dall'andamento della porosità X (rapporto tra il volume dei vuoti e il volume totale del letto) in funzione delle caratteristiche del moto, raggruppate nel numero di Reynolds modificato (Dpvρ/μ), dove Dp è il diametro medio delle particelle, v, ρ, μ sono rispettivamente la velocità, la densità e la viscosità del fluido, come indicato (in scala logaritmica) in fig. 2; si nota che nel punto D la porosità assume il valore unitario. Le curve tratteggiate mostrano relazioni analoghe per uno strato di porosità iniziale più elevata.
Fluidizzazione aggregante. - Mentre nella f. a fase solida dispersa l'inizio del processo avviene con un leggero moto di oscillazione delle particelle costituenti lo strato, nella f. aggregante il fluido comincia letteralmente a ribollire attraverso il letto granulare in maniera identica a quanto si verifica facendo gorgogliare un gas in un liquido. Al crescere della velocità del fluido, l'azione di ribollimento diviene via via più violenta; le particelle di solido vengono spinte a notevole distanza al di sopra dello strato. L'andamento della caduta di pressione in funzione delle velocità è simile a quello visto nel caso prima esaminato.
Il valore della perdita di carico al punto di f. si ricava dall'equilibrio delle forze che agiscono sulle particelle e cioè:
dove si è indicato con ρs la densità dei solidi, con L l'altezza del letto alla porosità X e con A la superficie trasversale. La relazione che si ottiene:
risulta indipendente dalla velocità del fluido, come confermato da dati sperimentali (cfr. fig. 1), e dalla porosità, in quanto un incremento di X conduce ad un aumento di L. È da notare però che la [1] risulta verificata per moderate portate di fluido; quando il moto delle particelle diviene troppo turbolento, la perdita di carico effettiva tende a superare il valore teorico.
Applicazioni della fluidizzazione.- Nonostante gli interessanti aspetti della f., l'esperienza acquisita indica che una sostituzione dei letti fissi con quelli fluidizzati non si presenta sempre possibile o economicamente conveniente, in quanto questa operazione, oltre a numerosi vantaggi, presenta anche molti inconvenienti.
Tra i primi ricordiamo: l'uniforme distribuzione delle temperature determinata dall'intensa agitazione, che conduce ad un'operazione isoterma, anche in apparecchiature di notevole diametro; la continuità del processo con elevate portate di solido; la maggiore superficie di contatto fluido-solido e quindi più grandi valori delle velocità di trasferímento di materia e di calore; un più elevato coefficiente di scambio termico, dovuto al moto delle particelle; l'eliminazione delle spese di agglomerazione preventiva, ecc.
Tra i secondi facciamo notare: il moto equicorrente fra solido e fluido, che ha un effetto sfavorevole sui gradienti che determinano le velocità di scambio: per avvicinarsi alla controcorrente sono necessarie apparecchiature a più stadî; il mescolamento longitudinale, per i bassi rapporti altezza-diametro, con conseguente contatto inefficiente; l'attrito fra le particelle, che provoca una riduzione nelle dimensioni dei granuli stessi e quindi una perdita delle parti finissime; la restrizione di operare con una data velocità del fluido, fissata dalle caratteristiche dei solidi; l'impossibilità di effettuare processi solido-gas che conducono alla formazione di composti liquidi, ecc.
Le operazioni condotte con materiale solido fluidizzato si possono dividere in due classi: processi chimici (reazioni chimiche e catalisi) e processi fisici o meccanici.
Le prime comprendono le maggiori applicazioni della f.; non sorprende quindi la diversità delle unità di contatto e dei sistemi che sono stati proposti per questi scopi. Per il cracking catalitico a letto fluido, i processi di reforming, la sintesi Fischer-Tropsch, come pure per l'applicazione alla gassificazione (gasogeno Winkler), rimandiamo alle voci corrispondenti. In questa sede vogliamo citare le applicazioni meno note, quali l'ossidazione della naftalina ad anidride ftalica, quella dell'etilene ad ossido, la calcinazione dei calcari (fig. 3) in cui si realizza un processo che tende alla controcorrente: il moto di trasporto è simile al flusso di un liquido in una colonna di distillazione ed è più ordinato che in un singolo letto. Un altro interessante impiego di un reattore a due stadî è quello per la produzione di carbone attivo (fig. 4).
Circa i processi fisici o meccanici, la più importante applicazione fisica dei letti fluidizzati riguarda le operazioni di trasferimento di calore tra correnti gassose: lo schema, rappresentato in fig. 5, risulta molto simile alle primitive unità di cracking. La f. può essere inoltre impiegata vantaggiosamente per i processi di essiccamento dei gas per adsorbimento o per disidratazione dei solidi per contatto con gas di combustione; per ambedue i processi non sono state proposte particolari apparecchiature. Non è da dimenticare infine la sua applicazione nel trasporto dei materiali solidi a mezzo di fluidi.
Bibl.: D. F. Othmer, Fluidization, New York 1956; H. W. Cremer e T. Davies, Chemical engineering practice, VI, Londra 1958, pp. 141-217; Max Leva, Fluidization, New York 1958.