Reactor de lecho fluidizado solarizados

[Autor: Lucía Arribas-Instituto IMDEA Energía]

Existen múltiples tipos de reactores, también en aplicaciones de termoquímica solar como, por ejemplo, reactores de lecho fijo, fluidizado, arrastrado o reactores rotativos, entre otros.

Un lecho fluidizado se basa en el paso de un fluido (líquido o gas) a través de un sólido provocando su movimiento, pero sin llegar a arrastrarlo. Es decir, se alcanza el régimen de fluidización cuando el sólido se mueve como si fuese un fluido y se mantiene en el lecho. Esto se consigue gracias a que la fuerza de empuje que ejerce el fluido sobre cada una de las partículas, vence el peso de las mismas. Por lo tanto, las propiedades del fluido y del sólido, además de la geometría del reactor, van a determinar las condiciones de fluidización. Para un determinado sistema fluido-solido en un reactor, según se aumenta la velocidad del fluido, la pérdida de carga del lecho también aumenta, pero cuando se alcanza la fluidización (punto de mínima fluidización) la pérdida de carga del lecho se mantiene constante con el aumento de la velocidad del fluido, y las partículas sólidas se encuentran en régimen fluidizado, adquiriendo propiedades propias de un fluido. Esto sucede hasta que la velocidad es tan alta que el fluido arrastra al sólido, produciendo un transporte neumático. En este momento la pérdida de carga del lecho comienza a disminuir al aumentar el caudal (figura 1). Cuando el fluido es un gas, en la mayoría de los casos la fluidización es burbujeante, es decir, el sólido se mueve como el agua en ebullición.

Figura 1. Sistemas fluido-sólido para distintas velocidades del gas (izquierda), y pérdida de carga frente a velocidad del gas (derecha)

Las principales ventajas que ofrece el uso de un lecho fluidizado radican en el buen contacto sólido-fluido, favoreciendo la transferencia de masa y calor entre ambos. Por ejemplo, en el caso de la combustión el uso de un lecho fluidizado produce mayor eficiencia de combustión y mayor ratio de transferencia de calor, menor temperatura de combustión y menores emisiones de NOx, que el uso de un lecho fijo.

Existen numerosas aplicaciones industriales en las que se usan reactores de lecho fluidizado, como el cracking catalítico fluido (FCC), combustión, pirolisis y gasificación, y producción y procesado de químicos, como la captura de CO2.

Considerando sus ventajas y múltiples aplicaciones en las que se encuentran desarrollados, no está de más pensar en que podrían emplearse en aplicaciones con energía solar concentrada. Ya existen estudios con reactores fluidizados, directa o indirectamente irradiados, en aplicaciones termosolares como la captura de CO2, el almacenamiento termoquímico o la producción de combustibles solares a través de ciclos termoquímicos.

En esta línea, el Instituto IMDEA Energía está trabajando en el estudio y desarrollo de un lecho fluidizado indirectamente irradiado dentro del marco del proyecto nacional ARROPAR-CEX siglas de Análisis multidisciplinar en torno a conceptos de Receptores/ReactOres de PARtículas de calentamiento indirecto para aplicaciones solares en Condiciones Extremas. Los ensayos preliminares se han realizado en un reactor prestado por el CIEMAT que trabaja en condiciones de irradiación directa (figura 2).

Figura 2. Reactor fluidizado directamente irradiado durante un ensayo en un simulador solar de alto flujo de 7 kW

A partir de los resultados obtenidos y los estudios de fluidización en frío en un tubo de PVC, se va a diseñar un reactor/receptor de partículas de 10 kW térmicos que sea capaz de trabajar en régimen de lecho fijo, fluidizado o arrastrado, a temperaturas superiores a 1300 ºC, utilizando la radiación concentrada del simulador solar de alto flujo Kiran-42 instalado en IMDEA Energía como única fuente energética. Con este dispositivo, se llevarán a cabo ensayos de almacenamiento termoquímico y producción de hidrógeno a partir de ciclos termoquímicos con óxidos metálicos como la ceria o el óxido de manganeso.

Más información:

  1. Sobre el proyecto ARROPAR-CEX: http://www.energia.imdea.org/investigacion/proyectos/arropar-cex

  2. Yang, W.-C. Handbook of fluidization and fluid-particles systems; Siemens Westinghouse Power Corporation: Pittsburgh, Pennsylvania, U.S.A, 2003.

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