fluidizzazione

fig

Particolare comportamento di uno strato di solido granulare attraversato da una corrente fluida ascendente. Viene usata nell’industria in taluni processi chimici e fisici. Per l’analisi del fenomeno è conveniente fare riferimento a un cilindro contenente uno strato ( letto) di materiale solido finemente suddiviso sostenuto da una piastra porosa atta a distribuire, il più omogeneamente possibile, un fluido (liquido o gas) ascendente. La fig. riporta l’andamento della caduta di pressione Δp del fluido nel passaggio attraverso il letto in funzione della velocità v (intesa, quest’ultima, come rapporto tra la portata volumetrica e l’area della sezione della colonna), entrambe in scala logaritmica. Nel tratto OA la perdita di carico aumenta con regolarità al crescere della velocità, mentre le particelle solide rimangono immobili, a stretto contatto l’una con l’altra: è questo il comportamento caratteristico dei letti statici o fissi. In corrispondenza del punto A la perdita di carico diviene:

dove L₀ ed ε₀ sono rispettivamente l’altezza e la porosità del letto, γ_s e γ_f i pesi specifici rispettivamente del solido e del fluido. Fra i punti A e B si ha una zona di transizione: le particelle, pur essendo ormai sostenute dalla corrente fluida e quindi non più soggette al peso proprio, non abbandonano ancora la posizione originale. In corrispondenza del punto B si ha lo stato di f. incipiente, caratterizzato da una velocità del fluido, v_mf, detta velocità minima di f., tale che per velocità maggiori le particelle solide incominciano a muoversi. Il letto si espande e a ogni velocità superiore a v_mf si può far corrispondere un certo grado di espansione del letto, caratterizzato dal valore assunto dal rapporto (L−L₀)/L, dove L è l’altezza effettiva del letto ed L₀ l’altezza in condizioni statiche; nel tratto BC la perdita di carico resta costante e si parla allora di letto fluidizzato, in quanto le particelle, pur non abbandonando il letto stesso, possono liberamente muoversi secondo le direzioni di flusso indicate, nella fig., dalle frecce nere.

Quando il letto fluidizzato è omogeneo in ogni sua parte, la f. è del tipo detto a particelle (o f. a fase solida dispersa); quando, invece, la f. non è omogenea e il fluido attraversa il letto sotto forma di grosse bolle che si rompono in corrispondenza della superficie superiore del letto espanso, si ha la cosiddetta f. in forma aggregata (o f. a fase solida aggregante). La f. a particelle ha luogo quando le particelle solide sono piccole e le densità delle due fasi non sono molto differenti fra loro; l’altro tipo di f. ha luogo, invece, quando le particelle sono relativamente grosse o quando le densità del fluido e del solido sono molto differenti. Per velocità superiori a quella corrispondente al punto C (v_Mf, velocità massima di f.), per effetto della corrente fluida inizia il trasporto delle particelle solide, che così abbandonano il contenitore originario. In numerosi processi in cui vengono a contatto un solido e un fluido, si adottano i letti fluidizzati al posto dei tradizionali letti fissi, in quanto assicurano i seguenti vantaggi: una più uniforme distribuzione delle temperature; una maggiore facilità ad aggiungere o sottrarre materiale solido (e ciò assume grande importanza nelle operazioni continue); un aumento nel trasporto di materia e di energia termica fra le due fasi. Svantaggi del letto fluidizzato rispetto al letto statico sono essenzialmente la possibilità di miscelazione in senso longitudinale con diminuzione del salto motore totale e fenomeni di erosione (sia per le apparecchiature sia per il materiale solido costituente il letto). Numerosi processi chimici industriali si compiono correntemente in reattori a letto fluidizzato. In alcuni casi la fase solida costituisce il catalizzatore della reazione, come nei ben noti processi di cracking degli idrocarburi, in cui, tra l’altro, essa funge anche da volano termico tra i periodi alternati di reazione ordinaria e di rigenerazione. In altri casi il solido partecipa invece direttamente come reagente; esempi di questo tipo si hanno in numerosissime reazioni, soprattutto inorganiche e metallurgiche, come l’arrostimento dei minerali di zolfo, rame, zinco, cobalto, la calcinazione del calcare, della dolomite, delle fosforiti, la gassificazione di combustibili solidi. La f. è industrialmente usata per numerosi processi fisici riguardanti lo scambio termico, l’essiccamento, l’adsorbimento, lo scambio ionico.