Llevo un par de meses experimentando con el filtrofrutos relleno de beads de granza de polipropileno. El resultado es aparentemente muy bueno pero ha aparecido un fenómeno físico inesperado.
Fue a finales de agosto cuando le estaba enseñando y explicando a mi hijo Tomás el funcionamiento del filtro con beads cuando me dijo: eso es un reactor biológico de lecho fluidificado. Lo hacemos en las prácticas de mi carrera pero al revés, el fluido es ascendente y las partículas sólidas descendentes. Generalmente las ponemos de arena, de carbón activo, de zeolita, de resina intercambiadora de iones….
Al oír eso inmediatamente empecé a hacerle preguntas. ¿estás seguro? ¿qué ventajas tiene? ¿para qué lo usáis? ……. Poco a poco he ido sabiendo más sobre el asunto.
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En ingeniería química se suelen usar los reactores de lecho fluidificado para llevar a cabo de forma óptima reacciones químicas o físicas (de adsorción). La superficie de contacto entre los dos medios es máxima. Siempre se usa un medio sólido en partículas pequeñas para que la superficie total de contacto sea muy grande, y un medio fluido, bien líquido o gas. En la imagen de la derecha se representa el camino que ha seguido una partícula de agua en un sistema de este tipo.
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Por ejemplo se usa arena como medio para filtrar sólidos del agua, hacen ascender agua sucia por un tubo en el que hay arena, van subiendo el caudal hasta que toda la arena queda expandida, en ese momento se realiza el mejor efecto de filtrado quedándose los granitos de arena con las partículas sólidas del agua.
Igualmente se usa el carbón activo para adsorción del ácido acético, el carbón en partículas de 2-4mm se usa para hacer pasar a su través un líquido con partículas adsorbibles como el ácido acético o determinados pigmentos.
Otras veces usan resinas de intercambio iónico para modificar los cationes del agua, por ejemplo su dureza.
He encontrado un trabajo de la Universidad de Bogotá en el que se usa el sistema para secado de granos de café, en este caso el aire caliente asciende en un tubo en el que están los granos de café.
También hay otras aplicaciones industriales para combustión de partículas, puesto que la superficie de contacto con el oxígeno es máxima. La práctica de Ingeniería Química la puedes bajar pinchando aquí.
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El filtrofrutos 07-08 consiste en un tubo de 200mm, 1m de largo, rayado en su parte superior y del que sale un tubo airlift o una bomba de agua de su parte inferior. Así el agua entra por las ranuras superiores, baja atravesando el medio filtrante y sale desde la parte inferior al estanque. Cuando este tubo tiene kaldnes en un 80% de su capacidad, éstos se compactan contra la parte inferior del tubo quedándose con gran cantidad de partículas sólidas. En la superficie queda una fina capa de kaldnes no compactados que suelen moverse por la corriente descendente del agua. Solamente hay que meter la mano para comprobar cómo a unos 20 cm los kaldnes están totalmente compactados. Puedes ver más explicaciones en http://www.elkoi.es/index.php?option=com_content&task=view&id=154&Itemid=30
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Si el tubo del filtrofrutos tiene aproximadamente un 80% de beads el caso es distinto, si está en funcionamiento y metes la mano entre los beads notas que están muy blanditos en todo su volumen, en ningún momento se compactan, parece como si estuvieran ligerísimamente separados unos de otros y el agua está pasando entre ellos. Cuando no está en funcionamiento y no desciende agua por el tubo los beads están compactados en la parte superior y se hace imposible o muy difícil introducir la mano entre ellos.El caudal necesario para que se fluidifique el sistema depende de varios factores: del diámetro del tubo, del tamaño de las partículas sólidas, de la forma, de la densidad de las mismas, de la viscosidad del líquido, etc. Hay varias ecuaciones pero son complejas. La forma mas apropiada de calcularlo es sin duda la práctica, aumentando el caudal poco a poco se detecta muy bien el momento en que el “lecho se rompe”. Las partículas de beads dejan de estar apelmazadas sobre el nivel del agua, bajan de nivel y se separan levemente entre ellas.
Mis filtrofrutos 07-08 tienen 20cm de diámetro y 1m de longitud, en su interior hay aproximadamente 22-25 litros de beads en cada uno. El caudal mínimo necesario para su adecuado funcionamiento es de unos 1000-1200 l/h. Si el caudal es mayor, hasta 3000 l/h aproximadamente, el funcionamiento es bueno. Pero si el caudal es muy elevado se produce una aglomeración de los beads en el fondo, perjudicando, supongo, la filtración biológica y mejorando la mecánica. En el video siguiente he puesto un trozo de tubo sobre la superficie de los beads compactados, cuesta trabajo clavarlo entre ellos. En cambio al bajar agua, romperse el lecho y fluidificarse el sistema el tubo se hunde rápidamente entre los beads. PINCHA AQUÍ PARA VERLO.
La limpieza se realiza sin problemas mediante el pinchofrutos, también con el sistema airlift. Es de destacar que cuando los beads están fluidificados se ensucian muy poco, notablemente menos que si el medio es kaldnes.
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Algunas preguntas referentes al tema pueden ser:
¿Será necesario más caudal si el tubo es más largo?..seguramente no, sólo depende de la velocidad del agua.
¿Funcionará de forma efectiva, en los picos de amoníaco, un reactor de lecho fluidificado con zeolita?...ya lo probaremos, pero con el agua ascendente ya que la densidad de la zeolita es superior a la del agua.
¿Servirá como filtro biológico un reactor similar con arena?....sí, ya se han desarrollado en acuarios. Veo un problema en el tamaño de las partículas.
¿Se podrá fluidificar una cámara más grande con 200 o 300 litros de beads?....supongo que sí, aunque el caudal puede ser muy elevado.
En todos los trabajos estudiados la forma del tubo es redonda ¿será la forma mas apropiada? ¿en otras formas habrá espacios muertos?
¿Se podrá hacer un lecho fluidizado con arena de forma que no se salga la arena? ¿Cuál será el caudal necesario para fluidizar unos 10 litros de arena?
¿Qué influencia tiene la forma de las partículas?...evidentemente la mejor forma es la esférica. La ecuación de Ergun tiene un factor referente a la esfericidad que está dividiendo, esto hace que si no es esférico se reduce efectividad.
¿Qué influencia tiene el tamaño de las partículas?..se puede deducir que siempre se usan partículas cuya relación con el diámetro del tubo es menor de 1:8, o sea, mas de ocho veces mas pequeñas que dicho diámetro. Si son muy grandes supongo que no funciona de la misma manera.
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Otras referencias