Quando si fa passare del gas verso l'alto attraverso un letto di particelle solide, oltre una certa velocità la forza di resistenza bilancia il peso delle particelle e il letto fluidizza: il solido comincia a comportarsi come un liquido.
La velocità di soglia (velocità di minima fluidizzazione) si trova eguagliando la perdita di carico del letto al peso delle particelle; la correlazione di Ergun è la fonte classica per quella perdita di carico [1].
Le bolle: insieme la soluzione e il problema
Oltre la velocità di minima fluidizzazione il gas in eccesso attraversa il letto sotto forma di bolle.
Il beneficio: le bolle che salgono mescolano i solidi. È per questo che i letti fluidizzati danno un'ottima distribuzione del calore e lavorano quasi isotermi.
Il danno: il gas dentro una bolla attraversa il letto quasi senza contatto con i solidi — una via di bypass. L'efficienza di reazione o di scambio termico può quindi risultare inferiore alle attese.
Il progetto si occupa di controllare la dimensione delle bolle: troppo piccole e il mescolamento è debole, troppo grandi e il bypass è eccessivo.
Altri regimi
Al crescere della velocità il letto passa per la canalizzazione, lo slugging e infine il trasporto pneumatico. Ogni regime ha un approccio di modellazione diverso; scegliere un modello senza sapere in quale regime ci si trova non ha senso.
Modellazione
Poiché la frazione volumetrica dei solidi è alta, seguire le particelle una per una non è praticabile; le due fasi vanno risolte come continui compenetranti. Vedi la nota sul flusso multifase.
Il risultato dipende fortemente dalla resistenza interfase e dalle chiusure per le collisioni fra particelle. È una voce di incertezza e va riportata.
Il problema è inoltre intrinsecamente transitorio: le bolle si formano, coalescono e scoppiano. Una soluzione stazionaria non può vedere affatto le bolle e mostra il letto come omogeneo. Vedi la nota su stazionario o transitorio.
Riferimenti
- Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.
- Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806