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El granulador industrial estudiado en esta Tesis está conformado por seis cámaras de sección rectangular dispuestas en serie: tres de crecimiento y tres de enfriamiento. El área transversal es diferente para cada cámara. Todas las cámaras son lechos fluidizados. Semillas (partículas de urea de pequeño tamaño, material fuera de especificación) provenientes del reciclo del circuito de granulación ingresan continuamente a la primera cámara de crecimiento y se trasladan a través de las cámaras hasta ser descargadas (ver Figura 2.3). El aumento de tamaño de las partículas se produce en las cámaras de crecimiento. Las cámaras de enfriamiento tienen por función disminuir la temperatura alcanzada por las partículas en las cámaras de crecimiento y colaborar, mediante elutriación, con la remoción de material

particulado muy fino. Los gránulos crecen por deposición de sucesivas gotas de pequeño tamaño (accretion) sobre las partículas sólidas del lecho.

Las gotas constituyen el ligante del proceso de granulación, y corresponden a una solución de urea líquida muy concentrada (aproximadamente un 96% en peso) que se atomiza desde el fondo del equipo a una temperatura cercana a 132 °C (Kayaert y Antonus et al., 1997; Nijsten et al., 1998; Niks et al., 1997). La urea en solución, pasa a la fase sólida por enfriamiento y evaporación de agua. Debido a la alta concentración de urea, el ligante se comporta prácticamente como un fundido.

Figura 2.3. Esquema del granulador industrial y valores representativos de algunas variables.

El líquido se atomiza por medio de boquillas que utilizan aire presurizado para tal fin. Las boquillas se ubican en la parte inferior de cada cámara de crecimiento. La Figura 2.4 presenta una boquilla de mezclado externo; la solución de urea fluye por el tubo interno mientras el aire de atomización lo hace por el tubo externo (Hede et al., 2008). Al llegar a la superficie de

Aire de salida Aire de fluidización Gránulos Semillas Cámaras de crecimiento Cámaras de enfriamiento Aire de atomización Solución líquida +

la boquilla, el aire corta el flujo de solución produciendo la atomización de gotas. El líquido no necesita ser alimentado a alta presión cuando se atomiza con este tipo de boquilla; el aire de atomización ingresa a presiones recomendadas entre 0,5 y 3 bar manométricas (Hede et al., 2008). Para el caso de inyección de urea concentrada, el aire de atomización debe ingresar a temperaturas mayores a la de la solución (e.g., 135°C) para evitar la solidificación de urea y consecuentemente el bloqueo de la boquilla. Debido al tamaño relativamente pequeño de los orificios de las boquillas y al esfuerzo de corte generado por el aire de atomización, el líquido ingresa a las cámaras en forma de gotas muy pequeñas (Hede et al., 2008). Patentes sobre granulación de urea en lechos fluidizados (Kayaert y Antonus, 1997; Niks et al., 1980) recomiendan el uso de gotas entre 20 y 120 m de diámetro. Heinrich y Mörl (1999) utilizan un valor de 30 μm en sus simulaciones (la aplicación no es urea). El pequeño diámetro de las gotas con respecto a las semillas de urea (aproximadamente 2 mm, i.e., 2000 m) claramente favorece el mecanismo de crecimiento por deposición de sucesivas gotas (accretion).

Figura 2.4. Esquema de una boquilla de mezclado externo. Solución concentrada de urea Aire de atomización Aire de atomización Gotas atomizadas

Como se señala en la Sección 1.9, la corriente de semillas que ingresa al granulador es una corriente de reciclo formada por material fuera de especificación (ver Figura 1.14). El cociente entre el caudal de semillas y el producto en especificación que abandona el circuito de granulación es conocido como relación de reciclo. Valores típicos de la relación de reciclo se encuentran en el orden de 0,5 (Kayaert, 1980). Despreciando la generación de polvo en las unidades de granulación y de enfriamiento, el caudal de solución de urea es igual al caudal de producto en especificación que abandona el circuito en condiciones de operación estable. Por lo tanto, se puede asumir que la relación entre el caudal de semillas y el caudal de urea líquida varía entre 0,5 y 1.

Considerando una producción típica de un millón de toneladas por año en un proceso de granulación industrial, el caudal de gránulos en especificación que abandona el circuito, y por ende el caudal de solución de urea, se encuentra en el orden de 30 kg/s. Además, si se asume una distribución uniforme del caudal de urea líquida entre las cámaras de crecimiento, se inyectarían aproximadamente 10 kg/s de la solución concentrada de urea en cada cámara. Luego, si se considera una relación de reciclo de 0,5 (Kayaert ,1980) y un caudal total de urea líquida de 30 kg/s, el caudal de semillas que debería ingresar al granulador sería del orden de 15 kg/s.

Debido a que la solución de urea solidifica aumentando el tamaño de los gránulos, el caudal de sólidos que abandona cada cámara de crecimiento es mayor que el caudal de entrada. El transporte de las partículas a través del granulador se produce por diferencia de presión entre las cámaras (Grieco y Marmo, 2006; Massimilla et al., 1961). En la última cámara, el producto descarga por gravedad. El área de descarga se puede manipular mediante el movimiento de clapetas que facilitan el control de las alturas de los lechos (Mörl et al., 2007).

En las cámaras de enfriamiento, se espera que el caudal permanezca constante (al menos en ausencia de mecanismos no deseados como deposición de polvo en las paredes del granulador o elutriación). El caudal másico de sólidos que abandona la tercera cámara de crecimiento, que se asume igual al de salida del equipo, sería del orden de 45 kg/s (valor que se obtiene al sumar los caudales de semillas y urea líquida total inyectada). Para un proceso de recubrimiento puro, se espera que el diámetro medio de la corriente de partículas que recorre el granulador también aumente en las cámaras de crecimiento y permanezca constante en las cámaras de enfriamiento.

Los lechos fluidizados tienen una altura de aproximadamente un metro y están soportados sobre platos perforados a través de los cuales se introduce y distribuye el aire de fluidización (Kayaert, 1980). Los lechos suelen operar en régimen burbujeante, lo cual promueve una alta recirculación de los sólidos facilitando su pasaje por la zona de atomización de la solución de urea (ver Figura 2.5). El ascenso de las burbujas a través del lecho induce el movimiento de los sólidos, arrastrándolos hacia la parte superior del mismo. Este movimiento ascendente de los sólidos se compensa con el movimiento descendente de los mismos a través de la zona del lecho fluidizado libre de burbujas.

La corriente de gas que circula por los lechos, que incluye al aire de fluidización y de atomización, abandona el granulador por la parte superior. La velocidad superficial del aire es consecuencia del caudal alimentado y el área transversal de cada cámara. El caudal de aire de fluidización ingresa al sistema como una única corriente suministrada por un ventilador, para luego ser distribuido a las seis cámaras. Esta distribución de aire se manipula utilizando válvulas de persiana. La velocidad del aire de fluidización en cada cámara es una variable clave para controlar el proceso de crecimiento de las partículas. Por ejemplo, debe ser mayor a la velocidad mínima de fluidización para garantizar la existencia de un lecho fluidizado, aunque además debe ser lo suficientemente alta como para impedir el mecanismo de aglomeración de partículas. El aumento en el caudal aire de fluidización incrementa las fuerzas disruptivas en el lecho, evitando el contacto y la consolidación de puentes sólidos entre partículas que conducen a la coalescencia de los gránulos. Estudios experimentales llevados a cabo en un granulador de urea escala piloto con semillas de diámetro medio 2,6 mm, indicaron que valores de la velocidad superficial entre 3,5 y 5 m/s permiten evitar la formación de aglomerados y reducir el polvo del proceso (Veliz et al., 2010). Morl et al. (2007) recomiendan, sin especificar el tamaño de partículas a fluidizar, el uso de una velocidad superficial igual a 4,4 m/s. Para las cámaras de crecimiento, el aire de fluidización se puede precalentar previamente mediante intercambiadores de calor, como se esquematiza en la Figura 2.3. La temperatura mínima de entrada del aire de fluidización, sino existen equipos de refrigeración, es la temperatura ambiente.

La temperatura de las cámaras de crecimiento es un poco mayor a (Kayaert y Antonus, 1994; Kayaert y Antonus, 1997). Esta temperatura se puede controlar seleccionando adecuadamente el caudal y la temperatura del aire de fluidización y el caudal y la concentración de urea a ser atomizada. Las temperaturas de los lechos deben ser mayores a para favorecer la evaporación de agua y siempre menores a la temperatura de fusión de

la urea (133°C) para impedir la deformación de los gránulos. Valores típicos de las cámaras de crecimiento se encuentran entre 100 y 120°C (Cotabarren et al., 2010). Las temperaturas de las cámaras de enfriamiento son menores a 100ºC.

La solidificación de la urea viene acompañada por la liberación de una gran cantidad de calor. Como se discute en la Sección 2.6, este calor es removido parcialmente por la evaporación del agua presente en la solución de urea, evitando la necesidad de utilizar grandes caudales o temperaturas muy bajas del aire de fluidización.

Figura 2.5. Zona de atomización de una cámara de crecimiento.

La Tabla 2.1 resume valores típicos de las variables operativas de un granulador industrial. Dichos valores son orientativos; en las simulaciones de esta Tesis se utilizan datos geométricos y operativos de una planta industrial que no se pueden revelar por estar protegidos por acuerdos de confidencialidad.