FLUIDIZZAZIONE

FLUIDIZZAZIONE (App. III, 11, p. 628)

La f. degli strati solidi granulari è stata oggetto negli ultimi due decenni di un'intensa attività di ricerca che ha consentito da un lato una migliore comprensione dei diversi aspetti fenomenologici coinvolti e dall'altro lo sviluppo di teorie interpretative degli stessi, essenziali per la progettazione di appareechiature operanti con sistemi fluidizzati. Tutto ciò ha condotto al superamento di molte delle iniziali limitazioni d'impiego, determinando anzi, con la valorizzazione degli aspetti favorevoli, lo sviluppo di nuove applicazioni che si sono rapidamente affermate in campo industriale.

I risultati più significativi ottenuti sul piano teorico riguardano: la caratterizzazione del regime di f., rispettivamente "particellare" e "aggregativa", in funzione delle proprietà fisiche delle due fasi; la caratterizzazione del comportamento reologico dello stato fluidizzato, variabile da plastico o pseudoplastico a praticamente newtoniano con l'avanzamento dell'intensità di f.; la quantificazione dei fenomeni di trasferimento di materia e di calore sia tra solido fluidizzato e pareti di contenimento, sia tra particelle e mezzo fluidizzante; lo studio della f. per effetto simultaneo di una fase gassosa e di una liquida.

Al consolidamento delle conoscenze teoriche ha fatto logicamente seguito una rapida diffusione degl'impieghi dello stato fluidizzato. Le operazioni che maggiormente se ne sono giovate sono quelle che di per sé comportano il contatto di una fase solida con una fluida; talvolta però l'una o l'altra fase è stata artificialmente aggiunta al solo scopo di realizzare uno stato fluidizzato conveniente per uno scopo finale diverso e indipendente dal contatto. Al di là di esempi singoli, una schematizzazione generale delle principali operazioni che oggi si compiono correntemente allo stato fluidizzato può essere la seguente.

Reazioni chimiche. - Rappresentano l'applicazione primitiva, che ha poi fornito il massimo impulso allo sviluppo e alla ricerca nel campo della f., presentando una larga varietà di situazioni diverse per caratteristiche delle fasi a contatto e per condizioni operative. In alcuni casi la fase solida costituisce il catalizzatore della reazione, come nei ben noti processi di cracking degl'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. Talvolta, infine, pur svolgendosi la reazione in fase omogenea, prevalentemente gassosa, un solido granulare inerte che viene fluidizzato dalla corrente di alimentazione è espressamente introdotto nel reattore allo scopo di ottenere un elevato rimescolamento del fluido e una regolare distribuzione della temperatura; con questo sistema è condotta, per es., l'alogenazione degl'idrocarburi.

Scambio di calore. - Oltre alla già citata omogeneizzazione della temperatura, particolarmente importante per una sua accurata regolazione in tutto il volume di lavoro, l'impiego di letti fluidizzati permette in alcuni casi d'incrementare sensibilmente il trasferimento del calore a un mezzo riscaldante o refrigerante esterno. Il coefficiente di trasmissione in un letto fluidizzato risulta infatti normalmente da cinque a venti volte più elevato rispetto a quello del solo gas. Questo pregio può tuttavia essere favorevolmente sfruttato soltanto a patto di disporre di scambiatori adatti a contenere un solido e perciò costruttivamente diversi dai tipi più usuali.

Mescolamento. - L'intenso rimescolamento del solido che si determina con la f. in regime aggregativo può essere utilizzato per fini di omogeneizzazione di due o più prodotti granulari, ponendosi come valida alternativa ai mescolatori meccanici. L'azione di mescolamento è rapida ed efficace sicché l'operazione può essere condotta anche in continuo. Il pericolo di stratificazione nel caso di particelle di caratteristiche fisiche molto diverse può essere evitato con elevate velocità di f. e con un'accurata scelta dei dispositivi di distribuzione del gas.

Classificazione. - Con un'opportuna scelta delle condizioni di f. è possibile anche ottenere l'effetto opposto a quello sopra accennato, e cioè una separazione del solido in due o più strati sovrapposti, diversi per dimensione o densità delle particelle. Anche in questo caso l'operazione allo stato fluidizzato costituisce un'alternativa ai tradizionali metodi di classificazione meccanica.

Adsorbimento. - L'elevata superficie specifica attiva e il continuo rinnovamento che si realizzano con la f. favoriscono tutti i fenomeni di trasferimento di materia tra solidi e fluidi. Per tale motivo molte operazioni di adsorbimento destinate alla separazione di determinati componenti da una miscela fluida sono vantaggiosamente condotte allo stato fluidizzato. Caratteristico è un sistema fondato su un accoppiamento di adsorbimento e deadsorbimento (v. figura) che consente il frazionamento di miscele gassose.

Essiccamento. - Altro notevole esempio di trasferimento di materia è rappresentato dalle operazioni di essiccamento di materiali solidi granulari per f. con correnti gassose calde. L'omogeneità di distribuzione della temperatura e dei gradienti motori anche qui consente una regolazione rapida e precisa. Un caso complesso e interessante è rappresentato dalle operazioni di liofilizzazione, assai diffuse nei settori alimentare e farmaceutico. Nei liofilizzatori a f. il prodotto solido precongelato viene totalmente disidratato in continuo fluidizzandolo con aria rigorosamente secca; inoltre un solido inerte di supporto, di dimensioni tali da non essere trascinato con il prodotto, permette il controllo rigoroso della temperatura e dell'umidità residua.

Trattamenti superficiali. - Sono correntemente realizzati in fase fluidizzata vari trattamenti sulla superficie di materiali solidi granulari come l'indurimento, la cottura, la ricopertura con film protettivi, ecc.

Movimentazione dei solidi. - L'incremento di scorrevolezza determinato dalla f: viene utilizzato spesso per facilitare il moto per gravità di solidi granulari. L'uso di fondi "fluidizzanti", cioè dotati di distributori d'aria che fluidizza il solido, evita i rischi d'intasamento nello scarico dalle tramogge dei silos, consente la discesa del solido in canalette con piccolissima pendenza, ecc. Il trasporto totale di solidi granulari per vero e proprio trascinamento entro tubazioni da parte di una corrente fluida ad alta velocità, che costituisce ancora una volta una tecnica alternativa a quelle tradizionali basate sull'impiego di mezzi meccanici, rappresenta il superamento delle condizioni di semplice f. in letto stazionario.

Bibl.: J. F. Davidson, D. Harrison, Fluidization, Londra 1971; R. H. Perry, C. H. Chilton, Chemical engineers' handbook, New York 1973.⁵