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Práctica
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BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA
ASIGNATURA: LABORATORIO DE INGENIERÍA II
FLUIDIZACIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO
INTEGRANTES DEL EQUIPO:
EQUIPO 2
FECHA DE REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA:
MARTES 25 DE MARZODEL 2014
FECHA DE ENTREGA:
MARTES 1 DE ABRIL DEL 2014
OBJETIVOS
•Demostrar los fenómenos relacionados a los flujos en sistemas sólido - líquido.
• Determinar las velocidades mínimas de fluidización.
• Determinar las pérdidas de carga en un lecho de partículas.
• Determinar la expansión del lecho.
Los puntos anteriores se estudian a partir de los siguientes parámetros:
• Caudal del líquido vinculado a la velocidad del fluido
• Pérdida de carga medida en los límites del lecho fluidizado.
• Espesor del lecho o altura.
• Características intrínsecas del sólido.
MARCO TEÓRICO
Describir los siguientes conceptos:
Estado fluidizado.
La fluidez de un líquido tiene su origen en la movilidad de las partículas que lo constituyen. Es posible separar
las partículas de un sólido suficientemente para que ganen esta movilidad, mediante el flujo constante de un
liquido o un gas a una velocidad suficiente (u). Cuando este líquido tiene una velocidad pequeña, los
intersticios entre las partículas ofrecen la suficiente resistencia para provocar una caída de presión. Esta
aumenta conforme la velocidad de fluido se incrementa, pero llega un momento en que se iguala al peso de
las partículas que comienzan a separarse una de otras. Se dice entonces que están flotando
hidrodinámicamente o en estado fluidizado. Es posible que la velocidad del fluido siga elevándose; esto tiene
como resultado que el espacio entre las partículas se haga aún mayor, pero sin tener efecto en la diferencia
de presión.
Componentes de un sistema de fluidización sólido-líquido.
El lecho fluidizado depende mucho del tipo de fluidización que se esté realizando y la aplicación que quiere
tenerse. A continuación una breve descripción:
a) Columna de Fluidización: Consiste en un tubo sobre el cual viajará el fluido que suspenderá las
partículas.
b) Sección uniformadora: Se trata de un cono difusor que existe con el objeto de obtener un perfil de
velocidad deseado.
c) Distribuidor: Consiste en una placa con algunas perforaciones. Es uno de los componentes más
importantes, ya que su diseño impacta directamente en la calidad de la fluidización.
d) Sistemas de suministro de fluido: Consiste en un sistema de válvulas reguladoras de flujo,
instrumentos medidores de flujo, calentadores y otros dispositivos con el objeto de proporcionar el
fluido en las condiciones termodinámicas requeridas.
e) Sistema de medición de presión: Es importante medir la caída de presión en un lecho fluidizado.
f) Sistema de medición de temperatura.
Regímenes de fluidización.
Durante los procesos de fluidización se pueden encontrar diferentes regímenes de flujo, dichos regímenes
dependen de la densidad y tamaño de la partículas, así como de la presión del gas y la temperatura, la
velocidad de fluidización, diámetro del tubo que conforma el lecho y profundidad del lecho.
Los regímenes más comunes son: fluidización suaves con burbujeo, turbulenta, con slugging axial plano y de
fase diluida con transporte neumático.
Velocidad de fluidización mínima.
La Umf corresponde a una situación homogénea donde no se toman en cuenta las burbujas. En un método
para la obtención de la velocidad mínima de fluidización, es necesario realizar una regresión lineal que se
intersecte con una línea horizontal que pase por los puntos más altos de la curva, para conocer el valor Umf.
Cuando el gas fluye en dirección ascendente a través del lecho empaquetado sin ninguna restricción al nivel
superior de la superficie, la caída de presión se incrementa con la velocidad del gas, hasta que la fricción en
una partícula excede la fuerza de gravitación.
Con la ecuación de Ergun (1952) se representa este cambio:
∆ pH
= Kμd2sv
(1−ε )2
ε3U
En donde:
U: Velocidad superficial o de tubo a vacío [m/s]
dsv: diámetro de partícula [m]
ε: porosidad del lecho [ - ]
μ: viscosidad [cP]
K: constante que depende de NRe, ε, dsv, etc.
Cálculo de la caída de presión en un lecho empacado.
Cuando comienza la fluidización, la caída de presión a través del lecho equilibra la fuerza de gravedad sobre
los sólidos, descontado el empuje del fluido:
|( fuerzade rozamientoejercidapor el fluido sobre las partículas)|=|( fuerza degravedadsobre las partículas)|−|( fuerzade flotacióndebidoal fluidodesalojado )|
Si Lmf es la altura del lecho para la mínima fluidización, A t el área de la sección transversal y εmf la porosidad
mínima de fluidización, se tiene:
∆ P fr . At=g|ρ s (1−εmf )Lmf . At−ρ (1−εmf ) Lmf . A t|
( pérdidade presiónfriccional )( área deseccióntransversaldel lecho)=(volumen
de lecho )(fracción desólidos )( pesoespecíficoneto de sólidos )∆ p fr . At=At . Lmf . (1−εmf ) (ρ s−ρ ) . g
Donde ρs es la densidad del sólido y ρ es la densidad del fluido.
Escribiendo el balance de energía mecánica entre la entrada y la salida del lecho e ignorando los efectos de
energía cinética, se obtiene para la unidad de área de la sección transversal del lecho:
∆ p fr=ρ .∑ F=−(∆ p+ρ . g .∆ z)=Lmf . (1−εmf ) ( ρs−ρ ) . g
Cálculo de la altura de un lecho fluidizado.
1) Se debe calcular Re en el punto de fluidización y en el punto de sedimentación libre.
2) Se construye un gráfico de ε vs Re.
3) Se traza una horizontal desde la porosidad del lecho hasta Re en el punto de fluidización.
4) Se une este punto con otro punto conformado por ε = 1 y Re en el punto de sedimentación libre.
5) Usando el gráfico, se obtiene el valor de porosidad en el punto 3Re del punto de fluidización.
6) Con el nuevo valor de porosidad εNse usan las siguientes fórmulas:
V lecho=mlecho
ρ s(1−εN)h lecho=
V lecho
A lecho
Cálculo de la porosidad de un lecho.
La porosidad del lecho se refiere a los espacios existentes dentro del lecho y está efectuado por
ciertos factores. Aquellos aspectos que tienen una mayor influencia sobre la porosidad del lecho son:
el tamaño, la forma y la rugosidad de las partículas.
Para encontrar numéricamente la porosidad del lecho es necesario encontrar primero la densidad del conjunto
de partículas, así como la densidad del lecho:
Densidad del sólido= masadel sólidovolumendel sólido
Densidad del lecho= masadel lechovolumen dellecho
Entonces la porosidad es:
ξ=1−ρ sólido
ρlecho
ε=1−Lestático
L
Dónde:
Lestático: es la altura del lecho cuando se encuentra estático [cm]
L: es la altura que tiene el lecho cuando está fluidizando [cm]
Aplicación de los lechos fluidizados en operaciones unitarias.
Los lechos fluidizados han sido empleados en gran variedad de aplicaciones industriales (Epstein, 2003)
incluyendo:
Clasificación mecánica de partículas por tamaño, forma o densidad.
Las diferentes características de las partículas sólidas en una mezcla hacen que se expandan de forma
diferente en un lecho fluidizado, permitiendo su separación.
Lavado y/o lixiviación de partículas sólidas.
En este caso, uno o más componentes solubles de las partículas sólidas es disuelto por el medio fluidizante.
Filtración y separación cromatográfica de partículas sólidas.
Si se hace pasar una suspensión de finas partículas sólidas a través de un lecho fluidizado, algunas de ellas
se adherirán a las partículas fluidizadas, para luego desprenderse por choques con otras partículas. La
tendencia a adherirse y separarse puede ser diferente para partículas de diferentes características, dando
diferentes tiempos de residencia promedio para distintos tipos de partículas. De esta forma, se puede dar su
separación en forma similar a una separación cromatográfica.
Cristalización.
La siembra y fluidización de cristales en un licor madre que a la vez actúa como medio fluidizante. Permite un
control muy estrecho del tamaño de cristal ya que la operación del equipo se puede ajustar para una velocidad
del fluido igual a la velocidad mínima de fluidización de los cristales deseados. Cuando un cristal alcanza el
tamaño deseado, ya no se fluidiza y se sedimenta al fondo, donde puede ser removido del cristalizador.
Adsorción e intercambio iónico.
Las partículas sólidas actúan como medio para el intercambio de especies químicas particulares con el fluido.
Electrólisis con aumento de transferencia de masa por partículas fluidizadas.
Emplea partículas sólidas inertes, cuyo único propósito es promover convección en los electrodos,
aumentando la velocidad efectiva de transferencia de masa.
Intercambiadores de calor de lecho fluidizado.
Las partículas sólidas se pueden emplear para absorber o ceder calor dependiendo de su diferencia de
temperatura con respecto al fluido.
Reactores catalíticos heterogéneos.
Es una de las aplicaciones más importantes de la fluidización (en particular el craqueo catalítico del petróleo).
Las partículas sólidas contienen un catalizador que promueve la reacción química de las especies presentes
en la fase fluida.
Combustión de carbón en lecho fluidizado.
Las partículas combustibles se mantienen suspendidas en una corriente de aire que suministra el oxígeno
requerido para su combustión. Tiene una excelente transferencia de masa entre el gas y el sólido.
Gasificación de sólidos por fluidización.
La aplicación de vapor de agua a alta temperatura permite descomponer materia orgánica sólida en
compuestos más simples como metano.
Bioreactores de lecho fluidizado.
Las partículas actúan como soporte para algún agente biótico, ya sea encapsulado o formando una
biopelícula. Las partículas actúan entonces como biocatalizadores.
Características del equipo para estudio de fluidización.
DIMENSIONES APROXIMADAS:
• Largo: 1.20 metros.
• Profundidad: 0.70 metros.
• Altura: 1.85 metros.
SERVICIOS NECESARIOS:
• Agua de alimentación a tanque para funcionamiento en circuito cerrado.
• Drenaje.
• Alimentación eléctrica 120 / 220 VAC (Voltios de Corriente Alterna), 60 Hz.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS:
• Unidad piloto completamente instrumentada de pequeña escala para laboratorio.
• Montada sobre estructura en perfil de aluminio reforzado tipo industrial con ruedas.
• Compuesta de una unidad de proceso y un gabinete decontrol, ambas unidades están interconectadas
entre sí formando una sola instalación.
• Tanque de alimentación a columna de fluidización sólido-líquido, fabricado en polietileno de alta
densidad, reforzado con capacidad de 25 litros para funcionamiento en circuito cerrado.
• Bomba centrífuga de alimentación, con motor de 0.5 HP.
• Tubería y accesorios de alimentación y descarga de agua al sistema de fluidización sólido-líquido,
fabricados en PVC cédula 80 tipo industrial. Válvula, tubería y accesorios de By-pass, fabricados en
PVC cédula 80 tipo industrial.
• Columna para estudio de fluidización sólido-líquido, fabricadaen PVC transparente de diámetro
nominal DN 50 y altura 70 cm. Malla de soporte de lecho fabricada en material anticorrosivo.Con tres
válvulas para toma de presión diferencial en la columna. Sistema de tuerca unión para desmontaje y
mantenimiento. Válvula de regulación de flujo independiente. Rotámetro de flotador para medición de
flujo con rango de 300 a 3000 LPH.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Materiales y equipos necesarios para la realización de la práctica.
• Probeta graduada.
• Pellets de diferentes diámetros.
• Agua destilada.
•Balanza analítica eléctrica.
• Equipo para fluidización sólido-líquido.
Montaje experimental.
Medida de la porosidad del pellet.
Visualización de las pérdidas de carga.
Las pérdidas de carga del lecho fluidizado corresponden a la diferencia de presión en los límites del lecho, es
decir, por arriba del soporte del lecho y por debajo del lecho de pellet.
Para poder leer estas pérdidas de carga, en los lechos fluidizados, utilizamos tubos piesométricos que se
encuentran directamente conectados a las columnas. El llenado de estos tubos es realizado al mismo tiempo
que el llenado de las columnas. Para poder visualizar una pérdida de carga, es necesario introducir aire bajo
presión para bajar el nivel de agua a la mitad de la altura total de la regleta de medida.
Con la ayuda de la bomba de mano, se mete bajo presión el tubo en U.
Puesta en marcha de la unidad.
Pesar una probeta vacía.
Pesar la probeta y determinar la masa de
agua introducida.
Llenar la probeta con el pellet hasta
la mitad del volumen y anotar
su peso.
Introducir lentamente agua en la probeta con las pellet,
hasta que éstas queden cubiertas al mismo nivel
con agua.
Realizar las mediciones por
triplicado.
A partir de los datos de masa, determinar la
densidad aparente del sólido (pellet).
Paro de la unidad.
DATOS EXPERIMENTALES
Medida de la porosidad del pellet.
Medición
Probeta de 25 mL
Diámetro del pellet: 6 mm
Peso de la probeta
vacía (g)
Peso de la probeta con el
pellet (g)
Peso de la probeta
con el pellet y agua
(g)
1 63.4 82.8 89.5
Anotar la altura del lecho, estando la
unidad sin flujo de líquido.
Meter el tubo piesométrico bajo presión para ajustar el nivel del agua (que el nivel del agua se encuentre en
medio de las graduaciones de la regleta.
Abrir la válvula de selección de la
columna (V3, V4 o V5).
Abrir la válvula V1 o la válvula V2 en función del caudal
que se desea estudiar.
Regular el caudal de líquido sobre el
caudalímetro.
Anotar las pérdidas de carga en los
límites del lecho.
Medir la altura del lecho de partículas.
Quitar la tensión a la bomba.
Cerrar las dos válvulas de regulación del caudal
y cerrar también la válvula de selección de
la columna.
Llenar la columna con agua por
circulación vía la bomba centrífuga.
Repetir las mediciones para
valores de caudales crecientes.
Realizar el ejercicio para las tres columnas.
2 63.5 82.5 89.6
3 63.5 83.5 90.3
Medición
Probeta de 25 mL
Diámetro del pellet: 3 mm
Peso de la probeta
vacía (g)
Peso de la probeta con el
pellet (g)
Peso de la probeta
con el pellet y agua
(g)
1 42.3 63.1 68.9
2 42.3 63.2 68.9
3 42.6 64.3 68.5
Visualización de las pérdidas de carga y puesta en marcha de la unidad.
Columna
LECHO FIJO
Altura del lecho
[cm]
Caudal de
líquido (agua)
[LPH]
Presión en el límite
inferior del lecho
[cm de H20]
Presión en el límite
superior del lecho
[cm de H20]
Pérdida de carga en
los límites del lecho
[cm de H20]
1 41.5 140 70.0 41.0 29.0
2 42.0 380 60.0 33.0 27.0
3 42.5 1200 73.5 41.0 32.5
Medición
LECHO FLUIDIZADO
COLUMNA 1
Altura del lecho
[cm]
Caudal de
líquido (agua)
[LPH]
Presión en el límite
inferior del lecho
[cm de H20]
Presión en el límite
superior del lecho
[cm de H20]
Pérdida de carga en
los límites del lecho
[cm de H20]
1 56.5 400 76.5 35.0 41.5
2 63.0 600 77.0 34.0 43.0
3 77.5 800 78.0 33.0 45.0
Medición
LECHO FLUIDIZADO
COLUMNA 2
Altura del lecho
[cm]
Caudal de
líquido (agua)
[LPH]
Presión en el límite
inferior del lecho
[cm de H20]
Presión en el límite
superior del lecho
[cm de H20]
Pérdida de carga en
los límites del lecho
[cm de H20]
1 49.0 600 68.0 26.5 41.5
2 63.0 1000 70.0 24.5 45.5
3 80.5 1400 73.5 21.5 52.0
Medición
LECHO FLUIDIZADO
COLUMNA 3
Altura del lecho
[cm]
Caudal de
líquido (agua)
[LPH]
Presión en el límite
inferior del lecho
[cm de H20]
Presión en el límite
superior del lecho
[cm de H20]
Pérdida de carga en
los límites del lecho
[cm de H20]
1 50.0 2000 79.0 35.0 44.0
2 62.5 3000 83.0 31.5 51.5
3 77.0 4000 88.0 27.0 61.0
OBSERVACIONES
CÁLCULOS Y RESULTADOS
Medida de la porosidad del pellet.
Masa aparente del lecho de bolitas, ρap.
ρap=masadel pellet
volumenocupado por el pellet
Porosidad del lecho:
ϵ= volumende vacíovolumen total
= volumendeagua introducidavolumen total
=magua
ρaguavolumen total
Pellet de 6 mm de diámetro.
Medición 1.
ρap=(82.8−63.4 )g
15mL=1.2933 g
cm3
ϵ=(89.5−82.8 ) g
(1 gmL ) (15mL )
=0.4467
Medición 2.
ρap=(82.5−63.5 ) g
15mL=1.2667 g
cm3
ϵ=(89.6−82.5 ) g
(1 gmL ) (15mL )
=0.4733
Medición 3.
ρap=(83.5−63.5 ) g
15mL=1.3333 g
cm3
ϵ=(90.3−83.5 ) g
(1 gmL ) (15mL )
=0.4533
Promedio.
ρap=(1.2933+1.2667+1.3333 )g /cm3
3=1.2978 g
cm3
ϵ=0.4467+0.4733+0.45333
=0.4578
Pellet de 3 mm de diámetro.
Medición 1.
ρap=(63.1−42.3 ) g
15mL=1.3867 g
cm3
ϵ=(68.9−63.1 )g
(1 gmL ) (15mL )
=0.3867
Medición 2.
ρap=(63.2−42.3 ) g
15mL=1.3933 g
cm3
ϵ=(68.9−63.2 )g
(1 gmL ) (15mL )
=0.3800
Medición 3.
ρap=(64.3−42.6 )g
15mL=1.4467 g
cm3
ϵ=(68.5−64.3 ) g
(1 gmL ) (15mL )
=0.2800
Promedio.
ρap=(1.3867+1.3933+1.4467 )g /cm3
3=1.4089 g
cm3
ϵ=0.3867+0.3800+0.28003
=0.3489
Columna de vidrio.
Columna Diámetro interno, mm Altura, mm
1 60 1000
2 60 1000
3 100 1000
Características del pellet.
Diámetro de las bolitas Tolerancia Densidad
3 mm ± 0.20 1.4089 g/cm3
6 mm ± 0.30 1.2978 g/cm3
6 mm ± 0.30 1.2978 g/cm3
Determine la porosidad del lecho en reposo.
ε=1−Lestático
L
Dónde:
Lestático: es la altura del lecho cuando se encuentra estático [cm]
L: es la altura que tiene el lecho cuando está fluidizando [cm]
Calcule la velocidad mínima de fluidización para cada una de las columnas.
∆ pH
= Kμd2sv
(1−ε )2
ε3U
En donde:
U: Velocidad superficial o de tubo a vacío [m/s]
dsv: diámetro de partícula [m]
ε: porosidad del lecho [ - ]
μ: viscosidad [cP]
K: constante que depende de NRe, ε, dsv, etc.
Mida las pérdidas de carga relacionadas al soporte y a las columnas en función del caudal y establezca la
relación entre diferentes regímenes de flujo para cada columna para los tres lechos fluidizados, graficando la
variación de la pérdida de presión y altura del lecho y trazando la curva de variación.
Grafique la variación de la altura del lecho contra velocidad y trace la curva de variación.
Realice un análisis del estudio de fluidización tomando los resultados de las diferentes variables que
intervienen en el proceso.
ANÁLISIS
CONCLUSIONES
EVIDENCIA FOTOGRÁFICA
BIBLIOGRAFÍA
Christie John Geankoplis, “Procesos de transporte y principios de procesos de separación”, 4ª Ed.
Grupo Patria Editorial, México (2011).
R. B. Bird, W. E. Stewardt, E. N. Lightfoot, “Fenómenos de Transporte” Ed. REPLA, México (2001).
Joaquín Fernández Franco, Sandra Velarde Suárez, “Introducción a la mecánica de fluidos”, 1ª Ed.
Universidad de Oviedo; Servicio de publicaciones.
Robert L. Mott, “Mecánica de Fluidos”, 6ª Ed. Pearson Preantice Hill, México (2006).
