ESTUDIO HIDRODINÁMICO DE UN LECHO FLUIDIZADO
DulzeKLF6 de Agosto de 2013
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA TÉRMICA Y DE FLUIDOS
ÁREA DE INGENIERÍA TÉRMICA
INGENIERÍA INDUSTRIAL
PROYECTO FIN DE CARRERA
ESTUDIO HIDRODINÁMICO DE
UN LECHO FLUIDIZADO
AUTOR:
VÍCTOR MANUEL BARREIRA MORENO
TUTORA:
CELIA SOBRINO FERNÁNDEZ
ABRIL 2007
ÍNDICE
ÍNDICE
NOMENCLATURA
5
1.
INTRODUCCIÓN
7
1.1.
Objetivo del estudio
8
1.2.
Alcance del estudio
9
1.3.
Estructura de la memoria
10
2.
CONCEPTOS DE FLUIDIZACIÓN
11
2.1.
El fenómeno de fluidización
12
2.2.
Comportamiento fluido de un lecho fluidizado
16
2.3.
Calidad de fluidización
18
2.4.
Propiedades de las partículas de fluidización
18
2.5.
Clasificación de las partículas de fluidización
19
2.6.
Formación de burbujas durante la fluidización
21
2.7.
Ventajas y desventajas de aplicación de los lechos fluidizados
22
2.8.
Aplicaciones industriales de la fluidización
23
2.8.1.
Operaciones físicas
23
2.8.1.1.
Intercambio de calor
23
2.8.1.2.
Recubrimiento de objetos metálicos
24
2.8.1.3.
Adsorción
25
2.8.1.4.
Secado de sólidos
25
2.8.2.
Reacciones de síntesis
27
2.8.3.
Craqueo de hidrocarburos
28
2.8.3.1.
Craqueo catalítico fluido
28
2.8.3.2.
Craqueo térmico
30
2.8.4.
Combustión
30
2.8.4.1.
Combustión de carbón
30
2.8.4.2.
Incineración de residuos sólidos
32
2.8.5.
Gasificación
33
2.8.5.1.
Gasificación de carbón
33
2.8.5.2.
Gasificación de residuos sólidos
34
2.8.6.
Activación de carbón
34
ESTUDIO HIDRODINÁMICO DE UN LECHO FLUIDIZADO ii
ÍNDICE
2.8.7.
Calcinación
35
2.8.8.
Reacciones con sólidos
36
2.8.9.
Biofluidización
37
3.
MÉTODOS DE CARACTERIZACIÓN HIDRODINÁMICA
39
3.1.
Fundamentos hidrodinámicos de la fluidización
40
3.2.
Cálculo teórico de la velocidad de mínima fluidización
42
3.3.
Cálculo experimental de la velocidad de mínima fluidización a partir de la pérdida de carga en el lecho
43
3.4.
Cálculo experimental de la velocidad de mínima fluidización a partir de las fluctuaciones de presión en el lecho
45
4.
DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN
48
4.1.
Descripción del lecho
50
4.2.
Descripción de las partículas de fluidización
52
4.3.
Descripción de los sensores y transductores de presión
53
4.3.1.
Consideraciones generales sobre transductores de presión
54
4.3.2.
Transductores de presión empleados
54
4.4.
Descripción del sistema de adquisición de datos
57
4.4.1.
Consideraciones generales sobre tarjetas de adquisición de datos
57
4.4.2.
Tarjeta de adquisición de datos empleada
58
4.4.3.
Configuración del sistema de adquisición de datos
59
5.
MEDIDAS Y CÁLCULOS
61
5.1.
Características de las medidas
62
5.2.
La adquisición de los datos
64
5.2.1.
Estructura del programa de adquisición de datos
64
5.2.2.
Implementación del programa de adquisición de datos
66
5.3.
Aplicación de los métodos de cálculo experimentales
69
5.4.
Aplicación del método de cálculo teórico
72
6.
RESULTADOS
74
6.1.
Tamaño de la muestra
75
6.2.
Pérdida de carga en el distribuidor
76
6.3.
Aparición de slugging
78
ESTUDIO HIDRODINÁMICO DE UN LECHO FLUIDIZADO iii
ÍNDICE
6.4.
Velocidad de mínima fluidización
79
6.4.1.
Influencia de la posición del sensor sobre la velocidad de mínima fluidización
80
6.4.2.
Influencia de las propiedades de las partículas sobre la velocidad de mínima fluidización
83
6.4.3.
Influencia de la altura de lecho fijo sobre la velocidad de mínima fluidización
85
7.
CONCLUSIONES
88
7.1.
Cálculo experimental de la velocidad de mínima fluidización
89
7.2.
Influencia de la posición axial del sensor
89
7.3.
Influencia de las propiedades de las partículas
90
7.4.
Influencia de la altura de lecho fijo
90
7.5.
Estudios posteriores
91
ANEXOS
A.
DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN
92
A.1.
Planos de la estructura del lecho
93
A.2.
Tamaño de las partículas
100
A.3.
Densidad de las partículas
102
B.
MEDIDAS Y CÁLCULOS
103
B.1.
Aplicación de los métodos de cálculo experimentales
104
B.2.
Aplicación del método de cálculo teórico
108
C.
RESULTADOS: VELOCIDAD DE MÍNIMA FLUIDIZACIÓN
109
C.1.
Partículas de arena, L = 0.150 m (L/D = 1)
110
C.2.
Partículas de arena, L = 0.225 m (L/D = 1.5)
112
C.3.
Microesferas de vidrio, L = 0.150 m (L/D = 1)
113
C.4.
Microesferas de vidrio, L = 0.225 m (L/D = 1.5)
115
BIBLIOGRAFÍA
117
ESTUDIO HIDRODINÁMICO DE UN LECHO FLUIDIZADO iv
NOMENCLATURA
NOMENCLATURA
a
Ordenada en el origen de la recta de presión − velocidad (Pa)
b
Pendiente de la recta de presión − velocidad (kg/s·m2)
A
Sección transversal del lecho (m2)
Ar
Número adimensional de Arquímedes ( )
D
Diámetro interior de la columna del lecho (m)
db
Diámetro de una burbuja en fluidización burbujeante (m)
dp
Diámetro de una partícula (m) E
Energía mecánica media de las partículas del lecho (J)
E*
Energía debida a las irregularidades en el lecho de partículas (J)
Err
Error relativo entre un valor obtenido experimentalmente y el valor exacto (%)
g
Aceleración de la gravedad: 9.81 (m/s2)
H
Altura de la columna del lecho (m)
K1
Parámetro de proporcionalidad entre Ey U (kg·m/s)
K2
Parámetro de proporcionalidad entre E* y σp (m3)
L
Altura del lecho de partículas en estado fijo (m)
mp
Masa de una partícula (kg)
mb
Masa del lecho de partículas (kg)
p
Presión instantánea (Pa) p
Presión media en una serie (Pa)
N
Número de muestras en una serie ( )
Δp
Pérdida de carga entre dos puntos (Pa)
Δpd
Pérdida de carga a través del distribuidor del lecho (Pa)
Q
Caudal de fluido (m3/s)
R
Coeficiente de correlación entre dos variables con dependencia lineal ( )
Re
Número adimensional de Reynolds relativo a una partícula en el lecho fijo ( )
Remf
Número adimensional de Reynolds al comienzo de la fluidización ( )
U
Velocidad superficial del fluido (m/s)
Ubr
Velocidad de ascenso de las burbujas en un lecho con fluidización burbujeante (m/s)
Umb
Velocidad de mínimo burbujeo (m/s)
ESTUDIO HIDRODINÁMICO DE UN LECHO FLUIDIZADO 5
NOMENCLATURA
Umf
Velocidad de mínima fluidización (m/s)
V
Señal de tensión (V)
Vap
Volumen aparente del lecho de partículas (m3)
Vh
Volumen hidrodinámico de una partícula (m3)
z
Altura de un punto sobre el distribuidor (m)
Letras griegas
ε
Fracción de vacío del lecho de partículas en estado fijo ( )
εmf
Fracción de vacío del lecho de partículas al comienzo de la fluidización ( )
μg
Viscosidad dinámica del gas fluidizante (kg/s·m)
ρabs
Densidad absoluta de una partícula (kg/m3)
ρg
Densidad del gas fluidizante (kg/m3)
ρb
Densidad aparente del lecho de partículas (kg/m3)
ρp
Densidad de una partícula (kg/m3)
σp
Desviación típica de las fluctuaciones de presión (Pa)
ESTUDIO HIDRODINÁMICO DE UN LECHO FLUIDIZADO 6
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
7
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
1. INTRODUCCIÓN
La fluidización es
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