La pòrtada

Lecho fijo y fluidizado

Enviado por jarellanovarela

Nomenclatura

Sumario

Fundamentos teóricos

Descripción del equipo

Procedimiento experimental

Datos experimentales

Resultados experimentales

Discusión de resultados

Conclusiones

Referencias bibliográficas

Apéndices

NOMENCLATURA.

: Porosidad inicial del lecho, [adimensional].

: Porosidad, [adimensional].

Vo: Volumen ocupado por todas las partículas, [m3].

Vt: Volumen del lecho en un instante dado, [m3].

Lo: Altura inicial del lecho, [m].

L: Altura del lecho en un momento dado, [m].

: Viscosidad de fluido, [Pa·s].

: Velocidad superficial de fluidización, [m/s].

Dp: Diámetro de la partícula, [m].

r f: Densidad del fluido, [kg/m3].

: Caída de presión, [Pa].

L: Longitud del lecho, [m].

: Densidad de las partículas del lecho, [kg/m3].

g: Aceleración de gravedad, [ 9.81 m/s2].

Re: Número de Reynolds, [adimensional].

: Velocidad del fluido, [m/s].

gc: Factor de conversión gravitacional, [1 (kg·m/s2)/N].

gc: Factor de conversión gravitacional, [1 (kg·m/s2)/N].

Q: Caudal, [m3/s].

A: Área transversal, [m2].

Cd: Coeficiente de descarga, [adimensional].

Y: Factor de expansión [adimensional]

b : Razón del diámetro de la garganta y el diámetro de la tubería, [adimensional]

SUMARIO.

Durante el desarrollo de la sesión de práctica se realizó un estudio del proceso de fluidización para los sistemas líquido-sólido y gas-sólido, para lo cual se hizo la determinación de los principales parámetros que influyen en dicho proceso. El equipo experimental donde se llevó a cabo el estudio estuvo conformado principalmente por dos columnas de plexiglas rellenas con esferas de vidrio, cuyas características y propiedades físicas eran iguales para cada columna. En el primer compartimiento se llevó a cabo el estudio del sistema líquido-sólido, donde se usó agua como fluido de trabajo, y consistió en la variación del caudal que circulaba por el lecho para luego medir la caída de presión registrada por el manómetro correspondiente al sistema.

En el segundo compartimiento se realizó el estudio del sistema gas-sólido, para lo cual se hizo circular aire por el lecho, se registró la caída de presión en el manómetro inclinado correspondiente al medidor de placa orificio, para así determinar el caudal que pasaba por el lecho, y finalmente se registró la caída de presión en el manómetro correspondiente a este sistema. Con los datos experimentales obtenidos se determinó el número de Reynolds (Re), la fracción de vacío (ε) y el parámetro de correlación de Wilhelm y Kwauk (KΔP y KΔρ), también se calculó la caída de presión en el lecho por la ecuación de Ergun, se comparó con la obtenida experimentalmente y se calculó la velocidad mínima de fluidización. Finalmente se hizo la representación gráfica de algunos parámetros en función del número de Reynolds.

De acuerdo con lo resultados obtenidos se pudo concluir que el número de Reynolds aumenta a medida que el proceso de fluidización avanza, la fluidización particulada fue la característica del sistema líquido-sólido estudiado y la fluidización agregativa para el sistema gas-sólido, la porosidad mantiene un valor casi constante en las etapas de lecho fijo y lecho prefluidizado, para luego ir aumentando y tender a la unidad en la etapa de fluidización continua. También se concluyó que el parámetro KΔP aumenta rápidamente en las etapas de lecho fijo y luego toma un valor casi constante en la etapa de lecho fluidizado.

INTRODUCCIÓN.

Se da el nombre de fluidización al proceso de contacto que ocurre entre un sólido y un fluido (gas o líquido) en el cual el lecho formado por partículas sólidas finamente divididas se levanta y se agita por medio de una corriente ascendente de fluido.

Ahora bien, Mc Cabe y Smith señalan que se habla de fluidización particulada cuando existe una expansión grande pero uniforme del lecho a velocidades elevadas, la cual generalmente se manifiesta en sistemas líquido-sólido, para partículas muy finas y un rango limitado de velocidad. Dicen que también se habla de fluidización agregativa cuando los lechos de sólidos se encuentran fluidizados con gases, como el aire, donde la mayor parte del gas pasa a través del lecho en forma de burbujas o huecos que están casi exentos de sólidos, y solamente una pequeña fracción del gas fluyen por los canales existentes entre las partículas, las cuales se mueven de forma errática (1).

Durante la sesión de práctica se ha planteado como objetivos principales la observación del comportamiento del lecho fijo y fluidizado para los sistemas líquido-sólido y gas-sólido, además de la determinación de los principales parámetros que influyen en dicho comportamiento. En este sentido, se tiene que las principales ventajas de la fluidización consisten en que el fluido que circula a través del lecho agita en forma vigorosa el sólido, y la mezcla de los sólidos asegura que prácticamente no existen gradientes de temperatura en el lecho aun con reacciones fuertemente exotérmicas o endotérmicas (1).

La principal desventaja de la fluidización gas-sólido consiste en el desigual contacto del gas y el sólido. La mayor parte del gas pasa a través del lecho en forma de burbujas y sólo hace contacto directamente con una pequeña cantidad del sólido en una delgada envoltura ubicada alrededor de la burbuja. Una pequeña fracción del gas pasa a través de la fase densa, la cual contiene casi todo el sólido.

Existe algo de intercambio de gas entre las burbujas y la fase densa por difusión y por procesos turbulentos tales como la división y coalescencia de burbujas; pero la conversión global de un reactante gaseoso es en general mucho menor que la que tiene lugar en el contacto uniforme a la misma temperatura, como en un reactor ideal con flujo pistón (1).

Sin embargo, el flujo de fluidos a través de lechos de partículas sólidas (fluidización) es un proceso de uso amplio en operaciones industriales tales como: filtración, intercambio iónico, extracción de solventes, absorción y reactores catalíticos.

Mc Cabe y Smith señalan que aunque en la actualidad la industria petrolera utiliza reactores de transporte para el craqueo catalítico en vez de lechos fluidizados, la regeneración del catalizador todavía se realiza en reactores de lecho fluidizado que tienen hasta 10 metros de diámetro. La fluidización también se emplea en otros procesos catalíticos, tales como la síntesis de acrilonitrilo, y para llevar a cabo reacciones gas-sólido. Existe mucho interés en la combustión de carbón en lecho fluidizado con el fin de reducir el costo en las calderas y disminuir la emisión de contaminantes. Los lechos fluidizados se utilizan también para el curtido de minerales, secado de sólidos finos y absorción de gases (1).

En las páginas siguientes se mostrará el fundamento teórico que sirvió de base para la realización de la sesión de práctica, la metodología experimental seguida, los datos y resultados experimentales obtenidos, y finalmente se hará una discusión detallada acerca de ellos y sus principales consecuencias.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS.

Un lecho consiste en una columna formada por partículas sólidas, a través de las cuales pasa un fluido (líquido o gas) el cual puede ser librado de algunas impurezas y sufre una caída de presión. Si el fluido se mueve a velocidades bajas a través del lecho no produce movimiento de las partículas, pero al ir incrementando gradualmente la velocidad llega un punto donde las partículas no permanecen estáticas sino que se levantan y agitan, dicho proceso recibe el nombre de fluidización.

A medida que se incrementa la velocidad del fluido, con lo cual también se aumenta el caudal (si el área se mantiene constante), se pueden distinguir diferentes etapas en el lecho de acuerdo con lo señalado por Meléndez y Gutiérrez (2):

Lecho Fijo: las partículas permiten el paso tortuoso del fluido sin separarse una de otras, esto hace que la altura del lecho se mantenga constante y por tanto la fracción de vacío en el lecho (porosidad) se mantiene constante. En esta etapa el fluido experimenta la mayor caída de presión del proceso.

Lecho prefluidizado: también es conocido como fluidización incipiente, y se trata de un estado de transición entre el lecho fijo y el fluidizado. Una de las características que presenta esta etapa es que la velocidad en este punto recibe el nombre de velocidad mínima de fluidización. También se caracteriza porque la porosidad comienza a aumentar.

Fluidización discontinua: también se conoce como fase densa y es cuando el movimiento de las partículas se hace más turbulento formándose torbellinos. Dentro de esta etapa se pueden distinguir dos tipos de fluidización:

Particulada: se manifiesta en sistemas líquido-sólido, con lechos de partículas finas en los cuales se manifiesta una expansión suave.

Agregativa: se presenta en sistemas gas-sólido. La mayor parte

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