Caída de presión en Lechos Empacados Practica de Laboratorio Laboratorio Integral I Ing. Sonia Contreras Ballesteros
Equipo 2A Josué Jair Benítez Martínez Jesús Antonio Cuellar Luis Francisco Hernández Ponce Stacey Medina Martínez Ezry Asir Ortiz Mendoza
Introducción
Actualmente existen un gran número de operaciones industriales donde es muy común el uso de lechos empacados debido a que las numerosas ventajas que se les encuentra industrialmente. El flujo (liquido o gas), a través del lecho empacado es relevante en los procesos industriales, por ejemplo en aquellos procesos donde se necesitan caídas de presión, los procesos catalíticos, lixiviación,
filtración
de
mezclas,
así
como
donde
la
transferencia
y
almacenamiento de energía térmica, solo por mencionar algunos. Estos últimos se empiezan con una temperatura inicial posteriormente en el proceso de transferencia de calor entre el lecho y el fluido dará como resultado la variación de temperatura en el lecho. Los lechos empacados son sistemas que tienen varias aplicaciones industriales, agrícolas, filtración, solo por mencionar algunas. En los lechos empacados 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, la cual es necesaria en gran cantidad de operaciones industriales.
Objetivo
Determinar y comparar experimentalmente la caída de presión que se presenta en una tubería cuando esta se encuentra empacada y cuando no lo está, debido a la fricción de la pared de la tubería.
Objetivo especifico:
Observar la importancia que tiene sobre la caída de presión si una tubería esta empacada.
Observar que pasa con el fluido en movimiento con la diferencia de presión.
Calcular la caída de presión en un lecho empacado.
Marco teórico Lecho Empacado:
Es un sistema compacto, el cual es atravesado por un flujo (líquido o gas). Este sistema se conforma de partículas sólidas, con propiedades físicas y químicas similares. La velocidad del flujo que atraviesa el lecho define el tipo de lecho. Si esta es menor a la velocidad de arrastre o sustentación, se lo denomina lecho empacado, porque sus partículas se mantienen en reposo.
Fig. 1. Ilustración lecho empacado
Los empaques incrementan la caída de presión, en el sistema y en consecuencia, cambios en la dirección de la velocidad del fluido por el efecto de las fugas. En un lecho de partículas con flujo ascendente, la circulación de un gas o un líquido a baja velocidad no produce movimiento de las partículas. El fluido circula por los huecos del lecho perdiendo presión. Esta caída de presión en un lecho estacionario de sólidos viene dada por la ecuación de Ergun. La resistencia al flujo de un fluido a través de los huecos de un lecho de sólidos es la resultante del rozamiento total de todas las partículas del lecho. El rozamiento total por unidad de área es igual a la suma de dos tipos de fuerza: i) fuerzas de rozamiento viscoso y ii) fuerzas de inercia. Para explicar estos fenómenos se hacen varias suposiciones: a) las partículas están dispuestas al azar, sin orientaciones preferentes, b) todas las partículas tienen el mismo tamaño y forma y c) los efectos de pared son despreciables. La pérdida fraccional para flujo a través de lechos rellenos puede calcularse utilizando la expresión de Ergun:
2 1.752 (1 − ) (1 150 − ) ∑ = 2 ∗ 3 + ∗ 3
: Porosidad del lecho.
Donde:
: Densidad del fluido : Viscosidad del fluido
u0:
velocidad superficial del fluido.
Velocidad que tendría el fluido si el recipiente no contuviera solidos (u 0 =
dp: diámetro de partícula
Q/S). L: Altura del lecho (Longitud del lecho).
La pérdida de presión correspondiente sería:
Δ = ∑ La ecuación de Ergun se basa en la combinación de la ecuación de Kozeny-Carman para el flujo en la región viscosa y de la ecuación de BurkePlummer
para
la
región
turbulenta.
La
importancia
de
los
términos
correspondientes a pérdidas viscosas y pérdidas turbulentas en la ecuación de Ergun se puede relacionar con el valor del número de Reynolds de partícula. Para fluidos que circulan a través de un lecho relleno de sólidos, el número de Reynolds de partícula se define como:
= Cuando Re p < 20, el término de pérdida viscosa domina y puede utilizarse solo con un error despreciable. Cuando Re p > 1000, sólo se necesita utilizar el término de pérdida turbulenta.
Principales magnitudes del lecho empacado
El comportamiento de un lecho empacado viene caracterizado principalmente por las siguientes magnitudes:
Porosidad del lecho o fracción de huecos ( ): Es la relación que existe entre el volumen de huecos del lecho y el volumen total del mismo (huecos más sólidos).
Esfericidad de una partícula
(): es la medida más útil para caracterizar
la forma de partículas no esféricas e irregulares. La esfericidad de las partículas y la porosidad del lecho están relacionadas.
Caída de presión : Pérdida de la presión entre dos puntos de tubería, situados a ambos lados de una válvula, debido al rozamiento hidráulico. Las caídas de presión altas se asocian a caudales muy grandes y/o diámetros muy chicos. Los fluidos viscosos también dan caídas de presión altas.
Material y Equipo
Columna de Absorción del laboratorio de Ing. Química.
Compresor de aire husky.
Coplees
Abrazaderas
Agua
Mangueras de aire
Procedimiento
Adaptar las conexiones del compresor de aire al equipo de absorción.
Regular la presión de aire del compresor.
Abrir la válvula de la tubería color verde que indica que es agua.
Regular el flujo de agua a través de los conductos de la torre de absorción.
Abrir la válvula de aire del compresor.
Regular el flujo de aire.
Estar jugando con los flujos de aire y agua, para lograr ver la caída de presión entre los empaques de la torre de absorción.
Cálculos
En la caída de presión con el barómetro de agua, fue de 6 mmH 2O
Flujos de agua
Flujo de aire
Caída de presión
lt/min
Lt/min
mmH2O
2.7
115
3.8
.80
110
5.0
.775
125
6.0
Conclusión
De acuerdo a la teoría y a los resultados obtenidos, la caída de presión en un lecho empacado debe de ser mucho mayor resultado de que los sólidos contenidos oponen más resistencia al flujo que la caída de presión en la tubería sin empaque debido solamente a la fricción, por lo tanto, nuestros cálculos son correctos o coherentes. En cuanto a los demás factores, la velocidad, tanto del lecho empacado como de la tubería, es significativamente diferente. La velocidad del lecho empacado era muy pequeña, pero se recuerda que en la fórmula para calcular la caída de presión se utiliza la velocidad superficial. Otro factor importante es la porosidad, donde si esta es mayor entonces la caída de presión va a hacer menor ya que existen mayor cantidad de huecos lo que produce que el fluido pase de mejor manera (sin obstáculos) por el lecho.
Evidencias
