UNIVERSIDAD AUTONOMA DE YUCATAN FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA LICENCIATURA EN INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA 1
LECHOS EMPACADOS MSTRO(A): GILBERTO BURGOS CANTO EQUIPO 6 ALUMNOS(AS): KARLA DANIELA PEREZ BASULTO OSCAR RICARDO GONGORA GARCIA
FECHA DE ENTREGA: LUNES 14 DE ABRIL DEL 2014
1 OBJETIVO Determinar experimentalmente la variación de la caída de presión en tuberías empacados de diferentes diámetros y en diferentes direcciones del flujo.
2. INTRODUCCION 2.1 CONCEPTOS GENERALES La caída de presión en tuberías en un factor muy importante a considerar cuando se trabaja con tuberías de diferentes tamaños o de gran longitud. Incluso puede ser una limitante para el transporte de un fluido de un lado al otro. Es muy importante en los casos de flujo de fluidos minimizar las pérdidas de energía debido al efecto de fricción. Este efecto se produce cuando el fluido entra en contacto con un sólido (ya sea un obstáculo o el conducto que lo almacena).
En general todas las tuberías, válvulas y accesorios presentan una resistencia al paso del fluido. Esta pérdida de energía se le denomina caída de presión. La caída de presión que ocurre a través de un tramo de tubería se puede determinar con la ayuda de un manómetro de tubo, conectando 2 tubos en los extremos de la tubería. El manómetro de tubo consiste en un conducto en forma de U que contiene una cantidad de líquido de densidad conocida (principalmente mercurio cuya densidad es de 13600 kg/m 3, el cual se desplaza dependiendo de los cambios de presión (aprovechando que los líquidos son incompresibles).
Figura 2.1 Manómetro de tubo Para determinar la caída de presión en un manómetro de tubo se emplea la siguiente ecuación
Para calcular la caída de presión, sin necesidad de realizar pruebas experimentales, se parte de la ecuación de Darcy y Weissback
La pérdida de energía por fricción, Hfs se puede expresar de cualquier de las siguientes formas:
En donde D= Diámetro interno de la tubería f= Factor de fricción G= Velocidad másica g= Aceleración de la gravedad gc= Constante gravitacional Hfs= Perdida de energía por fricción L= longitud de la tubería v= Velocidad W= Gasto másico P= Caída de presión Ρ= Densidad
Al analizar estas ecuaciones es evidente que aumentar la longitud de la tubería o disminuir el diámetro de la misma, incrementan la caída de presión Es importante señalar que cuando se incrementa o disminuye el diámetro de la tubería existe un efecto de entrada o salida, el cual provoca una caída de presión que muchas veces se desprecia debido a que su valor es muy pequeño. Este valor puede ser considerable si la entrada o salida de la tubería está diseñada inadecuadamente. En la siguiente figura se puede ver como se calcula está perdida.
Figura 2.2: Caída de presión provocada por expansiones y contracciones Si no se considera la pérdida por fricción, el gasto en una tubería seria constante en la entrada y la salida por la ecuación de continuidad. Por lo que es importante analizar el cambio de velocidad que provoca disminuir el diámetro en una tubería. El gasto en una tubería se define como
Al disminuir el diámetro, la única forma en que la ecuación de continuidad se siga cumpliendo es que la velocidad aumente. Por lo que a menor diámetro mayor velocidad. En general se puede decir que disminuir el diámetro incrementa de 2 formas a la caída de presión, ya que es directamente proporcional a la velocidad e inversamente proporcional al diámetro.
2.2. FLUJO DE FLUIDOS POR LECHOS EMPACADOS 2.2.1 DEFINICIÓN El lecho empacado es un sistema termodinámico compacto, atravesado por un flujo. Este sistema termodinámico se conforma de partículas sólidas, con propiedades físicas y químicas similares. Es un recipiente generalmente de sección transversal circular que contiene en su interior partículas sólidas (empaques) distribuidas al azar o en forma ordenada (empaque integral). Las columnas empacadas son un medio eficiente, para llevar a cabo varios procesos entre fases como la transferencia de calor y masa; y la extracción de impurezas de un gas. Diversas operaciones en ingeniería requieren el flujo a través de lechos empacados con partículas de formas variadas. Es el caso de la filtración, el intercambio iónico y las reacciones heterogéneas en reactor catalítico. En otras ocasiones el cambio bifásico como sucede en la absorción líquido-gas.
2.2.2 CAIDA DE PRESIÓN EN UN LECHO El fluido circula a través de canales pequeños y tortuosos, perdiendo energía lo cual se manifiesta en una disminución de la presión del fluido. Existen varias expresiones para determinar la pérdida de presión a través de un lecho empacado, es decir cuando no hay movimiento de las partículas sólidas. La más utilizada es la Expresión de Ergun, la cual se obtiene teniendo en cuenta las siguientes consideraciones: • Las partículas están dispuestas al azar.
• Los efectos de rugosidad son despreciables. • Todas las partículas tienen el mismo tamaño y forma. • Los efectos de pared (disposición diferente de las partículas vecinas a la pared), son despreciables. Esto es válido cuando el diámetro y la altura del lecho son grandes en comparación con el diámetro de la partícula. • Los canales reales por dónde pasa el fluido pueden sustituirse por un conjunto de conductos idénticos paralelos. • El radio hidráulico medio tiene en cuenta las variaciones de la sección transversal. • El frotamiento total por unidad de área de la pared es igual a la suma de 2 tipos de fuerzas: o o
Fuerzas por frotamiento viscoso. Fuerzas de inercia
Para el estudio de lechos, un elemento importante es conocer la caída de presión en el mismo. En este sentido, Mc Cabe y Smith señalan que existen dos ecuaciones que permiten calcular este valor. La primera es la ecuación de Ergun que es utilizada para lechos fijos
En la cual el primer sumando representa la perdida de carga por viscosidad y el segundo termino la perdida de carga por energía cinética. Dónde:
En este punto es conveniente mencionar que:
La porosidad se define por:
La esfericidad es igual a 1 para partículas esféricas, y para partículas no esféricas se puede obtener según gráficas como veremos más adelante. El diámetro de las partículas (Dp) se define como el diámetro de una esfera que ocupa el mismo volumen que la partícula en cuestión.
Según los valores del número de Reynolds, la ecuación (1) se puede simplificar
Si Re<20 (Laminar)
Si Re>1000 (Turbulento)
En donde la Ecuación de Reynolds está dada por:
Si se aumenta constantemente la velocidad del fluido, la pérdida de carga ∆P irá aumentando hasta un punto en el que las partículas no permanecen más inmóviles, sino que fluidizan por acción del mencionado fluido (líquido o gas).
2.2.3 MECA NISMO DE FL UIDIZAC IÓN Cuando un fluido atraviesa un lecho de partículas sólidas en dirección vertical de abajo hacia arriba, al aumentar la velocidad del gas se pueden verificar diferentes estados del lecho (Ver Figura 1): 1) Lecho fijo (segmento OA): 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. Cuando la velocidad del fluido es baja las partículas permanecen inmóviles, y a medida que se aumenta la velocidad aumenta la caída de presión del fluido que circula el lecho. Llega un momento en que la caída de presión es igual a la fuerza de gravedad sobre las partículas por unidad de área de sección, y entonces las partículas comienzan a moverse (punto A).
Figura 2.3: Caída de presión en solidos fluidizados 2) Región intermedia (curva ABF): 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. Al principio el lecho se expansiona lentamente manteniendo los granos todavía en contacto; la porosidad aumenta (Ver Figura 2) y la caída de presión aumenta ahora más lentamente. Cuando se alcanza el punto B, el lecho está en la condición menos compacta posible, manteniéndose los granos todavía en contacto. Al aumentar aún más la velocidad, los granos se separan y comienza la verdadera fluidización. La caída de presión disminuye a veces un poco desde el punto B al F.
3) Lecho fluidizado (segmento FP): También se conoce como fase densa y es cuando el movimiento de las partículas se hace más turbulento formándose torbellinos. A partir del punto F (punto de fluidización incipiente) el movimiento de las partículas es cada vez más intenso, formándose torbellinos y desplazándose al azar. El contenido del tubo se parece a un líquido en ebullición debido a la formación de burbujas del fluido gaseoso similares a las del vapor, y se ha dado el nombre de lecho hirviente a los sólidos fluidizados de este modo. La velocidad lineal del fluido entre las partículas es mucho mayor que la velocidad en el espacio situado por encima del lecho. Por consiguiente, casi todas las partículas caen al lecho una vez que el fluido abandona éste.
Figura 2.4: Porosidad en lechos fluidizados Cuando el fluido es un líquido las partículas se mueven al azar por el seno del mismo, y generalmente lo hacen en forma individual, ésta es la fluidización particulada. En el caso de que el fluido sea un gas, el comportamiento del lecho está influenciado, en gran medida por el tamaño de las partículas. En condiciones de buena fluidización parte del gas circula entre las partículas individuales, pero la mayor parte del mismo circula en burbujas que no contienen prácticamente sólidos. En la superficie del lecho, las burbujas se rompen formando salpicaduras de partículas en la parte superior. Dentro del lecho, las partículas se mueven en agregados que son elevados por las burbujas o que se deshacen para permitir el paso de las mismas. Este fenómeno se conoce como fluidización agregativa o borboteante. Cuando las partículas fluidizan en un recipiente alto y estrecho, puede ocurrir un fenómeno conocido como fraccionamiento del lecho o fluidización en tapón (Ver Figura 3c). Las burbujas del gas tienden a unirse y a crecer a medida que avanzan por el lecho, llegando en algunos casos a tener el mismo diámetro del tubo. En estos casos se forma un lecho de gran espesor y las partículas ascienden por el recipiente separadas por una masa gaseosa. Este tipo de fluidización es normalmente indeseable.
Figura 2.5: Distintos tipos de fluidización 4) Fluidización continua: Cuando la velocidad del fluido sea suficientemente alta las partículas son arrastradas fuera del lecho, la porosidad se aproxima a la unidad (Ver Figura 2) y el lecho deja de existir como tal. El ∆P del lecho cae. La velocidad mín ima a la cual las partículas son arrastradas fuera del lecho se denomina velocidad límite o terminal de las partículas (vt). Esta velocidad límite puede ser calculada en forma aproximada (ignorando la interacción entre partículas) por la Ley de Stokes:
Si la partícula es esférica
⁄
, con lo cual obtenemos:
Que es la velocidad a la cual ocurriría el arrastre. En general se recomienda operar en el lecho con un fluido cuya velocidad sea la mitad de la velocidad límite.
Cuando un fluido corre hacia arriba por un lecho empacado de partículas a bajas velocidades, las partículas a bajas velocidades permanecen estacionarias. Al aumentar la velocidad del fluido, la caída de presión aumenta de acuerdo con la ecuación de Ergun. Si sigue aumentando la velocidad, llegará a un momento en que la fuerza de la caída de presión por el área de corte transversal igual a la fuerza gravitatoria sobre la masa de la partícula. Entonces, la partícula empezara a moverse, y éste es el principio de la fluidización o fluidización mínima. Como una primera aproximación, la caída de presión al comenzar la fluidización puede determinarse como sigue. La fuerza obtenida de la caída de presión por el área de corte trasversal debe ser igual a la fuerza gravitatoria ejercida por la masa de las partículas menos la fuerza de flotación del fluido desplazado.
( ) La velocidad mínima de fluidización es el valor de velocidad superficial del fluido, a la cual comienza el fenómeno de fluidización. Existen algunas discrepancias entre el valor calculado y el medio. Una ecuación recomendada para calcular esta velocidad
( )
Esta ecuación es válida para un intervalo de número de Reynolds entre 0.001 y 4000 con una deviación promedio
3. METODOLOGIA 3.1 MATERIALES Equipo de lechos empacados Jarra de 5 litros. Cronometro
3.2 PROCEDIMIENTO 3.2.1 Instalación del equipo 1. Verificar que el tanque de alimentación este lleno y debidamente conectado a la bomba del equipo de lechos empacados. 2. Verificar que la bomba este conectada a la alimentación eléctrica, (se recomienda conectarla en un regulador de corriente) 3. Verificar que las válvulas de los manómetros ( 3.1) estén cerradas.
Válvulas
Figura Error! No text of specified style in document. .1 Válvulas de los manómetros 4. Abrir todas las válvulas del equipo y prender el sistema de bombeo, asegurarse de que la válvula de descarga de la bomba no esté completamente abierta para evitar dañar el rotámetro que se encuentra en la entrada del equipo. 5. Purgar la mangueras de lo manómetros, para lo cual es necesario desconectar con cuidado dichas mangueras y dejar que el agua fluya, en ese preciso momento vuelva a conectar las mangueras a las válvulas ( cuando se realice este paso es
necesario que se mantengan cerradas las válvulas de los manómetros para evitar algún accidente ). 6. Una vez realizado esto apagar la bomba. 7. El equipo está constituido de un gran número de válvulas las cuales permiten dirigir el flujo de agua de manera ascendente o descendente a través de los lechos empacados.
3.2.2 Puesta en funcionamiento 8. La primera configuración que se va a manejar es la descendente, para lo cual se deben abrir y cerrar las válvulas que aparecen en la figura 3.2 (amarillo es abierto, y rojo es cerrado) es importante señalar que no todas las válvulas se abren y se cierran en el mismo sentido por lo que es necesario prestar atención a la rosca de la válvula (cuando se cierra esta tiende a subir ligeramente). Asegurarse que al menos una de las columnas tenga las válvulas completamente abierta para evitar accidentes.
Figura 3.2 Configuración descendente 9. Una vez colocadas las válvulas en su posición encender la bomba y esperar unos segundos para que el flujo se estabilice. 10. Cerrar las válvulas de las columnas, a las cuales no se quiere realizar un análisis. 11. Fijar un gasto de alimentación determinado, empleando la válvula de la bomba y midiéndolo en el rotámetro ( se debe hacer de manera delicada ya que se puede saturar el sistema ocasionando vibraciones y fugas de agua), una buena forma de darse cuenta de que se está saturando el sistema es fijarse de que el rotámetro dejara de señalar un aumento de gasto aunque se abra más la válvula de la bomba. (se recomienda 2Gpm) 12. Tomar la lectura en el manómetro correspondiente a dicha columna y anotarlos en la Tabla 3.1. 13. Una vez que se tomaron los datos apagar la bomba y reconfigurar las válvulas para monitorear la siguiente columna. 14. Repetir la misma operación para la última columna y posteriormente configurar las válvulas para llevar a cabo las mediciones pero ahora con el flujo ascendente, para este caso observe la figura 3.3 y anote los datos obtenidos en la Tabla 3.2.
Figura 3.3: Configuración ascendente
Tabla 3.1 Configuración descendente Columna
diámetro (m)
Altura (cm)
Delta P (pa)
Válvula
-
-.5
-667.08
1
.765
.5
667.08
2
.635
1.5
2001.24
3
.635
2
2668.32
Tabla 3.2 Configuración ascendente Columna
diámetro (m)
Altura (cm)
Delta P (pa)
Válvula
-
-.5
-667.08
1
.765
-.1
-133.416
2
.635
-.5
-667.08
3
.635
-
-
4. RESULTADOS 4.1 Realice una gráfica comparativa entre los resultados obtenidos entre la configuración descendente y ascendente. 3000 2500 2000 1500 Caída de 1000 presión
Descendente Ascendente
500 0 0
1
2
3
4
-500 -1000
Numero de columna
Grafica 4.1: Caída de presión en las diferentes columnas El primer aspecto importante a señalar es porque una caída de presión es positiva y la otra negativa; esto se debe a que para calcular la diferencia de alturas siempre se restó la parte izquierda (conectado en la parte superior de la columna) del manómetro menos la derecha (conectado en la parte inferior de la columna). Por lo que en un flujo descendente generara la resta de un número mayor menos uno menor (debido al orden en que entra el fluido en el manómetro). Sin embargo en el ascendente pasa de forma inversa ya que el fluido entra en contacto primero en la parte derecha del manómetro y posteriormente en la izquierda, y debido a que existe una pérdida de fricción esta resta será entre un número menor y uno mayor. La magnitud de la caída de presión (valores absolutos) debería ser mayor en una configuración ascendente ya que se fluidiza el lecho, y en el caso de que no exista un lecho, se pierde mayor energía al elevar un fluido por la existencia de una fuerza contraria (la gravedad). Pero nos arrojó una caída de presión menor. Al tratar de repetir las mediciones se presentó un problema ya que los manómetros median siempre una caída de presión cercana a 0 con el mismo gasto analizado.
Checando el equipo se llegó a la conclusión de que
una válvula estaba
vencida, la cual se señala a continuación.
Figura 4.1: Válvula dañada
No existe problema en un flujo descendente ya que esta válvula se utiliza abierta, sin embargo en el flujo ascendente se requiere que esta válvula este cerrada (lo cual no se puede por su condición). Esto provoca que en el flujo ascendente se genere un encuentre entre 2 corrientes de fluidos con las mismas condiciones y por lo consiguiente una caída de presión nula. Si se toma este hecho se llega a la conclusión que las mediciones realizadas la primera vez en la configuración ascendente efectivamente estaban erróneas ya que aunque la válvula no estaba completamente rota, estaba desgastada y permitía que se generara un pequeño flujo el cual amortiguaba la caída de presión.
4.2 COMENTE EL EFECTO DEL DIÁMETRO Y EL MATERIAL DE LAS COLUMNAS EN LA CAÍDA DE PRESIÓN. El diámetro afecta directamente en la caída de presión, ya que a menor diámetro mayor velocidad, y por consiguiente mayor caída de presión (al compararlo con la ecuación de Darcy). Aunque el sistema no señalaba si tenía empaques o no; la forma, longitud y propiedades generaran flujos diferentes dentro de él, provocando caídas de presión diferentes Otro aspecto que se debe mencionar es que la diferencia entre la columna 2 y 3 es la longitud y la forma de la entrada de la tubería. La 2 es más larga sin embargo tiene una entrada bien perfilada, a comparación de la tercera que es una entrada abrupta. Esto repercute directamente con la caída de presión, tal como se explica en la introducción
4.3 EXPLIQUE LA IMPORTANCIA DE LOS LECHOS EMPACADOS EN LA INDUSTRIA. Algunos de los usos que se le dan a los lechos empacados en las industrias son los siguientes:
Los lecho s empacados en la industr ia petrolera:
Se utilizan los lechos empacados en la industria petrolera para el adulzamiento del gas natural o gas de sonda. Uno de los procesos más importantes en el adulzamiento de gas natural es la eliminación de gases ácidos por absorción química con soluciones acuosas con alcanol-aminas. De los solventes disponibles para remover H2S y CO2 de una corriente de gas natural, las alcanol-aminas son generalmente las más aceptadas y mayormente usadas que los otros solventes existentes en el mercado.
Ab sor ción de g ases ácido s:
Es la parte del proceso donde se lleva a cabo la retención del ácido sulfhídrico y el bióxido de carbono de una corriente de gas natural amargo utilizando una solución acuosa de Di etanol amina a baja temperatura y alta presión.
Depuradores con lechos empacados:
La adaptabilidad de la absorción de gases como un método de control de la contaminación depende por lo general de los siguientes factores: 1) la disponibilidad del solvente adaptable; 2) la eficiencia de remoción requerida; 3) la concentración del contaminante en el vapor de entrada; 4) la capacidad requerida para el manejo de gas residual; y 5) el valor de recuperación del (de los)contaminante(s) o el costo de desechar el solvente irrecuperable (EPA, 1996). Los depuradores con lechos empacados son utilizados típicamente en la industria química, aluminio, coque, aleaciones ferrosas, alimentos, agrícola y cromado por electro-plateado. Estos depuradores han tenido un uso limitado como parte de los sistemas de desulfurar el gas (DGS) de salida, pero la proporción de flujo de la solución absorbente debe ser controlada debidamente pare evitar la inundación del depurador (EPA, 1998; EPA, 1981).
Reactores d e lechos empacados.
Se utilizan a menudo para los procesos catalíticos.
Realice un informe respondiendo lo anterior y anexe sus comentarios.
5 SUGERENCIAS Y COMENTARIOS Sería bueno que se señalara si existe algún lecho en las columnas, y las propiedades de los mismos; de igual forma seria interesante que se dieran las longitudes de todos los tubos para comparar el resultado teórico (ecuación de Darcy) con el real. Otro punto que se debería abordar en la práctica es la verificación de la longitud equivalente en la válvula de compuerta inicial. La principal recomendación es cambiar la válvula que no sirve y que se señaló en esta práctica, además de que sería bueno que se señalara la dirección de cierre de las válvulas, ya que resulta tequioso y repetitivo determinar estas.
6. BIBLIOGRAFIA Procesos de transporte y operaciones unitarias, C.J. Geankoplis Transporte de momentum y calor, Mario Dondé, McGraw-Hill http://www.epa.gov/ttncatc1/dir2/fpackeds.pdf http://www.tesis.uchile.cl/tesis/uchile/2008/urzua_pg/sources/urzua_pg.pdf http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=48219771006 http://fjartnmusic.com/Personal/6o_Semestre_files/CP.pdf
http://www.mty.itesm.mx/dia/deptos/im/termofluidos/mec_fluidos/practica2_caidasdepresion.p df
Figura 6.1: Foto de evidencia
