FLUJO A TRAVES DE LECHOS EMPACADOS 1. OBJETIVOS:
1.1.
Objetivo General:
Determinar el diámetro equivalente de partículas para un lecho empacado de tubos metálicos “anillos rashing” y montura “ Berl”. 1.2.
Objetivos específicos:
Formar un lecho relleno.
Determinar la fracción hueca de los rellenos empleados.
Instalar flujo en un tubo en U.
Realizar cálculos aplicando ecuaciones como ser la ecuación de Ergun.
2. FUNDAMENTO TEORICO:
2.1. Lecho
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 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 1. a. 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. b. 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 2. c. 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 del fluido circula
en burbujas que se rompen en la parte superior dando origen a la formación de aglomerados.
d. Fluidización continua
Todas las partículas son removidas por el fluido, por lo que el lecho deja de existir como tal, mientras que la porosidad tiende a uno. 2.2.
Medio poroso
Se entiende por medio poroso “un sólido o arreglo de ellos con suficiente espacio abierto dentro o alrededor de las partículas para permitir el paso de un fluido”. Algunos ejemplos
de medios porosos son esponjas, tejidos, papel, mechas, arena, grava, escayola, ciertas rocas (caliza, arenisca), lechos de filtración, destilación, absorción 3. Los medios porosos pueden ser:
Impermeables cuando los poros no están interconectados.
Permeables cuando los poros están conectados.
2.3.
Tamaño de partícula
Cuando se mide el tamaño de una partícula esférica, con una regla o por otros procedimientos, se sabe lo que la medida significa. Pero con partículas no esféricas se tienen dificultades. El tamaño de la partícula d p se define de forma que sea útil para los objetivos de flujo y pérdidas de presión. Con esto en mente, como se evalúa d p depende del tipo de instrumento disponible para medir el tamaño. 2.4.
Flujo a través de lechos rellenos
El comportamiento de un lecho relleno viene caracterizado principalmente por las siguientes magnitudes:
2.5.
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. La fracción de huecos disminuye a medida que la esfericidad aumenta.
2.6.
Perdidas por fricción en lechos rellenos
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. c) los efectos de pared son despreciables. La pérdida friccional para flujo a través de lechos rellenos puede calcularse utilizando la expresión de Ergun:
Pérdidas viscosas
perdidas por fricción
Dónde: µ: Viscosidad de fluido, [Pa·s]. uo: Velocidad superficial de fluidización, velocidad que tendría el fluido si el recipiente no contuviera sólidos (u o= Q/S), [m/s]. dp: Diámetro de la partícula, [m]. ε:
Porosidad, [adimensional].
ρ:
Densidad del fluido, [kg/m 3].
∆P: Caída de presión, [Pa].
L: Longitud del lecho, [m].
Para lechos fluidizados se utiliza la siguiente ecuación:
( ) Dónde: µ: Porosidad, [adimensional].
ρp :
Densidad de las partículas del lecho, [kg/m 3].
ρf : Densidad del fluido, [kg/m 3]. ∆P: Caída de presión, [Pa].
L: Longitud del lecho, [m]. g: Aceleración de gravedad, [m/s 2]. La ecuación es una propuesta por Ergun (1952) basada en la hábil combinación de la ecuación de Kozeny-Carman para el flujo en la región viscosa, y la ecuación de BurkePlummer para la región turbulenta. 3. MATERIALES: Relleno “anillos rashing ” y montura
Un manómetro
“v”
Flexómetro
Una jarra graduada
Manguera
Cronómetro
Probeta graduada
Un balde
Una bomba
Tubo de vidrio
Agua Tubo en “U” de plástico
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:
a. Determinar el volumen de los anillos que se quieren analizar en una probeta graduada. b. Agregar agua a la probeta con los anillos y dividir el volumen inicial sin agua entre éste volumen para calcular la fracción hueca. c. Medir el diámetro del tubo. d. Calcular la altura del lecho relleno. e. Montar el equipo en una pared. f. Encender la bomba y abrir las válvulas para la circulación de agua. g. Realizar tres mediciones del caudal a diferentes alturas con los dos tipos de rellenos. h. Anotar los datos, realizar los cálculos correspondientes.
5. DATOS, CALCULOS Y RESULTADOS A. Relleno “Anillos Rashing” 5.1.
Datos:
Los siguientes datos se tomaron suponiendo que la temperatura es a 20ºC.
Nº
5.2.
1
0,17
0,48
0,478
1,08
2
0,41
0,89
0,887
2,05
3
0,625
0,86
0,857
1,06
Cálculos:
a. Calculo de la altura o longitud del lecho relleno
b. Calculo de la fracción hueca
c. Calculo del caudal y velocidad
̇ ] ̇ [ [] ̇ [] ̇ ̇
̇
̇
d. Calculo de caída de presión ΔP
e. Calculo del diámetro de partícula aplicando la ecuación de Ergun
5.3.
Resultados:
̇ []
1
0,443
0,226
1663,1
4,78 x 10 -
0,478
2
0,433
0,221
4011,1
1,94 x 10 -3
0,194
3
0,809
0,413
6114,5
4,31 x 10 -
0,431
̅
= 0,37
A. Relleno Montura “Berl” 5.4.
Datos:
Nº
1
0,17
0,580
0,579
2,09
2
0,30
0,775
0,773
2,08
3
0,48
0,750
0,749
1,08
5.5.
Cálculos:
f. Calculo de la altura o longitud del lecho relleno
g. Calculo de la fracción hueca h. Calculo del caudal y velocidad
̇ [] ̇ ] ̇ [ ] ̇ [ ̇ ̇
̇
i.
Calculo de ΔP
j. Calculo del diámetro de partícula aplicando la ecuación de Ergun
5.6.
Resultados:
̇ []
1
0,443
0,111
1663,1
1,13 x 10 -
1,13
2
0,433
0,150
2934,9
1,16 x 10 -2
1,16
3
0,809
0,278
6114,5
2,46 x 10 -
2,46
̅
= 1,58
6. OBSERVACIONES:
Los rellenos “anillo rashing ” tienen forma regular son tubos circulares de igual longitud que su diámetro. Los rellenos montura “Berl” a tienen una forma irregular son de material cerámico, tienen un aspecto de silla de montar, se usan en columnas de destilación. Es necesario controlar el nivel de agua en el tanque, para que éste circule en un ciclo cerrado con ayuda de una bomba, verificar que la manguera no esté obstruida. Mediante llaves de paso se controlará el flujo de agua según será necesario. 7. CONCLUSIONES:
Se llegó a determinar el diámetro equivalente de los rellenos mediante la ecuación de Ergun, obteniendo valores cercanos a los reales en el caso de los “anillos rashing”, sucede lo contrario con “montura Berl” . Asimismo se determinó la fracción hueca de los rellenos.
Los diámetros de partícula obtenida para el primer relleno “anillos rashing”
no fueron
cercanos ya que la segunda medición no coincide con los otros, esto se debe a que no se hizo una buena toma de datos. Del mismo modo los diámetros de partícula obtenida para el segundo relleno “montura Berl” no fueron cercanos ya que la tercera medición no coincide con los otros provocando
una dispersión de los datos, esto se puede deber a que no se hizo una buena toma de datos. Los diámetros de partículas fueron: Relleno “anillos rashing” 0,37 [cm] Relleno “montura Berl” 1,58 [cm]
Estos datos representan el diámetro promedio de cada partícula en cada lecho correspondiente.
8. BIBLIOGRAFIA:
http://www.monografias.com/trabajos27/lecho-fijo/lechofijo.shtml#ixzz2kAu8hKQB
http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r88750.PDF
Meléndez, J. M. y B. Gutiérrez, "Guía para el Laboratorio de Fenómenos de Transporte
I",
Departamento
de
Termodinámica
y
Fenómenos
Transferencia, Universidad Simón Bolívar, Valle de Sartenejas, 2004.
de
