Laboratorio de fluidos, sólidos y transferencia de calor - Grupo 1. Ingeniería química. Universidad Nacional de Colombia.
Lecho fluidizado Gina L. González H.(
[email protected]), Jorge L. Herrera M. (
[email protected]), Lina M. Salazar M.(
[email protected]), Maria A. Vergara A.(
[email protected] [email protected] ).
II. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Estudiar Estudiar el comportamiento comportamiento de un lecho al ser sometido sometido a fluidización, fluidización, así como como la variación variación de la velocidad y la caída de presión en el mismo durante dicho proceso.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ●
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Determi Determinar nar la porosid porosidad ad mínima mínima de fluidiza fluidizació ción, n, la veloci velocidad dad mínima mínima y la velocida velocidadd experimental. Determinar las pérdidas de presión por fricción del lecho Comparar la velocidad terminal experimental con respecto a la velocidad terminal teórica. Calcular la potencia requerida por el equipo.
III. M ARCO TEÓRICO La fluidización fluidización es un proceso en el cual se hace pasar un fluido -bien sea gas o líquidolíquido- a través través de una cama de partículas sólidas a determinada deter minada velocida velocidad, d, para obtener una suspensión homogénea de estos dos. A este conjunto de sólidos en suspensión en un fluido se le llama lecho flui fluidiz dizado ado y pose poseee la cara caracte cterí ríst stic icaa de compo comporta rtars rsee como como un fluid fluido. o. Cuando Cuando se tienen tienen velocidades por arriba de la velocidad mínima de fluidización. Para formar un lecho fluidizado fluidizado se debe partir de un lecho fijo, en donde donde la velocidad velocidad del del fluido es tan baja que las partículas del sólido aún permanecen inmóviles inmóviles como ignorando ignorando la presencia presencia de esta acción externa. A medida que se aumenta la velocidad con la que entra el fluido, se comienza expandir el lecho de partículas hasta alcanzar determinada altura (altura mínima de fluidización) punto en el que arranca la fluidización (La velocidad donde se alcanza esta condición se conoce como velocidad mínima de fluidización). Si se continúa con el aumento en la velocidad se llega al lecho homogéneo, el cual alcanza una altura de completa fluidización (L ). f Con un aumento posterior en la velocidad del fluido, se alcanza el lecho burbujeante, en el cual la mezcla se comporta como un líquido en ebullición con burbujas muy grandes alargadas vertical o horizontalmente. Este lecho burbujeante representa una desventaja debido a que disminuye el mezclado mezclado entre la fase densa y el fluido que atraviesa, además de crear una pronunciada pronunciada erosión erosión
en los depósitos. Finalmente, con velocidades mayores se alcanza un régimen turbulento y con velocidades mucho mayores se llega a transporte neumático, en donde se puede observar arrastre, es decir, las partículas viajan con el fluido (Figura 1).
Figura 1. Principios de regímenes
[3]
Características de partícula Esfericidad: Es
un valor que indica que tan cercana se encuentra una partícula de ser esférica-geométricamente-. Relaciona el área superficial de la esfera (S )e con el área superficial de la partícula (Sp ) con el mismo volumen. Para una esfera, = 1. Φ s =
Se Sp
(1) [1]
elaciona la masa de la partícula con el volumen hidrodinámico (volumen que la encierra más el de los poros) de la partícula. Densidad aparente de la partícula:
m ( particula)
ρ p= V ( particula)
(4) [1]
Clasificación de partículas
Las partículas en el lecho se van a clasificar según su tamaño y la densidad. En 1973, Geldart estableció una clasificación teniendo en cuenta el comportamiento sólido-gas de las partículas, nombrandolas como C (cohesivos), A (aireables), B (burbujeables) y D ( spoutable). Las partículas C se unen debido a interacciones partícula- partícula y tienen diámetros entre 0-30 μm , además, poseen un área superficial elevada y tienden a formar canales, por tal motivo son de difícil fluidización. Las partículas A poseen diámetros entre 30 y 100 μm y presentan buen mezclado, se caracterizan porque los lechos formados por las mismas, poseen un rango de no burbujeo. Las partículas B son más pesadas y más grandes con diámetros entre 100 y 1000 μm , mientras que las partículas D son sólidos con diámetros superiores a 1000 μm , por esta razón no son fáciles de fluidizar y también poseen tendencia a construir canales. La figura 2 muestra el diagrama de Geldart, en el cual se gráfica el diámetro de la partícula (en las ordenadas) y la diferencia de densidades de la partícula y el gas (en las abscisas).
Figura 2. Diagrama de Geldart [4] Caída de presión
La caída de presión se realiza sobre el fluido a través del lecho, por lo que se considera la fricción que se genera del fluido con respecto al tubo y a las partículas. En un lecho burbujeante se tiene que la caída de presión disminuye y que el gas arriba ocupa mayor volumen. Para un lecho fluidizado la caída de presión es constante y para un lecho turbulento la caída de presión aumenta debido a que la concentración de partículas abajo es mayor. En la figura 3, se representa el punto de mínima fluidización el cual corresponde a la V mf (velocidad mínima de fluidización), también es evidente que este punto corresponde al de máxima presión. Antes de llegar al punto de mínima fluidización se mantiene una cama fija y después se tiene una cama fluidizada hasta llegar al inicio del arrastre cuya velocidad corresponde a la velocidad terminal, la cual siempre es mayor a la de mínima fluidización.
Figura 3. Caída
de presión contra velocidad [3]
Fenómenos en los Lechos Fluidizados Lecho Fluidizado Homogéneo: las
partículas sólidas están distribuidas homogéneamente en el
lecho. Lecho Fluidizado con Formación de Burbujas: las partículas de mayor densidad se acumulan en
la zona inferior, las burbujas están exentas de sustancias sólidas, las burbujas de tamaño pequeño
van uniéndose para formar burbujas más grandes que revientan en la superficie. Formación de Canales: Si el sólido es un material de grano fino y las partículas se adhieren entre
sí, es posible que no se forme en lecho fluidizado, se forman canales de flujo preferente. El lecho fluidizado puede formarse adicionando agitación. Ventajas y desventajas de los lechos fluidizados. Ventajas
Se comportan como un fluido y por tal motivo su control se hace sencillo (e.g. Medición de nivel). ➔ Alcanzan el equilibrio térmico rápidamente, por esta razón son utiles para llevar a cabo procesos isotermicos. ➔ La circulación de sólidos permite realizar transferencias de calor con grandes rapideces. ➔ Su aplicación a gran escala se ve favorecida por el fácil control de la operación. ➔
Desventajas
La presencia de burbujas es casi inevitable, estas disminuyen los niveles de mezclado. ➔ Los tiempos de residencia son variables debido al rápido mezclado ➔ La abrasión por material particulado es un fenómeno que toma gran importancia ➔ Las partículas finas son transportadas neumáticamente y es necesario reemplazarlas si se quiere aproximar a un estado estacionario ➔ El control de la temperatura debe ser exhaustivo, pues a altos valores de esta variable la aglomeración es mayor. Por otro lado las temperaturas bajas disminuyen la velocidad de reacción. ➔
IV. M ATERIALES Y EQUIPOS Los equipos necesarios para la elaboración de la práctica son:
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Bomba centrífuga de 2 HP (1,4914 kW). Cilindro de calentamiento. Ciclón con dos salidas atmosféricas. Filtro de partículas sólidas. Panel de control. Pellets de polipropileno y urea Barómetro: Instrumento utilizado para medir la presión a la entrada y la salida del lecho. Funciona al comparar la presión en cierta sección con la presión atmosférica. Dos Transmisores de temperatura y humedad: Dispositivos magnéticos para la medición de presión y humedad que consiste en captar las diferencias de presiones generalmente por un diafragma y por medio de transductores convertirlas en medidas de potencial eléctrico. Permiten medir la temperatura y la humedad a la entrada y la salida del lecho.
V. PROCEDIMIENTO Caracterización del tamaño de partícula
Equipo de lecho fluidizado
VI. BIBLIOGRAFÍA Unit Operations of Particulate solids. Theory and Practice. Enrique Ortega Rivas http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/cabrera_v_a/capitulo3.pdf
http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2016/12/02/133311 http://www.fluidizacao.com.br/pt/home.php?pgi=classif.html Guía de laboratorio del departamento de IQ y Ambiental. Gomez Cristhian."Descripción del equipo y el sistema de control de lecho fluidizado (LIQ)", Bogotá, Universidad Nacional de Colombia, 2015. Duarte, A. Operaciones de Transferencia de Momentum y Manejo de Sólidos.Universidad Nacional de Colombia. Bogotá D.C., 1998. Ingeniería. (s.f.). Ingeniería de las Operaciones Básicas Mecánicas. Obtenido de http://www.gunt.de/images/download/Conocimientos-bsicos-lechos-fluidizados-y-tran sporte-neumtico_spanish.pd McCabe, W. L. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw Hill. Madrid, 2007. Smith, M. Operaciones Básicas de Ingeniería Química. Editorial Reverté S.A., 2003.
