Fluidizacion de Solidos Practica

Laboratorio de Operaciones UnitariasFacultad de Ingeniería

Unidad de Fluidización de Sólidos

Guía de Prácticas

1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

FLUIDIZACIÓN

Cuando un fluido fluye a través de de un lecho de partículas contenido en un

tubo, ejercerá una fuerza de empuje sobre las partículas y desarrollará una caída de

presión al atravesar el lecho, la cual se incrementa al aumentar su velocidad

superficial (la velocidad superficial es la que se calcula suponiendo el paso del

fluido por el tubo vacío). Si el lecho no tiene ninguna restricción y el fluido fluye

hacia arriba, se alcanzará una condición en la cual al incrementarse la velocidad del

fluido la fuerza de empuje causará que el lecho se expanda y de esta forma, ofrecer

menor resistencia al flujo hasta que la fuerza es suficiente para soportar el peso de

las partículas en el lecho. El lecho se vuelve fluidizado y el sistema fluido/sólido

muestra propiedades de un fluido lo que permite que los sólidos puedan ser

llevados a otra parte o recipiente. La caída de presión a través del lecho permanece

constante con los aumentos sucesivos de la velocidad del fluido, igualando el peso

efectivo del lecho por unidad de área.

(1)

Donde ∆P es el diferencial de presión medidos en el tuvo en U, p es la

densidad del fluido dentro del tubo en U y g es la aceleración de gravedad.

Mecanismo de la fluidización. Supóngase un tubo vertical, corto y lleno

parcialmente con una sustancia granular, como arena fina. Cuando entra aire con

velocidad baja por la parte inferior del tubo, el flujo ascendente a través de la arena

no da lugar a movimiento de las partículas. Se aumenta ahora lenta y

progresivamente la velocidad del aire; a medida que esto ocurre aumenta la caída

de presión del aire que circula a través del lecho, como indica el segmento rectilíneo

ΔPm=ΔP1000mm

∗1m∗ρP∗g

ΔP1=1mm1000mm

∗1m∗994Kg/m3∗9 .81m/ seg2=9 .7511Pa

ΔP2=15mm1000mm

∗1m∗994Kg/m3∗9 .81m/ seg2=146 .2671Pa

ΔP3=18mm1000mm

∗1m∗994Kg/m3∗9 .81m/seg2=175 .5205 Pa

OA de la Figura 1. Llega un momento en que la caída de presión es igual a la fuerza

de gravedad sobre las partículas y los granos comienzan a moverse, éste es el

punto A de la gráfica. Al principio, el lecho se expansiona lentamente manteniendo

los granos todavía en contacto; la porosidad aumenta y la caída 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.

A partir del punto F 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, 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. Incluso en una

fluidización intensa, solamente los granos más pequeños son arrastrados por el

fluido y transportados por el mismo. Si se supone ahora que la velocidad del fluido

se aumenta todavía más; la porosidad del lecho aumenta, el lecho de sólidos se

expansiona y disminuye su densidad. El arrastre llega a ser apreciable y finalmente

completo. En el punto P, todas las partículas han sido arrastradas por el fluido, la

porosidad se aproxima a la unidad y el lecho deja de existir como tal. El fenómeno

se transforma entonces en el flujo simultáneo de dos fases. Desde el punto F al P y

posteriormente, la caída de presión aumenta con la velocidad del fluido, pero mucho

más lentamente que cuando las partículas sólidas estaban en reposo.

La fluidización sin arrastre de sólidos se denomina fluidización discontinua,

actualmente se aplica en muchos procesos catalíticos y a otras operaciones, tales

como el secado de cristales. Las principales ventajas de la fluidización discontinua

son: Asegura el contacto del fluido con todas las partes de las partículas sólidas;

mantiene una uniformidad completa de los sólidos debido a la total agitación del

lecho; y hace que las variaciones de temperatura sean mínimas en reactores de

gran tamaño, a causa también de la vigorosa agitación.

Cuando el arrastre es completo, se dice que la fluidización es continua y su

principal aplicación radica en el transporte de sólidos de un lugar a otro en una

instalación industrial; a veces el fluido es un líquido, en el que están suspendidos

los sólidos para formar un lodo que se puede bombear.

Figura 1.Caída de presión en sólidos fluidizados

En esta Unidad de Fluidización de Lechos Sólidos, el fluido es aire y la unidad es

operada a una presión ligeramente superior a la presión atmosférica. La porosidad

del lecho cuando ocurre una verdadera fluidización es la porosidad mínima para

fluidización m. Esta porosidad mínima puede ser encontrada experimentalmente

cuando el lecho se expande a una condición de espacios vacíos entre partículas

antes que se presente el movimiento de las partículas.

(2)

Donde L0, L son las alturas del lecho a valor cero de velocidad superficial y

velocidad de fluidización mínima respectivamente. ε0, ε son los espacios vacíos en

el lecho a valor cero de velocidad superficial y velocidad de fluidización mínima

respectivamente.

ε 0=V poro

V T=10 . 7424cm3

25cm3=0 . 4297

ε=1−L0∗(1−ε 0)L

ε 1=1−45∗(1−0 . 4297 )160

=0 . 8931

ε 2=1−45∗(1−0 . 4297 )490

=0 . 9651

ε 3=1−45∗(1−0 . 4297 )780

=0 . 9781

ε 0=volumen de canales vacíos en lechovolumen total del lecho (canales+sólidos )

Caída de Presión y velocidad superficial mínima. Como una primera

aproximación, la caída de presión al inicio de la fluidización puede ser determinada

de la forma siguiente. La fuerza obtenida de la caída de presión por el área

transversal debe ser igual a la fuerza gravitacional ejercida por la masa de las

partículas menos la fuerza de flotación del fluido desplazado.

p S0 = Lm S0 (1 - m) (p - ) g

Arreglando términos,

ΔpLm

=(1−εm)( ρ p− ρ)g (3)

Figura 2. Esquema de lecho fluidizado

La caída de presión a través de un lecho empacado es una función del Número

de Reynolds. Para los flujos laminares y turbulentos, Ergun propuso la ecuación

general siguiente:

Δp=150 μVLDp

¿(1−ε )2

ε 3+

1 .75 ρ (V )2 LDp'

(1−ε )ε3

(4)

Donde el primer término de la ecuación es para flujo laminar NRc < 10, y el

segundo es para flujos muy turbulentos. V es la velocidad superficial basada en

sección transversal vacía.

Factores Geométricos. Muchas partículas en lechos empacados a menudo

presentan formas irregulares. Se define como diámetro equivalente D'p al diámetro

Dp de una esfera que tenga el mismo volumen de la partícula.

Sustituyendo V por Vm, porm y L por Lm en la ecuación 4 y combinando el

resultado con la ecuación 3, se puede calcular la velocidad mínima del flujo Vm al

momento de iniciarse la fluidización.

1.75Dp2 (V m)

2 ρ2

εm3 μ2

+150(1−εm )DpVm ρ

εmf3 μ

−Dp

3 ρ( ρ p−ρ) g

μ2=0

(5)

Donde es la viscosidad del fluido.

Para lechos fluidizados, definiendo un Número de Reynolds como:

NRe.m=DpVm ρ

μ

La ecuación 5 se convierte en:

1.75(NRe .m )2

εm3

+150 (1−εm)(NRe .m)

εm3

−D p

3 ρ( ρ p−ρ)g

μ2=0

(6)

Cuando NRe.m < 20(partículas pequeñas), el primer término de la Ec. (6) se

puede descartar y cuando NRe.m >1000 (partículas grandes), se descarta el

segundo término.

2. DESCRIPCIÓN DE LA COLUMNA DE FLUIDIZACIÓN

La columna principal de fluidización tiene una altura de 72 cm esta hecha

de un cilindro acrílico de 1 pulgada de diámetro la cual se tapó en un extremo y

se le añadió una conexión para manguera de 5/16 para permitir la entrada del

aire a la columna; en el extremo superior e inferior se le montó una toma de

presión tipo grapa para manguera de 5/16”, se colocó una cinta métrica al

costado de la columna principal para medir la altura del lecho; también se le

agregaron 5 piezas del mismo material y una manguera en forma de arco de 1

pulgada de diámetro y 1 m de largo que se utiliza para que el lecho en la columna

pueda ser transportado y recirculado nuevamente a su posición inicial, a la

entrada de la columna a una altura de 12 cm se tiene una reducción que permite

aumentar la velocidad del aire y así mover las partículas; en unos de los brazos

de las piezas acrílicas conectadas a la columna principal se encuentra fijo un silo

T-201 que se emplea como almacenamiento de las partículas utilizadas como

relleno de la columna. Además se cuenta con 3 válvulas V-201, V-202 y V-203

que sirven para mantener el lecho fluidizado y a su vez suministran entrada y

salida del lecho a la torre (Ver figura 3). La columna se puede rellenar con

diferentes tipos de esferas tales como: polietileno lineal y polietileno de baja

densidad, con diámetros y pesos diferentes a objeto de conseguir un lecho con

mejor comportamiento experimental.

El aire de fluidización es suministrado por un compresor a una presión máxima

de 700 KPa. El caudal se regula con un Rotámetro instalado en la mesa de trabajo y

con ayuda de una válvula deslizante que forma parte del compresor. El aire entra al

Rotámetro y esta a su vez esta conectada a la cámara de fluidización por una

manguera conectada a una conexión existente en el fondo del cilindro.

Al atravesar el lecho, el aire sube por la cámara y se escapa a la atmósfera a

través de la malla colocada en la manguera en forma de arco, y las partículas son

retenidas en el silo T-201 al alcanzar la fluidización continua. Las lecturas de

longitud en el lecho serán determinadas a través de la cinta métrica. La presión será

medida con un manómetro diferencial en forma de “U”.

Figura 3. Diagrama de la columna C-201

3. OPERACIÓN DEL COMPRESOR DE AIRE

1) El compresor es controlador por el interruptor de presión en operación normal.

Se detendrá automáticamente cuando alcance la presión máxima y arrancará

nuevamente cuando esta disminuya por debajo de la presión mínima. Los

puntos mínimo y máximo han sido ajustados en la fábrica y no necesitan

ajustes posteriores. Cualquier modificación a estos puntos anula la garantía.

2) El compresor se enciende al ser conectado a la toma de corriente eléctrica.

3) Al apagar se deberá descargar la presión del tanque a través de la válvula de

descarga que esta ubicada debajo del interruptor. Esto es estrictamente

necesario para re-arrancar la unidad ya que su omisión puede causar daños al

equipo.

4) La presión de salida debe ser previamente calibrada con la perilla roja debajo

del interruptor.

5) Se deberán mantener las siguientes precauciones:

- Colocar la tubería antes de usar.

- Nunca desatornillar las tuberías si hay presión de aire en el tanque.

- Nunca desarmar las partes eléctricas si el equipo esta conectado a la red

eléctrica.

- No mover la válvula de seguridad.

- No usar el compresor de aire si el voltaje de la red eléctrica es muy alto o

muy bajo.

- Nunca usar un cable de más de 5 mts de largo.

- Si la válvula de escape no funciona automáticamente al detener el motor,

se debe reparar inmediatamente.

- El aceite debe estar limpio y el nivel se debe mantener en él circulo rojo.

- Desconectar el equipo de la red eléctrica y liberar la presión del tanque

cuando el equipo no este en uso.

- Hay partes móviles y calientes bajo la tapa del compresor. Nunca operare

el equipo si no tiene colocada la tapa. Dejar enfriar el equipo antes de

cualquier reparación o mantenimiento.

4. PRECAUCIONES DE SEGURIDAD

Es necesario enfatizar el cuidado extremo y la precaución que se debe mantener

al manejar equipos de manejo y presurización de gases, aun en los casos de

manejar aire, debido a su potencial de daños a la salud por explosiones de equipos

hechos con polímeros o vidrio pirex por sobrepresión y de riesgos de arrastre

violento de polvo y arena. Aunque la unidad de fluidización cuenta con diversos

accesorios para la seguridad como piezómetros para operar y ventear excesos de

presión, se deberán guardar buenas prácticas de seguridad y el sentido común al

momento de operar este sistema. La precaución más importante es que el personal

que manipula el equipo utilice batas de laboratorio y protección visual para su

protección personal. El aire que sale del compresor no es apto para ser respirado.

5. OBJETIVOS

1. Elaborar una tabla inicial de Q, L y P partiendo de cero

2. Determinar la porosidad para cada una de las lecturas.

3. Determinar las velocidades superficiales para cada punto utilizando la

ecuación de Ergun.

4. Realizar una grafica de P vs. V superficial y compararla con el

comportamiento teórico representado en la Figura 1.

5. Reconocer e interpretar el incremento de presión de fluidización ΔPm , la

porosidad de fluidización εm y la velocidad superficial de fluidización Vm .

6. PROCEDIMIENTO

Al iniciar el experimento se deben cerrar todas las válvulas de la Unidad de

Fluidización de Sólidos, así como también la llave que regula el flujo de aire

del rotámetro.

Se seleccionan las partículas con las que se va a trabajar, las cuales deben

ser colocadas dentro del silo T-201; seguidamente se abrirá la válvula V-204

para dejar pasar las partículas a la columna principal C-201, la cual debe ser

llenada a una altura de 3cm aproximadamente y tomar este valor como “Lo”

altura inicial.

Luego abrir la válvula V-201 completamente. Conectar el compresor a la

corriente eléctrica, a continuación se calibra la presión de salida del

compresor, se abre la perilla del rotámetro un poco para permitir la entrada

de aire a la columna luego abrir la válvula deslizante V-101 hasta que la

presión de salida se encuentre en 30psi y se regula el caudal abriendo la

perilla del rotámetro hasta tener una lectura de 200L/min, si esta lectura no

llega a 200L/min se aumenta la presión de salida del compresor hasta tener

una presión de 60psi y así lograra calibrar el rotámetro.

Luego se debe ir aumentando el caudal del rotámetro progresivamente hasta

obtener las tres etapas de fluidización.

Al final de la experiencia se deberán tener por lo menos cuatro (4) puntos en

la tabla de Q, L, P, que se van a ir midiendo a medida que se muestren las

etapas de la fluidización.

El experimento se debe realizar luego con otra partícula sólida.

Se calcula la porosidad para cada L, utilizando la ecuación 2. Con la

ecuación 4 de Ergun se obtienen las velocidades superficiales a partir de los

valores de L y P encontrados en la tabla Q, L, P y los valores calculados

para El resto de variables de la ecuación se encuentran especificadas

como datos experimentales.

Se hace una grafica de log P vs. log V superficial . Los valores iniciales en las

pruebas experimentales, cuando el lecho esta estacionario, muestran

como lecturas 0, en la escala Log no hay 0, para poder graficar se tomó

como 0 un numero cercano que fue 0.01.

Figura 4. Diagrama de flujo del proceso

7. DATOS EXPERIMENTALES

Material Granular: Polietileno Lineal

Densidad: 0.90-0.93 g/cm3

Diámetro promedio de partículas: 0.3080 cm.

Porosidad inicial del lecho

0

Polietileno de Baja Densidad

Densidad: 0.915-0.935 g/cm3

Diámetro promedio de partículas: 0.4207 cm.

Porosidad inicial del lecho 0

Columna Principal C-201 de Fluidización:

Diámetro Nominal: 25,4 mm.

Longitud Nominal: 720 mm.

Densidad del aire: 1.16 kg /m3

Viscosidad del aire: 0,018 PA*s

Densidad del agua: 994 Kg/m3

Conversión Presión: 1mm H20 = 9.81 N m–2

8. BIBLIOGRAFÍA

McCABE W., SMITH J., "Operaciones básicas de ingeniería química" Quinta

edición 1993, McGraw-Hill, Inc.

SADDAWI S., Chemical Engineering Laboratory Manual, www.

[email protected], 2003.