Informe-8 - CAIDA DE PRESION DE UN LECHO POROSO PDF

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICALaboratorio deingeniería química IITEMA: CAIDA DE PRESION DE UNLECHO POROSOALUMNOS:Bernaola Sáenz Steven 1316120413Contreras Estrada Miguel 1316120137Leyva Mayo Nahomi 1316120529Leyva Torrejón Fidel 1316120333Maldonado Natividad Alons...

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Laboratorio de Ingeniería Química

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

Laboratorio

de

ingeniería química II TEMA: CAIDA DE PRESION DE UN LECHO POROSO ALUMNOS:  Bernaola Sáenz Steven

1316120413

 Contreras Estrada Miguel 1316120137  Leyva Mayo Nahomi

1316120529

 Leyva Torrejón Fidel

1316120333

 Maldonado Natividad Alonso

1316120101

 Pimentel Moraya Rossmery

1226120486

 Rojas Rivera Jancarlo

1116110116

PROFESOR: ING. Carlos Ángeles Queirolo

FECHA DE ENTREGA: 6 de Noviembre del 2017 Bellavista – Callao 1

Contenido I.

INTRODUCCION.....................................................................................................................3

II.

OBJETIVOS..............................................................................................................................4

III.

MARCO TEÓRICO...............................................................................................................5

IV.

EQUIPOS Y MATERIALES................................................................................................11

V.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL...................................................................................12

VI.

OBSERVACIONES EXPERIMENTALES..........................................................................13

VII.

DATOS EXPERIMENTALES..............................................................................................13

VIII.

RESULTADOS OBTENIDOS Y CALCULOS EFECTUADOS.........................................14

IX.

ANALISIS DE RESULTADOS............................................................................................18

X.

CONCLUSIONES...................................................................................................................18

XI.

BIBLIOGRAFIA..................................................................................................................19

XII.

ANEXO................................................................................................................................20

I.

INTRODUCCION

Una torre o columna empacada es una estructura vertical, normalmente cilíndrica en cuyo interior se alojan materiales que la rellenan (Empaques). Este tipo de equipos se usan para proveer un contacto íntimo entre las fases que coexisten en un proceso determinado que se sucede a contracorriente; esto proporciona grandes áreas de contacto interfacial con el objeto de facilitar el intercambio de masa, calor o ambos simultáneamente. Las columnas empacadas son utilizadas en una gran gama de procesos, como destilación, extracción, humidificación (deshumidificación) y en absorción gaseosa. La absorción es una operación de contacto líquido - gas, donde el líquido cae por gravedad desde el tope de la torre, mojando en forma de película el material que conforma el relleno. El gas, sin embargo, entra por la parte inferior del equipo y sube por los espacios libres entre los empaques. El diseño de torres de absorción gaseosa es un proceso integral, que se inicia con el diseño del empaque, que requiere de la consideración de factores mecánicos, la caída de presión, la capacidad de flujo y la inactividad que presenta ante los compuestos del proceso. Por lo tanto el cálculo de la caída de presión en una torre de empaques es indispensable para su posterior diseño y dimensionamiento, en esta experiencia determinaremos la caída de presión de una torre empacada que trabaja a una temperatura constante, en el cual el fluido de trabajo es el aire y el empaque es un lecho compuesto por anillos rashing.

II.

OBJETIVOS - Determinar de manera experimental la pérdida de carga en la torre empacada del Laboratorio de Operaciones Unitarias. - Conocer el funcionamiento del rotámetro utilizando diferentes caudales y caídas de presión. - Encontrar una correlación para la caída de presión en función del flujo de aire que atraviesa la torre. - Analizar los posibles inconvenientes que se podrían presentar en la determinación de la caída de presión en la torre empacada.

III.

MARCO TEÓRICO

Cuando un líquido o un gas se mueve con velocidades bajas a través de un lecho poroso de partículas sólidas como en el caso de una torre de relleno, no produce movimiento de partículas. 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: fuerzas por frotamiento viscoso y fuerzas de inercia. 3.1. ECUACIÓN CAÍDA DE PRESIÓN DEL LECHO FIJO Y VELOCIDAD El desarrollo de esta ecuación parte de analizar las fuerzas a las que están sujetas las partículas cuando se encuentran en el punto de transición de lecho fijo a lecho fluidizado. Lo que representa es que la caída de presión en el lecho fijo es igual al peso aparente de las partículas por unidad de área de la sección transversal.

∆ ∆ |

= 150 ∗ �

(1 − �)2 � 3

(1 − )

� � (1.75 �� � )

2

+

�

[Ecuación de Ergun] (1)

���

|

3

Dónde la simbología corresponde a: ΔP: caída de presión provocada por el lecho (Pa = Kg/m.s2) L: altura del lecho (m) Ɛ : porosidad del lecho µ: viscosidad del fluido (Kg/m.s) ɸ : esfericidad de las partículas que conforman el lecho Dp: diámetro de las partículas (m) v: velocidad del fluido (m/s) ρgas: densidad del fluido (Kg/m3)

En este punto es conveniente aclarar que:  La esfericidad es igual a 1 para partículas esféricas, y para partículas no esféricas se puede obtener según gráficas o según tablas, como la TABLA Nº1. TABLA Nº1: ESFERICIDAD DE PARTÍCULAS Forma de la partícula

Esfericidad

Esfera

1

Cubo

0.81

Cilindros h=d

0.87

h = 5d

0.70

h = 10d

0.58

Discos h = d/3

0.76

h = d/6

0.60

h = d/10

0.47

Arena de playa

Tan alta como 0.86

Arena de rio

Tan baja como 0.53

Distintos tipos de arena

0.75

Solidos triturados

0.5 – 0.7

Partículas granulares

0.7 – 0.8

Trigo

0.85

Anillos Rasching

0.26 – 0.53

Silla Berl

0.30 – 0.37 Fuente: Levenspiel, 1993

 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 => ∆∆∆ . �

��

= 150 ∗

� (− − 1−)

2

(�� �)2 �3

(Sólo ΔP por viscosidad) (− − 1− )

Si Re > 1000 =>

∆ ∆ ∆

�

.

� �

= 1.75

Ecuación de Koseny Karman

3

Ecuación de Blake – Plummer ��

(Sólo ΔP por energía cinética)

Si se aumenta constantemente la velocidad del fluido, la pérdida de carga ΔP 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). 3.2. MECANISMO DE FLUIDIZACIÓN Cuando un gas 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: s baja e las partículas  Lecho fijo (segmento D� DD�D): Cuando la velocidad del fluido permanecen inmóviles, y a medida que se aumenta la velocidad aumenta la caída de presión del aire que circula a través del 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). D ): � �DD  Región intermedia (curva DDD Al �principio el lecho se expansiona lentamente manteniendo los granos todavía en contacto; la porosidad aumenta 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.  Lecho fluidizado (segmento D�DD�DD �Ddel ): Apunto F (punto de fluidización incipiente) partir 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. 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. 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 Nº1: DISTINTOS TIPOS DE FLUIDIZACIÓN

Fuente: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/ lim/ guarneros_m_g/capitulo3.pdf

 Fluidización continua: Cuando la velocidad del fluido sea suficientemente alta las partículas son arrastradas fuera del lecho, la porosidad se aproxima a la unidad y el lecho deja de existir como tal. El ΔP del lecho cae. La velocidad mínima 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:

(

�

−

�).

.

= 3. �3

..

�

Si la partícula es esférica � �3 3= 4/ 3 (��/2 )3 , con lo cual obtenemos: ��

=

2

(

�

− �). 1 8 88

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. 3.4.

APLICACIONES DE LA FLUIDIZACIÓN

La utilización amplia de la fluidización comenzó en los reactores catalíticos de cracking en la industria del petróleo. Actualmente se aplica la fluidización a muchos procesos catalíticos y a otras operaciones, tales como secado de cristales, secado de cereales, congelación de alimentos, combustión de residuos, separación de residuos sólidos, etc. 3.5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FLUIDIZACIÓN Las principales ventajas de la fluidización son:  Asegura el contacto del fluido con toda la superficie de la partícula sólida.  Las variaciones de temperatura dentro del lecho son mínimas.  Se evita la existencia de puntos calientes, los cuales pueden estar presentes en lechos estáticos.  Pueden ponerse, dentro del lecho, cortacorrientes o “baffles” y equipos de intercambio de calor como dentro de una fase fluida.  Se pueden utilizar partículas de tamaño muy pequeño, aumentando la superficie de contacto entre las dos fases y por ende la efectividad de la operación.

 Asimismo, en el caso de los catalizadores usados y/o carbonizados se los puede recircular entre el reactor y el regenerador en forma continua  La caída de presión es independiente del flujo.

IV.

EQUIPOS Y MATERIALES

EQUIPO DE ABSORCIÓN DE GASES El equipo de absorción de gases ha sido diseñado para demostrar principios de absorción de gases y para calcular la caída de presión en la misma y consta:        

Unidad de columna empacada para absorción de gases constituida por una columna de vidrio boro silicato, formada por dos troncos de 50 mm de longitud cada uno y con diámetro interno de 80mm. La columna contiene anillos Raschig de vidrio borosilicato de 10 mm. Tanque de alimentación para el solvente, de acero inoxidable, de 50 litros de capacidad. Bomba de alimentación centrifuga de acero inoxidable para hacer circular el solvente. Un compresor giratorio para bombear el aire en la columna. Medidor de caudal para el solvente. Medidor de caudal para el aire. Medidor de caudal para el CO2.

MATERIALES 

Termómetro



Centímetro

REACTIVOS 

Balón de aire

V.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Regular las válvulas para que los manometros diferenciales permitan leer las perdidas de carga. Encender el compresor P1 y regular el caudal de aire a 30 litros/minuto. Despues de 3 minutos, en condiciones estacionarias, tomar lectura de las perdidas de carga en los troncos inferior y superior de la columna. Repetir para diversos flujos de aire: 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 y 100 litros/minuto. fig. 1. Medidor de caudales

Fuente: Foto obtenida en LOPU

fig. 2. Equipo tanque hasta 3 /4 de su nivel con agua destilada

Fuente: Foto obtenida en LOPU

VI.

OBSERVACIONES EXPERIMENTALES   

VII.

Se observó que para aumentar el área de contacto entre el líquido y el gas en la absorción de gases las columnas de relleno deben ser cilindros que contienen empaques o anillos, que pueden ser de cerámica, vidrio, plástico. Las unidades de relleno huecas garantizan la porosidad del lecho y el paso de los fluidos. Tener pasos adecuados para la toma de datos en el tope–medio, así como también en el medio-fondo y luego promediar para hallar la caída presión total.

DATOS EXPERIMENTALES Tabla N° 1: Datos de caída de presión en una columna de empaque Q: Caudal (L/min) 30 40 50 60 70 80 90 100

∆� ����(�� ���) 5 4 2.5 2 3.5 24 41 55 Fuente: LOPU.

 Condiciones de operación: ��� ��������: 20℃ .  Datos de la torre de empaque: Altura: 1.5 m Diámetro: 0.1 m  Datos del relleno: Anillos Raschig de 8 mm de diámetro.

∆� ����� (�� ���) 48 49 58 57 55 38 24 10

VIII.

RESULTADOS OBTENIDOS Y CALCULOS EFECTUADOS

Se procedió a hallar la caída de presión en Pascales y la caída de presión total. Para lo cual se efectuó conversión en sus unidades de la presión para agilizar cálculos en el cual se llevó a pascal. El líquido manométrico se trata de agua, entonces: ∆P total = ∆P tope + ∆P fondo

Donde: P:presión (Pa) ℎ: ()

TABLA N°2 Q (L/min)

Q (m3/s)

∆P tope, Pa

∆P fondo, Pa

3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

0.0005

49.03325

470.7192

0.0006 67 0.0008 33 0.001

39.2266

480.5259

24.5166

568.7857

19.6133

558.9791

34.3233

539.3658

0.0011 67

∆P tot al, Pa 519.752 5 519.752 5 593.302 3 578.592 4 573.689 1

Fuente: Elaboración propia

a) La torre de empaque esta rellena de anillos Raschig: Se interpolo los datos de la tabla 6.3 en el cual sus Características de los empaques aleatorios se ubican en (Anexo A):

Para los anillos Raschig 8 mm se considera: Superficie especifica: �� = 627.571 2/

3

Porosidad: � = 0.7014 Considerando la caída de presión para el fluido de una sola fase: Hallaremos el diámetro efectivo de las partículas: � � = 6 ∗ (1 − �) = ��

6 ∗ (1 − 0.7014) 627.571

= 0.00285 4 4 4

b) Hallando la velocidad del fluido para cada caudal: �� =

� �����������

�∗0.1

2) = 0.00785 2

�

Área transversal de la torre: �

�����������

∗2

=(

4

)=(

4

c) Las propiedades del agua a 20°C (obtenidos del Perry) son: 5 5 = 1.825�10 −5

��

.

// = 1.204/

3

d) Para el cálculo de Re usaremos la siguiente ecuación: ∗�� ∗ � �� = �

Con los cálculos anteriores construimos la siguiente tabla: TABLA N°3 Q m3/s 0.0004

∆P total, Pa 519.7525

Vs

Re/(1 −

Re

�) 0.0509

9.583

32.093

115311.616

0,0006 67 0,0008 33 0,001

519.7525

0,0849

15.985

53.533

69132.657

593.3023

0,10611

19.979

66.908

63141.369

578.5924

0,1273

23.968

80.267

51326.136

0,0011 67 0,0013 33 0,0015

573.6891

0,1486

27.979

93.7

43596.547

608.0123

0,1698

31.97

107.66

40436.054

637.4323

0,191

35.962

120.435

37687.287

0,0016 67

637.4323

0,2123

39.97

133.868

33906.136

Fuente: Elaboración propia

GRAFICO N°1

Q m3/s VS P

660 640 620 600 580 560 540 520 500

00.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.0016 0.001...