fluidizacion 2014 mio
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I. NOMENCLATURA
Q : Caudal del fuido quecircula por el lecho
: Densidad del fuido
Gs : Flujo msico por unidadde rea
A: rea de la seccintransversal de lacolumna
m : Reynold modicado Dp: Dimetro de partcula : Viscosidad del fuido xi : Fraccin en peso
Di: Dimetro de aerturade la malla del tami!"#$%
aparente : Densidad aparente dellecho
absoluto : Densidad asoluta dellecho
0 : &orosidad inicial de laarena
: &orosidad del lecho
fuidi!ado
: 's(ericidad
: Factor de (orma Pexp : Cada de presin totale)perimental
h : "ltura manom*trica+para la cada depresin
CCl4: &eso especco delCCl,
Agua: &eso especco dela-ua
Ht: "ltura total de lacolumna
Psinlecho: Cada de presin en
columna sin lecho Plecho : Cada de presin en el
lecho0: "ltura inicial del lecho : "ltura nal del lecho
!: Densidad del fuido s : Densidad de la arenaGm!: Velocidad mnima defuidi!acin
m!: &orosidad mnima defuidi!acin
g : "celeracin-ravitacional
P"arman: Cada de presin por.arman
Pe#a: Cada de presin por/eva
P$rgun: Cada de presin por'r-un
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FLUIDIZACINLABORATORIO DE INGENIERA
QUMICA II
II.RESUMEN
/a fuidi!acin como operacin unitaria es conocida desde hacevarias d*cadas en la industria+ aplicndose en procesos depuricacin o en complejos reactores catalticos1 'sta operacinconsiste en el paso de un fuido con la suciente velocidad paramantener en suspensin a un lecho de partculas1 " velocidadesin(eriores a la de fuidi!acin el lecho permanecer esttico slo-enerndose una cada de presin en el fuido por su paso atrav*s del lecho1
'l propsito de este traajo es estudiar el e(ecto de la cada depresin en la fuidi!acin de partculas slidas con a-ua lquida+reali!ando la presente prctica en el equipo de fuidi!acin dellaoratorio de operaciones unitarias de la (acultad de 2umica e3n-eniera 2umica+ 4niversidad 5acional %ayor de #an %arcos1
/as condiciones de operacin de esta prctica se desarrollaron a0atm de presin y a una temperatura de 067C amiente y 89 7Cdel fuido :a-ua;1
'n la prctica se hace uso de una columna de vidrio pre) de 6? hasta 0>1,6?1 Con respecto al fujo descendente+la ecuacin que ms se apro)ima es tami*n la de %a) /eva condesviaciones en el ran-o del ,61=,? al 691,0? con respecto a losvalores e)perimentales1
#e otienen valores de ,10@ A-Bm8s y =1,8de velocidad mnima yporosidad mnima de fuidi!acin respectivamente+ adems de
una cada de presin de 82.055 A-(Bm81
Ing. Teoflo Meneses
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QUMICA II
#e concluye que la ecuacin de %a) /eva es la que ms seapro)ima a los valores e)perimentales de cada de presin1
#e recomienda manipular cuidadosamente la vlvula decompuerta que controla el caudal del fuido que in-resa a lacolumna+ para evitar que el lecho fuidice de manera rusca y nose oten-an los datos que se requieren1
III. INTRODUCCIN
'n 080+ el alemn inAler re-istr un procedimiento que eliminaaciertas dicultades inherentes a la -asicacin de carones que danceni!as (usiles a la temperatura de traajo1 'ste consista en el pasode una corriente de -as a alta velocidad sore partculas de carn1/as partculas de carn se mantenan suspendidas sin necesidad deun apoyo1 /a t*cnica ideada por inAler permiti solucionaradecuadamente los prolemas con el cracAin- en la industria delpetrleo1 E as+ a partir de 0,9 ha ido e)tendi*ndose a numerosas
operaciones+ de aqu la importancia de su estudio1
/a fuidi!acin es un proceso de contacto entre un slido y un fuidoen el cual el lecho (ormado por partculas slidas namente divididasse levanta y se a-ita por medio de una corriente ascendente defuido1 'l fuido al atravesar el lecho de partculas su(re una cada depresin que tiende a aumentar con(orme la velocidad se acreciente+hasta lle-ar a un punto donde las partculas quedan suspendidas1 #ille-ado a este punto se si-ue aumentando la velocidad se deecomproar que la cada de presin permanece apro)imadamente
constante1/os ojetivos de la prctica son Determinar las p*rdidas por (riccinen el lecho de partculas de arenaG determinar la porosidad yvelocidad mnima de fuidi!acinG determinar el r*-imen del fuido enla columna y estimar la cada de presin con las ecuaciones de /eva+Carman y 'r-un para lue-o comparar los resultados con el valore)perimental1
'l estudio aqu reali!ado nos permitir conocer una operacin que esaplicada en una -ran cantidad de industrias1 'n este caso+ usando
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QUMICA II
como fuido para la fuidi!acin el a-ua+ que es de uso comHn paratodo proceso y nos permitir vericar estudios hechos anteriormente1
IV. PRINCIPIOS TERICOS
FLUIDIZACIN Y PRDIDA DE CARGA
/a fuide! de un lquido tiene su ori-en en la movilidad de laspartculas que la constituyen+ propiedad que no poseen losslidos1 #in emar-o+ es posile separar las partculas de unlecho de slidos sucientemente para que -anen esta
movilidad+ mediante el fujo constante de un lquido o un -as auna velocidad suciente1 Cuando este lquido tiene unavelocidad pequeIa+ los intersticios entre las partculas o(recenla suciente resistencia para provocar una cada de presin1Jsta aumenta con(orme la velocidad del fuido se incrementa+pero lle-a un momento en que se i-uala al peso de laspartculas que comien!an a separarse unas de otras1 #e diceentonces que estn fotando hidrodinmicamente+ o en estadofuidi!ado1 #i se aumenta aHn ms la velocidad del fuido+ el
lecho continHa e)pandi*ndose y eventualmente alapro)imarse a la velocidad terminal+ las partculas sonarrastradas por el fuido1 'sta situacin se ilustra en lasi-uiente -ura
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QUMICA II
Figura 1:Comportamiento de la cada de presin en el lecho con respecto a lavelocidad :Coulson and Richardson+ 8==8;
/a p*rdida de car-a en lechos de partculas depende de lossi-uientes parmetros
Variabl! "#$"i$%! "l &'i"(
1. Velocidad msica2. Densidad3. Viscosidad
Par)*%r(! "#$"i$%! "l +'i#(
1. Dimetro del tubo
2. Dimetro de la partcula: #i la partcula es es(*rica seemplea su dimetro1 'n el caso de contar con la distriucinde tamaIos de partculas+ se dee denir un tamaIo departcula promedio en relacin a la supercie de lapartcula+ puesto que la supercie produce resistencia(riccional al fujo1 &or consi-uiente+ el dimetro de partculaDp sera
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QUMICA II
fuidi!acin : m! ;1 'l intervalo de velocidades Htil para la
fuidi!acin est comprendido entre #m! y la velocidad de
arrastre+ #a para la cual las partculas slidas son arrastradas
(uera del lecho+ la porosidad se apro)ima a la unidad y el lechodeja de e)istir como tal1
Fi-ura 57 9 Formacin de un lecho fuidi!ado a partir de un lecho jo departculas1 a; Fases del lecho al aumentar la velocidadG ;Variacin de la p*rdida de presin y altura del lecho
CADA DE PRESIN EN UN LEC,O EST-TICO
&ara estimar la cada de presin en lechos estticos+ di(erentesinvesti-adores han reportado las (rmulas si-uientes
E'ai/$ " Car*a$ 0 1(2$3
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+ P,arman=180 G) (1 )
2
Dp2
gc !3
'sta ecuacin ha sido usada con *)ito para calcular la p*rdidade presin para fujo laminar a trav*s de lechos empacados+ori-inalmente .o!eny uso el modelo simplicado (ormado porcierto nHmero de tuos capilares paralelos de i-ual lon-itud ydimetro+ para descriir el lecho empacado1 Fue Carmanquien lue-o de muchos resultados e)perimentales propuso . M06=01
E'ai/$ Ma4 5 L6a
/os datos e)perimentales de /eva se encontraan todos ellosen la -ama de Re relativamente -randes1 /eva en ase a sustraajos presentados al N4R'"4OF %35'# 41#1"1+ muestra que
el valor de la constante es . M8==01
+ Pe#a=200 G) (1 )
2
Dp2
gc !3
E'ai/$ " Er7'$
Desarrolla otra correlacin a n de predecir la cada de presin
en lechos empacados+ pero para un intervalo amplio develocidades de fujo1 'l asume que la p*rdida en el lechoesttico puede ser tratada como una suma de p*rdidas viscosay cin*tica1
$nerg*a'iscosa=150(1)2 Gs
3Dp
2
$nerg*aCin-tica=1.75 (1 )
3
'cuacin
+ P$rgun=150(1)2 Gs
Dp2
gc!3 +
1.75G)2 (1 )
Dp2
gc!3
VELOCIDAD MNIMA Y POROSIDAD MNIMA DE
FLUIDIZACIN
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'l clculo de velocidad mnima y porosidad mnima se puedehallar+ ajo la condicin que la cada de presin a trav*s dellecho es i-ual al peso del lecho por unidad de rea de la
seccin transversal+ teniendo en cuenta la (uer!a de fotacindel fuido despla!ado1
Cuando las partculas comien!an a fuidi!ar+ la cada depresin puede ser relacionada con el peso del lecho por unidadde rea
+ P=g
gc (1 )()!)
/a ecuacin de %a) /eva se aplica hasta el punto mnimo de
fuidi!acin al i-ual que la ecuacin anterior1 "l i-ualar estasecuaciones se otiene :se i-ualan las ecuaciones porque apartir de este punto la cada de presin se vuelve constante;
"G 2
DP2!
( 13 )=g ()!)
( G DP ) " 2
2
DP3!g ()!)
=( 13 )1
( G DP )".=( 13 )1
%a) /eva+ #hirai y en su-irieron una correlacin a n depredecir la velocidad mnima de fuidi!acin en ase a losdatos de sus traajos e)perimentales+ esto se e)presa como1
Gm!=0.0093 [!(s!)]
0.94Dp
1.82
0.88
/a porosidad del lecho cuando ocurre la verdadera fuidi!acines la porosidad mnima para la fuidi!acin y es m! 1
Gm!=0.005Dp
2g !(s!)
2m!3
(1m!)
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V. SECCIN E8PERIMENTAL
EQUIPOS Y MATERIALES
01 4na columna de vidrio de ,1 cm de dimetro por 018 m de
lar-o1
81 4n manmetro1
91 4n tanque metlico como depsito de a-ua1
,1 #istema de tueras+ accesorios+ oma+ vlvulas1
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PROCEDIMIENTO
01 'ncender la oma y vericar la circulacin del a-ua1
81 %edir el lecho en estado de reposo1
91 "rir la vlvula re-uladora de caudal1
,1 %edir+ en el tanque elevado+ el caudal+ utili!ando una proeta y
cronometro1 &ara cada toma de caudal se mide la cada de
presin en el manmetro de CCl, y la altura del lecho de
partculas+ adems de la temperatura del fuido1
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VI. TABULACIN DE DATOS Y RESULTADOS
Tabla N1: Propiedades de los Fluidos a 23C
Tabla N2: Datos y clculo la Densidad Aparente de la Arena
PRU!A 1 PRU!A 2
Peso"#r$ %olu&en"&l$
Peso"#r$
%olu&en"&l$
Probeta 90.4 112Probeta'Arena 157.2 239.4
Arena .! 50 127.4 100
Arena"co&pacta$ .! 47 127.4 91
DN()DAD APARNT 1.33 g"ml 1.2745 g"ml
Tabla N3: Datos y clculo de la Densidad Absoluta de la Arena
PRU!A 1 PRU!A 2
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Densidad del A#ua "*#+&3$ 997.53!
%iscosidad del A#ua"*#+&s$
0.00094071
Densidad del CCl,"*#+&3$ 1595.0
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Peso"#r$
%olu&en"&l$
Peso"#r$ %olu&en"&l$
Probeta 90.4 112.0
Probeta ' a#ua 120.4 172.0A#ua 31.0 1.0
Probeta'A#ua'Arena 159.0 233.4
A#ua-Arena 3!. 4.0 1.4 !5.0
DN()DADA!(./UTA 2.573 g"ml 2.55! g"ml
Tabla N,: Anlisis 0ranulo&trico de la Arena "Peso: 454$
6A//AP(."#
$ Dp"&&$ 789 8i+Dpi
# 1! $20 0 #### #### ####
# 20 $30 40!.3 0.725 0.00 0.!2!
# 30 $40 271.7 0.513 0.400 0.779
# 40 $
50 0 #### #### ####
Tabla N: Porosidad; saci?n
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Datos del lec=o y colu&na
Peso del lec=o de silice "#$ !0
Ta&a@o de partculas "&&$ 0*22
Altura inicial del lec=o de silice "c&$ 24*
Di&etro interno de la colu&na "&$ 0*054!
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Tabla NB: Datos 8peri&entales para el Ascenso
6edici?n
p total"&& CCl,$
/ec=o"c&$ %"&l$ t"s$ "&3+s$
0"*#+&2s$ Re
1 14.00 24.0 30 70.25 4.27'#07 0.172 0.114
2 37.00 24.0 9 71.5 9.5'#07 0.3!! 0.257
3 57.00 24.0 127 73 1.74'#0 0.700 0.43
4 9.00 24.0 153.5 70.5 2.1!'#0 0.!7 0.579
5 !!.00 24.0 12 44 2.!'#0 1.152 0.72
102.00 24.0 10.5 32 3.33'#0 1.339 0.!!5
7 122.00 24.0 141 3.5 3.!'#0 1.554 1.027
! 143.00 24.0 17 3.5 4.5!'#0 1.!40 1.2179 12.00 24.0 125 24.5 5.10'#0 2.052 1.357
10 193.00 24.0 12.5 21 .02'#0 2.423 1.02
11 224.00 24.0 149 21.5 .93'#0 2.7!! 1.!43
12 27.00 24.50 1!0 21.5 !.37'#0 3.3! 2.227
13 29!.00 24.50 205.5 22 9.34'#0 3.757 2.4!4
14 315.00 24.50 1!9 19.5 9.9'#0 3.!99 2.57!
15 337.00 24.50 1! 1 1.05'#05 4.223 2.793
1 345.00 24.50 12.5 17 9.5'#0 3.!45 2.54217 3!.00 24.20 157 15.5 1.01'#05 4.074 2.94
1! 355.00 24.70 111 9.5 1.17'#05 4.700 3.10!
19 35!.00 25.20 133 10.5 1.27'#05 5.095 3.39
20 35!.00 25.35 125 10 1.25'#05 5.02! 3.324
21 37.00 2.30 137.5 9.5 1.45'#05 5.!22 3.!49
22 375.00 27.20 147 7.5 1.9'#05 7.!!4 5.213
23 379.00 2!.00 142.5 7 2.04'#05 !.1!! 5.414
24 3!.00 2!.!0 177 7.5 2.3'#05 9.493 .277
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&-ina0, -Bml
aparenteprome%io=1.305 g/ml
absoluta=/arena
'absoluta
absoluta=38,6 g
15mlM819 -Bml
absoluta=61.4 g
24mlM81
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3) CLCULO DEL DIMETRO MEDIO DE LA PARTCULA (D):
+e los datos de la ta,la -04 se tiene:
D= 1
x i
Dp
D: Dimetro medio de partcula.
Xi: fraccin msica.
Dp: Dimetro de partcula.
D= 1
0.828+0.779=0.622mm
4) CLCULO DE LA POROSIDAD DEL LEC HO (o):
+e los datos de las ta,las 2 3 tenemos:
o=1aparente
absoluta
o=11.305
2.566
o=0.492
Como se muestra en la ta,la 5.
$ CL/CU/. D/ FACT.R D F.R6A "$:
/elaciona la Esfericidad ((con la Porosidad (( &er aneo(
=0.4920 1=0.67
=1
1=
1
0.67
=1.49
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6) CLCULO DE LA VELOCIDAD MNIMA DE FLUIDIZACIN (!"#):
+e las ta,las 1 3:
Gm!=0.0093 [ !(s!)]
0.94
Dp1.82
0.88
+onde:
s: +ensidad a,soluta de la arena 2.5662103 ,g /m3
): +ensidad del )luido &agua( 997.538 ,g /m3
+p : +imetro de la partcula 6.222104 m: iscosidad del )luido &agua( 0.00094071 ,g/m 3 s
Gm!=0.0093 [997.538 (2566997.538 )]
0.940.000622
1.82
0.000940710.88
Gm!=4.16 ,g
m2
3 s
$) CLCULO DEL CAUDAL (%):
'n la ta,la 7 se o,sera:
%ara una 6 31 mmCCl4iempo 30 segolumen 20.2 m8
Q='olumen(m)
4iempo (s )
Q=
20.2m
30s 2
1
103 m 2
1m3
103
Q=6.732107m
3
s
8os resultados se pueden o,serar en las ta,las 7 !
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$REA TRANSVERSAL DE LA COLUMNA" A $:
+ eterno de la columna de )luidiacin 0.057 m 'spesor de la columna de )luidiacin 0.0022 m
+ interno 0.052 m
A=5 D
2
4A=
5(0.0526 m)2
4 A=2.482103m2
&) CALCULO DEL FLU'O MSICO POR UNIDAD DE REA (!):
6allamos scon los datos anteriores:
Gs=Q agua
A
+onde:
Q: Caudal &m3"s( 6.732107m
3
s
agua 997.538,g
m3
A: ;rea transersal de la columna 2.482103 m2
Gs=
6.732107m
3
s 2997.538
,g
m3
2.482103
m2
Gs=2.712101 ,g
m2
3 s
8os resultados se pueden o,serar en las ta,las 7 !
1) CLCULO DEL N* DE RE+NOLDS:
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=Dp Gs
+nde:+p dimetro de partcula 6.222104 m=
iscosidad del )luido &agua( 0.00094071
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%e 4abla s76 8
+ Ptotal=0.014mCCl4 (
+ P#acia=4.974x 103
mCCl4 &de a,las 9 10(
+ Plecho=31x103
mCCl44.974x103
mCCl4
+ P=26.026x 103 mCCl4
dems tenemos Due:
+ Pecho=g + h ((CCl4
agua ))
+ Pecho=9.81m
s2x 8.984x10
3mx (1595997.538)
,g
m3
+ Plecho=152.543 ,g
m3 s2
13) CADA DE PRESIN EPERIMENTAL TOTAL DE LA COLUMNA P EP(TOTAL):
+ Ptotal=+ h (CCl4agua )+H4agua + Ptotal=+ h (gCCl4g agua)+H4g agua
Ea Due las presiones en el punto e E son iguales* entonces tenemos:
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+ Ptotal=g + h(CCl4
agua )
+onde:h : Cada de presin 31 mmCCl4
CCl4 : +ensidad del CCl4 1595
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+ PCarman=1809 Gs 9 9
29 9 (1 )2
Dp2
9 agua 9 3
+ PCarman
=18022.71 ,g/m2 s 20.00094071x (1.49)2 20.24 m 2 (10.492)2
(6.222104 m )2 2997.538,g /m3 20.4923
+ PCarman=140.532 ,g
m3 s2
16) CLCULO DE LA CADA DE PRESIN SE!N ER!UN ( PER!UN)
+ P$rgun=150
2 2 G )2
2
2 agua 2 (1
)
2
DP2
2 agua 2 gc 2 3 +
1.752G )
2
2
2
2 2 (1
)Dp 2 agua2
3
+ P$rgun=15022.71,g /m2 s 20.00094071 21.492 20.24m 2 (10.492 )2
(6.22 2104 m)2
2997.538 ,g /m320.4923+1.75 2 (2.71 ,g/m29 s )2x1.4922
6.222104
m 2997.538,
+ P$rgun=118.301 ,g/m 9 s2
1$) CLCULO DEL PORCENTA'E DE DESVIACION
:D$)';AC;
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=1=='Y== 00>16C)Z8 X 80
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= < 0= 0< 8= 8
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