2013-2 T2B Preinforme Lecho Fluidizado

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LABORATORIO DE PROCESOS 2013-2DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y AMBIENTAL

UTFSM, CASA CENTRAL, VALPARAISO

EXPERIENCIA T2GB

PROFESOR Sergio Almonacid

AYUDANTE Felipe Ramrez

FECHA 13 Noviembre 2013

EQUIPO DE TRABAJO Lecho Fluidizado

GRUPO Grupo T2G03

ALUMNO 1 Ingrid Cerda Silva

ALUMNO 2 Daniela Rojas Estay

PREINFORME X

INFORME

NOTA FINAL

REVISION


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Lecho FluidizadoCerda, Rojas

Laboratorio de Procesos 2013-2 Pg 2

Resumen Ejecutivo

En el presente informe, se muestra el dimensionamiento de un enfriador de lecho fluidizado paraenfriar un flujo de alimentacin de 150 [kg/h] de arena, desde 100C hasta 20C.

Para la obtencin de parmetros de la experiencia y de diseo del equipo, se defini el sistema comoarena ms aire dentro del equipo, en un proceso tipo Batch. Para dicho sistema, se plantearon balancesde energa, y otras ecuaciones, con las suposiciones respectivas, las que arrojaron lo siguiente:

- Largo (esttico): 0,6 [m]- Largo (mnimo lecho fluidizado): 1 [m]- Dimetro del equipo: 0,4 [m]- Potencia requerida en el proceso: 7,04 [HP]- Tiempo de enfriamiento: 5,28[min]- Flujo de aire a utilizar: 0,356[Kg/s]

Lecho Fijo: = 0,055[] Lecho Fluidizado: = 0,168[]

- Velocidad de operacin: 2,27[m/s]- Tiempo de enfriamiento en funcin del dimetro de partcula:

- = 21,987 []Con los resultados obtenidos, se pretende trabajar adecuadamente de manera terica en la experiencia,para posteriormente comparar con los resultados empricos de la misma, y cumplir con el objetivo finalplanteado (dimensionar correcta e industrialmente.)


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ndice General

Resumen Ejecutivo ..................................................................................................................................... 2

Introduccin ................................................................................................................................................ 5

Objetivos ..................................................................................................................................................... 5

Objetivo General ..................................................................................................................................... 5

Objetivos Especficos .............................................................................................................................. 5

Desarrollo Terico ...................................................................................................................................... 6

Mtodo .................................................................................................................................................... 6

Procedimiento Experimental....................................................................................................................... 9

Planificacin Experimental ..................................................................................................................... 9

Materiales a utilizar ................................................................................................................................. 9

Carta Gantt ............................................................................................................................................ 10

Diagrama del Proceso (P&ID) .............................................................................................................. 10

Seguridad .............................................................................................................................................. 10

Anexos ...................................................................................................................................................... 11

Anexo A Definicin del Sistema ....................................................................................................... 11

Anexo B Clasificacin de Partculas ................................................................................................. 11

Anexo C Datos................................................................................................................................... 12

Anexo D Esfericidad ......................................................................................................................... 12Anexo E Cada de Presin ................................................................................................................. 13

Anexo F Velocidad Mnima de Fluidizacin .................................................................................... 13

Anexo G Dimensiones del Lecho ...................................................................................................... 15

Anexo H Flujo de Aire ...................................................................................................................... 16

Anexo I Tiempo de Enfriamiento ...................................................................................................... 16

Anexo J Tiempo en funcin del Dimetro de partcula ..................................................................... 17

Anexo K Potencia requerida .............................................................................................................. 18

Anexo L ................................................................................................................................................. 19

Referencias................................................................................................................................................ 19


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ndice de FigurasFigura 1: Carta Gantt. Fuente: Elaboracin Propia ................................................................................. 10Figura 2: P&ID del Equipo de la Experiencia (Lecho Fluidizado). Fuente: Elaboracin Propia. .......... 10Figura 3: Definicin de Sistema Batch para Lecho Fluidizado. Fuente: Levenspiel. ............................. 11

Figura 4: Grfico: Clasificacin de partculas Geldart......................................................................... 11Figura 5: Velocidad mnima de Fluidizacin. ...................................................................................... 14Figura 6: Distribucin de Arena (masa retenida v/s tamao malla). Fuente: D. Geldart. ....................... 19

ndice de TablasTabla 1 - Parmetros calculados para cumplir con los objetivos. ............................................................... 8Tabla 2 Materiales, Equipos, Insumos a Utilizar. .................................................................................... 9Tabla 3 - Datos utilizados. ........................................................................................................................ 12


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Introduccin

La fluidizacin, es un fenmeno que se manifiesta cuando se aumenta progresivamente lavelocidad del fluido que se inyecta al equipo, aumentando con ello la cada de presin y el roce sobre

las partculas slidas. Se alcanza un punto en el que stas no permanecen por ms tiempo en faseestacionaria, sino que comienzan a moverse y quedan suspendidas en el fluido, es decir, fluidizan porla accin del lquido o el gas inyectado.

En ingeniera, suele aplicarse en secado, enfriamiento, calentamiento, clasificacin de partculas demanera mecnica, entre otros. Para efectos del presente informe, se utiliza dicho fenmeno para enfriararena desde 100C hasta 20C, en un equipo de lecho fluidizado.

El comportamiento del fenmeno de fluidizacin, depende del material a tratar, pues cada uno cuentacon caractersticas distintas, como la esfericidad, temperatura, dimetro de partcula, velocidad mnima

de fluidizacin, adems, de las dimensiones del equipo en cuestin y los instrumentos de medicin conque se efecta la toma de datos para su posterior anlisis.

Objetivos

Objetivo General

Dimensionar un enfriador de lecho fluidizado, que enfre 150 [Kg/h] de arena, desde una

temperatura de 100C hasta 20C.Objetivos Especficos

Calcular la potencia requerida en el proceso.

Determinar el tiempo de enfriamiento.

Determinar el flujo de aire a utilizar.

Obtener la velocidad de operacin.

Predecir el tiempo de enfriamiento en funcin del dimetro de partcula.


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Desarrollo Terico

MtodoPara el lecho fluidizado en un proceso Batch, el sistema lo componen el slido (en este caso, la arena)que ingresa a una temperatura

y el gas (aire), que ingresa a

. El sistema descrito, se muestra en la

Figura N1 adjunta en el ANEXO A.

El sistema descrito, se puede modelar con un balance de energa dentro del sistema como = + ;suponiendo que no existen prdidas (lo que cede la arena lo recibe el aire), ni trabajo mecnicoinvolucrado (es decir, = 0)lo anterior puede convertirse en la siguiente ecuacin:

= (1 ) Con condicin inicial

(0)= , se obtiene lo siguiente:

= ( 1 ) Donde:

- : Temperatura de aire de entrada1- : Temperatura de arena en un instante t- : Temperatura de arena inicial- :Velocidad de fluidizacin-

: Fraccin de hueco de fluidizacin

- :Altura del lecho fluidizado- :Tiempo transcurrido1) Clasificacin de las partculas

En lo que respecta a la clasificacin de las partculas, el detalle se adjunta en ANEXO B.

2) Esfericidad ()La definicin y caractersticas de esfericidad, se detallan en el ANEXO D.

3) Cada de Presin (

)

La cada de Presin en un lecho se produce por el aire que circula por los huecos del lecho,perdiendo presin. Esta descripcin, viene dada por la ecuacin de Ergun2. Para efectos delecho fluidizado, la cada de presin tiene relacin con la caracterstica del lecho y susdimensiones. Las ecuaciones correspondientes, se describen en el ANEXO E.

112C , referencia: http://www.meteochile.gob.cl/2http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/Fluid/Fluidizacion%202006-07.pdf


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El valor de la cada de presin corresponde a:

Lecho Fijo: = 0,055[] Lecho Fluidizado:

= 0,168[]

4) Velocidad mnima de fluidizacin ()La velocidad mnima de fluidizacin se observa cuando la mezcla en el lecho es totalmentehomognea, se tienen dos expresiones para obtener su valor (ver ANEXO F), en este caso seconsidera una de ellas, y una vez reemplazados los valores, se tiene que:

= 1,90 5) Fraccin de hueco de arena (

)

La fraccin de hueco, puede determinarse de acuerdo a la siguiente ecuacin:

= 1 Por literatura3, se tiene que el valor tpico de dicha fraccin corresponde a:

= 0,5[]Ver ANEXO G, para obtencin de L.

6) Velocidad de operacin ()Se sabe que por criterio de diseo4 la velocidad de operacin es mayor que la velocidadmnima entre un 20% y un 40%, por lo que queda:= 1,2 = 1,21,90 = 2,27

7) Flujo de airePara determinar el flujo de aire necesario para llevar a cabo la operacin, se utilizar unaexpresin que relaciona variables densidad, velocidad y rea de lecho fluidizado (verANEXO H), dando como resultado lo siguiente:

= 0,356

3Victor Barreira Moreno, Estudio hidrodinmico de un lecho fluidizado - UniversidadCarlos III, Madrid P.984Mujumdar, A.,Handbook of Industrial Drying, Third Edition, Taylor & Francis, Canada (2006).


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8) Tiempo de enfriamientoUtilizando la frmula que relaciona velocidad de fluidizacin, largo, fraccin de huecos ytemperaturas, que se obtuvo del balance de energa, es posible determinar el tiempo delproceso (ver clculos en ANEXO I), ste da como resultado:

= 5,28[]9) Tiempo en funcin del dimetro de partcula:Para obtener una expresin que permita calcular el tiempo en funcin del dimetro de lapartcula, es necesario utilizar algunas ecuaciones, que se obtuvieron tanto del balance deenerga, como de condiciones del proceso, adems de que se conocen los valores de lastemperaturas, las densidades de arena y aire, la fraccin de huecos, esfericidad, laaceleracin de gravedad y el largo del lecho.(ver ANEXO J), la funcin queda:

=21,987

[]

Esto tiene sentido, debido a que si el dimetro es mayor, tambin es mayor la fraccin de huecosy por tanto la cada de presin, debido a esto aumentar la velocidad, lo que trae comoconsecuencia que el tiempo disminuya.

10)Potencia requerida:La potencia requerida, se puede calcular como lo describe el ANEXO K, el valor de la deeste parmetro, corresponde a:

= 5249,13 []= 7,04 []Finalmente, se muestran los parmetros requeridos para cumplir con los objetivos establecidos:Tabla 1 - Parmetros calculados para cumplir con los objetivos.

Fuente: Elaboracin propia.

Parmetro Valor Unidad

L esttico 0,6 [m]L mnimo fluidizacin 1,2 [m]Dimetro Equipo 0,4 [m]Potencia Requerida 7,04 [HP]

Tiempo de Enfriamiento 5,28 [min]Flujo de Aire 0,356 [kg/s]Velocidad de Operacin 2,27 [m/s]


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Procedimiento Experimental

Planificacin Experimental

1) Tamizar la arena con los dimetros correspondientes (ver ANEXO L).

2) Prueba de fraccin de vaco.3) Calentar la arena en el horno, en bandejas de aluminio, hasta los 100 C.4) Poner las termocuplas (previamente calibradas), el tubo de pitot, los manmetros y tapones

correspondientes al equipo de lecho fluidizado.5) Medir la cada de presin slo con el soporte escogido (el que genere una menor cada de

presin y evite que se caiga la arena): ello se logra, haciendo pasar aire slo con el plato, sincargar an la arena.

6) Introducir la arena en el equipo (carga mxima = 600 [g]).

7) Abrir la vlvula de ingreso de aire, con la velocidad mnima determinada (2,27

) para lograr

fluidizacin.8) Medir temperaturas de arena y aire (deben ser iguales, 20C).9) Finalizada la experiencia, se cierra la vlvula de aire.10)Se descarga la arena.

Materiales a utilizarTabla 2 Materiales, Equipos, Insumos a Utilizar.

Fuente: Elaboracin Propia.

tem Cantidad Comentario

Arena irregular (slica) 6 [Kg] Materia Prima a enfriar

Secador de lecho Fluidizado 1 Equipo del LOUHorno 1 Equipo del LOU

Termocupla 3 Registrar Temperatura (aire y arena)

Manmetro de Agua 1 Presin dinmica

Manmetro de Mercurio 1 Presin esttica

Tubo Pitot 1 Instrumentacin

Balanza 1 Pesar arena

Termmetro 1 Calibrar termocupla

Hervidor 1 Calibrar termocuplaHielo 1 bolsa Calibrar termocupla

Embudo 1 Depositar arena en lecho

Tamices - Tamizaje de la arenaPlato del Lecho 1 Soporte de arena en el equipo

Bandejas de Aluminio 8 Depositar arena y calentarla

Gafas de seguridad 2 EPPGuantes trmicos 2 pares EPPServicio elctrico - Servicio

Aire - ServicioProbeta (1000[ml]) 2 Medir fraccin de vaco

Vaso precipitado (250[ml]) 1 Medir fraccin de vaco


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Carta Gantt

Figura 1: Carta Gantt.

Fuente: Elaboracin Propia

Diagrama del Proceso (P&ID)

Figura 2: P&ID del Equipo de la Experiencia (Lecho Fluidizado).

Fuente: Elaboracin Propia.

Seguridad

Para esta experiencia, se debe contar con todos los EPP (Elementos de Proteccin Personal):

Delantal, zapatos y gafas de seguridad, guantes trmicos. Estos ltimos, son de gran importancia, puestoque uno de los mayores riesgos son las posibles quemaduras con arena caliente.

Adems, se debe contar con una cuidadosa implementacin del equipo, poner de forma adecuada y atiempo los tapones, tener cuidado con los ojos respecto a la salpicadura de arena, procurar no meter lasmanos en el soplador; bsicamente, procurar mantener la integridad fsica propia y de las dependenciasdel laboratorio.


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Anexos

Anexo A Definicin del Sistema

Figura 3: Definicin de Sistema Batch para Lecho Fluidizado.

Fuente: Levenspiel.

Anexo B Clasificacin de PartculasLuego de realizar mltiples experimentos con lecho fluidizado, se descubri que no todos los materialesse comportaban de la misma manera. Gildart estudi este comportamiento en diversos slidos yreconoci la existencia de cuatro categoras de partculas bien definidas, estas se muestran en lasiguiente figura:

Figura 4: Grfico: Clasificacin de partculas Geldart.

Fuente: Kunii y Levenspiel (1991)

En la categora A, se encuentran las partculas que poseen baja densidad y dimetros relativamentepequeos, por lo que fluidizan con facilidad, logrando una fluidizacin suave y controlada.

En la categora B, se encuentran partculas que fluidizan bien y burbujean a la velocidad mnima defluidizacin. Entra en esta categora la arena.


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La categora C, est compuesta por partculas muy finas, las cuales no alcanzan la separacin necesariay por tanto son difciles de fluidizar.

En esta categora se encuentran partculas de dimetros y densidades altas, generan los denominadosspouted beds (lechos de chorro estable) y se necesita una velocidad de gas mayor que en las otras

categoras.

Anexo C DatosDatos utilizados para clculos5:

Tabla 3 - Datos utilizados.

Fuente: Elaboracin propia.

Datos 0,5

0,67

0,47[m] 0,005 2600 1,2 9,8 0,000018

Wen y Yu 6, llegaron a las siguientes relaciones, que se cumplen para todas las partculas:

1 14 ( 1 ) 11De estas ecuaciones, se obtiene que: 0,668 0,474Anexo D EsfericidadAdems de las diferentes categoras para los materiales, se observ que las partculas involucradas noeran completamente esfricas, sino que presentaban irregularidades en su geometra. Para lidiar con esteinconveniente es que se presenta un parmetro denominado esfericidad (), el cual permite definirdicha geometra; es decir indica qu tan esfrica es la partcula.La esfericidad se define como:

5Kunii, D., Octave Levenspiel, Fluidization Engineering, Second Edition, Series in Chemical Engineering, Butterworth-Heinemann,USA(1996).

6(AIChE J. 12, 610, 1966 y Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. 62, 100,1966)


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= (rea superficial de la esfera/ rea superficial de la partcula) VolumenPara partculas como la arena, el carbn y el hierro, se tiene que la esfericidad se encuentra en un rangode 0,5


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Figura 5: Velocidad mnima de Fluidizacin.Fuente: Kunii y Levenspiel (1991)

Se procede a realizar la igualdad de presiones:

150 1 +1,75 1 = 1

Considerando que la esfericidad permite relacionar los dimetros equivalentes que conservan volumen,la ecuacin se puede escribir como:

150 1 +1,75 =

Se define Reynods como: ,= , por lo tanto, la ecuacin queda:

150 1 ,+

1,75 ,

=

Esta ecuacin es una expresin implcita para el clculo de la velocidad superficial, la cual se puede estimar si seconoce el dimetro y esfericidad de la partcula en condiciones de mnima fluidizacin.

Posteriormente, se plantean las relaciones:

Cuando partculas son muy pequeas:

= ( ) 150 (1 ) ; ,= < 20 Cuando las partculas son muy grandes:

= ( ) 1,75 ; , = > 100Donde,: Esfericidad de la partcula.:ReynoldsReemplazando los datos en ambas ecuaciones, se obtiene:


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= 16,51 = 5502 < 20

= 1,90 = 631,73 > 100Por lo tanto, se utilizar el valor de la segunda expresin, que es la que cumple la condicin deReynolds, (clculo se encuentra en Documento Excel adjunto.)

Anexo G Dimensiones del Lecho

Relacin Largo-Dimetro de Lecho Fluidizado7:

= 1,5Donde,: Dimetro del lechoConsiderando una carga de 150 de arena de slice, se tiene:

=150 10[]

2,60

= 57692,3[]= 0,06[]Donde,8:2,60 [g/cm3]Relacin de volumen ocupado por la arena con el volumen del equipo:

0,06[]=4 Reemplazando la relacin inicial L/D=1,5 en la ecuacin anterior, se obtiene:

= 0,4[]

= 0,6[]De la expresin de fraccin de hueco:

7Mujumdar, A.,Handbook of Industrial Drying, Third Edition, Taylor & Francis, Canada (2006).

8http://www.granitosantioquia.com.co/Fichas%20Tecnicas/tr10-30.pdf


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= 1 = 0,5Se obtiene que:

= 1,2[]

Anexo H Flujo de AirePara determinar el flujo de aire necesario para el proceso, se utilizar la siguiente expresin:

= 9 = 1,20,13[] 2,28 = 0,356

Donde:

: rea del lecho: Densidad del aire: Velocidad de operacinA su vez se tiene que:

= 2 = 0,13[]Anexo I Tiempo de Enfriamiento

= ( 1 ) Donde se tiene que a condiciones normales de fluidizacin, se cumple que10:

= 1 10Adems se tiene que:

- : 12[C]119Kunii, D., Octave Levenspiel,Fluidization Engineering, Second Edition, Series in Chemical Engineering, Butterworth-Heinemann,USA(1996).

10Kunii, D., Octave Levenspiel, Fluidization Engineering, Second Edition, Series in Chemical Engineering, Butterworth-Heinemann,USA(1996).

1112C , referencia: http://www.meteochile.gob.cl/


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- : 20[C]- : 100[C]- :2,27[[m/s]-

: 0,5

- :0,6[m]Se procede a despejar el tiempo de enfriamiento, reemplazando los valores en la formula anterior, seobtiene:

12 2012100 = 1 10 2,27(10,5)0,6 = 317[]= 5,28[]

Anexo J Tiempo en funcin del Dimetro de partculaDel balance de energa se obtuvo:

= ( 1 ) Al igualar las cadas de presin durante el proceso, se obtuvo:

= ( ) 1,75 ; ,= > 100Condiciones normales de fluidizacin: = 1 10Y por criterio de diseo, se determin:

= 1,2 Por lo tanto combinando las ecuaciones anteriores, se obtiene:

= 110 1,2 ( ) 1,75( 1 )


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=

110 1,2 ( ) 1,75 ( 1 )

(1 ) = 1 10 1,2 ( ) 1,75

0,719[] = 110 1,2 ( ) 1,75

0,719 = 0,0327 []21,987 = []

21,987 = []Donde se conocen los valores de las temperaturas, las densidades de arena y aire, la fraccin de huecos,esfericidad, la aceleracin de gravedad y el largo del lecho.

Reemplazando, se tiene:

=21,987 []Anexo K Potencia requeridaPara poder estimar la potencia del soplador (que provee aire al sistema de lecho fluidizado), se utiliza lasiguiente ecuacin12:

=

Donde:- : Eficiencia (~95%)

Con lo que se obtiene:

12Dutta, B.K., Principles of Mass Transfer and Separation Processes, Eastern Economy Edition, Prentice Hall India, Connaught Circus,New Dehli (2007)


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= 16809 []0,951,2 0,356 = 5249,13 []= 7,04 []

Anexo L

La arena es un conjunto granular disgregado, principalmente de silicato. El dimetro de partcula varaen rangos desde 0,0625 a 2 [mm]. Para una muestra estndar de arena, se tiene la siguiente distribucinmasa retenida en funcin del dimetro de partcula:

Figura 6: Distribucin de Arena (masa retenida v/s tamao malla).

Fuente: D. Geldart.

Eleccin de 3 dimetros:- 500 []= 0,50 [mm]- 350[]= 0,35 [mm]- 150 []= 0,15 [mm]

Referencias

1. 12C , referencia: http://www.meteochile.gob.cl/

2. AIChE J. 12, 610, 1966 y Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. 62, 100,1966

3. Dutta, B.K., Principles of Mass Transfer and Separation Processes, Eastern Economy Edition,Prentice Hall India, Connaught Circus, New Dehli (2007)

4. http://www.granitosantioquia.com.co/Fichas%20Tecnicas/tr10-30.pdf

5. http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/Fluid/Fluidizacion%202006-07.pdf


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6. Kunii, D., Octave Levenspiel, Fluidization Engineering, Second Edition, Series in ChemicalEngineering, Butterworth-Heinemann,USA(1996).

7. Mujumdar, A.,Handbook of Industrial Drying, Third Edition, Taylor & Francis, Canada (2006)

8. Victor Barreira Moreno, Estudio hidrodinmico de un lecho fluidizado - Universidad CarlosIII, Madrid P.98

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