Laboratorio de Operaciones Unitarias Facultad de Ingeniera

Unidad de Fluidizacin de Slidos

Gua de Prcticas

1. FUNDAMENTOS TERICOS

FLUIDIZACIN

Cuando un fluido fluye a travs de de un lecho de partculas contenido en un tubo, ejercer una fuerza de empuje sobre las partculas y desarrollar una cada de presin 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 vaco). Si el lecho no tiene ninguna restriccin y el fluido fluye hacia arriba, se alcanzar una condicin en la cual al incrementarse la velocidad del fluido la fuerza de empuje causar 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 partculas en el lecho. El lecho se vuelve fluidizado y el sistema fluido/slido muestra propiedades de un fluido lo que permite que los slidos puedan ser llevados a otra parte o recipiente. La cada de presin a travs del lecho permanece constante con los aumentos sucesivos de la velocidad del fluido, igualando el peso efectivo del lecho por unidad de rea.P *1m * P * g 1000 mm 1mm P = *1m * 994 Kg / m 3 * 9.81m / seg 2 = 9.7511 Pa 1 1000 mm 15 mm P2 = *1m * 994 Kg / m 3 * 9.81m / seg 2 = 146 .2671 Pa 1000 mm 18 mm P3 = *1m * 994 Kg / m 3 * 9.81m / seg 2 = 175 .5205 Pa 1000 mm Pm =

(1)

Donde P es el diferencial de presin medidos en el tuvo en U, del fluido dentro del tubo en U y g es la aceleracin de gravedad.

p

es la densidad

Mecanismo de la fluidizacin. Supngase 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 travs de la arena no da lugar a movimiento de las partculas. Se aumenta ahora lenta y

progresivamente la velocidad del aire; a medida que esto ocurre aumenta la cada de presin del aire que circula a travs del lecho, como indica el segmento rectilneo OA de la Figura 1. Llega un momento en que la cada de presin es igual a la fuerza de gravedad sobre las partculas y los granos comienzan a moverse, ste es el punto A de la grfica. Al principio, el lecho se expansiona lentamente manteniendo los granos todava en contacto; la porosidad aumenta y la cada presin aumenta ahora ms lentamente. Cuando se alcanza el punto B, el lecho est en la condicin menos compacta posible, mantenindose los granos todava en contacto. Al aumentar an ms la velocidad, los granos se separan y comienza la verdadera fluidizacin. La cada de presin disminuye a veces un poco desde el punto B al F. A partir del punto F el movimiento de las partculas es cada vez ms intenso, formndose torbellinos y desplazndose al azar. El contenido del tubo se parece a un lquido en ebullicin, y se ha dado el nombre de lecho hirviente a los slidos fluidizados de este modo. La velocidad lineal del fluido entre las partculas, es mucho mayor que la velocidad en el espacio situado por encima del lecho. Por consiguiente, casi todas las partculas caen al lecho una vez que el fluido abandona ste. Incluso en una fluidizacin intensa, solamente los granos ms pequeos son arrastrados por el fluido y transportados por el mismo. Si se supone ahora que la velocidad del fluido se aumenta todava ms; la porosidad del lecho aumenta, el lecho de slidos se expansiona y disminuye su densidad. El arrastre llega a ser apreciable y finalmente completo. En el punto P, todas las partculas han sido arrastradas por el fluido, la porosidad se aproxima a la unidad y el lecho deja de existir como tal. El fenmeno se transforma entonces en el flujo simultneo de dos fases. Desde el punto F al P y posteriormente, la cada de presin aumenta con la velocidad del fluido, pero mucho ms lentamente que cuando las partculas slidas estaban en reposo. La fluidizacin sin arrastre de slidos se denomina fluidizacin discontinua, actualmente se aplica en muchos procesos catalticos y a otras operaciones, tales como el secado de cristales. Las principales ventajas de la fluidizacin discontinua son: Asegura el contacto del fluido con todas las partes de las partculas slidas; mantiene una uniformidad completa de los slidos debido a la total agitacin del

lecho; y hace que las variaciones de temperatura sean mnimas en reactores de gran tamao, a causa tambin de la vigorosa agitacin. Cuando el arrastre es completo, se dice que la fluidizacin es continua y su principal aplicacin radica en el transporte de slidos de un lugar a otro en una instalacin industrial; a veces el fluido es un lquido, en el que estn suspendidos los slidos para formar un lodo que se puede bombear. Figura 1.Cada de presin en slidos fluidizados

En esta Unidad de Fluidizacin de Lechos Slidos, el fluido es aire y la unidad es operada a una presin ligeramente superior a la presin atmosfrica. La porosidad del lecho cuando ocurre una verdadera fluidizacin es la porosidad mnima para fluidizacin m

. Esta porosidad mnima puede ser encontrada experimentalmente

cuando el lecho se expande a una condicin de espacios vacos entre partculas antes que se presente el movimiento de las partculas.V poro VT 10 .7424 cm 3 = 0.4297 25 cm 3

(2)

0 =

=

L0 * (1 0 ) L 45 * (1 0.4297 ) 1 = 1 = 0.8931 160 45 * (1 0.4297 ) 2 = 1 = 0.9651 490 45 * (1 0.4297 ) 3 = 1 = 0.9781 780

= 1

Donde L0, L son las alturas del lecho a valor cero de velocidad superficial y velocidad de fluidizacin mnima respectivamente. 0, son los espacios vacos en el lecho a valor cero de velocidad superficial y velocidad de fluidizacin mnima respectivamente.volumen de canales vacos en lecho volumen to tal del lecho (canales + slidos)

0 =

Cada de Presin y velocidad superficial mnima.

Como una primera

aproximacin, la cada de presin al inicio de la fluidizacin puede ser determinada de la forma siguiente. La fuerza obtenida de la cada de presin por el rea transversal debe ser igual a la fuerza gravitacional ejercida por la masa de las partculas menos la fuerza de flotacin del fluido desplazado. p S0 = Lm S0 (1 - Arreglando trminos,p = (1 m )( p ) g Lm

m

) (

p

- )g

(3)

Figura 2. Esquema de lecho fluidizado

La cada de presin a travs de un lecho empacado es una funcin del Nmero de Reynolds. Para los flujos laminares y turbulentos, Ergun propuso la ecuacin general siguiente:

1 5 V L(1 ) 2 1.7 5 (V ) 2 L (1 ) 0 p = + 2 3 Dp Dp 3

(4)

Donde el primer trmino de la ecuacin es para flujo laminar NRc < 10, y el segundo es para flujos muy turbulentos. V es la velocidad superficial basada en seccin transversal vaca. Factores Geomtricos. Muchas partculas en lechos empacados a menudo presentan formas irregulares. Se define como dimetro equivalente D'p al dimetro Dp de una esfera que tenga el mismo volumen de la partcula. Sustituyendo V por Vm, por

m

y L por Lm en la ecuacin 4 y combinando el

resultado con la ecuacin 3, se puede calcular la velocidad mnima del flujo Vm al momento de iniciarse la fluidizacin.

2 1.75 D p (Vm ) 2 2 3 m 2

+

150 (1 m ) D pVm 3 mf

D 3 ( p ) g p

2

=0

(5)

Donde es la viscosidad del fluido. Para lechos fluidizados, definiendo un Nmero de Reynolds como:D pV m

N Re .m =

La ecuacin 5 se convierte en:3 1.75( N Re .m ) 2 150 (1 m )( N Re .m ) D p ( p ) g + =0 3 3 m m 2

(6)

Cuando NRe.m < 20(partculas pequeas), el primer trmino de la Ec. (6) se puede descartar y cuando NRe.m >1000 (partculas grandes), se descarta el segundo trmino.

2. DESCRIPCIN DE LA COLUMNA DE FLUIDIZACIN

La columna principal de fluidizacin tiene una altura de 72 cm esta hecha de un cilindro acrlico de 1 pulgada de dimetro la cual se tap en un extremo y se le aadi una conexin para manguera de 5/16 para permitir la entrada del aire a la columna; en el extremo superior e inferior se le mont una toma de presin tipo grapa para manguera de 5/16, se coloc una cinta mtrica al costado de la columna principal para medir la altura del lecho; tambin se le

agregaron 5 piezas del mismo material y una manguera en forma de arco de 1 pulgada de dimetro y 1 m de largo que se utiliza para que el lecho en la columna pueda ser transportado y recirculado nuevamente a su posicin inicial, a la entrada de la columna a una altura de 12 cm se tiene una reduccin que permite aumentar la velocidad del aire y as mover las partculas; en unos de los brazos de las piezas acrlicas conectadas a la columna principal se encuentra fijo un silo T-201 que se emplea como almacenamiento de las partculas utilizadas como relleno de la columna. Adems se cuenta con 3 vlvulas 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 dimetros y pesos diferentes a objeto de conseguir un lecho con mejor comportamiento experimental. El aire de fluidizacin es suministrado por un compresor a una presin mxima de 700 KPa. El caudal se regula con un Rotmetro instalado en la mesa de trabajo y con ayuda de una vlvula deslizante que forma parte del compresor. El aire entra al Rotmetro y esta a su vez esta conectada a la cmara de fluidizacin por una manguera conectada a una conexin existente en el fondo del cilindro. Al atravesar el lecho, el aire sube por la cmara y se escapa a la atmsfera a travs de la malla colocada en la manguera en forma de arco, y las partculas son retenidas en el silo T-201 al alcanzar la fluidizacin continua. Las lecturas de longitud en el lecho sern determinadas a travs de la cinta mtrica. La presin ser medida con un manmetro diferencial en forma de U. Figura 3. Diagrama de la columna C-201

3. OPERACIN DEL COMPRESOR DE AIRE

1)

El compresor es controlador por el interruptor de presin en operacin normal. Se detendr automticamente cuando alcance la presin mxima y arrancar nuevamente cuando esta disminuya por debajo de la presin mnima. Los puntos mnimo y mximo han sido ajustados en la fbrica y no necesitan ajustes posteriores. Cualquier modificacin a estos puntos anula la garanta.

2) 3)

El compresor se enciende al ser conectado a la toma de corriente elctrica. Al apagar se deber descargar la presin del tanque a travs de la vlvula de descarga que esta ubicada debajo del interruptor. Esto es estrictamente

necesario para re-arrancar la unidad ya que su omisin puede causar daos al equipo. 4) La presin de salida debe ser previamente calibrada con la perilla roja debajo del interruptor. 5) Se debern mantener las siguientes precauciones: - Colocar la tubera antes de usar. Nunca desatornillar las tuberas si hay presin de aire en el tanque. elctrica. - No mover la vlvula de seguridad. - No usar el compresor de aire si el voltaje de la red elctrica es muy alto o muy bajo. - Nunca usar un cable de ms de 5 mts de largo. - Si la vlvula de escape no funciona automticamente al detener el motor, se debe reparar inmediatamente. - El aceite debe estar limpio y el nivel se debe mantener en l circulo rojo. - Desconectar el equipo de la red elctrica y liberar la presin del tanque cuando el equipo no este en uso. - Hay partes mviles y calientes bajo la tapa del compresor. Nunca operare el equipo si no tiene colocada la tapa. Dejar enfriar el equipo antes de cualquier reparacin o mantenimiento. - Nunca desarmar las partes elctricas si el equipo esta conectado a la red

4. PRECAUCIONES DE SEGURIDAD

Es necesario enfatizar el cuidado extremo y la precaucin que se debe mantener al manejar equipos de manejo y presurizacin de gases, aun en los casos de manejar aire, debido a su potencial de daos a la salud por explosiones de equipos hechos con polmeros o vidrio pirex por sobrepresin y de riesgos de arrastre

violento de polvo y arena. Aunque la unidad de fluidizacin cuenta con diversos accesorios para la seguridad como piezmetros para operar y ventear excesos de presin, se debern guardar buenas prcticas de seguridad y el sentido comn al momento de operar este sistema. La precaucin ms importante es que el personal que manipula el equipo utilice batas de laboratorio y proteccin visual para su proteccin personal. El aire que sale del compresor no es apto para ser respirado.

5. OBJETIVOS

1. 2. 3.

Elaborar una tabla inicial de Q, L y P partiendo de cero Determinar la porosidad para cada una de las lecturas. Determinar las velocidades superficiales para cada punto utilizando la

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

comportamiento terico representado en la Figura 1.

5.

Reconocer e interpretar el incremento de presin de fluidizacin

m , la P

porosidad de fluidizacin m y la velocidad superficial de fluidizacin Vm .

6. PROCEDIMIENTO

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

Fluidizacin de Slidos, as como tambin la llave que regula el flujo de aire del rotmetro. Se seleccionan las partculas con las que se va a trabajar, las cuales deben ser colocadas dentro del silo T-201; seguidamente se abrir la vlvula V-204 para dejar pasar las partculas 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 vlvula V-201 completamente. Conectar el compresor a la corriente elctrica, a continuacin se calibra la presin de salida del compresor, se

abre la perilla del rotmetro un poco para permitir la entrada de aire a la columna luego abrir la vlvula deslizante V-101 hasta que la presin de salida se encuentre en 30psi y se regula el caudal abriendo la perilla del rotmetro hasta tener una lectura de 200L/min, si esta lectura no llega a 200L/min se aumenta la presin de salida del compresor hasta tener una presin de 60psi y as lograra calibrar el rotmetro. Luego se debe ir aumentando el caudal del rotmetro progresivamente hasta Al final de la experiencia se debern tener por lo menos cuatro (4) puntos en obtener las tres etapas de fluidizacin. la tabla de Q, L, P, que se van a ir midiendo a medida que se muestren las etapas de la fluidizacin. El experimento se debe realizar luego con otra partcula slida. Se calcula la porosidad para cada L, utilizando la ecuacin 2. Con la

ecuacin 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 ecuacin se encuentran especificadas como datos experimentales. Se hace una grafica de log P vs. log Vsupe ia rfic l

. 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 tom 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

Dimetro promedio de partculas: Porosidad 0

0.3080

cm. lecho

inicial

del 0 . 3471

Polietileno de Baja Densidad Densidad: Dimetro promedio de partculas: Porosidad 0

0.915-0.935 g/cm3 0.4207 cm. lecho 0 . 3891

inicial

del

Columna Principal C-201 de Fluidizacin: Dimetro Nominal: Longitud Nominal: 1.16 kg /m3 0,018 PA*s 994 Kg/m3 25,4 720 mm. mm.

Densidad del aire: Viscosidad del aire: Densidad del agua:

Conversin Presin:

1mm H20 = 9.81 N m2

8. BIBLIOGRAFA

McCABE W., SMITH J., "Operaciones bsicas de ingeniera qumica" Quinta edicin 1993, McGraw-Hill, Inc.

SADDAWI

S.,

Chemical

Engineering

Laboratory

Manual,

www.

Saddawi.l.@nd.edu, 2003.