Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Encuentra los documentos específicos para los exámenes de tu universidad
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
Asignatura: Experimentacion I, Profesor: , Carrera: Ingeniero Químico, Universidad: UPV-EHU
Tipo: Apuntes
1 / 18
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!
Asignatura:
Autor:
Fecha de la experimentación:
Fecha del informe: mercoledì luglio 25, 2018 2015-11-10T16:04:00Z
Informe de planificación Página 2 / 18
Los objetivos de esta práctica es estudiar las características del flujo de un fluido a través de un lecho poroso formado por sólidos, y observar y caracterizar el fenómeno de fluidización, para los sistemas líquido-sólido y gas-sólido, además de la determinación de los principales parámetros que influyen en dicho comportamiento.
Informe de planificación Página 4 / 18
Figura 1. Etapas en la fluidización de un lecho de partículas.
A modo de comparación entre la fluidización con líquidos y con gases, cabe destacar que esta última es más inexacta debido a que se forman burbujas, lo que hace que la altura del lecho varíe constantemente y no se puede tomar una referencia fija.
Cuanto mayor es el caudal, mayor es la velocidad, esto hace que la caída de presión sea mayor y que aumente la fuerza de fricción sobre las partículas. Esa caída de presión a través del lecho se debe al fluido que lo atraviesa, y puede expresarse mediante la ecuación de Ergun y Bernouilli:
Una de las finalidades de esta práctica es determinar cuáles son las variables más influyentes sobre la pérdida de carga en el lecho fijo, por ello es necesario saber cuáles son las etapas por las que pasa dicho lecho. Para ello se realizarán los experimentos variando progresivamente el caudal, y teniendo en cuenta que la superficie de la columna no cambia, se utiliza la siguiente fórmula para calcular los diferentes valores de la velocidad superficial del fluido: (6) (7)
A bajos valores de dicha velocidad, se produce una pérdida de carga que viene producida por el fluido, sin embargo las partículas no se mueven. Cuando los valores de la velocidad aumentan, las partículas empiezan a suspenderse en el fluido y a mezclarse unas con otras (estado homogéneo), entonces se dice que se ha alcanzado la velocidad mínima de fluidización, la cual se considera independiente de la cantidad de masa y de la sección de lecho, únicamente depende de las características físicas de la propia partícula y del fluido.
Para su cálculo se realiza una aproximación de la ecuación de Ergun:
Informe de planificación Página 5 / 18
Informe de planificación Página 7 / 18
El equipo usado durante la práctica se llama “Armfield CEL” y consta de un depósito de agua, una bomba centrífuga para la impulsión de agua y otra de diafragma para la impulsión de aire, dos medidores de caudal denominados rotámetros y dos columnas cilíndricas de 50 mm de diámetro. Las partículas presentes en la columna de agua tienen un diámetro de 460 μm, mientras que las partículas presentes en la columna con aire tienen un diámetro de 250 μm.
Probeta (10-20 ml)
Vidrio de reloj
Guantes
Espátula
Peso electrónico
Procedimiento
De cara a la realización de la práctica es importante calcular las variables que van a ser necesarias para la obtención de resultados, como son la masa de las partículas (mp), el volumen del lecho (VL ) y la porosidad del lecho (ε). Para ello se introduce una cantidad (conocida) de vidrio, que es de lo que está compuesto el lecho, en una probeta. Posteriormente se introduce una cantidad (conocida) del fluido, en este caso agua, en otra probeta. Por último, se mezclan las dos para obtener el dato del volumen del lecho y con él poder hallar la porosidad.
Una vez se han realizado los cálculos pertinentes, se verifica el dispositivo (Armfield CEL), ya que, para un buen funcionamiento del mismo, es necesario comprobar que el agua se encuentra limpia y que el nivel del mismo es el adecuado.
En el dispositivo dispone de dos columnas, una habilitada para que circule un fluido y la otra para que circule un gas.
En primer lugar, se toma el dato de la altura del lecho, y una vez encendido el dispositivo, se varía el caudal poco a poco para ver la evolución del lecho al paso del fluido, a su vez se
Informe de planificación Página 8 / 18
Uno de los objetivos principales de la práctica se basa en el cálculo de la porosidad de ambos lechos. Además, la porosidad es un factor importante a la hora de calcular tanto la pérdida de presión en el lecho como la velocidad mínima de fluidización teórica. Tal y como se ha definido en el fundamento teórico, la porosidad es un factor que define la fracción de huecos presentes en el lecho. Para calcularla, se hace uso de la ecuación (11), la cual expresa una relación entre la densidad de las partículas con respecto a la densidad del lecho. El valor de la densidad de las partículas utilizadas en ambos sistemas se proporciona en el guion. Debido a ello, solo es necesario calcular experimentalmente la densidad del lecho tanto para el sistema S-L como para el sistema S-G.
Para calcular la densidad del lecho se introduce una cantidad conocida de partículas en una probeta de 10 ml previamente tarada. A continuación, en otra probeta de 10 ml, se añade una cantidad conocida de agua. Por último, se introduce el agua en la probeta con las partículas y debido a la densidad del fluido, dichas partículas formarán un volumen superior al que tenían inicialmente en ausencia del fluido. La densidad del lecho se calculará entonces con la ecuación (12), ya que se conocen todos los datos necesarios, como son la masa de las partículas y el volumen que ocupan las partículas en el seno del fluido. Obteniendo los siguientes datos:
Peso probeta: 32,09 g
Peso probeta + partículas: 35,39 g
Peso partículas: 35,39-32,09= 3,3 g
Volumen partículas en el fluido: 2,15 ml
Densidad de las partículas (bibliográfica) = 2570 kg/m 3
Densidad lecho: 1,53 g/ml = 1530 kg/m 3
En este caso, para calcular la densidad del lecho se lleva a cabo el mismo procedimiento que se ha citado anteriormente, pero con una diferencia. En este caso, el fluido a utilizar no es el agua,
Informe de planificación Página 10 / 18
sino aire, debido a ello, el volumen del lecho será el que ocupen las partículas en la probeta. Obteniendo los siguientes resultados:
Peso probeta: 32,09 g
Peso probeta + partículas: 35,39 g
Peso partículas: 35,39-32,09= 3,3 g
Volumen partículas en el fluido: 2,15 ml
Densidad de las partículas (bibliográfica) = 2580 kg/m 3
Densidad lecho: 1,53 g/ml = 1530 kg/m 3
La velocidad mínima de fluidización de un lecho es un parámetro muy importante de cara a la industria química cuando se va a trabajar con reactores catalíticos de lecho fijo. Se define como la velocidad mínima del fluido que contrarresta el peso de las partículas y está considerada como un punto crítico de operación. Es decir, existe una velocidad del fluido para la cual las partículas comienzan a moverse en el lecho, esto se debe a que la velocidad de arrastre del fluido supera el propio peso de las partículas. En ese momento comienza la fluidización. Para calcular la velocidad mínima de fluidización teórica se va a hacer uso de la ecuación de Ergun (8).
Posteriormente dicho dato se comparará con el obtenido experimentalmente. Hay dos formas de calcular la umf. Una de ellas se basa en lo que se ve en el laboratorio, mientras que la otra forma es más gráfica, y relaciona la pérdida de carga con la velocidad del fluido.
La pérdida de carga que experimenta el lecho se debe a la diferencia de presión del fluido a la entrada y a la salida del lecho. Esto va a depender tanto de parámetros propios del lecho (porosidad, la densidad de las partículas…etc.) como de parámetros propios del fluido (densidad, velocidad…etc.). La pérdida de carga experimental se calcula observando la diferencia de presión marcada en el manómetro para cada velocidad del fluido, y como cabe esperar, la pérdida de carga debería de ser mayor cuanto mayor es la velocidad del fluido, ya que mayor será el arrastre de las partículas.
Por otro lado, también se puede calcular una pérdida de carga teórica para comparar los datos obtenidos con los experimentales y estudiar como de bien se ajustan los ideales a los reales. Para ello, se hace uso de una simplificación de la ecuación de Ergún, la cual depende de la velocidad
Informe de planificación Página 11 / 18
Se calcula la sección que tiene el sistema con la ecuación (8):
L/min
Tal y como se puede apreciar, a modo de comparación, la velocidad mínima de fluidización obtenida teóricamente es mucho menor que la obtenida experimentalmente a ojo, esto se puede deber a que los datos experimentales han sido aproximados. Para realizar una comprobación más exacta será necesario obtener el valor de dicha velocidad a partir de la gráfica que relaciona la pérdida de presión en el lecho con la velocidad del fluido. Para ello, es necesario calcular a continuación tanto la pérdida de carga experimental como la teórica.
Tabla 1. Valores teóricos y experimentales de la pérdida de carga en el lecho.
Q (L/min) Q (m^3/ s)
u (m/s) L (m) AP (teórico) (Pa)
AP (exp) (mm H2O)
AP (exp) (Pa)
0 0,00E
0,00E+00 0,00E
0,00E+00 0 0
0,1 1,67E-06 8,50E-03 2,50E
1,16E+06 50 4,95E+
0,2 3,33E-06 1,70E-02 2,50E
2,28E+06 70 6,93E+
0,3 5,00E- 6
2,55E-02 2,53E +
3,57E+06 95 9,41E+
0,4 6,67E-06 3,40E-02 2,58E
3,64E+06 125 1,24E+
0,5 8,33E-06 4,25E-02 2,67E
3,77E+06 135 1,34E+
0,6 1,00E-05 5,10E-02 2,78E
3,92E+06 145 1,44E+
0,7 1,17E-05 5,95E-02 2,85E
4,02E+06 156 1,54E+
0,8 1,33E-05 6,80E-02 2,93E
4,13E+06 167 1,65E+
0,9 1,50E-05 7,65E-02 3,01E
4,25E+06 173 1,71E+
1 1,67E-05 8,50E-02 3,11E
4,39E+06 180 1,78E+
1,1 1,83E-05 9,35E-02 3,19E
4,50E+06 184 1,82E+
Informe de planificación Página 13 / 18
1,2 2,00E-05 1,02E-01 3,31E
4,67E+06 188 1,86E+
1,3 2,17E-05 1,11E-01 3,37E
4,75E+06 191 1,89E+
1,4 2,33E-05 1,19E-01 3,44E
4,85E+06 191 1,89E+
1,5 2,50E-05 1,28E-01 3,54E
4,99E+06 195 1,93E+
1,6 2,67E-05 1,36E-01 3,63E
5,12E+06 195 1,93E+
A partir del valor de caudal de 0,2 la velocidad del fluido supera la velocidad mínima de fluidización, debido a ello para los valores posteriores se ha utilizado la fórmula (9) para calcular la pérdida de carga teórica en el lecho. En la ecuación se han utilizado los datos de la altura del lecho en función del caudal del fluido. Por último, en la tabla se han añadido también los valores experimentales obtenidos en el laboratorio. Dichos valores se han tomado en mm de columna de agua, y para pasarlos a Pascales se ha hecho uso de la relación de conversión para presiones, ya que 1 Pa = 0,101 mm H2O.
Tal y como se puede comprobaren las tablas, las pérdidas de carga teóricas se alejan bastante de las experimentales, para realizar una comparación más acertada se van a graficar los resultados obtenidos, tal y como se muestra a continuación.
Gráfica 1. Pérdida de carga teórica vs velocidad del fluido.
Gráfica 2. Pérdida de carga experimental vs velocidad del fluido.
En ambas gráficas, la tendencia de la curva no se ajusta exactamente a lo encontrado en la bibliografia tal y como se puede observar en la Figura (2) presente en el fundamento teórico. En la gráfica teórica (gráfica 1) si se aprecia mejor el cambio de régimen laminar a régimen turbulento , al igual que el momento en el que se produce la velocidad mínima de fluidización, ya que posteriormente el lecho avanza decreciente pero de forma constante y con valores muy parejos. Sin embargo, en la gráfica experimental no se aprecia tan bien cuando comienza a fluidizar el lecho.
Informe de planificación Página 14 / 18
· Con todos los datos obtenidos anteriormente calculamos la velocidad mínima de fluidización (8) :
(Simplificada)
m/s
Finalmente se calcula la perdida de carga con todos los datos obtenidos (en sistema internacional), introduciendo estos en la ecuación de Ergun (1):
Informe de planificación Página 16 / 18
: Porosidad inicial del lecho, [adimensional]. F 06 5: Porosidad, [adimensional].
Vo: Volumen ocupado por todas las partículas, [m3]. Vt: Volumen del lecho en un instante dado, [m3]. Lo: Altura inicial del lecho, [m]. L: Altura del lecho en un momento dado, [m]. : Viscosidad de fluido, [Pa·s]. u: Velocidad superficial de fluidización, [m/s]. Dp: Diámetro de la partícula, [m]. : Densidad del fluido, [kg/m3]. : Caída de presión, [Pa]. L: Longitud del lecho, [m]. : Densidad de las partículas del lecho, [kg/m3]. g: Aceleración de gravedad, [ 9.81 m/s2]. Re: Número de Reynolds, [adimensional]. : Velocidad del fluido, [m/s]. gc: Factor de conversión gravitacional, [1 (kg·m/s2)/N]. gc: Factor de conversión gravitacional, [1 (kg·m/s2)/N]. Q: Caudal, [m3/s]. A: Área transversal, [m2]. Cd: Coeficiente de descarga, [adimensional]. Y: Factor de expansión [adimensional]
Informe de planificación Página 17 / 18
