UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁN FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I G-1 REPORTE DE LABORA
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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁN FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA I G-1 REPORTE DE LABORATORIO LECHOS EMPACADOS Licenciatura Ingeniería Química Industrial Profesor Ing. Gilberto Antonio Canto y Burgos Equipo #3 Integrantes Enna Saraí Arce Arellano Gabriela Mishel Cardós Sánchez Clara María Esquivel Rosado Jesús Andrés Góngora Vázquez Diego Eduardo Rivas Bastarrachea Fecha de Realización 17 de febrero 2016 Fecha de Entrega 24 de febrero de 2016
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ANTECEDENTES La torre o lecho empacado es un sistema de mucha utilidad en procesos industriales la cual consiste en una columna cilíndrica que contiene una entrada de gas y un espacio de distribución en el fondo, una entrada de líquido y un dispositivo de distribución en la parte superior, una salida de gas en la parte superior, una salida de líquido en el fondo y el empaque o relleno de la torre. El gas entra en el espacio de distribución que está debajo de la sección empacada y se va elevando a través de las aberturas o intersticios del relleno, así se pone en contacto con el líquido descendente que fluye a través de las mismas aberturas. El empaque proporciona una extensa área de contacto íntimo entre el gas y el líquido. Las características de una torre en especial la caída de presión, dependerá del tamaño del lecho y la relación que existe entre el líquido y el material de relleno. 1 Tipos de columnas de partículas sólidas1 Las columnas de partículas sólidas o medios porosos que se pueden utilizar en la fluidización, se clasifican básicamente en dos tipos, según indica Levenspiel (1993):
Lechos rellenos. Éstos incluyen pilas de rocas, filtros de arena, la tierra en los tiestos de flores, cigarrillos, columnas de absorción, etc. Para un buen contacto líquido-sólido, las columnas de absorción se rellenan normalmente con objetos cerámicos, de plástico o metálicos de formas especiales tales como anillos y sillas que tienen una gran área superficial y una elevada
fracción de huecos; por tanto presentan una baja resistencia al flujo. Sólidos porosos. Éstos incluyen materiales naturales porosos tales como rocas subterráneas de yacimientos de petróleo y estructuras preparadas tales como partículas de alúmina sinterizadas, esponjas de espuma de poliuretano, colchones de espuma de caucho; etc.
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. Lechos rellenos o empacados1
Lecho Fijo: las partículas permiten el paso tortuoso del fluido sin separarse una de otras, esto hace que la altura del lecho se mantenga constante y por tanto la fracción de vacío en el lecho (porosidad) se mantiene constante. En
esta etapa el fluido experimenta la mayor caída de presión del proceso. Lecho prefluidizado: también es conocido como fluidización incipiente, y se trata de un estado de transición entre el lecho fijo y el fluidizado. Una de las características que presenta esta etapa es que la velocidad en este punto recibe el nombre de velocidad mínima de fluidización. También se
caracteriza porque la porosidad comienza a aumentar. Fluidización discontinua: también se conoce como fase densa y es cuando el movimiento de las partículas se hace más turbulento formándose torbellinos. Dentro de esta etapa se pueden distinguir dos tipos de fluidización: o Particulada: se manifiesta en sistemas líquido-sólido, con lechos de partículas finas en los cuales se manifiesta una expansión suave. o Agregativa: se presenta en sistemas gas-sólido. La mayor parte del fluido circula en burbujas que se rompen en la parte superior dando
origen a la formación de aglomerados. Fluidización continua: todas las partículas son removidas por el fluido, por lo que el lecho deja de existir como tal, mientras que la porosidad tiende a uno. 1
Los lechos empacados pueden ser fijos y fluidizados. En los primeros el flujo es descendente; si es ascendente, su velocidad no es suficientemente alta como para arrastrar el material de empaque. En los lechos fluidizados, en cambio, la velocidad del flujo ascendente es tal que las partículas del lecho pierden contacto entre sí. 2 Requisitos para la selección de material de relleno 1 Existen una gama de materiales que pueden ser utilizados como material de relleno. Para el diseño óptimo o selección de un empaque los requisitos del mismo son los siguientes:
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Alta capacidad: El relleno debe ser capaz de resistir altas rafas de flujo por prolongados períodos de tiempo, también altas caídas de presión en el seno de la columna ya que, las pérdidas de carga son función de la
velocidad de los fluidos. Inertes: El material del que esté constituido el relleno ha de ser completamente inocuo a las sustancias involucradas en la absorción, con el objeto de evitar la contaminación de algunos de los componentes y alargar
la vida útil del proceso. Ser Económicos: Los rellenos representan un alto porcentaje en el costo total del equipo, por ello se recomienda que el mismo sea económico y de
fácil adquisición. De gran Área: Un empaque debe proporcionar una gran área de contacto entre las fases involucradas, su superficie deber ser de fácil mojado para el líquido y acceso para el gas, esto por supuesto, facilita la transferencia de
masa y le da valor agregado al proceso. Resistente: Un empaque debe ser resistente a la corrosión y a la abrasión causada por el constante flujo a altas velocidades.
Livianos: Los rellenos en su conjunto deben ser ligeros, porque una torre empacada muy pesada, resulta no factible desde el punto de vista de dimensionamiento de equipos, aun cuando el proceso tenga alta eficiencia. INTRODUCCIÓN Los lechos empacados pueden ser clasificados de acuerdo a su utilidad y eficiencia de colección (que van del 80 al 99 por ciento de rendimientos ya sea de transferencia de masa o calor). Además el material de construcción de estas, debe ser resistente a la corrosión y a la abrasión, debido al alto contacto con el fluido que se esté utilizando. La principal ventaja de un lecho empacado es la eficiencia de colección para rangos muy amplios de partículas, así como las principales desventajas que se pueden mencionar, la presencia de casi todos los lechos empacados comprenden por consiguiente una sección de contacto gas- líquido seguida de una sección donde las partículas húmedas son removidas por fuerzas inerciales. El 3
acondicionamiento de las partículas de polvo se lleva a cabo poniendo en contacto éstas con gotas de líquido para producir un aglomerado partículas- liquido. En una torre de lecho empacado, el líquido fluye hacia abajo, mientras que la corriente gaseosa va hacia arriba abriéndose paso a través de un lecho ya sea de plástico, cerámica, madera etc. La forma de material que conforma este medio puede ser esférica o muy irregular. El principal objetivo de un lecho es aumentar el contacto gas-líquido con el material de relleno, siendo mucho mejor, ya que el lecho proporciona el máximo de contacto con la misma caída de presión. Las características de una torre en especial la caída de presión, dependerá del tamaño del lecho y la relación que existe entre el líquido y el material de relleno. Una característica muy importante de este proceso es su manejo simple por la facilidad con la que se pueden transportar los sólidos hacia dentro y hacia fuera del equipo. De la misma forma existen ciertas características del proceso muy desventajoso, como la aglomeración de las partículas que es una muy importante, ya que esto limita el uso del proceso a cualquier tipo de partícula. OBJETIVO Determinar experimentalmente la variación de la caída de presión en tuberías empacados de diferentes diámetros y en diferentes direcciones del flujo. MATERIALES Y REACTIVOS
Equipo de lechos empacados
Jarra de 3 litros.
Cronometro
METODOLOGÍA 1. Se revisó que el equipo de Lechos empacados estuviera conectado a su regulador, y éste, a la toma de corriente. El equipo se presenta consta de las siguientes partes: tres lechos empacados con diferentes diámetros, un tanque Amfield y un sistema de medidores de presión. 4
2. Se llenó tanque Amfield, hasta la altura adecuada. El tanque funcionó como fuente de alimentación, todo esto con ayuda de un motor. 3. Se prosiguió a graduar la altura del mercurio en cada uno de los tubos que se encargaba de medir la presión existente. Esto se hizo retirando todos los tubos conectados desde los lechos hasta las válvulas de los manómetros. Enseguida se abrieron todas las válvulas con la intención de que los manómetros sólo registraran la presión atmosférica y por lo tanto todas las alturas del mercurio se igualaron. 4. Se purgó cada uno de los conductos que se conectaban de los lechos hasta los manómetros correspondientes, para ello, se requirió encender la bomba para que el agua circulara. También se aseguró que cada una de las válvulas de los manómetros estuviera cerrada, enseguida se prosiguió a desconectar uno por uno los conductos conectados a las válvulas y se aseguró que no quedarán burbujas de aire dentro de los conductos. Posteriormente a esto se conectaron de nuevo cada uno de los conductos a sus respectivas válvulas. 5. Se analizó la dirección del flujo que seguía el agua a través de las tuberías del sistema. Las llaves de arriba se abren si se gira la manija hacia la izquierda y se cerraba si la manija se gira hacia el lado derecho. Caso contrario a las llaves de abajo que se abrían girando las manijas hacia el lado derecho y se cerraban si la manija se giraba hacia el lado izquierdo. 6. Se prosiguió a tomar las caídas de presión que se daba en cada lecho empacado ya sea con un flujo ascendente o un flujo descendente. 7. Se encendió de nuevo la bomba y se abrieron y cerraron las llaves correspondientes para direccionar el flujo a cada uno de los lechos empacados, uno a la vez. Después se abrieron las válvulas del manómetro que le correspondía a cada lecho empacado para que se conocieran las presiones de entrada y salida que se presentaba en cada lecho tanto con un flujo descendente como con un flujo ascendente 8. Seguidamente se observó y anotó las presiones de salida y de entrada en cada lecho que marcaba el manómetro.
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Todas las mediciones de presión de cada uno de los lechos se encuentran en las siguientes tablas: FLUJO DESCENDENTE Column Diámetro P. a 1 2 3
(m) 0.765 0.635 0.635
1 2 3
entrada P. de
(cmHg) 50.5 47.5 50
FLUJO ASCENDENTE Columna Diámetro P. (m) 0.765 0.635 0.635
de
de
salida ΔP (cmHg)
(cmHg) 49 45 49 entrada P.
(cmHg) 52 50.6 50
de
1.5 2.5 1 salida ΔP (cmHg)
(cmHg) 51.5 50.01 49,5
0.5 0.5 0.5
9. Finalmente se tomaron los datos correspondientes para el cálculo posterior del flujo volumétrico con el que se estaba trabajando. Esto se hizo llenado un recipiente de tres litros con el agua que salía del sistema de lechos empacados y tomando el tiempo en el que este recipiente se llenaba por completo. Los datos se encuentran en la Tabla.
Datos para cálculo de flujo volumétrico Volumen (L) 3
Tiempo (s) 6.64
Resultados: En la tabla siguiente (tabla 3) se presentan los resultados de las caídas de presión obtenidas en cada una de las columnas, medidas en centímetros de mercurio. Tabla 3. Caídas de presión en las columnas 6
Columna
Diámetro (m)
1 2 3
0.765 0.635 0.635
Caída de presión ( cm de Hg) Configuración Configuración descendente 1.5 2.5 1
ascendente 0.5 0.5 0.5
2.5
2
1.5
descendiente ascendiente
1
0.5
0 LECHO1
LECHO 2
LECHO 3
DISCUSIONES: Al comparar cada una de las columnas en los diferentes sistemas es evidente que la diferencia de presión para el flujo descendente es mayor que cuando se usa un flujo ascendente, esto es debido al efecto de la gravedad sobre dicho flujo, pues es incluida la presión manométrica del agua o también el peso de la columna de agua sobre la medición de la presión en la toma de abajo. El efecto del diámetro en las columnas se refleja claramente en que al disminuir el diámetro de estas, la caída de presión es mayor, los puntos importantes a medir en la práctica fueron la caída de presión en la válvula principal de alimentación a los lechos empacados y la caída de presión superior e inferior de cada lecho del sistema.
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CONCLUSIÓN: La importancia de los lechos empacados radica en que en estos se pueden llevar a cabo reacciones químicas, estos al estar llenos de pelets con catalizadores que ayudan a la conversión de la reacción debido a que al tener más contacto con el área superficial de los pelets. Pueden existir lechos fluidizados y lechos fijos, todo depende de la manera de operar del proceso, esto involucra las caídas de presión en el sistema así como la potencia de bombeo entre otros componentes.
ANEXOS EQUIPO 3 Líder de la práctica – Diego Eduardo Rivas Bastarrachea Operador del Equipo – Enna Saraí Arce Arellano Encargado de anotar datos– Jesús Andrés Góngora Vázquez Encargado de solicitar material – Clara María Esquivel Rosado Limpieza –Gabriela Mishel Cardós Sánchez
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BIBLIOGRAFÍA 1. http://ri.ues.edu.sv/2003/1/Dise%C3%B1o,_construcci %C3%B3n_y_pruebas_de_funcionamiento_de_un_lecho_empacado_para_ laboratorios_de_flujo_de_fluidos.pdf 2. Dondé Castro, Mario José. Transporte de Momentum y calor: teoría y aplicaciones a la ingeniería de proceso, c2005. Textos Didácticos UADY. Pág. 277-285 9
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