Practica 2.caida De Presion En Lechos Empacados.docx

SEP

SESTNM

TNM

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA

Departamento de Ingeniería Química LABORATORIO INTEGRAL 1

PRÁCTICA No. 2: Caída de presión en lechos empacados Grupo “181800”

Equipo no. 9 García de Alba Prado Oscar Emmanuelle Gutiérrez Pineda Diana Laura Manjarrez Moreno Diana Laura

Catedrático: I. Tomas Pichardo Esquivel

Metepec, Estado de México. 08 de febrero del 2019

Objetivo: Comprobar la caída de presión en una tubería empacada a cuando no está.

Introducción: Actualmente existen un gran número de operaciones industriales donde es muy común el uso de lechos empacados debido a que las numerosas ventajas que se les encuentra industrialmente. El flujo (líquido o gas), a través del lecho empacado es relevante en los procesos industriales, por ejemplo, en aquellos procesos donde se necesitan caídas de presión, los procesos catalíticos, lixiviación, filtración de mezclas, así como donde la transferencia y almacenamiento de energía térmica, solo por mencionar algunos. Estos últimos se empiezan con una temperatura inicial, posteriormente, en el proceso de transferencia de calor entre el lecho y el fluido dará como resultado la variación de la temperatura en el lecho. En los lechos empacados 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, la cual es necesaria en una gran cantidad de operaciones industriales.

Fundamento teórico: La columna empacada es uno de los sistemas más importantes en la industria química por su amplia utilización en operaciones de transferencia de masa. La evaluación de la caída de presión en columnas empacadas es un requisito fundamental para el buen diseño de las mismas. La ecuación de Blake-Kozeny, predice la caída de presión en columnas empacadas de manera satisfactoria (Bird et al, 1960), siendo esta expresión una función que depende del diámetro de la partícula, la longitud y porosidad del lecho, la viscosidad del fluido que se hace pasar a través del mismo y la velocidad de flujo. Los primeros cuatro parámetros pueden considerarse constantes en un sistema determinado, convirtiendo

a la ecuación de Blake-Kozeny en una función estrictamente

dependiente de la velocidad de flujo.

∆𝑝=

1500𝑝 𝑝𝑝 (1−𝑝)2 𝑝𝑝2 𝑝2

Dónde: ∆𝑝= Caída de presión. 𝑝 = Velocidad del flujo. L = Longitud del lecho empacado. µ = Viscosidad del fluido. dp = Diámetro de la partícula del lecho. ε = Razón de volumen líquido a volumen total o porosidad del lecho. Esta expresión está basada en la condición de que el material de empaque esta uniformemente distribuido y no existe irregularidad en el flujo a través del lecho; además, que el diámetro de la partícula de empaque es pequeño en relación al diámetro de la columna y esta ultimo mantiene un valor constante.

La pérdida fraccional para flujo a través de lechos rellenos puede calcularse utilizando la expresión de Ergun: ∑𝑝 =

.175𝑝 20𝑝 (1−𝑝) 150𝑝𝑝0𝑝 (1−𝑝)2 + ∗ ∗ 𝑝𝑝2𝑝 𝑝𝑝 𝑝3 𝑝3

La pérdida de presión correspondiente sería: Δ𝑝 = 𝑝 ∑ 𝑝 La ecuación de Ergun se basa en la combinación de la ecuación de Kozeny-Carman para el flujo en la región viscosa y de la ecuación de Burke-Plummer para la región turbulenta. La importancia de los términos correspondientes a pérdidas viscosas y pérdidas turbulentas en la ecuación de Ergun se puede relacionar con el valor del número de Reynolds de partícula. Para fluidos que circulan a través de un lecho relleno de sólidos, el número de Reynolds de partícula se define como: 𝑝𝑝𝑝 =

𝑝𝑝 𝑝0𝑝 𝑝

Cuando Rep < 20, el término de pérdida viscosa domina y puede utilizarse solo con un error despreciable. Cuando Rep > 1000, sólo se necesita utilizar el término de pérdida turbulenta. Principales magnitudes del lecho empacado El comportamiento de un lecho empacado viene caracterizado principalmente por las siguientes magnitudes: Porosidad del lecho o fracción de huecos (𝑝): Es la relación que existe entre el volumen de huecos del lecho y el volumen total del mismo (huecos más sólidos). Esfericidad de una partícula (𝑝): es la medida más útil para caracterizar la forma de partículas no esféricas e irregulares. La esfericidad de las partículas y la porosidad del lecho están relacionadas. La Figura 1 muestra los datos típicos de fracción de huecos para lechos de relleno. Caída de presión: Pérdida de la presión entre dos puntos de tubería, situados a ambos lados de una válvula, debido al rozamiento hidráulico. Las caídas de presión altas se asocian a caudales muy grandes y/o diámetros muy chicos. Los fluidos viscosos también dan caídas de presión altas.

Reactivos: 

Agua.

Material: 

Bomba sumergible.



Cuba hidroneumática.



Canicas.



Tubo de plástico.



Liga.



Malla de la bolsita de canicas.



Soporte universal.



Pinza de tres dedos.



Regla.



Termómetro.



Probeta.



Vaso de precipitados de 1L.

Procedimiento 1: 1. Llenar la cuba de agua, hasta que la bomba este sumergida completamente. 2. Colocar la manguera a la bomba y sumergirla. 3. Medir el diámetro de las canicas. 4. Tomar la temperatura del agua. 5. En la probeta colocar una cantidad conocida de líquido, después agregar las canicas y por resta se conoce el volumen que ocupan las canicas. 6. En el soporte colocar una pinza de 3 dedos y sujetar la manguera a una altura. 7. Conectar la bomba a la corriente y dejar que fluya el agua y llene el vaso de precipitados. 8. Realizar las repeticiones que crean pertinentes. 9. Realizar los cálculos.

Procedimiento 2: 

En la cuba que ya teníamos llena y lista solo en la manguera agregar las canicas hasta una altura conocida.



Poner la malla donde venían las canicas y sujetarla con una liga para evitar que las canicas se salgan.



Conectar la bomba a la corriente y dejar que fluya el agua y llene el vaso de precipitados.



Realizar las repeticiones que crean pertinentes.



Realizar los cálculos.

Cálculos y análisis: El agua estaba a 28 0C, por tablas se tiene que:

Y se hace una interpolación y se obtiene que: 𝑝 = 996.4 𝑝𝑝⁄ 𝑝3

Y

𝑝 = 8.36𝑝10−4 𝑝𝑝 ∗ 𝑝

Después se calcula el caudal, velocidad, área, numero de Reynolds, factor de fricción, la perdida por tubería y la caída de presión. Y se tiene que:

El factor de fricción se puede obtener de:

por diagrama de Moody

.25

Como se usó una hoja de cálculo es más sencillo con la formula donde: D = Diámetro de la manguera. 𝑝 = Rugosidad. La rugosidad se saca de tablas, en este caso como es plástico se tiene que:

Y con la ecuación de Darcy se calculara hL que es la perdida por tuberías. 𝑝 𝑝2 ℎ 𝑝 = 𝑝𝑝 𝑝 2𝑝 𝑝

𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑝𝑝 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.

Y la caída de presión se calcula: 𝑝0 − 𝑝𝑝 = 𝑝 ∗ 𝑝 ∗ ℎ 𝑝 Cálculos procedimiento 2: La esfericidad de las canicas es 1. La porosidad se calcula: 𝑝=

𝑝=

𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 − 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑝𝑝 ℎ𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝. 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝. 6𝑝10−5 𝑝 − 4𝑝10−5 𝑝

= .333 6𝑝10−5 𝑝 𝑝𝑝 = 𝑝 ∗ Ф = .02𝑝 ∗ 1 = .02𝑝 Ya que la esfericidad es 1. Ф = 1. La velocidad superficial es: 𝑝0 =

𝑝 𝑝

La perdida por fricción se calcula por la expresión de Ergun: .175𝑝 20𝑝 (1−𝑝) 150𝑝𝑝0𝑝 (1−𝑝)2 + ∗ ∑𝑝 = ∗ 𝑝𝑝2𝑝 𝑝𝑝 𝑝3 𝑝3

La pérdida se calcula por ecuación de Darcy. 𝑝 𝑝2 ℎ 𝑝 = 𝑝𝑝 𝑝 2𝑝 𝑝 Y la caída de presión se calcularía así: 7 𝑝𝑝2 (1 −𝑝)2 ∗ ( 0) ∗ ∆𝑝= 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑝3 4 𝑝𝑝

Bibliografía: Fenómenos de transporte, Bird, Stewart, Lightfoot. http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/9251/Capitulo4.pdf