Lecho empacado

LECHO EMPACADO

OBJETIVO
Determinar la caída de presión en el lecho empacado con el que cuenta la red experimental de flujo ubicada en nuestro Laboratorio de Operaciones Unitarias, en forma experimental y teórica, y realizar la comparación entre ambas determinaciones.

INTRODUCCIÓN
En dinámica de fluidos hemos estudiado diversos métodos para determinar las relaciones existentes entre lapérdida de presión y la velocidad cuando un fluido se desplaza a través de tuberías. Sin embargo, en muchos problemas de Ingeniería Química nos encontramos con la necesidad de determinar la relación existente entre la pérdida de presión y la velocidad para el caso en que el fluido se desplaza a través de los intersticios existentes entre las partículas que constituyen un lecho poroso.

¿Qué es unlecho poroso? Un lecho consiste en una columna formada por partículas sólidas, a través de las cuales circula un fluido y sufre una caída de presión notable. Con respecto a la porosidad, es una medida de los espacios vacíos en un material: es la fracción del volumen de los huecos sobre el volumen total.

Problemas de flujo en lechos porosos se presentan en la filtración de gases y líquidos, enlas columnas de relleno empleadas en operaciones de difusión de masa, en reactores catalíticos, y en la separación de hidrocarburos por adsorción selectiva sobre gel de sílice.

FUNDAMENTO
En numerosos procesos técnicos circulan líquidos o gases a través de partículas sólidas. Ejemplos importantes de estos procesos son la filtración y el flujo en contracorriente de las dos fases, líquida ygaseosa, a través de torres empacadas. En filtración, el lecho de sólidos está formado por pequeñas partículas que se separan del líquido mediante una tela filtrante o un tamiz fino. En otros procesos, tales como el intercambio iónico o en reactores catalíticos, un solo fluido fluye a través de un lecho de sólidos granulares.

La presente introducción se limita al flujo de una sola fase fluida através de una columna de partículas sólidas.

La resistencia al flujo de un fluido a través de los huecos de un lecho de sólidos, es la resultante del rozamiento total de todas las partículas del lecho. De acuerdo con el número de Reynolds el flujo será laminar o turbulento y habrá rozamiento de forma, separación y formación de estela. Igual que en el rozamiento debido a una sola partículasólida, no hay transición brusca entre el flujo laminar y turbulento, como ocurre para el caso de flujo a través de tuberías y canales de conducción de sección transversal constante.

Los métodos más comunes para calcular la caída de presión a través de lechos de sólidos se basan en estimar el rozamiento total del fluido sobre las superficies sólidas, al pasar por los canales tortuosos formadospor el lecho de partículas. Los canales reales son de forma irregular, tienen una sección transversal y orientación variables, y están altamente interconectados. De cualquier manera, para calcular el diámetro de un canal equivalente, se supone que el lecho tiene un conjunto de canales circulares uniformes, los cuales tienen un área total de superficie y un volumen de espacio vacío que concuerdacon aquellos del lecho. El área total de la superficie es el área de la superficie de cada partícula por el número de partículas, pero es más conveniente basar el cálculo de acuerdo con las partículas en la fracción de volumen en el lecho y la relación superficie-volumen para las partículas. Esta relación es 6/Dp para una esfera, ya que la superficie de una esfera es sp = πDp2 y el volumen de lamisma es υs = (πDp3)/6. Para otras formas o partículas irregulares, la ecuación para la relación superficie-volumen incluye una esfericidad Φs definida como la relación superficie-volumen para una esfera de diámetro Dp dividida entre la relación superficie-volumen para la partícula cuyo tamaño nominal es Dp. Por lo tanto, se tiene la siguiente expresión para la esfericidad:

Φs=6Dpspυp...