CAPÍTULO 5 EXPERIENCIAS EN LECHO FRÍObibing.us.es/proyectos/abreproy/20206/fichero/1... · de los datos experimentales de la calibración del plato distribuidor. El resultado obtenido

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CAPÍTULO 5 EXPERIENCIAS EN LECHO FRÍO

5.1 Introducción

Se realizarán ensayos en discontinuo y en continuo con en fin de caracterizar el

comportamiento del sistema ante determinadas condiciones de operación. En el

siguiente esquema se localizan los parámetros utilizados para la realización de las

experiencias.

Figura 5.1: Parámetros utilizados en experiencias

DISEÑO FLUIDODINÁMICO DE UN SISTEMA DE GASIFICACIÓN EN TRES ETAPAS

90

En primer lugar se realiza una breve descripción de las experiencias llevadas a

cabo en la instalación, para posteriormente desarrollar el proceso y los resultados

obtenidos con más detalles.

● Caracterización de platos distribuidores de reactor y sifón

Obtención de la curva de distribución de presiones en los platos distribuidores

de gas mediante la representación de los resultados experimentales obtenidos de la

medida de caída de presión frente a diferentes velocidades del gas alimentado con

el sistema descargado de sólido.

● Determinación experimental del factor CD(or) de platos distribuidores

En esta experiencia se determina el valor del factor de corrección CD(or) a partir

de los datos experimentales de la calibración del plato distribuidor. El resultado

obtenido se compara con el valor de CD(or) supuesto en el diseño de dichos

distribuidores.

● Cálculo de velocidad de mínima fluidización en el reactor y en el sifón

Se realiza el cálculo de la curva de distribución de presiones en el lecho de

sólidos del reactor mediante la diferencia de:

- La curva [lecho + plato] obtenida de la medida de caída de presión frente a

las mismas velocidades de gas alimentado que en el plato del reactor con una

masa de sólido determinada.

- La curva del plato del reactor obtenida en apartado anterior.

Principalmente el sólido utilizado para estas experiencias es bauxita, pero

también se han realizado pruebas de mínima fluidización en el sifón con diversos

sólidos, como son la ofita y los lodos de depuradora.

EXPERIENCIAS EN LECHO FRÍO

91

● Calibración alimentador alveolar

Obtención de la curva de velocidad del alimentador frente al flujo másico

alimentado mediante la representación de los resultados experimentales de la masa

obtenida para cada velocidad de giro del alimentador. Además se calcula la curva

de velocidad del alimentador frente al porcentaje de finos generados mediante el

cálculo del porcentaje de finos a través de la masa obtenida para cada velocidad de

giro.

● Cálculo cantidad de masa en el reactor

En esta experiencia se calcula la masa contenida en el reactor, en función de la

medida de pérdida de carga en el mismo. Una vez calibrado el alimentador se

comprueban dichos resultados.

● Determinación de porosidad a varias velocidades en reactor y sifón

Se calcula la masa (m) de un lecho de volumen conocido (V) a partir de la

pérdida de carga (∆P) para distintas velocidades del gas tanto en el sifón como en el

reactor.

·(1 )·sW Vρ ε= −

● Diferencia de presión crítica entre cámaras del sifón

Obtención de la presión crítica a partir de la cual el sifón deja de cumplir su

función. Se lleva a cabo manipulando (cerrando) progresivamente la válvula que

conecta reactor y descarga, obligando al gas a atravesar el lecho del sifón. Tomando

como variables el caudal de gas alimentado en el reactor, el caudal de gas en ambas

cámaras del sifón y la altura de la rendija que conecta las cámaras del sifón.

● Desarrollo de un modelo teórico

Comparación de la porosidad experimental obtenida en el modelo frío con los

valores obtenidos para los métodos teóricos de Johnsson, Zijerveld y MF.


92

5.2 Ensayos

En primer lugar se realizan ensayos en discontinuo con el fin de determinar las

condiciones de operación de los distintos elementos del sistema, quedando así

caracterizado su comportamiento. Se trata de ensayos previos para caracterizar el plato

distribuidor del gas, determinar la perdida de carga en el lecho y velocidad de

fluidización mínima para un sólido determinado.

5.2.1 Caracterización de platos distribuidores

Para caracterizar ambos platos distribuidores se realizan mediciones de la

pérdida de carga que provoca el plato, para distintos caudales de alimentación de aire,

sin ningún tipo de sólido en el sistema, para ello contamos con tomas de presión antes y

después del plato, siendo la de éste la única pérdida de carga registrada por los

medidores de presión del sistema. Así se obtienen curvas presión-velocidad (función del

caudal), para la caracterización de ambos platos del equipo, de forma que a mayores

velocidades (mayor caudal alimentado) la pérdida de carga que provoca el plato será

mayor.

El resultado obtenido para el plato del reactor, el cual cuenta con un total de 441

agujeros de 1 mm de diámetro, será:

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Velocidad (m/s)

Pér

dida

Car

ga (

Pa)

Figura 5.2: Perdida carga plato distribuidor del reactor


93

En el caso del sifón (54 agujeros de 1 mm de diámetro cada uno) se ha realizado

la misma prueba. Para la correcta caracterización de su plato distribuidor se ha

eliminado la pared intermedia, y se ha introducido el mismo flujo de gas

( )1 2sf sfu u= por cada una de las dos entradas localizadas en la base del sifón. En la

figura 5.3 se observa el resultado obtenido:

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Velocidad (m/s)

Pér

dida

Car

ga (

Pa)

Figura 5.3: Pérdida de carga plato distribuidor sifón

5.2.2 Determinación experimental del factor CD(or) de platos distribuidores

Se obtiene el valor del factor de corrección CD(or) mediante datos experimentales

obtenidos en la calibración de los platos distribuidores. El resultado obtenido se

compara con el valor de CD(or) supuesto en el diseño de dichos distribuidores.

Para el plato distribuidor del reactor se obtiene:

NuAuA ororRRT ⋅⋅=⋅)(

Donde,

( )

( )

2

2

7

0,04 m

0,5

0,0017,8.10

4431 agujeros

T R

R

or

A

mu s

A

N

−

=

=

Π ⋅= =

=


94

Si se despeja oru y se sustituyen los valores dados, se obtiene:

oru = 59,4 m/s

A partir del valor calculado de oru y de la pérdida de carga experimental para el

plato (para la velocidad de diseño del gas en el reactor) ya podemos determinar el valor

experimental de CD(or).

( ) ( )

( ) ( )

exp 0,5

exp

3400 Pa

59,40,79

2 340021,2

Rmd u s

orD or

d

g

P

uC

P

ρ

=∆ =

= = =⋅⋅ ∆

En el caso del plato distribuidor del sifón, se cuenta con los siguientes datos:

( )

( )

2

2

7

0,004 m

0,5

0,0017,8.10

452 agujeros

T R

Sf

or

A

mu s

A

N

−

=

=

Π ⋅= =

=

Siendo el valor experimental obtenido para la pérdida de carga:

( ) ( )exp 0,5 3000 Pa

Smd u s

P=

∆ =

Con estos datos se obtiene:

oru = 49,3 m/s

Por tanto, el valor experimental de CD(or) para el distribuidor del sifón será:


95

( ) ( )exp

49,30,70

2 300021,2

orD or

d

g

uC

P

ρ

= = =⋅⋅ ∆

Estos resultados obtenidos se comparan con los valores de CD(or) supuestos en el

diseño de dichos distribuidores.

Plato Distribuidor Reactor Plato Distribuidor Sifón

( ) sup _D oruesto diseño

C 0,60 0,62

( ) expD orerimental

C 0,79 0,70

5.2.3 Cálculo de velocidad de mínima fluidización

Para caracterizar el lecho de cualquiera de las cámaras del equipo, se mide la

diferencia de presión en 2 puntos (bajo plato y sobre lecho) para cada uno de los lechos

del sistema (contamos con 3), para ello se añade a la cámara una determinada cantidad

de sólido, y se mide la presión para distintos valores de caudal de gas alimentado. Así es

posible obtener la pérdida de carga que provoca el sistema (plato + lecho), entonces una

vez caracterizado el plato se conoce la pérdida de carga que provoca el lecho para

distintos caudales de gas. Restando se obtiene la curva “presión–velocidad”, que

permite obtener experimentalmente la velocidad de mínima fluidización en el punto que

cambia la pendiente de la curva (se torna horizontal), como se observa en el siguiente

esquema. Esta medida se puede verificar de manera visual durante la realización de la

experiencia, observando sobre los medidores de presión, que la perdida de carga de una

fracción de lecho (excluyendo el plato distribuidor) se hace constante.


96

5.2.3.1 Bauxita

Se ha determinado la velocidad de mínima fluidización utilizando la bauxita como

inerte alimentado al sistema. Estas pruebas se han realizado tanto en el reactor (a) como

en el sifón (b).

a) Reactor

Para la realización de este ensayo se introduce una masa fija de sólido en cada

experimento (10 kg en este caso) en el reactor. A continuación, se mide la caída de

presión para diferentes velocidades de aire, que se obtienen variando el caudal de

suministro de gas, de forma tanto ascendente como descendente, repitiendo este proceso

dos veces y presentando como resultado la media de ambos ensayos. Este

procedimiento se ha realizado para cortes comprendidos entre 250-500, 500-800,

0-1000.

Los resultados obtenidos se exponen en la figura siguiente:

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Velocidad (m/s)

Pér

dida

de

carg

a (P

a)

Corte 250-500

Corte 500-800

Corte 0-1000

Figura 5.4: Velocidad de mínima fluidización en reactor


97

En la figura 5.4 se observa que para el sólido de menor granulometría (250-500),

la velocidad de mínima fluidización es baja( 0,21 / )mfu m s≈ , mientras que para el corte

mayor (500-800) la velocidad de mínima será bastante mayor ( 0,42 / )mfu m s≈ .

Además para una velocidad determinada se obtiene una pérdida de carga en lecho fijo

que es mayor a menor tamaño medio de partículas del lecho (dp), lo que es debido a la

menor fracción de huecos entre partículas, oponiendo así mayor resistencia al paso del

gas.

Un caso especial es el de la muestra que abarca todo el rango de sólido (0-1000),

podemos ver en la gráfica que se velocidad de mínima fluidización se asemeja a la del

sólido de mayores dimensiones. En este caso las partículas de distinto tamaño

comenzarán a fluidizar al ir aumentando la velocidad del gas aportado (en primer lugar

las de menor tamaño), siendo las mas gruesas las últimas en alcanzar la fluidización,

quedando determinada la velocidad de mínima del corte por las partículas mas gruesas,

por lo que se valor se asemeja a la del corte grueso anteriormente expuesto.

Existe un leve ascenso de la pérdida de carga bajo condiciones de fluidización

(tramo horizontal). Se debe a que la medida de pérdida de carga incluye la zona

ocupado por el lecho y la inmediatamente superior, donde al aumentar el flujo de gas,

tenemos cierta energía disipada, ya que parte del sólido es arrastrado hacia esta zona

(parte de el regresa al lecho). Este efecto se observa en la figura 5.5:

Figura 5.5: Efecto zona sobrelecho


98

b) Sifón

Para caracterizar el recipiente del sifón se sigue el mismo procedimiento que el

realizado para el reactor, en este caso se introduce una masa de 1,5 kg de sólido en el

bloque y se repite la prueba con diversos cortes que son: 250-350, 250-500, 350-500,

500-800, 0-1000. A diferencia del caso anterior (reactor) se han podido utilizar mayor

diversidad de cortes granulométricos, ya que la cantidad utilizada para la experiencia es

mucho menor.

Las pruebas de mínima fluidización realizadas en el sifón se realizan sin colocar

la pared intermedia, que divide al mismo en dos cámaras, por tanto, al igual que en la

caracterización del plato, sólo se cuenta con una cámara.

Si agrupamos todas las gráficas obtenidas en una misma gráfica para su

comparación, se obtiene:

0

500

1000

1500

2000

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Velocidad (m/s)

Pér

dida

de

carg

a (P

a)

Corte 250-350Corte 350-500Corte 250-500Corte 500-800Corte 0-1000

Figura 5.6: Velocidad de mínima fluidización en Sifón

A partir de las curvas representadas en la figura 5.6 se determinan las siguientes

velocidades de mínima fluidización para las distintas granulometrías del sólido

alimentado al sistema.


99

umf (m/s)

(Reactor) umf (m/s)

(Sifón) 250-350 - 0,15 350-500 - 0,22 250-500 0,21 0,21 500-800 0,42 0,52 0-1000 0,42 0,40

Figura 5.7: Velocidades mínima fluidización bauxita (reactor y sifón)

En la figura 5.7 se observa que la velocidad de mínima fluidización aumenta al

aumentar el pd del material alimentado al equipo. En teoría, se debe obtener el mismo

valor para la velocidad de mínima fluidización tanto en el reactor como en el sifón, lo

que, se cumple para los sólidos de menor granulometría. Para los sólidos más gruesos,

la curva no deja de ascender debido, al igual que en el reactor, a la energía disipada por

las partículas sustentadas en la zona sobrelecho.

5.2.3.2 Otros materiales sólidos (distintos a la bauxita)

Se han realizado pruebas de mínima fluidización con otros sólidos, como son la

ofita y los lodos de depuradora.

A) Ofita

Para la ofita se han realizado pruebas de mínima fluidización, en primer lugar

con la granulometría comprendida entre 250 y 500 micras y, a continuación, se utiliza el

corte localizado entre 500 y 800 micras.

Experiencia 1: Realizada en el sifón (sin pared intermedia), con 1500 g de ofita

250-500 µm.


100

21

21,5

22

22,5

23

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Velocidad (m/s)

Pér

dida

de

carg

a (P

a)

Corte 250-500

Figura 5.8: Velocidad mínima fluidización ofita 250-500 µm

Como se puede observar en la figura 5.8, la velocidad de mínima fluidización será:

0,11 m/s

Experiencia 2: Realizada en el sifón (sin pared intermedia), con 1500 g de ofita,

con una granulometría comprendida entre 500 y 1000 micras.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Velocidad (m/s)

Pér

dida

de

carg

a (P

a)

Corte 500-1000

Figura 5.9: Velocidad mínima fluidización ofita (500-1000 micras)

Para esta granulometría la velocidad de mínima fluidización será:

0,49 m/s


101

Entre ambos cortes existe una gran diferencia en relación a sua velocidades de

mínima fluidización, esto es debida a la gran cantidad de finos existentes en el corte de

granulometría menor (250-500).

B) Lodos

La velocidad de mínima fluidización teórica para un lecho frío, se obtiene a partir

del nº Remf y del nº Ar

( )

( )

0,52

3

2

Re 28,7 0,0494 28,7mf

p g s g

g

Ar

d gAr

ρ ρ ρµ

= + ⋅ −

⋅ ⋅ − ⋅=

Y a partir de aquí podemos calcular la velocidad de mínima de los lodos:

Remf gmf

p g

ud

µρ⋅

=⋅

Aplicando estas ecuaciones se obtiene una velocidad de mínima fluidización

para los lodos de:

umf = 0,8624 m/s

Valor que corresponde a 12,4 Nm3/h siguiendo la escala del rotámetro de la

instalación (límite superior 13 Nm3/h), entonces al realizar la experiencia en el lecho

frío se debería de alcanzar la fluidización de los lodos, no obstante, no se llega a

alcanzar por diversos motivos como el efecto pared, por tanto, se concluye que este

caudal fue insuficiente en la experiencia.


102

5.2.4 Calibración del alimentador alveolar

Para esta calibración se alimenta el sólido a distintos regimenes de velocidad de

giro de la válvula alveolar (20, 35, 50 y 65 rpm), calculando para cada velocidad tanto

la masa alimentada como el porcentaje de finos generados con un tiempo de ensayo de

corte de 2 minutos. Los resultados se exponen en la figura 5.10, donde se representa la

velocidad de giro frente al flujo másico alimentado. Por otro lado, para ver la capacidad

de trituración del alimentador, en la figura 5.11 se representa la velocidad frente al

porcentaje de finos generados (para todos los cortes).

- VELOCIDAD VS FLUJO MÁSICO ALIMENTADO

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70

Velocidad (rpm)

Flu

jo m

ásic

o al

imen

tado

(kg/

h)

Corte 250-500

Corte 500-800

Corte 0-1000

Figura 5.10: Flujo másico frente a velocidad de giro (calibración alimentador)

Se observa que se trata de una curva lineal con pendiente positiva en la que la

masa alimentada es directamente proporcional a la velocidad, a mayor velocidad más

masa alimentada.


103

- VELOCIDAD VS PORCENTAJE DE FINOS GENERADOS

-

3,0

6,0

9,0

12,0

15,0

18,0

0 20 40 60 80

Velocidad (rpm)

% F

inos

gen

erad

os

Corte 250-500

Corte 500-800

Figura 5.11: Porcentaje de finos generados en el alimentador

Para el sólido mas grueso (500-800) la curva obtenida no es lineal ya que el

porcentaje máximo de finos generados lo alcanza para una velocidad intermedia, 50rpm,

mientras que el porcentaje mínimo lo alcanza para la velocidad mayor, 65rpm, contrario

a lo que pensábamos que iba a suceder. Si no tuviéramos en cuenta el punto 65 rpm, la

gráfica sería lineal, obteniendo que a mayor velocidad mayor porcentaje de finos que se

generan. Este descenso puede deberse al escaso tiempo de llenado existente en la

alveolar a elevadas velocidades de giro, lo que provoca que la cavidad no se llene por

completo existiendo menor fricción y por lo tanto menor atricción

En el caso del sólido fino (250-500) la curva obtenida es lineal pero con

pendiente negativa, al contrario que en el corte grueso. Esto es, a mayor velocidad,

menor número de finos generados. Esto puede ser debido a que el alimentador sólo

“tritura” las partículas por encima de un determinado diámetro de corte y por debajo de

éste ya no genera finos.


104

5.2.5 Cálculo cantidad de masa en reactor

Para la realización de este ensayo se introduce una masa inicial de sólido en el

reactor de 8 kg y se toma la caída de presión (∆P) que correspondería al instante t=0. A

continuación se comienza a alimentar sólido al reactor con una velocidad de giro del

alimentador alveolar de 50 rpm, y se mide la caída de presión (∆P) a cada minuto (se

toman 5 medidas) para distintas velocidades del gas (50 y 70 Nm3/h). A partir de los

resultados obtenidos de la caída de presión calculamos la masa contenida en el reactor.

El ensayo se ha realizado con 2 distribuciones granulométricas distintas de bauxita

(250-500 , 500-800)

A) Corte 500-800

● Experimento 1 Condiciones Resultados


t (min) ∆P lecho (mbar) W exp (kg) 0 19,8 8,07 1 21,5 8,77 2 23,4 9,54 3 25,9 10,56 4 28 11,42 5 30,5 12,44

Caudal 50 (Nm3/h) F1 53,57 (kg/h) M0 8 (kg) rpm 50

∆P plato 20,5 (mbar)

Fs real 0,8929 (kg/min)

Caudal 70 (Nm3/h) F1 53,57 (kg/h) M0 8 (kg) rpm 50



t (min) ∆P lecho (mbar) W exp (kg) 0 19,45 7,93 1 21,45 8,75 2 24,25 9,89 3 26,45 10,78 4 29,35 11,97 5 32,25 13,15


105

B) Corte 250-500



Caudal 70 (Nm3/h) F1 57,021 (kg/h) M 0 8 (kg) rpm 50

∆P plato 34 (mbar)


Los resultados de resumen en la siguiente grafica:

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6

tiempo (min)

mas

a (k

g)

exp 1

exp 2

exp 3

exp 4

Figura 5.12: Masa en reactor

Caudal 50 (Nm3/h) F1 57,021 (kg/h) M 0 8 (kg) rpm 50



t (min) ∆P lecho (mbar) W exp (kg) 0 20,05 8,18 1 22,55 9,19 2 24,65 10,05 3 27,25 11,11 4 30,5 12,44 5 33 13,46

t (min) ∆P lecho (mbar) W exp (kg) 0 21,5 8,77 1 23,8 9,70 2 26,25 10,70 3 28,75 11,72 4 30,5 12,44 5 32 13,05


106

A partir de los resultados observados en la figura 5.12, se determina el

incremento de masa por unidad de tiempo (pendiente) y se compara con la obtenida en

la calibración del alimentador. (Ver anexo 4)

5.2.6 Determinación de porosidad a varias velocidades en reactor y sifón

Con este ensayo se desea determinar la porosidad de un lecho de partículas

sólidas de volumen conocido ( y T lechoA h ). Mediante la medida de pérdida de carga en

el lecho para diversas velocidades del gas de aporte, se calcula la masa contenida en el

mismo.Y a partir de la ecuación:

( )1 sW Vε ρ= − ⋅ ⋅

El sólido alimentado será bauxita, se realizarán dos pruebas con granulometrías

comprendidas entre 250-500 y 500-800 micras, siendo la velocidad del alimentador de

50 r.p.m.

Figura 5.13: medidas obtención porosidad


107

- Reactor

El área del reactor es de 0,04 m2 y su altura hasta rebosadero de 0,32 m, por

tanto, el volumen será 0,0128 m3

Para el sólido de granulometría comprendida entre 250 y 500 micras, el

resultado obtenido para varias velocidades de gas de aporte (velocidad de mínima

fluidización del sólido y superiores) será:

BAUXITA 250-500 micras (Reactor)

uR (m/s) WR (kg) ε 3*u_mf 0,573 13,06 0,67

2,5*u_mf 0,477 15,18 0,62 2*u_mf 0,382 16,9 0,57

1,5*u_mf 0,286 19,8 0,5 u_mf 0,191 21,55 0,45

Por otro lado, para el sólido de mayores dimensiones.

BAUXITA 500-800 micras (Reactor)

uR (m/s) WR (kg) ε

2*u_mf 0,868 13,27 0,67 1,5*u_mf 0,625 19,5 0,52

u_mf 0,417 21,44 0,46

En la tabla se observa que para partículas mas gruesas la porosidad es mayor, lo cual

es lógico ya que para estas partículas la velocidad de mínima fluidización será mayor, y

por tanto, se obtienen una fracción de burbujas en el lecho de sólidos bastante superior,

lo que provoca que la porosidad del lecho el condiciones fluidizadas sea

considerablemente mayor.

Lo expuesto en las tablas se resume en la figura 5.14:


108

00,10,20,30,40,50,60,70,8

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

u/u mf

Por

osid

ad250-500

500-800

Figura 5.14: Porosidad experimental en reactor

Se puede observar un importante incremento de la porosidad con la velocidad

del gas, lo que se traduciría en una expansión del lecho, pero nuestro sistema al tener la

altura limitada, esa expansión lo que provoca es el rebose de sólido y, por tanto, una

menor masa de sólido en el lecho.

- Sifón

Se conoce el área de cada una de las cámaras del sifón (0,004 m2) y la altura del

rebosadero, que será la altura de lecho de sólidos (0,182 m).

BAUXITA 500-800 micras (Sifón)

Antes de realizar la experiencia se ha comprobado que la pérdida de carga entre

ambas cámaras del sifón es nula

( )1 2 0camP − =△

uS (m/s) WS (kg) (por cámara) ε

2*u_mf 0,833 0,585 0,83 1,5*u_mf 0,625 0,965 0,71

u_mf 0,417 1,08 0,68


109

BAUXITA 250-500 micras (Sifón)

Para el sólido menor (250-500) se realizaron 2 pruebas, la primera de ellas con

pared intermedia que divide ambas cámaras pero sin pérdida de carga entre ambas, y,

para la segunda de las pruebas se ha eliminado dicha pared y se ha tomado en sifón

como una sola cámara rectangular con el doble de volumen.

1er Caso) Con pared intermedia

uS (m/s) WS (kg) (por cámara) ε 3*u_mf 0,632 0,85 0,622

2,5*u_mf 0,521 0,88 0,608 2*u_mf 0,424 0,93 0,585

1,5*u_mf 0,316 1,01 0,552 u_mf 0,208 1,03 0,544

2º Caso) Sin pared intermedia

uS (m/s) WS (kg) (por cámara) ε 3*u_mf 0,574 1,47 0,703

2,5*u_mf 0,473 1,63 0,672 2*u_mf 0,385 1,86 0,626

1,5*u_mf 0,287 2,22 0,552 u_mf 0,189 2,46 0,504

En la gráfica que vemos a continuación se observa lo anteriormente expuesto en

el reactor, es decir, la porosidad para las partículas mas gruesas será mayor a una misma

velocidad. También se puede concluir que el hecho de quitar la pared intermedia no

tiene una influencia importante sobre la porosidad localizada en el equipo.

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

u/u mf

Por

osid

ad

500-800 (con paredintermedia)

250-500 (con paredintermedia)

250-500 (sin paredintermedia)

Figura 5.15: Porosidad experimental en sifón


110

5.2.7 Diferencia de presión crítica entre cámaras del sifón

El objetivo de esta experiencia es la de obtener la diferencia de presión crítica

entre ambas cámaras del sifón a partir de la cual éste deja de cumplir su función de

sellado. Para variar la diferencia de presión en dichas cámaras el sistema cuenta con una

válvula en la línea que comunica el bloque del reactor con el de la descarga (ver figura),

de forma que al ir cerrando esta válvula aumenta la pérdida de carga en esa línea, hasta

que llega a un punto que el aire alimentado al reactor comienza a atravesar el sífón hacia

la descarga, ya que la pérdida de carga que provoca las columnas de sólidos del sifón

será menor que la provocada por la válvula. Entonces, al ir cerrando la válvula se crea

una diferencia de presión entre ambas columnas del sifón, lo cual se traduce en una

diferencia de altura de ambos lechos. La altura del lecho de la cámara izquierda

desciende por lo que pasa sólido hacia la cámara de la derecha, esta cámara tiene una

altura fija (marcada por el rebosadero), por lo que la cantidad de sólido en el sifón va

disminuyendo, así como la longitud total de lecho (suma de los 2), con el consiguiente,

descenso de pérdida de carga al paso del gas (menor efecto de sellado).

Figura 5.16: Representación de la localización de la válvula de estrangulación


111

Para realizar la experiencia se opera en continuo, utilizando como alimentación

bauxita (250-500 micras), con una velocidad de giro en la válvula alveolar de 50 rpm.

Figura 5.17: Medidas realizadas para la experiencia

Se han realizado experiencias, variando la altura de rendija y las condiciones de

aporte de gas (flujo constante o ascendente) en reactor y sifón.

- Experiencia A:

hrendj (cm) 4

uR (m/s) ascendente

uS (m/s) ascendente

uR (m/s) uS (m/s) ∆Pcrit (1-2) (mbar)

0,28 0,28 No se alcanza

0,31 0,31 No se alcanza

0,35 0,35 19,5

0,42 0,42 18,2

0,49 0,49 16,2

0,56 0,56 14,5


112

- Experiencia B:

hrendj (cm) 3

uR (m/s) ascendente

uS (m/s) ascendente

uR (m/s) uS (m/s) ∆Pcrit (1-2) (mbar) 0,28 0,28 25,5 0,31 0,31 23,7 0,35 0,35 22,5 0,42 0,42 20,5 0,49 0,49 18,7 0,56 0,56 17,3

- Experiencia C:

hrendj (cm) 5

uR (m/s) ascendente

uS (m/s) ascendente

uR (m/s) uS (m/s) ∆Pcrit (1-2) (mbar) 0,21 0,21 22 0,28 0,28 20,5 0,31 0,31 18,5 0,35 0,35 17,2 0,42 0,42 16 0,49 0,49 14,2

- Experiencia D:

hrendj (cm) 4

uR (m/s) cte (0,35 m/s)

uS (m/s) ascendente

uR (m/s) uS (m/s) ∆Pcrit (1-2) (mbar) 0,35 0,28 No se alcanza 0,35 0,35 19 0,35 0,42 17,7 0,35 0,49 16,5 0,35 0,56 14 0,35 0,62 13,25


113

- Experiencia E:

hrendj (cm) 4

uR (m/s) cte (0,28 m/s)

uS (m/s) ascendente

uR (m/s) uS (m/s) ∆Pcrit (1-2) (mbar) 0,28 0,28 No se alcanza 0,28 0,35 20,5 0,28 0,42 18 0,28 0,49 16,5 0,28 0,56 15 0,28 0,62 13,5

- Experiencia F:

hrendj (cm) 4

uR (m/s) ascendente

uS (m/s) cte (0,35 m/s)

uR (m/s) uS (m/s) ∆Pcrit (1-2) (mbar) 0,28 0,35 21 0,35 0,35 20,5 0,42 0,35 20 0,49 0,35 19,2 0,56 0,35 19 0,62 0,35 19

Los datos obtenidos en las experiencias quedan reflejados en los siguientes

gráficos:


114

- Variación altura de rendija y flujo de gas ascendente (experiencias A, B y C)

0

5

10

15

20

25

30

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Velocidad (m/s)

Pér

dida

Car

ga (

mba

r)

hrendj = 4 cmhrendj = 3 cmhrendj = 5 cm

- Flujo de gas del sifón variable (ascendente), altura de rendija y flujo de gas

reactor constantes (experiencias D y E)

0

5

10

15

20

25

30

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Velocidad (m/s)

Pér

dida

Car

ga (

mba

r)

u_r =0,35

u_r =0,28

- Variación flujo de gas aportado por el reactor, altura de rendija y flujo de gas

sifón constantes (experiencias F)

0

5

10

15

20

25

30

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Velocidad (m/s)

Pér

dida

Car

ga (

mba

r)

u_s =0,35


115

A partir de estos gráficos se estudia el comportamiento del sifón, se observa que

la variable mas importante para la obtención de la presión crítica es la altura de la

rendija, ya que al aumentar ésta, se altera la altura de lecho (disminuye hasta el

rebosadero fijo de descarga), produciéndose un descenso de la capacidad de sellado del

sifón, y se alcanza antes la presión crítica. En relación a la variación de los flujos de gas,

se concluye que su efecto sobre la presión crítica es limitado, en comparación con la el

caso anterior.

5.3 Desarrollo modelo teórico

Cálculo teórico de la porosidad se utilizan las ecuaciones propuestas a

continuación:

En primer lugar se calcula la fracción y la velocidad de las burbujas

1

1burb

burb

mf tf

u

u u u

δ =+

− −

La fracción de burbujas será función de la velocidad del gas en el lecho, así

como de su velocidad de mínima fluidización, la velocidad de ascenso de las burbujas y

la velocidad del gas al atravesar dichas burbujas, llamada utf y que se define mas

adelante.

( )0,50,711burb bu g d= ⋅ ⋅ (Davidson and Harrison, 1963)

Siendo el diámetro de la burbuja el siguiente:

( ) ( )( )0,80,4 0,5 0,20,54 4b mf bd u u h A g−= ⋅ − ⋅ + ⋅ ⋅ (Darton, 1977)


116

Conocido fburb ya podemos conocer la porosidad del lecho (expandido)

( ). 1l fluido burb burb mfε δ δ ε= + − ⋅

Y a partir de ese valor se calcula la masa contenida en el lecho y la pérdida de

carga del mismo

( )

( )

.

.

1

1

tot s l fluido T lecho

tot s l fluido lecho

m A h

P g h

ρ ε

ρ ε

= ⋅ − ⋅ ⋅

∆ = ⋅ − ⋅ ⋅

Para el cálculo de “utf” se pueden utilizar varios métodos:

1) Método de Johnsson

( ) ( )1tf mfu u uχ= − ⋅ − (Johnsson et al., 1991)

siendo,

( )0,40,52 4 bf h Aχ = ⋅ + ⋅

Obteniendo experimentalmente,

( ) ( ) 0,333,3

2 0,26 0,7 10 0,15pd

mff u u− − ⋅ = + ⋅ ⋅ + −

2) Método de Zijerveld

0,181,45 Arχ −= ⋅ (Zijerveld et al., 1997)

3) Método de validación M.F.

1χ =

A continuación posamos a comparar los resultados teóricos con los

experimentales obtenidos en la prueba de porosidad (rebose), utilizando como sólido la

bauxita con una granulometría comprendida entre 350 y 500 micras.


117

- Reactor

Teórica (χ =1 (m.f.)) Teórica (χ Johnsson) Teórica (χ Zijerveld) Experimental

uR (m/s) ε ε ε ε

3*u_mf 0,573 0,63 0,6 0,51 0,67

2,5*u_mf 0,477 0,6 0,58 0,5 0,62

2*u_mf 0,382 0,58 0,56 0,48 0,57

1,5*u_mf 0,286 0,52 0,52 0,46 0,5

u_mf 0,191 0,44 0,44 0,44 0,45

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Velocidad (m/s)

Por

osid

ad experimental

validación m.f.

Johnson

Zijerver

Figura 5.18: Comparación porosidad experimental y teórica reactor (varios modelos)

- Sifón (sin pared intermedia)


uS (m/s) ε ε ε ε

3*u_mf 0,573 0,65 0,6 0,53 0,703

2,5*u_mf 0,477 0,63 0,58 0,51 0,672

2*u_mf 0,382 0,59 0,56 0,49 0,626

1,5*u_mf 0,286 0,54 0,52 0,47 0,552

u_mf 0,191 0,44 0,44 0,44 0,504


118

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Velocidad (m/s)

Por

osid

ad experimental

validación m.f.

Johnson

Zijerver

Figura 5.19: Porosidad experimental y teórica sifón sin pared intermedia

- Sifón (con pared intermedia)

( )1 2 0camP − =△


uS (m/s) ε ε ε ε 3*u_mf 0,632 0,67 0,61 0,54 0,622

2,5*u_mf 0,521 0,64 0,59 0,52 0,608 2*u_mf 0,424 0,6 0,57 0,5 0,586

1,5*u_mf 0,316 0,55 0,54 0,48 0,552 u_mf 0,208 0,47 0,47 0,44 0,544

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Velocidad (m/s)

Por

osid

ad experimental

m.f.

Johnson

Zijerver

Figura 5.20: Porosidad experimental y teórica sifón con pared intermedia


119

Observando los resultados obtenidos experimentalmente y comparándolos con

los teóricos, para el cálculo de la porosidad en un lecho de partículas, podemos descartar

el uso de la correlación de Zijerveld para el cálculo de χ , ya que se aleja en gran

medida del resultado experimental. No ocurre así, al utilizar las correlaciones de

Jonhsson y χ = 1 (validación m.f.), siendo esta última la que mas se acerca a los

valores experimentales, tanto a bajos como a altas velocidades del gas de aporte en el

lecho.

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CAPÍTULO 5 EXPERIENCIAS EN LECHO FRÍObibing.us.es/proyectos/abreproy/20206/fichero/1... · de los datos experimentales de la calibración del plato distribuidor. El resultado obtenido