Informe Ingenieria de Alimentos I
Informe Ingenieria de Alimentos I
Informe Ingenieria de Alimentos I
AGRARIA LA MOLINA
Facultad de Industrias Alimentarias
Departamento de Ingeniería de Alimentos y Productos
Agropecuarios
Laboratorio N° 3
LECHOS FIJOS Y FLUIDIZADOS
CURSO:
Ingeniería de Alimentos I
PROFESOR:
Mg. Sc. Ing. Puma Isuiza, Gustavo Gavino
INTEGRANTES:
Ishara Shimbo, Enrique Daniel 20141217
Ramírez Terreros, Billi Jhon 20150457
Sandoval La Puerta, Andrea Nadir 20140988
GRUPO: B*
FECHA DE PRÁCTICA: 29 / 04 / 19
FECHA DE ENTREGA: 20 / 05 / 19
2019- I
0
I. INTRODUCCIÓN
Los objetivos de la práctica fueron conocer el funcionamiento del equipo para el estudio
de lechos fijos y fluidizados, obtener por métodos experimentales los valores de la
constante de Kozeny, factores de fricción para cada velocidad, la permeabilidad del
medio poroso, la gráfica de Carman y determinar la velocidad mínima de fluidización.
1
II. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Microesferas de
Tipo de partícula
vidrio
Diámetro de las partículas (m) 0.000442
Densidad de las partículas
2500
(kg/m3)
Porosidad del lecho (Ɛ) 0.4
Densidad del lecho (kg/m3) 1500
Área transversal del lecho (m2) 0.00152
Fluido Aire
Temperatura del aire (°C) 27.83
Densidad del aire (kg/m3) a
1.17268
27.83°C
Viscosidad del aire (Pa.s) a
0.0000185
27.83 °C
Densidad del agua (kg/m3) a
996.3576
27.83°C
2
Cuadro 2: Datos experimentales
2.1. Cálculo del valor de la constante de Kozeny (K”), permeabilidad (β), número
de Reynolds (Re) y factor de fricción (f).
3
Cuadro 3: Constante de Kozeny (K´´), permeabilidad (B), Número de Reynolds (Re) y
factor de fricción (f)
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Los valores de las constantes K de Kozeny-Carman se encuentran en el rango de (2.78 y
3.41), se hallan fuera del rango teórico mencionado por Foust (1998), quien señala un
rango entre 3.5 y 5.5.
100.00000
y = 2.8334x-1.093
R² = 0.9458
Factor de fricción (f)
10.00000
1.00000
0.00000 0.50000 1.00000 1.50000 2.00000 2.50000
0.10000
Número de Reynolds (Re)
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Como se sabe, a velocidades bajas, el lecho permanece en estado fijo. Esto se dio en
nuestra práctica entre valores de 0.037 y 0.183 m/s, ya que entre este intervalo el
espesor del lecho se mantuvo en gran medida constante.
Para lechos fijos, el uso de la ecuación de Ergun es fundamental para hallar la velocidad
mínima de fluidización. Por otro lado, cando las velocidades son altas, se puede esperar
que las partículas dentro de la columna se eleven por encima de su nivel original, y, si la
velocidad es lo suficientemente grande, se pueden arrastrar, tal y como sucede con el
transporte neumático. La velocidad definirá si el lecho es fijo o fluidizado; claro,
considerando que se tienen unos parámetros específicos de velocidades de fluidización
para cada tipo de partícula y de fluido (De Prada, 2014).
1−𝑒 𝜇 𝜌𝑓 1
(𝜌𝑠 − 𝜌𝑓 ) 𝑥 𝑔 = 150 𝑥 3
𝑥 2
𝑥𝑉𝑚𝑓 + 1.75 𝑥 𝑥 3 𝑥𝑉𝑚𝑓 2
𝑒 𝐷𝑝 𝐷𝑝 𝑒
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2.5. Gráfica de los datos de caída de presión (mmH2O) vs la velocidad de
circulación (cm/s)
180
160
Caída de presión (mmH2O)
140
120
100
80 y = 5.3801x + 9.3004
R² = 0.9393
60
40
20
0
0 5 10 15 20 25 30 35
Velocidad de circulación (cm/s)
7
2.6. Determinación gráficamente de la Vmf
160
140
Caída de presión (mmH2O)
120
100
80
60
40
20
0
0 5 10 15 20 25 30 35
Velocidad de circulación (cm/s)
Para el presente trabajo, se determinó de manera gráfica que la 𝑉𝑚𝑓 experimental fue de
0.1827 m/s, aproximadamente. Sin embargo, esta velocidad no representa la velocidad
en la cual el lecho empezó a aumentar de tamaño (Cuadro 3). Unigarro (2017) señala
que en ese punto (𝑉𝑚𝑓 ) se presenta un equilibrio entre la fuerza de arrastre del flujo y la
fuerza de gravedad, haciendo que las partículas se muevan y puedan levantarse. De
manera que a la velocidad de 0.1825 m/s (𝑉𝑚𝑓 ) la fuerza del aire equilibró las
microesferas de vidrio. La velocidad mínima de fluidización experimental se determina
mediante el análisis de graficas de velocidad vs P, altura de lecho, o porosidad. La
velocidad mínima de fluidización será en el cambio de la curva. La teórica y la
experimental deberían ser cercanas. (Carvajal, 2008). De manera que, al comparar la
𝑉𝑚𝑓 obtenida experimentalmente con la 𝑉𝑚𝑓 teórica, se encontró que los valores fueron
muy diferentes y no tan cercanos 𝑉𝑚𝑓 experimental: 0.1825m/s y 𝑉𝑚𝑓 teórica: 0.1686
m/s, lo cual indica que los dato obtenido presentan un margen de error.
De manera similar, Reyes (2010) citado por Unigarro (2017) encontró que cuando el
aire fluía de manera ascendente a través del lecho fijo (sin ninguna restricción en la
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superficie), la caída de presión se incrementaba linealmente con la velocidad de
circulación del fluido hasta cierto punto en que el grano empezó a levantarse y,
posteriormente la caída de presión se mantuvo constante como se observa en la Figura
3.
2.5
2
Log (ΔPmmH2O)
1.5
y = -0.3894x2 + 1.8015x + 0.3985
1 R² = 0.9906
0.5
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
Log (V)
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III. CONCLUSIONES
Se conoció el funcionamiento del equipo de lechos fijos y fluidizados.
Se obtuvo valores para la constante de Kozeny entre 1.73 y 3.41.
Se obtuvo valores de permeabilidad entre 2.82 x 10-10 y 4.61 x 10-10.
Se obtuvo valores de fricción entre 0.76 y 9.8.
La caída de presión y la velocidad de circulación presentaron una tendencia
lineal hasta el punto de velocidad mínima de fluidización.
Se determinó que la velocidad mínima de fluidización experimental y la
velocidad mínima de fluidización teórica tuvieron valores muy próximos de
0.1827 m/s y 0.1686 m/s, respectivamente.
Se determinó que según va aumentando el valor numérico del número de
Reynolds, es evidente que la magnitud del factor de fricción disminuye de forma
proporcional hasta cierto intervalo de variación.
IV. BIBLIOGRAFÍA
Basu, P. 2010. Combustion and Gasification in Fluidized Bed
Castellanos, J. 2015. Diseño y construcción de un Reactor de Lecho Fluidizado
para el estudio de mezcla y segregación de gases y sólidos. Tesis Ing. Mecánico.
Universidad San Francisco de Quito. Madrid, España. 64 p.}
Carvajal, L. 2008. Estudio experimental del secado de maíz precocido en un
lecho fluidizado con aire operado en condiciones de vacío. Tesis Licenciatura.
Ingeniería Mecánica. Departamento de Ingeniería Industrial y Mecánica, Escuela
de Ingeniería y Ciencias, Universidad de las Américas Puebla. Marzo. Derechos
Reservados © 2008.
Conesa, J. 1996. Reactores de lecho fluidizado. Diseño de reactores
heterogéneos. Universidad de Alicante. España.
De prada, A. 2014. Estudio experimenta de la aglomeración de partículas en un
lecho fluidizado. 72 p.
10
Levenspiel, O. 1991. Fluidization Engineering. Editorial Butterworth-
Heinemann, 2 ed. Boston.
Unigarro, D. 2017. Secado de café arábigo Coffea arábica L. de la variedad
Caturra mediante Lecho Fluidizado. Tesis Ing. Agroindustrial. Universidad
Técnica del Norte. 187 p.
V. CUESTIONARIO
1. Realice una demostración de la ecuación de Ergun para flujo global
laminar-turbulento de un fluido en lecho poroso.
En la Figura 5 se puede ver los datos para deducir la ecuación de Ergun (Levenspiel,
1991).
𝑢+ = 𝑄/𝑆 𝑢 = 𝑢+ /𝜀
+
𝑘 𝛿𝑝+
𝑢 =− [ ]
𝜇 𝛿𝑥
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Donde k es permeabilidad.
Además, al Flujo α
1 𝛿𝑝+
𝑢+ = − [ ]
𝛼𝜇 𝛿𝑥
Resistencia específica αs
+
1 𝛿𝑝+
𝑢 =− [ ]
𝜌𝑠 𝜀𝑠 𝛼𝑠 𝜇 𝛿𝑥
La resistencia de la torta Rt
+
∆𝑝+
𝑢 =−
𝜇 𝑅𝑡
Con f constante:
12
∆𝑝+ 1.75 𝜌(1 − 𝜀)𝑢+2
− =
𝐿 ɸ𝑠 𝑑𝑝 𝜀 3
Según Levenspiel, O. (1991) cuando un gas empuja hacia arriba a un lecho de sólidos,
en el punto de fluidización se pueden igualar las fuerzas de empuje del gas y la pérdida de
carga: (Fuerzas de empuje del gas) = (Pérdida de presión manométrica, que coincide con la
pérdida de presión en el lecho) x (Sección)= (Volumen del lecho) x (Fracción de sólidos) x
(Peso específico de los sólidos)
donde ɛmf es la porosidad en el mínimo de fluidización, que es ligeramente más alta que la
de lecho fijo, ya que normalmente hay una expansión y Lmf es la altura del lecho en el
punto de mínima fluidización. Si combinamos esta expresión con la ecuación de Ergun se
obtiene:
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bajo este régimen de flujo. Cuando se desconoce los valores de la porosidad y/o
esfericidad, se puede emplear la expresión resumida:
Aplicación:
La Figura 6 muestra que la velocidad de mínima fluidización, determinada con la
que disminuye a medida que se reduce el contenido de humedad. En el caso de la
muestra ST 60, el valor de Vmf es visiblemente menor en comparación con el de la
muestra RC. Por tanto, se requieren menores valores de Vmf a medida que progresa
el secado-tostado. Si la velocidad del aire no se controlara, la misma naturalmente
aumentará debido a la disminución del peso del lecho sometido al secado (pérdida
de presión decreciente). Esto aumentaría el gasto energético para mantener
constante la temperatura de aire a la entrada lo que, además, puede ocasionar
pérdida de material por transporte neumático hacia afuera del lecho.
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datos con una expresión lineal. En la Figura 6 los valores experimentales de Vmf se
vincularon al contenido de humedad mediante una ecuación empírica (presentado
en la siguiente línea) de tipo exponencial con un r2 de 0.983.
V 2.6491exp0.490W1.189
V 1.437exp0.0638 t 1.159
V 2.6491exp0.490W1.189
Para nuestro sistema, el factor 1.5 resultó satisfactorio. Los valores de Vf obtenidos
se graficaron en la Figura 7 como función del tiempo. Esta información puede ser
útil para el diseño de un algoritmo y equipo con control automático durante el
proceso donde el valor deseado de velocidad operativa de fluidización disminuya
con el tiempo.
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Figura 7: Velocidades experimentales de mínima fluidización a 20ºC (●) a varios
tiempos, junto con los valores predichos por la correlación empírica (─). La curva
superior (---) representa la velocidad operativa de fluidización como función del
tiempo.
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Fluidización de burbujeo o turbulento: Los lechos de sólidos fluidizados
con aire presentan lo que se denomina fluidización agregativa o de burbujeo.
A velocidades superficiales la mayor parte del gas pasa a través del lecho en
forma de burbujas o huecos que están casi exentos de sólidos, y solamente
una pequeña fracción del gas fluye por los canales existentes entre las
partículas.
Fluidización circulante: A velocidades de gas más altas, todas las partículas
de alimentación son rápidas arrastradas con el gas, pero es posible
recuperarlas con un ciclón regresarlas al fondo para mantener los sólidos en
la unidad. Este tipo de sistema recibe el nombre de lecho de fluido circulante
(Levenspiel, 1991).
VI. ANEXOS
6.1. Comentario de un artículo científico
La presente investigación tuvo por objetivo realizar un estudio del tostado de granos de
trigo mediante lecho fluidizado con gas caliente. Además el trabajo busca analizar la
calidad del trigo tostado y hacer una comparación de este método con el método
tradicional de tostar los granos en una sartén usando arena como medio de transferencia
de calor. Se empleó como muestra de experimentación granos de trigo (Triticum
aestivum L.). Esta muestra se sometió al proceso de tostado, descansado y cubiertas con
material alimentado a través de un alimentador vibratorio a una velocidad constante de
enfriamiento. El aire caliente que se empleó en el lecho para el tostado fue generado
dentro de la cámara de combustión por la combustión de LPG y se mezcló con aire
fresco y se hizo pasar a través de la cubierta de tostado a velocidades controladas. La
amplitud y la frecuencia de vibración de la cubierta de tostado vibratorio fueron
controlados por un motor eléctrico. El tostador tuvo una capacidad de 150 kg/h de trigo.
La temperatura de tostación se mantuvo en el intervalo de 280-350°C. La velocidad
mínima de fluidización fue de 2-3 m/s para el trigo y la velocidad del aire caliente
operativa empleada estaba en el intervalo similar.
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A nivel de textura, en el producto obtenido por el método de lecho fluidizado, se
encontró un pico menor en las curvas de fuerza y deformación. Este pico con valor más
bajo respecto al obtenido por el método tradicional, significa que indica un menor
requerimiento de energía para su posterior procesamiento. Los parámetros de textura
fueron más bajos en las muestras tostadas por el método de lecho fluidizado, lo que
indica una mejor transferencia de calor que mediante el otro método. La investigación
determinó que el color general de los granos de trigo por tratamiento en lecho fluidizado
fue mejor retenido que el método tradicional. Además la textura fue más uniforme y de
buena expansión.
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