Régimen de burbujeo en un reactor con inyección por el fondo bajo

Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales
Modelado Físico de Procesos Metalúrgicos y de Materiales
Semestre 2012-1
Régimen de burbujeo en un reactor con inyección por el fondo bajo
condiciones de flujo laminar
GUIÓN DE TRABAJO EXPERIMENTAL
INFORMACIÓN
Numerosos procesos metalúrgicos, tales como la desoxidación de cobre, el
desgasificado de aluminio y la descarburización de aceros de alta aleación se basan en la
inyección de un gas en un baño líquido para inyectar al reactivo gaseoso en el baño líquido
y al mismo tiempo favorecer el transporte de masa y, consecuentemente, incrementar la
productividad de estos procesos.
La inyección de gases puede realizarse por el fondo del reactor, por un lado del
reactor o bien mediante una lanza sumergida en el baño líquido. En el caso de inyección
por el fondo o por un lado, ésta se realiza a través de toberas o bien de tapones porosos.
Para el caso de toberas, se han reportado experimentos1 bajo condiciones de flujo laminar
en sistemas metal fundido/gas en los que el comportamiento de la frecuencia de burbujeo es
función de los números de Reynolds y de Weber, calculados para las condiciones en el
orificio de la tobera. La forma de las burbujas es también función de estos números
adimensionales.
OBJETIVO
¿ Cuál es valor de los número de Reynolds y de Weber, basados en las condiciones
del orificio, para que la frecuencia de formación de burbujas sea de
20 burbujas/segundo, para una altura de baño de 30 cm ?
¿ Qué morfología tienen las burbujas en esas condiciones de operación ?
1
R.J. Andreini et al., “Characterization of Gas Bubbles Injected into Molten Metals Under Laminar Flow
Conditions”, Metallurgical Transactions B, 8B, dic. 1977, pp. 625-631.
Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales
MATERIALES Y EQUIPO
Modelo físico: tubo de acrílico (40 cm de altura x 9.5 cm de diámetro, cerrado por
la base) con una boquilla de 3.1 mm de diámetro, ubicada en el centro de la base del
tubo
10 L de agua
Compresora
Rotámetro para aire
Cámara de video
Tripié
Software para transferencia de video2
Computadora
2
Sólo si no se dispone de una cámara digital.
Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales
PARTE I
PROCEDIMIENTO
1. Instala la conexión de aire al modelo físico y comienza a circular aire a una rapidez de
flujo de 118 mL/min
2. Llena el modelo físico con agua hasta una altura de 30 cm
3. Coloca la videocámara de tal forma que el eje de la lente coincida con un vector normal
a la superficie del modelo físico, asegurándote que las burbujas se observen con
claridad mientras salen de la tobera
4. Inicia la videograbación
5. Observa la formación de las burbujas y su movimiento a medida que ascienden
6. Detén la videograbación cuando lo consideres adecuado
7. Realiza esta filmación por duplicado
8. Transfiere los dos videos a una computadora, para su posterior análisis
9. Repite el procedimiento anterior para una rapidez de flujo de 1150 mL/min
CUESTIONARIO
1. Analizando los videos en la computadora, determina la frecuencia de formación de
burbujas para cada flujo de aire estudiado
2. Analizando los videos en la computadora, determina la morfología de las burbujas para
cada flujo de aire estudiado
3. Calcula los valores de los números de Weber y de Reynolds, basados en las condiciones
de flujo en el orificio, para cada flujo de aire estudiado
4. ¿Qué relación existe entre la frecuencia de formación de burbujas y los números de
Weber y de Reynolds (basados en las condiciones de flujo en el orificio)?
5. ¿Qué relación existe entre la morfología de las burbujas y los números de Weber y de
Reynolds (basados en las condiciones de flujo en el orificio)?
Autor: Dr. Bernardo Hernández Morales
PARTE II
PROCEDIMIENTO
1. Instala la conexión de aire al modelo físico y comienza a circular aire a una rapidez de
flujo de entre 118 y 1150 mL/min
2. Llena el modelo físico con agua hasta una altura de 30 cm
3. Coloca la videocámara de tal forma que el eje de la lente coincida con un vector normal
a la superficie del modelo físico, asegurándote que las burbujas se observen con
claridad mientras salen de la tobera
4. Inicia la videograbación
5. Observa la formación de las burbujas y su movimiento a medida que ascienden
6. Detén la videograbación cuando lo consideres adecuado
7. Realiza esta filmación por duplicado
8. Transfiere los dos videos a una computadora, para su posterior análisis
9. Repite el procedimiento anterior otra rapidez de flujo (si lo consideras necesario)
CUESTIONARIO
1. Calcula los valores de los números de Weber y de Reynolds, basados en las condiciones
de flujo en el orificio para cada flujo de aire estudiado
2. ¿Qué relación existe entre la frecuencia de formación de burbujas y los números de
Weber y de Reynolds (basados en las condiciones de flujo en el orificio) en este
sistema?
3. ¿ Cuál es valor de los número de Reynolds y de Weber, basados en las condiciones del
orificio, para que la frecuencia de formación de burbujas sea de 20 burbujas/segundo,
para una altura de baño de 30 cm ? ¿ Qué morfología tienen las burbujas en esas
condiciones de operación ?