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23234 Laboratorio De Procesos 2014-II

INFORME#1 Torres Empacadas D. Ferreira-Beltrán 1, J.C Gutierrez-Julio2, C.A Parada-Meléndez3 Universidad Industrial de Santander, Escuela de Ingeniería Química 1

Cód. 2100421, 2Cód. 2100409, 3Cód. 2100397 Fecha de entrega: 23 de octubre del 2014

1. Introducción Las torres empacadas son dispositivos frecuentemente utilizadas en la absorción de gases y algunas otras operaciones. Esta consiste en una columna cilíndrica, o torre, equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior; una entrada y un distribuidor en la parte superior; salidas para el gas y liquido por cabeza y cola respectivamente; una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que reciben el nombre de relleno de la torre que proporcionan un área de superficie grande para facilitar el contacto entre el líquido y el gas. Las torres absorbedoras empacadas pueden alcanzar eficiencias de remoción y manejar razones de líquido más altas asi como tener requerimientos de consumo de agua relativamente más bajos que otros tipos de absorbedores de gas. Sin embargo, las torres empacadas pueden también tener caídas de presión altas en el sistema, potencial de obstrucción y ensuciamiento alto y costos de mantenimiento extensos debido a la presencia del material de empaque. La caída de presión a través de la torre empacada se puede determinar mediante la ecuación de leva y Ergun, las cuales son función de las razones de flujo de gas y de líquido, y además de las propiedades del empaque. [1] 2. Objetivos General: Aprender a operar una torre empacada evaluando los parámetros más importantes en el proceso de absorción, entre ellos su caída de presión. Específicos:



Reforzar los conocimientos teóricos obtenidos en la asignatura de operaciones unitarias II con las realidades del trabajo experimental.



Observar los principios de separación de mezclas binarias en fase gas-liquido.

Prof. Janet Bibiana García Martínez

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

Familiarizar con torres empacadas en las que existe contacto entre fases, el uso y manejo de este equipo para proyectos relacionados con operaciones unitarias.

3. Marco teórico Torres empacadas Una torre empacada es una columna cilíndrica, equipada con sistemas de alimentación y distribución de las fases, así como con dispositivos para la salida, en el fondo y en la cima. Cuenta con un lecho de sólidos inertes llamados empaques. Usualmente un gas o vapor ingresa por el fondo de la columna y asciende a través del área transversal libre, y el fluido más denso se dirige desde la cima hacia abajo. [2]

Fig. 1 Columna Empacada La columna también requiere de ciertos accesorios para su buen funcionamiento, como: 

Distribuidores de liquido



Sistemas de alimentación



Retenedores de empaque



Soportes de empaque



Colectores de liquido



Eliminadores de arrastre

No todos los accesorios mencionados con anterioridad están presentes en una columna, eso dependerá de la relación costo-beneficio.

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Empaque Constituye el elemento principal de esta clase de columnas. Tiene como función ofrecer su superficie como área humectable para favorecer el contacto entre las fases. Debe procurarse una caída de presión lo más baja posible. Los empaques pueden estar dispuestos al azar o de forma ordenada. [3]

Fig. 2 Empaques al Azar

Fig.3 Empaques al Azar

Fig. 4 Empaques Estructurado Característica de un empaque 

Químicamente inerte con respecto a los fluidos de la torre.



Estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación



Proveer un buen contacto entre líquido y gas.



Facilitar el paso de ambos flujos sin retener demasiado líquido o disminución en la presión.



Bajo costo. [4]

Balance de masa Prof. Janet Bibiana García Martínez

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El diámetro de una torre empacada de absorción depende de las cantidades de gas y líquido tratadas, de sus propiedades, y de la relación de una corriente con otra. La altura de la torre, y por tanto el volumen total del empaque, depende de la magnitud de los cambios deseados en la concentración y de la velocidad de transferencia de masa por unidad de volumen empacado. En una planta de contacto diferencial, tal como la torre empacada de absorción que se ilustra en la figura, las variaciones de composición son continuas de un extremo a otro del equipo. Los balances de materia para la porción de la columna por encima de una sección arbitraria son los siguientes: [5]

Fig. 5 Diagrama de una torre empacada

DONDE: Prof. Janet Bibiana García Martínez

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G: Cantidad total de gas que pasa a través de la torre. L: Cantidad total de líquido que baja por la torre. G’: Moles de gas que no se difunde en la torre. L': Moles de líquido que no se difunde en la torre. G’; L’: Son constantes a lo largo de la torre. y : Fracción molar. Y : Relación molar. Pa: Presión parcial. x : Fracción molar. X: Relación molar Haciendo un balance de material referido al componente a separar, entre una sección de la torre y la sección inferior tenemos. G’ = (Y(n-1) – Y) = L`(Xn – X).

Fig. 6 caída de presión del gas típica flujo en contracorriente con empaque al azar

Esta última, en el diagrama X-Y representa una que pasa por el punto (Xn; Yn+1) y tiene como pendiente L’/G’. Aplicando el mismo balance entre la sección anterior y la parte superior de la torre tenemos: G’ = (Y1 – Y) = L`(Xo – X)

Caída de presión de la torre empacada Prof. Janet Bibiana García Martínez

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Cambios en la velocidad lineal del gas producen cambios proporcionales en la caída de presión hasta el punto de carga, luego del cual pequeños cambios en la velocidad lineal del gas producen grandes cambios en la caída de presión a través de la columna, hasta llegar al punto de inundación. [6] 4. Materiales y reactivos         

Envoltura de la columna de absorción Puertos de entrada y salida de gas Puertos/drenes de entrada y salida de líquido Distribuidor y redistribuidor de líquido Dos placas de soporte de empaque Eliminador de rocío Tubería interna Espacio de fosa Plataformas y escaleras.

Accesorios

Fig.7 Accesorios de la Torre Empacada 1. Válvula de entrada de agua. 2. Rotámetro Es un medidor de caudal en tuberías, consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con Prof. Janet Bibiana García Martínez

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el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el área anular entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de presión de este estrechamiento sea lo suficiente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio (para presiones bajas; y de metal para presiones altas) y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal. 3. Distribuidor de líquido 4. Distribuidor de Gas 5. Cuerpo de la torre 6. Salida de Gas 7. Platina de orificio Consiste en una placa perforada que se instala en la tubería, a través de cual fluye el fluido, al cual se le puede determinar el caudal a partir de las presiones diferenciales que se generan. 8. Turbina 9. Lectura de Presión 10. Válvula de entra de gas 11. Reóstato

5. Procedimiento Primeramente se realizó la calibración respectiva al equipo donde se llevó a cabo la práctica. 

Calibración del Aire: Este procedimiento se realizó en una de las torres rellenas con sillas berl. Se controló el gas con un reóstato, estableciendo valores entre 20 hasta 70 en la escala, se esperó aproximadamente 5 minutos mientras se lograba estabilizar el flujo del gas. Una vez estable se midió la velocidad del gas en metros por segundo con la ayuda de un anemómetro a la salida de la torre, también se registraron datos de la caída de presión ocasionada en ducto del gas.



Calibración del Agua: Este procedimiento se realizó en una de las torres rellenas con anillos rasching. Se calibró el rotámetro variando el flujo del agua a través de la torre empacada, se fijó un nivel entre los valores 120 y 240 con un aumento de 20 desde el valor inicial en la escala, se esperaron alrededor de 5 minutos después de cambiar el nivel. Seguido a esto se recogió con una probeta la cantidad de agua obtenida durante este tiempo establecido, para luego determinar el caudal.

Al finalizar la calibración del equipo se realizó el experimento propuesto con una de las torres empacadas la de relleno con sillas berl, fijándose una posición en el reóstato representando un flujo constante del aire. Se escogió como variable la posición del Prof. Janet Bibiana García Martínez

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rotámetro. En cada valor se registró debidamente la caída de presión tanto en el ducto del aire como la caída en la torre empacada escogida para la experimentación, así mismo se midió la velocidad del gas respectivamente para cada posición. 6. ANÁLISIS Y RESULTADOS Calibración del rotámetro: La calibración consistió en manipular el rotámetro para una de las cuatro columnas empacadas, en ausencia del flujo de aire, y registrar la cantidad de agua que se precipitaba en un intervalo de tiempo. La torre que se uso fue la torre 1 de anillos Rashing. Los datos se tabulan a continuación: nivel

ml de H2O 120 685 140 840 160 978 180 1130 200 1208 220 1330 240 1500 Tabla 1. Datos experimentales del rotámetro Teniendo en cuenta que el volumen de agua se midió cada 10 segundos, se calcula el caudal de agua y se procede a realizar la curva de calibración con los siguientes datos: nivel ml de caudal H2O [m3/s] 120 685 0,0000685 140 840 0,000084 160 978 0,0000978 180 1130 0,000113 200 1208 0,0001208 220 1330 0,000133 240 1500 0,00015 Tabla 2. Datos curva de calibración

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Grafica 1. Calibración del rotámetro. A partir de la gráfica se puede obtener una expresión matemática que relacione la posición del rotámetro (P) con el caudal de agua que circula por la torre:

Caudal

( ms3 )=7∗10

−7

P−8∗10−6

Calibración de la platina de orificio: Para la calibración de la platina se midieron los valores de la caída de presión en la torre con lecho de sillas Berl y la velocidad del aire que salía por la parte superior de esta. Una vez tomados todos los valores y conociendo el diámetro del tubo por donde salía el aire se puede determinar una correlación entre la caída de presión y la velocidad del gas. Los datos se muestran a continuación. posición ∆P ∆P (Pa) V gas platina (mmH2 (m/s) 0) 20 34 333,426 1,99 30 94 921,825 4,16 40 143 1402,35 5,3 50 202 1980,94 6,73 60 258 2530,11 7,42 6 Prof. Janet Bibiana García Martínez

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70

327

3206,77 8,31 5 Tabla 3. Datos experimentales de la platina

velocidad del aire vs ∆P 9.5 8.5 7.5 6.5 velocidad (m/s)

5.5 4.5 3.5 2.5 1.5 300

800

1300

1800

2300

2800

∆P (Pa)

Grafica 2. Velocidad del aire vs caída de presión La relación matemática entre la velocidad del gas en este caso el aire y la caída de presión está dada por la siguiente ecuación:

V g =Cd V g =Velocidad del aire ⌊

√

2∆ P ρ ( 1−β 4 )

m ⌋ C d =Coeficiente de arrastre s

ρ=Densidad del aire=1.18 ⌊

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Kg ⌋ 3 m

1 0

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1.5∈¿ 5 ¿ ∈ 8 ¿ Diámetro delorificio β= =¿ Diámetrode la tubería

El término Cd corresponde al coeficiente de arrastre, el cual varía según el tipo de empaque. El valor se puede calcular despejando la ecuación anterior y linealizando.

velocidad del aire vs ∆P 9.5 f(x) = 0.17x - 0.94 R² = 1

7.5 velocidad (m/s)

5.5 3.5 1.5 18

23

28

33

38

43

48

53

58

∆P (Pa)^0.5

Grafica 3. Velocidad del aire vs Caída de presión La ecuación linealizada de la velocidad del aire es:

V g =0.1665 ∆ P0.5−0.9391

m=0.1665=Cd

√

2 ρ(1−β 4 )

C d=0.1259

Caída de presión en la torre: Prof. Janet Bibiana García Martínez

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La correlación empírica de leva permite encontrar valores teóricos de velocidad de aire a partir de caídas de presión. Se utilizan los datos tomados en la práctica para este propósito. La correlación de Leva para el sistema agua-aire es la siguiente:

∆ P=C 2 10C V 1 ρ g v g2 3

c2 y c3 son constantes, v1 es la velocidad del líquido y vg la velocidad del gas. La anterior expresión se puede linealizar obteniéndose:

( ρg) log ( C 2) + log ¿+C3 v 1+2 log ⁡( v g ) log ( ∆ P )=¿ Los datos obtenidos en la práctica fueron los siguientes: nivel

caudal agua (m3/s)

80

0,00004325

120

160

0,000069

0,00008625

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∆P (mmH20 ) 10

∆P (Pa)

Vg (m/s)

98,065

3,31

21

205,939

3,88

30

294,18

4,27

41

402,068

4,69

50

490,3287

5,01

12

117,682

3,02

22

215,74

3,46

33

323,63

3,91

43

421,686

4,22

60

588,399

4,84

15

147,099

2,85

22

215,74

3,21

35

343,2327

3,67

45

441,29

3,82

73

715,89

4,47 1 2

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Tabla 4. Datos obtenidos de la práctica.

Conociendo el área transversal de la tubería por donde sale el agua, se calcula su velocidad. (A=0,0004908 m2). Para conocer los parámetros de la correlación de leva C2 y C3, se grafican las curvas y se les hace una regresión múltiple.

log ∆P vs log vg 3.1 2.9

log∆P (Pa)

2.7

nivel 80

2.5

Linear (nivel 80) nivel 120

2.3

Linear (nivel 120)

2.1

nivel 160

1.9

Linear (nivel 160)

1.7 1.5 0.85 0.95 1.05 1.15 1.25 1.35 1.45 log vg (m/s)

Se muestran los datos obtenidos en la práctica, para la caída de presión y los datos obtenidos a partir de la siguiente correlación encontrada realizando una regresión múltiple para las sillas berl: Se obtienen

C2 =6,4603C 3=2,9544

de la cual, obtenemos la correlación:

log ( ∆ P )=2,9544 V Liq +2 log ( V g )+ 0,8841 Reordenando lo términos del modelo encontrado obtenemos la siguiente expresión para determinar la caída de presión en un lecho empacada con anillos Berl.

2,9544 ¿V Liq

∆ P=6,4603∗10

∗ρg∗Vg

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7. Conclusiones  Al realizar la práctica se fortalecieron los conocimientos adquiridos en el curso de operaciones unitarias, logrando profundizar y conocer un poco más sobre este tipo separación. 

Se aprendió el procedimiento correcto de la calibración de los instrumentos de medición de flujo usados en la práctica como el rotámetro y la platina de orificio, de igual manera se pudo conocer y estudiar a fondo el funcionamiento completo de las torres empacadas.



Se encontraron los parámetros más importantes y de mayor influencia en el proceso, mediante la experimentación y los cálculos realizados.

8. Recomendaciones 

La principal recomendación al realizar este proceso, es buscar una manera de no desperdiciar el flujo del líquido a utilizar, en nuestro caso agua. Como solución se plantea como una opción diseñar un sistema de reciclo, o utilizarla en un proceso posterior.



Realizar ensayos con empaques de diferentes características.



Es importante estar pendiente de no alcanzar el punto de inundación de la torre, ya que si se alcanza, la torre ya no opera.



Aumentar la alimentación de aire a la columna para apreciar su influencia en la separación de la solución.



Si se varía la configuración de la columna, se pueden realizar ensayos con mezclas de menor concentración para verificar la eficiencia del proceso, tomando en cuenta las propiedades físicas y químicas para no dañar la columna.



Realizar un estudio de factibilidad económica de operación de la columna.[9]

9. Bibliografía [1], [3]

GEANKOPOLIS, C. G. Procesos de transporte y operaciones unitarias. Tercera Edición. Editorial CECSA. México. 1998. Páginas: 698-730. Prof. Janet Bibiana García Martínez

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[2]

TREYBAL, Robert E. Operaciones de Transferencia de masa. Segunda Edición. Editorial McGraw-Hill. México. 1988. Páginas: 306-357. [4], [7]

MILIAN, Gutiérrez Demis, otros. Columnas de Absorción. Universidad del Callao. Perú. 2007. [5]

De la Hoz Siegler. Diseño de un módulo para el dimensionamiento hidráulico de torres empacadas. Tesis de grado. Ingeniería química. Bogotá. 2003. [6]

MARCILLA, A. INTRODUCCIÓN A LOS PROCESO DE SEPARACIÓN. Textos Docentes. Espagrafic. [8]

MC. CABE SMITH OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA. Cuarta Edición. Compañía Editorial Continental. [9]

PERRY. MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO. Sexta Edición. Volumen IV. Mc. Graw Hill.

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