CAÍDA DE PRESION EN TORRES EMPACADAS

CAÍDA DE PRESIÓN EN TORRES EMPACADAS (Absorción gaseosa aire-agua) Carhuavilca C. (20091313a); Rosales Rojas G.A (20090439a) Escuela de Ingeniería Petroquímica, FIP-UNI. Operaciones Unitarias I, sección A, 18 de Septiembre del 2013 [email protected]; [email protected];

Resumen: Se ha determinado experimentalmente la caída de presión en la columna de adsorción de gases (FIG.1) para lo cual se a trabajó con una columna empacada con anillos Rashig (FIG.2) y con dos corrientes, una a contraflujo con agua y la otra no. También se determinó las condiciones en las cuales se produce el proceso de arrastre y anegamiento de la columna. 1. INTRODUCCIÓN Torres empacadas son equipos cilíndricos que suelen ser de gran altura que ponen en contacto dos fluidos a contracorriente dentro de una columna de acrílico, rellena de anillos Rashig, donde el componente de interés de la fase gaseosa se transfiere a la fase líquida. A esta operación se le denomina absorción gaseosa. Absorción de gases es una operación unitaria de transferencia de materia cuyo objetivo es separar uno o más componentes (el soluto) de una fase gaseosa por medio de una fase líquida en la que los componentes a eliminar son solubles (los restantes componentes son insolubles). Se produce una transferencia de materia entre dos fases inmiscibles.

FIG.1. columna empacada para absorción La corriente gaseosa se introduce por la base de la columna y sale por el domo. La corriente líquida se alimenta por el domo y se descarga por la base. Entre ambas corrientes se crea una interfase muy

grande por la subdivisión de la corriente líquida al mojar y salpicar los empaques. El uso de empaques o rellenos se busca principalmente el establecimiento de una gran interfase, a fin, de poner en contacto íntimo las fases gaseosa y líquida. Reciben el nombre de empaques, las piezas que se colocan dentro del equipo y que se utilizan para aumentar el área interfacial. FIG. 2. Anillos Rashig.

Caídas de presión En las torres empacadas se producen caídas de presión en el gas que son debidas al empaque mismo, al roce contra las paredes del recipiente y al flujo del líquido que pasa por la torre. Existe un máximo flujo de gas con que la torre puede operar, se le llama “velocidad de inundación”, por encima de esa velocidad no ocurre ningún tipo de transferencia y las pérdidas de carga en la torre tienden al infinito.

de caudal.

FIG. 3. Variación de presión y flujo del gas. Al punto “B” se conoce como el punto de carga. Punto de Carga, es una condición teórica donde todas las partículas del empaque están cubiertas por una película de líquido. Corresponde a un contacto gas-líquido óptimo. Desde el punto de vista operacional es el punto del proceso donde el aumento de las pérdidas de carga en la columna. El punto “C” es el punto de inundación, es la fase de la operación de la torre donde empieza a existir retención de líquido en las secciones de la torre. El régimen de la fase líquida se vuelve turbulento y la caída de presión en la torre aumenta de manera abrupta. 2. METODOS Y MATERIALES El método desarrollado está referido al uso de graficas empíricas desarrolladas para caudales de gas con pérdidas de presión para determinar gráficamente los valores de caudales de carga e inundación. Todos estos cálculos se midieron en una torre empacada unidad CAGC (figura 4). Esta torre de relleno que está formada por un tubo cilíndrico de vidrio de 1400 mm de altura y 75 mm de diámetro interior. El relleno de la columna es de anillos Raschig de vidrio de 8mm.El líquido, que se encuentra almacenado en un depósito de PVC de 40 L de capacidad, se impulsa hacia la columna con ayuda de una bomba centrífuga, controlada desde computador (PC)El líquido alimenta a la columna por la cabeza de la misma a través de una ducha difusora de vidrio, que asegura una distribución uniforme sobre el relleno. Compresor (soplante), controlado desde computador (PC), proporciona un caudal del gas, ingresado por la parte inferior de la torre a un determinado valor

FIG. 4. Esquema del sistema operativo. 3. RESULTADOS Y DISCUSION 3.1 Resultados Los datos experimentales hallados para diferentes caudales están determinados por las siguientes tablas. Para empaque seco L=0 TABLA .1. Datos para abertura 10% de aire.

TABLA .5. Datos para un L=0.078 m3/h (abertura del líquido de 30%)

TABLA .2. Datos para abertura 15% de aire.

L =0.078 m3/h AIRE

TABLA .3. Datos para abertura 20% de aire.

CAUD AL (L/min)

Tamb (°C)

Pamb (mmhg)

CAUDA L (n.c)(m3 /h)

CAUD AL,V (Pop,T op) (m3/h)

∆P (mmH2 O)

Log( V)

∆P (Pa)

Log(∆ P/z) Log(P a/m)

0,0

19

751,56

0,000

0,000

2

-

19,606

1,381

18,7

19

751,56

1,122

1,083

6

0,035

58,819

1,858

24,0

19

751,56

1,44

1,390

8

0,143

78,425

1,983

29,0

19

751,56

1,74

1,680

10

0,225

98,031

2,080

33,5

19

751,56

2,01

1,941

14

0,288

137,243

2,226

38,5

19

751,56

2,31

2,230

18

0,348

176,456

2,335

43,2

19

751,56

2,592

2,502

22

0,398

215,668

2,423

48,4

19

751,56

2,904

2,804

26

0,448

254,880

2,495

53,4

19

751,56

3,204

3,093

42

0,490

411,730

2,703

57,6

19

751,56

3,456

3,337

46

0,523

450,942

2,743

59,3

19

751,56

3,558

3,435

62

0,536

607,791

2,873

3

TABLA .6. Datos para un L=0.090 m /h (abertura del líquido de 35%)

L =0.090 m3/h AIRE

Para empaque húmedo

L=0.048 m3/h AIRE Tamb (°C)

Pamb (mmhg)

CAUDAL (n.c)(m3/h)

CAUDAL,V (Pop,Top) (m3/h)

∆P (mmH2O)

Log(V)

∆P (Pa)

Log(∆P/z) Log(Pa/m)

0,000

4

-

39,212

1,682

0,798

0,770

6

-0,113

58,819

1,858

751,56

1,134

1,095

8

0,039

78,425

1,983

19

751,56

1,428

1,379

10

0,139

98,031

2,080

28,8

19

751,56

1,728

1,668

14

0,222

137,243

2,226

33,4

19

751,56

2,004

1,935

18

0,287

176,456

2,335

38,5

19

751,56

2,31

2,230

32

0,348

313,699

2,585

Tamb (°C)

Pamb (mmhg)

0,00

19

13,3

CAUDAL (n.c)(m3/h)

CAUDAL,V (Pop,Top) (m3/h)

751,56

0

19

751,56

18,9

19

23,8

0

TABLA .4. Datos para un L=0.048 m3/h (abertura del líquido de 20%)

CAUDAL (L/min)

∆P (mmH2O)

CAUDAL (L/min)

Log(V)

∆P (Pa)


0,00

19

751,56

0,000

0,000

2

-

19,606

1,381

19,5

19

751,56

1,170

1,130

6

0,053

58,819

1,858

24,4

19

751,56

1,464

1,413

10

0,150

98,031

2,080

28,4

19

751,56

1,704

1,645

14

0,216

137,243

2,226

33,5

19

751,56

2,010

1,941

18

0,288

176,456

2,335

38,7

19

751,56

2,322

2,242

22

0,351

215,668

2,423

TABLA.7. Datos para un L=0.102 m3/h (abertura del líquido de 40%) L =0.102 m3/h

43,1

19

751,56

2,586

2,497

26

0,397

254,880

2,495

48,1

19

751,56

2,886

2,786

34

0,445

333,305

2,612

57,6

19

751,56

3,456

3,337

46

0,523

450,942

2,743

CAUDAL (L/min)

Tamb (°C)

Pamb (mmhg)

0,0 12,6 18,9 23,8 28,6

25 25 25 25 25

751,56 751,56 751,56 751,56 751,56

AIRE CAUDAL ,V (Pop,Top) (m3/h) 0,000 0,730 1,095 1,379 1,657

CAUDAL (n.c)(m3/h) 0,000 0,756 1,134 1,428 1,716

∆P (mmH2O)

Log(V )

∆P (Pa)


2 6 10 14 22

-0,137 0,039 0,139 0,219

19,606 58,819 98,031 137,243 215,668

1,381 1,858 2,080 2,226 2,423

Gráficamente: Podemos observar el comportamiento del flujo de gas en una torre empacada y determinar la velocidad de inundación.

3.2 Discusión Los valores de las propiedades físicas del empaque han sido importantes para hallar las caídas de presión por correlaciones y graficas teóricas, correlación de Ergun (empaque seco) y Lobo (empaque húmedo). A su vez fue necesario haber determinado las propiedades físicas de los fluidos tratados, viscosidad, densidad entre otros. Mediante la gráfica perdida de presión y caudal del gas se determinó gráficamente los valores de punto de carga e inundación, lo cuales fueron comparados con gráficas y ecuaciones ya establecidas. Se adjunta los cálculos en el apéndice.

FIG.5. Grafica de log(ΔP) vs log(V).

4. CONCLUSIONES -

constantes físicas del empaque anillos de vidrio rasching masa , Kg 0.3447 volumen , m3 0.000004618 superficie , m2 0.002507 densidad aparente , 689.4 Kg/m3 densidad real , Kg/m3 355.4414403 área específica , m2 542.8757038 % de huecos 37.2 Nro de piezas /m3 420000

-

-

-

-

TABLA.7. Propiedades físicas del empaque -

Las condiciones para la inundación en los empaques al azar dependen del método de empaque (en seco o húmedo) y del acomodo del empaque. Para el cálculo de la velocidad de inundación del gas, por medio de la correlación de lobo dio un resultado muy similar al valor experimental calculado. Para el cálculo de las caídas de presión en torres empacadas de una sola fase, los resultados fueron muy similares a los experimentales, empleando la ecuación de Ergum. Las caídas de presión en empaque seco varia en forma lineal con el flujo de gas y esto a la vez es similar a la caída de presión cuando el flujo volumétrico del líquido está muy bajo en un empaque húmedo. La velocidad de inundación solo se puede determinar cuando existe retención del líquido más no de manera gráfica por que no se puede visualizar exactamente. La transferencia de masa se ve favorecida principalmente debido al área interfacial del empaque.

5. RECOMENDACIONES APÉNDICES -

-

-

-

-

Es necesario tener precaución en la medición de las pérdidas de presión, la cual se midió usando manómetros de agua, este dato es de suma importancia para realizar los cálculos gráficos de punto de inundación y de carga .Un inadecuado valor determinara un resultado erróneo. Si las variaciones de presión serían más drásticas sería necesario utilizar el manómetro de mercurio. Realizar un buen cálculo de los valores de las propiedades del empaque, si es necesario comparar con los ya establecidos en tablas. Puesto que en ellos se basarán la comparación de los resultados empíricos y teóricos. No es práctico operar una torre inundada, la mayoría de las torres operan justamente por debajo o en la parte superior de la región de carga. Al momento de hacer las mediciones no tratar de no apoyarse en el equipo , pues este se balancea y puede provocar una lectura errónea.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS  R.E. Treybal, Operaciones de transferencia de masa, 2da edición y 1998. Paginas 213-230  http://media.wix.com/ugd/25b09b_c45bab408f1 acd8e2a9e1871c81b926c.pdf?...  http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/4324/Capi tulo6.pdf.

Datos obtenidos en el laboratorio:

CONDICIONES DE LABORATORIO: P mmHg T amb (°C) T agua (°C) z(m)

751.5616 19 22.5 0.815

Identificación de los caudales de carga de inundación Experimentalmente se determina que para: 1.- Porcentaje de apertura = 30% y un flujo de líquido igual a L=1.3 L/min, el caudal en el Punto de Inundación es: = 9.883 

Con lo cual la velocidad en el punto de inundación es:

Hallamos el flujo másico del gas (Kg/h): G(L/min) 0 18.7 24 29 33.5 38.5 43.2 48.4 53.4 57.6 59.3

G(m3/h) 0 1.122 1.44 1.74 2.01 2.31 2.592 2.904 3.204 3.456 3.558 √

Hallamos la relación

V(kg/h) 0 1.302193 1.671264 2.019444 2.332806 2.680986 3.008275 3.370382 3.718562 4.011034 4.129415

para luego tomar el

logaritmo, obteniéndose: 

Como no se poseen datos en la bibliografía que especifiquen la velocidad del gas en el punto de carga, normalmente se recomienda 50 a 75 % de la velocidad en el punto de inundación.

Caída de presión para el flujo de 2 fases (flujo simultáneo a contracorriente de agua y aire) Para un flujo de líquido igual a: Caudal =1.3

de densidad a T=25 °C

y un flujo másico de líquido igual a: L

(L/V)*( ρg/ ρL)^0.5 log((L/V)*( ρg/ ρL)^0.5) #¡DIV/0! #¡DIV/0! 2.037681742 0.309136354 1.58769369 0.200766719 1.313953399 0.118579963 1.137452196 0.055933154 0.989731132 -0.004482769 0.88205205 -0.054505786 0.787286127 -0.103867401 0.713570198 -0.146563296 0.661539038 -0.179444523 0.642574175 -0.192076733

Tener presente que la inundación se da para un flujo de aire igual a L=59.3 L/min

= 77.776 Kg/h Velocidad de inundación

Con los caudales medidos experimentalmente y teniendo en cuenta que

Calculamos de manera teórica la velocidad de inundación, para ello calculamos: √

0.642574175

Y tomando logaritmo tenemos: Log ( √ ) = -0.192076733

Caída de presión para el flujo de 2 fases (flujo simultáneo a contracorriente de agua y aire) Para un flujo de líquido igual a:

Y con la gráfica de Lobo obtenemos: Caudal =1.5 (

)( )( )(


)

y un flujo másico de líquido igual a:

Dónde:

L

g=9.81 m/s2

a T=22.5 °C

= 89.742 Kg/h


=543 m2/m3 Kg/m Kg/m

Despejando tenemos que la velocidad de inundación es: 0.1422 m/s 2.- Porcentaje de apertura = 35% y un flujo de líquido igual a L=1.5 L/min, el caudal en el Punto de Inundación es: = 6.417 

Con lo cual la velocidad en el punto de inundación es:

Hallamos el flujo másico del gas (Kg/h): G(L/min) 0 13.3 18.9 23.8 28.8 33.4 38.5

G(m3/h) 0 0.798 1.134 1.428 1.728 2.004 2.31

Hallamos la relación

√

V(kg/h) 0 0.926159 1.31612 1.657337 2.005517 2.325842 2.680986

para luego tomar el

logaritmo, obteniéndose:




(L/V)*( ρg/ ρL)^0.5 log((L/V)*( ρg/ ρL)^0.5) #¡DIV/0! #¡DIV/0! 3.30578212 0.519274226 2.326291121 0.366664063 1.847348832 0.26654891 1.526628548 0.18373338 1.316374317 0.119379401 1.14199746 0.057665138 Tener presente que la inundación se da para un flujo de aire igual a L=38.5 L/min



Velocidad de inundación Calculamos de manera teórica la velocidad de inundación, para ello calculamos: √


1.14199746

Y tomando logaritmo tenemos: Log ( √ ) = 0.057665138 Y con la gráfica de Lobo obtenemos: (

)( )( )(

)

Caída de presión para el flujo de 2 fases (flujo simultáneo a contracorriente de agua y aire) Para un flujo de líquido igual a: Caudal =1.7


Dónde:

y un flujo másico de líquido igual a:

g=9.81 m/s2

L a T=22.5 °C

=543 m2/m3

= 101.707 Kg/h


Kg/m Kg/m

Despejando tenemos que la velocidad de inundación es: 0.1137 m/s

3.- Porcentaje de apertura = 40% y un flujo de líquido igual a L=1.7 L/min, el caudal en el Punto de Inundación es:

Hallamos el flujo másico del gas (Kg/h): G(L/min) 0 12.6 18.9 23.8 28.6

G(m3/h) 0 0.756 1.134 1.428 1.716

V(kg/h) 0 0.877414 1.31612 1.657337 1.99159

= 4.767 

Hallamos la relación Con lo cual la velocidad en el punto de inundación es:

√

para luego tomar el

logaritmo, obteniéndose: (L/V)*( ρg/ ρL)^0.5 log((L/V)*( ρg/ ρL)^0.5) #¡DIV/0! #¡DIV/0! 3.954694907 0.597112985 2.636463271 0.421021725 2.093662009 0.320906573 1.742278176 0.241117497

Tener presente que la inundación se da para un flujo de aire igual a L=38.5 L/min

Caída de presión para el flujo de una única fase (flujo de aire) Comparamos los valores de las caídas de presión experimentales (empaque seco) con las calculadas utilizando la Ecuación de Ergun.

Velocidad de inundación Calculamos de manera teórica la velocidad de inundación, para ello calculamos: √

1.742278176

Y tomando logaritmo tenemos: Log ( √ ) = 0.241117497 Y con la gráfica de Lobo obtenemos: (

)( )( )(

)

Dónde:

Aire Caudal (n. c.) Caudal, V (m3/h) (m3/h) 0 1.146 1.722 2.298 2.586 2.892 3.18 3.462 3.72 4.002

(Pop, Top) ΔP (mmH20)

0 1.106377585 1.662462654 2.218547723 2.496590257 2.79201045 3.070052985 3.342302966 3.591382737 3.863632718

g=9.81 m/s2 Caída de presión experimental: a T=22.5 °C

Para empaque seco L=0

Kg/m Kg/m

A través de la ecuación de Ergun:

=543 m2/m3

Despejando tenemos que la velocidad de inundación es: 0.0899 m/s

G’ flujo de gas, kg/m2.s

20 60 120 200 260 300 360 420 500 580

Datos: Z=0.815 m e= 0.372 Gc =1 ; Pg = 1.1606

Luego: [

(

]

)

Análogamente, para los demás casos (Flujo de una sola fase), obtenemos los siguientes resultados (ver tabla en la siguiente hoja). I.

Para: G=0

L=0,

% abertura de gas =10 y

Hallamos

II.

Para: L=0, % abertura de gas = 20 y G = 19.1 G=19.1

,

(

)

G(L/min)

G(m3/s)

G'(kg/m2*s)

Re

ΔP(Pa)

ΔP(mmH2O)

0

0

0

0

#¡DIV/0!

#¡DIV/0!

19.1

0.000318333

0.06516008

24.981247

28.93758689

2.95081265

28.7

0.000478333

0.0979107

37.5372665

50.40972824

5.14036172

38.3

0.000638333

0.13066132

50.0932859

76.51635829

7.80249711

43.1

0.000718333

0.14703663

56.3712956

91.30760657

9.31078468

48.2

0.000803333

0.16443539

63.041681

108.2928138

11.0427938

53

0.000883333

0.1808107

69.3196907

125.4737203

12.7947587

57.7

0.000961667

0.19684486

75.4669085

143.4193579

14.6247045

62

0.001033333

0.2115144

81.0909589

160.8107688

16.3981348

66.7

0.001111667

0.22754856

87.2381768

180.8835644

18.4449903

Tabla. Resultados experimentales de caída de presión para diferentes % de abertura y distintos caudales.

Velocidades de inundación: 1.- Porcentaje de apertura = 30% y un flujo de líquido igual a L=1.3 L/min:

Haciendo uso de la gráfica de lobo, determinamos la velocidad de inundación teórica:

La velocidad de inundación es: 0.0899 m/s

Vinundación=

Determinación de caída de presión para el flujo de una única fase (flujo de aire L= 0 m3/h):

La velocidad de carga es:

Comparamos los valores de las caídas de presión: Haciendo uso del grafico de Lobo, determinamos la velocidad de inundación teórica: 0.1422 m/s 2.- Porcentaje de apertura = 35% y un flujo de líquido igual a L=1.5 L/min: La velocidad de inundación es:

Vinundación= La velocidad de carga es:

Haciendo uso del gráfico de Lobo, determinamos la velocidad de inundación teórica: 0.1137 m/s 3.- Porcentaje de apertura = 40% y un flujo de líquido igual a L= 1.7 L/min: La velocidad de inundación es:

Vinundación=

Fig. Valores experimentales de caídas de presión. Aire Caudal (n. c.) Caudal, V (m3/h) (m3/h) 0 1.146 1.722 2.298 2.586 2.892 3.18 3.462 3.72 4.002 L/min) 0 19.1 28.7 38.3 43.1 48.2 53 57.7 62 66.7

(Pop, Top) ΔP (mmH20)

0 1.106377585 1.662462654 2.218547723 2.496590257 2.79201045 3.070052985 3.342302966 3.591382737 3.863632718 G'(kg/m2*s) 0 0.06516 0.097911 0.130661 0.147037 0.164435 0.180811 0.196845 0.211514 0.227549

Re 0 24.9812 37.5373 50.0933 56.3713 63.0417 69.3197 75.4669 81.091 87.2382

ΔP(Pa) #¡DIV/0! 28.93759 50.40973 76.51636 91.30761 108.2928 125.4737 143.4194 160.8108 180.8836

20 60 120 200 260 300 360 420 500 580 ΔP(mmH2O) #¡DIV/0! 2.95081265 5.14036172 7.80249711 9.31078468 11.0427938 12.7947587 14.6247045 16.3981348 18.4449903

Fig. Valores teóricos de caídas de presión, mediante la ecuación de Ergum. La velocidad de carga es:

CAÍDA DE PRESION EN TORRES EMPACADAS

Recommend Documents