UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR INGENIERIA QUIMICA OPERACIONES UNITARIAS IV
CÁLCULO DEL DIAMETRO DE UNA COLUMNA DE ABSORCION DE RELLENO
Integrantes: Aguilar Lesl C!a"#rr# Paula Ma$la Ste%!anie Quis!%e Lu&'a
() CALCULO DE UNA TORRE DE ABSORCION DE RELLENO Di*"etr# +e una C#lu"na +e Rellen# Para determinar el diámetro adecuado de una torre de relleno, tenemos que analizar la caída de presión sufrida por el gas que se ve influenciado por los regímenes de flujo de gas y del líquido. Esta caída de presión se indica en el siguiente diagrama:
Para una velocidad dada de gas, la caída de presión aumenta con el aumento del flujo de líquido, debido principalmente a la reducida sección libre, disponible para el flujo de gas, a razón de la presencia del líquido. En la zona que se alla por debajo de la línea !, la cantidad de líquido contenida e el relleno es razonablemente constante en el cambio de la velocidad de gas. !l llegar a la línea !, que se denominó "punto de carga# corresponde a una velocidad del gas que es lo suficientemente elevada como para originar el aumento del líquido retenido por el relleno. Este punto de carga nunca queda tan rigurosamente definido. En la región entre !y $, la retención liquida aumenta rápidamente en el flujo de gas y la caída de presión se acelera. %a &gura muestra datos típicos de la caída de presión en una torre empacada. %a caída de presión por unidad de longitud 'o profundidad( del empaque se debe a la fricción del )uido* se gra&ca en coordenadas logarítmicas frente a la velocidad de )ujo del gas +y, epresada en masa de
gas por ora y por unidad de área de la sección transversal, considerando que la torre está vacía. Por lo tanto, +y está relacionada con la velocidad super&cial del gas por medio de la ecuación +y - u /y, donde /y es la densidad del gas. 0uando el empaque está seco, la línea que se obtiene es recta y tiene una pendiente del orden de 1.2. Por consiguiente, la caída de presión aumenta con la velocidad elevada a una potencia de 1.2. 3i el empaque está irrigado con un )ujo constante de líquido, la relación entre la caída de presión y la velocidad de )ujo del gas sigue al principio una línea paralela a la del empaque seco. %a caída de presión es mayor que en el empaque seco, debido a que el líquido en la torre reduce el espacio disponible para el )ujo de gas. 3in embargo, la fracción de uecos no varía con el )ujo de gas. Para velocidades moderadas del gas, la línea para el empaque irrigado tiene una pendiente cada vez más pronunciada, debido a que el gas impide el )ujo descendente del líquido de forma que aumenta la retención de 4ste con la velocidad de )ujo del gas. El punto en el que la retención de líquido comienza a aumentar, eco que se aprecia por un cambio de la pendiente de la línea de la caída de presión, recibe el nombre de punto de carga. 3in embargo, como se aprecia en la &gura no es fácil obtener un valor eacto para el punto de carga. !l aumentar todavía más la velocidad del gas, la caída de presión se incrementa a5n más rápido, y las líneas se acen casi verticales cuando la caída de presión es del orden de 6 a 7 in. 8e agua por pie de empaque '19 a 69 mm de agua por metro(. En determinadas regiones de la columna, el líquido se transforma en una fase continua y se dice que la columna está inundada. emporalmente se utilizan )ujos de gas más elevados, pero el líquido se acumula con mayor rapidez, y la columna completa puede llenarse con líquido
Cal&ul# +el +i*"etr# $i,an+# una &a'+a +e %resi-n:
1. Determinar la razón de fujos (L/G) en unidades másicas. 2. Calcular el actor
,. -scoer el !alor de D/0 deseada • e recomienda un !alor de "#"$/"#1 in%2&/'t ara !aco# de "#2/"#* in%2&/t ara resión atm + 1#"/1#$ in%2&/t ara altas resiones. *. tilizando el diarama con el actor determinar el !alor de la ordenada + $. Calcular el fujo de as or unidad de área
. Determinar el diámetro
;na vez reconocidas las zonas del gráfico anterior, es importante determinar el denominado "punto de inundación# que es aquel en donde las líneas se acen verticales 'línea !( y este representa la fricción del gas y del líquido cuando esta es lo suficientemente grande como para que ocurra uno o varios cambios que pueden ser:
1. %a aparición de una capa de líquido en la porción superior del relleno, a trav4s de la cual burbujea el gas.
.igura ()()(: L'/ui+# en la %#r&i-n su%eri#r +el rellen#
6. El llenado de la torre con el líquido, comenzando en el fondo o en una restricción intermedia, tal como un soporte del relleno, ya que se produce allí un cambio gas
.igura ()()(: Llena+# +e la t#rre &#n el l'/ui+#0 &#"en1an+# en el $#n+# # en una restri&&i-n inter"e+ia
7. =, la rápida elevación de burbujas de espuma a trav4s del relleno.
.igura ()()(: Ele2a&i-n +e 3ur3u,as +e es%u"a
Re&#"en+a&i#nes %ara la +eter"ina&i-n +el +i*"etr# +e la &#lu"na +e a3s#r&i-n • •
•
•
•
>o es práctico operar en una torre en condiciones de inundación. 3e recomienda que la mayoría de torres de absorción operen justo por debajo del punto de inundación, es decir, deberán operar a la parte más baja de la zona de carga. El punto de inundación depende del tipo de relleno utilizado, y la caída de presión a la cual aparece. El punto de inundación disminuye a medida que es mayor al tama?o de la unidad del relleno. El punto de inundación tambi4n es afectado por la viscosidad del líquido ocasionando que la p4rdida de presión disminuya a medida que la viscosidad del líquido aumenta.
;na vez que las condiciones de la corriente an sido fijadas, la determinación del diámetro se basa en la selección de una fracción de la razón de flujo del gas a condiciones de inundación. Para obtener dica razón de flujo del gas entrando a la columna de absorción en base a la relación '%@+(, se aplica una modificación a la correlación para torres empacadas al azar en base a condiciones de inundación. !lternativamente, se puede seleccionar una caída de presión específica.
Gra$i&# De Tre3al %a curva del siguiente diagrama, se a establecido para relacionar los datos de un gran n5mero de investigaciones. Es un gráfico de 6 funciones como se indica:
Aecomendaciones: ;sar grafico de A. reyball, en el factor '7B( de unidades de $adger. Kg 2 8onde: +v- caudal de gas en hm
[ ]
m
g - aceleración de la gravedad C.2
a- superficie especifica del relleno ρG , ρ L
s
[ ]
[ ] Kg
- densidad del gas y liquido
%, +- 0audal del liquido y gas
3
m
[ ] Kg h
2
m
2
m
3
( ) a
8atos
3
ϵ
en $adger, pág. DD
Deter"ina&i-n +el +i*"etr# +e la C#lu"na: En situaciones donde ay que absorberse una especificada cantidad de gas, se especifica un flujo de líquido basado en un m5ltiplo de una saturación a la salida correspondiente al flujo mínimo de líquido para un n5mero infinito de unidades de transferencia. Por tanto, los flujos de gas y líquido están fijados y ay que determinar >;. %a altura de la columna se podía obtener si se disponía de valores de ; o k a partir de medidas eperimentales o de correlaciones. 3in embargo, los valores de la ; dependen del tipo de relleno y del diámetro de la columna. Por tanto, debemos especificar aora el relleno a utilizar y calcular el diámetro de la columna que se requiere para tratar los flujos de gas y de líquido. >o se puede garantizar sin más que los valores de L y + obtenidos a partir de un balance de materia y relaciones de equilibrio puedan operar en un determinado equipo. %as columnas de relleno solamente se pueden acomodar a un restringido intervalo de valores de %@+. 0on un flujo de gas de 9 lb@.ft6 en un leco de relleno de 7 pulgadas de diámetro, por ejemplo, un flujo de líquido superior a 9 lb@ puede dar lugar a inundación, mientras que un flujo de líquido inferior a 19 lb@ puede dar lugar a que una gran parte del relleno de la columna opere en seco, con la consiguiente p4rdida de eficacia. ambi4n eisten limitaciones con respecto a la caída de presión. odos los parámetros de flujo y el diámetro de la columna son función del tama?o y tipo de relleno.
PASOS:
( ) a
1. !sumir el relleno a utilizar y ver el valor
6. 0alcula el valor
3
ϵ
√
L ρG G ρ L con las propiedades del líquido y gas a las
condiciones medias de la columna. 7. 0on este valor ver en el grafico a que ordenadas corresponde utilizando la curva de inundación. 0.2 2 U L Gv a 3 D. 0alcular el valor +v de : 3600 ρG ρ L g ϵ
( ) ( )(
)
9. 0alcular el cociente
G Gv
=
Kg h Kg hm
A
=
=
πD 4
2
y de aquí obtenemos el
2
diámetro mínimo.
B. 0omo en la práctica una torre no puede operar en las condiciones correspondientes al punto de inundación, este razonamiento da el diámetro mínimo de la torre. Prácticamente se consideran como seguras las velocidades próimas al 9F del punto de inundación, por lo que la sección real de la torre será aproimadamente al doble de la calculada, ósea
2 A
=
πD 4
2
y de aquí
determinamos el diámetro real. G. 0omprobarlos parámetros de dise?o, que se cumpla que el diámetro del relleno sea B.B al 1F del diámetro de la torre, de lo contrario repetir el procedimiento asumiendo otro relleno y así sucesivamente asta que se cumpla esta condición.
E4EMPLO DE CÁLCULO PARA EL DIAMETRO DE UNA COLUMNA DE RELLENOS Para se%arar el 567 +e a"#nia&# +e una &#rriente +e aire /ue &#ntiene 897 +e a"#nia&# en 2#lu"en0 se utili1an 8l3;"#l Eli,ase el rellen# &al&?lese el +i*"etr# +e la &#lu"na Su%-ngase /ue la +is#lu&i-n a3s#r3ente tiene las %r#%ie+a+es +el agua SOLUCION Es preferible realizar los cálculos en el fondo de la columna donde las velocidades de flujo son mayores
Cal&ul# +e l#s $lu,#s +e gas +e l'/ui+#
•
•
L=(
488 lb
mol .h
G=(
38 )∗( 18 mol H 2 O ) +(
60 lb deaire
mol.h
•
H-6cp
•
3+- .GG%b@ft7
•
3%- B7%b@ft7
lbdeNH 3 )∗( 17 mol NH 3 )=9430 Lb / h mol .h
)∗( 18 mol NH 3 ) +(
60 lbde NH 3
mol.h
)∗(17 molNH 3 )=2420 Lb / h
Ele&&i-n +el Rellen# 3e eligió como relleno las monturas de Intalo de 1,9 in con un J 'Jactor de Aelleno( de 96, eligiendo un KP -.D
Cal&ul# +e la a3s&isa &#n l#s +at#s +e %r#%ie+a+es +e $lui+#s
√
ρg L G ρ L + ρ
- .1D g
(Gv ) ² F ∗µ(
Utili1an+# el gra$i&# +e Tre3all se &al&ula el 2al#r +e
ρg ρ L + ρ
0.1)
∗gc g
(Gv ) ² F ∗µ(
0.1)
ρg ∗gc ρ L + ρ
=0.037
g
Despejamos Gv
( 0.037∗0.077 )∗( 63−0.077 )( 4.17∗10 ) Gv = =1158 Lb / h.! 2 ( ) 52∗2 8
0.1
C#n l#s +at#s a #3teni+#s !a&e"#s el &*l&ul# +el +i*"etr#
√
( 2420 / 1158 )∗4 3.1416
- B7ft
%a relación entre el diámetro de la columna y el diámetro del relleno es '1.B7L16(@1.9-17 Mue viene siendo una relación satisfactoria
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