DISENO DE UA COLUMA EMPACADA PARA EL ESTUDIO DE LA TRASFERECIA DE MASA Descripción: Las torres torres empac empacada adas s son dispos dispositi itivos vos utiliz utilizado ados s en las opera operacio ciones nes de transferencia de masa en la cual hay en contacto continuo dos fases, en donde una de las sustancias presentes se mueve hacia la otra . Su diseño depende de varios factores como: las propiedades hidráulicas de la torre, las características del empaque y las condiciones termodinámicas de operación como la temperatura, presión, relaciones de flujo de líquido y as, entre otras. Se real realiz iza a un dise diseño ño de un siste istema ma de a!so a!sorc rció ión n para para la asi asina natu tura ra "ran "ransf sfer eren enci cia a de #asa #asa de la $acu $acult ltad ad de %ne %neni nier ería ía de la &niv &niver ersi sida dad d 'aci 'acion onal al de (olo (olom! m!ia, ia, con con el o!je o!jeti tivo vo de prof profun undi diza zarr so!r so!re e un dise diseño ño especí específic fico o en donde donde se eviden evidencia cias s las y se anali analizan zan los fenóme fenómenos nos de tran transf sfer eren enci cia a de masa masa y ener enerí ía. a. )n esto estos s equi equipo pos s se pued puede e medi medir r coeficientes de transferencia de masa haciendo uso de alunas correlaciones estudiadas con anterioridad por alunos autores y variando los flujos en la corriente líquida y aseosa. La confiuración del equipo consiste en una colu column mna a de satu satura rac ción, ión, otra otra de a!so a!sorc rció ión, n, un tanq tanque ue de mezc mezcla la,, un intercam!iador de calor, y otros accesorios, se*n los requisitos del proceso y el o!jetivo de la práctica.
ITRODUCCI +ctualmente, las columnas empacadas tienen ran aplicación a escala la!oratorio e industrial en operaciones de transferencia de masa y calor, donde se requiere el contacto directo entre las fases como las operaciones de a!sorción, humidificación, destilación y etracción líquido-líquido. )l diseño de torres empacadas está !asado en la determinación de ciertos pará paráme metr tro os de selecc lecció ión n como son son las las condic ndicio ion nes de operac eració ión n temperatura, presión, flujo de as o líquido/, el disolvente, el empaque, el modelo de transferencia de masa e hidrodinámico y los accesorios internos de la columna como distri!uidores y soportes de empaque. + continuación se realiza una descripción de cada parámetro. 0ara la selección selección del disolvente disolvente se de!e tener en cuenta la naturaleza naturaleza de la sustancias a tra!ajar y su costo. 1eneralmente se emplea aua cuando el soluto está en estado aseoso puesto que estos son ases !astante solu!les en ella ella,, acei aceite tes s para para los los hidr hidroc ocar ar!u !uro ros s lie liero ros s y diso disolv lven ente tes s quím químic icos os especiales para los ases ácidos. La elección del empaque a utilizar depende de la caída de presión a operar. Se*n 2ister 3445/, se de!en considerar en la selección el área superficial especi especific fica, a, la distri! distri!uci ución ón unifo uniforme rme del del área área superf superfici icial, al, la eomet eometría ría que
promueva la tur!ulencia, la !aja retención estática, la máima superficie humecta!le, la alta fracción de vacío, la !aja fricción, la !aja resistencia y la distri!ución uniforme del flujo a trav6s del lecho, la fácil separación de las fases, la capacidad para manejar varias caras de líquido y as, la resistencia a la deformación mecánica y al rompimiento, la inercia química frente a las sustancias de tra!ajo, la resistencia t6rmica, el peso liviano y el menor costo. "am!i6n se puede aplicar el concepto de eficiencia para el empaque 7"0) 0erry, 5889/, la cual es función del factor del empaque. Las torres empacadas pueden ser usadas como torre contactora en plantas de deshidratación con licol. )l proceso de diseñar una torre contactora empacada esta liado al estudio de los fenómenos de transferencia de materia que se llevan a ca!o dentro de la misma y el conocimiento de las características y las condiciones del as a deshidratar, estos parámetros y los costos de inversión son criterios importantes tenidos en cuenta en la selección del tipo de empaques y el dimensionamiento de la torre. (iertas condiciones como cam!ios en los caudales de los fluidos y la temperatura eneran pro!lemas operacionales en la torre contactora empacada como inundación, taponamiento de los empaques y otros inconvenientes, los cuales afectaran la eficiencia de a!sorción, un estudio detallado de la sensi!ilidad en estos parámetros ayuda a encontrar condiciones optimas de operación y evita la aparición de estos pro!lemas.
TIPOS DE EMPAQUES Y APLICACIOES Los empaques pueden ser divididos en tres clases: 1 .Empaques
desordenados o rellenos: Son unidades o piezas discretas de empaques con una forma geométrica especifica, los cuales son vaciados o rellenados aleatoriamente dentro de la columna. 2 .Empaque estructurado o sistemáticamente arreglado: Está constituido por capas onduladas de malla tejida (wire mesh u hojas corrugadas. Este empaque es apilado ordenadamente en secciones dentro de la columna. 3 .!ejillas:
Son tam"ién empaques estructurados, pero en vez de malla tejida u hojas corrugadas están constituidas por una estructura reticular a"ierta.
Empa!es "es#r"ena"#s Son los de uso mas com*n en la practica comercial. 7istóricamente pueden ser divididos en tres eneraciones. La primera eneración 348 a 34;8/ produjo dos tipos !ásicos de formas simples, el anillo
que vienen a ser los ancestros de los empaques desordenados modernos. )stos empaques se han vuelto o!soletos con los nuevos desarrollos, y rara vez son usados en la práctica moderna de destilación. La seunda eneración finales de 34;8 principio de los setenta/ produjo dos eometrías muy populares: el anillo 0all, que evoluciono del anillo
Empa!es es$r!c$!ra"#s La primera eneración de empaques estructurados p. ej. 0anapac>/ apareció hacia los años cuarenta. )stos empaques rara vez son usados en la actualidad. La seunda eneración comenzó en los años cincuenta con empaques de malla tejida ?@ire meshA/ de alta eficiencia tales como 7yperfil de 1oodloe y los empaques 2ochBSulzer de malla tejida. 7acia los años setenta la aplicación de estos empaques co!ró importancia en destilación al vacío, donde su !aja caída de presión por etapa teórica es de ran ventaja. )n este servicio son muy usados hoy en día. Los empaques de hoja corruada, primeramente introducidos por Sulzer hacia 348, comenzaron con la tercera eneración de empaques estructurados. (on una alta capacidad, menor costo y menor sensi!ilidad a los sólidos en comparación a
los empaques de malla tejida/, pero con una alta eficiencia, estos empaques se vuelto mas competitivos con otros internos convencionales, especialmente en aumentos de capacidad ?revampsA, hasta el punto de hacerlos uno de los internos mas usados en la actualidad.
O%&ETI'OS DE LOS EMPAQUES O()e$i*#s para ma+imi,ar e-iciencia #aimizar el área especifica área por unidad de volumen/: )sto maimiza el área de contacto liquido-vapor, y por lo tanto la eficiencia. 0ara empaques al azar, la eficiencia eneralmente se incrementa a medida que la partícula disminuyeC para empaques estructurados, la eficiencia eneralmente se incrementa a medida que el espacio entre capas adyacentes disminuye, y para parrillas, la eficiencia eneralmente aumenta a medida que disminuyen los espacios. )tender el área uniformemente: esto mejora el contacto liquido vapor, y por lo tanto la eficiencia. 0roporcionar distri!ución uniforme de líquido y vapor a lo laro del lecho empacado: La distri!ución uniforme mejora la eficiencia. Los empaques estructurados dan mejor distri!ución. #inimizar la retención de líquido: la retención de líquido disminuye la eficiencia. #aimizar la irriación de las superficies de empaque: 'o irriar las superficies de empaque a velocidades !ajas, disminuye la eficiencia.
O()e$i*#s para ma+imi,ar .a capaci"a" #aimizar el espacio vacío por unidad de volumenC )sto minimiza la resistencia al flujo de vapor, y entonces aumenta la capacidad. #inimizar la fricción: Disminuye los costos de operación. (onseuir una resistencia uniforme para el flujo de vapor y liquido a lo laro del lecho empacado. (onseuir fácil desprendimiento del vapor desde el líquido.
O$r#s #()e$i*#s #aimizar la resistencia a la deformación mecánica y Eo rotura y, especialmente, a la deformación de!ido al peso del lecho. #inimizar el costo.
)vitar la formación de incrustaciones. Se evita a medida que el tamaño del relleno aumenta #inimizar retención de líquido cuando se produce polimerización o deradación/. #inimizar el deterioro del servicio: La eometría y el tamaño de los empaques afectan la sensi!ilidad de los empaques a la corrosión, erosión, ataque químico, y miración a trav6s de las mallas de soporte.
METODOLO/IA 0ara el diseño y el análisis del sistema se siuieron unos pasos !ásicos para equipos de este tipo, como el diseño hidráulico, determinación de la altura de la zona empacada, selección de accesorios internos, diseño del intercam!iador de calor y los accesorios eternos del equipo, como: válvulas, !om!as, ventiladores, tu!ería e instrumentación. 0or *ltimo en !ase a los materiales de instrumentación y control se define el modelo operacional y se realiza un análisis de costos.
Da$#s pr#(.ema "eniendo en cuanto los valores o!tenidos mediante el equili!rio se tiene: F8G 8,8H3;335; I3G 8,858J893HK #ediante el siuiente ráfico se hace visual los parámetros a calcular:
,
L F3
1s
,
1 I3
Le
3,5J
1e
F5
I5 Ls
8,35
,
,
1 I5-I3/ G L F5-F3/ )sta ecuación muestra el !alance de soluto lo!al usando relaciones molares como se o!serva en la ráfica. I se*n el dato o!tenido en el pro!lema oriinal se tiene:
, ,
1 E L G ,F5-F3/ E I5-I3/ "am!i6n se puede plantear la misma ecuación en t6rminos de fracciones molares:
,
,
1 yE3-y/-y3E3-y3// G L E3-/-3E3-3// (omo 1,I L, no varían a lo laro de la torre se puede plantear esta relación como:
,
,
1 dyE3-y/ 5/ G L dEE3-/5/ La transferencia de masa del soluto puede escri!irse en función del coeficiente de transferencia y el área interfacial así:
,
1 dI/ G >y.a.y-y i/.d
a G áreaEvolumen/empaque )l diferencial de volumen se puede calcular como:
d G S.dM +hora haciendo relaciones y sustituciones podemos llear a:
M G 1ES.>y.a/
dyE3-y/3-yi//
)n forma eneral tenemos definido a M como el producto de 7 1 por '1 y que nos permite calcular la altura de la torre donde 71 representa la altura individual de transmisión referida a la fase aseosa y '1 representa el n*mero de unidades de transmisión individual referido a la fase aseosa: Los datos o!tenidos mediante los cálculos fueron: (ondiciones de Nperación de la (olumna
'aria(.e 'a.#r 0 L3 O
I3 73 "L3 "L5 "13
8.8K3 8.83 8.834 8.88; 8.35 8.K3 8.KK K.;3
aria!les de diseño calculadas para la columna
'aria(.e 'a.#r 15 L5 L3 y5 D 2IN1 7N1 'N1 M
8.8K3 8.83 8.834 8.88; 8.35 8.K3 8.KK K.;3 3.5J
AALISIS DE RESULTADOS La determinación de las propiedades como la densidad, la difusividad, la viscosidad y la conductividad t6rmica se o!tuvieron del #anual del %neniero Puímico 0erry, 5889/, las cuales se aplican para sustancias puras y mezclas.
COSTOS 0ara los costos del equipo se hizo el calculo con !ase en estimaciones hechas de las siuientes marcas +mtrol, Sulzer y 2evin/ esto de!ido a que en (olom!ia no se encontraron proveedores directos de los equipos, entonces los valores asinados son de acuerdo a los reistrados por las marcas.
E!ip# (arcasa en acero inoida!le K8J 58 38 cm/ (arcasa en acero inoida!le K8J 3H 3J8 cm/ )mpaque Sillas =erl 3K mm mK/ )mpaque +nillos 0all 5; mm mK/ Sistema de (ontrol e %nstrumentación #ezclador entilador %ntercam!iador de (alor "N"+L
C#s$# 5.95H.3H; 5.HK;.5K9 J9.989 J9;.KH K.44.;K8 9;.H54 3.;HH.H88 K.4;8.KK5 3H.93H.8K9
COCLUSIOES )n la estimación de costos del equipo de a!sorción de ases se ajusto a un valor total de Q3H.93H.8K9, el cual esta sujeto a cam!ios porque no incluye costos de instalación e importación, los cuales dependen del fa!ricante. "eniendo en cuenta la funcionalidad del equipo dentro del la!oratorio, el costo no tiene un valor muy alto.
RECOMEDACIOES Se suiere para futuros estudios la via!ilidad de emplear empaques estructurados, con el fin de realizar comparaciones entre las eficiencias para el sistema aire-aua-etanol. )studiar el posi!le uso de nuevas sustancias como amoniaco u otros alcoholes, a los cuales se les pueda aplicar la ley de 7enry, para o!servar el efecto de la transferencia de masa.
%I%LIO/RAFIA 0)<. 9 ed. )ditorial #c1ra@7ill, 5889. 5 p 3J p. 4, HK
S%)1L)<, 76ctor r. Diseño de un módulo para el dimensionamiento hidráulico de torres empacadas. &niversidad 'acional de (olom!ia, 588K. p 3-35, 3;-;H. S"<%1L), <.$. 0ac>ed "o@er Desin and +pplications: ins. 5 ed. )ditorial 1ulf 0u!lishin (o. 7ouston. 344J. T+'2, 0hillip (. y N<)N%(M, $ran> S. "eachin enineerin. 0urdue &niversity, 3445.
