IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015
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__________________ ___________________________ __________________ _________________ __________________ ___________________ ___________________ _________________ _______
TORRES EMPACADAS Diana Patricia Camacho, Cristian Morantes Chaparro, Julio Cesar Gómez Niño, Andrea Patricia Hernández, Carolina Lizarazo Gómez, Brucxen Enrique Nuñez, Leidy Lorena Segura, Sebastián Serrano Reina
RESUMEN La práctica de torres empacadas consistió en determinar la caída de presión, y el caudal obtenido del proceso, para esto se tuvo que elegir dos torres del laboratorio que contienen diferentes empaques, en este caso se eligieron las torres número dos y tres, seguidamente se realizaron las respectivas calibraciones de la platina y el reóstato dejando el flujo del líquido fijo para determinar la caída de presión de la columna y de la platina, y se medía la velocidad del aire, gradualmente se variaba el reóstato y se hacían dos mediciones de volumen y tiempo
1. INTRODUCCIÓN Una torre de relleno o torre
líquido y un distribuidor en la parte
empacada
superior, salidas para el gas y para
es
frecuentemente
un
aparato
utilizado
en
el líquido por el tope y por el fondo
absorción de gases y en algunas
respectivamente,
otras operaciones. El dispositivo
soportada
consiste en una columna cilíndrica
inertes que recibe el nombre de
o torre, equipada con una entrada
empaque o relleno de la torre.
de
y
una
cuerpos
masa sólidos
de gas y un espacio de distribución en la parte inferior, una entrada de 1
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La caída de presion a través de la torre empacada se puede determinar mediante la ecuación de Leva y Ergun, que son función de las razones de flujo de gas y líquido, y de las propiedades del empaque. A través de la práctica realizada de torres empacadas se variaron los flujos de gas y de líquido con el fin de
Figur a 1. Torre empacada
encontrar una correlación para la caída de presión de una torre empacada rellena con anillos Rashig
2. MARCO TEÓRICO 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 solidos 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
Figur a 2. Partes de una torre empacada
Entrada de líquido
Salida del gas
Eliminador de espuma
Distribuidor de líquido
abajo. 2
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Boquilla de atomización Retención del relleno
Empaquetamiento al azar
Redistribuidor del líquido
Soporte del relleno
Entrada del gas
Salida del líquido
2.1 Empaques: 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 caída de presión lo más baja posible. Los empaques
pueden
estar
dispuestos al azar o de forma ordenada. Figura 3. Empaques al azar
2.1.1 Tipos de empaques:
Empaque
ordenado:
particular influye mucho en las
distribución
del
características de transferencia
sigue un patrón definido dentro
de masa y caída de presión.
de
Empaque al azar: el diseño
la
columna;
la
empacado menores
pérdidas de carga.
3
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Condiciones que favorecen las torres empacadas
Los líquidos que tienden a generar espuma se manejan mejor, debido a que el grado de agitación del líquido por el gas es relativamente
Figura 4. Empaque ordenado
bajo.
La
retención
del
líquido
es
Características de los rellenos de
mínima, lo cual representa una
columnas de absorción:
gran ventaja cuando el líquido es térmicamente sensible.
Químicamente inerte frente a los
Condiciones desfavorables
fluidos de la torre. Resistente
mecánicamente
sin
tener un peso excesivo.
Si el líquido o gas contiene
Tener pasos adecuados para
sólidos disueltos, este tipo de
ambas corrientes sin excesiva
torre no facilita la limpieza del
retención de líquido o caída de
mismo.
presión.
en
Proporcionar un buen contacto
la
columna,
algunos
entre el líquido y el gas.
materiales de éste se rompen
Tener una gran proporción de
debido a la dilatación y la
espacios vacíos entre el orden del
contracción térmica.
60 y el 90%.
Durante la inserción del empaque
Bajo costo.
Los flujos bajos del líquido tren como
consecuencia
el
humedecimiento incompleto del empaque, lo que disminuye la eficiencia del contacto. 4
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Donde:
CAÍDA DE PRESIÓN EN COLUMNAS EMPACADAS
∆
= Caída de presión [=] N/m 2
=Velocidad de flujo [=] cm/s
La evaluación de la caída de presión es un requisito fundamental para el buen
diseño
de
las
torres
empacadas.
= Longitud del lecho empacado [=]
cm = Viscosidad del fluido [=] g/cm.s = Diámetro de partícula del lecho
[=] cm La
ecuación
predice la
de
Blake-Kozeny,
caída de presión en
= Razón de volumen líquido a
volumen total o porosidad del lecho
columnas empacadas de manera satisfactoria para fluidos en régimen
Esta expresión está basada en la
laminar, siendo esta expresión una
condición de que el material de
función que depende del diámetro de
empaque
la partícula, la longitud y porosidad
distribuido y no existe irregularidad en
del lecho, la viscosidad del fluido que
el flujo a través del lecho; además,
se hace pasar a través del mismo y la
que el diámetro de la partícula es
velocidad de flujo.
pequeño en relación al diámetro de la
esta
uniformemente
columna y éste último mantiene un Los
primeros
cuatro
parámetros
valor constante.
pueden considerarse constantes en un sistema determinado, convirtiendo dicha
ecuación
estrictamente
en
una
dependiente
función de
velocidad de flujo.
∗ ∗ ∗ ∆ = ∗
3. EQUIPOS
la
Anemómetro: El tipo más común de anemómetro consiste en tres o cuatro semiesferas unidas a unas varillas cortas conectadas a su vez a un eje vertical en ángulos rectos. El principio 5
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de funcionamiento se basa en que el
de tal modo que la diferencia de
flujo de aire empuja las semiesferas y
presiones
estas hacen girar el eje. El número de
elemento
vueltas por minutos se traduce en la
prácticamente constante.
que
actúan
móvil
sobre
el
permanece
velocidad del viento con un sistema de engranajes similar al del indicador de velocidad de los vehículos de motor.
Figur a 5. Anemómetro
Rotámetro:
Instrumento
para
caudales,
medir
utilizado tanto
de
Figur a 6. Torre empacada
líquidos como de gases que trabajan con un salto de presión constante. Se
1. Válvula de entrada de aire.
basan
del
2. Cuerpo de la torre
un
3. Distribuidor de líquido
en
la
desplazamiento
medición vertical
de
elemento sensible, cuya posición de
4. Válvula de entrada de agua
equilibrio
depende
caudal
5. Platina de orificios
circulante
que
conduce
6. Distribuidor de aire
del
simultáneamente a un cambio en el
7. Empaque de la torre
área del orificio de pasaje del fluido, 6
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∆
8. Rotámetro 9. Salida de aire
generado al variar el
reóstato de 25 a 65 cada 5 con un
10. Compresor
tiempo de estabilización de 2min.
11. Lectura de presión 12. Encendedor del reóstato 5. ANÁLISIS Y RESULTADOS
13. Regulador de voltaje
Tabla 1 . Calibración del rotámetro
4. METODOLOGÍA •
Se realizó la calibración de la platina de orificio variando la posición del reóstato de 20 a 60, en pasos de 5, se midió con el anemómetro la
ROTÁMETRO
VOLUMEN [ ]
TIEMPO [s]
CAUDAL [ ]
20 40 60 80 100 120
0,000619
44,18
0,000014011
0,000480
18,46
0,000026002
0,000610
16,31
0,000037400
0,000495
9,73
0,000050874
0,001095
18,11
0,000060464
0,000520
6,91
0,000075253
/
velocidad del aire y se tomó el
∆
cada 3 minutos como
tiempo de estabilización. Luego
•
se
calibró
el
rotámetro
variando cada 3 min la posición del rotámetro de 20 a 120 de 20 en 20, se tomaron dos mediciones de volumen y tiempo por cada posición •
•
Se debe verificar que las llaves de paso de las demás torres estén cerradas.
Figur a 7. Calibración del rotámetro
Después se dejó el flujo de líquido
descrita
fijo (rotámetro en 40) y en la torre 2 y 3 que tienen empaque tipo anillos Raschig, se tomó el
∆
La representación gráfica anterior esta por
610−210−
la
ecuación:
=
, donde Q representa el
caudal y x la posición del rotámetro.
y el 7
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________________________________________________________________________________ Tabla 2. Calibración del reóstato REÓSTATO [ 20 25 30 35 40 45 50 55 60
. ΔP
ΔP
[
]
]
Cd=coeficiente de arrastre
VELOCIDAD [m/s]
1,6
156,896
12,525813
2,03
2,3
225,538
15,017923
2,52
3,5
343,21
18,525928
2,89
4,5
441,27
21,006428
3,43
6
588,36
24,256133
4,11
7,1
696,226
26,386095
4,2
8,1
794,286
28,183080
4,32
9,7
951,182
30,841239
4,81
11
1078,66
32,842960
5,2
= 01.,6525 =
=densidad
del aire 1,18
Tabla 3. Calibración de la platina de orificio REÓSTATO
VELOCIDAD [m/s]
20 25 30 35 40 45 50 55 60
2,03 2,52 2,89 3,43 4,11 4,2 4,32 4,81 5,2
Figura 8. Calibración del reóstato
La representación gráfica anterior esta descrita por la ecuación: Vg= 0,0773Re + 0.6327, donde Vg es la velocidad del gas y Re es la posición del reóstato.
CALIBRACIÓN DE LA PLATINA DE ORIFICIO
2∆ = √ 1 Vg =velocidad del gas
Figura 9. Calibración de la platina de orificio
m = 0.1517 = Cd√ 12 4 Cd = 0,1148 8
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CAÍDA DE PRESIÓN EN LA TORRE
Como la caída de presión depende
La ecuación de leva y eckert presenta
de dos variables independientes de
un buen modelo semi-empirico que
manera lineal, después de hacer el
permite relacionar la caída de presión
último ajuste a la ecuación, para
en función del flujo lineal del gas y
hallar la relación entre los datos de
liquido hasta el punto de carga en
las
una torre empacada. A partir de este
ecuación, se debe utilizar el método
modelo
de regresión lineal múltiple.
y
los
datos
obtenidos
posteriores
tablas
con
la
experimentalmente, se halla una
Los resultados obtenidos se muestran
aproximación de la ecuación que
en las siguientes tablas.
describe este proceso. Para hallar la velocidad del gas se
ΔP = ∗ 10∗ ∗ ∗ = 0,1517ΔP. + 0,1913 = 2,51 = 3,055 = 1.205
utiliza el modelo hallado en la calibración de la platina.
Donde
y
son constantes
es la velocidad del líquido en m/s, es la velocidad del gas en m/s,
es la densidad del gas en Kg/ Kg/
3
.
Tabla 4. Características torres empacadas
seleccionadas
Características
Torre 2
Torre 3
Altura de relleno Diámetro columna
115 cm 14 cm
119 cm 14 cm
Diámetro de salida del aire Diámetro de salida del agua Diámetro de la platina Tipo de empaque
1(5/8) pulg
1(5/8) pulg
1 pulg
1 pulg
5/8 ft
5/8 ft
3
.
Se debe línealizar la correlación para hallar los parámetros constantes en el modelo. Se aplica logaritmo en base 10 a ambos lados y se reorganiza la ecuación obteniendo:
log∆P = logC + log(ρ)+ CV +2logV
Anillo Raschig Altura de empaque 1/2
Anillo Raschig 13/32
Diámetro externo 1/2 del empaque Diámetro interno 5/32 pulg del empaque
3/8 7/32 pulg 9
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Como el rotámetro se mantuvo fijo en un valor de 40 mientras se fue variando la velocidad del gas
= 0,000026002
Donde
3
m /s
es el caudal del líquido.
El diámetro de la tubería por donde sale el agua es:
= 1 = 0,0254
Calculando el área transversal de las torres:
= 4 ∗ = 4 ∗ 0,0254 = 5,067∗ 10−
Con el área transversal y el caudal de líquido, se calcula la velocidad de líquido:
⁄ 0 , 0 00026002 = = 5,067 ∗10−
= 0,05132 m/s
∆ = 3,05565 +2,4884() +0,473242
log∆ = 0,63006 +2,4884()
Tabla 5. Caída de presión torre empacada número 3 con rotámetro en 40 TORRE
REÓSTATO 25 35 45 55 65
∆cmHO ∆
PLATINA
[Pa]
2,3
225,5541
3,4
∆cmHO ∆ 2,2
215,7474
333,4278
3,7
362,8479
5,4
529,5618
5,6
549,1752
7,4
725,6958
7,9
774,7293
10,2
1000,2834
10,1
990,4767
Tabla 6. Velocidad de gas y logaritmo de la caída de presión de la torre empacada número 3.
RE STATO 25 35 45 55 65
2,4195 3,0810 3,7463 4,4137 4,9656
2,333946 2,559725 2,739711 2,889150 2,995844
0,383729 0,488687 0,573604 0,644804 0,695970
Tabla 6.1 Calculo de la caída de presión teórica por unidad de longitud de la torre empacada número 3.
2,4195 3,0810 3,7463 4,4137 4,9656
[Pa]
∆ 1,5849 1,8461 2,0574 2,2346 2,3619
0,383729 0,488687 0,573604 0,644804 0,695970
10
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Para
calcular
∆
el
, se le saco el
logaritmo a la caída de presión de la torre en Pa y luego se dividió sobre la altura de la torre 3 (119cm=1,19m), Tabla 6.2 Calculo de la caída de presión experimental por unidad de longitud de la torre empacada 3.
∆
[Pa]
225,5541 333,4278 529,5618 725,6958 1000,2834
∆ ∆ 2,3533 2,5230 2,7239 2,8608 3,0001
Graficando el
log() log()
1,9775 2,1202 2,2890 2,4040 2,5211
0,383729 0,488687 0,573604 0,644804 0,695970
∆ ∆
experimental vs
, y ajustando a una línea recta.
Después se gráfico
Para calcular el error entre las caídas de presión por unidad de longitud se debe tener en cuenta la siguiente ecuación:
[log∆ ] log∆ ] [ = [log∆ ] ∗ 100 %
Tabla 6.3. Cálculo del error de la caída de presión teórica y experimental por unidad de longitud de la torre empacada 3.
∆ ∆ % 1,5849
1,9775
24,771
1,8461
2,1202
14,845
2,0574
2,2890
11,257
2,2346
2,4040
7,5812
2,3619
2,5211
6,7401
teórico vs Se puede observar que tanto gráfica como numéricamente los valores experimentales estuvieron desviados un 25% de su valor real, notándose que a mayor flujo de gas va a haber una mayor caída de presión en este, ya que el cambio de la magnitud de la velocidad
del
gas
cuando
se
encuentra con el flujo de agua va a Figura 10.Caída de presión de la torre 3 de anillos
ser mayor.
Raschig
11
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________________________________________________________________________________ Tabla 7. Caída de presión torre empacada
Tabla 8.1 Cálculo de la caída de presión
número 2 de anillos Raschig con rotámetro
teórica por unidad de longitud de la torre
en 40
empacada 2 TORRE
REÓSTATO
PLATINA
∆cmHO ∆
[Pa]
∆cmHO ∆
[Pa]
∆ ó 2,70507
1,7055
0,432179
3,51671
1,9891
0,546136
480,5283
4,30543
2,2077
0,634016
7,5
735,5025
5,08233
2,3870
0,706063
421,6881
10,6
1039,5102
5,71098
2,5131
0,756711
558,9819
13,5
1323,9045
25
1,3
127,4871
2,8
274,5876
35
2
196,134
4,9
45
3,2
313,8144
55
4,3
65
5,7
Para Se repite el procedimiento realizado en la torre 3 de comparar los datos de la
calcular el , la altura de la torre 2 es (115cm=1,15m).
∆
caída de presión teóricos con los experimentales y se grafican cada uno de ellos con el flujo de aire.
Tabla 8.2 Cálculo de la caída de presión experimental por unidad de longitud de la torre empacada 2.
log∆ = 0,63006 + 2,4884()
Usando la
Se obtiene:
a bla 8 T . Velocidad de gas y logaritmo de la
∆
[Pa]
25 35 45 55 65
2,70507 3,51671 4,30543 5,08233 5,71098
2,438681 2,681719 2,866584 3,016829 3,121857
∆
127,4871
2,1055
1,8308
0,432179
196,134
2,2926
1,9935
0,546136
313,8144
2,4967
2,1710
0,634016
421,6881
2,6250
2,2826
0,706063
558,9819
2,7474
2,3890
0,756711
caída de presión de la torre empacada 2.
REÓSTATO
∆
0,432179 0,546136 0,634016 0,706063 0,756711
12
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pequeño, la relación entre los valores de caída de presión teóricos y experimentales son más pequeños, siendo
el
error
de
7%
aproximadamente.
Tabla 8.4 Comparación
Figura 11. Caída de presión de la torre 2 de anillos Raschig
Con la
de las caídas experimentales
de presión teóricas y de las torres trabajadas
Torre 2 anillos Rashig ½ (pulg)
Torre 3 anillos Rashig 3/8 (pulg)
∆ ∆ ∆ ∆ log∆ l o g∆ [ ] [ ] = [log∆ ] ∗ 100 % 1,7055 1,9891 2,2077 2,3870 2,5131
1,8308 1,9935 2,1710 2,2826 2,3890
1,5849 1,8461 2,0574 2,2346 2,3619
1,9775 2,1202 2,2890 2,4040 2,5211
Tabla 8.3 Cálculo del error de la caída de presión teórica y experimental por unidad de
Se puede observar que la torre 2
longitud de la torre empacada número 2
tiene mayor tamaño y un espesor
∆ ó ∆ % 1,7055
1,8308
7,3468
1,9891
1,9935
2,2077 2,3870
2,1710 2,2826
2,5131
2,3890
0,2212 1,6624 4,3737 4,9381
mayor
dará
como
resultado
un
aumento en la caída de presión, un espacio libre menor, y finalmente un área
reducida
disminuyendo
de el
superficie, factor
de
empaquetamiento y por consiguiente una baja caída de presión.
En el caso de la columna dos con anillos Rashig pero de tamaño más 13
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6. CONCLUSIONES
Algunos
de
7. BIBLIOGRAFÍA los
valores
GEANKOPOLIS,
C.
G.
transporte
y
obtenidos en la práctica se vieron
Procesos
afectados por errores en la
operaciones unitarias. Tercera
medición, puesto que la escala y
Edición.
el estudiante a cargo de dar los
México. 1998.
de
Editorial
CECSA.
datos no son precisos.
Los anillos Rashig de tamaño
TREYBAL,
Robert
E.
más pequeño (1/2 pulg) son
Operaciones de Transferencia
mejores en el contacto entre
de masa. Segunda Edición.
fases con respecto al empaque
Editorial
de 3/8 tipo Rashig lo que hace
México. 1988
McGRAW-HILL.
que el proceso sea más eficiente.
Los
mejoran
rellenos el
de
la
rendimiento
torre del
proceso por eso entre más eficiente sea el empaque el rendimiento del proceso será mejor.
14
