REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENERÍA QUÍMICA
S O D A V E R S E R S HO C E R E D
CONSTRUCCIÓN DE UNA TORRE EMPACADA CON ANILLOS RASCHIG PARA L A SEPARACIÓN SEPARACIÓN LÍQUI L ÍQUIDO-G DO-GAS AS DE UN SISTEM SISTEMA A DE ALCOHO AL COHOL L ETÍLICO, ETÍLICO, AGUA Y AIRE, EN EL LABORATORIO LA BORATORIO DE OPERACIONE OPERACIONES S UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
Trabajo Especial de Grado para optar al Título de Ingeniero Químico
Propuesto por: Useche Q., Thomas J. C.I. 14 099 992 Tutor Académico: Ing. Bohórquez, José. Maracaibo, Abril 2007
INDICE
PP. Índice de Tablas …..……………….…………………………………….
i
Índice de Figuras ...…...…………………………………………………..
ii
Índice de Gráficos .……………………………………………………….
iii
Resumen………………………………………………………………….
iv
Introducción………………………………………………………………
1
CAPITULO I
II
S
O EL PROBLEMA…………………………………………..... PROBLEMA………………………………………….......... E R V A D .....
S E R S O H 11. Planteamiento del Problema………………………............... Problema……………………….......... ..... D E R EC
4 4
12. Objetivos …………………..…………………….…………
5
13. Delimitación ...…………..……………….…………………
6
1.4. Alcance ……………………………………………………
6
1.5. Justificación ...……………………………………………...
7
MARCO TEÓRICO……………………………………….........
10
2.1. Antecedentes …………………...……..…………………...
10
2.2. Bases Teóricas ……………..………………………………
11
2.2.1. Desorción …………...……………………………….
11
2.2.2. Sistema de Alcohol Etílico, Agua y Aire …..……......
14
2.2.3. Configuración del Sistema de la Torre ……………...
17
2.2.4. Equilibrio …………………………………………….
19
2.2.4.1. Solubilidad …………………………….
21
2.2.4.2. Difusividad …………………………….
22
2.2.4.2.1. Difusividades en Líquidos …….
23
2.2.5. Fenómenos de Transporte …………………………...
24
2.2.6. Operaciones Unitarias ……………………………….
26
2.2.7. Torre Empacada …………………………………....
27
2.2.7.1. Empaque ………………………….....
30
2.2.7.1.1. Empaques Aleatorios ………..
31
2.2.7.1.2. Empaques Regulares …….…..
33
2.2.8. Definición de Términos ……………………………..
35
2.2.9. Operacionalización de las Variables ……………….
38
III
IV
MARCO METODOLÓGICO ……………………………...
39
3.1. Tipo de Investigación …………………………………
39
3.2. Diseño de la Investigación ……………………………
40
3.3. Unidad de Análisis ...……………………………………..
40
3.4. Técnicas Técnicas de Recolección de Datos ………………….…….
41
3.4.1. La Observación ………………………..
41
3.4.2. Revisión Documental ………………….
42
3.5. Fases de la Investigación ………………………………….
43
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
4.1. Área Disponible ………………….………………………. A DOS 46
R V E S E R 4.2. Dimensionamiento de laS Torre……………………………. O H C E R D E
46
4.3. Nomenclatura ……………………………………………..
50
4.4. Instalación ………………………………………………...
51
4.5. Comprobación del Funcionamiento de la Torre …………..
54
4.6. Diseño de la Práctica de Laboratorio ……………………...
59
4.6.1. Objetivo General ……………………………………..
59
4.6.2. Objetivos Específicos ………………………………..
60
4.6.3. Descripción del Equipo …………………………......
60
4.6.4. Materiales ……………………………………………
61
4.6.5. Procedimiento Experimental ………………………...
61
4.6.6. Datos a Reportar …………………………………….
62
Conclusiones……………………………………………………………..
64
Recomendaciones………………………………………………………..
66
Bibliografía……………………………………………………………….
67
Apéndice …………………………………………………………………
68
ANEXOS…………………………………………………………………
74
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1
Concentración de Etanol …………………………...............
21
Tabla 2
Solubilidad de los Alcoholes ………………………............
22
Tabla 3
Fases del Objetivo 1………..……………………………….
43
Tabla 4
Fases del Objetivo 2 ………..……………………………….
44
Tabla 5
Fases del Objetivo 3 ………………………………………..
44
Tabla 6
Fases del Objetivo 4 ………………………………………..
45
Tabla 7
S E R S O C HPrimario ……………………………… Medidas ETanque E Rdel D
Tabla 8 Tabla 9
S 47
O Medidas de las Secciones de la Torre ……………………… E R V A D
48
Medidas del Tanque Secundario ……………………………
49
Tabla 10
Datos de los Anillos Rasching ……………………………...
50
Tabla 11
Nomenclatura ……………………………………………….
50
Tabla 12
Tubería y Accesorios ……………………………………….
53
Tabla 13
Lista de Equipos …………………………………………….
53
Tabla 14
Índice de Refracción ………………………………………..
54
Tabla 15
Porcentaje de Recuperación de Etanol ……………………...
56
Tabla 16
Concentraciones > 60% …………………………………….
57
Tabla 17
Rango Operación……………………………………………
58
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1
Corte Esquemático de una torre empacada………………..
28
Figura 2
Empaques Aleatorios………………………………………
33
Figura 3
Empaques Regulares ……………………………………….
35
Figura 4
Dimensiones de la Torre ……………………………………
47
Figura 5 Figura 6
49 S O A D V R E Dimensiones del Tanque Secundario ………………………. 49 S E R S O H D E R EC Dimensiones del Tanque Primario ………………………….
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 1
Curva de Calibración ……………………………………….
55
Gráfico 2
Curva de desorción ………………………………………...
56
Gráfico 3
Desorción Co> 60%…….………………………………..
57
Gráfico 4
Rango Operación…………….…………………………….
58
S O D A V E R S E R S HO C E R E D
DEDICATORIA
CON TODO MI AMOR A MIS PADRES: TOMÁS ANTONIO Y CARMEN YOLANDA, Y A MIS HERMANOS: YOLENA, THOMAS EDWIN, JHOANA, TOMAS ANTONIO, TOMIRIS, YOSMARY, A MI ANGEL GUARDIAN: THOMAS LEWIS. USTEDES HAN SIDO MI INSPIRACIÓN,
S O D A V E R S E R S HO C E R E D
ADMIRACIÓN, ALEGRIA Y SOPORTE EN TODO MOMENTO
To the memory of my friend Melvin A. Johnson. Wherever you are I know you are watching me…the job is done!
CONSTRUCCIÓN DE UNA TORRE EMPACADA CON ANILLOS RASCHIG PARA LA SEPARACIÓN LÍQUIDO-GAS DE UN SISTEMA DE AL COHOL ETÍLICO, AGUA Y AIRE, EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL A URDANETA DOS
R V E S E R OS H C E R D E
Thomas J. Useche Q C.I. V.- 14 099 992 Calle 84 Nro 2B-44, Maracaibo. 0414-3678860
[email protected]
Ing. José F. Bohórquez Tutor Académico
AGRADECIMIENTO
Ser agradecido nace del alma y aquí lo expreso con profunda emoción, por todos los momentos en que me ayudaron, apoyaron o simplemente estuvieron a mi lado. GRACIAS!! A Dios, señor creador y dador de todas las cosas, A mi familia, incluyendo a mis cuñados y cuñadas, A mi apreciado tutor Ing. José Bohórquez quien pacientemente me guió en la
S consecución de esta meta y orientó a lo largo de mi carrera como Oestudiante, A D
R V E S E R A mis profesores Oscar U., Humberto OS M., Alfredo V., por su valiosa enseñanza H C E R D E y orientación,
Profesor Mauro gracias por la dedicación al ayudarme a concluir este proyecto y por todos los conocimientos que me enseñó a lo largo de la carrera, A mis amigos de bachillerato, amigos para toda la vida!, A mis amigos de la universidad, marbel, milton, andreina, marianela, simón, marco, roland, mariemilys, deisy, anita, juan, pedro, ramon, ilussion, futuros colegas! A mis amigos Francisco Orellana, Zorelis, Anyslu, José Ramos, siempre dispuestos a tenderme la mano, A la Sra. Alice, Régulo y Elisa Pachano quienes me han brindado su amistad desde que llegué a la ciudad de Maracaibo, A mí cuñado Jonathan. Mil gracias por haberme invitado a estudiar en esta universidad, mil gracias por apoyarme durante la carrera.
CONSTRUCCIÓN DE UNA TORRE EMPACADA CON ANILLOS RASCHIG PARA LA SEPARACIÓN LÍQUIDO-GAS DE UN SISTEMA DE ALCOHOL ETÍLICO, AGUA Y AIRE, EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA. Elaborado por: Useche Q., Thomas J. RESUMEN
La desorción es una operación unitaria con transferencia de masa empleada normalmente en la rectificación, purificación o recuperación de gases disueltos en líquidos con una corriente de aire la cual absorbe el soluto más volátil de la solución. La torre empacada se construyó tomando en cuenta los criterios físicos y químicos del sistema alcohol etílico-agua, los factores S O D A económicos y el espacio disponible. La torre E elaborada en vidrio PYREX, tiene V R -1 S E R un área de transferencia H de O 0,9718cm S , de diámetro 3 ½” y altura total de C E R E con anillos raschig de pvc de 2cm de alto y ½” de diámetro. 2.15m, se D empacó El flujo de aire en contracorriente a la alimentación liquida del tanque se hizo a una presión fija de 2kg/cm 2. El sistema completo consta de dos tanques, una columna empacada, una bomba centrifuga y un compresor de aire. Se ensayó con diferentes concentraciones de etanol en agua haciendo atravesar la solución a través de la columna y recogiendo la muestra a la salida de la misma. El rango óptimo de separación de este sistema se determinó entre 85%-95% de concentración de etanol en agua. Las concentraciones por debajo de 80% quedaron constantes como punto de no separación bajo las condiciones de operación de la torre. La torre quedó instalada y en funcionamiento en el laboratorio de operaciones unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta, como un recurso didáctico para la realización de prácticas de laboratorio e investigaciones posteriores. Palabras claves: Desorción, torres empacadas, anillos raschig, condiciones de equilibrio, configuración de sistema, concentración.
CONSTRUCTION OF A PACKED TOWER FOR THE GAS-LIQUID SEPARATION OF A ETHANOL-WATER AND AIR SYSTEM, IN THE LABORATORY FOR MASS TRANFER OPERATIONS AT UNIVERSITY RAFAEL URDANETA. By: Thomas J., Useche Q. AB STRACT
Stripping is a very common mass transfer operation, normally used for separating, depuring or recovering a gas disolved in a liquid phase through the passing of a crosscurrent air supply which eventually absorbs the most volitile compound of the solution. The packed tower was built based on the fisical and chemical criteria for the etanol-water system, the economic factor and the S area of O D A available space. The tower is made of PYREX glass. It has a transfer V E R ES R 0,9718cm -1, 3 ½” diameter H andO aS total hight of 2.15m. It was randomly packed EC E R with PVC D raschig rings of 2cm high and ½” diameter. The crosscurrent flow to the liquid feed was done at a constant pressure of 2kg/cm 2. The whole system consists of two tanks, a centrifugal pump and an air compressor. The testing was done for different concentrations of ethanol in water, making the solution run through the column and taking the sample at the bottom tank. The optimun range was determined between 85% and 95% concetrations of ethanol in water. Concentrations below 80% showed little separation reaching the point of not separation at all under the operation conditions. The packed tower was installed and left working properly at the university lab, as a useful resourse for lab experiments and research. Key words: Stripping, packed towers, raschig rings, equilibrium conditions.
INTRODUCCIÓN
Las torres empacadas son utilizadas extensamente en la industria para la separación y purificación de corrientes de gas, como dispositivos de recuperación de producto y como dispositivos de control de la contaminación. Este proyecto se enfoca en la aplicación práctica de las leyes y principios que se emplean para la separación de sistemas binarios liquido-gas en una torre empacada con anillos raschig.
S O D A V E Reconómica y eficiente, el S Para separar materiales R de manera E S HO C E R E ingeniero D debe crear un ambiente en el cual los materiales se comporten de una forma drásticamente distinta. En este sentido, Rudd (1992, pg 105) expone que “ese ambiente se determina mediante la examinación de las propiedades físicas y químicas de los materiales, buscando diferencias entre las propiedades que originan cambios drásticos en comportamiento”.
Puede ocurrir que una especie en la mezcla flote
mientras las otras se hunden; alguna especie puede cambiar a gas o sólido mientras las otras permanecen líquidas; una especie puede disolverse en un solvente mientras las otras permanecen insolubles, incluso moléculas pequeñas pueden pasar a través de una membrana mientras las otras son retenidas. La absorción es una operación unitaria de transferencia de masa que consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que éste disuelva determinados componentes del gas, mientras que la desorción es la operación inversa, en el cual un gas volátil disuelto en un líquido es transferido hacia la fase gaseosa. Ambos procesos pueden categorizarse en físico o químico. El proceso físico ocurre cuando el compuesto absorbido se disuelve en el solvente, y el químico ocurre cuando el compuesto absorbido y el solvente reaccionan.
2
Los fenómenos de transferencia de masa se encuentran en cualquier lugar en la naturaleza, y son importantes en todas las ramas de la ciencia y la tecnología, ya sea en una reacción química, un reactor industrial, un sistema biológico o una investigación en un laboratorio. “El termino transferencia de masa, se refiere al moviendo de moléculas o elementos fluidos causado por una forma de potencial o fuerza impulsora. Esto incluye no solamente la difusión molecular sino también transporte por convección y en algunos casos mezcla simple, sin la conversión de la
S O D A V E R S E R S HO C E R E Una unidad de torre empacada básica se compone D
materia” (Sherwood 2003, pg 1).
de una
envoltura de la columna, eliminadores de neblina, distribuidores de líquido, material de empaque y soporte del empaque. Cuando se utilizan solventes o gases altamente corrosivos, para los interiores de la columna se requieren de aleaciones resistentes a la corrosión o materiales plásticos. Para los objetivos de este proyecto, se seleccionó alcohol etílico para la fase liquida y aire para la fase gaseosa. Dentro de la torre empacada, la entrada de líquido que se desea separar, en este caso alcohol etílico diluido, se distribuye sobre la parte superior del relleno mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja uniformemente la superficie del relleno. El gas, que para este proyecto de grado será aire, entra por la parte inferior y asciende a través de los espacios libres del relleno en contracorriente con el flujo de líquido. El relleno proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas, favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases. La mayoría de los rellenos de torre se construyen con materiales baratos, inertes y ligeramente livianos, tales como arcilla, porcelana o diferentes plásticos, tales como lo son los anillos raschig utilizados en este estudio.
3
Construir una torre empacada para la separación liquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire que esté a nivel con los avances tecnológicos en el campo de la ingeniería, permitirá el avance técnico y de investigación dentro de la universidad, al convertirla en una herramienta útil para la enseñanza práctica, estudio y discusión. Este trabajo de investigación pretende demostrar el funcionamiento de una torre empacada en la separación de una mezcla de alcohol etílico, agua y aire, construida con las especificaciones necesariasSpara tal fin;
DO A V R E S pudiendo ser posteriormente, incluida como práctica en el programa de E R S O C H laboratorio de E operaciones unitarias II. D E R El desarrollo de este trabajo está contemplado en cuatro capítulos. En el capítulo I se presentará el problema, justificación, delimitación, alcance y objetivos de la investigación. Los conceptos importantes de la investigación, así como los antecedentes del proyecto, se encontrarán en el capítulo II.
En el capítulo III se expondrán los lineamientos
metodológicos del trabajo, materiales, métodos y procedimiento general del proyecto. El capítulo IV tendrá contenido los resultados obtenidos en función del diseño. Una vez expuestos los resultados, encontrarán las conclusiones derivadas del estudio, las recomendaciones planteadas y las limitaciones encontradas en el proceso de realización de este trabajo especial de grado. También se encontrarán al final de este trabajo, la bibliografía consultada, un glosario y los anexos mencionados a lo largo del proyecto.
CAPITULO I EL PROBLEMA 1.1.
S O D A V E R S E R S HO C E R E El estudio de operaciones unitarias con transferencia de D PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
masa,
constituye el corazón de la carrera de Ingeniería Química, dando paso a la aplicación práctica y efectiva de los conocimientos en la resolución de problemas, desarrollando procesos de separación, diseñando nuevos equipos u optimizando los existentes. El laboratorio de Operaciones Unitarias constituye uno de los ejes primordiales en la formación técnica/práctica de cualquier ingeniero químico, ya que permite al estudiante comprender y visualizar los procesos del ámbito industrial a nivel de laboratorio. El Programa de Laboratorio de Operaciones Unitarias II de la URU actualmente contempla las prácticas de: Transferencia de calor por conducción, convección y radiación; destilación por carga, reflujo total y continúa de mezcla binaria;
condensación en gotas y películas en
tuberías horizontales (ver anexo 1). Estas prácticas están condicionadas a la disponibilidad de equipos existentes para realizar estudios o al tiempo disponible para llevar a cabo los mismos.
Sin embargo, equipos
diseñados para la separación de mezclas binarias liquido-gas, no se encuentran en el programa.
5
1.1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Por las razones antes expuestas, se considera necesario la construcción de la torre de empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta. La torre diseñada cumplirá un nos requerimientos y criterios de diseño que le permitirán su uso en un laboratorio docente.
S O D A V E R S E R S HO C E R E 1.2. D OBJETIVOS 1.2.1. OBJETIVO GENERAL Construir una torre empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta. 1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1.2.2.1. Establecer la configuración del diseño de la torre empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta. 1.2.2.2. Construir la torre empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta.
6
1.2.2.3. Demostrar el funcionamiento de la torre empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio
de
Operaciones
Unitarias
de
la
Universidad Rafael Urdaneta. 1.2.2.4. Diseñar una practica de laboratorio para el uso de la torre empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, S agua y
DO A V R E S de Operaciones Unitarias de la aire, en el Laboratorio E R S O H D E R ECUniversidad Rafael Urdaneta. 1.3.
DELIMITACIÓN
1.3.1. DELIMITACIÓN ESPACIAL Este trabajo esta diseñado para realizarse en el Laboratorio de Operaciones Unitarias, adscrito a la Facultad de Ingeniería
de la
Universidad Rafael Urdaneta. 1.3.2. DELIMITACIÓN TEMPORAL La investigación y elaboración de la torre empacada con anillos raschig, está estimada en un periodo de tiempo 6 meses a partir del mes octubre de 2006.
1.4.
ALCANCE
El diseño y construcción de la torre empacada con anillos raschig presentada en este trabajo, es para su aplicación práctica en el curso
7
Laboratorio de Operaciones Unitarias II. Este curso se realiza en el Laboratorio de Operaciones Unitarias, adscrito a la Facultad de Ingeniería de la Universidad Rafael Urdaneta. Todas las actividades, experimentos y prácticas contempladas en este trabajo, se basan en el contenido programático de la materia relacionada con las Operaciones Unitarias II.
1.5.
JUSTIFICACIÓN
S O D A V E Rinvolucran transferencia de S La mayoría de procesos R de E separación S HO C E R E masa D de una fase a otra. “El modo más común de transferencia encontrada en procesos químicos es aquella entre gases y líquidos, ocurriendo típicamente en absorción de gas, desorción y destilación” (Sherwood 2003, pg 395). La desorción, por ejemplo, se utiliza en la remoción de hidrocarburos livianos de fracciones de petróleo crudo, la absorción se emplea en la remoción de CO 2 y H2S del gas natural en fases liquido-gas y la destilación en la separación de crudo, todas en fases liquido-gas. Sherwood plantea que el interés de un ingeniero químico en los fenómenos de transferencia de masa, “se basa primordialmente en su rol tradicional como un especialista en el diseño de procesos de separación” (2003, pg 2). Es por ello que el ingeniero que diseña debe seleccionar el equipo adecuado de transferencia de masa, calcular el tamaño requerido del equipo y, de ser necesario, el número de unidades necesarias para una determinada operación de separación. De igual manera, debe estar en capacidad de emplear el mismo conocimiento para establecer las condiciones de operación deseadas en una producción específica con un equipo existente, o diagnosticar dificultades de operación. Con base en esto, la construcción de una torre empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol
8
etílico, agua y aire, se realizara con la intención de demostrar el proceso como operación unitaria con transferencia de masa, desde el diseño de la torre hasta la construcción y separación del sistema, en el laboratorio de operaciones unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta. El programa de Operaciones Unitarias II de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Rafael Urdaneta, tiene como objetivo instruir al alumno para que éste sea “capaz de aplicar los conceptos complementarios del equilibrio termodinámico vapor-liquidoS en el diseño
DO A V R E S la separación física de mezclas de equipos de transferencia de R masa para E S O EC H binarias y R multicomponentes en plantas químicas y petroquímicas”, y D E contempla el estudio de operaciones y procesos como evaporación,
equilibrio vapor-liquido, absorción/desorción de gases y destilación (ver anexo 2). Desde el punto de vista de la enseñanza y aprendizaje por investigación, “como un principio didáctico y como estrategia adecuada para la construcción de conocimientos, concepciones, metodologías y actitudes” (Salcedo y García, 1995), este proyecto contribuirá a orientar y enfocar los conocimientos teóricos adquiridos en la cátedra de Operaciones Unitarias II, aproximándose al modelo de trabajo de un equipo industrial a nivel de laboratorio, observando la demostración de un proceso de separación real. De igual manera uno de los objetivos del Programa de Laboratorio Operaciones Unitarias I y II, es el de “integrar y complementar los conceptos presentados en las materias teóricas relacionadas con las Operaciones Unitarias con las realidades del trabajo experimental, incluyendo aspectos como: Planificación de experimentos, manejo de equipos y sistemas, adecuarse a las restricciones impuestas por la precisión y exactitud de instrumentos y métodos, limitaciones en la capacidad y escala de los equipos, y la realización de análisis críticos de
9
los resultados obtenidos”, tal y como lo establece el Manual de Laboratorios de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta. Es por ello, que la construcción de una torre empacada con anillos raschig para la separación liquido-gas en el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta, servirá a los estudiantes para observar los principios de separación de mezclas binarias, y obtener formación práctica relacionada con la cátedra de operaciones unitarias II, los principios y leyes aplicables a las operaciones de separación con Transferencia de Masa. Contribuye, además, a la familiarización del S
DO A V R E estudiante con torres empacadas en S las que existe contacto entre las E R S O E R E,C H fases D líquida-gas el uso y manejo de este equipo para proyectos
relacionados con operaciones unitarias, en el cual pueda analizar el comportamiento del sistema, reforzar sus conocimientos teóricos y llevar a cabo diversos trabajos de investigación referentes a procesos y Operaciones Unitarias. La torre empacada a ser construida e instalada en la universidad, brindaría la oportunidad de obtener un equipo nuevo para el laboratorio de operaciones unitarias, eficiente y de bajo costo, y representa una herramienta para el desarrollo y consolidación de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad Rafael Urdaneta, puesto que abre la posibilidad de realizar una nueva práctica de laboratorio relacionada con la teoría impartida en la cátedra de operaciones unitarias II sobre torres empacadas.
10
S O D A V E R S E R S HO C E R E D
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
H
DOS A V R E OS R ES
En este E R EseCexpondrán los antecedentes del proyecto, así como Dcapítulo también el conjunto de conceptos y definiciones, presentando un punto de
vista sistemático de los fenómenos especificando relaciones entre variables, con el objeto de explicar, organizar el conocimiento y orientar la investigación sobre el tema en estudio.
2.1.
ANTECEDENTES
En 2004, Scannella y González, tomaron los principios de transferencia de masa en torres con reacción química para el Diseño y Construcción de una Torre Empacada para El Laboratorio de Operaciones Unitarias de La Universidad Rafael Urdaneta .
El sistema de reacción
utilizado fue Hidróxido de Bario en solución y Dióxido de Carbono gaseoso, y pretendía medir la cantidad de carbonato de bario formado a partir del contacto en la torre. En 1985, Rodríguez L.,; realizó el Trabajo Especial de Grado sobre la Evaluación del Diseño de una Torre Empacada para La Recuperación de Amoníaco, en la Universidad del Zulia, planteando la evaluación del diseño
de una torre empacada para la recuperación de amoníaco; junto con cada una de las ecuaciones usadas para su diseño.
11
Otro antecedente se puede registrar para el caso de Boscán
y
Chourio M., en 1996; con el Trabajo Especial de Grado Diseño De Una Torre De Adsorción-Regeneración Para Un Sistema Con Desecante Sólido.
Esta
investigación se llevó a cabo en la Universidad del Zulia. El objetivo fue el diseño de una torre empacada utilizando un programa computacional, el cual permitía dimensionar la torre de absorción-regeneración para deshidratar el Gas Natural, utilizando como materiales adsorbentes desecantes sólidos comerciales.
H D E R EC
DOS A V R E OS R ES
También se cita el caso del Diseño De Una Columna Empacada de
Destilación Por Carga Para La Separación De Una Mezcla Binaria Ideal en el Laboratorio
De
Operaciones
Unitarias
de la
Universidad Nacional
Experimental Francisco de Miranda, realizado por Jaimes y Ruiz en el año 2002. Este planteó el diseño de una columna empacada para la separación de una mezcla binaria ideal en el sistema metanol-agua, incluyendo las ecuaciones necesarias para su diseño.
2.2.
BASES TEÓRICAS 2.2.1. DESORCIÓN
La desorción (stripping) es la operación de transferencia de masa en la cual, uno o más componentes solubles de una mezcla de líquidos se absorben en un gas bajo las condiciones del proceso. Rudd (1992, pp 151) afirma que la desorción es la operación inversa a la absorción, un gas volátil disuelto en el líquido es transferido hacia la fase gaseosa. El componente a separar se difunde desde el líquido hacia el gas cuando el gas contiene menos que la concentración de equilibrio del componente líquido. La
12
diferencia entre la concentración real y la concentración al equilibrio, proporciona la fuerza impulsora para la desorción.
En esta operación
unitaria, “la transferencia de materia se produce a través de una interfase que puede desplazarse en el espacio y en la que el líquido ligado a ella permanece prácticamente insensible al comportamiento hidrodinámico de la fase gas o al de la masa turbulenta del líquido” (Mateos, 1991).
DOS
V A R Para explicar el mecanismo de transporte se han propuesto varias E S E R
S O H C E R teorías. D La E de película supone que existen a ambos lados de la interfase en
las películas de fluido que se deslizan en régimen laminar, mientras que en el resto del fluido la mezcla es completa; la velocidad del fenómeno está controlada por la difusión molecular a través de las películas. La teoría de la difusividad turbulenta considera que en la transferencia de materia en régimen estacionario colaboran simultáneamente la difusividad molecular y la turbulenta. Higbie propuso la teoría de la penetración, en la que se supone que la absorción tiene lugar durante una serie de breves contactos entre los fluidos; antes de alcanzar la homogeneidad de la disolución, el soluto se difunde una corta distancia en el absorbente. La teoría de la penetración con renovación superficial de Danckwerts se diferencia de la de Higbie en que la renovación de la superficie en contacto con la interfase se realiza en régimen no estacionario, lo que supone la creación continua de nuevas interfases. La teoría dualista película-penetración de Toor y Marchello considera que la renovación de la película laminar se realiza a velocidad suficientemente rápida como para evitar que se establezca un gradiente de concentración estacionario. Por último, King ha propuesto un modelo de transporte en régimen no estacionario en el que se aúnan las teorías de Toor y Marchello y la de difusividad turbulenta.
13
Según Perry (1984) “la absorción física depende de las propiedades de la corriente de gas y del solvente, tales como la densidad y viscosidad, así como de las características específicas de las corrientes de gas y de líquido como su difusividad y solubilidad.” Estas características van a depender de la temperatura a la que esté sometido el sistema. Temperaturas más bajas generalmente favorecen la absorción de gases por el solvente. La absorción se mejora también por mayor superficie de contacto, relaciones líquido-gas
DOS
V A R más altas y mayores concentraciones en la corriente de gas. E S E R OS H C E R D E
El contacto entre fases para la separación se consigue mediante el
empleo de columnas de pisos perforados o en régimen continuo trabajando con columnas rellenas con anillos Raschig, sillas de Berl, rejas de madera, entre otros. El rendimiento en la separación de componentes está regido por la capacidad disolvente del absorbente; éste, a su vez, se selecciona considerando las características del absorbato, su coste, facilidad de recuperación, propiedades físicas, relación absorbente/absorbato y forma de contacto. La selección del solvente, o agente absorbedor también es importante para garantizar la absorción correcta y optima de la corriente de gas. Treybal (1980) menciona que “el solvente seleccionado para la separación debe tener una solubilidad alta para el gas, baja presión de vapor y debe ser relativamente barato).”
El solvente más común utilizado en procesos
industriales es el agua, por sus características específicas, así como también por su costo y disponibilidad.
14
2.2.2. SISTEMA ALCOHOL ETÍLICO, AGUA Y AIRE
El termino “sistema” se refiere al conjunto de sustancias que interactúan dentro de la torre empacada, las cuales están sometidas a las condiciones de operación. En el caso de esta investigación, el sistema seleccionado esta compuesto por alcohol etílico y agua para la fase liquida, y aire para la fase gaseosa, basándose en su afinidad y solubilidad.
R EC H Los E desorbedores, D
DOS A V R E OS R ES
al igual que los absorbedores son utilizados
efectivamente en el enriquecimiento de mezclas de gases, y la eficiencia de esta operación depende de la solubilidad relativa de los gases en el solvente líquido seleccionado.
Según Rudd (1992, pp 132),
“la preferencia
usualmente se le da a los líquidos en los cuales el gas es altamente soluble. Además el solvente debe ser económico, no corrosivo, estable, no viscoso, no espumeante y no inflamable.
Usualmente, se utiliza agua para gases
solubles en agua, aceites para los hidrocarburos y solventes químicos especiales para gases como CO 2, SO2, entre otros.
Sin embargo, un
disolvente debe cumplir con ciertas características para ser utilizado en este tipo de operación:
•
La solubilidad del gas en él debe ser elevada para lograr una alta rapidez de absorción y disminuir la cantidad de solvente requerida; en general, los solventes de naturaleza química similar a la del soluto que se quiere absorber proporcionan una buena solubilidad.
•
Debe presentar una baja presión de vapor para evitar pérdidas de disolvente por volatilización.
•
No debe corroer el material de construcción de los equipos.
15
•
Debe ser económico.
•
Debe ser poco viscoso para facilitar la absorción y para garantizar bajas caídas de presión en el sistema.
•
No debe ser tóxico, inflamable, ni debe reaccionar con los demás
DOS A V R E OS R ES
componentes del sistema.
C H E R E Morrison define los alcoholes como “ el grupo de compuestos químicos D que resultan de la sustitución de uno o varios átomos de hidrógeno (H) por grupos hidroxilo (-OH) en los hidrocarburos saturados o no saturados.
(Morrison, 1997). De esta manera, desde el punto de vista químico son sustancias orgánicas alifáticas (de cadena no cíclica), caracterizadas por la presencia de un grupo funcional hidroxilo (-OH) enlazado directamente a un carbono terminal (alcohol primario) o intermedio de la cadena (alcohol secundario). El compuesto químico etanol, llamado también alcohol de caña o de grano, o alcohol etílico, se produce en grandes cantidades por fermentación de azúcares; no es raro encontrarlo en pequeñas cantidades en algunos frutos. El alcohol etílico o etanol, es un alcohol que se presenta como líquido incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78 °C. Al mezclarse con agua en cualquier proporción, da una mezcla azeotrópica con un contenido de aproximadamente el 96 % de etanol. (Enciclopedia Virtual, 2006). (hacer referencia a la MSDS del etanol en el anexo 3) Un azeótropo es una mezcla líquida de dos o más componentes que poseen un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor se comporta como un líquido puro, o sea como si fuese un solo
16
componente.
Un azeótropo, puede hervir a una temperatura superior,
intermedia o inferior a la de los constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial, al igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple. La mezcla de etanol y agua es un ejemplo de esta propiedad, ya que “forma un azeótropo para una concentración del 95% en peso de alcohol, que hierve a una temperatura de 78,2 ºC.” (Enciclopedia Virtual, 2006) En la composición H D E R EC
DOS A V R E OS R ES
azeotrópica las curvas de líquido y vapor son
tangentes entre sí, por lo que la composición del vapor y del líquido en equilibrio son iguales. Estas mezclas, que a este respecto se comportan como un líquido puro, son más volátil que cualquiera de los dos componentes. Para poder separar los componentes de una mezcla binaria es necesario que la composición del vapor y el líquido en equilibrio sean diferentes. Según esto, las mezclas azeotrópicas no pueden separarse por una destilación simple. En su artículo Una Revolución Energética, el Dr. Robert Zubrin (2006) presidente de la firma de Ingeniería Pionner Astronautics, escribe que el Metanol es mas económico que el Etanol, y puede obtenerse de una variedad más amplia de materiales, incluyendo el carbón y el gas natural. Sin embargo, “ el Etanol es menos toxico químicamente que el Metano, ” (Zubrin, 2006). Es por ello que la selección del etanol para éste sistema es mas adecuado, ya que estará en contacto con estudiantes poco experimentados en el manejo de sustancias toxicas. Contando también, que el alcohol metílico puede llegar a ser letal en las mismas proporciones que el alcohol etílico.
17
2.2.3. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE LA TORRE.
Las alimentaciones del gas y del líquido a través de una torre empacada, pueden ser a contracorriente, perpendicular ( crosscurrent ) o en paralelo (cocurrent). “Los diseños más comúnmente instalados son a contracorriente, en los cuales la corriente de gas entra por el fondo de la columna del absorbedor y sale por la tapa. Por el contrario, la corriente del
DOS
V A solvente entra por la tapa y sale R por E el fondo. Los diseños a contracorriente S E R
S O H C E R proporcionan D Ela eficiencia de remoción teórica más alta, porque el gas con la concentración de contaminante más baja, hace contacto con el líquido con la
concentración de contaminante más baja. Esto sirve para maximizar la fuerza impulsora promedio para la absorción a través de la columna.” (Treybal, 2002). Además, usualmente los diseños a contracorriente requieren relaciones de líquido a gas más bajas que los en paralelo. Según McInnes (1992), en una torre con flujo perpendicular, el gas residual fluye horizontalmente a través de la columna mientras que el solvente fluye hacia abajo verticalmente en la columna. Como regla, los diseños con flujo perpendicular tienen caídas de presión más bajas y requieren relaciones líquido-a-gas más bajas que los diseños a contracorriente y en paralelo. Son aplicables cuando los gases son demasiado solubles, puesto que ofrecen menos tiempo de contacto para la absorción. En las torres en paralelo, ambos, la corriente de gas y el solvente entran a la columna por la tapa de la torre y salen por el fondo. Los diseños en paralelo tienen caídas de presión más bajas y no están sujetos a limitaciones de inundación y son más eficientes para la remoción de rocíos finos. Los diseños en paralelo son eficientes sólo donde grandes fuerzas
18
impulsoras de absorción son disponibles. La eficiencia de remoción está limitada puesto que el sistema gas-líquido se aproxima al equilibrio en el fondo de la torre (McInnes, 1990). La corriente gaseosa en cualquier punto de la torre consta de G moles totales/tiempo (área transversal de la torre); está formada por un soluto A que se difunde, de fracción mol y presión parcial p o relación mol Y, y de un
DOS
V A gas no difundente, básicamente R insoluble, moles/tiempo (área). La Gs ES E R S O H C E R relación entre E ambos es: D
Y = y / (1 - y) = p / ( pt - p )
Gs = G(1 - y) = G / (1 + Y )
Similarmente, el líquido consta de L moles totales/tiempo (área) que contienen x fracción mol de un gas soluble o relación mol X, y Ls moles/tiempo (área) de un disolvente básicamente no volátil. Como el gas disolvente y el líquido disolvente no cambian en cantidad cuando circulan a través de la torre, se hace un balance de materia en función de éstos. En el fondo de la torre un balance de materia es: Gs(Y 1 - Y) = Ls(X 1 - X)
Esta es la ecuación de una línea recta (línea de operación) sobre las coordenadas X, Y , de pendiente Ls/Gs, que pasa a través de ( X1 - Y1). Al sustituir X y Y por X2 y Y2, la línea pasará por el punto definido por estos dos valores.
19
Cuando se diseña una torre de absorción, los parámetros como cantidad de gas a tratar, sus concentraciones de entrada y salida están previamente definidas. La cantidad de disolvente influye sobre la pendiente de la recta de operación, la cual debe pasar a través del punto D y terminar en la ordenada Y1, los cuales son los extremos del proceso; si se usa tal cantidad de líquido para obtener la recta de operación DE, el líquido saliente
DOS
V A R tendrá la composición X1, si se utiliza más líquido, el líquido saldrá con una E S E R S O H C E R concentración D E mayor, siendo mayor la resistencia a la transferencia de masa al estar más cerca la recta de operación de las condiciones de equilibrio.
2.2.4. EQUILIBRIO
Los datos de equilibrio se encuentran normalmente en una de las tres formas siguientes:
•
Datos de solubilidad expresados bien como solubilidad porcentual en moles o en peso o bien como constantes de la ley de Henry.
•
Presiones de vapor de compuestos puros
•
Coeficientes de distribución en el equilibrio (valores de K). Los datos más importantes para resolver cualquier problema de
separación son los de la composición de las fases líquida y vapor del sistema que están en equilibrio a distintas presiones o temperaturas. Estos datos se pueden obtener de varias maneras, ya sea como datos tabulados, diagramas de fases y de equilibrio ó como cálculos teóricos.
20
Este estudio se limitará a sistemas binarios, es decir que contienen únicamente dos componentes como lo son el agua y el etanol. Asimismo para unificar las nomenclaturas de las distintas bibliografías, de aquí en adelante se denominará como x (siendo x fracción en peso o molar) la composición de un líquido e y la composición del vapor.
DOS
A V R Según Perry, para muchos gases en concentraciones diluidas la E S E R
S O H C E R relación de equilibrio puede expresarse por la ley de Henry, que relaciona la E D
presión parcial de un soluto (A) en fases gas con su concentración en un disolvente (B), a través de una las ecuaciones siguientes: PA = HxA
ó
PA = H’cA
Donde H es el coeficiente de la ley de Henry y H’ es el mismo coeficiente expresado en kilopascales por cada unidad de concentración en kilomoles por metro cúbico (Perry pg. 14-7, 2001) Los datos tabulados de equilibrio líquido – vapor se pueden obtener de la bibliografía especializada. A continuación se mencionan algunos valores del sistema etanol-agua a presión normal total, para la cual se puede apreciar que las concentraciones de etanol tanto en la fase líquida como en la fase gaseosa se mantienen constantes por encima del punto de ebullición del aezótropo. La temperatura es la del equilibrio y se expresa en grados centígrados.
21
Tabla 1 Concentración de Etanol SISTEMA Etanol - Ag ua % DE ETANOL EN EL: LÍQUIDO
VAPOR TEMPERATURA
0,0
0,0
100
1,90
1,90
95,50
7,21
7,21
89,00
9,66
9,66
23,37
23,37
82,70
26,08
26,08
82,30
32,73
32,73
81,50
39,65
39,65
80,70
50,79
50,79
79,80
51,98
51,98
65,99
57,32
57,32
79,30
67,63
67,63
78,74
74,72
74,72
78,41
89,43
89,43
78,15
DOS A 86,70 V R E S E 12,38OS R 12,38 85,30 H C E R D E 16,61 16,61 84,10
Fuente: Romero, 2001
2.2.4.1.
Solubilidad
Los valores de solubilidad son esenciales para el diseño, porque determinan el caudal de líquido necesario para la recuperación, completa y económicamente optima del soluto. Según Morrison (1997), la solubilidad de los alcoholes disminuye con el aumento del número de átomos de carbono, puesto el grupo hidroxilo constituye una parte cada vez más pequeña de la molécula y el parecido con el agua disminuye a la par que aumenta la semejanza con el hidrocarburo
22
respectivo. Los alcoholes de pocos átomos de carbono son solubles en todas las proporciones. La solubilidad del alcohol reside en el grupo –OH, llamado grupo hidroxilo, incorporado a la molécula del alcano respectivo. “El grupo hidroxilo confiere polaridad a la molécula y posibilidad de formar enlaces de hidrógeno. La parte carbonada es apolar y resulta hidrófoba. Cuanto mayor es la longitud del alcohol su solubilidad en agua disminuye y aumenta en disolventes poco polares”. (Morrison, 1997).
H D E R EC
DOS A V R E OS R ES Tabla 2
SOLUBILIDAD DE LOS ALCOHOLES
p.f. p.eb. (ºC) (ºC)
solub. en NaCl agua
Compuesto
IUPAC
Común
CH3OH CH3CH2OH
Metanol Etanol 1Propanol
Alcohol metílico Alcohol etílico
-97.8 -114.7
65.0 78.5
Infinita Infinita
14g/L 0.6g/L
Alcohol propílico
-126.5
97.4
Infinita
0.1g/L
Isopropanol
-89.5
82.4
Infinita
Cloruro de isopropilo
-117.2
35.7
3.1 g/L
CH3(CH2)2OH
CH3CHOHCH3 2-Propanol CH3CHCl CH3
2-Cloropropano
CH3CH2CH3
Propano
CH3(CH2)3OH
1-Butanol
Alcohol butílico
-89.5
117.3
80 g/L
(CH3)3COH
2-Metil-2propanol
Alcohol tercbutílico
25.5
82.2
Infinita
CH3(CH2)4OH 1-Pentanol
Alcohol pentílico
-79
138
22 g/L
2,2(CH3)3CCH2OH Dimetil1-propanol
Alcohol neopentílico
53
114
Infinita
-187.7 -42.1 0.038 g/L
Fuente: Morrison, 1997.
2.2.4.2.
Difusividad
La difusión es un fenómeno físico de transporte que consiste en la mezcla espontánea de sustancias; tal mezcla se origina por la existencia de
23
diferencias de concentración, temperatura y energía mecánica entre las moléculas que forman el sistema.
La transferencia de masa cambia la
composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no implican necesariamente reacciones químicas y se caracteriza por transferir una sustancia a través de otra u otras a escala molecular. Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferente composición, la sustancia que se difunde abandona un lugar de una región de alta concentración y pasa a un
DOS A V R E OS R ES
lugar de baja concentración.
H D E R EC
La velocidad de transferencia de masa depende de una fuerza
impulsora, o sea, de la diferencia de concentración; sobre una resistencia, que indica la dificultad de las moléculas para transferirse en el medio. Esta resistencia se expresa como una proporción entre la velocidad de transferencia y la diferencia de concentraciones, denominado: "Difusividad de masa". Un valor elevado de este parámetro significa que las moléculas se difunden fácilmente en el medio. La difusividad, o coeficiente de difusión es una propiedad del sistema que depende de la temperatura, presión y de la naturaleza de los componentes. 2.2.4.2.1. Difusividades en líquidos
La velocidad de difusión molecular en líquidos es mucho menor que en gases. Las moléculas de un líquido están muy cercanas entre sí en comparación con las de un gas; la densidad y la resistencia a la difusión de un líquido son mucho mayores, por tanto, las moléculas de A que se difunde chocarán con las moléculas de B con más frecuencia y se difundirán con mayor lentitud que en los gases (Morrison, 1997). Debido a esta proximidad
24
de las moléculas las fuerzas de atracción entre ellas tiene un efecto importante sobre la difusión. En general, el coeficiente de difusión de un gas es de un orden de magnitud de unas 10 veces mayor que un líquido. El coeficiente de difusión del sistema aire – etanol y aire-agua a baja presión y temperatura absoluta 313º K es de 0,145 cm 2/seg.
DOS A V R E OS R ES
EC H DE TRANSPORTE 2.2.5. FENOMENOS E R D
Los fenómenos de transporte son procesos de duración finita e irreversibles en los que la transferencia de materia, energía calorífica e impulso mecánico se realizan simultáneamente, ya que son propiedades ligadas al estado de las moléculas (Enciclopedia GER, 2006). Estas propiedades pueden ser estudiadas en sistemas formados por sustancias que se encuentran sistemas homogéneos o en una misma fase, y en los sistemas heterogéneos, formados por dos o más fases. Cuantitativamente la marcha de estos procesos está regida por las dos leyes de Fick. La primera se refiere a la cantidad de propiedad: materia, calor y energía mecánica, que se difunde a través de una superficie A en el tiempo dt con cambios de concentración en estado estacionario.
La
transferencia de materia viene expresada analíticamente por la ecuación: dn=-DA dt/dx
en la que: dn, es el número de moles de sustancia transportados; D, es el coeficiente de proporcionalidad denominado coeficiente de difusión o difusividad; dt/dx, es el gradiente estacionario de concentración de sustancia,
25
y el signo menos indica que el desplazamiento de las moléculas se realiza desde las zonas de mayor a las de menor concentración. Paralelamente, el transporte de calor viene regido por la ley de Fourier o de conductividad térmica expresada por la ecuación: dq=-kA dq=-kA dt/dx
DOS
V A R en la que: dq, es la cantidad de calor trasferida; k, es el coeficiente de E S E R
S O H C E R proporcionalidad D E que se llama conductividad térmica y dt/dx, es el gradiente estacionario de temperatura. En cuanto a la ecuación de transporte de impulso mecánico viene dado por: dF=-gA—dv/dx
en la que: dF, es la cantidad de movimiento trasferida; g es el coeficiente de proporcionalidad que recibe el nombre de viscosidad cinemática y dv/dx es el gradiente estacionario de velocidad. La segunda ley de Fick permite conocer el perfil de concentraciones de propiedad (c, T, v) a lo largo de la dirección en que se realiza el transporte en función de la distancia al foco que introduce la perturbación x, y del tiempo que dura el proceso, t. Estas expresiones representan la transferencia de propiedad en régimen no estacionario; su integración es difícil pero, normalmente, se encuentra resuelta de forma gráfica o mediante una serie analítica para ciertas condiciones con límites específicos.
26
El transporte de propiedades en sistemas constituidos por dos o más fases, se verifica por migración de algunas de las moléculas de los componentes de cada fase a las otras a través de interfases. El fenómeno progresa hasta que se alcanza el equilibrio termodinámico que se consigue cuando se igualan los potenciales químicos de cada componente en las fases, se homogeneizan las temperaturas y se igualan las presiones.
DOS A V R E OS R ES
EC H UNITARIAS 2.2.6. OPERACIONES UNITARIA S E R D
Las operaciones unitarias se definen como todas y cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuación y/o transformación de las materias implicadas en un proceso químico (Treybal, 1980).
Estas
operaciones unitarias tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a los fines que se establezcan. establezc an. Según McCabe (1992), este cambio puede realizarse de tres formas: - Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla, reacción química).
- Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento, vaporización, aumento de presión).
- Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su dirección).
De acuerdo con McCabe,
estos tres cambios mencionados
anteriormente son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede
27
experimentar (McCbe, 2002).
Se puede decir, que un cuerpo está
absolutamente definido cuando están especificados la cantidad de materia y composición, la energía total (interna, eléctrica, magnética, potencial, cinética) y los componentes de velocidad que actúan. Este hecho experimental tiene su expresión matemática en tres leyes de conservación:
H
DOS A V R E OS R ES
EC de la materia. - D ley E de R conservación
- ley de conservación de la energía. - ley de conservación de la cantidad de movimiento. Las operaciones unitarias se clasifican de acuerdo con la propiedad (materia, energía, cantidad de movimiento) que se transfiera en la operación y que sea la más relevante en la misma. Las operaciones unitarias se pueden clasificar como físicas o con reacción química.
2.2.7. T ORRE EMPACADA
Las torres empacadas utilizadas para el contacto continuo líquido-gas tanto para el flujo en contracorriente como en corriente paralela, son columnas verticales, las cuales se han llenado con empaque o con dispositivos diversos de superficie superficie grande (Treybal, 1980).
Una torre
empacada debe propiciar el arreglo ideal para que la superficie de contacto de los empaques y el tiempo de contacto de las dos fases dentro de la torre, permitan optimizar la separación de los componentes del sistema.
La
28
entrada de la fase líquida es por la parte superior de la torre, y se distribuye sobre el relleno mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja uniformemente la superficie del relleno. El gas, por su parte, entra por la parte inferior y asciende a través de los espacios libres del relleno en contracorriente con el flujo de líquido. Una torre o columna empacada consta principalmente de una carcaza
DOS
V A R o envoltura de la columna, eliminadores de neblina o arrastre, un distribuidor E S E R S O H C E R de líquido, el material de empaque y el soporte del empaque. D E Figura 1 Corte esquemático d e una torre empacada.
Fuente: Fuente: Perr Perr , 200 2001 1
29
La envoltura de la torre puede estar hecha de acero o de plástico o una combinación de estos materiales, dependiendo de la corrosividad de las corrientes del gas y del líquido y de las condiciones de operación del proceso. Puede utilizarse una aleación que sea resistente a las sustancias químicas y a la temperatura o múltiples capas de materiales diferentes menos caros. A veces, la envoltura está recubierta con una membrana protectora, en ocasiones hecha de un polímero resistente a la corrosión.
DOS
V A R Para absorción que incluye gases ácidos, una capa interior de ladrillo E S E R S O H C E R resistente al ácido proporciona D E
resistencia adicional a las sustancias
químicas y a la temperatura (Charles, 1988). A altas velocidades del gas, el gas que sale por la tapa de la columna puede acarrear pequeñas gotas de líquido como rocío. Para prevenir esto, puede instalarse en la tapa de la columna un eliminador de rocío en forma de hojas corrugadas o de una capa de malla, para recolectar las gotitas de líquido, las cuales coalescen y caen de nuevo en la columna. Un distribuidor de líquido está diseñado para mojar el lecho de empaque uniformemente e iniciar un contacto uniforme entre el líquido y el vapor. El distribuidor de líquido debe esparcir el líquido uniformemente, resistir taponamiento y ensuciamiento, proporcionar espacio libre para el flujo de gas y permitir flexibilidad de operación (Harrison, pp 121-128). Las torres grandes frecuentemente tienen un redistribuidor de líquido para recolectar el líquido de la pared de la columna y dirigirlo hacia el centro de la columna para redistribuirlo y mejorar el contacto en la sección más baja del empaque (Treybal, 1980). Generalmente se requieren redistribuidores de líquido por cada 8 a 20 pies de profundidad de empaque al azar.
30
El diámetro de una torre de absorción de relleno depende las cantidades de gas y líquido tratados, de sus propiedades y de la relación entre ambas corrientes. La altura de la torre, y por tanto el volumen total de empaque, depende de las variaciones de concentración, las cuales se desean conseguir, y la velocidad de transferencia de materia por unidad de volumen de empaque. Para calcular la altura de la torre se toman en cuenta los balances de materia, balances de entalpía y en la estimación de la fuerza
DOS
V A (Treybal, 2002). R impulsora y los coeficientes de transferencia de materia. E S E R OS H C E R D E 2.2.7.1.
Empaque
El empaque es el corazón del desempeño de este tipo de torres. Su selección apropiada está vinculada al entendimiento de las características operacionales del empaque y el efecto de los puntos de diferencias físicas relevantes entre los diversos tipos de empaques. Según Treybal (2002), el empaque de la torre debe ofrecer las siguientes características: 1. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el
gas. La superficie del empaque por unidad de volumen de lecho empacado ap debe ser grande, pero no en el sentido microscópico. Los pedazos de coque, por ejemplo, tienen una superficie grande debido a su estructura porosa, pero la mayor parte de la superficie estará cubierta por la película de líquido escurriendo. De todas maneras, la superficie específica del empaque es casi siempre más grande comparada con la superficie interfacial líquido-gas.
31
2. Poseer las características deseables del flujo de fluidos. Esto
generalmente viene dado por el volumen fraccionario vacío, o fracción de espacio vacío, la cual en el lecho empacado debe ser grande. El empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas secciones transversales de la torre, sin inundación; además debe ser muy baja la caída de presión del gas. Debe ser principalmente, el resultado de la fricción pelicular.
DOS A V R E OS R ES
EC H inerte con respecto a los fluidos procesados. Ser R químicamente 3. E D 4. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la
instalación. 5. Tener bajo precio.
Los empaques utilizados generalmente en torres son hechos de materiales resistentes a la corrosión, tales como plástico, cerámica, vidrio, entre otros; y preferiblemente de bajo costo. Los empaques pueden ser aleatorios o regulares.
2.2.7.1.1. Empaques aleatorios
Los empaques al azar son aquellos que no tienen un ordenamiento dentro de la torre.
Al momento de la construcción de la misma, los
empaques se arrojan y se dejan caer en forma aleatoria en su interior. De los tipos más comunes se encuentran los anillos Raschig, los cuales son cilindros huecos. Estos pueden fabricarse de porcelana industrial; lo que resulta útil para poner en contacto la mayoría de los líquidos con excepción
32
de los álcalis y el ácido fluorhídrico; los fabricados con carbón, son útiles en casi todos los servicios, excepto en atmósferas altamente oxidantes; también se fabrican de metales o plásticos. Los plásticos deben escogerse con especial cuidado, por su tendencia a deteriorarse rápidamente y con temperaturas ligeramente elevadas, con ciertos solventes orgánicos y con gases en cuya composición se encuentra el oxígeno (Treybal, 214.)
DOS
V A R Los empaques de delgadas hojas de metal y de plástico, ofrecen la E S E R
S O H C E R ventaja D de Eser ligeros; al fijar
los límites de carga, las partículas del
empacado se colocan en la columna totalmente al azar. Los anillos Lessing y otros tipos con particiones internas, se utilizan con menos frecuencia. Los empaques con forma de silla de montar, los tipo Berl e Intalox se fabrican de porcelanas químicas o plásticos. Los anillos Pall, también conocidos como Flexirings, anillos de cascada y, como variación los Hy-Pak, se pueden obtener de metal y de plásticos. Los empaques tipo Teller o Tellerettes y algunas de sus modificaciones, se pueden encontrar en forma de serpentines circulares y en plásticos. Generalmente, los tamaños más pequeños de empaques al azar ofrecen superficies específicas mayores (y mayores caídas de presión), pero los tamaños mayores cuestan menos por unidad de volumen. Durante la instalación, los empaques se vierten en la torre de forma aleatoria, con el fin de prevenir la ruptura de empaques de cerámica o carbón; la torre puede llenarse inicialmente con agua para reducir la velocidad de caída.
33
Figura 2 Empaques aleatorios
H D E R EC
DOS A V R E OS R ES
a) Anillo Raschig
e) Silla de montar Intalox
b) Anillos de Lessing
f) Teller ó Tellerettes
c) Anillo con partición interna
g) Anillos Pall
d) Silla de montar Berl Fuente: Treybal 2002
2.2.7.1.2. Empaqu es regu lares
Hay una gran cantidad de estos empaques. Los platos de contracorriente, son una forma de empaque regular, al igual como ciertos
34
arreglos de otros empaques. Los empaques regulares ofrecen las ventajas de una menor caída de presión para el gas y un flujo mayor, generalmente a expensas de una instalación más costosa, la cual no es necesaria para los empaques aleatorios. Los anillos apilados Raschig son económicos sólo en tamaños muy grandes. Hay varias modificaciones de los empaques metálicos expandidos.
DOS
Afrecuencia cuando se V R Las rejillas o “vallas” de madera se utilizan con E S E R
S O H C E R requieren volúmenes de vacíos grandes, como en los gases cuando llevan D E consigo el alquitrán de los hornos de coque, o los líquidos conteniendo
partículas sólidas en suspensión. La malla de lana de alambre tejida o de otro tipo, enrollada en un cilindro como si fuese tela (NeoKloss), u otros arreglos de gasa metálica (Koch-Sulzer, Hyperfill y Goodloe) proporcionan una superficie interfasial grande de líquido y gas en contacto y una caída de presión muy pequeña; son especialmente útiles en la destilación al vacío. Los mezcladores estáticos se diseñaron originalmente como mezcladores en línea, para mezclar dos fluidos mediante flujo cruzado. Hay varios diseños, pero en general constan de dispositivos en forma de rejas para huevos; los dispositivos se instalan en un tubo; causan una multitud de roturas de fluidos los cuales fluyen en corriente paralela en corrientes izquierdas y derechas; cada corriente se rompe en otras más pequeñas. Se ha demostrado la utilidad de estos dispositivos para el contacto entre gaslíquido a contracorriente, poseen buenas características de transferencia de masa a caídas bajas de presión del gas.
35
Figura 3 Empaques regulares.
H D E R EC
DOS A V R E OS R ES
a) Anillo Raschig hacinados
c) Neokloss (malla entretejida de alambre)
b) Anillos de espiral doble
d) Vallas
Fuente: Treybal 2002
2.2.8. Glosario de término s
•
Ab so rb ent e: Aquel compuesto el cual produce la absorción. Elemento el
cual realiza la función de absorber. •
Ab so rc ió n: Penetración, más o menos uniforme de las moléculas de una
sustancia, a través de las moléculas de otra.
36
•
Bomba: Máquina o equipo utilizado para elevar agua u otros líquidos o
para poner en movimiento diversos fluidos. Suele estar compuesta por un cilindro, dentro del cual corre un émbolo, y tubos con válvulas. •
Caudal: Unidad de medición utilizada para medir cuanto flujo esta
pasando por un determinado lugar en un espacio de tiempo determinado.
S
O internacional Las unidades utilizadas para medir el E caudal en A el D sistema R V ES R S O H C por segundos (m 3/s). R Ecúbicos E (SI) D son metros •
Contracorriente: Puesta en contacto de dos corrientes las cuales tienen
direcciones opuestas. •
Desorción: Fenómeno inverso a la absorción.
•
Empaque: Sección de un equipo en la cual se produce el intercambio de
materia. Su función es aumentar el área de transferencia entre los fluidos involucrados en el proceso. •
Equilibrio: (Del latín aequilibrium. ) Un sistema se considera en equilibrio
cuando sus propiedades intensivas permanecen constantes con el tiempo, bajo las condiciones en las cuales existe el sistema. •
Fluido: Sustancia la cual se deforma continuamente en presencia de un
esfuerzo de corte. •
Flujo: Movimiento de las sustancias fluidas.
•
Gas: Cualquier fluido sin forma ni volumen estables, cuyas moléculas
tienden a separarse, ocupando todo el espacio disponible. Es uno de los tres estados en los cuales se presenta la materia.
37
•
Líquido: Estado de la materia en el cual son equilibradas las fuerzas de
atracción y las de repulsión moleculares, por lo cual carece de forma propia y adopta la del recipiente en el cual está contenido. •
Peso Molecular: Suma de los pesos atómicos de los átomos
componentes de una molécula más compleja. •
S
DO por A unidad de superficie. La Presión: Fuerza la cual actúa normalmente E R V ES R S O H R EC empleada para medir unidad usualmente D E
la presión es la atmósfera
(atm.). Ésta equivale a 760 mm de Hg o a 101.325 kPa. •
Proceso: Conjunto de recursos y actividades relacionadas entre si las
cuales transforman elementos de entrada en elementos de salida. •
Sistema: Conjunto de cosas o elementos ordenados y relacionadas entre
sí y los cuales concurren a un mismo fin o constituyen en cierto modo una unidad. •
Temperatura: Estado de los cuerpos percibido por el sentido del tacto,
gracias al cual observamos que están más o menos calientes o fríos. En realidad no existe un concepto dado de la temperatura, sólo existe una desigualdad de calor hasta igualar la temperatura .
CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO
S
O serán los Dcuáles En este capítulo se explica de formaS simple y A clara, E R V S R E
métodos E y R procedimientos EC HO de investigación que servirán para llevar a
D
cabo el objetivo especificado. Se estructurará de la siguiente manera: Tipo de investigación, diseño de la investigación, unidad de análisis, técnicas para la recolección de información y fases de la metodología.
3.1.
TIPO DE INVESTIGACIÓN
Hurtado (2000, pg 77), en su libro El Proyecto de la Investigación, la define como aquella que “ tiene como objetivo la descripci ón precisa del objeto de estudio. Este tipo de investigación se asocia con el diagnóstico.”
Esta investigación se caracteriza por ser descriptiva ya que permitirá indagar, registrar y definir los parámetros que regirán el diseño y construcción de la torre empacada para la separación liquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire para el laboratorio de operaciones unitarias II de la Universidad Rafael Urdaneta. En este caso se trabajarán con varios elementos que nos permitirán detallar los elementos que configurarán el diseño y posterior construcción de este sistema con una interrelación entre los mismos,
40
necesarios para cumplir con los fundamentos teóricos para su adecuado funcionamiento.
3.2.
DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
Según Hurtado (pag 103) “El diseño de la investigación hace explícitos los aspectos operativos de la misma. Se refiere a dónde y
S
cuando se recopila la información, S así como a D la O amplitud de la V A E R
S R E
información recopilada.” Es el plan o estrategia que se desarrolla para EC HO E R
D
obtener la información que se requiere en la investigación.
Respecto a esto, el diseño es de tipo transeccional descriptiva, ya que tiene como objetivo indagar la incidencia y los valores en que se manifiestan una o más variables. (Sampieri, pg 273. 2003). El diseño de la
investigación del presente trabajo especial de grado consiste en medir o ubicar el grupo de fenómenos en una variable y proporcionar su descripción, en este caso los rangos de operación de la torre empacada para la separación liquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire.
3.3.
UNIDAD DE ANÁLISIS
La unidad de análisis del presente estudio contempló las instalaciones de la Universidad Rafael Urdaneta,
específicamente la
escuela de Ingeniería química. La construcción de esta torre será realizada en el área de laboratorios de la cátedra de operaciones unitarias adscrita a la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad Rafael Urdaneta.
41
3.4. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
Son los recursos utilizados para facilitar la recolección y el análisis de los hechos observados, es decir, los procedimientos y los métodos mediante los cuales se van a estudiar los datos obtenidos por medio de experimentos, análisis de documentos, encuestas, entre otros. Las técnicas y herramientas de recolección de datos a emplear se
S
listan a continuación, los cuales son: la S observación y losO procedimientos E R V A D
S R E
O experimentales. E R EC H D
3.4.1. La Observación
La observación, es un registro sistemático del comportamiento manifestado por un fenómeno determinado (Balestrini, Pág. 206). La observación a realizar es directa y participativa: Los fenómenos son documentados sin intervenir y luego se manipulan por medio de determinadas técnicas experimentales. Estas se llevaron a cabo a través de los ensayos con el fin de obtener los valores requeridos para el análisis de los resultados de los experimentos. Los parámetros de medición fueron los siguientes:
•
Concentración de C2H5OH y agua del líquido de entrada.
•
Índice de refracción de las concentraciones patrón.
•
Presión de descarga del compresor.
•
Índice de refracción del líquido de salida.
42
•
Concentración final de C2H5OH en el líquido de salida. Estas mediciones se realizaron a fin de obtener los datos para la
evaluación y comprobación de la operación de la torre. Los valores de los parámetros se asentaron en tablas y graficaron para su posterior análisis, el cual constituye uno de los pasos más importantes dentro del proceso de investigación.
S O D A V E R S E R S HO C Los datos recolectados serán evaluados utilizando para E R E D
ello
gráficos de línea apilada con marcadores en cada valor de datos ilustrativos.
3.4.2. Revisión Docum ental.
Se realizó revisión bibliográfica
de fuentes primarias y
secundarias, así como también revisión de sitios de Internet. documentación primaria
La
es aquella que “contiene información no
abreviada y en su forma original. Son todos los conocimientos científicos o hechos e ideas estudiados bajo nuevos aspectos” (Bavaresco, pg 41,
1997), y conformó la revisión de enciclopedias, diccionarios, manuales, monografías científicas y libros de texto referentes al tema en estudio. Las fuentes de información secundaria o indirecta, “ contienen información abreviada. Sólo sirven como simple ayuda al investigador, preferentemente para suministrar información sobre conocimientos primarios”. (Bavaresco, pg 41. 1997). Contempló la lectura de periódicos,
boletines, artículos, revistas y fichas. También llamadas fuentes de información terciaria incluyeron los motores de búsqueda, paginas Web
y cuartos virtuales de Internet
43
actualizadas, que hicieron referencia o que incluyeron información relevante al tema de estudio.
3.5.
FASES DE LA INVESTIGACIÓN Tabla 3 FASES DEL OBJETIVO 1
S O D A V E R S E R S HO OBJETIVO 1 C E R E D
Establecer la configuración del diseño de la torre empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta. FASE I
METODOLOGÍA •
Revisar de bibliografía relacionada con la construcción de torres empacadas.
Definir las bases y criterios de diseño. •
Determinar del área disponible en el laboratorio para realizar el diseño de la torre.
FASE II
METODOLOGÍA •
Elaboración del diagrama de flujo del proceso y diagrama de tuberías.
•
Elaborar el diseño del sistema de la torre
Elaboración de la hoja de datos de los equipos y sus características.
Establecer
•
las
de
equilibrio y solubilidad. •
Determinación características raschig.
Fuente: Elaboración propia
relaciones de de
los
las anillos
44
Tabla 4 FASES DEL OBJETIVO 2 OBJETIVO 2 Construir la torre empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta. FASE I
METODOLOGÍA •
Determinar el material a utilizar para el cuerpo de la torre.
S O D A V E R S E R S Elaborar los anillos raschig. HO C E R E D
Confeccionar el cuerpo de la torre
•
Ensamblar la torre
•
FASE II
METODOLOGÍA
Conectar los equipos y tuberías.
•
Revisión del diagrama de flujo.
•
Revisión del diagrama de tuberías.
•
Tomar mediciones de longitud y diámetro para las conexiones de tuberías y mangueras.
Fuente: Elaboración propia
Tabla 5 FASES DEL OBJETIVO 3 OBJETIVO 3 Comprobar el funcionamiento de la torre empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta. FASE I Construir la curva de calibración
METODOLOGIA •
Revisión documental.
•
Preparación
de
las
concentraciones patron. FASE II
METODOLOGÍA •
Pruebas
de
contacto
con
concentración inicial a diferentes presiones de salida de aire.
Realizar los ensayos de separación •
Calcular la concentración final de C2H5OH mediante los índices de refracción.
Fuente: Elaboración propia
45
Tabla 6 FASES OBJETIVO 4 OBJETIVO 4 Diseñar una práctica experimental para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta FASE I
METODOLOGIA •
Desarrollo de la práctica.
Revisión documental. Esquematización de la práctica.
S O D A V E R S E R S Fuente: Elaboración propia HO C E R E D •
•
Descripción del proceso.
CAPÍTULO IV ANALISIS DE RESULTADOS
4.1.
S O D A V E R S E R S HO C E R E D ÁREA DISPONIBLE
El área disponible en el laboratorio de operaciones unitarias de la
universidad para la ubicación de la torre es de aproximadamente 1.5m x 1.5m y altura máxima de 2.70m, quedando situada en la parte lateral derecha del laboratorio.
4.2.
DIMENSIONAMIENTO DE LA TORRE La altura de la torre es 2.15m sin montar y la elevación de la base
de apoyo de la torre es de 50cm, de esta manera la altura instalada de la torre es de 2.65m, dejando el espacio necesario para los gases de salida. El diámetro de la columna es de 3 ½ ” y fue construida en material PYREX con presión de diseño de 690 Kpag y temperatura de diseño de 500 ºC. (ver anexo 4). La torre esta compuesta por la columna central, un tope superior con salida para el aire y una entrada de la alimentación del líquido; un tope inferior con salida para el líquido y una entrada de la alimentación de aire, unidas entre sí en las bridas de vidrio soldadas en las terminaciones de cada pieza de la torre. Las dimensiones de cada sección se muestran a continuación:
47
Tabla 7 MEDIDA DE LAS SECCIONES DE LA TORRE Sección
Diámetro (cm)
Longitud (cm)
Área (cm 2)
Volumen (cm 3)
Tope
8.89 (3 ½”)
60
5709.89
3724.29
Central
8.89 (3 ½)
60
5709.89
3724.29
Fondo
8.89 (3 ½)
80
5709.89
4965.73
Fuente: Elaboración propia, 2007
S O D A V E R S E R S HO Figura 4 C E R E D DIMENSIONES DE LA TORRE.
Fuente: Elaboración propia, 2007 .
El tanque primario se utilizó para la carga de la alimentación a la torre de la solución inicial. La capacidad de almacenamiento efectivo del tanque es de aproximadamente 70lts (70.1667Lts) de tal forma que se pueda mantener circulando líquido suficiente durante el desarrollo del
48
experimento.
El diámetro del container es de 19cm y la altura total de
70cm. El mismo quedó instalado en la parte superior de la base de tal manera que la salida de descarga del tanque esté ubicada por encima de la succión de la bomba. El volumen de trabajo es el volumen efectivo, ya que la “bota” del tanque se considera como un error constante en las mediciones. En la siguiente tabla, se presentan las medidas del tanque primario.
S O D A V E R S E R S HO Tabla 8 C E R E D MEDIDAS DEL TANQUE PRIMARIO
Sección
Altura (cm)
Diámetro (cm)
Área (cm 2)
Volumen (cm 3)
Tope (St)
4.3
38
2780.156
4874.22
Efectivo (Se)
61.9
38
9652.98
70166.12
Fondo (Sb)
3.8
38
2720.49
4307.45
Total
70
-
15153.62
79347.79
Fuente: Elaboración propia, 2007
La calibración del tanque para el nivel de vidrio (LG), se calculó tomando en cuenta la capacidad de almacenamiento de la sección efectiva (Se). De esta manera se pudo observar la cantidad de solución presente en el tanque a razón de 1.13Lts por cada centímetro de altura. Sin embargo, tomando en cuenta la apreciación inicial de 70 litros en la sección efectiva, la cubicación del tanque se estimó en 1 lt/cm. La hoja de especificaciones del tanque se puede observar en el anexo 5. A continuación se muestra el dimensionamiento del tanque primario:
49
Figura 5 DIMENSIONES DEL TANQUE PRIMARIO
S O D A V E R S E R S HO C E R E D
Fuente: Elaboración propia, 2007
El tanque secundario se diseñó para la recolección del líquido de salida de la torre y tiene una capacidad máxima de 35 lts. Este tanque esta ubicado en la parte inferior de la base de la torre de manera tal que el fluido de salida pueda ser almacenado por gravedad. especificaciones del tanque se encuentran en el anexo 6. Tabla 9 MEDIDAS DEL TANQUE SECUNDARIO Longitud (cm)
Altura (cm)
Ancho (cm)
Área (cm 2)
Volumen (cm 3)
55
15
35
795
34.650
Fuente: Elaboración propia, 2007
Figura DIMENSIONES DEL TANQUE SECUNDARIO 35 cm
53 cm
15 cm
Fuente: Elaboración propia, 2007
Las
50
Uno de los aspectos claves en el diseño, es el material de relleno, en este caso los anillos raschig, ya que proporcionan el contacto eficaz entre las fases sin producir excesiva perdida carga. La sección central de la torre, fue llenada con 435 anillos raschig elaborados en pvc. Los datos de los anillos raschig se presentan a continuación:
S
Tabla S 11 E R V A DO
S R E
C HODE LOS ANILLOS RASCHIG E R EDATOS
D Diámetro (plg) ½
Altura (cm) 2
Área interior (cm 2) 2.65
Área Factor de 2 circular(cm ) corrección 2.13 0.17
Cantidad 435
Fuente: Elaboración propia, 2007
Estos parámetros son de vital importancia para el calculo de área total de transferencia de la torre, calculada en
4.3.
0.9718cm
−
1
NOMENCLATURA Para los estudios posteriores en la torre, se decidió unificar en la
siguiente tabla, la nomenclatura de las variables utilizadas en el proyecto: Tabla 10 NOMENCLATURA VARIABLE
NOMENCLATRURA
UNIDADES
Alimentación de liquido
L
Kg/s
Alimentación de aire
G
Kg/s
Velocidad molar de liquido alimentado
L’
Kmol/seg
51
Velocidad molar de gas alimentado
G’
Kmol/seg
Concentración inicial de C2H5OH (v/v)
CO
m3/m3
Concentración final de C2H5OH (v/v)
CF
m3/m3
Caudal de aire de entrada
Q A
L/min
Presión
P
Pascal
Temperatura
T
ºC
Tiempo
t
min
Longitud
L
m
Volumen
V
m3
Diámetro
d
Scm O D A V EA R S E Área de transferencia cm R S O H C R E Índice D de E refracción adimensional η t
-1
20º d
Eficiencia
η
adimensional
Longitud
L
M
Masa
M
Kg
Fuente: Elaboración propia, 2007
4.4. INSTALACIÓN En el interior de la torre, se instalaron en la parte superior, un distribuidor y un redistribuidor de líquido, con la finalidad de rociar el líquido uniformemente a través de los anillos, evitando problemas de canalización y evitando que el líquido emigrase hacia las paredes de la columna. De la misma manera se agregó un distribuidor de aire en el fondo de la columna para permitir una mejor distribución del aire de entrada (ver anexo 7). Se colocó un soporte de empaque en la parte inferior de la torre para evitar que los anillos raschig pasen a la salida del líquido o entren en contacto con el distribuidor de aire (ver anexo 8) La torre se instaló sobre una plataforma de hierro de 1m 2, suspendida sobre un cono recubierto con goma espuma para evitar el
52
roce del vidrio con el material. Para sostenerla en forma vertical, se levantó una tubería desde la base de la plataforma de 1.5m de altura, con separación de 5cm de la torre y se unieron con una abrazadera de pvc. La tubería a su vez, funcionó para mantener erguida la manguera de alimentación de líquido a la columna. El tanque primario, se instaló sobre la plataforma a fin de mantener la salida del tanque por encima de la succión de la bomba. El tanque
S
O suspendido secundario, se colocó por debajo deS la E salida de D la torre, R V A S R E
HOconectada a la parte inferior de la plataforma. sobre una base EdeChierro E R D
De igual manera, la salida del tanque secundario esta por encima de la succión de la bomba. Las características de la bomba se encuentran los anexos 9 y 10. La conexión de las tuberías se hizo con tuberías de ½” y se distribuyo de tal manera que pudiera realizar tres actividades con la misma bomba: la alimentación a la torre, recuperación de la salida de líquido desde el tanque secundario hacia el tanque primario y el vacío o limpieza de ambos tanques sin contaminar la torre.
El diagrama de
tuberías se encuentra en el anexo 11. Para regular el paso de líquido se dispuso de válvulas de bola y mariposa a la entrada de la bomba y en la descarga de la bomba según la red de distribución. Los caudales de aire y líquido alimentado a la torre se regularon con rotámetros colocados a la salida del compresor y en la descarga de líquido hacia la torre. La red de conexiones se elaboró con tuberías de ½” y se pintó de acuerdo a la normativa de colocares para tuberías con carga de etanol. Las siguientes partes se mencionan a continuación.
53
Tabla 12 TUBERIAS Y ACCESORIOS Descripción
Cantidad
Tubería galvanizada ½”
4m
Codo galvanizado 90º
5
Codo galvanizado 45º
1
Unión Universal ½”
2
válvula de bola
6
S 1 A O D V E R S E R S Abrazaderas ½ 4 O H C E R D E válvula de mariposa
Manguera de silicona 1”
1.5m
Manguera de silicona ½”
1m
Fuente: Elaboración propia, 2007
Una vista isométrica de los equipos y tanques instalados, se puede ver en el anexo 12. Los equipos que conforman el sistema conectado a la torre empacada, se presentan continuación:
Tabla 13 LISTA DE EQUIPOS EQUIPO
Bomba Compresor
NOMBRE
Bomba centrifuga Compresor de aire
FUNCIÓN
Succión y descarga de líquido Descarga de aire
Fuente: Elaboración propia, 2007
4.5.
COMPROBACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LA TORRE Para comprobar el funcionamiento de la torre y determinar el rango
optimo de operación, se determinó primeramente la velocidad de entrada
54
de líquido para prevenir la inundación en la torre.
La velocidad de
alimentación de líquido a la torre, se escogió lo suficientemente distanciada de la velocidad de inundación para garantizar una operación segura. La velocidad de inundación quedó fijada en 6lts/min. La presión máxima permitida para la entrada de aire fue de 2 kg/cm2 a fin de evitar que la manguera de alimentación se reviente o afecte el distribuidor de aire en la columna. Tomando en cuenta este
S
DlaO factor se fijo el caudal constante de aireS a E la R entrada torre. V Ade R E S O H C D E R E
Las concentraciones se prepararon en el tanque primario, iniciando
con 10% etanol – 90% agua, con un volumen total de 20 litros. Se procedió de la misma manera para cada cambio de concentración. Cada muestra se corrió por la torre para su posterior análisis en el refractómetro. Se construyó una curva de calibración en un Refractómetro, con diferentes concentraciones iniciales de alcohol etílico-agua.
Estas
soluciones, se prepararon en balones aforados de 250mL, midiendo en proporciones peso/peso etanol-agua y se obtuvieron los índices de refracción para cada punto. En la siguiente tabla se encuentran los datos obtenidos: Tabla 14 ÍNDICE DE REFRACCIÓN Co
Fuente: Elaboración propia, 2007
% C2H5OH
% H2O
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
1,3375 1,3430 1,3485 1,3535 1,3580 1,3612 1,3630 1,3640 1,3648 1,3648
55
Estos datos corresponden a las concentraciones patrón que se utilizaran para conocer las concentraciones a la salida de la torre. Grafico 1 CURVA DE CALIBRACIÓN
1,3700
S O D A V E R S E R S HO C E R E D 1,3600
n ó i c c a r f e r e d e c i d n Í
1,3500
1,3400
1,3300
1,3200
1,3100 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Concen trac ió n C2H5OH
Fuente: Elaboración propia, 2007.
Se trata de una curva de referencia construida con cantidades conocidas de etanol en agua en diferentes concentraciones, la cual se utilizó para determinar la cantidad de esta sustancia presente en la salida de la columna. La curva refleja el porcentaje de etanol en el agua midiendo el ángulo de refracción de una luz intensa que atraviesa la muestra sobre una superficie limpia en un refractómetro.
.
Los ensayos de separación tardaron en recorrer la torre y llegar al tanque secundario, un tiempo aproximado de 3,5 minutos por cada 20lts alimentados.
La toma de muestra se realizó a la salida del tanque
secundario 3 veces para asegurar una toma correcta, hasta que el índice de refracción se hiciera constante. De esta manera, pudimos determinar la concentración de etanol en el líquido a la salida de la torre midiéndola en la curva de calibración.
56
Para realizar los ensayos, primero se realizó la dilución de la muestra agregando la cantidad de volumen de agua necesaria para obtener las concentraciones deseadas. Luego se procedió a verificar esa concentración con los índices de refracción y la curva de calibración. Se realizó el corrido con cada concentración, tomando la muestra en la salida del tanque secundario por triplicado para reducir el margen de error. Cada corrido se repitió dos veces con la mima concentración. Los
S O D A V E R S E R S HO C E R E D
resultados fueron los siguientes:
Tabla 15
PORCENTAJE DE RECUPERACIÓN DE ETANOL Co % C2H5OH 10 1,3365 20 1,3430 30 1,3485 40 1,3535 50 1,3580 60 1,3612 90 1,3640 Fuente: Elaboración propia, 2007
Cf % Desorbido % C2H5OH de C2H5OH 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 59 1,66 80 11,11
Grafico 2 CURVA DE DESORCIÓN 12
O10 D I B 8 R O 6 S E 4 D % 2 0 0
10
20
30
40
50
60
70
CONCENTRACION INICIAL
Fuente: Elaboración propia, 2007
80
90
100
57
En esta gráfica se puede observar claramente que los porcentajes de desorción apreciables se consiguen cuando las concentraciones iniciales de etanol están por encima del 60%. A medida que la solución disminuye su concentración de etanol, la separación se hace cero, debido a que las presiones parciales del alcohol y del agua se mantienen en igualdad constante. En estas concentraciones de etanol en agua, la torre empacada no tiene incidencia significativa por lo que no se puede separar bajo estas condiciones de operación. Para verificar estos datos y
S
Oconcentración Dde comprobar la que existe desorción porS encima de A 60% E R V S R E
O sucesión de pruebas con concentraciones C Huna de etanol, se E corrió E R D
iniciales de 70,80 y 90% etanol, midiendo los valores de concentración a la salida del tanque secundario y retroalimentando hacia el tanque primario, para nuevamente hacer pasar la solución por la torre y verificar los valores obtenidos. Tabla 16 CONCENTRACIONES > 60% ENSAYO
Co C2H5OH
1
90
1.3640
80
11,1
2
80
1.3640
80
0
80
1.3640
80
0
80
1.3640
80
0
70
1.3630
70
0
70
1.3630
70
0
70
1,3630
70
0
3
Fuente: Elaboración propia, 2007
C2H5OH
% DESORCIÓN
58
Grafica 3 DESORCION A Co>60% ETANOL 12 10 O D I 8 B R O 6 S E D 4 % 2
S O D A V E R S E R S HO C E R E D 0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CONCENTRACIÓN INCIAL ETANOL
Fuente: Elaboración propia, 2007
En la gráfica claramente se puede concluir que una solución etanolagua en proporción mayor a 60/60 sigue presentando el mismo comportamiento lineal de no separación, lo que significa que el sistema diseñado no funciona para este rango de concentraciones, por lo que se necesitan hacer variaciones en el diseño y configuración para separar la solución. Para definir el rango óptimo de operación basado en la concentración inicial de etanol, se realizaron ensayos de separación con variaciones de 5 % en el punto de separación obtenido. recolectados fueron los siguientes: Tabla 17 RANGO DE OPERACIÓN Co
ηd20ºsalida
% C2H5OH 95 1.3640 Fuente: Elaboración propia, 2007
Cf
% Desorbido
% C2H5OH 80
de C2H5OH 15,78
Los datos
59
Grafica 4 RANGO DE OPERACIÓN 18 16 14 O D I 12 B R10 O S 8 E D 6 % 4
S O D A V E R S E R S HO C E R E D 2 0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CONCENTRACIÓN INCIAL ETANOL
Fuente: Elaboración propia, 2007
De esta manera pudimos determinar que la torre desorbe cuando se opera con concentraciones de etanol mayores a 80% y menores a 95%. Para operar la torre con concentración 100%, de deben tomar medidas de seguridad, y teóricamente en ese punto la eficiencia puede ser despreciable.
4.6. DISEÑO DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO Para el diseño experimental de la práctica de laboratorio es necesario hacer referencia a la guía de Laboratorio de Operaciones Unitarias establecida por la escuela de ingeniería química la cual rige el formato de entrega de los informes de las practicas realizadas y define cada uno de los puntos necesarios Esta práctica consiste en una separación gas-líquido, proceso durante el cual un componente soluble de una mezcla líquida se disuelve en un gas que atraviesa la fase líquida.
En la práctica experimental, la
60
fase líquida consiste de alcohol etílico disuelto en agua, mientras que la fase gaseosa es aire. La práctica se inicia midiendo el flujo volumétrico de alcohol etílico que se hace pasar a través de la torre empacada. La fase líquida ingresa por la parte superior de la torre, mientras que la fase gaseosa lo hace por la parte inferior. Cuando la fase líquida alcanza la parte inferior de la torre, se toma una muestra de la misma para determinar los índices de refracción presentes en el flujo de estudio.
S
DO A El informe de la práctica de laboratorio se regirá por la guía de la V R E S S R E
cátedra E de R laboratorio deO Operaciones Unitarias II para la elaboración de EC H
D
reportes de laboratorio (ver anexo 13). La información necesaria para la realización de la práctica se presenta a continuación:
4.6. 1. OBJETIVO GENERAL Evaluar el funcionamiento de una torre empacada en la separación de un sistema de alcohol etílico, agua y aire. 4.6.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS. 4.6.2.1. Reforzar los conocimientos teóricos presentados en la cátedra de Operaciones Unitarias II con las realidades del trabajo experimental. 4.6.2.2. Observar los principios de separación de mezclas binarias en fase gas-líquido. 4.6.2.3. Familiarizar del estudiante con torres empacadas en las que existe contacto entre las fases líquida-gas, el uso y manejo de este equipo para proyectos relacionados con operaciones unitarias.
61
4.6.3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO 4.6.3.1. Torre empacada de vidrio pyrex equipada con: (a) tanque para almacenamiento de salida y (b) tanque para almacenamiento de la mezcla de entrada. Sus partes estructurales son: columna cilíndrica vertical que contiene un plato de soporte para todo el material de
S
Ola entrada de empaque, dispositivo S de distribución para R V A D E S R E
HO fase líquida para proporcionar la irrigación eficaz del E R ElaC
D
empaque, colocado en la parte superior de la torre,
anillos raschig de un ½ cm de diámetro y 2 cm de altura los cuales conforman el empaque y un dispositivo para proporcionar una redistribución del líquido dentro de la torre y aumentar el área de contacto entre éste y la fase gaseosa. 4.6.3.2. Compresor continúo con rotámetro. 4.6.3.3. Refractómetro para el análisis de la muestra de salida de líquido 4.6.3.4. Bomba centrifuga.
4.6.4. MATERIALES
•
Alcohol etílico grado analítico (93% pureza) disuelto en agua a diferentes concentraciones a temperatura y presión ambiente.
•
Agua en fase líquida. El agua en fase líquida se encuentra a temperatura y presión ambiente.
62
•
Beaker 25 ml para la recolección de la muestra.
4.6.5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. Antes de comenzar la prueba se debe verificar que los empaques de la torre estén completamente secos antes de iniciar la práctica y verificar las conexiones de tuberías y eléctricas.
S O D A V E R S E R S HO C E R E D 4.6.5.1. Drenar el tanque de recolección de líquidos
4.6.5.2. Cerrar la válvula de salida del tanque de recolección de líquido. 4.6.5.3. Preparar la solución de alcohol a desorber. Las concentraciones varían de acuerdo a las pruebas: (a) 90% de alcohol para la primera prueba, (b) 70% de alcohol para la segund a prueba, y (c) 40% de alcohol para la tercera prueba. 4.6.5.4. Luego de la preparación de la solución, tomar una muestra de la solución inicial y medir su índice de refracción. A fin de que la medición sea lo más exacto posible, se debe enfriar la solución hasta 15°C, colocando el recipiente con la muestra en una chaqueta de hielo. 4.6.5.5. Arrancar la bomba centrífuga que alimenta la fase líquida y el compresor que alimenta la fase gaseosa.
63
4.6.5.6. Muestrear a intervalos regulares de u n minuto de duración, 3 veces por cada concentración. 4.6.5.7. Medir la concentración del alcohol con el instrumento ya indicado, siempre con el cuidado de mantener la muestra a 20ºC.
S O D A V E R 4.6.6. DATOS A REPORTAR S E R S HO C E R E D 4.6.6.1. Tabla que muestre las concentraciones iniciales y finales de la fase líquida para cada corrida de cada prueba. 4.6.6.2. Tabla que muestre los valores de los flujos volumétrico s de ambas fases en todas las corridas de las pruebas. 4.6.6.3. Tabla que muestre la razón entre el flujo de la fa se líquida y el flujo de la fase gaseosa en cada prueba. 4.6.6.4. Caída de presión y velocidad de inundación de la torre. 4.6.6.5. Balances de masa de la torre.
64
CONCLUSIONES
1.
El sistema quedó configurado en alcohol etílico grado industrial de 93% pureza y agua, para ser desorbido con aire a temperatura y presión normal.
El flujo de las fases utilizado fue en contracorriente,
siendo aire la fase gaseosa y elemento desorbedor. Se emplearon anillos raschig de ½” de diámetro, de material PVC dispuestos en forma aleatoria.
2.
S O D A V E R S E R S HO C E R E D
El La instalación de los equipos se realizó sobre una base metálica de 1m2 y
se emplearon 435 anillos raschig de relleno.
El equipo
desorbedor, quedó conformado por una columna de vidrio PYREX de 2.0m de altura y diámetro de 3 ½”, un tanque primario para la alimentación a la torre y un tanque secundario para la recolección del líquido de salida de la torre, todos conectados a una bomba centrifuga para distribuir el flujo en tres sentidos: retroalimentación al tanque principal, alimentación a la torre y descarga del tanque. El aire se alimentó a través de un condensador.
3.
La separación del sistema alcohol etílico, agua y aire, se realizó de manera satisfactoria para concentraciones de etanol en agua entre 80% y 95%, tomando en cuenta que la salida de gas era un valor fijo. Las concentraciones menores a 80% mostraron no ser separables en este sistema bajo las condiciones de operación.
4.
La construcción de la torre empacada para separación gas-líquido de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, constituye un valor agregado para el proceso de enseñanza de la cátedra de operaciones unitarias II, siendo un recurso nuevo para la observación de los principios de
65
separación de mezclas binarias y la aplicación práctica de los conceptos de separación en torres empacadas, dando al estudiante la oportunidad de ampliar y reforzar sus conocimientos.
S O D A V E R S E R S HO C E R E D
66
RECOMENDACIONES
•
Utilizar mezclas donde la variación de los puntos de ebullición este en un rango de diferencia entre 10 a 30 ºC, ya que estos inciden en las presiones de vapor.
•
Variar la longitud de los anillos raschig para obtener mayor la eficiencia.
•
•
S O D A V E R S E R S O empaques de diferentes características. Hcon C E Realizar ensayos R E D Aumentar la alimentación de aire a la columna para apreciar su influencia en la separación de la solución.
•
Sí 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.
•
Revisar las MSDS de los compuestos a utilizar antes de realizar cualquier ensayo.
•
Utilizar siempre el equipo de protección personal en el área de trabajo.
•
Realizar un estudio de factibilidad económica de operación de la columna.
67
BIBLIOGRAFÍA 1) Bavaresco, Aura. Técnicas de la Investigación. Editorial: Episteme, 1998 Maracaibo - Venezuela. 2) Hurtado, Jacqueline. El proyecto de la Investigación. (Segunda Edición). Editorial SYPAL. Caracas, 2000. 3) McCABE, Operaciones Básicas de ingeniería Química. Primera Edición. Editorial Reverte. Barcelona 1975
S O D A V E R S E R S HO C E R E D
4) McInnes, R., K. Jameson, and D. Austin, .Scrubbing Toxic Inorganics., Chemical Engineering, September 1990, pp. 116-121. 5) Treybal, Robert E., Operaciones de Transferencia de Masa (Tercera Edición), McGraw-Hill. New York, 1980. 6) Perry, R.H. and C.H. Chilton, Eds., Manual del Ingeniero Químico (Sexta Edición), McGraw-Hill. New York, 1984. 7) Reid, Robert; Sherwood, Thomas. Propiedades de los Gases y Líquidos. (Tercera Edición). Hispano Americana S.A. México. 1988. 8) Romero, M.A. Operaciones de Transferencia de Masa. (2da edición) McGraw-Hill. Ciudad de México. 2001 9) Sherwood, Thomas; Pigford, Robert. Mass Transfer . McGraw Hill. New Cork. 1990 10) Strigle, Ralph F., Random Packings and Packed Towers, Design Applications, Gula Publishing Company, Houston, Texas, 1987. 11) Coker, A.K., .Understanding the Basics of Packed-Column Design., Chemical Engineering Progress, November 1991, pp. 93-99.
Paginas de Internet consu ltadas: 1) Nacional Institute for Standards and Techonology: www.nist.gov 2) Wikepidia Encyclopedia Gateway: www.wikepidia.org
3) www.chemguide.com.uk 4) www.ethanolpro.tripod.com 5) American Institue for Chemical Engineers: www.aiche.org
68
•
Cálculos para la torre
Cálculo del volumen de la sección del tope: r = 4.445 cm h st
=
60 cm
V st
= π ×
V st
= π ×
r 2 × hst
DOS A V R E OS R ES
H E ( 4 E .445 cm ) C (60cm) R D 2
×
=
3724.29cm 3
Cálculo del volumen de la sección central: r = 4.445 cm h sc
=
60 cm
V sc
= π ×
r
V sc
= π ×
( 4.445cm) 2 × (60cm ) = 3724.29cm 3
2
×
hsc
Cálculo del volumen de la sección del fondo: r = 4.445 cm h sf = 80 cm V sf
= π ×
r 2 × hsf
V sf
= π ×
(4.445cm) 2 × (80cm) = 4965.73cm 3
Cálculo del volumen vacío de la torre: r = 4.445 cm
69
hT
=
200 cm
VAR = 2.53 cm N AR = 435 2
V Vacío
= π ×
r
V Vacío
= π ×
( 4.445cm) 2
×
hT
−
V AR ×
×
N AR
DOS A V R E OS R ES
( 200cm ) − ( 2.53cm 3 ) × 435 = 11313.78cm 3
EC H R E D Cálculo del área superficial de la
torre:
r = 4.445 cm hT
=
200 cm
AST
=
2 × π × r 2
AST
=
2 × π × ( 4.445cm) 2
+
2 × π × r × hT +
2 × π × 4.445cm × 200cm
Cálculo del volumen del total de la torre: r = 4.445 cm hT
=
200 cm
V T
= π ×
r
V T
= π ×
( 4.445cm)
2
×
hT 2
×
200cm = 12414.33cm
3
=
5709.89cm 2
70
•
Cálcul os p ara el empaque
Cálculo del volumen del anillo Raschig: h AR
=
r AR
=
2cm 0.635cm
V AR
= π ×
V AR
= π ×
r AR2
×
h AR
DOS A V R E OS R ES
EC( H R 0.635 cm) 2cm) D( E 2
×
=
2.53cm
3
Cálculo para el volumen del empaque: r = 4.445cm 100cm
hemp
=
V emp
= π ×
r 2 × hemp
V emp
= π ×
(4.445cm) 2 × 100cm = 6201.165cm 3
Cálculo para el número de anillos Raschig en el empaque: F corrección
=
0.1775
N AR
=
2450 × F corrección
N AR
=
2450 × 0.1775 = 435anillos
Cálculos para la masa del empaque: N AR
=
435
m AR
=
3.8975gr
P Emp
=
N AR × m AR
71
P Emp
•
=
435 × 3.8975 gr = 1695.44 gr
Cálcu los p ara el tanque
Cálculo del área del tanque: hTanque
=
70cm
EC H 19 E cm R D
r Tanque
=
ATanque
=
2 2 × π × r Tanque
ATanque
=
2 × π × (19cm) 2
+
DOS A V R E OS R ES
2 × π × r Tanque × hTanque +
2 × π × 19cm × 70cm = 10624.86cm 2
Cálculo del volumen de la sección A (sección inferior o bota) del tanque: hsA
=
r Tanque
4.3cm =
19cm
V sA
= π ×
r sA2
V sA
= π ×
(19cm) 2
×
hsA ×
4.3cm
=
4876.69cm 3
Cálculo del volumen de la sección B (sección central o volumen efectivo) del tanque: hsB
=
r Tanque
61.9cm =
19cm 2
V sB
= π ×
r sB
V sB
= π ×
(19cm) 2
×
hsB ×
61.9cm
=
70201.71cm 3
72
Cálculo del volumen de la sección C (sección superior) del tanque: hsC
3.8cm
=
r Tanque
=
19cm
V sC = π × r sC 2 × hsC V sC
= π ×
DOS A V R E OS R ES
(19cm) 2 × 3.8cm = 4309 .63cm 3
EC H R E D Cálculo para el volumen total del tanque: hTanque
=
70cm
19cm
r Tanque
=
V Tanque
= π ×
r Tanque
V Tanque
= π ×
(19cm) 2 × 70cm = 79388.04cm 3
•
2
×
hTanque
Cálcul os p ara el área total d e transferenci a
Cálculo del área externa del anillo Raschig: r EAR
=
1.05cm
h AR
=
2cm
A EAR
=
2 2 × π × r EAR
A EAR
=
2 × π × (1.05cm)
+
2 × π × r EAR × h AR 2
+
2 × π × 1.05cm × 2cm = 6.92cm
2
