Universidad Nacional Experimental

rea de Tecnologa Programa de Ingeniera Qumica

Departamento De Energtica Laboratorio De Operaciones Unitarias III

PRCTICA No. 1:

DETERMINACIN DE LOS PUNTOS DE CARGA E INUNDACIN DE UNA TORRE EMPACADA DE ABSORCIN GASEOSA PARA EL SISTEMA AGUA-AIRE.

1. OBJETIVOS: 1.1 Determinar de manera experimental la prdida de carga en la torre empacada del Laboratorio de Operaciones Unitarias 1.2 Establecer la relacin existente entre las prdidas de carga en la columna y los flujos de gas y lquido a travs de la misma. 1.3 Determinar las cadas de presin en la columna utilizando la ecuacin de Ergun y compararlas con las obtenidas experimentalmente. 1.4 Estimar Las Caractersticas fsicas del empaque que utiliza la unidad de Absorcin

IC131D. 1.5 Identificar el punto de carga e inundacin de la torre de absorcin empacada para el sistema agua aire.

2. REVISIN BIBLIOGRFICA

- Separacin por absorcin La separacin de una mezcla gaseosa se puede obtener de varios modos. Por ejemplo, la separacin de oxigeno respecto al nitrgeno se realiza por destilacin a baja temperatura. Sin embargo, cuando interesa separar slo uno o algunos componentes, es conveniente en cambio recurrir a la absorcin. Con esta operacin el componente o los componentes pasan desde la fase gaseosa hacia la fase lquida, de manera selectiva. Las aplicaciones industriales son numerosas y pueden tener varios objetivos. Por ejemplo, puede interesar separar un componente del gas porque es nocivo, o bien

recuperarlo porque es valioso. En este caso el lquido a emplear se elije en relacin a las caractersticas fsico-qumicas ms conveniente y tambin de acuerdo al criterio econmico. Entonces la absorcin es considerada como un componente de la fase gaseosa en un lquido con referencia a la operacin continua en una columna empacada con material al azar.

- Columna de empaques Una torre o columna empacada es una estructura vertical, normalmente cilndrica en cuyo interior se alojan materiales que la rellenan (Empaques). Este tipo de equipos se usan para proveer un contacto intimo entre las fases que coexisten en un proceso determinado que se sucede a contracorriente; esto proporciona grandes reas de contacto interfacial con el objeto de facilitar el intercambio de masa, calor o ambos simultneamente. Las columnas empacadas son utilizadas en una gran gama de procesos, como destilacin, extraccin, humidificacin (deshumidificacin) y en absorcin gaseosa. La absorcin es una operacin de contacto gas-lquido, donde el lquido cae por gravedad desde el tope de la torre, mojando en forma de pelcula el material que conforma el relleno. El gas, sin embargo, entra por la parte inferior del equipo y sube por los espacios libres entre los empaques. El diseo de torres de absorcin gaseosa es un proceso integral, que se inicia con el diseo del empaque, que requiere de la consideracin de factores mecnicos, la cada de presin, la capacidad de flujo y la inactividad que presenta ante los compuestos del proceso.

- EMPAQUES Para el diseo ptimo o seleccin de un empaque se requiere que el mismo cumpla con las siguientes caractersticas:

Alta capacidad: El relleno debe ser capaz de resistir altas ratas de flujo por prolongados perodos de tiempo, tambin altas cadas de presin en el seno de la columna ya que, las prdidas de carga son funcin de la velocidad de los fluidos.

Inertes: El material del que est constituido el relleno ha de ser completamente inocuo a las sustancias involucradas en la absorcin, con el objeto de evitar la contaminacin de algunos de los componentes y alargar la vida til del proceso.

Ser Econmicos: Los rellenos representan un alto porcentaje en el costo total del equipo, por ello se recomienda que el mismo sea econmico y de fcil adquisicin.

De gran rea: Un empaque debe proporcionar una gran rea de contacto entre las fases involucradas, su superficie deber ser de fcil mojado para el lquido y acceso para el gas, esto por supuesto, facilita la transferencia de masa y le da valor agregado al proceso.

Resistente: Un empaque debe ser resistente a la corrosin y a la abrasin causada por el constante flujo a altas velocidades.

Livianos: Los rellenos en su conjunto deben ser ligeros, porque una torre empacada muy pesada, resulta no factible desde el punto de vista de dimensionamiento de equipos, an cuando el proceso tenga alta eficiencia. Para satisfacer estos requerimientos se han desarrollado distintos tipos de relleno. Se pueden dividir en dos grupos: relleno ordenado (Dispuesto de una forma regular dentro de la columna) y relleno al azar. Los primeros (Rejas, mallas, rellenos ordenados...) tienen una estructura abierta, y se usan para velocidades de gas elevadas donde se necesita una prdida de presin baja (Por ejemplo en las torres de enfriamiento). La interfase gas-lquido es estacionaria y depende fundamentalmente del mojado de la superficie y la capilaridad. Por tanto, es de esperar que

haya buena eficacia an para flujos de lquido bajos. Los rellenos al azar son los ms comunes. Con este tipo de relleno (Al igual que en las columnas de platos), la interfase de gas-lquido se crea por combinacin de los efectos de penetracin de superficie, burbujeo y formacin de niebla. Los rellenos que mayormente se comercializan son los siguientes:

Los anillos Raschig son el tipo de relleno ms antiguo (Datan de 1915) y todava estn en uso. Los anillos Pall son esencialmente anillos Raschig en los que se ha aumentado la superficie de contacto, con lo que se mejora la distribucin del lquido. Las sillas Berl fueron desarrolladas para mejorar la distribucin del lquido comparada con los anillos Raschig. Las sillas Intalox pueden considerarse como una mejora de las Berl, ya que por su forma, son ms fciles de fabricar. Para construir estos rellenos se utilizan diversos materiales: cermica, metales, plsticos, madera y carbono. Los anillos de metal y plstico son ms eficaces que los de cermica puesto que sus paredes pueden ser ms finas. La eleccin del material depender de la naturaleza del fluido y la temperatura de operacin. HIDRULICA DE LA COLUMNA DE EMPAQUE Un estudio Hidrodinmico es una rama de la mecnica de fluidos, que se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento. Este es uno de los parmetros ms desarrollados para especificar la capacidad de una torre empacada; especficamente permite estimar el dimetro de las columnas de tal forma de que la velocidad de gas de operacin no produzca acumulacin de lquidos en la torre. Se lleva a cabo a escala piloto. Flujos a travs de lechos empacados La Figura N 1, muestra las caractersticas de la prdida de carga en el flujo de un gas en contracorriente con un lquido a travs de un lecho de empaque. Cuando el caudal del lquido es muy bajo, el rea abierta eficaz de la seccin transversal del lecho no difiere apreciablemente de la que presenta el lecho seco y la prdida de carga se debe al flujo a

travs de diferentes aberturas en el lecho. Por ello, la perdida de carga resultar aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad del gas, como indica la regin AB. Para caudales mayores, la presencia del lquido hace disminuir el rea abierta eficaz y una parte de la energa de la corriente de gas se utiliza para soportar una cantidad creciente de lquido en la columna (regin AB). Cualquiera que sea el caudal del lquido, existe una zona en que la prdida de carga es proporcional a la velocidad del gas elevada a una potencia distinta de 2 y que se denomina zona de carga, como se indica en la Figura N 1. El aumento en la prdida de carga se debe a la rpida acumulacin de lquido en el volumen vaco del empaque. A medida que aumenta la retencin del lquido, puede ocurrir uno de los dos cambios siguientes. Si el empaque consta esencialmente de superficies extendidas, el dimetro efectivo de orificio se hace continuo a travs de la seccin transversal de la columna, generalmente en la parte alta del empaque. El ascenso en la columna de una fase continua formada por el lquido conlleva la inestabilidad de la columna. Con solo un ligero cambio en el caudal de gas aparece un gran cambio en la prdida de carga (condicin C o C). El fenmeno se denomina inundacin o anegamiento y es anlogo al anegamiento por retencin en una columna de platos. Si la superficie del empaque es de naturaleza discontinua, tiene lugar una inversin de fase y el gas burbujea a travs del lquido, la columna no es inestable y puede volver a la operacin con fase gaseosa continua mediante la simple reduccin del caudal de gas. Como en la situacin de anegamiento, la prdida de carga aumenta a medida que la inversin de fase progresa. Un lecho empacado, a travs del cual usualmente fluyen a contracorriente una fase lquida y una gaseosa, facilita el contacto requerido para la transferencia de masa y de calor. La presencia de elementos de empaque en la torre aumenta el rea interfacial y provee una resistencia al flujo mayor que la que se presentara en una coraza vaca.

Figura N 1. Prdida de carga en una

columna de empaque. Fuente: Manual del Ingeniero Qumico, Perry

Los parmetros sobre los cuales depende la

cada de presin se pueden considerar bajo

dos clasificaciones generales Leva M. & Col

(1951), las cuales son: Parmetros que influyen en la cada de presin

Propiedades fsicas del

fluido

Caractersticas

relacionadas con la naturaleza del lecho

Peso de la tasa de flujo

Dimetro de la estructura

que lo contiene (columnas, tubos, etc.)

Densidad del fluido

Dimetro del empaque

Viscosidad del fluido

Fraccin efectiva de huecos

(porosidad) Tamao de la partcula Rugosidad de la superficie

de la partcula

Existen diversos mtodos y correlaciones

empricas para determinar esta variable, tales

como: la correlacin de Leva y Grummer, la

correlacin de Pich, la correlacin de Robbins

y la ecuacin de Ergun, Adems Las torres

empacadas presentan varios inconvenientes,

como inundacin, excesivas prdidas de carga

(cada de presin) en funcin de la altura de la

seccin rellena que se pueden estimar con muy

buenos resultados aplicando la expresin de

Ergun (1952) que combin las expresiones de

Blake-kozeny (Regimen laminar) y de Burke y

Plummer (rgimen turbulento), propuso la

siguiente ecuacin general para nmeros de

Reynolds bajos, intermedios y altos que se ha

verificado experimentalmente.

Regimen laminar

Regimen Turbulento

Donde:

: Dimetro nominal de la partcula (m)

La ecuacin de Ergun permite predecir las prdidas

por friccin que sufre un fluido monofsico cuando

pasa a travs de un lecho empacado.

Levenspiel, O. (1993), establece que la

mayora de los investigadores concuerdan que

la correlacin de Ergun representa

razonablemente la prdida friccional en lechos

rellenos. MacDonald & Col. (1979) sugiere que

el 150 debera sustituirse por 180 y 1,75 por

1,80 para partculas lisas y 4,0 para partculas

muy rugosas. Sin embargo, si se tiene en

cuenta que la mayora de los datos varan en

un factor de dos del valor medio, aunque,

Levenspiel O.(1993) prefiere, y recomienda,

no modificar la ecuacin original de Ergun con

su considerable respaldo de verificacin

experimental.

Caractersticas fsicas del empaque: Entre las caractersticas del empaque que son

necesarias para el diseo de una torre, estn:

Porosidad de lechos empacados ( , %)

rea especifica, a (m2/m

3)

Nmero de piezas por m3

a)(kg/m3)

Esfericidad del empaque

Estimacin de la porosidad de lechos

empacados a nivel experimental (

La porosidad de un material es una medida de la

capacidad de almacenamiento de fluidos que posee

el mismo y est definida como la relacin entre el

volumen total ocupado por los poros y el volumen

total del slido,

En las deducciones del flujo se usan ciertas relaciones geomtricas para las partculas de los

lechos empacados. La fraccin vaca de un lecho empacado se define como;

Da silva, (2011), utiliz el siguiente mtodo a nivel de laboratorio para realizar la estimacin de la porosidad en distintos medios granulares, este es:

Medicin de la porosidad con el mtodo del embebido: es el mtodo ms sencillo en lo que respecta a la determinacin de la porosidad y consiste en saturar el medio, cuyo volumen es conocido, con un fluido de densidad conocida, y medir, tanto el volumen ocupado por el lquido, como el volumen final obtenido al saturar la muestra con el fluido. De esta manera, la diferencia del volumen de la muestra ms el volumen de agua respecto al volumen total permite calcular el volumen de poros. por lo que la porosidad es el cociente entre el rea de dichos poros y el rea total de la seccin.

De aqu que se pueda calcular el volumen de poros de acuerdo a la expresin:

Para obtener el valor de se hizo uso de la

siguiente ecuacin:

rea especfica: Mida cuidadosamente con un calibrador Vernier las dimensiones necesarias para calcular el rea de una pieza de empaque y multiplique ste valor por el nmero de empaque Nmero de piezas por m

3.

Llena con el empaque una probeta hasta un volumen determinado y cuente los empaques contenidos en dicho volumen.

a)(kg/m3) y densidad real.

Una vez llena la probeta con un volumen

determinado de empaque, determine su masa. Con

el peso del empaque por unidad de volumen y el

porcentaje de hueco (porosidad), que se calcul se

obtiene la densidad

Esfericidad Es la medida nica ms til para caracterizar la forma de partculas irregulares y otras no esfricas. Se define como:

Tamao de la partcula dp

Para partculas grande (>1 mm) se determina el tamao mediante calibres o micrmetros, si las partculas son de forma irregular. A partir de estas medidas se calcula en primer lugar el dimetro equivalente de la esfera, definido como sigue:

de la que el tamao de partcula viene dado como

Para determinar la esfericidad en los anillos rasching

se llev a cabo los siguientes pasos:

Determinar el volumen real de la partcula

Determinar el dimetro equivalente de la esfera con

el volumen real calculado de la partcula

Determinar el rea superficial real de la partcula

Determinar la esfericidad de la partcula

: Esfericidad de la partcula (adimensional)

: Dimetro equivalente de la partcula (m)

Para obtener la esfericidad de la partcula se

procede a calcular el promedio aritmtico de las

esfericidades i encontradas anteriormente

Esfericidad de la partcula (

0.4158

Dimetro equivalente de la

partcula (m)

0.007848

Flujo de una sola fase

Si solamente una fase, lquida o gaseosa, fluye

a travs del lecho empacado, el sistema puede

tratarse con base a la teora de flujo de fluidos

a travs de lechos de slidos granulares.

Cuando un gas o un lquido fluyen a travs de

un lecho, es forzado a seguir una serie de

canales irregulares formados por los intersticios

entre las partculas slidas que lo conforman.

La cada de presin depende del tamao y el

arreglo de estas ltimas, as como de la

velocidad, densidad y viscosidad del fluido. A

velocidades suficientemente bajas la cada de

presin, es proporcional a la velocidad, como la

expresa la ecuacin de Darcys para agua

cuando fluye en un lecho de arena, como por

ejemplo.

Dimetros de partcula y flujos bajos conducen

a nmeros de Reynolds caractersticos de flujo

laminar, condicin bajo la cual la prdida de

forma debida al arrastre, medida en trminos

de un coeficiente de arrastre, contribuye con

casi toda la cada de presin, ya que las

prdidas de energa cintica son muy

pequeas. Este coeficiente de arrastre es

inversamente proporcional al nmero de

Reynolds.

(Carman, 1938) compar la cada de presin

predicha con esta ecuacin con la determinada

experimentacin para el flujo de lechos

empacados, y demostr que se logra un buen

ajuste cuando el es flujo laminar.

A nmero de Reynolds ms altos se presenta

una transicin gradual hacia flujo turbulento

pleno, caso ltimo en el cual la cada de

presin es proporcional a la velocidad elevada

a una potencia entre 1.8 y 2. Para Reynolds

entre 0.01 y 10000 los datos experimentales se

ajustan a la expresin Burke y Plummer

Para lechos empacados, Ergun define el

nmero de Reynolds como:

Dp= Dimetro de la partcula (m)

Vm= Velocidad media (m/s)

Flujo de dos fases

La hidrulica del flujo de dos fases en torres

empacadas puede abordarse de diferentes

formas. Una primera aproximacin es

considerarlo como una extensin del flujo en

una sola fase. Tambin puede tratarse como

una modificacin al flujo de dos fases en

tuberas o como una combinacin de las

dos.Una opcin ms reciente, especialmente

para el flujo a travs de empaques

estructurados, consiste en el modelamiento de

los caminos de flujo para ambas fases y en la

solucin de las expresiones de transporte de

cantidad de movimiento

Regmenes de Flujo:

Existe un mximo flujo de gas con que la torre

velocidad de

inundacin

ocurre ningn tipo de transferencia y las

prdidas de carga en la torre tienden al infinito.

El Punto de Carga, es una condicin terica

donde todas las partculas del empaque estn

cubiertas por una pelcula de lquido.

Corresponde a un contacto gas lquido ptimo.

Desde el punto de vista operacional es el punto

del proceso donde el aumento de las prdidas

de carga en la columna es funcin de ambos

flujos y adems es paulatino, lo cual resulta

favorable para la transferencia de masa.

El Punto de Inundacin, es la fase de la

operacin de la torre donde empieza a existir

retencin de lquido en las secciones de la

torre; este punto se evidencia en la prctica por

la notable acumulacin del lquido en las

paredes de la torre y el abundante burbujeo del

mismo por accin del flujo ascendente del gas.

El rgimen de la fase lquida se vuelve

turbulento y la cada de presin en la torre

aumenta de manera abrupta y eventualmente

puede presentarse el rebosamiento del lquido

por el tope de la misma.

El punto de inundacin es funcin exclusiva de

la velocidad del gas que asciende, en

ocasiones es tal, que alcanza su velocidad de

inundacin y propicia que el lquido descienda

con dificultad y se retenga gran cantidad de

ste. Se incrementa la cantidad de lquido que

se acumula en la torre porque el gas no permite

la circulacin continua dentro de la misma, y el

proceso de alimentar lquido a la columna no se

detiene, an con el flujo de gas invariable, las

prdidas de carga en la seccin empacada de

la columna tienden a elevarse dramticamente.

Para efectos del diseo no se poseen datos en

la bibliografa que especifiquen la velocidad del

gas en el punto de carga, para ciertas

columnas y sus caractersticas, pero

normalmente se recomienda 50 a 75 % de la

velocidad en el punto de inundacin, el cual

debe ser estimado en el laboratorio a las

condiciones de operacin del proceso que se

est diseando.

DESCRIPCIN DEL PROCESO A continuacin se representa un esquema de la unidad IC131D, con su respectiva leyenda de diseo, donde se muestra cada una las partes que representan dicha unidad, luego se describe brevemente el proceso bajo el cual se rige la misma, donde los nmeros que se incluirn en comillas indican la posicin correspondiente al punto mencionado debajo del esquema.

Donde: 1. Secciones de la columna. 2. Seccin intermedia. 3. Seccin superior de la columna, entrada del lquido. 4. Seccin inferior de la columna, ingreso gas y descarga. 5. Vlvula para lavado/descarga de la columna. 6. Vlvula para la regulacin de la salida del lquido de la columna. 7. Vlvula de descarga. 8. Tanque de alimentacin y recoleccin del lquido. 9. Vlvula de flotador. 10. Enlace para la alimentacin del agua. 11. Vlvula para la descarga del tanque. 12. Filtro en el tubo de aspiracin de la bomba de circulacin. 13. Bomba centrfuga de circulacin. 14. Vlvula para la regulacin del caudal del lquido. 15. Medidor de caudal de flotador del lquido. 16. Medidor de presin diferencial entre la cabeza y la cola de la columna. 17. Puntos de medicin de la temperatura. 18. Puntos de recoleccin de las muestras.

19. Medidor de cada de presin en la entrada del gas en la columna. 20. Medidor de caudal de flotador del fluido gaseoso total (mezcla). 21. Medidor de caudal de flotador del componente del gas. 22. Vlvula de regulacin del caudal del aire. 23. Vlvula de regulacin del caudal del gas. 24. Intercambiador de calor agua/aire, para enfriar aire que sale del compresor. 25. Compresor. 26. Filtro del aire aspirado. 27. Regulacin de presin montado en la bombona del gas (**). 28. Bombona de gas (*). 29. Mdulo de operacin/control. El esquema mostrado anteriormente corresponde a la unidad IC131D, la cual est constituida fundamentalmente por una columna de empaques con anillos Raschig cargados a

secciones de la columna (1). La torre trabaja con un sistema gas-lquido, siendo el lquido agua la cual entra por la extremidad superior de la columna (3), empujada por una electrobomba centrifuga (13), que aspira desde un tanque de alimentacin y recoleccin del lquido (8). La lnea de gas est conectada a la parte inferior de la columna (4) y puede ser alimentada por un compresor de aire (25) y por una bombona de gas, siendo el mismo Dixido de Carbono (CO2) (28); o bien por una mezcla de gas-aire controlado por las vlvulas de regulacin del caudal de aire y del gas (22, 23) respectivamente. Sobre las lneas de lquido y gas estn insertados tres medidores de flujos (15, 20, 21); para poder medir el caudal del fluido, mientras que en la columna estn dispuestas, tomas de presin (16, 19); termopares (17) y tomas de recogidas de muestra (18), que permiten tener bajo control la evolucin del proceso. En la estructura metlica que soporta el conjunto de aparatos est fijado el modulo de Operacin/control (29), que tiene un indicador digital de temperatura (32), conectado a los termopares de la columna, al igual que consta de los interruptores de encendido de la bomba y el compresor (30, 31).

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para el desarrollo de esta experiencia es necesario seguir los siguientes pasos: 3.1 Parte I PUNTO DE INUNDACIN 1) Abrir el suministro de agua y llenar completamente el tanque de almacenamiento. 2) Accionar la bomba mediante el interruptor 30, para hacer circular el fluido a travs del sistema. 3) Usando la vlvula 14 se regula el caudal del lquido a un valor determinado (Aleatorio, distinto para cada grupo de trabajo). 4) Manipulando la vlvula 6 se regula el flujo de lquido que sale de la columna, cuidando siempre que el fluido est en contacto permanente con el par trmico 17 (Ver Temperatura del agua) 5) Se hace circular aire por el sistema accionando el compresor por medio del interruptor 31. 6) Regular el flujo de aire mediante la vlvula 22, cuidando siempre el flujo que refleja el medidor 20 (Rotmetro de Aire). 7) Aumentar el caudal de aire hasta alcanzar condiciones de inundacin en la columna. 8) Tomar nota del caudal del lquido y gas en ese instante. As como de la cada de presin en el gas (Manmetro 19) y en la columna (Manmetro 16) 9) Mantener el caudal de lquido en el valor de inundacin. 10) Reducir el caudal de gas al 80 % del valor del caudal de inundacin, mediante la vlvula 22. 11) Registrar las cadas de presin en el gas y en la columna. 12) Repetir los tems (10) y (11) para caudales de gas igual al 60 % y 40 % del caudal de inundacin.

Caudal de Lquido (L/h):_______________ Temperatura de Operacin (C):________ Temperatura del Lquido (C):__________

3.2 Parte II ANLISIS DE LA COLUMNA A EMPAQUE SECO

1) Detener el flujo de lquido en la columna. 2) Extraer totalmente el lquido de la torre. 3) Registrar la cada de presin del gas y la columna para varios flujos de gas.

Fluidos manomtricos:

H de la columna: Aceite mineral (Densidad:

0.8 - 0.9 kg/l a 21 C)

H de la corriente gaseosa (Aire): Mercurio

3.3 Parte III ANLISIS DE LA COLUMNA CON VARIACIN DEL CAUDAL DEL LQUIDO 1) Fijar el flujo de lquido circulante en la torre. 2) Registrar los valores de cada de presin y temperatura a varios flujos de gas. 3) Repetir los pasos (1) y (2) para otro caudal de lquido.

NOTA: Cuidar que el fluido en el fondo de la columna tenga contacto con el par trmico 17. (Sello de lquido)

Caudal de Lquido

(L/h):________________

3.4 DATOS TCNICOS DE LA COLUMNA:

Dimetro de la columna (m) 0.08 Altura de empaque (cms) 48.5/49 Tipo de empaque Rasching Material del empaque vidrio Dimetro Nominal del Empaque (pulg)

3/8

Volumen real del empaque (mm3)

260

3.5 HOJA DE REPORTE DE DATOS PARTE I Caudal de Lquido (L/h):________________

PARTE II Caudal de Lquido (L/h):________________

PARTE III Caudal de Lquido (L/h):________________

4.-TRABAJO A REALIZAR: Para el anlisis de la experiencia el estudiante debe: - Determine la Porosidad promedio del

empaque utilizado (anillo Raschig) en la experiencia

- Utilice el valor de esfericidad promedio de

empaque sealado en la gua prctica. - Determine el nmero de Reynolds para un lecho empacado (modificado).e identifique el rgimen de flujo