Universidad Nacional Experimental

Universidad Nacional Experimental
“Francisco De Miranda”
Área de Tecnología
Programa de Ingeniería Química
Departamento De Energética
Laboratorio De Operaciones Unitarias III
PRÁCTICA No. 1:
DETERMINACIÓN DE LOS PUNTOS DE CARGA E INUNDACIÓN DE UNA TORRE
EMPACADA DE ABSORCIÓN GASEOSA PARA EL SISTEMA AGUA-AIRE.
1. OBJETIVOS:
1.1 Determinar de manera experimental la
pérdida de carga en la torre empacada del
Laboratorio
de
Operaciones
Unitarias
empleando la ecuación de Leva.
1.2 Establecer la relación existente entre las
pérdidas de carga en la columna y los
flujos de gas y líquido a través de la misma.
1.3 Determinar las caídas de presión en la
columna utilizando la ecuación de Leva y
compararlas
con
las
obtenidas
experimentalmente.
Con esta operación el componente o los
componentes pasan desde la fase gaseosa
hacia la fase líquida, 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 líquido a emplear se elije en relación a las
características
físico-químicas
más
conveniente y también de acuerdo al criterio
económico. Entonces la absorción es
considerada como un componente de la fase
gaseosa en un líquido con referencia a la
operación continua en una columna
empacada con material al azar.
-
1.4 Estimar las constantes empíricas de la
ecuación de Leva.
1.5 Comparar los valores de las constantes
de la ecuación de Leva con las
reportadas en la bibliografía abierta.
1.6 Obtener el punto de carga e inundación
de la torre de absorción empacada para el
sistema agua – aire.
2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
- Separación por absorción
La separación de una mezcla gaseosa se
puede obtener de varios modos. Por ejemplo,
la separación de oxigeno respecto al
nitrógeno se realiza por destilación a baja
temperatura. Sin embargo, cuando interesa
separar sólo uno o algunos componentes, es
conveniente en cambio recurrir a la
absorción.
Columna de empaques
Una torre o columna empacada es una
estructura vertical, normalmente cilíndrica 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
áreas de contacto interfacial con el objeto de
facilitar el intercambio de masa, calor o
ambos simultáneamente.
Las columnas empacadas son utilizadas en
una gran gama de procesos, como
destilación,
extracción,
humidificación
(deshumidificación) y en absorción gaseosa.
La absorción es una operación de contacto
gas-líquido, donde el líquido cae por
gravedad desde el tope de la torre, mojando
en forma de película 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 diseño de torres de absorción gaseosa es
un proceso integral, que se inicia con el
diseño del empaque, que requiere de la
consideración de factores mecánicos, la
caída de presión, la capacidad de flujo y la
inactividad que presenta ante los compuestos
del proceso.
-
Empaques
Para el diseño óptimo o selección de un
empaque se requiere que el mismo cumpla
con las siguientes características:
• Alta capacidad: El relleno debe ser capaz
de resistir altas ratas de flujo por prolongados
períodos de tiempo, también altas caídas de
presión en el seno de la columna ya que, las
pérdidas de carga son función de la
velocidad de los fluidos.
• Inertes: El material del que esté constituido
el relleno ha de ser completamente inocuo a
las sustancias involucradas en la absorción,
con el objeto de evitar la contaminación de
algunos de los componentes y alargar la vida
útil del proceso.
• Ser Económicos: Los rellenos representan
un alto porcentaje en el costo total del
equipo, por ello se recomienda que el mismo
sea económico y de fácil adquisición.
• De gran Área: Un empaque debe
proporcionar una gran área de contacto entre
las fases involucradas, su superficie deber
ser de fácil mojado para el líquido 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 corrosión y a la abrasión
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, aún 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 pérdida de presión
baja (Por ejemplo en las torres de
enfriamiento). La interfase gas-líquido es
estacionaria y depende fundamentalmente
del mojado de la superficie y la capilaridad.
Por tanto, es de esperar que haya buena
eficacia aún para flujos de líquido bajos.
Los rellenos al azar son los más comunes.
Con este tipo de relleno (Al igual que en las
columnas de platos), la interfase de gaslíquido se crea por combinación de los
efectos de penetración de superficie,
burbujeo y formación de niebla. Los rellenos
que mayormente se comercializan son los
siguientes:
Los anillos Raschig son el tipo de relleno
más antiguo (Datan de 1915) y todavía están
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 distribución del líquido.
Las sillas Berl fueron desarrolladas para
mejorar la distribución del líquido comparada
con los anillos Raschig. Las sillas Intalox
pueden considerarse como una mejora de las
Berl, ya que por su forma, son más fáciles de
fabricar. Para construir estos rellenos se
utilizan diversos materiales: cerámica,
metales, plásticos, madera y carbono. Los
anillos de metal y plástico son más eficaces
que los de cerámica puesto que sus paredes
pueden ser más finas. La elección del
material dependerá de la naturaleza del fluido
y la temperatura de operación.
HIDRÁULICA
EMPAQUE
DE
LA
COLUMNA
DE
La Figura Nº 1, muestra las características de
la pérdida de carga en el flujo de un gas en
contracorriente con un líquido a través de un
lecho de empaque. Cuando el caudal del
líquido es muy bajo, el área abierta eficaz de
la sección transversal del lecho no difiere
apreciablemente de la que presenta el lecho
seco y la pérdida de carga se debe al flujo a
través de diferentes aberturas en el lecho.
Por ello, la perdida de carga resultará
aproximadamente proporcional al cuadrado
de la velocidad del gas, como indica la región
AB.
Para caudales mayores, la presencia del
líquido hace disminuir el área abierta eficaz y
una parte de la energía de la corriente de gas
se utiliza para soportar una cantidad
creciente de líquido en la columna (región
A´B´). Cualquiera que sea el caudal del
líquido, existe una zona en que la pérdida 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 Nº 1. El aumento en la pérdida de
carga se debe a la rápida acumulación de
líquido en el volumen vacío del empaque. A
medida que aumenta la retención del líquido,
puede ocurrir uno de los dos cambios
siguientes.
Si
el
empaque
consta
esencialmente de superficies extendidas, el
diámetro efectivo de orificio se hace continuo
a través de la sección transversal de la
columna, generalmente en la parte alta del
empaque.
El ascenso en la columna de una fase
continua formada por el líquido conlleva la
inestabilidad de la columna. Con solo un
ligero cambio en el caudal de gas aparece un
gran cambio en la pérdida de carga
(condición C o C´). El fenómeno se denomina
inundación o anegamiento y es análogo al
anegamiento por retención en una columna
de platos. Si la superficie del empaque es de
naturaleza discontinua, tiene lugar una
inversión de fase y el gas burbujea a través
del líquido, la columna no es inestable y
puede volver a la operación con fase
gaseosa continua mediante la simple
reducción del caudal de gas. Como en la
situación de anegamiento, la pérdida de
carga aumenta a medida que la inversión de
fase progresa.
Figura Nº 1. Pérdida de carga en una columna de empaque.
Fuente: Manual del Ingeniero Químico, Perry
Las torres empacadas presentan varios
inconvenientes, como inundación, excesivas
pérdidas de carga (caída de presión) que se
pueden estimar con muy buenos resultados
aplicando la Ecuación de Leva que depende
de ΔP, Z, L, G, ρL, ρG, γ, Φ, que puede ser
utilizada para hacer evaluaciones hidráulicas,
la misma se ha utilizado para predecir la
caída de presión en una columna empacada
en función de la altura de la sección rellena y
unas constantes empíricas propias de cada
tipo de empaque (Constantes de Leva).
Donde:
ΔP: Caída de presión en el entorno de la
columna (psf)
Z: Altura empacada de la torre (ft)
L: Velocidad másica superficial del líquido
(lb/h*ft2)
G: Velocidad másica superficial del gas
(lb/h*ft2)
Φ y γ: Constantes empíricas específicas del
empaque (adimensionales)
ρL: Densidad del líquido (lb/ft3)
ρG: Densidad del gas (lb/ft3)
n: pendiente
La Ecuación de Leva se encuentra limitada
por la viscosidad del líquido, si es superior a
2 cP las estimaciones de tal relación tienden
a ser erradas en la generalidad de los casos.
Con viscosidades superiores a 2 cP, la caída
de presión se incrementa en el seno de la
columna aún cuando los flujos se mantengan
constantes. La ecuación de Leva es usada
ampliamente en la evaluación hidráulica de
columnas de relleno pero en ocasiones se
emplea para estimar el diseño. Por medio de
esta ecuación se pueden predecir fácilmente
el punto de carga e inundación de una torre.
velocidad del gas en el punto de carga, para
ciertas columnas y sus características, pero
normalmente se recomienda 50 a 75 % de la
velocidad en el punto de inundación, el cual
debe ser estimado en el laboratorio a las
condiciones de operación del proceso que se
está diseñando.
Existe un máximo flujo de gas con que la
torre puede operar, se le llama “velocidad de
inundación”, por encima de esa velocidad no
ocurre ningún tipo de transferencia y las
pérdidas de carga en la torre tienden al
infinito.
El Punto de Carga, es una condición teórica
donde todas las partículas del empaque
están cubiertas por una película de líquido.
Corresponde a un contacto gas líquido
óptimo. Desde el punto de vista operacional
es el punto del proceso donde el aumento de
las pérdidas de carga en la columna es
función de ambos flujos y además es
paulatino, lo cual resulta favorable para la
transferencia de masa.
A continuación se representa un esquema de
la unidad IC131D, con su respectiva leyenda
de diseño, 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 números que se incluirán en comillas
indican la posición correspondiente al punto
mencionado debajo del esquema.
El Punto de Inundación, es la fase de la
operación de la torre donde empieza a existir
retención de líquido en las secciones de la
torre; este punto se evidencia en la práctica
por la notable acumulación del líquido en las
paredes de la torre y el abundante burbujeo
del mismo por acción del flujo ascendente del
gas. El régimen de la fase líquida se vuelve
turbulento y la caída de presión en la torre
aumenta de manera abrupta y eventualmente
puede presentarse el rebosamiento del
líquido por el tope de la misma.
El punto de inundación es función exclusiva
de la velocidad del gas que asciende, en
ocasiones es tal, que alcanza su velocidad
de inundación y propicia que el líquido
descienda con dificultad y se retenga gran
cantidad de éste. Se incrementa la cantidad
de líquido que se acumula en la torre porque
el gas no permite la circulación continua
dentro de la misma, y el proceso de alimentar
líquido a la columna no se detiene, aún con
el flujo de gas invariable, las pérdidas de
carga en la sección empacada de la columna
tienden a elevarse dramáticamente.
Para efectos del diseño no se poseen datos
en la bibliografía que especifiquen la
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
Donde:
1. Secciones de la columna.
2. Sección intermedia.
3. Sección superior de la columna, entrada
del líquido.
4. Sección inferior de la columna, ingreso gas
y descarga.
5. Válvula para lavado/descarga de la
columna.
6. Válvula para la regulación de la salida del
líquido de la columna.
7. Válvula de descarga.
8. Tanque de alimentación y recolección del
líquido.
9. Válvula de flotador.
10. Enlace para la alimentación del agua.
11. Válvula para la descarga del tanque.
12. Filtro en el tubo de aspiración de la
bomba de circulación.
13. Bomba centrífuga de circulación.
14. Válvula para la regulación del caudal del
líquido.
15. Medidor de caudal de flotador del líquido.
16. Medidor de presión diferencial entre la
cabeza y la cola de la columna.
17. Puntos de medición de la temperatura.
18. Puntos de recolección de las muestras.
19. Medidor de caída de presión 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. Válvula de regulación del caudal del aire.
23. Válvula de regulación 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. Regulación de presión montado en la
bombona del gas (**).
28. Bombona de gas (*).
29. Módulo de operación/control.
El
esquema
mostrado
anteriormente
corresponde a la unidad IC131D, la cual está
constituida fundamentalmente por una
columna de empaques con anillos Raschig
cargados a “granel”, los cuales están
ubicados en la secciones de la columna (1).
La torre trabaja con un sistema gas-líquido,
siendo el líquido agua la cual entra por la
extremidad superior de la columna (3),
empujada por una electrobomba centrifuga
(13), que aspira desde un tanque de
alimentación y recolección del líquido (8).
La línea de gas está 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
Dióxido de Carbono (CO2) (28); o bien por
una mezcla de gas-aire controlado por las
válvulas de regulación del caudal de aire y
del gas (22, 23) respectivamente. Sobre las
líneas de líquido y gas están insertados tres
medidores de flujos (15, 20, 21); para poder
medir el caudal del fluido, mientras que en la
columna están dispuestas, tomas de presión
(16, 19); termopares (17) y tomas de
recogidas de muestra (18), que permiten
tener bajo control la evolución del proceso.
En la estructura metálica que soporta el
conjunto de aparatos está fijado el modulo de
Operación/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 INUNDACIÓN
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 través del
sistema.
3) Usando la válvula 14 se regula el caudal
del líquido a un valor determinado (Aleatorio,
distinto para cada grupo de trabajo).
4) Manipulando la válvula 6 se regula el flujo
de líquido que sale de la columna, cuidando
siempre que el fluido esté en contacto
permanente con el par térmico 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 válvula
22, cuidando siempre el flujo que refleja el
medidor 20 (Rotámetro de Aire).
7) Aumentar el caudal de aire hasta alcanzar
condiciones de inundación en la columna.
8) Tomar nota del caudal del líquido y gas en
ese instante. Así como de la caída de presión
en el gas (Manómetro 19) y en la columna
(Manómetro 16)
9) Mantener el caudal de líquido en el valor
de inundación.
10) Reducir el caudal de gas al 80 % del
valor del caudal de inundación, mediante la
válvula 22.
11) Registrar las caídas de presión en el gas
y en la columna.
12) Repetir los ítems (10) y (11) para
caudales de gas igual al 60 % y 40 % del
caudal de inundación.
Caudal de Líquido (L/h):_______________
Temperatura de Operación (°C):________
Temperatura del Líquido (°C):__________
3.2 Parte II ANÁLISIS DE LA COLUMNA A
EMPAQUE SECO
1) Detener el flujo de líquido en la columna.
2) Extraer totalmente el líquido de la torre.
3) Registrar la caída de presión del gas y la
columna para varios flujos de gas.
3.4 DATOS TÉCNICOS DE LA COLUMNA:
3.3 Parte III ANÁLISIS DE LA COLUMNA
CON VARIACIÓN DEL CAUDAL DEL
LÍQUIDO
1) Fijar el flujo de líquido circulante en la
torre.
2) Registrar los valores de caída de presión y
temperatura a varios flujos de gas.
3) Repetir los pasos (1) y (2) para otro caudal
de líquido.
NOTA: Cuidar que el fluido en el fondo de la
columna tenga contacto con el par térmico
17. (Sello de líquido)
Caudal de Líquido
(L/h):________________
3.5 HOJA DE REPORTE DE DATOS
PARTE I Caudal de Líquido
(L/h):________________
- Establecer la relación matemática entre
la caída de presión en la columna, los
flujos del gas y del líquido que modele el
comportamiento hidráulico de la columna.
PARTE II Caudal de Líquido
(L/h):________________
- Discuta los resultados obtenidos.
5.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
• DIDACTA ITALIA. IC131D PLANTA DE DE
GAS. Manual del Usuario y Ejercicios
didácticos.
• MARCILLA, A. INTRODUCCIÓN A LOS
PROCESO DE SEPARACIÓN. Textos
Docentes. Espagrafic.
PARTE III Caudal de Líquido
(L/h):________________
• MC. CABE SMITH OPERACIONES
UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA.
Cuarta
Edición.
Compañía
Editorial
Continental.
• PERRY. MANUAL DEL INGENIERO
QUÍMICO. Sexta Edición. Volumen IV. Mc.
Graw Hill.
• TREYBAL, R. OPERACIONES DE
TRANSFERENCIA DE MASA. Segunda
Edición. Mc. Graw Hill.
4.-TRABAJO A REALIZAR:
Para el análisis
estudiante debe:
de
la
experiencia
el
- Determinar las caídas de presión por
altura empacada utilizando la ecuación de
Leva.
- Construir las curvas de logaritmo de la
caída de presión por altura empacada vs.
logaritmo del caudal de gas. Con los
datos tomados del manómetro y los
valores calculados con la ec. de Leva.
- Comparar los valores de las caídas de
presión
por
altura
empacada
experimentales
con
las
calculadas
utilizando la ec. de Leva (Teóricas).
- Determinar el punto de carga y el punto
de inundación en cada una de las
gráficas.