Columnas empacadas. Cálculo de la sección

COLUMNAS EMPACADAS. CÁLCULO DE LA SECCIÓN
Columnas empacadas. Cálculo de la sección
Preguntas
Elabore una respuesta adecuada a las cuestiones que se plantean más abajo:
(1) Describa brevemente los tipos y características de los rellenos o empaques comerciales.
(2) ¿Cuáles son las características de un buen empaque? ¿Por qué las bolillas de vidrio son un mal
empaque?
(3) Consultando la tabla que se adjunta, conteste:
- ¿Qué es preferible, un factor de empaque F grande o pequeño?
- ¿Al aumentar el tamaño de empaque, F aumenta o disminuye? ¿Cuál es la relación funcional
de ese cambio: lineal, cuadrática, etc.?
- ¿Por qué los empaques de cerámica tienen mayores factores F que los de plástico o de metal
del mismo tipo y tamaño? ¿Cuándo seleccionaría un empaque de cerámica?
(4) ¿Por qué no se pueden usar empaques de gran tamaño en columnas de pequeño diámetro? ¿Cuál es
la razón de la regla aproximada de la ecuación?
diámetrocolumna
 8 a 12
diámetroempaque
(5) Una columna de destilación empacada con cierto relleno, separa 500 lbmol/h de n-hexano casi
puro por la cabeza. La presión de trabajo es de 1 atm. Utilizando una gráfica de la correlación
generalizada de la caída de presión y repitiendo el cálculo con las expresiones semiempíricas que se
dan más abajo, conteste las siguientes preguntas:
- ¿Cuál es el caudal de inundación en la cabeza de la columna?
- ¿Cuál es la pérdida de carga correspondiente a la inundación?
- ¿Cuál es el caudal de trabajo si la caída de presión admisible es de 0,5” H2O por pie de empaque?
Datos:
Densidades del gas y del líquido: ρV = 0,1917 lb/pie3, ρL = 41,12 lb/pie3, ρH2O = 61,05 lb/pie3
Relación de caudales: L’/G’ = 0,8
Caudal molar de gas: V = 59,84 lbmol/s
Viscosidad del líquido: μ = 0,22 cP
Relleno: (elija unos de los siguientes) sillas Intalox de cerámica de 1” o anillos Raschig metálicos de 1”.
La siguiente es la ecuación propuesta por Kessler y Wankat (1988) donde μ es la viscosidad del
líquido en cP, ψ = ρagua/ρL, gc = 32,2 y Flv es el cociente L’/G’ (ρV/ ρL)½.
 G ' 2 F 0, 2
log10 
 G  L gc

  1,6678  1,085 log10 Flv  0,29655(log10 Flv ) 2

Cuestiones y problemas de Operaciones Unitarias III – 2013 – Ingeniería Química – UNT
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COLUMNAS EMPACADAS. CÁLCULO DE LA SECCIÓN
Parámetros para empaques aleatorios
Tamaño nominal [pulg]
Anillos Raschig
(metálicos 1/16”)
Anillos Raschig
(cerámica)
Monturas Intalox
(cerámica)
1/2
1
1 1/2
2
F
410
137
83
57
α
-
0,42
0,29
0,23
β
-
0,21
0,20
0,14
F
580
155
95
65
α
3,10
0,97
0,39
0,24
β
0,41
0,25
0,23
0,17
F
200
98
52
40
α
0,82
0,52
0,13
0,14
β
0,28
0,16
0,15
0,10
La siguiente ecuación (Ludwig, 1997) permite correlacionar la caída de presión.
p   10 L '
G'2
G
Δp es la caída de presión en pulgadas de agua por pie de relleno. L’ y G’ son flujos másicos en
lb/(s·pie2).
Problemas
PROBLEMA 1. Una columna de absorción empacada con anillos Raschig de cerámica de ¼”, que
posee un diámetro de 20 cm, es utilizada para absorber el SO2 presente en una corriente de aire de
composición 0,01 molar de SO2 a 30 ºC y 1 atm de presión, mediante una corriente de agua. La
columna opera con una caudal de gas igual al 70% del valor correspondiente a la inundación y con una
relación L/V = 117. Calcular el caudal molar del gas (V).
PROBLEMA 2*. Se desea purificar aire que contiene 11% en volumen de benceno utilizando una
columna de absorción rellena con anillos Raschig de cerámica de 1”. El caudal de aire a tratar es de
1350 m3/h, a 40 ºC y 1 atm. Por la cúspide de la torre, en contracorriente con el gas, entran 800 kg/h de
un líquido absorbente de peso molecular 50 kg/kmol, de densidad 850 kg/m3 y viscosidad 1,40 cp,
siendo la composición del gas de salida 1,2% en volumen de benceno.
Calcular:
(a) Las velocidades másicas del gas y el líquido, si se emplea el 60% de los valores de la
inundación.
(b) El diámetro de la torre.
PROBLEMA 3. Para separar el 95% del amoníaco de una corriente de aire que contiene 40% de
amoníaco en volumen, se utilizan 221 kmol/h de una cierta disolución por cada 45 kmol/h de gas que
entra, lo que supone un valor superior al mínimo necesario. La temperatura es de 298 K y la presión de
1 atm.
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Elegir el relleno y calcular el diámetro de la columna, suponiendo que la disolución absorbente tiene
las propiedades del agua.
PROBLEMA 4*. Se desea construir una torre empacada con monturas cerámicas Intalox de 1” para
tratar 708 m3/h de un gas. El contenido de NH3 en el gas que entra es del 2% en volumen. Como
absorbente se usa agua libre de NH3. La temperatura y presión de trabajo son 20 ºC y 1 atm,
respectivamente. La relación entre el flujo de gas y el flujo de líquido es de 1 kg de gas por kg de
líquido.
(a) Si la velocidad del gas es la mitad de la de inundación, calcule el diámetro de la torre.
(b) ¿Cuál es la caída de presión si la sección empacada es de 6,1 m de altura?
PROBLEMA 5*. Se desea evaluar la sustitución de las monturas Intalox de 1” del problema anterior
por un empaque estructurado Gempak 230 A2T (Glitsch).
(a) ¿Qué incremento se espera en la capacidad?
(b) La caída de presión a 50% de la velocidad de inundación ¿será mayor o menor que con las
monturas Intalox? A una velocidad del gas del 90% de la inundación, la caída de presión es de 1,22”
H2O/ft.
PROBLEMA 6. Para eliminar el SO2 de un gas cuyas características son las del aire, el gas será
lavado con una solución acuosa de una sal de amonio en una torre empacada con monturas Intalox de
cerámica de 25 mm. El flujo de gas es de 0,80 m3/s (30 ºC, 1 bar) y contiene 7% de SO2, el cual va a
ser eliminado casi completamente.
La solución de lavado ingresa con un flujo de 3,8 kg/s; su densidad es de 1 235 kg/m3, y su viscosidad
es 2,5·10-3 Pa s.
(a) Escoja un diámetro adecuado para la torre
(b) Si la altura empacada irrigada es de 8,0 m y se utiliza 1 m adicional de monturas Intalox de
cerámica de 25 mm arriba de la entrada del líquido, a guisa de separador de arrastre, calcule la
potencia requerida para hacer circular el gas. La eficiencia global de ventilador + motor es del 60%.
PROBLEMA 7*. Se usa una torre de absorción rellena de anillos cerámicos Raschig de ½” para
tratar 1 200 m3/h (medidos a 27 ºC y 1 atm) de una mezcla benceno-aire de composición 5% en
volumen de benceno. Con el fin de recuperar el 95 % de este gas, se emplea como líquido absorbente
2 000 kg/h de una aceite de peso molecular 250 que entra en la torre con el 0,3% en peso de benceno.
Las condiciones de operación son 1 atm y 27 ºC, y la velocidad másica del gas es de 1 500 kg m-2 h-1.
(a) Calcule el diámetro de la torre.
(b) Estime cuán alejadas están las condiciones de operación de la inundación de la columna.
Los problemas marcados con un asterisco (*) deberán:
- Llevarse resueltos a la clase de problemas.
- Presentarse resueltos en la carpeta de Trabajo Prácticos de cada
alumno, al finalizar la asignatura.
Sitio web: http://www.herrera.unt.edu.ar/operacionesunitarias2y3
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