1er laboratorio lou-i

8/14/2019 1er Laboratorio LOU-I

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Cada de Presin en Torres Empacadas(Absorcin gaseosa aire-agua)

Chavez Silva, C.A. (20100167I); Hinostroza Velasquez, N.D. (20090359H); Martinez Estrella, C.A.(20100236K); Zamora Lanegra, L.E. (20091330C)

Escuela de Ingeniera Petroqumica, FIP-UNI.Operaciones Unitarias I, seccin A, 20 de setiembre del 2013

[email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]

Resumen: El trabajo experimental se desarroll con un anlisis detallado y comparativo en el cual se determinel punto de inundacin en la columna de absorcin de gases para diferentes caudales de agua, estos puntoshallados se compararon con el obtenido de forma terica mediante la grfica de Lobo; y se realiz un anlisis delas grficas, cada presin vs caudal de aire, obtenidas para distintos valores de caudal de agua.

1. INTRODUCCINLos objetivos principales de este laboratorio son: Determinar experimentalmente las cadas de

presin en la columna de absorcin de gases,

para el sistema aire-agua. Determinar las condiciones en las cuales se

produce el proceso de arrastre e inundacin de lacolumna.

La absorcin de gaseses una operacin unitaria detransferencia de masa cuyo objetivo es separar unoo ms componentes (el soluto) de una fase gaseosapor medio de una fase lquida en la que loscomponentes a eliminar sean solubles en ella.Las Torres empacadasson equipos cilndricos quesuelen ser de gran altura en el cual entran encontacto una mezcla gaseosa (sta ingresa por el

fondo de la columna y sale por el domo), con unasolucin liquida (el cual ingresa por el tope y sedescarga por la base) en contracorriente; la torreempacada est rellena de anillos Rashing, donde elcomponente de inters de la fase gaseosa setransfiere a la fase lquida, esta explicacin seobserva con mejor detalle en la Figura 1.Los empaquesson piezas que se colocan dentro delequipo, pueden estar rellenas de forma ordenada oal azar dentro de la columna y su funcin principales aumentar el rea de contacto, entre sus cualidadesestn: alta capacidad de duracin, inerte, livianos,

gran rea de contacto, resistentes a la corrosin, yentre otros.Los rellenos al azar son lo ms usados en lo querespecta a columnas de absorcin, y entre estos, elque ms de usa son los anillos de Raschig, semuestra en la Figura 2.

Cadas de presinEn las torres empacadas la cada de presin escausada por:

El empaque mismo Al roce contra las paredes del recipiente Y al flujo del lquido que pasa por la torre.

Figura 1. Esquema de una Torre empacada o de

relleno.

Figura 2. Se muestra los anillos de Raschingusados en la columna de absorcin.

En la Figura 3 ,antes del punto B se encuentra laperdida de carga cuando la columna se encuentracon los empaques secos.El punto de cargaes el punto del proceso donde elaumento de las prdidas de carga en la columna esfuncin de ambos flujos, y en la Figura 3, serepresenta como el punto B. Toda la zona desde elpunto B hasta el punto C es conocida como la zonade carga, en esta zona la prdida de carga es


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proporcional a la velocidad del gas elevada a unapotencia distinta de 2.

Figura 3. Perdida de carga en una columna derelleno.

El punto de inundacines el punto del proceso en

donde la columna empieza a llenarse del lquido yse observa burbujeo, en este punto se tiene lavelocidad mxima de operacin que dependeprincipalmente de la velocidad del gas, y en lafigura 3 se presenta como el punto C. La zona porencima de este punto, la variacin de la cada depresin se eleva considerablemente y finaliza latransferencia de masa en el proceso.Para un caudal de lquido determinado, se puedecalcular el caudal de gas de inundacin mediantecorrelaciones experimentales, y el caudal de gaspara el punto de carga se considera entre el 50 a75% del punto del inundacin.Mientras el caudal del liquido aumenta, la curva decada de presin vs el flujo de gas se desplaza haciala izquierda, siendo para un mismo caudal de gas, amayor caudal de lquido le corresponde una mayorcada de presin en el proceso de absorcin.

2. METODOS Y MATERIALESEl mtodo empleado permite determinar caudales degas con prdidas de presin mediante grficas, ycon ellos los valores de caudales de carga einundacin. Luego de determinarexperimentalmente la carga; los datos hallados secomparan con un mtodo que usa graficas empricasTodos estos clculos se midieron en una columna deabsorcin (CAGC) (Figura 4.), este es un equipodiseado especficamente para estudiar los procesoshidrodinmicos y de absorcin en columnas derelleno. El relleno de la columna est conformado

por una gran cantidad de anillos Raschig de vidriode 8mm.

Figura 4. Torre de absorcin con relleno

El principio que rige a la columna es la absorcin deCO2de una mezcla de aire en una solucin acuosaque desciende por la columna. Adems el equipopermita variar el porcentaje de caudal de lasentradas de aire y agua respectivamente; y se podarecolectar datos de variacin de presin a ciertosporcentajes de aire y agua introducidos (si es que elsistema estaba hmedo) as variando estos datos sepueden hallar diferentes puntos de variacin depresin vs flujo de aire. Los caudales de aire y aguase pueden medir adems por los sensores en unprograma computacional, que adems muestra eldiagrama del proceso global como lo muestra laFigura 5.

Figura 5. Imagen desde la computadora.

Antes de proceder con la experiencia en s, se midenlas condiciones de laboratorio como Presin

atmosfrica y Temperatura ambiente, adems latemperatura de operacin de la columna(temperatura del agua), para corregir los caudales degas medidos en los caudalimetros.

Una parte del procedimiento o tcnica de operacin,el cual se separa en dos tcnicas. La primera es, LaTcnica de operacin para empaque seco, seconecta el soplador de aire, y se fija el caudal de


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aire, y se anota la cada de presin (leda en elmanmetros de la Figura 6.) que sufre el gas alatravesar la columna. Se fijan hasta 10 caudales deaire, y se anotan sus respectivas cadas de presin,para graficar caudal de gas vs cada de presin.

Figura 6. Medidor de cada de presin.

Otra parte importante del procedimiento a realizares la determinacin de las propiedades fsicas de losempaques (Figura.1). Con este fin se emplearan losmateriales mostrados en la Figura 7.

Figura 7. Instrumentos usados para ladeterminacin de las propiedades fsicas del

empaque.

Se determina el Nmero de piezas por m3, llenandouna probeta con un volumen determinado (500 ml)y se cuenta los empaques contenidos. Tambin sedetermina el porcentaje de huecos, agregando aguaa la probeta llena con empaques (Figura 7,lado

derecho), un volumen igual al fijado para hallar elnmero de piezas por empaque (500 ml). Se mide elnuevo volumen en la probeta. La diferencia de estosvolmenes ser el volumen de los empaques, y elvolumen de los huecos ser la diferencia de 500 mlcon el volumen de los empaques. Luego, sedetermin la densidad aparente y densidad real,determinando la masa del volumen de empaques.Con este peso por unidad de volumen y con el

porcentaje de huecos se obtienen las densidades.Finalmente, elrea especfica, con un vernier semide cuidadosamente las dimensiones de unempaque y el rea especfica corresponde a lasuperficie exterior interior y las caras del empaque,y luego se multiplica por el nmero de empaques.

3. RESULTADOS Y DISCUSION3.1 ResultadosLos datos experimentales hallados para diferentescaudales estn determinados por las siguientesgrficas.Grficamente:Podemos observar el comportamiento del flujo degas en una torre empacada y determinar la velocidadde inundacin.

Figura 8. Grafica de log(P) vs log(V).

VG teorico (m/s) VG exp. (m/s) %Desviacin0.163 0.152 6.7480.095 0.087 8.4210.082 0.077 6.097

Figura 9. Cuadro comparativo de las velocidadesde inundacion

P teo. P exp. % variacion

0.005 0.004 0.20490846

0.007 0.010 0.35699084

0.011 0.012 0.14227393

0.014 0.016 0.12709543

0.019 0.022 0.17533541

1.500

2.000

2.500

3.000

-0.210 0.290

Log(P)

Log(V)

Comportamiento de Flujo de Gas

L=0

L=10%

L=20%

L=30%

L=35%

L=40%


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0.023 0.026 0.11352731

0.029 0.030 0.04035054

0.035 0.038 0.09295893

0.041 0.042 0.0357226

0.047 0.050 0.05535985

Figura 10. Cuadro comparativo de las cadas depresin.

.

3.2 Discusin

Los valores de las propiedades fsicas del empaquehan sido fundamental para hallar las cadas depresin por correlaciones y por medio de graficastericas, para las correlaciones usamos lacorrelacin de Erguen (empaque seco) y Lobo(empaque hmedo).

A su vez fue necesario haber determinado laspropiedades fsicas de los fluidos tratados,viscosidad, densidad entre otros.

Mediante la grfica perdida de presin y caudal delgas se determin grficamente los valores de puntode carga e inundacin, lo cuales fueron comparadoscon grficas y ecuaciones ya establecidas.

4. CONCLUSIONES Para el clculo de la velocidad de

inundacin del gas, por medio de lacorrelacin de lobo esto nos dio unresultado cercano al valor experimentalcalculado.

Para el clculo de las cadas de presin entorres empacadas de una sola fase, losresultados fueron cercanos o similares a losexperimentales, utilizando la ecuacin deErgum.

Las cadas de presin en empaque secovaria en forma lineal con el flujo de gas yesto a la vez es similar a la cada de presincuando el flujo volumtrico del lquido estmuy bajo en un empaque hmedo.

La velocidad de inundacin solo se puededeterminar cuando existe retencin del

lquido ms no de manera grfica por queno se puede visualizar exactamente.

La transferencia de masa se ve favorecidaprincipalmente debido al rea interfacial delempaque.

La absorcin gaseosa de torres empacadastiene por finalidad purificar un fluidoinmiscible del otro. Para nuestro caso fuepurificar el aire del CO2.

5. RECOMENDACIONES Tener cuidado al fijar la carga de aire y/o de

agua, para ello se debe considerar comoreferencia la parte ms ancha de la piezametaliza que queda suspendida al abrir lavlvula.

Es necesario que al medir las prdidas depresin, la altura de los ojos este al nivel de lasuperficie del lquido en el barmetro, unavariacin de presin tomada a la ligera puedegenerar un error significativo en la grfica deinters.

La determinacin de los puntos de inundacines crucial, por ello tomar datos de maneragradual, es decir aumentando el porcentaje deaire lentamente (para un caudal de aguadeterminado) con cantidades porcentualesequivalentes o cercanas (por ejemplo:

comenzar con un porcentaje de aire de 20% ycontinuar con 25, luego con 35, y assucesivamente.). Este procedimiento permiteobtener los datos ms adecuados, que el quipopuede proporcionar para el punto deinundacin de un determinado porcentaje deagua. Si se toman porcentajes de aire muyalejados y rpidos, la inundacin ocurrir de unmomento a otro en el cual percibir el sucedo oanotar la variacin de presin correspondienteal primer instante de inundacin (antes que lavariacin de presin vari significativamente)

ser difcil o poco exacto.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS R.E. Treybal, Operaciones de transferencia de

masa, 2da edicin y 1998. Pg.: 213-230 http://epsem.upc.edu/~plantapilot/castella/m

odel%20matematic_2.2.html
http://epsem.upc.edu/~plantapilot/castella/model%20matematic_2.2.htmlhttp://epsem.upc.edu/~plantapilot/castella/model%20matematic_2.2.htmlhttp://epsem.upc.edu/~plantapilot/castella/model%20matematic_2.2.htmlhttp://epsem.upc.edu/~plantapilot/castella/model%20matematic_2.2.htmlhttp://epsem.upc.edu/~plantapilot/castella/model%20matematic_2.2.htmlhttp://epsem.upc.edu/~plantapilot/castella/model%20matematic_2.2.htmlhttp://epsem.upc.edu/~plantapilot/castella/model%20matematic_2.2.html


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APNDICE1. Determinacin de las Propiedades Fsicas delos empaques (Anillos Raching):

Figura 11. Dimensiones del empaque.

1.1. Datos Tomados con el Vernier:

1.2. Clculos:

rea Superficial

Densidad aparente: Densidad real:

Kg

Nmero de piezas:

Numero de Anillos = 230

rea especfica (ap)

ap Porcentaje de Huecos (:V ocupado por el empaque = 190 ml

V total del recipiente = 500 ml

2. Determinacin de los caudales de carga y deinundacin:

Caudal (Pamb, Tamb )= Caudal (c. n.) / (b /a)1/2

Donde:

b: Densidad del aire a condiciones normales. a: Densidad del aire en condiciones de

calibrado (20C, 1 atm)

Top(K) = 273 + Tamb (C) =

Pop(mm Hg) = Pamb + P(mmHg)

Con las ecuaciones en negrita, descritaspreviamente se rellena las siguientes tablas:


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2.1. Para Empaque Seco (L=0)

Tenemos la siguiente tabla:

Pamb(mmHg)

AIREP (Pa) Log(V) Log(P)

Caudal(n.c) (m3/h) Caudal, V (Pop,Top) (m3/h)

751.56 1.194 1.153 39.2266 0.062 1.594751.56 1.452 1.402 98.0665 0.147 1.992

751.56 1.740 1.680 117.6798 0.225 2.071

751.56 2.028 1.958 156.9064 0.292 2.196

751.56 2.334 2.253 215.7463 0.353 2.334

751.56 2.610 2.520 254.9729 0.401 2.406

751.56 2.904 2.804 294.1995 0.448 2.469

751.56 3.192 3.082 372.6527 0.489 2.571

751.56 3.450 3.331 411.8793 0.523 2.615

751.56 3.732 3.603 490.3325 0.557 2.690

2.2. Para empaque hmedo ( 0):Tenemos la siguiente tabla:

% de abertura del liquido=10%Pamb

(mmHg)AIRE

P (Pa) Log(V) Log(P)Caudal(n.c) (m3/h) Caudal,V (Pop,Top) (m3/h)

751.56 1.164 1.124 58.840 0.051 1.770751.56 1.734 1.674 137.293 0.224 2.138

751.56 2.04 1.969 176.519 0.294 2.247

751.56 2.334 2.253 215.746 0.353 2.334

751.56 2.616 2.526 254.972 0.402 2.406

751.56 2.898 2.798 294.199 0.447 2.469

751.56 3.186 3.076 372.652 0.488 2.571

751.56 3.444 3.325 451.105 0.522 2.654

751.56 3.732 3.603 529.559 0.557 2.724


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% de abertura del liquido=20%Pamb

(mmHg)AIRE


751.56 1.164 1.124 58.839 0.051 1.770

751.56 1.734 1.674 137.293 0.224 2.138

751.56 1.980 1.912 176.519 0.281 2.247

751.56 2.340 2.259 215.746 0.354 2.334

751.56 2.616 2.526 254.972 0.402 2.406

751.56 2.916 2.815 294.199 0.450 2.469

751.56 3.198 3.087 372.652 0.490 2.571

751.56 3.468 3.348 411.879 0.525 2.615

751.56 3.744 3.615 451.105 0.558 2.654

% de abertura del liquido=30% ( se inunda a un volumen de 70)

Pamb(mmHg)

AIREP (Pa) Log(V) Log(P)

Caudal(n.c) (m3/h) Caudal,V (Pop,Top) (m3/h)

751.56 0.931 0.899 58.860 -0.046 1.770

751.56 1.402 1.353 137.340 0.131 2.138

751.56 1.637 1.580 176.580 0.199 2.247

751.56 1.882 1.817 215.820 0.259 2.334

751.56 2.088 2.016 255.060 0.304 2.407

751.56 2.549 2.461 333.540 0.391 2.523751.56 3.019 2.915 412.020 0.465 2.615

751.56 3.221 3.109 451.260 0.493 2.654

% de abertura del liquido=35% ( se inunda a un volumen de 40)Pamb

(mmHg)AIRE


751.56 0.946 0.913 58.860 -0.040 1.770

751.56 1.157 1.117 98.100 0.048 1.992751.56 1.392 1.344 137.340 0.128 2.138

751.56 1.637 1.580 176.580 0.199 2.247

751.56 1.834 1.770 215.820 0.248 2.334


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% de abertura del liquido=40% ( se inunda a un volumen de 35)Pamb

(mmHg)AIRE


751.56 0.653 0.630 58.860 -0.200 1.770

751.56 0.931 0.899 98.100 -0.046 1.992

751.56 1.162 1.121 117.720 0.050 2.071

751.56 1.387 1.339 137.340 0.127 2.138

751.56 1.632 1.576 196.133 0.197 2.293

A partir del 30% de abertura de la vlvula del lquido, se comienza a apreciar a inundacin es decir, laacumulacin del lquido en el fondo de la torre. A partir de este punto, la cada de presin en la torre comienza aelevarse rpidamente.

Podemos determinar el valor de la velocidad de carga y de inundacin y tambin las prdidas de carga por mediode las grficas tabuladas (Log(V) vs Log(P)) de manera experimental, como de manera terica (Ecuacin de

Ergun y la grfica de Lobo). Podemos comparar cada una de ellas y obtener el valor ms exacto.

2.3. Grficamente:

Podemos observar el comportamiento del flujo de gas en una torre empacada y determinar la velocidad deinundacin.

1.500

1.700

1.900

2.100

2.300

2.500

2.700

2.900

-0.210 -0.110 -0.010 0.090 0.190 0.290 0.390 0.490 0.590

Log(P)

Log(V)

Comportamiento de Flujo de Gas

L=0

L=10%

L=20%

L=30%

L=35%

L=40%


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30% de Flujo de agua

Experimentalmente se determina que para un flujode lquido igual a L=0.054m3/h el caudal en elPunto de Inundacin es:

Con lo cual la velocidad en el punto de

inundacin es:

Como no se poseen datos que especifiquenla velocidad del gas en el punto de carga, esrecomendable asumir un porcentaje entre 50y 75 % de la velocidad en el punto deinundacin.


Experimentalmente se determina que para un flujode lquido igual a L=0.063m3/h el caudal en elPunto de Inundacin es:


inundacin es:

Como no se poseen datos en la bibliografaque especifiquen la velocidad del gas en elpunto de carga, normalmente se recomienda

50 a 75 % de la velocidad en el punto deinundacin.


Experimentalmente se determina que paraun flujo de lquido igual a L=0.054m3/h elcaudal en el Punto de Inundacin es:


inundacin es:

Como no se poseen datos en la bibliografaque especifiquen la velocidad del gas en elpunto de carga, normalmente se recomienda50 a 75 % de la velocidad en el punto deinundacin.

3. Cada de Presin para el flujo de dos fases(flujo simultneo a contracorriente de agua yaire):

Una vez calculada la velocidad de inundacinexperimental a partir de la grafico de Lobo, secalculara la velocidad terica de inundacin de lacolumna y finalmente se realizara una comparacinentre ambas. Conociendo que :

L


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3.1.Velocidad de inundacin Terica:

El clculo de la velocidad de inundacin teorica serealiza a partir del grfico de Lobo, en el eje deabscisas se representa:

Donde:

L: Caudal msico del lquido (Kg/h)

V: Caudal msico del gas (Kg/h)

Densidad del lquido (Kg/m3)

Densidad del gas (Kg/m3

)

Y en el eje de las ordenadas:

() ( )

Donde:

: Velocidad del gas referida a la seccintransversal de lecho (m/s)

: rea de la superficie de relleno seco por unidadde volumen de relleno (m2/m3): viscosidad del agua a 20 C (cp.): viscosidad del liquido (cp)g: Aceleracin de la gravedad. . (g=9.81 m/s2).

: porosidad o fraccin de huecos del relleno

adimencional

Figura 6. Grafica de Lobo.

3.2. Clculos:

Datos fsicos que no varan:

g = 9.81 m/s2 a T=25 C = Kg/m Kg/m

Datos experimentales que varan para cada caso de

inundacin:

% AGUAAGUA(l/min)

%AIRE

Caudal(m3/h)

30.00 0.36 67.10 3.1135.00 0.53 38.20 1.7740.00 0.68 34.00 1.576

Determinamos el valor que vamos a ubicar en lasordenadas, para cada caso de Inundacin:

A este valor se toma logaritmo. (La siguiente tablarefleja este procedimiento para los tres puntos deinundacin:


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V (Kg/h) L (Kg/h)(L/V)*(g/

L)^0.53.752 54 0.500

2.136 63 1.025

1.902 72 1.315

Y con la grfica de Lobo obtenemos:

EN LAGRAFICA (cte)

0.0300.0200.003

( )

Despejando :

=

()

(

)

)

0.5

Entonces, reemplazando la velocidad de inundacinser:

EN LAGRAFICA

(cte) VG teorico (m/s)VG exp.(m/s) %Desvia

0.03 0.163 0.152 6.7480.02 0.095 0.087 8.4210.015 0.082 0.077 6.097


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4. Cada de presin para el flujo de una nicafase (flujo de aire)

Se determinaran cadas de presin empleando laEcuacin de Erguen, y luego se compararan con losdatos experimentales.

Datos experimentales:

Aire

P (mmh20)(%)Caudal (n. c.)(m3/h)

Caudal, V(Pop, Top)(m3/h)

19.90 1.194 1.153 0.40

24.20 1.452 1.402 1.00

29.00 1.74 1.68 1.20

33.80

2.028

1.958

1.6038.90 2.334 2.253 2.20

43.50 2.61 2.52 2.60

48.40 2.904 2.804 3.00

53.20 3.192 3.082 3.80

57.50 3.45 3.331 4.20

62.20 3.732 3.603 5.00

Cada de cada de presin:

Para empaque seco (L=0), emplearemos la ecuacinde Ergun.

Ecuacin de Ergun :

Donde:

G': flujo de gas (Kg/m.s)Caudal msico dellquido (Kg/h)

: porosidad o fraccin de huecos del rellenoadimencional.

: viscosidad absoluta del gas (cp) : porosidad o fraccin de huecos del relleno

adimencional. : rea de empaquetado por unidad de

volumen (m2/m3)

Datos:

Z=1.4 m (altura de la columna)e= 0.38gc =1 ; Pg=1.1606

Para: L=0 , % Abertura de aire =19.9

y G=13 ,halllamos

Luego:

( )

Finalmente se hallan los otros valores de caigasde presion y se comparan con los experimentales:


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G G' Re P teo. P exp. % variacion

1.153 0.005 961.895 0.005 0.004 0.20490846

1.402 0.007 1169.624 0.007 0.010 0.35699084

1.68 0.008 1401.547 0.011 0.012 0.142273931.958 0.009 1633.470 0.014 0.016 0.12709543

2.253 0.011 1879.575 0.019 0.022 0.175335412.52 0.012 2102.320 0.023 0.026 0.113527312.804 0.013 2339.249 0.029 0.030 0.04035054

3.082 0.015 2571.171 0.035 0.038 0.09295893

3.331 0.016 2778.901 0.041 0.042 0.0357226

3.603 0.017 3005.818 0.047 0.050 0.05535985


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1er laboratorio lou-i

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