exposicion torres empacadas

LABORATORIO DE PROCESOS QUIMICOSPractica No. 1 : Torres empacadas

MARCO TEÓRICO

Las torres empacadas o rellenas consisten en una columna cilíndrica, son utilizadas para el contacto continuo del liquido y gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, los empaques o relleno son dispositivos de superficie grande

Torres empacadas

CARACTERÍSTICAS DE LOS EMPAQUES

Proporcionar una área superficial grande de contacto entre el liquido y el gas.

La fracción de vacío debe ser grande para permitir el paso de volúmenes de fluidos por secciones transversales pequeñas.

Ser químicamente inerte Tener un bajo costo Ser estructuralmente fuerte y de buena

resistencia mecánica sin demasiado peso.

EMPAQUES AL AZAR Y EMPAQUES ORDENADOS

Los empaques pueden ser fabricados de metal, cerámica o polímeros. La diferencia entre los dos tipos de empaques, al azar y el regular, es la fracción de vacío que se obtiene.

HIDRODINÁMICA DE LAS TORRES EMPACADAS. La Hidrodinámica, es la rama de la mecánica de

fluidos que se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento, es decir, el movimiento y el equilibrio de los líquidos. Específicamente permite estimar el diámetro de las columnas de tal forma de que la velocidad de gas de operación no produzca acumulación de líquidos en la torre.

Se basa en la realización de pruebas hidrodinámicas y de transporte de masa en columnas experimentales para estudiar las propiedades de transferencia de masa en los distintos tipos de empaque que se ofrecen en el mercado para la separación de distintas mezclas químicas

Pérdida de Carga (Caída de presión) Es la pérdida de presión que se produce en

un efluente gaseoso al pasar por un torre empacada debido a la fricción con las paredes y empaques, los cambios de volumen, cambios en el área libre eficaz del lecho empacado, etc.

La caída de presión y la ecuación de Leva Leva desarrolló la siguiente correlación para la

caída de presión en lechos empacados irrigados

ΔP/Z: Caída de Presión por altura de empaque [inH2O/ft de empaque]= (mmH2O/m de empaque)C2y C3: Constantes de la correlación de la ecuación de Leva ut: Velocidad superficial del líquido [ft/s]Ut: Velocidad superficial del gas [ft/s]ρg: Densidad del gas [lb/ft3]

La correlación de Leva se desarrolló a partir de datos de pruebas para el sistema aire-agua, funcionando por debajo del punto de inundación. Sin embargo, ésta aún no se ha comprobado ampliamente.

Puesto que el desarrollo de la inundación se lleva a cabo para cada empaque mediante el mismo mecanismo, se puede esperar (y se ha confirmado) que la caída de presión en la inundación es independiente de la relación líquido-gas y sólo depende de las propiedades físicas del sistema.

Tipo de empaque

Tamaño nominal

[in]

Espesor de la pared

C2 C3 Intervalo de L

[lb/h.ft2]

Anillos

Rasching

½ 3/32 3,50 0,0577 300-8600¾ 3/32 0,82 0,0361 1800-10800

1 1/8 0,80 0,0348 360-270001 ½ ¼ 0,30 0,0320 720-18000

2 ¼ 0,28 0,0236 720-21600

Sillas Berl

½ --- 1,50 0,0272 300-14100¾ --- 0,60 0,0236 360-144001 --- 0,40 0,0236 720-28800

1 ½ --- 0,20 0,1810 720-21600

Coeficientes para la correlación de Leva.

ANEMÓMETRO

El principio de funcionamiento se basa en que el flujo de aire empuja las semiesferas y estas hacen girar el eje. El número de vueltas por minuto se traduce en la velocidad del viento con un sistema de engranajes similar al del indicador de velocidad de los vehículos de motor

ROTÁMETRO Consiste en un tubo

ahusado en el que el flujo se dirige verticalmente hacia arriba.

Un flotador se mueve hacia arriba o hacia abajo en respuesta a la razón de flujo hasta que se alcanza una posición en la que la fuerza de arrastre del flotador se equilibra con su peso sumergido

PLATINA DE ORIFICIOS La placa de orificio es el

elemento primario para la medición de flujo más sencillo,

Se conecta por la toma de alta presión, se coloca perpendicular a la tubería y el borde del orificio, se tornea a escuadra con un ángulo de 900 grados, al espesor de la placa se la hace un biselado con un chaflán de un ángulo de 45 grados por el lado de baja presión,

El biselado afilado del orificio es muy importante, es prácticamente la única línea de contacto efectivo entre la placa y el flujo, cualquier rebaba, ó distorsión del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la medición

1. Válvula de entrada de aire.

2. Cuerpo de la torre.3. Distribuidor de liquido.4. Válvula de entrada de

agua.5. Platina de orificios.6. Distribuidor de aire.7. Empaque de la torre.8. Rotámetro.9. Salida de aire.10. Turbina.11. Lectura de presión.12. Encendedor del reóstato.13. Regulador de voltaje

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS TORRES EMPACADAS EN EL LAB. DE PROCESOS DE ING. QUIMICA

Características Torre 1 Torre 2 Torre 3 Torre 4

Altura de relleno 103 cm 115 cm 115 cm 115 cm

Diámetro interno 14 cm 14 cm 14 cm 14 cm

Diámetro de salida de aire

1 (5/8) in 1 (5/8) in 1 (5/8) in 1 (5/8) in

Tipo de empaque

Anillo Anillo Anillo Berl

Diámetro externo

¾ in ½ in 3/8 in 13/32 in

PROCEDIMIENTO

Calibración de la platina de orificiosPara la calibración de la platina se tomaron 7 posiciones entre 20 – 70 en el reóstato; para cada posición se espero a que el flujo de aire a través de la torre llegara a estado estacionario alrededor de 3 minutos. Posteriormente, se midió el flujo de salida de aire con un anemómetro en m/s para cada punto del reóstato así como también se midió la caída de presión en el manómetro de la platina ubicada a la derecha de la torre

Calibración del rotámetro.En este caso se tomaron 7 posiciones en el rotámetro entre 70 -230, al igual que en la calibración de la platina se esperaron alrededor de 3 minutos que el flujo de agua a través de la torre se estabilizara, luego en una probeta de 2000 ml y para un tiempo determinado se recolecto un volumen de agua para después calcular el caudal para cada posición.

Mezcla aire-agua para 2 torres empacadas con empaque Raschig de diferente tamaño nominal

Se hizo fluir agua y aire en contracorriente manteniendo 3 posiciones fijas en el rotámetro y para cada una de ellas se vario 5 posiciones en el reóstato. Todas estas posiciones dentro del rango de la calibración. En dichas condiciones se midieron las caídas de presión en la torre.

CALIBRACIÓN DEL ROTAMETRO

Los datos tomados fueron los siguientes:

Altura del

rotámetro

Volumen (ml)

Volumen (m3)

Tiempo (s) Caudal (m3/s)

70 820 0,00082 20 0,000041

80 960 0,00096 20 0,000048

100 1140 0,00114 20 0,000057

120 1390 0,00139 20 0,0000695

150 1780 0,00178 20 0,000089

180 1130 0,00113 10 0,000113

220 1400 0,0014 10 0,00014

Curva de calibracion

50 100 150 200 2500

0.000020.000040.000060.00008

0.00010.000120.000140.00016

Calibración de Rotámetro

Calibración de RotámetroLinear (Calibración de Rotámetro)

Posicion del rotametro.

Ca

ud

al

(m3

/s)

Q=7x10-7 *(Posición del rotámetro)-7x10-6. Con un R2=0,9959.

CALIBRACIÓN DE LA PLATINA DE ORIFICIOS

Punto en el

reóstato

Caída de presión

[mmH2O]

ΔP [Pa] Velocidad del aire 1

[m/s]

Velocidad del aire 2

[m/s]

Velocidad Promedio

[m/s]

20 41 402,0747 2,5 2,51 2,505

30 90 882,603 3,09 3,14 3,115

35 112 1098,3504

3,79 3,71 3,75

40 138 1353,3246

4,13 4,1 4,115

60 243 2383,0281

5,05 5,11 5,08

70 370 3628,479 5,9 5,9 5,9

Datos tomados en el lab. para la calibración de la platina

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

1

2

3

4

5

6

7

Calibración de la Platina

Calibración de la PlatinaPolynomial (Calibración de la Platina)

ΔP [Pa]

Ve

locid

ad

Pro

me

dio

[m

/s]

Velocidad Promedio (m/s)

(ΔP)0,5 [Pa]0,5

2,505 20,05180042

3,115 29,70863511

3,75 33,14136992

4,115 36,7875604

5,08 48,8162688

5,9 60,23685749

Se le saca raíz cuadrada a los datos de la presión para obtener una curva de calibración lineal

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 650

1

2

3

4

5

6

7

f(x) = 0.0867481344537535 x + 0.770335922853506R² = 0.986805545345398

Calibración de la Platina

Calibración de la PlatinaLinear (Calibración de la Platina)

(ΔP)0,5 [Pa]0,5

Ve

locid

ad

Pro

me

dio

(m

/s)

Calculo del coeficiente de arrastre:

El ajuste da como resultado una línea recta cuya ecuación es Vg = 0,0867(ΔP)0,5 + 0,7703

. Ecuación para determinar Cd

Vg= Velocidad del aire, [m/s]Cd= Coeficiente de arrastreρ= Densidad del aire = 1,18 [Kg/m3]β= Diámetro del orificio / Diámetro de la tubería = 0,625 in / 1,5 inLa pendiente de la regresión es igual a 0,0867, e igualando:

Se encuentra el valor del coeficiente de arrastre y es igual a 0,065584233

Para hallar una curva teórica se hace uso de la ecuación de Leva y sus constantes para el sistema agua-aire, y linealizando la expresión utilizando propiedades de los logaritmos para cada torre analizada en la práctica se llega a la siguiente expresión:

Torre 1: Anillos Rasching ¾ inC2=0,82 C3=0,0361

Torre 2: Anillos Rasching ½ inC2=3,50 C3=0,0577

Posición del Rotámetro: 90

Velocidad del líquido [ft/s]: 0,362589

Caída de presión Torre (mmH2O)

Caída de presión torre (Pa)

Log(∆P/L)

5 49,0335 1,6776556699 88,2603 1,932928175

20 196,134 2,27971566128 274,5876 2,42584369634 333,4278 2,510164582

Calculo caída presión teórico

(∆P/L)

∆P (mm H2O)

∆P (Pa) Log(∆P/L)

5,640877503 5,810103828

56,97794521

1,742869559

6,927660343 7,135490153

69,97561129

1,832109476

15,27265799 15,73083773

154,2676064

2,175437516

23,66373606 24,37364814

239,0250552

2,365606202

26,21891423 27,00548166

264,8346569

2,410137593

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.850

0.5

1

1.5

2

2.5

3

90

Teorico

Linear (Teorico)

Experimental

Linear (Experimen-tal)

Log(vg)

Log(∆

P/L

)



Caída de presión (mmH2O)

Caída de presión torre (Pa)

Log(∆P/L)

7 68,6469 1,82378370510 98,067 1,97868566521 205,9407 2,3009049632 313,8144 2,48383564335 343,2345 2,52275371


(∆P)

∆P (mmH2O)

∆P( Pa) Log(∆P/L)

5,683541598 5,854047846

57,40889101

1,746141933

6,980056864 7,18945857 70,50486336

1,835381851

15,38817089 15,84981602

155,4343908

2,178709891

23,84271386 24,55799528

240,8328923

2,368878577

26,41721781 27,20973435

266,8377018

2,413409967

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.850

0.5

1

1.5

2

2.5

3

110

TeoricoLinear (Teorico)ExperimentalLinear (Experimental)

Log(vg)

Log(∆

P/L

)



Caída de presión (mmH2O)

Caída de presión torre

(Pa)

Log(∆P/L)

8 78,4536 1,88177565211 107,8737 2,0200783527 264,7809 2,41004942941 402,0747 2,59146952248 470,7216 2,659926903


(∆P)

∆P (mmH2O)

∆P (Pa) Log(∆P/L)

5,857449321 6,033172801

59,16551571

1,75923143

7,193635981 7,409445061

72,66220488

1,848471347

15,8590255 16,33479627

160,1904466

2,191799387

24,57226462 25,30943256

248,2020123

2,381968074

27,22554448 28,04231081

275,0025294

2,426499464

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.850

0.5

1

1.5

2

2.5

3

190

TeoricosLinear (Teoricos)ExperimentalLinear (Experimental)

Log(vg)

Log(∆

P/L

)

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.850

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Datos Experimentales Torre 2

90

Linear (90)

110

Linear (110)

190

Linear (190)

Log(vg)

Log

(delt

aP

/L)

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.850

0.5

1

1.5

2

2.5

3Datos Experimentales Torre 1

90Linear (90)110Linear (110)190Linear (190)

Log(vg)

Lo

g(∆

P/L

)

CONCLUSIONES

Los valores de la calibración tanto del rotámetro como del reóstato tienen un coeficiente de correlación alto que indica un buen ajuste de los datos a las curvas

Para el caso de las torres, el error entre los valores tomados en la práctica y los valores teóricos calculados, aumenta al subir la posición en el reóstato y así mismo al incrementar el valor en el rotámetro, debido a que cada vez que aumentaban dichos valores la torre estaba más cerca de la inundación.

Al disminuir el tamaño del empaque, la columna se inundó más rápido utilizando menor flujo de agua y aire comparado con tamaños mayores de anillos Rasching, debido a que la resistencia aumenta en la torre a mayor área de contacto.

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