Examen Final Transferencia de Masa (1)

8/10/2019 Examen Final Transferencia de Masa (1)

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DISEO DE UNA COLUMNA EMPACADA PARA LA ABSORCIN DE METANOL DE UNACORRIENTE METANOL-AIRE CON AGUA

Examen final transferencia de masa

Presentado a:

Ingeniero Gerardo Rodrguez

Presentado por:

Luis Eduardo Jimnez Cucaita

Jess Ricardo Arias Munvar

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniera

Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

Ingeniera Qumica

2012


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TABLA DE RESULTADOS

G'= 635,04 kg/h Qvolumtrico 524,93 m^3/h

G= 21837,69 mol/h Y1= 0,08108

y1= 0,075 PM1(gas)= 29,08

P= 101325 Pa

T= 20 C

%Absorcin 99 %

DAC= 1,48057E-05

DAB= 2,21935E-09

Tabla 1. Condiciones de entrada del gas

y2= 0,00081015 Y2= 0,00081081

x2= 0 X2= 0

Tabla 2. Condiciones de salida

Tcomercial= 0,743

Atcomercial= 0,43 m^2

G'= 0,41 kg/s*m^2 G= 13,99 mol/s*m^2L'= 4,49 kg/s*m^2 L= 248,40 mol/s*m^2

Tabla 3. Clculo del dimetro de la torre y los flujos

Sc(g)= 0,9986

Fg=1,08

mol/s*m^2

Htg= 0,26 m

Z= 5,19 mZ

sobredimensionado= 6,22 m

Tabla 4. Clculo de la altura de la torre


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Lquido= 0,03418916 gas=1,2

kg/m^3

Lquido=

997kg/m^3 gas= 1,7886E-05

Grav.espec= 1 kg/m^3

lquido= 0,00101957

x1A 0,00627305 y1A 0,075

x1B 0,99372695 y1C 0,925

x2A 0 y2A 0,00081015

x2B 1 y2C 0,99918985

xApromedio= 0,00313652 yApromedio= 0,03790508

xBpromedio= 0,99686348 yCpromedio= 0,96209492

Tabla 5. Propiedades de los fluidos

Recalculando la cada de presin:

Cada de presin establecida 400 Pa/ma recalculado 0,3849b recalculado 0,0076

Cada de presin real(leda de la grfica) 75 Pa/m

Altura del lquido en el fondo de la torre

P/z= 75 Pa/m

P= 466,87 Pag= 9,8

L= 997,260083 kg/m^3h Sello del lquido= 0,047770635

Potencia de la Bomba y del Ventilador

P = 466,87 Pa

mga s= 1,76E-01 Kg / s

mlqui do= 1,95 Kg / sL= 997,260 kg/m

g= 1,21 kg/m

q gas= 0,15 m/sP op = 101325,00 Pa

g= 9,80 m/sH sopladorr= 84203,09P soplador= 181,95 kW


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P bomba = 148,55 W

Tabla 6. Cada de presin y potencias a suministrar

Altura Total

Altura del empaque= 6,225 mSello del lquido= 0,048 m

Altura de la tapa= 0,152 mRedistribuidor lquido 0,105 mSoporte de empaque= 0,114 m

Altura distribuidor= 0,051 m

Dg= 0,152 mEntre Distribuidor-Tapa= 0,229 m

DL= 0,050 mAltura Total= 7,13 m

Tabla 7. Altura total de la torre empacada

DESCRIPCIN DEL PROBLEMA

Se desea dimensionar una columna empacada de absorcin para recuperar metanol de una

corriente aire-metanol usando agua como sustancia absorbente.

Los siguientes son los datos para el diseo:

Torre empacada

Empaque:Sillas Berl de cermica de 1 pulgada

Flujo de gas:1400 libras/hora

Composicin del gas de entrada:7.5% molar

Porcentaje de absorcin:99%

Flujo de liquido:1.5 veces el mnimo

Presin de operacin:1 atm

Operacin Isotrmica:20C

Difusividad del soluto en el liquido:0.0000686 pie2/h


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Datos de equilibrio

Equilibrio y= 12.2x donde y, x son fracciones molares.

Equilibrio

A continuacin se presenta el equilibrio tanto en fracciones como en relaciones molares:

Figura 1. Equilibrio y=12.2x donde y, x son fracciones molares

Datos del equilibrio

x y x Y0.00000 0.00000 0.04200 0.51240

0.00300 0.03660 0.04500 0.54900

0.00600 0.07320 0.04800 0.58560

0.00900 0.10980 0.05100 0.62220

0.01200 0.14640 0.05400 0.65880

0.01500 0.18300 0.05700 0.69540

0.01800 0.21960 0.06000 0.73200

0.02100 0.25620 0.06300 0.76860

0.02400 0.29280 0.06600 0.80520

0.02700 0.32940 0.06900 0.841800.03000 0.36600 0.07200 0.87840

0.03300 0.40260 0.07500 0.91500

0.03600 0.43920 0.07800 0.95160

0.03900 0.47580 0.08100 0.98820

Tabla 1. Datos equilibrio y=12.2x donde y, x son fracciones molares

y = 12.2x - 1E-15

R = 1

0.00000

0.10000

0.200000.30000

0.40000

0.50000

0.60000

0.70000

0.80000

0.90000

1.00000

0.00000 0.02000 0.04000 0.06000 0.08000 0.10000

y

x

Equilibrio y, x en fracciones molares

Series1

Linear (Series1)


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Figura 2. Equilibrio Y, X en relaciones molares

Datos del equilibrio

X Y X Y

0.00000 0.00000 0.04384 1.05086

0.00301 0.03799 0.04712 1.21729

0.00604 0.07898 0.05042 1.41313

0.00908 0.12334 0.05374 1.646900.01215 0.17151 0.05708 1.93083

0.01523 0.22399 0.06045 2.28299

0.01833 0.28139 0.06383 2.73134

0.02145 0.34445 0.06724 3.32152

0.02459 0.41403 0.07066 4.13347

0.02775 0.49120 0.07411 5.32111

0.03093 0.57729 0.07759 7.22368

0.03413 0.67392 0.08108 10.76471

0.03734 0.78317 0.08460 19.66116

0.04058 0.90767 0.08814 83.74576Tabla 2. Datos equilibrio Y, X en relaciones molares

y = 234.7607327x2+ 11.0192997x + 0.0021663

R = 0.9998915

0.00000

0.10000

0.20000

0.30000

0.40000

0.50000

0.60000

0.00000 0.00500 0.01000 0.01500 0.02000 0.02500 0.03000

Y

X

Equilibrio en relaciones molares X vs Y

Series1

Series3

Poly. (Series1)

Linear (Series3)


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MUESTRA DE CLCULOS:

El primer dato que nos da el enunciado del problema es el flujo msico en libras por hora, para

hacer un manejo total del ejercicio en el sistema internacional, lo convertimos a kilogramos por

hora.

Ahora calculamos las composiciones en las dos fases, gas y lquido:

y1A 0.075 x1A 0.006273049

y1C 0.925 x1B 0.993726951

y2A 0.000810154 x2A 0

y2C 0.999189846 x2B 1

yApromedio 0.037905077 xApromedio 0.003136524

yCpromedio 0.962094923 xBpromedio 0.996863476

Tabla 3. Composiciones x, y. La notacin que se usa corresponde a A: METANOL, B: AGUA, C:AIRE.

Con ayuda del complemento de ASPEN para Microsoft Excel calculamos las propiedades del

gas y del lquido con sus composiciones promedio.

Lquido Valor Unidades Gas Valor Unidades

Lquido 0.03418916

gas 1.20976882 Lquido 997.260083 gas 1.7886E-05 Lquido 0.00101957

PM Gas 29.08 PM lquido 18.0880736

Tabla 4. Propiedades del lquido y el gas.

Conociendo estos valores procedemos a calcular el flujo molar de entrada:

Del mismo modo calculamos el flujo volumtrico de entrada:


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Con lo cual calculamos,

Clculo del dimetro de la torre:

Conociendo todas las composiciones procedemos a calcular los flujos de inertes:

Teniendo calculamos ,

Una vez calculado el , en las especificaciones del problema tenemos que:

Una vez obtenido el procedemos a calcular L mediante:

*


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Una vez obtenida la relacin L/G procedemos a calcular el parmetro a de la figura 6.34 del TextoOperaciones de Transferencia de Masa de Treybal, R.

Una vez obtenido este parmetro leemos de la grfica el correspondiente b de tal modo que la

cada de la presin dentro de la torre sea de 400 Pa/m,

Una vez obtenemos b, despejamos G

( ) +

,

Una vez calculamos G despejamos el rea transversal y por ende el dimetro de la columna .

A su vez,


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Entonces

*

Para tener un intervalo de seguridad, sobre diseamos este dimetro un 20 o 30% hasta el

dimetro comercial superior que sea adecuado, por lo tanto:

Ahora re calculamos el rea comercial:

Ahora tal como calculamos hasta el momento, obtenemos

G'

L

Con estos valores en la grfica 6.34 del Texto Operaciones de Transferencia de Masa de Treybal,

R. Podemos calcular el L de inundacin

Siguiendo los procedimientos de clculos obtenemos:

= 0.41336884 H= 0.74763487

ds= 0.032 Lo= 0.04026173

L0= 0.64136833 Ls= 0.00836994

m 73 Lt 0.04863167

n 0.07628352 aw= 65.7507778


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Conociendo la composicin central del lquido en la lnea operatoria se inicia un proceso iterativo

suponiendo la composicin interfacial para obtener un resultado del que debe ser igual al para finalizar la iteracin. Pero para comprobar que es el resultado correctose usa el criterio de que la composicion en la interfase debe ser la misma del equilibrio.

* Una vez se cumplen estos dos criterios por medio de la herramienta Solver en excel se procede a

calcular y posteriormente El resultado obtenido es

Se procede a calcular la fuerza impulsora central con los valores del intervalo de y *

Se genera la grfica de la fuerza impulsora central y de manera anloga se procede con las

demas fuerzas impulsoras.

Grfica 2. Fuerzas impulsoras de la absorcin en columna empacada Etanol-agua

0.00000

0.02000

0.04000

0.06000

0.08000

0.10000

0.12000

0.00000 0.00200 0.00400 0.00600 0.00800 0.01000

y vs x

Equilibrio Operatoria Interfaz Linear (Equilibrio)


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Teniendo todas las relaciones interfaciales se procede a hacer la coversin a fracciones molares

para realizar el clculo de la integral de de manera grafica buscando una funcion que relacione *vs y posteriormente se calcula la area bajo la curva en el intervalo de con el fin de determinar el valor de .

Grafica 3. Integral grfica de Se elige un ajuste polinomial, aunque se muestra que existen ciertos picos que no representan el

comportamiento real de la lnea, por tanto se decide haceruna integracin numrica por el mtodo

de Simpson para varios puntos.

Finalmente se calcula la altura del lecho empacado

Aplicando el factor de sobrediseo para la altura del lecho

Es importante mencionar que algunos datos, a los que se les hizo el tratamiento no fueron tomados

para realizar la integracin numrica, esto porque sus valores eran negativos y puede deberse a

los problemas de convergencia que presenta SOLVER .

Altura del lquido en el fondo de la torre

y = -8E+10x5+ 2E+10x4- 1E+09x3+ 4E+07x2- 536010x + 2737R = 1

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

funcin vs y

Series1 Poly. (Series1)


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La cada de presin en trminos de altura se define como:

Tuberia del lquido

Conociendo el valor del area se procede a calcular el diametro de la tuberia

Tanto la tubera de entrada del lquido como la de salida tendrn el mismo dimetro

Tubera del gas

Utilizando el procedimiento anterior se procede a calcular la tuberia del gas, la velocidad

ptima del gas se toma como 8 veces la velocidad del liquido para evitar que esta sea

demasiado grande.

Tanto la tubera de entrada del gas como la de salida tendrn el mismo dimetro

Peso del empaque

El volumen del empaque es calcuado como

Para el calculo del peso del empaque se encontro un valor de densidad 1588,90 lb/m3 para Sillas

Berl ceramica de 1 pulg, dicho valor se encuentra reportado en la literatura

Soporte del empaque

Para nuestro caso, segn el fabricante, lo ms recomendable es utilizar el modelo NORTON 818

Metal, debido a que la relacin de lb/ft2para nuestro ejercicio es de 300 y que estamos manejando

lecho de cermica lo cual nos impide utilizar los modelos FRP.


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El rango de dimetro se encuentra dentro de los establecidos para nuestro ejercicio, la altura para

este caso sera de 4,5

Con base en esto se recomienda el Modelo 818 placa de apoyo metlico en acero inoxidable

(NORTON), ya que teniendo en cuenta que la masa de empaque por unidad de rea de la torre

empacada es de 698.28 lb/ft2 y el dimetro del soporte es de 29 pulgadas estas medidas se

encuentran en el intervalo propuesto por el catlogo que es de 12 a 36 y soporta una cantidad

de 1000lb/ft2.

Plato retenedor

Segn las especificaciones del fabricante, para el dimetro de nuestra columna y el material del

lecho lo ms recomendable es utilizar el plato NORTON Modelo 824 de altura 2 este plato evita

que la parte superior del lecho empacado sufra fluidizacin y se rompa.

Distribuidor de lquido

Este accesorio se utiliza cuando se introduce a la columna una corriente liquida externa, segn las

recomendaciones del distribuidor este debe ubicarse de 6 a 12 sobre el empaque, en nuestro

caso lo ubicaremos a 9, para minimizar los costos en dist ribuidor de lquido vamos a utilizar el ms

comn que es NORTON modelo 845 cuya altura son 7


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Redistribuidor de lquido

Son muy tiles cuando el lecho tiene una altura considerable, la inclusin de este accesorio a

nuestro ejercicio muestra ms una gua de clculo a nivel acadmico que la necesidad que este

representa para nuestro sistema.

El redistribuidor escogido sera el NORTON modelo 950 debido a que es el nico que se ajusta aldimetro de nuestra torre.

Potencia del ventilador y de la bomba

Cada de presin en la zona empacada

Cabeza de velocidad

( ) Potencia del soplador, se supone la eficiencia del 80%

Potencia de la bomba, se supone la eficiencia del 80%

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