Guia Pract 2 Loui Final

7/30/2019 Guia Pract 2 Loui Final

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Universidad Nacional de Ingeniera

Escuela Profesional de Ingeniera Petroqumica

Laboratorio De Operaciones Unitarias I

PRCTICA No. 2:

DETERMINACIN DE LAS CAIDAS DE PRESION (PERDIDA DE CARGA) EN UNA TORRE

EMPACADA DE ABSORCIN GASEOSA PARA EL SISTEMA AGUA-AIRE

1. OBJETIVOS:

1.1 Determinar experimentalmente las cadas de presin en la columna de absorcin de

gases

1.2 Determinar las condiciones en las cuales se produce el proceso de arrastre y

anegamiento de la columna.

2. CONOCIMIENTOS NECESARIOS PARA EL DESARROLLO DE LA PRACTICA

Separacin por absorcin

Columna de empaque

Empaques, caractersticas fsicas, tipos

Flujo a contracorriente del lquido y el gas a travs del empaque

Punto de carga e inundacin

Cada de presin para el flujo de una nica fase

Cada de presin para el flujo de dos fases, correlacin generalizada para Inundacin y cada

de presin en torres con empaques al azar (Correlacin de Lobo, Eckert)

3. FUNDAMENTO TEORICO

La absorcin es una operacin bsica de transferencia de materia. Consiste en la

transferencia de uno o varios componentes de una mezcla gaseosa a una fase lquida por el

contacto con un disolvente adecuado. Tras la rectificacin, quizs sea la operacin de

transferencia de materia ms importante. Algunos procesos que ponen de manifiesto la

importancia de la absorcin son: la recuperacin de vapores disolventes o gasolina natural de


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corrientes gaseosas, los tratamientos de gases en las refineras y la descontaminacin de

gases industriales.

Las operaciones de separacin de componentes por transferencia de materia implican el

contacto de dos fases inmiscibles. Este contacto puede ser intermitente, como ocurre en las

columnas de pisos, o continuo, como sucede en las columnas de relleno.

Aunque hay otros dispositivos para conseguir el contacto de las fases (cmaras de

pulverizacin, burbujeadores de gases, etc.), los ms usados en los procesos de absorcin

son las columnas de relleno.

El diseo de estas columnas contempla aspectos como las caractersticas del relleno o las

condiciones de funcionamiento. De esta forma, el conocimiento de los diferentes tipos de

relleno permitir seleccionar el ms adecuado para cada caso en funcin de su rea

especfica (m2/m

3de volumen ocupado) y capacidad (velocidad de circulacin tolerable por

ambas fases).

Conocidas las condiciones hidrodinmicas de funcionamiento (caudal de mojado, velocidad de

anegamiento, prdida de presin, etc.), es posible determinar el dimetro de la columna y los

caudales ptimos de gas y lquido. Una vez evaluados los coeficientes individuales de

transferencia de materia a travs de las fases lquida (kl ) y gaseosa (kg), se puede calcular la

altura de columna necesaria para conseguir el grado de separacin deseado.

2.1 Cadas de presin, caudal de arrastre y velocidad de anegamiento

En las torres empacadas se producen cadas de presin en el gas que son debidas al

empaque mismo, al roce contra las paredes del recipiente y al flujo del lquido que pasa por la

torre. En general, si graficamos P contra el caudal del gas tendremos para un gasto dado de

lquido el siguiente comportamiento (Figura 1):


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Figura 1

Del punto A al B las cadas de presin se pueden calcular por medio de grficas o por

ecuaciones. Correlaciones generalizadas de cada de presin han sido publicadas por LEVA,

ECKERT y un sinnmero de fabricantes de empaque.

El punto B se conoce como el punto de carga o arrastre. En l, una parte de la energa del gas

se usa para frenar el flujo de lquido en la torre, por lo que se reduce la seccin efectiva de

flujo de gas. En el punto C se produce el fenmeno llamado de inundacin o anegamiento, en

el cual la torre se vuelve inestable, ya que el lquido es retenido por el gas y no desciende,

inundndose la torre y detenindose la transferencia de masa.

Este punto de inundacin presenta el lmite superior de la velocidad posible del gas para un

flujo dado de lquido. En otras palabras, se presenta la inundacin cuando la prdida de

presin del gas es tan alta, que el peso del lquido no es suficiente para que este circule a

contracorriente con el gas.

Figura 2. Prdida de presin del gas a travs de los rellenos: Velocidades de arrastre y de

anegamiento


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En la figura 2 se presenta la relacin, para distintos caudales de lquido, entre la cada de

presin y el caudal de gas en lechos de relleno con piezas al azar.

Cuando el caudal del lquido es muy bajo, el rea abierta eficaz de la seccin transversal dellecho no difiere apreciablemente de la que presenta el lecho seco y la prdida de carga se

debe al flujo a travs de diferentes aberturas en el lecho.

Por ello, la perdida de carga resultar aproximadamente proporcional al cuadrado de la

velocidad del gas, como indica la regin AB.

Para caudales mayores, la presencia del lquido hace disminuir el rea abierta eficaz y una

parte de la energa de la corriente de gas se utiliza para soportar una cantidad creciente de

lquido en la columna (regin AB). Cualquiera que sea el caudal del lquido, existe una zona

en que la prdida 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 N 2. El aumento

en la prdida de carga se debe a la rpida acumulacin de lquido en el volumen vaco del

empaque.

Existe un mximo flujo de gas con que la torre puede operar, se le llama velocidad de

inundacin, por encima de esa velocidad no ocurre ningn tipo de transferencia y las prdidas

de carga en la torre tienden al infinito.

El Punto de Carga, es una condicin terica donde todas las partculas del empaque estn

cubiertas por una pelcula de lquido. Corresponde a un contacto gas lquido ptimo. Desde el

punto de vista operacional es el punto del proceso donde el aumento de las prdidas de carga

en la columna es funcin de ambos flujos y adems es paulatino, lo cual resulta favorable para

la transferencia de masa.

El Punto de Inundacin, es la fase de la operacin de la torre donde empieza a existir

retencin de lquido en las secciones de la torre; este punto se evidencia en la prctica por la

notable acumulacin del lquido en las paredes de la torre y el abundante burbujeo del mismo

por accin del flujo ascendente del gas. El rgimen de la fase lquida se vuelve turbulento y la

cada de presin en la torre aumenta de manera abrupta y eventualmente puede presentarse

el rebosamiento del lquido por el tope de la misma. El punto de inundacin es funcin

exclusiva de la velocidad del gas que asciende, en ocasiones es tal, que alcanza su velocidad

de inundacin y propicia que el lquido descienda con dificultad y se retenga gran cantidad de

ste. Se incrementa la cantidad de lquido que se acumula en la torre porque el gas no

permite la circulacin continua dentro de la misma, y el proceso de alimentar lquido a la


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columna no se detiene, an con el flujo de gas invariable, las prdidas de carga en la seccin

empacada de la columna tienden a elevarse dramticamente.

Para efectos del diseo no se poseen datos en la bibliografa que especifiquen la velocidad

del gas en el punto de carga, para ciertas columnas y sus caractersticas, pero normalmente

se recomienda 50 a 75 % de la velocidad en el punto de inundacin, el cual debe ser estimado

en el laboratorio a las condiciones de operacin del proceso que se est diseando.

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

4.1 Material Requerido

Vernier

Probeta de 500 ml

Balanza

Empaques anillos rashig de vidrio

4.2 Sustancias o Corrientes de Proceso

Aire comprimido

Agua

4.3 Descripc in del equipo

El procedimiento experimental se ha de realizar en la unidad CAGC (figura 3).


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Figura 3: Equipo CAGC. Columna de Absorcin de Gases


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La figura 4 representa de forma esquemtica al equipo y sus diferentes partes:

Figura 4:DIAGRAMA DEL PROCESO Y DISPOSICIN DE LOS ELEMENTOS


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La Columna de Absorcin de Gases (CAGC) es un equipo diseado para estudiar los procesos

hidrodinmicos y de absorcin en columnas de relleno. La instalacin absorbe CO2 de una mezcla

de aire en una solucin acuosa que desciende por la columna.

Columna de relleno que est formada por un tubo cilndrico de vidrio de 1400 mm de altura y 75

mm de dimetro interior. El relleno de la columna es de anillos Raschig de vidrio de 8mm.

Circuito de lquido (agua) y circuito de gas (aire y CO2 ).

El lquido, que se encuentra almacenado en un depsito de PVC de 40 l. de capacidad, se impulsa

hacia la columna con ayuda de una bomba centrfuga, controlada desde computador (PC), (caudal

mximo=540 l./h.).

El caudal que llega en cada momento a la columna se mide con un sensor de caudal.

El caudal de agua se controla mediante control PID.

El lquido alimenta a la columna por la cabeza de la misma a travs de una ducha difusora de

vidrio, que asegura una distribucin uniforme sobre el relleno.

Despus de atravesar la columna, el lquido es devuelto al depsito de almacenamiento a travs

de un conducto de PVC con sello hidrulico (para evitar posibles escapes de gas) que se dispone

de una llave reguladora de caudal y de una toma de muestras.

Compresor (soplante), controlado desde computador (PC), que proporciona un caudal mximo de

6 m3

/h y una presin mxima de salida de 1 bar.

El gas (CO2o amoniaco) esta suministrado por un cilindro, tipo botella.

Los caudales de ambos gases se miden con sensores.

Sensores de presin diferencial. La presin puede medirse en diferentes partes de la columna.

Sistema de mezclado de dos corrientes gaseosas.

Equipo de medida de CO2 que permite determinar la concentracin de dicho gas en las corrientes

procedentes de la parte superior y central de la columna. Est constituido por:

Una jeringa de vidrio de 100 ml de capacidad, destinada a extraer la cantidad precisa de

muestra para su anlisis.

Dos depsitos de vidrio situados a diferente altura e interconectados. En ellos se introduce

una disolucin acuosa de KOH en la que se absorber el CO2 contenido en la muestra de gas

a analizar.


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Vlvulas de tres vas para dirigir las corrientes gaseosas durante el proceso de anlisis.

Elementos de conexin.

4.4 Tcnica de operacin:

4.4.1 Tcnica de operacin para empaque seco

4.4.1.1. Se mide la presin atmosfrica (leda en un barmetro) y la temperatura de operacin

de la columna (temperatura del agua), para corregir los caudales de gas medidos en

los caudalmetros.

4.4.1.2. Se conecta la soplador de aire (comprobar que la vlvula de seguridad est abierta).

4.4.1.3. Abrir la vlvula VR1 y cerrar VR2.

4.4.1.4. Se fija el caudal de aire (ledo en condiciones normales en el caudalmetrocorrespondiente, previamente calibrado y fijado a las condiciones de operacin,

presin atmosfrica y temperatura) mediante la vlvula VR1. Se anota la cada de

presin (leda en los manmetros del panel) que sufre el gas al atravesar la columna.

4.4.1.5. Se fijan hasta 10 caudales de aire y se anotan las prdidas de carga

correspondientes a cada uno de ellos. De esta forma se obtienen los puntos de la

grfica caudal de gas - cada de presin correspondientes al relleno seco.

4.4.2 Tcnica de operacin para empaque hmedo

4.4.2.1. Se conecta la bomba de agua, tras haber comprobado previamente que la vlvula

VR3 se encuentra abierta.

4.4.2.2. Se fija el valor deseado para el caudal de agua con la vlvula VR3.

4.4.2.3. Se espera a que se alcance el rgimen estacionario (no se observa variacin de la

presin con el tiempo).

4.4.2.4. Para cada caudal de lquido fijado (ledo directamente en el caudalmetro) se miden

las prdidas de carga correspondientes a 10 caudales distintos de gas. Se obtienen

as los puntos de la grfica caudal de gas - cada de presin correspondientes al

caudal de agua fijado.

4.4.2.5. Se repiten los puntos 4.4.2.1 a 4.4.2.4 para otros dos caudales de lquido, lo que

permite obtener las relaciones caudal de gas cada de presin para dichos caudales

de lquido.


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4.4.3 Determinacin de las propiedades fsicas de los empaques

Anillos rashig de vidrio para la columna de absorcin.

4.4.3.1 No. de piezas por m3. Llene con el empaque una probeta hasta un volumen

determinado y cuente los empaques contenidos en dicho volumen.

4.4.3.2 Densidad aparente y densidad real. Una vez llena la probeta con un volumen

determinado de empaque, determine su masa. Con el peso del empaque por unidad

de volumen y el % de huecos, que se calcula en el siguiente punto, se obtienen las

densidades.

4.4.3.3 Porcentaje de huecos. Con la misma probeta llena de empaque hasta un cierto

volumen, agregue de preferencia un volumen igual de agua, mida el volumen que

ahora marca la probeta con el agua y el empaque. El agua ocupar el volumen libre

que deja el empaque, por lo tanto, obteniendo la relacin correspondiente, se

conocer el % de huecos.

4.4.3.4 rea especf ica. Mida cuidadosamente con un calibrador Vernier las dimensiones

necesarias para calcular el rea de una pieza de empaque y multiplique ste valor por

el no. de piezas contenidas en un m3.

5 TRABAJO A REALIZAR.

Desarrollo de los clculos con el valor experimental de las constantes fsicas del empaque

- Determinacin de los caudales de carga y de inundacin:

Los datos experimentales se presentarn, para cada caudal de lquido empleado, segn se

indica en la Tabla 1. Con estos datos construir las grficas log - log de cada de presin en la

columna contra flujo de la fase gaseosa para empaque seco y hmedo. A partir de estas

grficas se pueden identificar los caudales de carga y de inundacin, de acuerdo con lo

expresado en el fundamento terico.


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Tabla 1

L= m3/h

Tamb(C)

Pamb(mm Hg)

AIRE

P(mmH2O)

Log(V) Log(P)Caudal(n. c.)(m3/h)

Caudal, V(Pop, Top)

(m3/h)

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

b: Densidad del aire en condiciones normales.

a: Densidad del aire en condiciones de calibrado (20C, 1 atm)

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

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

- Cada de presin para el flujo de una nica fase (flujo de aire)

Comparar los valores de las cadas de presin experimentales (empaque seco) con las

calculadas utilizando la Ecuacin de Ergun.


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G flujo de gas, kg/m2. s

- Caida de presin para el flujo de dos fases (flujo simultneo a contracorriente de agua y

aire)

Comparar los valores de las cadas de presin experimentales de los caudales de carga con los

que predice la grfica de Lobo.

Los lmites inferior y superior del intervalo de carga, que corresponden con cadas de presindel orden de 4 a 8 cm de columna de agua por metro de relleno respectivamente, se indican en

la grfica de Lobo:


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- Velocidad de inundacin

Haciendo uso del grfico de Lobo, determinar de forma terica la velocidad de inundacin de la

columna y compararla con la experimentalmente determinada.


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6. BIBLIOGRAFA

a) R.E. Treybal

Mass Transfer Operations

Mc Graw Hill

1998

b) Christie J ohn Geankoplis

Procesos de Transporte y Principios de Procesos de Separacin

Grupo Editorial Patria

2010

c) Dr. Antonio Valiente Barderas

AbsorcinDepartamento de ingeniera Qumica.

Facultad de Qumica

UNAM, C.U.

Mxico D.F.

Mxico

2010

d) J oaqun Ocon G., Gabriel Tojo B.

Problemas de Ingeniera QumicaAguilar S. A. de Ediciones

1990


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7. FORMATO PARA LA INFORMACIN EXPERIMENTAL

Patm (mmHg)

Tamb (C)

Tagua (C)

FLUJOS l/minP

COLUMNA

mm H2O

AGUA AIRE

VR-3 SC-1 VR-1 (%) SP-1

EMPAQUE

SECO

FLUJOS l/minP

COLUMNA

mm H2O

AGUA AIRE

VR-3 SC-1 VR-1 (%) SP-1

EMPAQUE

HUMEDO


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FLUJOS l/min

P

COLUMNA

mm H2O

AGUA AIRE

VR-3 SC-1 VR-1 (%) SP-1

EMPAQUE

HUMEDO


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CONSTANTES FISICAS DEL EMPAQUE

ANILLOS DE VIDRIO RASCHIG

Masa, kg

Volmen, m3

Superficie, m2

Densidad aparente, kg/m3

Densidad real, kg/m3

Area especf ica, m2/m3

% huecos

N piezas/m3

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