Laboratorio de Procesos

2013

Torres Empacadas

Torres empacadas.

Norisabel Higuera Zapata2053472Jose David Garcia Gamarra2083090Nombre2060057NombreCodicoNombre2060057

Universidad Industrial De SantanderFacultad De FisicoqumicaIngeniera QumicaBucaramanga, Diciembre de 2013

Tabla de contenido

Introduccin.................................................................................................................................Objetivos......................................................................................................................................1. Marco Terico.......................................................................................................................... 1.1 Torres Empacadas................................................................................................................................. 1.2 Caractersticas de Torres Empacadas.......................................................................................................................... 1.3 Materias primas usadas en el proceso de produccin de Torres Empacadas. 1.4 Equipos........................................................................................................................... 1.5 Balances y Fenmenos de transporte que ocurren en el proceso de Torres Empacada.2. Metodologa.............................................................................................................................3. Anlisis y Resultados..............................................................................................................Conclusiones................................................................................................................................................................... Bibliografa......................................................................................................................................................................

1. INTRODUCCINEn la industria qumica se llevan a cabo gran variedad de procesos, para los cuales en ocasiones es necesarios retirar un componente de un gas, existen diferentes mtodos para alcanzar este objetivo, y uno de ellos es la absorcin de gases. Este procedimiento de transferencia de materia consiste en que un vapor soluble se absorbe desde su mezcla con un gas inerte por medio de un lquido. El lavado de amonaco a partir de una mezcla de amonaco y aire por medio de agua lquida es un ejemplo comn. La absorcin puede ser llevada a cabo en torres empacadas, dentro de las cuales ocurre de manera controlada el fenmeno de transferencia de masa por difusin descrito. Dichos equipos son importantes en la industria ya que se usan en procedimientos para recuperar componentes, tratamiento de residuos o produccin de cidos por citar algunos ejemplos. Las torres empacadas permiten el contacto durante un tiempo entre el lquido y el gas, y aseguran una mayor rea de contacto entre estos fluidos.2. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL.Aprender y analizar la forma en que se operar una torre empacada, reconocer las variables principales que permiten su funcionamiento, y los fenmenos que ocurren al interior de este equipo y desarrollar los fundamentos tericos de la operacin unitaria de torres empacadas en la prctica de laboratorio. OBJETIVOS ESPECFICOS. Desarrollar las habilidades necesarias para el trabajo en el laboratorio. Aprender y manipular una torre empacada. Identificar las variables que influyen en el proceso durante el funcionamiento de la torre. Desarrollar modelos que describan y predigan el comportamiento del equipo. Utilizar las herramientas dadas en el laboratorio para la adquisicin de datos, que permitan desarrollar un criterio para el funcionamiento ptimo del equipo. Calcular cadas de presin y flujos de los fluidos que participan en la experiencia. Realizar y analizar el procedimiento que se llev a cabo en la prctica y su importancia en el laboratorio.3. MARCO TERICO3.1 TORRES EMPACADASLas torres empacadas se utilizan para realizar un proceso de separacin en el cual ocurre el contacto continuo del lquido y gas, puede suceder tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, estos equipos son columnas verticales que se han llenado con empaques o con dispositivos de superficie grande para aumentar el rea de contacto liquido- gas. El lquido se distribuye sobre stos y escurre hacia abajo, a travs del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas la columna como se muestra en la figura 1. Son utilizadas en operaciones de absorcin, humidificacin y algunas veces en destilacin.

Fig.1. Torre empacada.Las torres empacadas pueden tener dimetros de 0.33 ft hasta 20ft y alturas entre 3 y 80ft o ms. A medida que aumenta el tamao de la torre es probable que disminuya la eficacia de esta, debido a los grandes flujos de gas y liquido con que el equipo debe operar. Unas de las ventajas de las torres empacadas frente a la torre de platos es que su construccin es ms econmica para algunos tipos de fluidos, presentan menor cada de presin, retiene pequeas cantidades de lquido y se pueden construir torres pequeas. 3.2. ESPECIFICACIN DE LAS TORRES EMPACADAS. Para el funcionamiento correcto de la columna empacada se necesitan los siguientes componentes. Distribuidores de lquidos. Sistemas de alimentacin. Retenedores de empaque. Soporte de empaque. Colectores de lquido. Eliminadores de arrastre. Cuerpo de la torre. Empaque.3.2.1. DISTRIBUIDOR DE LQUIDO.Una buena distribucin del lquido es de gran importancia durante la operacin de la torre, esta debe mojar el empaque uniformemente, por eso el diseo de esta pieza es muy relevante y en general puede tener las siguientes caractersticas. Distribucin uniforme del lquido. No debe presentar taponamiento. Si cambial el flujo debe seguir garantizando la eficiente distribucin de este. Bajas cadas de presin. Mnima altura para permitir mayor lugar al lecho. Que genere mezcla del lquido que se distribuye. Proporcionar espacio libre para el flujo del gas.

Fig.2. Tpicos distribuidores de lquidos

(a) (b)

Fig. 3. Distribucin del lquido e irrigacin del empaque: (a) inadecuada; (b) adecuada. 3.2.2. SISTEMAS DE ALIMENTACIN.Las corrientes que entran a la torre deben ser controladas para conseguir una el desempeo deseado, pero debido a que las columnas empacadas operan con diferentes tipos de fluidos, la forma en que el equipo se alimenta se puede clasificar en cuatro categoras. Solo lquido, cuando contiene menos de 1% de vapor, en volumen. Lquido y vapor sobre un lecho. Solo gas debajo de un lecho. Retorno de un rehervidor.Cuando se tiene una torre que opera con solo liquido el sistema de alimentacin se escoge dependiendo del tipo de distribuidos y la variacin de flujo requerida.Para el caso de Lquido-vapor la forma de seleccionar depende del distribuidor que alimenta lquido en la zona de abajo, las velocidades de flujo, el tipo de sustancia que se alimenta, altura del lecho.Si se quiere elegir el alimentador para solo gas o vapor se tiene en cuenta la energa cintica y la composicin del gas.La seleccin cuando es retorno de un rehervidor se tienen en cuenta los factores para la alimentacin de solo gas y el tipo de rehervidor.3.2.3. RETENEDORES DE EMPAQUE.Estos contenedores se utilizan para evitar la fluidizacin del lecho o impedir el movimiento de este, as como para mantenerlo de una determinada forma, esta situacin se presenta cuando la velocidad del fluido es elevada. El retenedor que se seleccione no debe causar problemas al interactuar con los flujos. Existen dos tipos de contenedores que son los limitadores de lecho y los platos de retencin.El primero se suele usar cuando el lecho est formado por plstico o metal ya que su bajo peso permite su movimiento, este tipo de retenedores son los ms comunes y estn fijados en las paredes de la columna. El segundo tipo de retenedores se utiliza cuando el empaque es frgil, ejemplo, cuando estn hechos de porcelana o carbn, el peso de los mismos platos no permiten el movimiento o fluidizacin.3.2.4. SOPORTE DE EMPAQUE.El objetivo principal de esta pieza es soportar el lecho, aunque se debe tener cuidado en su seleccin de este, para que no interfiera con los flujos ni ocasione inundacin en la torre.Los criterios para seleccionar el soporte son los siguientes: Tipo de empaque (de estructura o al azar). Material del empaque. Condiciones de operacin como temperatura y presin. Carga mxima de diseo (profundidad del lecho, retencin del lquido, peso del lecho y condiciones de flujo extremas como las esperadas en eventos de emergencia.).

Fig. 4. Soporte del empaque.3.2.5. COLECTORES DE LQUIDO.Se utilizan cuando debe retirarse una corriente lateral de la torre. Este debe interrumpir el flujo del lquido sin bloquear el flujo ascendente, una de sus caractersticas es que ayudan al mezclado del lquido antes de retirarlo o distribuirlo. Desde el punto de vista tcnico es recomendable y tambin se puede exigir su instalacin entre lechos, sobre cada distribuidor.3.2.6. ELIMINADORES DE ARRASTRE. Se encargan de eliminar las pequeas gotas de agua que arrastra el gas en la parte superior de la torre, esto se presenta cuando el fluido tiene grandes velocidades, los eliminadores solo dejan pasar el gas y son en esencia mallas hechas de materiales como alambre, tefln, polietileno entre otros.3.2.7. CUERPO DE LA TORRE.La de la torre puede estar hecha de muchos materiales o combinaciones de estos, en general pueden ser de acero, platico o vidrio. Una forma de seleccionar estos materiales es por medio del conocimiento de las propiedades del gas y el lquido, estos pueden ser corrosivos. Otros parmetros para escoger el tipo de material son la forma en que se quiere construir la torre, la resistencia y la temperatura.3.2.8. EMPAQUE. El empaque es el elemento principal de este tipo de torres, por lo general el lecho est formado por empaques que se introducen al azar, aunque actualmente hay muchas torres que se utilizan para operaciones especificas en donde acomodan el empaque de forma estructurada, la correcta seleccin del empaque y la forma en que se va a estar en el lecho est ligada con la eficiencia de la torre empacada.El empaque tiene como funcin ofrecer una superficie especfica, esta rea se humedece y permite el contacto entre el lquido y el gas favoreciendo la transferencia de masa.

(a) (b) (c ) (d)Fig. 5. Empaques de torres tpicos: a) anillo de Raschig, b) anillo de Lessing, c) sillas deBerl, d) anillo de Pall.CARACTERSTICAS DE LOS EMPAQUES. Los principales requisitos de un empaque son: Proporcionar una superficie interfacial grande entre el lquido y el gas. Poseer las caractersticas deseables del flujo de fluidos. Ser qumicamente inerte con respecto a los fluidos que se estn procesando. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fcil manejo y la instalacin. Tener bajo precio.A menudo de clasifican los empaques, segn su organizacin en el lecho, como empaques al azar y empaques estructurados.EMPAQUES AL AZAR.Los empaques al azar son lo que introducen en la torre de forma aleatoria en el momento de su instalacin, generalmente la columna se llena en seco pero tambin se puede hacer en hmedo. Al empacar en seco se debe tener cuidado de no deformar el empaque y si se empaca en hmedo se debe llenar la columna con un fluido y dejar caer por densidad los empaques.

EMPAQUES ESTRUCTURADOS.Al empacar de forma aleatoria es posible que se tenga un alto grado de heterogeneidad en la distribucin del lquido, y esto ocasiona que no se realice de forma satisfactoria la trasferencia de masa entre los fluidos, debido a esto en ocasiones es mejor empacar las torres de forma estructurada, ya que se consigue mejor eficiencia y menores cadas de presin.

1.2 Caractersticas de Torres Empacadas 1.3 Materias primas usadas en el proceso de produccin de Torres Empacadas 1.4 Equipos 1.5 Balances y Fenmenos de transporte que ocurren en el proceso de Torres Empacada

BALANCE DE MATERIATORRE CON FLUJO EN CONTRA- CORRIENTE

Balance de inertes:

ETAPAS EN CONTRA CORRIENTE

TORRES EMPACADAS

Caractersticas:

1. Ser qumicamente inerte

2. Ser estructuralmente fuerte

3. Tener bajo costo

4. Dp = Dimetro de partcula

Para una mezcla de partculas de diferente tamao, se toma el dimetro superficial promedio

5. ap = Superficie especfica del empaque grande, que permita un rea interfacial extensa

Para una esfera

Dp = dimetro de partculaPara una mezcla de partculas

6. s = Factor de forma

a = rea superficial(1-) = fraccin de volumen de las partculas del lecho

Factores de forma (esfericidad) de algunos materialesMaterialFactor de forma s

Esferas1,0

Cubos0,81

Cilindros Dp = h (longitud)0,87

Sillas Berl0,3

Anillos Rasching0,3

Carbn en polvo0,73

Arena, promedio0,75

Vidrio triturado0,65

7. = Fraccin de espacio vaco grande

Fracciones de vaco para empaques al azarDp / Dt para esferas para cilindros

00,340,34

0,10,380,35

0,20,420,39

0,30,460,45

0,40,500,53

0,50,550,60

8. Dimetro efectivo o equivalente de la columna, a utilizar como dimetro hidrulico

9. rH = Radio hidrulico

LECHO FIJO

10. NRep = Nmero de Reynolds de Partcula

v' = Velocidad Superficial [Q/AT] (flujo volumtrico del fluido / rea transversal) = densidad del FLUDO [kg/m3]

Velocidad Superficial

Velocidad Intersticial (efectiva)

Factor de friccin, es un trmino utilizado en tuberas anlogo al coeficiente de arrastre.

= densidad del FLUDO [kg/m3]

Ecuacin de Ergn:

Se utiliza para nmeros de Reynolds bajos, intermedios y altos, se ha verificado experimentalmente

Para NRep < 1 la ecuacin se puede truncar al trmino de la izquierda (ecuacin de Blake-Kozeny)

Para NRep > 1 000 la ecuacin se puede truncar al trmino de la derecha (ecuacin de Burke-Plummer)

Clculo de la Densidad para Gas Ideal

Clculo del flujo msico:

Para Flujo simultneo a contracorriente de lquido y gas, en torres empacadas al azar se utiliza la correlacin de la grfica:

Parte lateral:

Parte Inferior:

G = WG / AT [kg /m2 . s]L = WL / AT [kg /m2 . s]Cf = se obtiene de las tablasPara SI: gc = 1J = 1

LECHO FLUIDIZADO

Mecnica del Movimiento de Partculas

El movimiento de una partcula a travs de un fluido requiere una fuerza externa que acte sobre la partcula, sobre la partcula que se mueve en el seno de un fluido actan tres fuerzas:

Fuerza externa, gravitacional o centrfuga:

Gravitacional:

Centrfuga:

Fuerza de flotabilidad (opuesta a la fuerza externa)

Fuerza de arrastre (rozamiento)

CD = Coeficiente de arrastre

FD = fuerza de arrastre o resistencia al flujo total [N]AP = rea proyectada del slido [m2]vo = Velocidad de la CORRIENTE LIBRE [m/s] = densidad del FLUDO [kg/m3]gc = 1 [SI]

La Ecuacin de Variacin de Cantidad de Movimiento:

Dp = dimetro de partculavo = Velocidad de la CORRIENTE LIBRE [m/s] = densidad del FLUDO [kg/m3] = viscosidad del FLUDO

Para NRe < 1 Aplicacin de la Ley de Stokes

= viscosidad del FLUDOvo = Velocidad de la CORRIENTE LIBRE [m/s]

Para NRe altos, CD es casi constante

GeometraN ReCD

EsferaN Re < 124 / N Re

Esfera1x103 < N Re < 2x1050,44

Esfera5x105 < N Re0,13

Cilindro5x105 < N Re0,33

Disco5x105 < N Re1,12

Porosidad de un lecho o Fraccin de Vaco

= porosidad del lecho en un instante dadoV0 = volumen ocupado por todas las partculas [m3]Vt = volumen del lecho en un instante dado [m3]0 = porosidad inicial del lechoSi el rea es constante:

L0 = altura inicial del lecho [m]Vt = altura del lecho en un instante dado [m3]

Fluidizacin Mnima

Al aumentar la velocidad hasta la Vmf, el lecho se expande hasta la mf y Lmf, antes de que aparezca el movimiento de las partculas:

Cada de presin:

Y reemplazando en la Ecuacin de Ergn:

Y se Define:

Cuando NRe,mf < 20 (partculas pequeas) el segundo trmino de la ecuacin se puede anular

Cuando NRe,mf > 1000 (partculas grandes) el primer trmino de la ecuacin se puede anular

Porosidad mnima de fluidizacin:

Tipo de partculasTamao de partculas Dp [mm]

0,060,100,200,40

Fraccin de vacio mf

Arena rugosa (s = 0,67)0,600,580,530,49

Arena redonda (s = 0,86)0,530,480,43(0,42)

Carbn de antracita (s = 0,63)0,610,600,560,52

Si no se conoce la fraccin de vaco mf, el trmino s o ninguno de los dos, se puede aplicar la correlacin de Wen Yu, para 0,001 < NRE < 4000

Mxima Fluidizacin

En la sedimentacin por gravedad, la aceleracin disminuye con el tiempo y tiende a cero, la partcula alcanza rpidamente por tanto una velocidad constante, que es la mxima alcanzable en estas condiciones:

Velocidad terminal o velocidad mxima, debido a la fuerza de gravedad:

AP = rea proyectada del slido [m2] = densidad del FLUDO [kg/m3]P = densidad de la partcula [kg/m3]m = masa [kg]

Velocidad terminal o velocidad mxima, debido a una fuerza centrfuga:

Nmero de Reynolds de Partcula

Para NRep < 1,0Se aplica la Ley de Stokes

Para NRep = 1 CD = 26,5

Para 1000 < NRep < 200 000Se aplica Ley de Newton

Criterio para el rgimen de sedimentacin [K]

Para K < 2,6Se aplica la Ley de Stokes

Para 68,9 < K < 2360Se aplica Ley de Newton

Para 2,6 < K < 68,9 y K > 2360 y Para 1 < NRep < 1000 y NRep > 200 000

CD = Se obtiene a partir de la grfica (CD transicin)

2. Metodologa10