Torre de Absorcin Empacada Proyecto (1)
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Transferencia de Masa
Tabla de contenidoDescripción del Problema....................................................................................................................1Diagrama de la Torre de Absorción......................................................................................................2.............................................................................................................................................................2Balances de Materia............................................................................................................................2Número de Unidades de Transferencia...............................................................................................4Altura de la unidad de transferencia....................................................................................................5Altura del empaque.............................................................................................................................5Altura Equivalente del Plato Teórico (HETP)........................................................................................8Factores del Empaque.........................................................................................................................8Área Efectiva de Contacto en el Empaque...........................................................................................8Porosidad de la Cama Empacada.........................................................................................................9Velocidad de Inundación.....................................................................................................................9Diámetro de la Torre..........................................................................................................................11Caída de Presión................................................................................................................................11Material de Construcción...................................................................................................................11Soportes de Empaques......................................................................................................................12Distribuidores de Líquido...................................................................................................................13Diámetros de Alimentaciones y Descargas........................................................................................14Altura total de la torre de absorción..................................................................................................15Esquema de la Torre de Absorción....................................................................................................15Hoja de especificación.......................................................................................................................15APÉNDICE...........................................................................................................................................16
Tabla 1 Datos de Equilibrio para NH3-H2O.....................................................................................16Tabla 2 Datos de la Curva de Equilibrio NH3-H2O...........................................................................17Gráfica 1 Curva de Equilibrio NH3-H2O (En Base Libre de Soluto).................................................18Tabla 3 Datos de Operación...........................................................................................................19Gráfica 2 Curva de Equilibrio, Línea de Operación y Composición interfacial en la torre empacada.......................................................................................................................................................20Gráfica 3 Gráfica de Integración (Para Determinar NOV).................................................................21Gráfica 4 Gráfica de Integración (Para Determinar NV)..................................................................22Gráfica 5 Flooding and Pressure Drop Correlation for Random Packings......................................23Tabla 4 Packing Factors (FT-1) (Eckert, 1975)..................................................................................24Tabla 5 Ceramic Intalox* Saddles...................................................................................................24Tabla 6 Propiedades Generales de Corrosión de Algunos Metales y Diversas Aleaciones.............25Tabla 7 Typical efficient metal and porcelain support plate designs for gas injection into packing.......................................................................................................................................................27Tabla 8 Suggested Fluid Velocities in Pipe and Tubing: Liquids, Gases and Vapors at Low/Moderate Pressure to 50 psig and 50° to 100°F....................................................................28Tabla 9 Dimensiones, Capacidades y Pesos en Tuberías Estándar de Acero..................................29
Referencias........................................................................................................................................30
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 0
Transferencia de Masa
Proyecto
Torre de absorción empacada
Descripción del Problema
Amoniaco (NH3) va a ser absorbido de una mezcla de NH3 - Aire contactando el
gas con agua en una columna empacada. La mezcla gaseosa contiene al entrar
5% molar de NH3, y el flujo de agua es 1.50 veces el valor mínimo. Los coeficientes
de transferencia de masa para el gas y el líquido, se puede expresar como:
k 'y a=0.20 (1− y A )V 0.8L0.20
k 'xa=0.35 L
0.8
donde V y L representan las velocidades de flujo molar del gas y del líquido,
respectivamente, en kg mol/(h m2). La torre opera a 20°C y 1 atmósfera absoluta.
Calcule la altura del absorbedor si la concentración de NH3 en el gas de salida e
0.50% molar.
La mezcla gaseosa entra con un flujo de 100 kg mol/(h m2). Monturas Intalox.
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 1
Transferencia de Masa
Diagrama de la Torre de Absorción
Balances de Materia
Y A=y A
1− y A
Y A ,a=0.0051−0.005
=0.00503
Y A ,b=0.051−0.05
=0.0526
X A ,a=0
( LV )min
=Y A ,a−Y A, b
X A ,a−X A, bm
=0.00503−0.05260.000−0.062
X A ,bm¿=0.062
*Dato obtenido de la Gráfica 1 (APÉNDICE)
( LV )min
=0.768
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 2
x A, a=0
X A ,a=0
L=La=109.3kg mol
hm2
y A ,a=0.005
Y A ,a=0.00503
V a=95.5kgmol
hm2
y A ,b=0.05
Y A ,b=0.0526
V b=100kg mol
hm2
V=95 kg mol
hm2
x A, b=0.0398
X A .b=0.0414
Lb=113.8kgmol
hm2
T=20°C
Pabs=1 atm
a
b
Transferencia de Masa
( LV )op ' n
=1.5×( LV )min
=1.5×0.768
( LV )op ' n
=1.15
X A .b=X A, a−Y A, a−Y A ,b
( LV )o p' n
=0−0.00503−0.05261.15
X A .b=0.0414
x A, b=X A.b
1+X A. b
= 0.04141+0.0414
x A, b=0.0398
V=V b (1− y A, b )=100 kgmol
hm2(1−0.05 )
V=95 kg mol
hm2
L=1.15×V =1.15×95 kgmol
hm2=109.3 kg mol
hm2
La=109.3kgmol
hm2
V a=V
1− y A, a
=95
kgmol
hm2
1−0.005
V a=95.5kgmol
hm2
Lb=La+V b−V a=(109.3+100−95.5) kg mol
hm2
Lb=113.8kgmol
hm2
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 3
Transferencia de Masa
Lavg=La+Lb
2=
(109.3+113.8) kgmol
hm2
2
Lavg=111.5kgmol
hm2
V avg=V a+V b
2=
(95.5+100) kg mol
hm2
2
V avg=97.7kgmol
hm2
Número de Unidades de Transferencia
NOV=∫yA ,a
yA ,b (1− y A )¿M1− y A
dy A
y A− y A¿
y A y A¿ x 1− yA
¿ 1− yA y A− y A¿ (1− y A )¿M
(1− y A)( y A− y A¿)
0.005 0.0000 1.0000 0.995 0.0050 201.0
0.010 0.0034 0.9966 0.990 0.0066 152.5
0.020 0.0100 0.9900 0.980 0.0100 101.0
0.030 0.0168 0.9832 0.970 0.0132 76.8
0.040 0.0237 0.9763 0.960 0.0163 62.4
0.050 0.0316 0.9684 0.950 0.0184 55.4
xDatos obtenidos de la Gráfica 2 (APÉNDICE)
NOV=0.88+1.27+0.89+0.70+0.59∗¿
NOV=4.33
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 4
Transferencia de Masa
**Datos calculados a partir de la Gráfica 3 (APÉNDICE)
Altura de la unidad de transferencia
(HV )avg=( Vk ' y a )avg=
97.7kg mol
hm2
19.51kgmolhm3
(HV )avg=5.0m
(H L)avg=( Lk ' x a )avg=
111.5kgmol
hm2
15.20kgmolhm3
(H L)avg=7.3m
HOV=HV+m' VL
H L
HOV=5.0m+
(0.8276¿)(97.7 kg mol
hm2 )111.5
kgmolhm2
7.3m
HOV=10.3m
*Dato calculado a partir de la Gráfica 2 (APÉNDICE)
Altura del empaque
NV=∫yA ,a
yA ,b (1− y A )tM1− y A
dy A
y A− y At
−k 'x a
k 'ya
=y A− y At
x A−xAt
Al ser una solución diluida, se considera apropiado utilizar k 'xay k '
y a promedio del
domo y el fondo.
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 5
Transferencia de Masa
k 'y a=0.20 (1− y A )V 0.8L0.20
(k 'y a)a=0.20 (1−0.005 )(95.5 kgmol
hm2 )0.8
(109.3 kgmolhm2 )
0.20
(k 'y a)a=19.52
kgmol
hm3
(k 'y a)b=0.20 (1−0.005 )(100 kg mol
hm2 )0.8
(113.8 kgmolhm2 )
0.20
(k 'y a)b=19.50
kg mol
hm3
(k 'y a)avg=
(k 'y a)a+(k '
y a)b2
=(19.52+19.50) kgmol
hm3
2
(k 'y a)avg=19.51
kg mol
hm3
k 'xa=0.35 L
0.8
(k 'x a)a=0.35(109.3 kgmol
hm2 )0.8
(k 'x a)a=14.96
kgmol
hm3
(k 'x a)b=0.35(113.8 kgmol
hm2 )0.8
(k 'x a)b=15.45
kgmol
hm3
(k 'x a)avg=
(k 'xa )a+(k '
x a)b2
=(14.96+15.45) kgmol
hm3
2
(k 'x a)avg=15.20
kgmol
hm3
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 6
Transferencia de Masa
−k 'x a
k 'ya
=−(k '
x a)avg(k '
y a )avg=
−15.20 kgmol
hm3
19.51kgmolhm3
−k 'x a
k 'ya
=−0.779
Siendo −k '
x a
k 'ya
la pendiente de las rectas para obtener la composición interfacial.
y A* y At* 1− yA (1− y A )tM y A− y At
(1− y A )tM(1− y A ) ( y A− y At )
0.005 0.0025 0.995 0.9975 0.0025 393.4
0.010 0.0066 0.990 0.9934 0.0034 294.9
0.020 0.0149 0.980 0.9851 0.0051 198.1
0.030 0.0235 0.970 0.9765 0.0065 154.1
0.040 0.0324 0.960 0.9676 0.0076 132.5
0.050 0.0416 0.950 0.9584 0.0084 120.6
*Datos obtenidos de la Gráfica 2 (APÉNDICE)
NV=∫yA ,a
yA ,b (1− y A )tM1− y A
dy A
y A− y At
=área=1.72+2.46+1.76+1.43+1.27¿∗¿¿
**Datos calculados a partir de la Gráfica 4 (APÉNDICE)
NV=8.64
Z=( Vk ' y a )
avg∫yA ,a
yA ,b (1− y A )tM1− y A
dy A
y A− y At
Z=(HV )avgNV=(5.0m ) (8.64 )
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 7
Transferencia de Masa
Z=43.2m
Altura Equivalente del Plato Teórico (HETP)
HETP=HOV
ln(mVL )
mVL
−1
HETP=10.3m
ln( (0.8276 )(97.7 kgmolhm2 )
111.5kgmolhm2
)(0.8276 )(97.7 kgmol
hm2 )111.5
kgmol
hm2
−1
HETP=12.1m
Factores del Empaque
Tipo de Empaque: Montura Intalox; Cerámica (Tamaño de empaque nominal: 1 in)
Factor de empaque utilizado: 98*
*Dato obtenido de la Tabla 4 (APÉNDICE)
Área Efectiva de Contacto en el Empaque
Diámetro de la columna: 3.71 ft
Altura de la columna (Z): 142 ft
Área de contacto aproximada: 78ft2
ft3 *
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 8
Transferencia de Masa
*Dato obtenido de Tabla 5 (APÉNDICE)
Tamaño nominal de empaque: 1 in
Volumen de empaque en la torre:
V= π D2
4Z=
π (3.71 ft )2
4(142 ft )=1535 ft3
Área de contacto efectiva:
Ae=(1535 ft3 )(78 ft2
ft3)=119,730 ft 2
Porosidad de la Cama Empacada
El empaque utilizado de tipo “Montura Intalox Cerámica” cuenta con un porciento
de espacio libre de 72%* para un tamaño nominal de 1 In.
*Dato obtenido de Tabla 5 (APÉNDICE)
Velocidad de Inundación
MW gas ,b=0.05 (17 )+0.95 (29 )=28.4 kgkgmol
MW líquid o ,b=0.0398 (17 )+0.9602 (18 )=17.96 kgkgmol
V b=(100 kgmol
hm2 )(28.4 kgkgmol )=2840 kg
hm2
Lb=(113.8 kgmol
hm2 )(17.96 kgkgmol )=2044 kg
hm2
ρV*= 0.0737 lb/ft3
ρL*= 62.3 lb/ft3
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 9
Transferencia de Masa
µL*= 1.0 cP
*Datos obtenidos de “Mass Transfer, Fundamentals and Applications” Hines &
Maddox, 1985, Pág. 437, Ejemplo 12.4.
LV √ ρV
ρL
=2044
kghm2
2840kg
hm2 √ 0.0737 lbft3
62.3lb
ft3
LV √ ρV
ρL
=0.025
El dato anterior representa la abscisa en la gráfica 5 (APÉNDICE), con dicho valor,
obtenemos una ordenada de:
(V )2F (μL )0.2ψgc ρV ρL
=0.205
F ¿=98
* Dato obtenido de la Tabla 4 (APÉNDICE)
ψ= Densidad del líquidoDensidad delagua
Como el líquido de absorción es agua, ψ=1
V=( 0.21gc ρV ρL
F (μL )0.2ψ )1/2
=( 0.205 (32.2 )(0.0737 lbft 3 )(62.3 lb
ft3 )98 (1.0 cP )0.2(1) )
1 /2
V=0.56 lb
s ft2=9775 kg
hm2
Con un 70% de inundación
V=0.7(0.56 lb
s ft2 )=0.39 lb
s ft2
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 10
Transferencia de Masa
V=0.7(9893 kg
hm2 )=6842 kg
hm2
Diámetro de la Torre
Debido a que el flujo que el flujo de gas está por unidad de área, se decidió que el
flujo de gas fuese de 100 kg mol/h, es decir, un área de sección transversal de la
torre de 1 m2.
d=( 4 (S )❑ )
1/2
=( 4 (1m2 )π )
1/2
d=1.13m
Caída de Presión
V=0.39 lb
s ft2
(V )2F (μL )0.2ψgc ρV ρL
=(0.39 lbs ft2 )
2
¿¿
El dato anterior representa la ordenada de la gráfica 4 (APÉNDICE), con dicho
valor y LV √ ρV
ρL
=0.025 como abscisa, se lee en la gráfica:
ΔP=1.05¿H 2O
ft empaque
Material de Construcción
El material que se decidió utilizar es para la coraza es acero inoxidable tipo
austenítico *, debido a que tiene una excelente resistencia a la corrosión a las
condiciones de operación de la torre de absorción.
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 11
Transferencia de Masa
La tubería a utilizar es de acero**, en todas las corrientes (aire-amoniaco, agua,
agua-amoniaco)
* Referencia Tabla 6 (APÉNDICE)
**Referencia Tabla 8 (APÉNDICE)
Soportes de Empaques
Se decidió utilizar 10 soportes, en 9 secciones de 15 ft y una de 7 ft.
Características del soporte de empaque:
Diámetro de la torre: 42 in.
Diámetro del plato: 41.5 in.
Altura del soporte: 4.5 in.
Material: Acero al carbón
Nota: la elección del soporte de empaque se realizó con base en el diámetro de
nuestra torre.
*Referencia Tabla 7 (APÉNDICE)
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 12
Transferencia de Masa
Distribuidores de Líquido
En columnas de torres empacadas se usan distribuidores de líquido por encima de
cada cama de empaques para proporcionar una distribución uniforme de líquido,
por lo que, se utilizarán 10 distribuidores de líquido. La redistribución de líquido
entre camas empacadas mejora la eficiencia.
El modelo a usar es un Distribuidor de líquido metálico:
- Model 141 INTALOX® Tubular Distributor
Especificaciones:
*Información obtenida de los productos ofrecidos por Koch-Glitsch (Ver
referencia 5)
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 13
Transferencia de Masa
Diámetros de Alimentaciones y Descargas
vL*= 3 fps
vV*= 4000 fpm
* Dato obtenido de la Tabla 8 (APÉNDICE)
ρ* (lb/ft3) ρ (kg/m3) v (ft/h) v (m/h)
Gas 0.0737 1.18 240000 73152
Líquido 62.3 998 10800 3292
*Datos obtenidos de “Mass Transfer, Fundamentals and Applications” Hines &
Maddox, 1985, Pág. 437, Ejemplo 12.4.
Al ser solución diluida, se consideró apropiado utilizar la misma densidad en la
alimentación y descarga.
F (kg/h)
q (m3/h)
q= Fρ
A (m2)
A=qv
D (m)
D=√ 4× Aπ
D (in)
La 1967 1.97 0.00060 0.0276 1.09
Lb 2043 2.05 0.00062 0.0281 1.11
Va 2763 2341 0.03200 0.2018 7.95
Vb 2840 2406 0.03289 0.2046 8.06
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 14
Transferencia de Masa
Altura total de la torre de absorción
Esquema de la Torre de Absorción
Hoja de especificación
APÉNDICE
Tabla 1 Datos de Equilibrio para NH3-H2O
Mass NH3 per Partial Pressure of NH3 in Vapor (mmHg)
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 15
Transferencia de Masa
100 Masses
H2O 20°C 30°C 40°C 50°C
100
90
80
70
60 945
50 686
40 470 719
30 298 454 692
25 227 352 534 825
20 166 260 395 596
15 114 179 273 405
10 69.6 110 167 247
7.5 50 79.7 120 179
5 31.7 51.0 76.5 115
4 24.9 40.1 60.8 91.1
3 18.2 29.6 45.0 67.1
2 12 19.3 30.0 44.5
1 15.4 22.2
aFrom T. K. Sherwood, Ind. Eng. Chem., 17, 745 (1925).
*Tabla obtenida de “Mass Transfer, Fundamentals and Applications” Hines &
Maddox, 1985, Pág. 506
Tabla 2 Datos de la Curva de Equilibrio NH3-H2O
Masas NH3
por 100
Presión parcial
de NH3 en
x A X A y A Y A
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 16
Transferencia de Masa
masas H2Ovapor (mm Hg)
20°C
7.5 50 0.0735 0.0793 0.0658 0.0704
5 31.7 0.0502 0.0529 0.0417 0.0435
4 24.9 0.0406 0.0423 0.0328 0.0339
3 18.2 0.0308 0.0317 0.0239 0.0245
2 12 0.0207 0.0212 0.0158 0.016
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 17
Transferencia de Masa
Gráfica 1 Curva de Equilibrio NH3-H2O (En Base Libre de Soluto)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.090
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
X͞�A
Y͞�A
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 18
Transferencia de Masa
Tabla 3 Datos de Operación
Datos de la Línea Operación
x A y A X A Y A
0.0000 0.0050 0.0000 0.0050
0.0049 0.0107 0.0050 0.0108
0.0098 0.0163 0.0100 0.0165
0.0147 0.0218 0.0150 0.0223
0.0195 0.0273 0.0200 0.0280
0.0242 0.0327 0.0250 0.0338
0.0289 0.0380 0.0300 0.0395
0.0335 0.0433 0.0350 0.0453
0.0393 0.0500 0.0414 0.0526
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 19
Transferencia de Masa
Gráfica 2 Curva de Equilibrio, Línea de Operación y Composición
interfacial en la torre empacada
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.060
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
xA
yA
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 20
Transferencia de Masa
Gráfica 3 Gráfica de Integración (Para Determinar NOV)
0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.0600.0
50.0
100.0
150.0
200.0
250.0
yA
(1-yA)*M
/[(1-yA)(yA-yA
*)]
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 21
Transferencia de Masa
Gráfica 4 Gráfica de Integración (Para Determinar NV)
0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.0600.0
50.0
100.0
150.0
200.0
250.0
300.0
350.0
400.0
450.0
yA
(1-yA)tM
/[(1-yA)(yA-yA
t)]
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 22
Transferencia de Masa
Gráfica 5 Flooding and Pressure Drop Correlation for Random Packings
*Tabla obtenida de “Mass Transfer, Fundamentals and Applications” Hines &
Maddox, 1985, Pág. 437
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 23
Transferencia de Masa
Tabla 4 Packing Factors (FT-1) (Eckert, 1975)
*Tabla obtenida de “Mass Transfer, Fundamentals and Applications” Hines &
Maddox, 1985, Pág. 438
Tabla 5 Ceramic Intalox* Saddles
*Tabla obtenida de “Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants
Volume 2” Ludwig, Pág. 251
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 24
Transferencia de Masa
Tabla 6 Propiedades Generales de Corrosión de Algunos Metales y
Diversas Aleaciones
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 25
Transferencia de Masa
Tabla 6 Continuación
*Tabla obtenida de “Perry Manual del Ingeniero Químico” Maloney, Págs. 23-36 y
23-37
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 26
Transferencia de Masa
Tabla 7 Typical efficient metal and porcelain support plate designs for gas
injection into packing
*Tabla obtenida de “Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants
Volume 2” Ludwig, Pág. 258
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 27
Transferencia de Masa
Tabla 8 Suggested Fluid Velocities in Pipe and Tubing: Liquids, Gases and
Vapors at Low/Moderate Pressure to 50 psig and 50° to 100°F
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 28
Transferencia de Masa
Tabla 9 Dimensiones, Capacidades y Pesos en Tuberías Estándar de Acero
*Tabla obtenida de “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química” McCabe, Pág.
1144
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 29
Transferencia de Masa
Referencias
1. “Mass Transfer. Fundamentals and Applications.”
Robert N. Maddox & Anthony L. Hines
Prentice Hall
ISBN: 0-13-559609-2
1985
2. “Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants” Volume 2
Ernest E. Ludwig
Gulf Publishing Company
3a ed.
ISBN: 0-88415-101-8
1997
3. “Perry Manual del Ingeniero Químico”
4. “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química”
McCabe, Smith & Harriot
McGraw-Hill
7ª ed.
ISBN: 978-970-10-6174-9
2007
5. http://www.koch-glitsch.com/Document%20Library/
Metal_Packing_Liquid_Distributors.pdf
Proyecto: Torre de Absorción Empacada Página 30