guia pract 1 cag 2013 2
TRANSCRIPT
Universidad Nacional de Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Petroquímica
Laboratorio De Operaciones Unitarias I
PRÁCTICA No. 1: DETERMINACIÓN DE LAS CAIDAS DE PRESION (PERDIDA DE CARGA) EN UNA TORRE
EMPACADA DE ABSORCIÓN GASEOSA PARA EL SISTEMA AGUA-AIRE
1. OBJETIVOS:
1.1 Determinar experimentalmente las caídas de presión en la columna de absorción 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 Separación por absorción
Columna de empaque
Empaques, características físicas, tipos
Flujo a contracorriente del líquido y el gas a través del empaque
Punto de carga e inundación
Caída de presión para el flujo de una única fase
Caída de presión para el flujo de dos fases, correlación generalizada para Inundación y caída
de presión en torres con empaques al azar (Correlación de Lobo, Eckert)
3. FUNDAMENTO TEORICO
La absorción es una operación básica de transferencia de materia. Consiste en la
transferencia de uno o varios componentes de una mezcla gaseosa a una fase líquida por el
contacto con un disolvente adecuado. Tras la rectificación, quizás sea la operación de
transferencia de materia más importante. Algunos procesos que ponen de manifiesto la
importancia de la absorción son: la recuperación de vapores disolventes o gasolina natural de
corrientes gaseosas, los tratamientos de gases en las refinerías y la descontaminación de
gases industriales.
Las operaciones de separación 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 (cámaras de
pulverización, burbujeadores de gases, etc.), los más usados en los procesos de absorción
son las columnas de relleno.
El diseño de estas columnas contempla aspectos como las características del relleno o las
condiciones de funcionamiento. De esta forma, el conocimiento de los diferentes tipos de
relleno permitirá seleccionar el más adecuado para cada caso en función de su área
específica (m2/m3 de volumen ocupado) y capacidad (velocidad de circulación tolerable por
ambas fases).
Conocidas las condiciones hidrodinámicas de funcionamiento (caudal de mojado, velocidad de
anegamiento, pérdida de presión, etc.), es posible determinar el diámetro de la columna y los
caudales óptimos de gas y líquido. Una vez evaluados los coeficientes individuales de
transferencia de materia a través de las fases líquida (kl ) y gaseosa (kg), se puede calcular la
altura de columna necesaria para conseguir el grado de separación deseado.
2.1 Caídas de presión, caudal de arrastre y velocidad de anegamiento
En las torres empacadas se producen caídas de presión en el gas que son debidas al
empaque mismo, al roce contra las paredes del recipiente y al flujo del líquido que pasa por la
torre. En general, si graficamos ΔP contra el caudal del gas tendremos para un gasto dado de
líquido el siguiente comportamiento (Figura 1):
Figura 1
Del punto A al B las caídas de presión se pueden calcular por medio de gráficas o por
ecuaciones. Correlaciones generalizadas de caída de presión han sido publicadas por LEVA,
ECKERT y un sinnúmero de fabricantes de empaque.
El punto B se conoce como el punto de carga o arrastre. En él, una parte de la energía del gas
se usa para frenar el flujo de líquido en la torre, por lo que se reduce la sección efectiva de
flujo de gas. En el punto C se produce el fenómeno llamado de inundación o anegamiento, en
el cual la torre se vuelve inestable, ya que el líquido es retenido por el gas y no desciende,
inundándose la torre y deteniéndose la transferencia de masa.
Este punto de inundación presenta el límite superior de la velocidad posible del gas para un
flujo dado de líquido. En otras palabras, se presenta la inundación cuando la pérdida de
presión del gas es tan alta, que el peso del líquido no es suficiente para que este circule a
contracorriente con el gas.
Figura 2. Pérdida de presión del gas a través de los rellenos: Velocidades de arrastre y de
anegamiento
En la figura 2 se presenta la relación, para distintos caudales de líquido, entre la caída de
presión y el caudal de gas en lechos de relleno con piezas al azar.
Cuando el caudal del líquido es muy bajo, el área abierta eficaz de la sección transversal del
lecho no difiere apreciablemente de la que presenta el lecho seco y la pérdida de carga se
debe al flujo a través de diferentes aberturas en el lecho.
Por ello, la perdida de carga resultará aproximadamente proporcional al cuadrado de la
velocidad del gas, como indica la región AB.
Para caudales mayores, la presencia del líquido hace disminuir el área abierta eficaz y una
parte de la energía de la corriente de gas se utiliza para soportar una cantidad creciente de
líquido en la columna (región A´B´). Cualquiera que sea el caudal del líquido, existe una zona
en que la pérdida 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 Nº 2. El aumento
en la pérdida de carga se debe a la rápida acumulación de líquido en el volumen vacío del
empaque.
Existe un máximo flujo de gas con que la torre puede operar, se le llama “velocidad de
inundación”, por encima de esa velocidad no ocurre ningún tipo de transferencia y las pérdidas
de carga en la torre tienden al infinito.
El Punto de Carga, es una condición teórica donde todas las partículas del empaque están
cubiertas por una película de líquido. Corresponde a un contacto gas líquido óptimo. Desde el
punto de vista operacional es el punto del proceso donde el aumento de las pérdidas de carga
en la columna es función de ambos flujos y además es paulatino, lo cual resulta favorable para
la transferencia de masa.
El Punto de Inundación, es la fase de la operación de la torre donde empieza a existir
retención de líquido en las secciones de la torre; este punto se evidencia en la práctica por la
notable acumulación del líquido en las paredes de la torre y el abundante burbujeo del mismo
por acción del flujo ascendente del gas. El régimen de la fase líquida se vuelve turbulento y la
caída de presión en la torre aumenta de manera abrupta y eventualmente puede presentarse
el rebosamiento del líquido por el tope de la misma. El punto de inundación es función
exclusiva de la velocidad del gas que asciende, en ocasiones es tal, que alcanza su velocidad
de inundación y propicia que el líquido descienda con dificultad y se retenga gran cantidad de
éste. Se incrementa la cantidad de líquido que se acumula en la torre porque el gas no
permite la circulación continua dentro de la misma, y el proceso de alimentar líquido a la
columna no se detiene, aún con el flujo de gas invariable, las pérdidas de carga en la sección
empacada de la columna tienden a elevarse dramáticamente.
Para efectos del diseño no se poseen datos en la bibliografía que especifiquen la velocidad
del gas en el punto de carga, para ciertas columnas y sus características, pero normalmente
se recomienda 50 a 75 % de la velocidad en el punto de inundación, el cual debe ser estimado
en el laboratorio a las condiciones de operación del proceso que se está diseñando.
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 Descripción del equipo
El procedimiento experimental se ha de realizar en la unidad CAGC (figura 3).
Figura 3: Equipo CAGC. Columna de Absorción de Gases
La figura 4 representa de forma esquemática al equipo y sus diferentes partes:
Figura 4: DIAGRAMA DEL PROCESO Y DISPOSICIÓN DE LOS ELEMENTOS
La Columna de Absorción de Gases (CAGC) es un equipo diseñado para estudiar los procesos
hidrodinámicos y de absorción en columnas de relleno. La instalación absorbe CO2 de una mezcla
de aire en una solución acuosa que desciende por la columna.
Columna de relleno que está formada por un tubo cilíndrico de vidrio de 1400 mm de altura y 75
mm de diámetro interior. El relleno de la columna es de anillos Raschig de vidrio de 8mm.
Circuito de líquido (agua) y circuito de gas (aire y CO2 ).
El líquido, que se encuentra almacenado en un depósito de PVC de 40 l. de capacidad, se impulsa
hacia la columna con ayuda de una bomba centrífuga, controlada desde computador (PC), (caudal
máximo= 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 líquido alimenta a la columna por la cabeza de la misma a través de una ducha difusora de
vidrio, que asegura una distribución uniforme sobre el relleno.
Después de atravesar la columna, el líquido es devuelto al depósito de almacenamiento a través
de un conducto de PVC con sello hidráulico (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 máximo de
6 m3 /h y una presión máxima de salida de 1 bar.
El gas (CO2 o amoniaco) esta suministrado por un cilindro, tipo botella.
Los caudales de ambos gases se miden con sensores.
Sensores de presión diferencial. La presión puede medirse en diferentes partes de la columna.
Sistema de mezclado de dos corrientes gaseosas.
Equipo de medida de CO2 que permite determinar la concentración de dicho gas en las corrientes
procedentes de la parte superior y central de la columna. Está constituido por:
Una jeringa de vidrio de 100 ml de capacidad, destinada a extraer la cantidad precisa de
muestra para su análisis.
Dos depósitos de vidrio situados a diferente altura e interconectados. En ellos se introduce
una disolución acuosa de KOH en la que se absorberá el CO2 contenido en la muestra de gas
a analizar.
Válvulas de tres vías para dirigir las corrientes gaseosas durante el proceso de análisis.
Elementos de conexión.
4.4 Técnica de operación:
4.4.1 Técnica de operación para empaque seco
4.4.1.1. Se mide la presión atmosférica (leída en un barómetro) y la temperatura de operación
de la columna (temperatura del agua), para corregir los caudales de gas medidos en
los caudalímetros.
4.4.1.2. Se conecta la soplador de aire (comprobar que la válvula de seguridad está abierta).
4.4.1.3. Abrir la válvula VR1 y cerrar VR2.
4.4.1.4. Se fija el caudal de aire (leído en condiciones normales en el caudalímetro
correspondiente, previamente calibrado y fijado a las condiciones de operación,
presión atmosférica y temperatura) mediante la válvula VR1. Se anota la caída de
presión (leída en los manómetros 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 pérdidas de carga
correspondientes a cada uno de ellos. De esta forma se obtienen los puntos de la
gráfica caudal de gas - caída de presión correspondientes al relleno seco.
4.4.2 Técnica de operación para empaque húmedo
4.4.2.1. Se conecta la bomba de agua, tras haber comprobado previamente que la válvula
VR3 se encuentra abierta.
4.4.2.2. Se fija el valor deseado para el caudal de agua con la válvula VR3.
4.4.2.3. Se espera a que se alcance el régimen estacionario (no se observa variación de la
presión con el tiempo).
4.4.2.4. Para cada caudal de líquido fijado (leído directamente en el caudalímetro) se miden
las pérdidas de carga correspondientes a 10 caudales distintos de gas. Se obtienen
así los puntos de la gráfica caudal de gas - caída de presión 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 líquido, lo que
permite obtener las relaciones caudal de gas – caída de presión para dichos caudales
de líquido.
4.4.3 Determinación de las propiedades físicas de los empaques
Anillos rashig de vidrio para la columna de absorción.
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 ocupará el volumen libre
que deja el empaque, por lo tanto, obteniendo la relación correspondiente, se
conocerá el % de huecos.
4.4.3.4 Área específica. Mida cuidadosamente con un calibrador Vernier las dimensiones
necesarias para calcular el área de una pieza de empaque y multiplique éste valor por
el no. de piezas contenidas en un m3.
5 TRABAJO A REALIZAR.
Desarrollo de los cálculos con el valor experimental de las constantes físicas del empaque
- Determinación de los caudales de carga y de inundación:
Los datos experimentales se presentarán, para cada caudal de líquido empleado, según se
indica en la Tabla 1. Con estos datos construir las gráficas log - log de caída de presión en la
columna contra flujo de la fase gaseosa para empaque seco y húmedo (según la Figura 2). A
partir de estas gráficas se pueden identificar los caudales de carga y de inundación, de acuerdo
con lo expresado en el fundamento teórico.
Tabla 1
L= m3/h
Tamb (ºC)
Pamb (mm Hg)
AIRE
ΔP (mmH2O)
Log(V) Log(ΔP) Caudal (n. c.) (m3/h)
Caudal, V (Pop, Top)
(m3/h)
Caudal (Pamb, Tamb ) = Caudal (c. n.) / (ρb /ρa)1/2
ρb: Densidad del aire en condiciones normales.
ρa: Densidad del aire en condiciones de calibrado (20ºC, 1 atm)
Top (K) = 273 + Tamb (ºC) ;
Pop (mm Hg) = Pamb + ΔP(mm Hg)
- Caída de presión para el flujo de una única fase (flujo de aire)
Comparar los valores de las caídas de presión experimentales (empaque seco) con las caídas
de presión teóricas calculadas utilizando la Ecuación de Ergun presentándolas en una tabla.
Con estos datos construir las gráficas log - log de caída de presión experimental y teórico contra
flujo de la fase gaseosa para empaque seco
G’ flujo de gas, kg/m2. s
(área específica m2/m3)
- Caida de presión para el flujo de dos fases (flujo simultáneo a contracorriente de agua y aire)
Haciendo uso del gráfico de Lobo, determinar de forma teórica la velocidad de inundación de la
columna y compararla con la experimentalmente determinada.
6. BIBLIOGRAFÍA
a) R.E. Treybal
Mass Transfer Operations
Mc Graw Hill
1998
b) Christie John Geankoplis
Procesos de Transporte y Principios de Procesos de Separación
Grupo Editorial Patria
2010
c) Dr. Antonio Valiente Barderas
Absorción
Departamento de ingeniería Química.
Facultad de Química
UNAM, C.U.
México D.F.
México
2010
d) Joaquín Ocon G., Gabriel Tojo B.
Problemas de Ingeniería Química
Aguilar S. A. de Ediciones
1990
7. FORMATO PARA LA INFORMACIÓN EXPERIMENTAL
Patm (mmHg) Tamb (°C) Tagua (°C)
FLUJOS l/min ∆P
COLUMNA
mm H2O AGUA AIRE
VR-3 SC-1 VR-1 (%) SP-1
EMPAQUE SECO
FLUJOS l/min ∆P
COLUMNA
mm H2O
AGUA AIRE
VR-3 SC-1 VR-1 (%) SP-1
EMPAQUE HUMEDO
FLUJOS l/min ∆P
COLUMNA
mm H2O
AGUA
AIRE
VR-3 SC-1 VR-1 (%) SP-1
EMPAQUE HUMEDO
CONSTANTES FISICAS DEL EMPAQUE
ANILLOS DE VIDRIO RASCHIG
Masa, kg
Volúmen, m3
Superficie, m2
Densidad aparente, kg/m3
Densidad real, kg/m3
Area específica, m2/m3
% huecos
N° piezas/m3
Integrantes: