UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLN

LEM IV

Ingeniera Qumica

REPORTE IIICadas de Presin en Torres Empacadas,ALUMNOS:Ayala Lpez Vctor Hugo Moreno Pea Juan Luis Gonzlez Vargas Yeremi Adonay

PROFESORA:

Carlos Orozco Hernndez

GRUPO:

1602-A

FECHA DE ENTREGA:

17 de Octubre del 2014

IntroduccinUna torre o columna empacada es una estructura vertical, normalmente cilndrica en cuyo interior se alojan materiales que la rellenan (Empaques). Este tipo de equipos se usan para proveer un contacto ntimo entre las fases que coexisten en un proceso determinado que se sucede a contracorriente; esto proporciona grandes reas de contacto interfacial con el objeto de facilitar el intercambio de masa, calor o ambos simultneamente. Las columnas empacadas son utilizadas en una gran gama de procesos, como destilacin, extraccin, humidificacin (deshumidificacin) y en absorcin gaseosa. La absorcin es una operacin de contacto gas-lquido, donde el lquido cae por gravedad desde el tope de la torre, mojando en forma de pelcula el material que conforma el relleno. El gas, sin embargo, entra por la parte inferior del equipo y sube por los espacios libres entre los empaques. Una de las principales ventajas de las torres empacadas es su baja cada de presin, caracterstica muy apreciada en operaciones al vaco. Debido a la forma como se distribuye el lquido en la torre, no se requiere dispersar el gas dentro del lquido en forma de burbujas, como ocurre en las torres de platos, lo que permite trabajar con bajas relaciones de lquido a gas y la posibilidad de manejar lquidos con tendencia a formar espuma.Las torres empacadas son un tipo de equipo de contacto entre fases de gran importancia en los procesos de la industria qumica; debido a sus ventajas, han ganado terreno en diversas aplicaciones de transferencia de masa, algunas columnas equipadas originalmente con platos han sido modificadas para usarse con empaque de alta eficiencia con el fin de aumentar el nmero equivalente de platos. Por supuesto, existen ciertas clases de sistemas donde las torres de platos siguen predominando.Para el diseo de una columna empacada, se deben considerar dos aspectos bsicos: la transferencia de masa y la hidrulica de la torre. El primero determina la altura de la torre, la cual est en funcin del cambio de concentracin deseado, la fuerza impulsora disponible y los coeficientes volumtricos de transferencia de masa. El estudio de la hidrulica de una torre empacada permitir obtener informacin acerca de la relacin entre cadas de presin y las velocidades de los fluidos, asimismo, permitir ubicar la zona de carga y los puntos de inundacin.

GeneralidadesHidrulica de las Torres EmpacadasLa cada de Presin del gas que fluye hacia arriba por el empaque, a contracorriente del lquido, se ve representada por la siguiente grfica:

A pequeos flujos de lquido, la seccin transversal abierta del empaque no difiere mucho de la del empaque seco, y la cada de presin es consecuencia del flujo que pasa a travs de un conjunto de aberturas de tamaos y ubicaciones variables en el lecho. Como se puede observar en la regin AB de la figura anterior, la cada de presin es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad del gas.Con mayores flujos del lquido, la seccin transversal abierta es menor, como consecuencia de la presencia de lquido, y una porcin de la energa de la corriente de gas es utilizada para soportar un aumento en la cantidad de lquido presente en la columna, regin A-B. Todos los flujos de lquido alcanzan una zona en la cual la cada de presin es proporcional a una potencia del flujo de gas superior a 2; la zona se denomina regin de carga, esquematizado en la figura anterior. El incremento en la cada de presin se debe a la rpida acumulacin de lquido en el volumen de espacios vacos presentes en el empaque.Si se aumenta la retencin del lquido, se puede producir uno de los dos posibles cambios. En el caso en el que el empaque se componga principalmente por superficies extendidas, el dimetro se orificios se hara tan pequeo que la superficie del lquido resultara continua a travs de la seccin transversal de la columna, es decir, en la parte superior del empaque. La inestabilidad en la columna se produce al mismo tiempo que la elevacin de un cuerpo lquido de fase continua en la misma. Por otro lado, la cada de presin aumenta drsticamente con un cambio ligero en el flujo de gas (condicin C C). Este fenmeno se conoce como inundacin.Si la superficie del empaque no es continua, se presenta una inversin de fases y el gas burbujea a travs del lquido. En este caso la columna no es inestable y se puede hacer que regrese al funcionamiento continuo de fase gaseosa, solo reduciendo al flujo de gas. De la misma forma que en la inundacin, la cada de presin aumenta rpidamente conforme se va produciendo la inversin de fases.

Objetivos Establecer un procedimiento experimental para resolver el problema planteado donde se especifique las variables a medir y el nmero de corridas a llevar a cabo. Comprender el comportamiento hidrulico de una torre empacada y destacar su importancia en la operacin del equipo. Comprender la operacin bsica de la torre empacada instalada en el LEM as como el comportamiento de los fluidos en la zona de carga y de inundacin. Entender los alcances de las correlaciones generalizadas para P y puntos de inundacin.

Procedimiento experimental1. Revisar los servicios de aire comprimido y energa elctrica que son suministrados a la torre.2. Abrir la vlvula de alimentacin de agua a la torre empacada, posteriormente encender la bomba.3. Abrir la vlvula de aire comprimido para comenzar la prctica.4. Se realizaran 6 corridas, una de ellas se hace sin flujo de agua en la torre (determinacin de empaque seco) y las restantes se mantendr el flujo de agua constante mientras se vara el flujo de gas. 5. En cada aumento de flujo, se leen las siguientes variables: cada de presin de agua, cada de presin del aire, cada de presin de la torre, presin manomtrica y la temperatura, hasta llegar al punto de inundacin de la torre, es decir, hasta que la columna este totalmente llena de agua.6. Se debe tener cuidado de verificar que las trampas colocadas en la parte inferior y superior de la torre, no estn llenas de agua, de ser as, en cada corrida, desechar la acumulacin en ellas (desechar el agua de las trampas al final de la sesin experimental).7. Posteriormente, al haber realizado las seis corridas, se cierran las vlvulas de agua y gas, posteriormente se apagar la bomba.8. Verificar que todos los servicios usados estn en las condiciones iniciales, es decir, ninguna vlvula debe de estar abierta.

Resultados experimentales

Tabla 1.-Resultados experimentales en torre empacada 1

P aguaPSID(lb/in2)P aire(in H2O)P torre(in H2O)P aire entrada(kgf/cm2)TemperaturaAire entrada(C)

0(EMPAQUE SECO)1860.529

3081.2529.5

34101.2029.5

3511230

0.2950.530

139130

14121.1030

15171.2530

0.3850.431

1160.7531

1290.9031

14131.031

17201.231

0.4750.431

1190.7531

1213131

0.5550.4031

770.6031

10120.9031

Caractersticas de la torre.

Tabla 2

EmpaqueAnillos Rasching de PVC

Dimetro de la torre6 in 0.1524 m

Area de la torre

Altura de lecho empacado55.2 in 4.6 ft

Dorififio(gas)0.734 in=0.0186436m

Dtubera(gas)1.61in=0.040894m

Areaorificio(gas)

Dorififio(lquido)0.413 in=0.0104902m

Dtubera(lquido)0.622in=0.0157988m

Areaorificio(lquido)

Tratamiento de resultados

Primeramente, se obtendr el valor de las cadas de presin que se presentan en la placa de orificio correspondiente al flujo del aire, el cambio de unidades corresponde de in H2O a , para el caso en el cul se maneja la corrida con empaque seco, el valor correspondiente de la cada de presin de 18 in H2O a las unidades deseadas es:

La tabla siguiente muestra los valores correspondientes a las cadas de presin del aire en las distintas corridas experimentales:Tabla 3

P aguaPSID(lb/in2)P aire(in H2O)P aire()P entrada aire ()

0(EMPAQUE SECO)18457,25000

3076212500

34863,612000

3588920000

0.29228,65000

13330,210000

14355,611000

1538112500

0.38203,24000

11279,47500

12304,89000

14355,610000

17431,812000

0.47177,84000

11279,47500

12304,810000

0.551274000

7177,86000

102549000

Clculo de la masa velocidad del aire.La masa velocidad superficial del gas se determina por medio de la siguiente ecuacin:

Dnde:

Para determinar el flujo volumtrico del aire se hace el uso de la siguiente expresin:

Dnde:

El factor de expansin (Y) se calcula con la siguiente ecuacin:

Dnde:

Mientras que la densidad del aire es representada por la ecuacin del gas ideal:

Ejemplo:Utilizando los siguientes datos, se calcular la masa velocidad del aire:

P aguaPSID(lb/in2)P aire(in H2O)P aire()P entrada aire ()T

0.29228,6500029C=302K

Primeramente de calcular la densidad correspondiente del aire a la temperatura de 29C, de la siguiente forma:La presin utilizada corresponde a la presin absoluta, es decir:Pabs = Pman + PatmPatm = 585mmHg = 7953.075

Pabs= 7953.075 + 5000 = 12953.075 Para el manejo de unidades adecuadas, la presin anteriormente calculada, debe obtenerse en :12953.075 * = 127026.2989 Por tanto la densidad es:

El factor de expansin es:

y; es la relacin entre los dimetros de la placa de orificio y el de la tubera:

Sustituyendo los valores adecuados, el factor de expansin para el ejemplo dado es:

Mientras tanto el caudal es:

0.00937910

Por tanto, obtenido el caudal, la masa velocidad del aire es:

Curvas log(G) vs Log(P/z)Del ejemplo a seguir, el valor logarttmico de la masa velocidad del aire es:2.7464Ahora, se calcular el trmino P/Z,siendo la altura de la torre de 4.6 ft:

Los resultados correspondientes a las corridas experimentales basadas en el ejemplo anterior, se encuentran plasmadas en la tabla 4, mientras las curvas log(P/z) vs log(G) corresponden al grfico 1, cada una de ellas de acuerdo al flujo de agua manejada.Tabla 4.- Densidad, caudal, masa velocidad y P/z para cada corrida experimental referidos al aire.

P aguaPSID(lb/in2)P aire(in H2O)P aire(kg/m2)P aire entrada(kg/m2) aire(kg/m3)YQ[m3/s]G[kg/m2 s]G[Lb/ft2 h]log GP torre/Z(in H2O/ft)logP torre/Z

0(Empaque seco)18457,250001,4671505440,9892819280,0131694341,06162324783,1937992,893869241,304347830,11539342

30762125002,3128207430,9886869510,0135330781,7197573161268,7205923,103365991,739130430,24033216

34863,6120002,256281060,9868572540,0145594621,8049581821331,5760273,124365972,173913040,33724217

35889200003,1609159840,9903427050,0125245232,1752178311604,7285453,205401582,391304350,37863485

0.29228,650001,4623084630,9946409640,009378130,753501016555,88206932,744982671,086956520,03621217

13330,2100002,0267722930,9944150210,009571611,065905199786,35273882,89561741,956521740,29148468

14355,6110002,1396650580,9943027490,0096662471,136402824838,36111672,923431132,608695650,41642341

15381125002,3090042070,9943434750,009632031,221999897901,50884582,954969993,695652170,56769109

0.38203,240001,344976830,9948378890,0092212130,681446023502,72477042,701330281,086956520,03621217

11279,475001,7388017580,9945097160,0095066710,908253662670,04810112,826105981,304347830,11539342

12304,890001,907583870,9945405390,0094802420,993645988733,04478162,865130511,956521740,29148468

14355,6100002,0201052790,9939854070,0099450091,103844193814,34156182,91080662,826086960,45118552

17431,8120002,2451480950,9934286270,0103893121,281623249945,49492132,97565924,347826090,63827216

0.47177,840001,344976830,9954831530,0086312490,637847834470,56097642,672615911,086956520,03621217

11279,475001,7388017580,9945097160,0095066710,908253662670,04810112,826105981,956521740,29148468

12304,8100002,0201052790,9948446350,0092152481,022844551754,58550652,877708462,826086960,45118552

0.5512740001,344976830,996773680,0073041940,539778665398,21217862,600114541,086956520,03621217

7177,860001,5700196460,9961305870,007993940,689595769508,73710162,706493411,521739130,18234021

Como puede observarse en el grafico anterior, podemos identificar la zona de carga de nuestra torre y en la misma instancia se ve reflejada la zona de inundacin, no sigue el comportamiento terico, pero se asemeja demasiado a el, por ello mismo el rango de operacin para la torre tiene muy poco de margen de error, podemos destacar que, el comportamiento terico es semejante con lo experimental puesto que nuestra grafica presenta pendientes diferentes para cada corrida, con ello corroboramos el sistema que debiese seguir nuestro equipo. Pudimos resaltar que, la lnea de empaque seco no resulta ser recta, sino todo lo contrario, lo cual manifiesta un flujo adecuado en el equipo, y una tolerancia mnima al mismo. Clculo de la masa velocidad superficial del liquido (l)Para calcular la masa velocidad del lquido se emplea la misma ecuacin que para el gas, sin el trmino factor de expansin:

Por ejemplo, para un valor de 0.2PSID, el valor de la masa velocidad del lquido es:

Para un valor de

0.002533317

Por tanto obtenido el caudal, la masa velocidad del aire es:

P H2O(PSID)P H2Okgf/m2Q(m3/s)L(kg/m2 s)

0.2140.60,002533317139,1932181

0.32110,003102666170,47618

0.4 281.30,003582651196,8489368

0.5351.60,004005525220,083802

Clculo de CDPara calcular la constante CD (una constante emprica), se emplea la simplificacin de la ecuacin de Ergun:

Dnde:

Por lo tanto:

EjemploPara los siguientes datos, calcular CD

1,304347830,217553830,091591274

En la siguiente tabla, se muestra los distintos valores de CD calculados:CD

1,304347830,217553830,0915912740,54913709

1,739130430,352422390,1443847730,71250852

2,173913040,369882230,1408551140,82784937

2,391304350,445757930,1973296631,05859089

1,086956520,154411690,0912889930,64261436

1,956521740,218431320,1265273411,13332418

2,608695650,232878090,133575011,49630458

3,695652170,250419120,1441465152,12729512

1,086956520,139645770,0839642140,65354969

1,304347830,186124470,1085499160,76071054

1,956521740,203623550,1190866461,14424688

2,826086960,226205990,1261111321,57555964

4,347826090,262637480,1401601052,32027724

1,086956520,130711380,0839642140,69822113

1,956521740,186124470,1085499161,1410658

2,826086960,209607090,1261111321,7003291

1,086956520,110614490,0839642140,82507677

1,521739130,141315860,0980131861,05544062

2,608695650,186052080,1190866461,66975187

Clculo de CfPara determinar el factor de empaque Cf, se utiliza la grfica, obtenida de la pgina 224 de Treybal, Operaciones de Transferencia de Masa, McGraw Hill, 1988.

El procedimiento para determinar el factor es el siguiente: se calcula el valor de las abscisas, posteriormente utilizando la cada de presin de la torre empacada, se lee el valor del eje Y, para posteriormente obtener el valor de Cf. Con base en las siguientes ecuaciones:

Para sistema internacional, las siguientes constantes toman un valor numrico especial:

E-3

Ejemplo:Para los siguientes valores:

P/z(N/m2/m)Densidad lquido(kg/m3)Densidad gas(kg/m3)

L`(kg/m2s)

G`(kg/m2s)

0,00133043

10001,46230846

139,193218

0,75350102

7,06922002A un valor de X= 7.06922 le corresponde un valor de 0.023, por tanto el Cf es:

119.356048E la siguiente tabla, se muestran los valores de Cf calculados para las distintas corridas, as como el Cf promedio en cada flujo de agua ajustado:

P torre/Z([N/m2] / m)G(kg/s)L(kg/s)XYCfCf promedio

(0.2 PSID)0,001330430,75350102139,1932187,069220020,023119,356048

97,4969893

0,002394781,0659052139,1932185,884946630,02693,3987063

0,003193041,13640282139,1932185,671837620,02790,073188

0,004523481,2219999139,1932185,479756270,02887,1600146

(0.3 PSID)0,001330430,68144602170,476189,180829030,009957,7807786

43,7756465

0,001596520,90825366170,476187,833565650,0142,458121

0,002394780,99364599170,476187,500469770,01142,8020471

0,003459131,10384419170,476186,948355550,01240,0628934

0,005321741,28162325170,476186,30977540,01335,7743922

(0.4 PSID)0,001330430,63784783196,84893711,32571540,008153,958760744,9583614

0,002394780,90825366196,8489379,045422480,009942,0335398

0,003459131,02284455196,8489378,65863720,0138,8827835

(0.5PSID)0,001330430,53977866220,08380214,96311530,004844,6499447

44,607354

0,001862610,68959577220,08380212,65573080,007147,2250794

0,003193040,90790042220,08380210,59757030,00941,9470378

ComparacinAnillo Raschig 1 PVC

Anlisis Literatura Anlisis hidrulico de la torre

11598

Como puede observarse, los valores obtenidos de Cf experimentalmente son muy similares a los reportados en la pgina 220 de Treybal para anillos de 1 pulgada metlicos, y aunque el material de fabricacin no es el mismo, las caractersticas en las medidas del empaque son parecidas, es por ello que durante la experimentacin, el Cf que se compara es el correspondiente al empaque seco, teniendo un valor de 97.49, mientras el reportado en la literatura es de 115 con lo cual podemos llegar a la conclusin que an a pesar de no contar con el dato exacto para el material trabajado, nuestra experimentacin al igual que los clculos de lecho empacado no se disparan o se alejan de la realidad pudiendo manejar una eficiencia experimental un tanto mayor al 90%. Esto lo podemos corroborar con las curvas de carga y de inundacin, las cuales nos dieron muy similares a las reportadas por los proveedores de empaques, con esto podemos discernir un aprovechamiento de los datos tericos con respecto a los experimentales y por supuesto se obtiene conocimiento del comportamiento hidrulico de la torre, as de cmo influye la correlacin de P para cada corrida.Bibliografa Treybal, E. Robert, Operaciones de Transferencia de Masa, McGraw Hill, 2da. Edicin, Mxico, 2000, pp. 218-226.

Crane. Flujo de Fluidos en vlvulas, accesorios y tuberas.Mc Graw Hill.