IINFORME DE LABORATORIO N° 725 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ TORRES EMPACADAS Diana Patricia Camacho, Cristian Morantes Chaparro, Julio Cesar Gómez Niño, Andrea Patricia Hernández, Carolina Lizarazo Gómez, Brucxen Enrique Nuñez, Leidy Lorena Segura, Sebastián Serrano Reina RESUMEN La práctica de torres empacadas consistió en determinar la caída de presión, y el caudal obtenido del proceso, para esto se tuvo que elegir dos torres del laboratorio que contienen diferentes empaques, en este caso se eligieron las torres número dos y tres, seguidamente se realizaron las respectivas calibraciones de la platina y el reóstato dejando el flujo del líquido fijo para determinar la caída de presión de la columna y de la platina, y se medía la velocidad del aire, gradualmente se variaba el reóstato y se hacían dos mediciones de volumen y tiempo 1. INTRODUCCIÓN Una torre empacada de es frecuentemente relleno un o torre líquido y un distribuidor en la parte aparato superior, salidas para el gas y para utilizado en el líquido por el tope y por el fondo absorción de gases y en algunas respectivamente, otras operaciones. El dispositivo soportada consiste en una columna cilíndrica inertes que recibe el nombre de o torre, equipada con una entrada empaque o relleno de la torre. de y una cuerpos masa sólidos de gas y un espacio de distribución en la parte inferior, una entrada de 1 y el fluido más Eliminador de espuma denso se dirige desde la cima hacia Distribuidor de líquido abajo. Cuenta con un lecho de solidos inertes llamados Figura 2. y de las propiedades del empaque. 2 .IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ La caída de presion a través de la torre empacada se puede determinar mediante la ecuación de Leva y Ergun. Torre empacada encontrar una correlación para la caída de presión de una torre empacada rellena con anillos Rashig 2. Usualmente un gas o vapor ingresa por el fondo de la Entrada de líquido columna y asciende a través del Salida del gas área transversal libre. Partes de una torre empacada empaques. así como con dispositivos para la salida. A través de la práctica realizada de torres empacadas se variaron los flujos de gas y de líquido con el fin de Figura 1. que son función de las razones de flujo de gas y líquido. equipada con sistemas de alimentación y distribución de las fases. MARCO TEÓRICO Una torre empacada es una columna cilíndrica. en el fondo y en la cima. 3 . la empacado menores pérdidas de carga. Los empaques pueden estar dispuestos al azar o de forma ordenada.1. Empaques al azar 2. Figura 3.1 Empaques: Constituye el elemento principal de esta clase de columnas. de Empaque al azar: el diseño la columna.IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ Boquilla de atomización Retención del relleno Empaquetamiento al azar Redistribuidor del líquido Soporte del relleno Entrada del gas Salida del líquido 2. Debe procurarse caída de presión lo más baja posible. Tiene como función ofrecer su superficie como área humectable para favorecer el contacto entre las fases.1 Tipos de empaques: Empaque ordenado: particular influye mucho en las distribución del características de transferencia sigue un patrón definido dentro de masa y caída de presión. Resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo. Si el líquido o gas contiene Durante la inserción del empaque Proporcionar un buen contacto en entre el líquido y el gas. 4 . columna. para sólidos disueltos. materiales de éste se rompen Tener una gran proporción de debido Bajo costo. lo que disminuye la eficiencia del contacto. debido a que el grado de agitación del líquido por el gas es relativamente Figura 4. a la algunos dilatación y la contracción térmica. Tener pasos adecuados presión.IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ Condiciones que favorecen las torres empacadas Los líquidos que tienden a generar espuma se manejan mejor. lo cual representa una columnas de absorción: gran ventaja cuando el líquido es térmicamente sensible. espacios vacíos entre el orden del 60 y el 90%. La retención del líquido es Características de los rellenos de mínima. la Los flujos bajos del líquido tren como consecuencia el humedecimiento incompleto del empaque. Empaque ordenado bajo. Químicamente inerte frente a los Condiciones desfavorables fluidos de la torre. este tipo de ambas corrientes sin excesiva torre no facilita la limpieza del retención de líquido o caída de mismo. pequeño en relación al diámetro de la esta uniformemente columna y éste último mantiene un Los primeros cuatro parámetros valor constante. caída de presión en ?= Razón de volumen líquido a volumen total o porosidad del lecho columnas empacadas de manera satisfactoria para fluidos en régimen Esta expresión está basada en la laminar. convirtiendo dicha ecuación estrictamente en una dependiente función de velocidad de flujo. la viscosidad del fluido que el flujo a través del lecho. se hace pasar a través del mismo y la que el diámetro de la partícula es velocidad de flujo.IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ CAÍDA DE PRESIÓN EN Donde: COLUMNAS EMPACADAS ∆?= Caída de presión [=] N/m2 ?=Velocidad de flujo [=] cm/s La evaluación de la caída de presión ?= Longitud del lecho empacado [=] es un requisito fundamental para el cm buen ?= Viscosidad del fluido [=] g/cm. la longitud y porosidad distribuido y no existe irregularidad en del lecho.s diseño de las torres ??= Diámetro de partícula del lecho empacadas. EQUIPOS la Anemómetro: El tipo más común de anemómetro consiste en tres o cuatro ∆? = ???? ∗ ? ∗ ? ∗ ?(? − ?)? ??? ∗ ?? semiesferas unidas a unas varillas cortas conectadas a su vez a un eje vertical en ángulos rectos. siendo esta expresión una condición de que el material de función que depende del diámetro de empaque la partícula. El principio 5 . [=] cm La ecuación predice la de Blake-Kozeny. 3. además. pueden considerarse constantes en un sistema determinado. Anemómetro Rotámetro: Instrumento para caudales. basan del 2. Platina de orificios circulante que conduce 6. El número de elemento vueltas por minutos se traduce en la prácticamente constante. Distribuidor de líquido en la desplazamiento medición vertical de elemento sensible. 6 . que actúan móvil sobre el permanece velocidad del viento con un sistema de engranajes similar al del indicador de velocidad de los vehículos de motor. Se 1. Distribuidor de aire del simultáneamente a un cambio en el 7. Torre empacada líquidos como de gases que trabajan con un salto de presión constante. Válvula de entrada de agua equilibrio depende caudal 5. Figura 5. Cuerpo de la torre un 3. Válvula de entrada de aire. Empaque de la torre área del orificio de pasaje del fluido. cuya posición de 4.IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ de funcionamiento se basa en que el de tal modo que la diferencia de flujo de aire empuja las semiesferas y presiones estas hacen girar el eje. medir utilizado tanto de Figura 6. 000495 0.31 9.000050874 0. generado al variar el 11.73 18. Calibración del rotámetro Después se dejó el flujo de líquido descrita fijo (rotámetro en 40) y en la torre 2 6?10−7 −2?10−6 .11 6.IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ 8. Lectura de presión 12. en pasos de 5.000619 0.000075253 velocidad del aire y se tomó el ∆???????? cada 3 minutos como tiempo de estabilización. Figura 7. se tomaron dos mediciones de volumen y tiempo por cada posición • • Se debe verificar que las llaves de paso de las demás torres estén cerradas. Calibración del rotámetro 4. La representación gráfica anterior esta por la ecuación: ?= Raschig.000520 TIEMPO [s] 44.18 18.000037400 0. Compresor tiempo de estabilización de 2min. METODOLOGÍA • ROTÁMETRO Se realizó la calibración de la platina de orificio variando la posición del reóstato de 20 a 60. Salida de aire reóstato de 25 a 65 cada 5 con un 10. • Luego se calibró el rotámetro variando cada 3 min la posición del rotámetro de 20 a 120 de 20 en 20.91 CAUDAL [?? /?] 0.000610 0.46 16.000060464 0.000014011 0. donde Q representa el y 3 que tienen empaque tipo anillos caudal y x la posición del rotámetro.000026002 0. se tomó el ∆???????? y el 7 .001095 0. se midió con el anemómetro la 20 40 60 80 100 120 VOLUMEN [?? ] 0. Regulador de voltaje Tabla 1. Encendedor del reóstato 5. Rotámetro ∆???????? 9. ANÁLISIS Y RESULTADOS 13.000480 0. 89 3.183080 30.6327.11 4.32 4.5 4. Calibración de la platina de orificio REÓSTATO 20 25 30 35 40 45 50 55 60 VELOCIDAD [m/s] 2.226 794.11 4. donde Vg es la velocidad del gas y Re es la posición del reóstato.36 696.1 9.03 2.43 4.017923 18. Calibración del reóstato La representación gráfica anterior esta descrita por la ecuación: Vg= 0.182 1078.81 5.66 12.1517 = Cd√ ?(1 − ?4 ) ? Vg=velocidad del gas [ ? ] 2 Cd = 0.? [??] 156.006428 24.27 588.81 5.5 Tabla 3.286 951.43 4.3 3.03 2.2 4. CALIBRACIÓN DE LA PLATINA DE ORIFICIO 2∆? ?? = ??√ ??(?) ?(1 − ? 4 ) Figura 9.896 225.1 8.842960 VELOCIDAD [m/s] 2.7 11 ΔP [??] ?? ?.1148 8 . Calibración de la platina de orificio m = 0.2 Cd=coeficiente de arrastre ?? ?=densidad del aire 1.2 Figura 8.625 = ???????? ?? ?? ??????? 1. Calibración del reóstato REÓSTATO 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ΔP [???? ?] 1.52 2.89 3.32 4.538 343.52 2.386095 28.525813 15.6 2.525928 21.21 441.IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ Tabla 2.256133 26.841239 32.5 6 7.2 4.18 [?3 ] ?= ???????? ??? ???????? 0.0773Re + 0. se obtenidos halla una aproximación de la ecuación que posteriores tablas con la Los resultados obtenidos se muestran en las siguientes tablas. describe este proceso. A partir de este ecuación.1517ΔP 0.1913 ??(?) Tabla 4.5 + 0. después de hacer el permite relacionar la caída de presión último ajuste a la ecuación. Características torres empacadas seleccionadas Características Torre 2 Torre 3 Altura de relleno Diámetro columna 115 cm 14 cm 119 cm 14 cm Diámetro de salida del aire Diámetro de salida del agua Diámetro de la platina Tipo de empaque 1(5/8) pulg 1(5/8) pulg 1 pulg 1 pulg 5/8 ft 5/8 ft Anillo Raschig 1/2 Anillo Raschig 13/32 1/2 3/8 5/32 pulg 7/32 pulg 3 Se debe línealizar la correlación para hallar los parámetros constantes en el modelo. ?? = 1.205 Kg/? . ?? = 0. ?? es la densidad del gas en Kg/?3. para en función del flujo lineal del gas y hallar la relación entre los datos de liquido hasta el punto de carga en las una torre empacada. Para hallar la velocidad del gas se ΔP = ?2 ∗ 10?3 ∗?? ∗ ?? ∗ ??2 ??(?) utiliza el modelo hallado en la calibración de la platina. ?? es la velocidad del gas en m/s.IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ CAÍDA DE PRESIÓN EN LA TORRE Como la caída de presión depende La ecuación de leva y eckert presenta de dos variables independientes de un buen modelo semi-empirico que manera lineal. se debe utilizar el método modelo de regresión lineal múltiple. y los datos experimentalmente. Se aplica logaritmo en base 10 a ambos lados y se reorganiza la ecuación obteniendo: log(∆P) = [(log(C2 ) + log(ρg )] + C3 Vl + 2log(Vg ) ??(?) Altura de empaque Diámetro externo del empaque Diámetro interno del empaque 9 . Donde ?2 y ?3 son constantes ?2 = 2.51 ? ?3 = 3.055 ?? es la velocidad del líquido en m/s. 8461 0.IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ Como el rotámetro se mantuvo fijo en un valor de 40 mientras se fue variando la velocidad del gas ?? = 0.000026002 ? ⁄? ?? = = ??(?) ?? 5.695970 ?? [ log(∆?) ] ??????? = 0.333946 2.5849 0. Calculando el área transversal de las torres: ?? = ? ? ∗ ?2 = ∗ (0.383729 3.6 7.5541 333.4137 2.8479 549.2 3.995844 0.3619 0.4 10.7293 990.573604 0.4 7.488687 0.559725 2.7 5.05565?? + 2.383729 0.067 ∗ 10−4 ?2 4 4 ??(?) Con el área transversal y el caudal de líquido.067 ∗ 10−4 ?2 ?? = 0.889150 2.488687 3.4278 529.644804 0. Caída de presión torre empacada número 3 con rotámetro en 40 TORRE PLATINA REÓSTATO ∆?[cmH2 O] ∆? [Pa] ∆?[cmH2 O] ∆? [Pa] 25 35 45 55 65 2.2834 2.473242 ??(?) [ REÓSTATO ?? ???(??) ???(?? ) 25 35 45 55 65 2.1752 774. El diámetro de la tubería por donde sale el agua es: ? = 1 ?? = 0.000026002 m /s 3 Donde ?? es el caudal del líquido.0254?)2 = 5.739711 2.3 3.7463 2.9 10.7463 4.6958 1000.0254 ? Tabla 5.1 Calculo de la caída de presión teórica por unidad de longitud de la torre empacada número 3.644804 4.9656 2.0810 3.4 5.573604 4.2 225.63006 + 2.05132 m/s ???(∆?) = 3.4195 3.2346 0.1 215.7474 362. Velocidad de gas y logaritmo de la caída de presión de la torre empacada número 3. se calcula la velocidad de líquido: 3 ?? 0.4195 1.5618 725.0574 0.9656 2.4884???(?? ) + 0.4767 Tabla 6.4137 4. ???(∆?) ] ??????? ? ???(?? ) 2.4884???(?? ) ? ??(?) 10 .0810 1.695970 Tabla 6. IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ Para [ calcular Para calcular el error entre las caídas de el log(∆?) ? presión por unidad de longitud se debe ] ???????????? .5211 0.695970 1. notándose que a mayor flujo de gas va a haber una mayor caída de presión en este.19m).4040 7.5849 1.Caída de presión de la torre 3 de anillos Raschig 11 .3619 2.2890 0.257 ? 2. ya que el cambio de la magnitud de la velocidad del gas cuando se encuentra con el flujo de agua va a ser mayor. se le saco el tener en cuenta la siguiente ecuación: logaritmo a la caída de presión de la torre en Pa y luego se dividió sobre la log(∆?) log(∆?) ] ??????? − [ ] ??? ? ? ????? = ∗ 100 % log(∆?) [ ] ??????? ? [ altura de la torre 3 (119cm=1.6958 2.9775 24.2834 3.488687 529.5230 2. Después se gráfico [ longitud de la torre empacada 3.383729 Tabla 6.5541 2.0001 2.4278 2.3533 333.0574 2. Figura 10.5618 2.2890 11. y ajustando a una línea recta. [ [ ???(∆?) ] ??? ? ????? [%] log(∆?) ? ] teórico vs log(?? ) Se puede observar que tanto gráfica como numéricamente los valores experimentales estuvieron desviados un 25% de su valor real.4040 0.3. ∆? [Pa] ???(∆?) ???(∆?) ???(?? ) [ ] ??? ? 1.5211 6.2 Calculo de la caída de presión experimental por unidad de longitud de la torre empacada 3.5812 2.9775 0.573604 725.1202 0. Cálculo del error de la caída de presión teórica y experimental por unidad de 225.8461 2.845 log(∆?) 2.2346 2.771 1.644804 ???(∆?) ] ??????? ? 1000.8608 2.1202 14. ??(?) Tabla 6.7401 Graficando el [ ] experimental vs log(?? ).7239 2. Caída de presión torre empacada Tabla 8.9 480.7 558.71098 ] ??ó???? ? 1.70507 3.30543 5.9935 0.1 Cálculo de la caída de presión número 2 de anillos Raschig con rotámetro teórica por unidad de longitud de la torre en 40 empacada 2 TORRE PLATINA REÓSTATO ∆?[cmH2 O] ∆? [Pa] ∆?[cmH2 O] ∆? [Pa] 25 1.2 313.63006 + 2.756711 calcular el log(∆?) ? ] ???????????? .5131 Para Se repite el procedimiento realizado en la torre 3 de comparar los datos de la [ ???(?? ) ???(∆?) [ 0.432179 0.5876 35 2 196. REÓSTATO 25 35 45 55 65 ?? 2.9045 ?? 2.5 735.634016 421.15m).5 1323.4967 2.5025 55 4.51671 4.71098 ???(??) 2.70507 3.546136 313.3 421.3890 0.9819 2.121857 ???(∆?) [ ? ] ??? ???(?? ) ???(?? ) 0.866584 3.706063 0.4884???(?? ) ? Se obtiene: Tabla 8.2926 1.4871 2.706063 0.546136 0.5102 65 5.30543 5.3 127. Tabla 8. Usando la ??(?) [ log(∆?) ] ??????? = 0.1055 1.546136 0.08233 5.2 Cálculo de la caída de presión experimental por unidad de longitud de la torre empacada 2.8144 2.016829 3.3870 2.IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ Tabla 7.134 4. Velocidad de gas y logaritmo de la ∆? [Pa] ???(∆?) 127.634016 0.6250 2.5283 45 3.9891 2.1710 0.706063 558.51671 4.438681 2.2826 0.6881 10.6 1039.134 2.634016 0.08233 5.4871 2.756711 12 . la altura de la torre 2 es (115cm=1.432179 0.432179 196.7055 1.7474 2.756711 caída de presión de la torre empacada 2.8 274.8308 0.681719 2.8144 7. caída de presión teóricos con los experimentales y se grafican cada uno de ellos con el flujo de aire.9819 13.6881 2.2077 2. 2826 2.9935 2.1202 2.8461 2.2077 2. Tabla 8.9381 área reducida disminuyendo de el superficie.3 Cálculo del error de la caída de presión teórica y experimental por unidad de Se puede observar que la torre 2 longitud de la torre empacada número 2 tiene mayor tamaño y un espesor mayor [ ???(∆?) ] ??ó???? ? 1.2346 2.9891 2.5211 Tabla 8.3890 ???(∆?) ] ??? ? [ ???(∆?) ] ??? ? 1.7055 1.IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ pequeño.3870 2.3890 ????? [%] dará como resultado un aumento en la caída de presión.1710 2.7055 1. la relación entre los valores de caída de presión teóricos y experimentales son más pequeños.8308 1.2077 2. Caída de presión de la torre 2 de anillos Raschig Con la ??(?) Torre 2 anillos Rashig ½ (pulg) log(∆?) log(∆?) [ ] ??????? − [ ] ??? ? ? ????? = ∗ 100 % log(∆?) [ ] ??????? ? [ ???(∆?) ] ??? ? 1.2890 2. y finalmente un 7.3468 0.9935 2. siendo el error de 7% aproximadamente.5131 [ ???(∆?) ] ??? ? 1.9775 2.3619 1. factor de empaquetamiento y por consiguiente una baja caída de presión.3870 2. un espacio libre menor.4 Comparación de las caídas de presión teóricas y experimentales de las torres trabajadas Figura 11.5849 1.4040 2.9891 2.6624 4. En el caso de la columna dos con anillos Rashig pero de tamaño más 13 .1710 2.2212 1.5131 [ Torre 3 anillos Rashig 3/8 (pulg) ???(∆?) ] ??? ? [ 1.3737 4.8308 1.2826 2.0574 2. 1998. McGRAW-HILL. fases con respecto al empaque Editorial de 3/8 tipo Rashig lo que hace México. Segunda Edición. datos no son precisos. G. Los rellenos de la torre mejoran el proceso por eso entre eficiente sea el empaque rendimiento rendimiento del proceso del más el será mejor. que el proceso sea más eficiente. BIBLIOGRAFÍA de los valores GEANKOPOLIS. 14 . C. Tercera por errores en la de medición. Los anillos Rashig de tamaño TREYBAL. puesto que la escala y Edición.IINFORME DE LABORATORIO N° 7 25 DE AGOSTO DE 2015 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-QUÍMICAS INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE PROCESOS I ________________________________________________________________________________ 6. más pequeño (1/2 pulg) son Operaciones de Transferencia mejores en el contacto entre de masa. Editorial CECSA. CONCLUSIONES Algunos 7. 1988 Robert E. el estudiante a cargo de dar los México. transporte y obtenidos en la práctica se vieron Procesos afectados operaciones unitarias.