Torres Empacadas

TORRES EMPACADAS

Javier Camilo Martínez Alvarado Cod. 2080692 Diego Francisco Morales Mendivelso Cod. 2083233

Laboratorio de Procesos

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER BUCARAMANGA 2012

INTRODUCCION

Las torres empacadas son dispositivos frecuentemente utilizadas en la absorción de gases y algunas otras operaciones. Esta consiste en una columna cilíndrica, o torre, equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior; una entrada y un distribuidor en la parte superior; salidas para el gas y liquido por cabeza y cola respectivamente; un masa soportado de cuerpos sólidos inertes que reciben el nombre de relleno de la torre que proporcionan un área de superficie grande para facilitar el contacto entre el líquido y el gas. Las torres absorbedoras empacadas pueden alcanzar eficiencias de remoción más altas, manejar razones de líquido más altas y tener requerimientos de consumo de agua relativamente más bajos que otros tipos de absorbedores de gas. Sin embargo, las torres empacadas pueden también tener caídas de presión altas en el sistema, potencial de obstrucción y ensuciamiento alto y costos de mantenimiento extensos debido a la presencia del material de empaque. La caída de presión a través de la torre empacada se puede determinar mediante la ecuación de leva y Ergun, las cuales son función de las razones de flujo de gas y de líquido, y además de las propiedades del empaque. A través de ensayos realizados en una torre se variaron los flujos de gas y de líquido con el fin de encontrar una correlación para la caída de presión de una torre empacada rellena con monturas de Berl.

OBJETIVOS

 Conocer

las

características

de

construcción,

instalación,

y

funcionamiento de una torre empacada para la absorción gas-líquido.  Aprender como calibrar la platina de orificio y el rotámetro utilizando diferentes caudales y caídas de presión.  Encontrar una correlación para la caída de presión en función de los flujos de gas y de líquido que atraviesan la torre.  Analizar los posibles inconvenientes que se podrían presentar en la determinación de la caída de presión en la torre empacada.

MARCO TEÓRICO

Las torres empacadas ocupan un lugar destacado en las industrias de trasformación fisicoquímica, ya que juegan un papel fundamental en las operaciones de transferencia de masa y de calor que requieren el contacto directo entre las fases inmiscibles. Una unidad de torre empacada básica se compone de una envoltura de la columna, eliminadores de rocío, distribuidores de líquido, material de empaque, soporte del empaque y puede incluir un retenedor del empaque. Cuando se utilizan solventes o gases altamente corrosivos, para los interiores de la columna se requieren de aleaciones resistentes a la corrosión o materiales plásticos. En la Figura 1 se muestra una imagen de un conjunto de torres empacadas a contracorriente.

Principales aplicaciones  Remoción de contaminantes del aire, eliminación de olores.  Absorción de dióxido de carbono- en control de emisiones y en el proceso solvey.  Absorción en procesos de producción de Acido Nítrico, sulfúrico, cloro. Desorción decarbonatación de agua, despojamiento de amoníaco.  Destilación Rectificación al vacío de crudo Extracción líquido-Líquido.  Recuperación de compuestos orgánicos de corrientes acuosas  Des humidificación Desalinización de agua Enfriamiento Plantas térmicas y nucleares Enfriamiento de cloro gaseoso

La absorción se refiere a la transferencia física de un soluto de la fase gaseosa a la fase líquida. Generalmente, el soluto entra en la columna en un gas que es insoluble o sólo ligeramente soluble en la fase líquida. Mientras que algunos de la fase líquida pueden ser vaporizado en la fase de gas, esto es incidental para la operación de absorción. El soluto absorbido puede formar una solución simple en la fase líquida, o puede reaccionar químicamente con un componente en la fase líquida.

5 13 11 810

1. Válvula de entrada de aire 2. Cuerpo de la torre 3. Distribuidor de líquido 4. Válvula de entrada de agua 5. Platina de orificios 6. Distribuidor de aire 7. Empaque de la torre 8. Rotámetro 9. Salida de aire 10. Turbina 11. Lectura de presión 12. Encendedor del reóstato

12

13. Regulador de voltaje

9

Distribuidores de líquido: El distribuidor de líquido debe esparcir el líquido uniformemente, resistir taponamiento y ensuciamiento, proporcionar espacio libre para el flujo de gas y permitir flexibilidad de operación. La distribución perfecta del líquido puede definirse como la provisión de líquido a igual velocidad por unidad de área de superficie del lecho. El líquido puede aplicarse mediante rociadores (spray), rebosaderos u orificios, a presión o por gravedad.

Retenedores de empaque: La función principal de este constituyen es prevenir la expansión o fluidización del lecho empacado, así como mantener horizontal su superficie. El retenedor no debe intervenir con los flujos, por lo que su área libre a de ser muy elevada. Existen dos constituyentes internos diseñados para evitar el desplazamiento del empaque: limitadores de lecho y platos de retención. El limitador de lecho es el tipo más común, en especial para empaques de plástico y de metal susceptibles de ser fluidizados por su bajo peso. Este constituyente se fija a las paredes mediante ganchos o sujetadores. Los platos de retención se emplean con empaques de cerámica o carbón, normalmente muy frágiles, con los cuales no puede permitirse ningún movimiento, estos platos reposan sobre el lecho y actúan por su propia peso.

Soportes de empaque:

El propósito primario de este dispositivo es soportar el lecho sin ofrecer una restricción excesiva al flujo de las fases. También puede servir como distribuidos de las dos corrientes. El área libre del soporte debe ser tan alta como la del lecho empacado.

Cuerpo de la torre: La envoltura de la torre puede estar hecha de acero o de plástico o una combinación de estos materiales, dependiendo de la corrosividad de las corrientes del gas y del líquido y de las condiciones de operación del proceso. Puede utilizarse una aleación que sea resistente a las sustancias químicas y a la temperatura o múltiples capas de materiales diferentes menos caros. A veces, la envoltura está recubierta con una membrana protectora, en ocasiones hecha de un polímero resistente a la corrosión.

Empaques: El empaque tiene como función ofrecer su superficie especifica (que oscila entre 50 y 1000 m2/m3) como área humectable para favorecer el contacto entre las fases y así dinamizar los fluxes de transferencia entre las mismas. Debe procurarse una caída de presión tan baja como sea posible. Algunas características físicas de algunos empaques se encuentran tabuladas en la literatura. Los principales requerimientos de un relleno de torre son:  Debe ser químicamente inerte frente a los fluidos de la torre  Debe ser resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo  Debe tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retención o caída de presión.  Debe proporcionar un buen contacto entre el liquido y el gas  Debe tener un costo razonable

Eliminador de arrastre: Cuando la velocidad del gas es alta, especialmente del gas que sale de la tapa de la columna, puede acarrear pequeñas gotas de líquido como rocío. Para prevenir esto, pueden instalarse en la tapa de la columna un eliminador de rocío en forma de hojas corrugadas o de una capa de malla, para recolectar las gotas de líquido, las cuales coleasen y caen de nuevo en la columna.

Rotámetro: El rotámetro es un instrumento para determinar el caudal de fluidos, es decir, líquidos o gases en tuberías. En un tubo de medición de plástico cónico del rotámetro se encuentra un cuerpo en suspensión que es levantado por la inercia del propio fluido. La altura que alcanza el cuerpo en suspensión del rotámetro depende del caudal. Si aumenta el caudal, aumenta la resistencia del flujo. El cuerpo en suspensión del rotámetro sube y aumenta la superficie entre el cuerpo en suspensión y el tubo de vidrio. Con ello desciende la resistencia de flujo hasta que es idéntica con la suma del la fuerza del peso del cuerpo en suspensión y la fuerza ascensional.

Placa de orificio: La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubería, el orificio que posee es una abertura cilíndrica o prismática a través de la cual fluye el fluido. El orificio es normalizado, la característica de este borde es que el chorro que éste genera no toca en su salida de nuevo la pared del orificio. El caudal se puede determinar por medio de las lecturas de presión diferenciales.

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. El principio de funcionamiento se basa en que el flujo de aire empuja las semiesferas y estas hacen girar el eje. El número de vueltas por

minutos se traduce en la velocidad del viento con un sistema de engranajes similar al del indicador de velocidad de los vehículos de motor.

Procedimiento Primeramente se calibró el rotámetro y la placa de orificio. Al calibrar el rotámetro se varió el flujo de agua a través de la torre empacada mediante las válvulas dispuestas en éstas. Una vez fijado un nivel en el rotámetro se espero alrededor de 3 minutos para permitir estabilizar el flujo. Después de esto se tomó una probeta de 2000 ml y se recogió una cantidad de agua a un tiempo determinado, y se determinó posteriormente el caudal. Este procedimiento se repitió 7 veces y se registraron los valores tanto del rotámetro como el caudal de agua de salida. Seguidamente se procedió a calibrar la placa de orifico, en donde el flujo de agua no fue una de la variables. El aire se controló con un reóstato y se fijó para cada medición. Una vez fijada la posición del reóstato se esperó 3 minutos mientras se estabilizaba el flujo a través de la torre empacada; inmediatamente con un anemómetro se medió la velocidad del aire a la salida de la torre. Para cada posición del reóstato se midió la caída de presión y la velocidad de aire de salida. El procedimiento se repitió 7 veces. Una vez se calibró cada uno de estos elementos, se fijaron tres posiciones para el rotámetro. Seguidamente para cada posición del rotámetro que corresponde a tres flujos de agua diferente, se varió la posición del reóstato 6 veces, y se registraron los valores de la caída de presión. Así se tomó el valor de la caída de presión a través de la torre para cada posición del rotámetro las veces en que se varió el flujo de aire.

Análisis y resultados

Calibración del rotámetro: Los flujos de agua se pueden determinar con la ayuda de este aparato, pero antes debe realizarse una calibración mediante una curva que señale el flujo de agua contra el nivel de referencia del rotámetro. Los datos tomados en la práctica para realizar la calibración se encuentran tabulados en la tabla 2.

Tabla 1. Calibración rotámetro. Altura del rotámetro 240

Caudal del Agua [m3/s]

Caudal del agua [m3/s]

0.0001431

0.0001437

Promedio [m3/s] 0.0001434

221

0.0001344

0.0001315

0.0001330

199

0.0001155

0.0001119

0.0001137

183

0.0001104

0.0001065

0.0001084

161

0.0000962

0.0001031

0.0000997

139

0.0000835

0.0000793

0.0000814

124

0.0000725

0.0000711

0.0000718

Gráfica 1

Calibración del rotámetro

0.00015

y = 6E-07x - 2E-06 R² = 0.9891

Caudal de agua [m3/s]

0.00014 0.00013 0.00012 0.00011 0.0001 9E-05 8E-05 7E-05 6E-05 100

150

200

Altura del rotámetro

250

De la recta se obtiene la siguiente ecuación la cual permitirá determinar el caudal de agua a diferentes posiciones del rotámetro.

Calibración de la platina de orificio: La platina de orificio se utiliza para medir la caída de presión de aire en la torre, para ello se debe realizar previamente la calibración de la misma. Debe encontrarse una correlación entre la caída de presión y la velocidad del gas, teniendo en cuenta la siguiente ecuación: √

(

) ⌊ ⁄⌋ ⌊

⌋ ⁄

La siguiente tabla muestra los datos tomados en la práctica para diferentes velocidades de aire y caídas de presión.

Tabla 2. Calibración de la platina de orificio. P (cm H2O)

P (Pa)

6.10 8.80 13.3 19.5 24.8 28.0 31.1

598.166 862.928 1304.19 1912.17 2431.88 2745.68 3049.66

0.5

(P (Pa)) 24.457 29.375 36.113 43.728 49.314 52.399 55.223

Velocidad del gas [m/s] 2.62 3.22 3.70 4.33 4.86 5.21 5.51

Gráfica 2 6

Velocidad del gas Vs P

Velocidad del gas [m/s]

5.5 5

R² = 0.9952

4.5 4 3.5 3 2.5 2 500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

P [Pa]

Como la tendencia de los datos es una curva exponencial se puede realizar un ajuste a una línea recta al diferencial de presión, teniendo en cuenta la ecuación descrita anteriormente.

Gráfica 3 6

Calibración platina de orificio

Velocidad del gas [m/s]

5.5 y = 0.0904x + 0.4525 R² = 0.996

5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 20

25

30

35

40

(P [Pa])0.5

45

50

55

60

Con una regresión de 0.996 obtenemos la siguiente expresión:

√

(

)

Encontramos el coeficiente de arrastre:

Caída de presión en la torre: Leva y Eckert han presentado una correlación empírica para la caída de presión. Cuando se dispone de datos el método más preciso para obtener la caída de presión para el flujo a través de un lecho relleno consiste en utilizar datos experimentales. Éstos se presentan normalmente en forma de representación logarítmica de la velocidad del gas frente a la caída de presión, con un parámetro de la velocidad de flujo de líquido en los gráficos. Se pueden realizar ajustes a los datos tomados en la práctica y así encontrar una correlación para la caída de presión, basándose en la correlación empírica de Leva, la cual fue desarrollada a partir de datos de prueba para el sistema agua-aire.

Donde C2 y C3 son constantes, Vl es la velocidad del líquido en m/s y g es la densidad del gas en Kg/m3. Linealizando la expresión anterior obtenemos:

(

)

(

( )

(

))

( )

La velocidad del aire puede determinarse interpolando los datos con la caída de presión de la torre en la curva de calibración para la platina de orificio, al igual que los diferentes niveles del rotámetro que permiten encontrar la velocidad del líquido. Los resultados fueron registrados en las siguientes tablas.

Tabla 3. Caída de presión para un nivel del rotámetro de 140 Caída de Presión Torre [cm H2O] 2.2 3.3 4.4 5.8 6.4 7.3

Caída de Presión Torre [Pa] 215.732 323.598 431.464 568.748 627.584 715.838

Caída de Presión Platina [Pa] 1302.006944 1597.778549 1856.173611 2398.278549 2794.297068 3157.815586

Velocidad del aire[m/s] 3.7 4.05 4.33 4.86 5.21 5.51

Tabla 4. Caída de presión para un nivel del rotámetro de 190. Caída de Presión Torre [cmH2O] 2.3 4.3 6.1 7.9 8.8 9.2

Caída de Presión Torre [Pa] 225.538 421.658 598.166 774.674 862.928 902.152

Caída de Presión Platina[Pa] 931.945216 1262.222994 1837.074846 2354.945216 2553.056327 3083.334105

Velocidad del Aire[m/s] 3.2 3.65 4.31 4.82 5 5.45

Tabla 5. Caída de presión para un nivel del rotámetro de 231. Caída de Presión Torre [cmH2O] 2.9 4.6 6.5 8.7 10.2 12.4

Caída de Presión Torre [Pa] 284.374 451.076 637.39 853.122 1000.212 1215.944

Caída de Presión Platina[Pa] 691.9822531 1001.01929 1492.963735 1982.722994 2344.173611 2913.000772

Velocidad de Aire[m/s] 2.82 3.3 3.93 4.46 4.81 5.31

En la gráfica 3. Se muestran los datos obtenidos en la práctica, para la caída de presión y los datos obtenidos a partir de la siguiente correlación encontrada realizando una regresión múltiple. (

)

( )

Caída de presión torre empacada con sillas Berl

3.2

Log ΔP / L [Pa/m]

3 2.8 2.6

Velocidades de Líquido

2.4

0,154 [m/s] 0,2103 [m/s]

2.2

0,2564 [m/s] 2 0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

Log (Vg ) [m/s]

Reordenando lo términos del modelo encontrado obtenemos la siguiente expresión para determinar la caída de presión en un lecho empacada con anillos Berl.

Conclusiones  Debido a variaciones en los caudales de entrada de líquido por interferencia de factores externos se cree que los datos obtenidos no son confiables para ser utilizados posteriormente.  Ya que en la literatura no se encontraron los valores de las constantes para la ecuación de leva para una torre rellena con sillas Berl de tamaño nominal de 0,4 in, no se puede estimar un error entre los datos obtenidos en la práctica y datos teóricos.  El modelo encontrado se ajusta de manera satisfactoria a los datos experimentales con un valor de R ajustado de 0,97; como se puede apreciar en la grafica 3. Así como también se puede observar que la caída de presión varía linealmente con la velocidad del gas y exponencialmente con la velocidad del líquido.

Bibliografía 

Procesos de transporte y operaciones unitarias. Geankoplis



Operaciones de transferencia de masa, Robert Treyball. 2 Edición



Operaciones unitarias en Ingeniería Química, Warren McCabe. 4 Edición