Universidad Nacional Experimental “Francisco De Miranda”

Área de Tecnología Programa de Ingeniería Química

Departamento De Energética Laboratorio De Operaciones Unitarias III

PRÁCTICA No. 1:

DETERMINACIÓN DE LOS PUNTOS DE CARGA E INUNDACIÓN DE UNA TORRE EMPACADA DE ABSORCIÓN GASEOSA PARA EL SISTEMA AGUA-AIRE.

1. OBJETIVOS: 1.1 Determinar de manera experimental la pérdida de carga en la torre empacada del Laboratorio de Operaciones Unitarias empleando la ecuación de Leva. 1.2 Establecer la relación existente entre las pérdidas de carga en la columna y los flujos de gas y líquido a través de la misma. 1.3 Determinar las caídas de presión en la columna utilizando la ecuación de Leva y compararlas con las obtenidas experimentalmente. 1.4 Estimar las constantes empíricas de la ecuación de Leva. 1.5 Comparar los valores de las constantes de la ecuación de Leva con las reportadas en la bibliografía abierta. 1.6 Obtener el punto de carga e inundación de la torre de absorción empacada para el sistema agua – aire.

2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

- Separación por absorción La separación de una mezcla gaseosa se puede obtener de varios modos. Por ejemplo, la separación de oxigeno respecto al nitrógeno se realiza por destilación a baja temperatura. Sin embargo, cuando interesa separar sólo uno o algunos componentes, es conveniente en cambio recurrir a la absorción.

Con esta operación el componente o los componentes pasan desde la fase gaseosa hacia la fase líquida, de manera selectiva. Las aplicaciones industriales son numerosas y pueden tener varios objetivos. Por ejemplo, puede interesar separar un componente del gas porque es nocivo, o bien recuperarlo porque es valioso. En este caso el líquido a emplear se elije en relación a las características físico-químicas más conveniente y también de acuerdo al criterio económico. Entonces la absorción es considerada como un componente de la fase gaseosa en un líquido con referencia a la operación continua en una columna empacada con material al azar.

- Columna de empaques Una torre o columna empacada es una estructura vertical, normalmente cilíndrica en cuyo interior se alojan materiales que la rellenan (Empaques). Este tipo de equipos se usan para proveer un contacto intimo entre las fases que coexisten en un proceso determinado que se sucede a contracorriente; esto proporciona grandes áreas de contacto interfacial con el objeto de facilitar el intercambio de masa, calor o ambos simultáneamente. Las columnas empacadas son utilizadas en una gran gama de procesos, como destilación, extracción, humidificación (deshumidificación) y en absorción gaseosa. La absorción es una operación de contacto gas-líquido, donde el líquido cae por gravedad desde el tope de la torre, mojando en forma de película 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.

El diseño de torres de absorción gaseosa es un proceso integral, que se inicia con el diseño del empaque, que requiere de la consideración de factores mecánicos, la caída de presión, la capacidad de flujo y la inactividad que presenta ante los compuestos del proceso.

- Empaques Para el diseño óptimo o selección de un empaque se requiere que el mismo cumpla con las siguientes características: • Alta capacidad: El relleno debe ser capaz de resistir altas ratas de flujo por prolongados períodos de tiempo, también altas caídas de presión en el seno de la columna ya que, las pérdidas de carga son función de la velocidad de los fluidos. • Inertes: El material del que esté constituido el relleno ha de ser completamente inocuo a las sustancias involucradas en la absorción, con el objeto de evitar la contaminación de algunos de los componentes y alargar la vida útil del proceso. • Ser Económicos: Los rellenos representan un alto porcentaje en el costo total del equipo, por ello se recomienda que el mismo sea económico y de fácil adquisición. • De gran Área: Un empaque debe proporcionar una gran área de contacto entre las fases involucradas, su superficie deber ser de fácil mojado para el líquido y acceso para el gas, esto por supuesto, facilita la transferencia de masa y le da valor agregado al proceso. • Resistente: Un empaque debe ser resistente a la corrosión y a la abrasión causada por el constante flujo a altas velocidades. • Livianos: Los rellenos en su conjunto deben ser ligeros, porque una torre empacada muy pesada, resulta no factible desde el punto de vista de dimensionamiento de equipos, aún cuando el proceso tenga alta eficiencia.

Para satisfacer estos requerimientos se han desarrollado distintos tipos de relleno. Se pueden dividir en dos grupos: relleno ordenado (Dispuesto de una forma regular dentro de la columna) y relleno al azar. Los primeros (Rejas, mallas, rellenos ordenados...) tienen una estructura abierta, y se usan para velocidades de gas elevadas donde se necesita una pérdida de presión baja (Por ejemplo en las torres de enfriamiento). La interfase gas-líquido es estacionaria y depende fundamentalmente del mojado de la superficie y la capilaridad. Por tanto, es de esperar que haya buena eficacia aún para flujos de líquido bajos. Los rellenos al azar son los más comunes. Con este tipo de relleno (Al igual que en las columnas de platos), la interfase de gas-líquido se crea por combinación de los efectos de penetración de superficie, burbujeo y formación de niebla. Los rellenos que mayormente se comercializan son los siguientes: Los anillos Raschig son el tipo de relleno más antiguo (Datan de 1915) y todavía están en uso. Los anillos Pall son esencialmente anillos Raschig en los que se ha aumentado la superficie de contacto, con lo que se mejora la distribución del líquido. Las sillas Berl fueron desarrolladas para mejorar la distribución del líquido comparada con los anillos Raschig. Las sillas Intalox pueden considerarse como una mejora de las Berl, ya que por su forma, son más fáciles de fabricar. Para construir estos rellenos se utilizan diversos materiales: cerámica, metales, plásticos, madera y carbono. Los anillos de metal y plástico son más eficaces que los de cerámica puesto que sus paredes pueden ser más finas. La elección del material dependerá de la naturaleza del fluido y la temperatura de operación. HIDRÁULICA DE LA COLUMNA DE EMPAQUE La Figura Nº 1, muestra las características de la pérdida de carga en el flujo de un gas en contracorriente con un líquido a través de un lecho de empaque. 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 1. El aumento en la pérdida de carga se debe a la rápida acumulación de líquido en el volumen vacío del empaque. A medida que aumenta la retención del líquido, puede ocurrir uno de los dos cambios siguientes. Si el empaque consta esencialmente de superficies extendidas, el diámetro efectivo de orificio se hace continuo a través de la sección transversal de la columna, generalmente en la parte alta del empaque. El ascenso en la columna de una fase continua formada por el líquido conlleva la inestabilidad de la columna. Con solo un ligero cambio en el caudal de gas aparece un gran cambio en la pérdida de carga (condición C o C´). El fenómeno se denomina inundación o anegamiento y es análogo al anegamiento por retención en una columna de platos. Si la superficie del empaque es de naturaleza discontinua, tiene lugar una inversión de fase y el gas burbujea a través del líquido, la columna no es inestable y puede volver a la operación con fase gaseosa continua mediante la simple reducción del caudal de gas. Como en la situación de anegamiento, la pérdida de carga aumenta a medida que la inversión de fase progresa.

Figura Nº 1. Pérdida de carga en una columna de empaque.

Fuente: Manual del Ingeniero Químico, Perry

Las torres empacadas presentan varios inconvenientes, como inundación, excesivas pérdidas de carga (caída de presión) que se pueden estimar con muy buenos resultados aplicando la Ecuación de Leva que depende de ΔP, Z, L, G, ρL, ρG, γ, Φ, que puede ser utilizada para hacer evaluaciones hidráulicas, la misma se ha utilizado para predecir la caída de presión en una columna empacada en función de la altura de la sección rellena y unas constantes empíricas propias de cada tipo de empaque (Constantes de Leva).

Donde: ΔP: Caída de presión en el entorno de la columna (psf) Z: Altura empacada de la torre (ft) L: Velocidad másica superficial del líquido (lb/h*ft2) G: Velocidad másica superficial del gas (lb/h*ft2) Φ y γ: Constantes empíricas específicas del empaque (adimensionales) ρL: Densidad del líquido (lb/ft3) ρG: Densidad del gas (lb/ft3) n: pendiente La Ecuación de Leva se encuentra limitada por la viscosidad del líquido, si es superior a 2 cP las estimaciones de tal relación tienden a ser erradas en la generalidad de los casos.

Con viscosidades superiores a 2 cP, la caída de presión se incrementa en el seno de la columna aún cuando los flujos se mantengan constantes. La ecuación de Leva es usada ampliamente en la evaluación hidráulica de columnas de relleno pero en ocasiones se emplea para estimar el diseño. Por medio de esta ecuación se pueden predecir fácilmente el punto de carga e inundación de una torre. 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. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO A continuación se representa un esquema de la unidad IC131D, con su respectiva leyenda de diseño, donde se muestra cada una las partes que representan dicha unidad, luego se describe brevemente el proceso bajo el cual se rige la misma, donde los números que se incluirán en comillas indican la posición correspondiente al punto mencionado debajo del esquema.

Donde: 1. Secciones de la columna. 2. Sección intermedia. 3. Sección superior de la columna, entrada del líquido. 4. Sección inferior de la columna, ingreso gas y descarga. 5. Válvula para lavado/descarga de la columna. 6. Válvula para la regulación de la salida del líquido de la columna. 7. Válvula de descarga. 8. Tanque de alimentación y recolección del líquido. 9. Válvula de flotador. 10. Enlace para la alimentación del agua. 11. Válvula para la descarga del tanque. 12. Filtro en el tubo de aspiración de la bomba de circulación.

13. Bomba centrífuga de circulación. 14. Válvula para la regulación del caudal del líquido. 15. Medidor de caudal de flotador del líquido. 16. Medidor de presión diferencial entre la cabeza y la cola de la columna. 17. Puntos de medición de la temperatura. 18. Puntos de recolección de las muestras. 19. Medidor de caída de presión en la entrada del gas en la columna. 20. Medidor de caudal de flotador del fluido gaseoso total (mezcla). 21. Medidor de caudal de flotador del componente del gas. 22. Válvula de regulación del caudal del aire. 23. Válvula de regulación del caudal del gas. 24. Intercambiador de calor agua/aire, para enfriar aire que sale del compresor. 25. Compresor. 26. Filtro del aire aspirado. 27. Regulación de presión montado en la bombona del gas (**). 28. Bombona de gas (*). 29. Módulo de operación/control.

El esquema mostrado anteriormente corresponde a la unidad IC131D, la cual está constituida fundamentalmente por una columna de empaques con anillos Raschig cargados a “granel”, los cuales están ubicados en la secciones de la columna (1). La torre trabaja con un sistema gas-líquido, siendo el líquido agua la cual entra por la extremidad superior de la columna (3), empujada por una electrobomba centrifuga (13), que aspira desde un tanque de alimentación y recolección del líquido (8). La línea de gas está conectada a la parte inferior de la columna (4) y puede ser alimentada por un compresor de aire (25) y por una bombona de gas, siendo el mismo Dióxido de Carbono (CO2) (28); o bien por una mezcla de gas-aire controlado por las válvulas de regulación del caudal de aire y del gas (22, 23) respectivamente. Sobre las líneas de líquido y gas están insertados tres medidores de flujos (15, 20, 21); para poder medir el caudal del fluido, mientras que en la columna están dispuestas, tomas de presión (16, 19); termopares (17) y tomas de recogidas de muestra (18), que permiten tener bajo control la evolución del proceso.

En la estructura metálica que soporta el conjunto de aparatos está fijado el modulo de Operación/control (29), que tiene un indicador digital de temperatura (32), conectado a los termopares de la columna, al igual que consta de los interruptores de encendido de la bomba y el compresor (30, 31).

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para el desarrollo de esta experiencia es necesario seguir los siguientes pasos: 3.1 Parte I PUNTO DE INUNDACIÓN 1) Abrir el suministro de agua y llenar completamente el tanque de almacenamiento. 2) Accionar la bomba mediante el interruptor 30, para hacer circular el fluido a través del sistema. 3) Usando la válvula 14 se regula el caudal del líquido a un valor determinado (Aleatorio, distinto para cada grupo de trabajo). 4) Manipulando la válvula 6 se regula el flujo de líquido que sale de la columna, cuidando siempre que el fluido esté en contacto permanente con el par térmico 17 (Ver Temperatura del agua) 5) Se hace circular aire por el sistema accionando el compresor por medio del interruptor 31. 6) Regular el flujo de aire mediante la válvula 22, cuidando siempre el flujo que refleja el medidor 20 (Rotámetro de Aire). 7) Aumentar el caudal de aire hasta alcanzar condiciones de inundación en la columna. 8) Tomar nota del caudal del líquido y gas en ese instante. Así como de la caída de presión en el gas (Manómetro 19) y en la columna (Manómetro 16) 9) Mantener el caudal de líquido en el valor de inundación. 10) Reducir el caudal de gas al 80 % del valor del caudal de inundación, mediante la

válvula 22. 11) Registrar las caídas de presión en el gas y en la columna. 12) Repetir los ítems (10) y (11) para caudales de gas igual al 60 % y 40 % del caudal de inundación.

Caudal de Líquido (L/h):_______________ Temperatura de Operación (°C):________ Temperatura del Líquido (°C):__________

3.2 Parte II ANÁLISIS DE LA COLUMNA A EMPAQUE SECO 1) Detener el flujo de líquido en la columna. 2) Extraer totalmente el líquido de la torre. 3) Registrar la caída de presión del gas y la columna para varios flujos de gas.

3.3 Parte III ANÁLISIS DE LA COLUMNA CON VARIACIÓN DEL CAUDAL DEL LÍQUIDO 1) Fijar el flujo de líquido circulante en la torre. 2) Registrar los valores de caída de presión y temperatura a varios flujos de gas. 3) Repetir los pasos (1) y (2) para otro caudal de líquido.

NOTA: Cuidar que el fluido en el fondo de la columna tenga contacto con el par térmico 17. (Sello de líquido) Caudal de Líquido

(L/h):________________

3.4 DATOS TÉCNICOS DE LA COLUMNA:

3.5 HOJA DE REPORTE DE DATOS PARTE I Caudal de Líquido (L/h):________________

PARTE II Caudal de Líquido (L/h):________________

PARTE III Caudal de Líquido (L/h):________________

4.-TRABAJO A REALIZAR: Para el análisis de la experiencia el estudiante debe: - Determinar las caídas de presión por altura empacada utilizando la ecuación de Leva. - Construir las curvas de logaritmo de la caída de presión por altura empacada vs. logaritmo del caudal de gas. Con los datos tomados del manómetro y los valores calculados con la ec. de Leva. - Comparar los valores de las caídas de presión por altura empacada experimentales con las calculadas utilizando la ec. de Leva (Teóricas). - Determinar el punto de carga y el punto de inundación en cada una de las gráficas.

- Establecer la relación matemática entre la caída de presión en la columna, los flujos del gas y del líquido que modele el comportamiento hidráulico de la columna. - Discuta los resultados obtenidos. 5.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: • DIDACTA ITALIA. IC131D PLANTA DE DE GAS. Manual del Usuario y Ejercicios didácticos. • MARCILLA, A. INTRODUCCIÓN A LOS PROCESO DE SEPARACIÓN. Textos Docentes. Espagrafic. • MC. CABE SMITH OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA. Cuarta Edición. Compañía Editorial Continental. • PERRY. MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO. Sexta Edición. Volumen IV. Mc. Graw Hill.

• TREYBAL, R. OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA. Segunda Edición. Mc. Graw Hill.