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HIDRODINÁMICA DE UNA COLUMNA EMPACADA(Propuesta de modificaciones)

PROLEMA

Encuentre usted para cada flujo de agua recomendado en la tabla siguiente, elintervalo de flujo de gas (aire) en kg/h y de caídas de presión por unidad delongitud en kgf / m2 m a travs de la torre, !ue garanticen la operación argimen permanente de la columna empacada"

  #abla$lujos de aguarecomendados% & / h' & / h & / h

2 & / h% & / h

*&+E E-.01 E0E*$*+*13E *olumna empacada ervicio4 +bsorción o desorción

1peración4 *ontracorriente5i6metro interno4 %"78 cm +ltura empacada479 cm:aterial de construcción4 idrio

Empa!ue4 +nillos ;aschig de vidrio0lato de soporte4 +cero ino<idable:arca4 0ignat

2 #an!ue dealimentación

*apacidad4=7 litros&ado4 =7 cm +ltura4 %7 cm:aterial de construcción4 0olietileno

= >omba dedespla?amiento

positivo

#ipo4 5osificadora +ccionador4 :otor elctrico a 7 olts

:aterial de construcción4 0#$E (teflón)@ #an!ue receptor ervicio4 ;ecibe solución diluida

*apacidad4 .n litro5i6metro4 8 cm +ltura4 @% cm:at" de construcción4 idrio, acero ino<"

% 0ierna baromtrica ervicio4 gualar nivel9 #an!ue receptor ervicio4 5escarga de producto

*apacidad4 = litros5i6metro4 = cm +ltura4 %7 cm:aterial de construcción4 idrio, aceroino<idable

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' :anómetro diferencial ervicio4 ndicador de la diferencia depresión de la columna

&í!uido manomtrico4 +gua:aterial de construcción4 vidrio

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!i"ura #$ Co%umna empacada marca Pi"nat

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DE&ARROLLO E'PERIMENAL

PRIMERA PARE

*alcule las propiedades físicas de los empa!ues de la columna, para ello, llenelas siguientes tablas4

(#) 0eso dela probeta

( g )369.5

) 3Amero deempa!ues en

=77 (cm=)

 554

(*) *olocar =77  (cm=) de

  empa!ues enla probeta

=77

(+) olumen deagua para cubrir 

=77 (cm=)de empa!ues

214

(,) 0eso de laprobeta yempa!ues

( g )

533.4

"5i6metro interno de la columna %"78 (cm)&ongitud empacada de la columna 79 (cm)"3o" de empa!ue

muestra

5o, di6metro

e<terno(cm)

5i, di6metro

interno(cm)

&, longitud

(cm)   0.75 0.574 1.142   0.63 0.44 0.77=   0.64 0.47 0.82@   0.73 0.574 1%   0.6 0.5 0.599   0.74 0.59 0.82'   0.76 0.59 0.868   0.58 0.42 0.63   0.74 0.6 0.848

7   0.65 0.49 0.69   0.74 0.59 0.92   0.638 0.442 0.9=   0.63 0.45 0.75@   0.66 0.5 0.7%   0.56 0.374 0.579   0.74 0.59 0.9

  0romedio   0.67425 0.512125 0.8055

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C-%cu%o de% -rea tota% . pie/a de empa0ue;o (cm)2

 Do Ro =

  0.337

;i (cm)2

 Di Ri =

  0.256

 Brea de lasbases (cm2)

(   222 iO   R Rbaseslasde Área   −××=   π     0.302

 Brea interna(cm2)

 L Dierna Área   ××= π  int   1.296

 Brea e<terna

(cm2

)

 L Do Externa Área   ××=π   1.706

 Brea total /pie?a deempa!ue(cm2)

 Áreerna Áreabaseslasde Áreatotal  Área   ++=   int   3.304

"C-%cu%o de% peso de %os empa0ues

0eso de losempa!ues (g)   probetalade Pesso

empa y probetalade Pesoemqueslosde Peso   = 163.900

"C-%cu%o de %a fracci1n de 2uecos

$racción dehuecos   probladeVolumen

aguadeVolumen=ε    0.713

"C-%cu%o de %as densidades

5ensidadaparente(g/cm=)

 probetaladeVolumen

empaqueslosde Pesoaparente   = ρ 

0.546

5ensidadreal (g/cm=)   aguadelVolumen−

= probetaladeVolumen

empaqueslosde Pesoreal  ρ 

  1.906

"

C-%cu%o de% -rea superficia% espec3fica de %os empa0ues secos . unidad de4o%umen empacadoEmpa!ues /volumen   probetaladeVolumen

 N volumen por  Empaques   =

1.847

a v

  

  

 × 

  

  

 

×=

3

2

cm

empaques

empaque

cm

volumen por  Empaquestotal  ÁreaaV    6.102

"C-%cu%o de% -rea trans4ersa% 5 4o%umen de %a co%umna 4ac3a

 Brea

transversalde flujo (cm2)

2

2

  

  

 ×=   Diámetrol transversa Área   π 

20.268

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olumen dela columna   columnaladeLongitud

ltransversaÁreacolumnaladeVolumen   ×=   2148.44

""C-%cu%o de% 4o%umen de 2uecos en %a co%umna

olumen dehuecos en lacolumna(cm=)

columnaladeVolumen probetaladeVolumen

aguadeVolumen

columnalaenhuedeVolumen

×   

  

 

=cos   1532.554

"C-%cu%o de% -rea trans4ersa% de f%u6o entre %os empa0ues

 Brea transversalentre empa!ues(cm2)

   

  

 ×  

 

 

 

 =

columnalaen

huedeVolumen

columnaladeVolumen

columnalade Áreaempaquesentreltransversa Área

cos

14.458

&E7UNDA PARE

a8%as de datos e9perimenta%es para empa0ue seco 5 mo6ado

#emperatura del agua C 8 D* &ongitud empacada C 79 cm#emperatura del aire C 22 D*

Flujodeagua(L/h)

0

% aire G (kg/h)P domo

(cmH2O)

P fondo(cm

H2O)

 

P(cm

H2O)

 

P/L(kgf/m^2

m)

10  1.111634

175  60.8 60.7 0.1

  0.943396226

20  2.223268

351  60.9 60.7 0.2

  1.886792453

0  3.334902

526  61.1 60.45 0.65

  6.132075472

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!0  4.446536

701  61.5 60.2 1.3

  12.26415094

"0  5.558170

877  61.8 59.85 1.95

  18.39622642

#0  

6.669805

052   62 59.5 2.5

  23.584905

66

$0  7.781439

227  62.6 59 3.6

  33.96226415

0  8.893073

403  63 58.5 4.5

  42.45283019

Flujode

agua(L/h)

#

% aire G (kg/h) P domo(cmH2O)

P fondo(cmH2O)

 

P(cmH2O)

 

P/L (kgf/m^2m)

10  1.111634

175  60.9 60.7 0.2

  1.886792453

20  2.223268

351  61.1 60.5 0.6

  5.660377358

0  3.334902

526  61.7 59.9 1.8

  16.98113208

!0  4.446536

701  62.1 59.4 2.7

  25.47169811

"0   5.558170877

  63.1 58.5 4.6   43.39622642

#0  6.669805

052  64.2 57.5 6.7

  63.20754717

$0  7.781439

227  65.6 56 9.6

  90.56603774

0  8.893073

403  72.8 47.7 25.1

  236.7924528

Flujo

deagua(L/h)

#

% aire G (kg/h)P domo

(cmH2O)

P fondo(cm

H2O)

 P(cm

H2O)

 P/L (kgf/m^2

m)

10  1.111634

175  60.9 60.7 0.2

  1.886792453

20  2.223268

351  61.1 60.5 0.6

  5.660377358

0  3.334902

526   61.7 59.9 1.8  16.981132

08

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!0  4.446536

701  62.1 59.4 2.7

  25.47169811

"0  5.558170

877  63.1 58.5 4.6

  43.39622642

#0  

6.669805

052   64.2 57.5 6.7

  63.207547

17

$0  7.781439

227  65.6 56 9.6

  90.56603774

0  8.893073

403  72.8 47.7 25.1

  236.7924528

Flujo

deagu

a(L/h)

% aire G (kg/h)

Pdomo(cm

H2O)

Pfondo

(cmH2O)

 

P(cm

H2O)

 

P/L(kgf/m^2

m)

101.111634

175  61 60.55 0.45

  4.245283019

202.223268

351  61.4 60.4 1

  9.433962264

0 3.334902526

  61.6 60 1.6   15.09433962

!04.446536

701  61.9 59.7 2.2

  20.75471698

"05.558170

877  63.4 58.2 5.2

  49.05660377

#0Pun&o de

'arga6.669805

052  67 54.5 12.5

  117.9245283

Fluj

odeagu

a(L/h

)

11

% aire G (kg/h)

Pdomo(cm

H2O)

P fondo(cm

H2O)

 P(cm

H2O)

 P/L(kgf/m^2

m)

10

1.111634

175 61 60.6 0.4

3.773584

90620 2.223268 61.4 60.5 0.9 8.490566

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351 038

03.334902

526 62.1 59.6 2.523.58490

566

!04.446536

701 62.5 59.2 3.331.13207

547

"0Pun&o de

carga5.558170

877 64.5 57.2 7.368.86792

453

Flujo

deagu

a(L/h

)

1#

% aire G (kg/h)

Pdomo(cm

H2O)

P fondo(cm

H2O)

 P(cm

H2O)

 P/L(kgf/m^2

m)

10  1.111634

175 61.3 60.5 0.87.547169

811

20  2.223268

351 61.7 60.2 1.514.15094

34

0  3.334902

526 61.9 59.9 218.86792

453

!0Pun&o de

carga4.446536

701 62.2 59.4 2.826.41509

434

Flujo

deagu

a(L/h

)

1

% aire G (kg/h)

Pdomo(cm

H2O)

P fondo(cm

H2O)

 P(cm

H2O)

 P/L(kgf/m^2

m)

101.111634

175  61.2 60.6 0.6

  5.660377358

202.223268

351  61.4 60.2 1.2

  11.32075472

03.334902

526  62.5 59.2 3.3

  31.13207547

!0 Pun&o decarga 4.446536701   63 58.7 4.3   40.56603774

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CUE&IONARIO:

#$ Cu-ndo a%imenta e% aire con empa0ue seco; <o8ser4a a%"=n cam8ioen e% comportamiento interno de %a co%umna>

3o hay un cambio observable en la columna, solo la preción varía con elflujo del aire"

*$ Para un f%u6o de a"ua constante; cuando aumenta e% f%u6o de aire<o8ser4a a%"=n cam8io en e% comportamiento interno de %ascorrientes de %30uido 5 de% "as en %a co%umna>$ &i su respuesta essi; e9p%i0ue en 0u? consiste e% cam8io$Si, cuando aumentábamos el fujo de aire, este emuja al l!"uido, lo cual#ace "ue deje de fuir or estas re$iones, #aciendo "ue cada uno seconcentre en al$unas artes de la columna, #aciendo "ue el %en&meno deabsorci&n no se lle'e a cabo correctamente. (omien)a a 'erse un burbujeoen la torre.

<A 0u? condiciones de ca3da de presi1n en %a co%umna 5 de f%u6o deaire ocurre este cam8io>Esto ocurre cuando la caída de presión en la torre aumentaabruptamente" Esto debido a !ue la velocidad del gas !ue asciende estal !ue propicia !ue el lí!uido descienda con dificultad y se retenga grancantidad de este"

,$ <Cu-% es e% f%u6o de aire m-9imo 0ue se puede a%imentar para cadaf%u6o de a"ua recomendado>$ E9p%i0ue por0u? no es posi8%e

a%imentar un f%u6o ma5or de aire$*lujos má+imos deaire

*lujo dea$ua-#

/*lujo de

aire$#/

68.893073

403

86.669805

052

11

5.558170

877

164.446536

701

184.446536

701Los flujos de aire máximos van disminuyando a medida que aumenta el flujo de agua en

la torre debido a que el lí quido reduce el espacio disponible para el flujo de gas. Sin

embargo, la fracción de huecos no varí a con el flujo de gas. El punto en el que la

retención de lí quido comienza a aumentar, se aprecia por un cambio abrupto en la caí da

de presión, este punto recibe el nombre de punto de carga. No es posible aumentar el

flujo de gas ya que al aumentar todaví a más la velocidad del gas, la caí da de presión

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aumenta y en determinadas regiones de la columna el lí quido se transforma en una fase

continua y se dice que la columna está inundada.

@" Elaborar la gr6fica en escala loglog de (   L P ∆  s" F) para empa!ue seco

%" G*ómo es la variación de (   L P ∆  s" F) obtenida para empa!ue secoH9" Iacer la gr6fica 2 en escala loglog para cada uno de los flujos de agua

recomendados de (   L P ∆  s" F) sobre la grafica del punto @"'" G*u6l es el comportamiento observado en la gr6fica del punto anteriorH"

*omparar estos perfiles con respecto a la obtenida para empa!ue seco"G&a pendiente es constanteH, Gí o noH, e<plicar los cambios observados yen !u puntos

8" G*ómo se llaman estos puntos de cambioH" En este caso, G5e !u depende la caída de presión en la columnaH7" GEs conveniente trabajar la columna cerca de los flujos donde ocurren los

cambios bruscos de   P ∆ H, Gí o noH, G0or !uH

"Elaborar la gr6fica = en coordenadas logarítmicas para representar loscomportamientos de las cantidades de las #ablas de datos e<perimentales"*olocar en la ordenada FJ 2 (a /ε  =)   2.0

 L µ    / (g  ρ  F   L ρ  ) y en la abscisa las

cantidades (&J / FJ) (  ρ F /   L ρ  )/2" .nir con una curvilínea los puntos de

mayor ordenada2 *omo resultado de la información obtenida durante todo el e<perimento

asignar un nombre a la curva obtenida en el punto anterior =" *u6l es el significado físico de las ordenadas y las abscisas de la gr6fica =@" En la gr6fica = tra?ar los siguientes datos e<perimentales de torres

empacadas !ue reporta la literatura4

7@ *(a .ε  ,)   2.0 L µ   . ("  ρ  7   L ρ  ) (L@ . 7@) (  ρ  7 .   L ρ  )#.*

7"297 7"727

7"2=7 7"72%7"%7 7"7977"7 7"77

7"7%% 7"=777"7=7 7"9777"77 2"7777"77@ @"7777"77= %"777

  *omparar las curvas e<perimentales con la curva obtenida con los datosanteriores, e<pli!ue sus conclusiones

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%" 0ara un proceso de absorción en esta columna" G-u porciento de losvalores de inundación recomienda para operar la columna a rgimenpermanenteH

9" Encuentre usted para cada flujo de agua recomendado en la tablamencionada en el problema planteado, el intervalo de flujo de aire en (kg/h) y de las caídas de presión / longitud en (kgf / m2 m) a travs de la torre,!ue garanticen la operación a rgimen permanente de la columnaempacada" e sugiere utili?ar la gr6fica 2 con ejes coordenadosaritmticos"

NOMENCLAURA

7 B $lujo de aire !ue se alimenta a la columna (kg /h)A!E C Brea transversal de flujo entre los empa!ues (m2)7@ B $lujo de aire por 6rea de flujo a travs de los empa!ues (kg /h m2)L@ B $lujo de agua por 6rea de flujo a travs de los empa!ues (kg /h m2)

 L   ρ  ρ    , B 5ensidad de gas y lí!uido (kg / m=)a C Brea superficial específica de los empa!ues secos / unidad de volumen

empacado o superficie especifica de relleno (m2 / m=)ε   B  $racción de huecos

 L µ  B iscosidad del agua (centipoises)" B +celeración de la gravedad 2' =' 977 (m / h2)

RE!ERENCIA& ILIO7RA!ICA&

" ;"E" #reybal, :ass #ransfer 1perations, :cFraK Iill, 8"2" $oust y col" 0rincipios de 1peraciones .nitarias, *E*+, '%=" Ernest L" Ienley, L"5" eader"" 1peraciones de separación por etapas de

e!uilibrio en ingeniería !uímica" Ediciones ;epla, "+" :<ico 5"$" 7

@ Ernest L" Ienley, L"5" eader"" eparation 0rocess 0rinciples" Lohn Miley

and ons, nc" .nited tates of +merica 8

%" Lames ;" Melty, *harles E" Micks, ;obert E" Milson" $undamentos de

transferencia de momento calor y masa" Editorial &imusa, "+" de *""

:<ico 5"$" 2777

 +3EN1

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.tili?ar los valores !ue se especifican a condiciones est6ndar en el rot6metroes!uemati?ado abajo y plantear reglas de tres para conocer cual!uier flujo deaire, despus pasar los valores a las condiciones del &aboratorio de ngeniería-uímica" 3o es necesario hacer ningAn c6lculo para conocer el flujo de laalimentación lí!uida, la escala junto al rot6metro indica el flujo bombeado a la

columna, fijar la parte superior del flotador en el flujo deseado" +plicar lasecuaciones mostradas abajo para calcular densidades y viscosidades