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Viernes 26 de septiembre de 2014 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE QUIMICA LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA III “Hidrodinámica de una columna empacada” Presentan: Avilés Ávila Miriam D García Moreno Andrés A.

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hidrodinamica de una torre empacada

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Viernes 26 de septiembre de 2014

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO

FACULTAD DE QUIMICA

LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA III

“Hidrodinámica de una columna empacada”

Presentan:

Avilés Ávila Miriam DGarcía Moreno Andrés A.García Villegas Cinthya A.González Hernández KarinaJiménez García Gustavo A.

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Introducción:

Por simplicidad y seguridad, las torres empacadas están diseñadas para usar velocidades de gas de casi 50 a 75% de la velocidad de inundación, a la velocidad esperada del líquido. Con esto se asegura una condición estable de operación en algún punto por debajo del punto de carga y debe proporcionar un mojado total de la superficie de empaque.

La torre empacada o torre de relleno es un aparato utilizado en absorción de gases y en algunas otras operaciones. Consiste en una columna cilíndrica equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior, una entrada de líquido y un distribuidor en la parte superior, salidas para el gas y el líquido por cabeza y cola, respectivamente, y una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que recibe el nombre de relleno de la torre. El relleno proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas, favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases.

A bajas velocidades del líquido, una buena parte de la superficie del relleno puede estar seca, o más frecuentemente, recubierta por una película estacionaria de líquido. Este efecto se conoce con el nombre de canalización y es la principal razón del mal funcionamiento de las grandes torres de relleno. Al aumentar la velocidad del líquido aumenta también la fracción mojada de la superficie del relleno, hasta que para una velocidad crítica, que generalmente es elevada, toda la superficie está mojada y es efectiva.

A fin de mantener el flujo ascendente del gas o vapor, la presión en el domo de la columna debe ser mayor que la del fondo. Esta caída de presión es un factor importante en el diseño de columnas empacadas. Debido a que el flujo descendente del líquido ocupa los mismos canales que el flujo ascendente del gas, la caída de presión es en realidad una función de ambos flujos. La caída de presión es una combinación de la fricción de superficie y del arrastre de forma, predominando esta última a velocidades altas.

Material:

Anillos Rashing de VidrioBalanza Granataria Probeta de 500 mLVaso de precipitados de 500 mLVernier Corriente eléctrica

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Equipo:

Columna empacada marca Pignat.

CLAVE EQUIPO ESPECIFICACIONES1 Columna empacada Servicio: Absorción, deserción

Operación: ContracorrienteDiámetro interno: 5.08 cmAltura empacada:106 cmMaterial de construcción: VidrioEmpaque: Anillos rashig de vidrioPlato de soporte: Acero inoxidableMarca: Pignat

2 Tanque de alimentación Capacidad:30 litrosLado: 30 cmAltura: 50 cmMaterial de construcción: Polietileno

3 Bomba de desplazamiento positivo

Tipo: Dosificadora, magnéticaAccionador: Motor eléctrico:110 VoltsMaterial de construcción: PTFE (teflón)

4 Tanque recibidor Servicio: Recibe solución diluidaCapacidad: Un litroDiámetro: 8 cm

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Altura: 45 cmMat. De construcción: Vidrio, acero inox.

5 Pierna barométrica Servicio: Igualar nivel6 Tanque recibidor Servicio: Descarga de producto

Capacidad: 3 litrosDiámetro: 13 cmAltura: 50 cmMat. De construcción: Vidrio, acero inox.

7 Manómetro diferencial Servicio: Registrar la diferencia de presión de la columnaLíquido manométrico: AguaMat de construcción: vidrio

Algoritmo de calculo

Delta de presion∆ p=pf−pd

Flujo de aire en L/H

flujode aire=%aire+0,024170,0139

Flujo de aire estándar en m^3/h

flujode aireestandar= flujode aire1000

flujode airecorregido=fl ujo aire

estandar∗Tamb298,15K

∗1atm

Patm

Flujo en unidades masicasG=flujo deaire corregido∗ρaire

Flux de aire

G´=GA

∆ PL

= ∆ Palturaempacada

L ´= LA

Primera parte:a) Calcule las propiedades físicas de los empaques de la columna, para ello llene las tablas

A,B,C y D.

Muestras del empaque utilizado:

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No. de empaque Do(cm) Di(cm) h(cm)

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1 0.60 0.40 0.602 0.65 0.45 0.753 0.71 0.50 0.804 0.65 0.49 0.805 0.75 0.59 0.906 0.60 0.40 0.657 0.60 0.46 0.808 0.65 0.50 0.859 0.59 0.39 0.50

10 0.69 0.50 0.8011 0.60 0.35 0.4512 0.59 0.38 0.5513 0.60 0.40 0.6514 0.65 0.47 0.7815 0.65 0.49 0.6516 0.59 0.39 0.50

Prom (cm) 0.635625 0.45 0.69Prom(m) 0.006356 0.004475 0.006894

Ro (cm) Ri (cm)Área de

las bases (cm2)

Área interna (cm2)

Área Externa

(cm2)

Área total/pieza de empaque

(cm2)

Área total de empaque

(cm2)

0.318 0.224 0.320 0.969 1.377 2.666 1935.394

Peso de la probeta (g)

Peso de la probeta y empaques (g)

372.00 577.60

TABLA A. Número de piezas por metro cúbico

Volumen de la probeta con empaque (cm3)

# de piezas contenidas en el volumen anterior

# piezas /m3

300 726 2420

TABLA B. Volumen de empaque y porcentaje de huecos

Volumen de la probeta con

empaque (cm3)

Volumen de agua necesario para

cubrir el empaque (cm3)

Volumen total de empaque (cm3)

% huecos ( E )Volumen de

cada empaque (cm3)

300 210 90 70 0.124

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TABLA C. Densidad real y densidad aparente

Volumen de la probeta con

empaque (cm3)

Masa del empaque (g)

Peso del empaque por unidad de

volumen (g/cm3)

Densidad aparente Densidad Real

300 205.60 0.685 0.685 2.284

TABLA D. Área específica (m2/m3)

Diámetro interno (cm)

Diámetro externo (cm)

Espesor (cm) Altura (cm) Área específica

0.448 0.636 0.188 0.689 6.451

Ap=av 6.451

Empaques por volumen (#piezas/cm3) 2.42

Área total 2.67

b) Realizar el procedimiento experimental y registrar los datos correspondientes.

Resultados:

FLUJO 0 P domo P fondo delta P Flujo Flujo STD

% cm cm cmH2O L/h m3/h

0 0 0 0 0 010 0.7 0.8 0.1 721.163 0.72120 1.2 1.4 0.2 1440.587 1.44030 2.4 2.7 0.3 2160.012 2.16040 3.2 3.8 0.6 2879.436 2.87950 4.8 5.8 1.0 3598.861 3.59960 6.9 8.0 1.1 4318.285 4.31870 9.4 11.0 1.6 5037.710 5.03880 12.3 14.1 1.8 5757.134 5.75790 16.0 18.1 2.1 6476.558 6.476

FLUJO 5 P domo P fondo delta P Flujo Flujo STD% cm cm cmH2O L/h m3/h10 4.0 4.2 0.2 721.163 0.72120 10.7 11.2 0.5 1440.588 1.44130 42.2 42.8 0.6 2160.012 2.16040 51.3 52.5 1.2 2879.437 2.87950 56.4 59.3 2.9 3598.861 3.599

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FLUJO 7 P domo P fondo delta P Flujo Flujo STD% cm cm cmH2O L/h m3/h10 5.1 5.2 0.1 721.163 0.72120 16.7 17.1 0.4 1440.588 1.44130 43.4 44.2 0.8 2160.012 2.16040 46.3 47.7 1.4 2879.437 2.87950 56.5 59.8 3.3 3598.861 3.599

FLUJO 9 P domo P fondo delta P Flujo Flujo STD% cm cm cmH2O L/h m3/h10 40.0 40.2 0.2 721.163 0.72120 45.2 45.5 0.4 1440.588 1.44130 47.0 49.4 2.4 2160.012 2.16040 54.4 57.5 3.1 2879.437 2.879

Cuestionario

1.- Cuando alimenta el aire con empaque seco ¿observa algún cambio en el comportamiento interno de la columna?

Visualmente no se observa cambio alguno con empaque seco, pero si se observa un cambio en la caída de presión, a medida que aumentamos el flujo de aire la caída de presión es mayor. Este aumento en la caída de presión se debe a la fricción de superficie y de arrastre de forma, siendo la fricción de forma la predominante a altas velocidades y va a depender de cada empaque.

2.- Para un flujo de agua constante, cuando aumenta el flujo de aire ¿observa algún cambio en el comportamiento interno de las corrientes de líquido y gas en la columna?

a. Si su respuesta es sí, explique en qué consiste el cambio.b. ¿A qué condiciones de caída de presión en la columna y de flujo de aire ocurre este

cambio?

Se observa un burbujeo a lo largo de los platos que conforma la torre empacada la cual nos indica el choque existente de la corriente ascendente de aire contra la descendente de agua; este suceso es más notable cuando los flujos de aire son elevados y por lo tanto la caída de presión también lo es.

3.- ¿Cuál es el flujo de aire máximo que puede alimentar para cada flujo de agua recomendado? Explique ¿por qué no es posible alimentar un flujo de gas mayor?

Tabla de flujos de aire máximosFlujo agua(Kg/h) Flujo aire(kg/h)

5.00 3.30

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7.00 3.309.00 2.64

Los flujos de la tabla anterior, considerados como máximos, son aquellos puntos antes de la inundación de la columna; por lo que no es posible alimentar un flujo de gas mayor para estos flujos de líquido.

4.- Elabore una gráfica de caída de presión en la columna por unidad de longitud de la columna

empacada (ΔPL) contra el flujo de aire (G) para empaque seco. Para ello deberá llenar la

Tabla3.Ecuación para calcular el flujo de aire: Y = 0.0139 X – 0.02417Donde Y = % de flujo leído en el rotámetro, X = Flujo de aire en L/h

Tabla 3.

FLUJO 0 Flujo Corregido flujo aire (G) P/L G'

% m3/h kg/h 0 kg/hm2

0 0 0 0.00E+00 010 0.9369 1.1164 0.0943 550.813520 1.8715 2.2301 0.1887 1100.2988

30 2.8062 3.3438 0.2830 1649.784140 3.7408 4.4575 0.5660 2199.269550 4.6754 5.5713 0.9434 2748.754860 5.6101 6.6850 1.0377 3298.240270 6.5447 7.7987 1.5094 3847.725580 7.4794 8.9124 1.6981 4397.210990 8.4140 10.0261 1.9811 4946.6962

FLUJO 5 Flujo Corregido flujo (G) P/L G'% m3/h kg/h 0 kg/hm2

10 0.5551 0.6615 0.1887 326.354120 1.1089 1.3213 0.4717 651.921330 1.6626 1.9812 0.5660 977.488540 2.2164 2.6411 1.1321 1303.055750 2.7702 3.3009 2.7358 1628.6230

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FLUJO 7 Flujo Corregido flujo (G) P/L G'% m3/h kg/h 0 kg/hm210 0.5551 0.6615 0.0943 326.354120 1.1089 1.3213 0.3774 651.921330 1.6626 1.9812 0.7547 977.488540 2.2164 2.6411 1.3208 1303.055750 2.7702 3.3009 3.1132 1628.6230

FLUJO 9 Flujo Corregido flujo (G) P/L G'% m3/h kg/h 0 kg/hm210 0.5551 0.6615 0.1887 326.354120 1.1089 1.3213 0.3774 651.921330 1.6626 1.9812 2.2642 977.488540 2.2164 2.6411 2.9245 1303.0557

0 1000 2000 3000 4000 50000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

∆P/L vs G´

Flujo 0 L/hFlujo 5 L/hFlujo 7 L/hFlujo 9 L/h

G´(Kg/hm2)

∆P/

L

5.- ¿Cómo es la variación de (ΔPL) vs (G) obtenida para empaque seco?

La variación es constante y directamente proporcional, es decir, al aumentar el gasto de aire, aumenta la caída de presión.

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6.- Haga las gráficas correspondientes para cada uno de los flujos de agua recomendados de

(ΔP L) vs (G), en la misma grafica del punto 4.

[Nota]: Ver punto 4 del cuestionario.

7.- ¿Cuál es el comportamiento observado?, compara estas con respecto a la gráfica obtenida para empaque seco. La pendiente es constante, ¿si o no?, explique los cambios qué observe y en qué puntos.

La tendencia de incrementar la caída de presión es la misma para todos los flujos, la pendiente va a se hace mayor en algunos puntos conforme se incrementa el gasto másico del aire para cada corrida manteniendo constante el flujo de agua. No fue posible obtener todos puntos para las cuatro mediciones debido a que la columna comenzaba a inundarse al aumentar el flujo.

8.- ¿Cómo se llaman estos puntos de cambio?

A estos puntos se les llama punto de carga, y son los puntos en los que existe un arrastre máximo entre las dos fases provocando un aumento en las caídas de presión

9.- ¿De qué depende la caída de presión en la columna empacada?

La caída de presión de la columna depende del flujo de aire suministrado, ya que al aumentarlo la fricción dentro de la columna también incrementa.

10.- ¿Es conveniente trabajar la columna empacada cerca de los flujos donde ocurren los

cambios bruscos de ΔP ?, si,o, no ¿por qué?

No es conveniente trabajar cerca o arriba del punto de inundación porque llegamos a una inestabilidad del sistema, ya que la cantidad de líquido que se encuentra en la columna empacada es considerable. Como consecuencia de lo anterior, se observan burbujas en la superficie del líquido, cambia el sistema de gas-continuo y líquido-disperso a gas-disperso y líquido-continuo, además de que grandes porciones de espuma pueden llenar rápidamente la columna.

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11.- Represente en una misma gráfica de L/G(ρ G/ρL )1/2 vs G2(Ap/E3)μL0 .2

/Gρ GρL el

comportamiento de cada corrida, a los diferentes flujos de agua y una con una línea los puntos con la mayor ordenada. Para ello deberás llenar la Tabla 4.

Nota: Hacer la gráfica en coordenadas logarítmicas.

FLUJO 5

flujo (G) G'L(Kg/h) L´(Kg/hm2) L/G(ρG/ρL)1/2 G2(Ap/E3)μ0.2/gρGρL

% kg/h kg/hm20

10 0.6615 326.3541 5 2.47E+03 0.26093 0.0013220 1.3213 651.9213 5 2.47E+03 0.13062 0.0052830 1.9812 977.4885 5 2.47E+03 0.08712 0.0118640 2.6411 1303.0557 5 2.47E+03 0.06535 0.0210850 3.3009 1628.6230 5 2.47E+03 0.05229 0.03293

FLUJO 7

flujo (G) G'L(Kg/h) L´(Kg/hm2) L/G(ρG/ρL)1/2 G2(Ap/E3)μ0.2/gρGρL

% kg/h kg/hm20

10 0.6615 326.3541 7 3.45E+03 0.36531 0.0013220 1.3213 651.9213 7 3.45E+03 0.18287 0.0052830 1.9812 977.4885 7 3.45E+03 0.12196 0.0118640 2.6411 1303.0557 7 3.45E+03 0.09149 0.0210850 3.3009 1628.6230 7 3.45E+03 0.07320 0.03293

FLUJO 9

flujo (G) G'L(Kg/h) L´(Kg/hm2) L/G(ρG/ρL)1/2 G2(Ap/E3)μ0.2/gρGρL

% kg/h kg/hm20

10 0.6615 326.3541 9 4.44E+03 0.46968 0.0013220 1.3213 651.9213 9 4.44E+03 0.23512 0.0052830 1.9812 977.4885 9 4.44E+03 0.15681 0.0118640 2.6411 1303.0557 9 4.44E+03 0.11763 0.02108

Page 13: liq 3 informe 3

0.00100 0.01000 0.10000 1.000000.01000

0.10000

1.00000

10.00000

flujo 5 l/h

Flujo 7 L/h

Flujo 9 L/h

Guion experimental

G2(Ap/E3)mul0.2/GpgPL

L/G(

RoG/

RoL)

)(̂1

/2)

12.- Trazar los siguientes datos en la gráfica del punto 11.

L'/G'(ρG/ρL)0.5 G’2(Ap/E3)μL0.2/gCρGρL

0.020 0.260

0.025 0.230

0.060 0.150

0.100 0.110

0.300 0.055

0.600 0.030

[Nota]: Ver tabulación en el punto 11.

13.- Como resultado de la información obtenida durante todo el experimento asigne Usted un nombre a la curva obtenida en el punto 11.

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La curva presentada es llamada “Curva de Inundación”.

14.- En un proceso de absorción, en esta columna ¿Qué intervalos de flujo de gas y de caída de presión recomienda usted para operar la columna a régimen permanente?