Practica Absorción por columna empacada

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

LABORATORIO DE PROCESOS DE SEPRACIÓN POR CONTACTO CONTÍNUO Y HUMIDIFICACIÓN HUMIDIFICACIÓN PRACTICA No. 1 ABSORCIÓN Equipo No. 1 Integrantes:  Corona Garcia Edgar David Estrada Martíne !scar Antonio "#pe Agui$era Migue$ %nge$ Ma$donado Miranda Met$& Pro'esor:: (ern)nde *i$$a Edgar !+ar Pro'esor Grupo: ,I*-1

Absorc!" #" Co$%&"' E&('c')' !/etivo "os a$u+nos aprender)n a operar una co$u+na e+pacada para asorci#n de gases0 & ser)n capaces de identicar0 interpretar & eva$uar $as varia$es que intervienen en su 'unciona+iento. E/ercitaran capacidades de traa/o en equipo & +ostraran va$ores de discapacidad0 orden & seguridad.

Introducci#n TORRES EMPACADAS

Las torres empacadas, . utilizadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son columnas verticales que se han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande, como en la figura 6.27. El líquido se distribuye sobre stos y escurre hacia abajo, a travs del lecho empacado, de tal forma que e!pone una gran superficie al contacto con el gas. Empaque

El empaque de la torre debe ofrecer las siguientes características" #. $roporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas. La superficie del empaque por  unidad de volumen de espacio empacado am debe ser grande, pero no en el sentido microsc%pico. Los  peda&os de coque, por ejemplo, tienen una superficie grande debido a su estructura porosa, pero la mayor parte de la superficie ser' cubierta por la  película del líquido que escurre. (e todas maneras, la superficie específica de empaque a., es casi siempre m's grande que la superficie interfacial líquido)gas. 2. $oseer las características deseables del flujo de fluidos. Esto generalmente significa que el volumen fraccionario vacío, E, o fracci6n de espacio vacío, en el lecho empacado debe ser grande. El empaque debe permitir el paso de grandes vol*menes de fluido a travs de pequefias secciones transversales de la torre, sin recargo o inundaci%n +vase a continuaci%n- debe ser baja la caída de  presi%n del gas. 's a*n, la caída de presi6n del gas debe ser principalmente el resultado de la

fricci%n pelicular, si es posible, puesto que es m's efectivo que formar arrastres al promover valores elevados de los coeficientes de transferencia de masa +vase torres de paredes mojadas. /. 0er químicamente inerte con respecto a los fluidos que se est'n procesando. 1. 0er estructuralmente fuerte para permitir el f'cil manejo y la instalaci%n. . 3ener bajo precio. Los empaques son principalmente de dos tipos, aleatorios y regulares. Empaques al azar

Los empaques al a&ar son aquellos que simplemente se arrojan en la torre durante la instalaci%n y que se dejan caer en forma aleatoria. En el pasado se utili&aron materiales f'cilmente obtenibles por ejemplo, piedras rotas, grava o peda&os de coque- empero, aunque estos materiales resultan  baratos, no son adecuados debido a la peque4a superficie y malas características con respecto al flujo de fluidos. 5ctualmente, son fabricados los empaques al a&ar m's utili&ados- los tipos m's comunes se muestran en la figura 6.2. 0eg*n se muestra, los anillos de asching

0on cilindros huecos, cuyo diámetro va de 6 a #88 mm +l91 a 1 in o m's. $ueden fabricarse de  porcelana industrial, que es *til para poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con e!cepci%n de 'lcalis y 'cido fluorhídrico- de car!n, que es *til, e!cepto en atm%sferas altamente o!idantesde metales o de pl'sticos. Los pl'sticos deben escogerse con especial cuidado, puesto que se pueden deteriorar, r'pidamente y con temperaturas apenas elevadas, con ciertos solventes org'nicos y con gases que contienen o!ígeno. Los empaques de hojas delgadas de metal y de pl'stico ofrecen la ventaja de ser ligeros, pero al fijar  los límites de carga se debe prever que la torre puede llenarse inadvertidamente con líquido. Los anillos de Lessing y otros con particiones internas se utili&an con menos frecuencia. Los e mpaques con forma de silla de montar, los de :erl e ;ntalo! y sus variaciones se pueden conseguir en tama4os de 6 a 7 mm +#91 a / in- se fabrican de porcelanas químicas o pl'sticos. Los anillos de $all, tambin conocidos como , se  pueden obtener de metal y de pl'stico. Los 3ellerettes y algunas de sus modificaciones se pueden conseguir con la forma que se muestra y en pl'stico. ?eneralmente, los tamafios m's peque4os de empaques al a&ar ofrecen superficies específicas mayores +y mayores caídas de presi%n, pero los

tama4os mayores cuestan menos por unidad de volumen. 5 manera de orientaci%n general" los tama4os de empaque de 2 mm o mayores se utili&an generalmente para un flujo de gas de 8.2 m/9s +ca. 88 ft/9min, 8 mm o mayores para un flujo del gas de # m /9s +2888 ft /9min. (urante la instalaci%n, los empaques se vierten en la torre, de forma que caigan aleatoriamente- con el fin de  prevenir la ruptura de empaques de cer'mica o carb%n, la torre puede llenarse inicialmente con agua  para reducir la velocidad de caída. Empaques re"ulares

=ay gran variedad de estos empaques. Los  platos de contracorriente, que ya se consideraron, son una forma de empaque regular, al igual que los arreglos de la figura 6.2@. Los empaques regulares ofrecen las ventajas de una menor caída de presi%n para el gas y un flujo mayor, generalmente a e!pensas de una instalaci%n m's costosa que la necesaria para los empaques aleatorios. Los anillos hacinados de aschig son econ%micos solo en tarnaflos muy grandes. =ay varias modificaciones de los empaques met'licos e!pandidos. Las rejillas o AvallasB de madera no son caras y se utili&an con frecuencia cuando se requieren vol*menes vacíos grandes- como en los gases que llevan consigo el alquitr'n de los hornos de coque, o los líquidos que tienen partículas s%lidas en suspensi%n. La malla de lana de alambre tejida o de otro tipo, enrollada en un cilindro como si fuese tela +Ceo Dloss, u otros arreglos de gasa met'lica +Doch)0ul&er, =yperfil y ?oodloe proporcionan una superficie interfacial grande de líquido y gas en contacto y una caída de presi%n muy peque4a- son especialmente *tiles en la destilaci%n al vacío . Los mezcladores estáticos se dise4aron originalmente como mezcladores en línea,  para me&clar dos fluidos mediante flujo paralelo. =ay varios dise4os, pero en general constan de dispositivos en forma de rejas para huevos- los dispositivos se instalan en un tubo- causan una multitud de roturas de fluidos que fluyen a corriente  paralela en corrientes i&quierdas y derechas- cada corriente se rompe en otras m's peque4as # . 0e ha mostrado que estos dispositivos son *tiles para el contacto entre gas)líquido a contracorriente,  poseen buenas características de transferencia de masa a caídas bajas de presi%n del gas.

Cuerpo de la torre

Esta puede ser de madera, metal, porcelana química, ladrillo a prueba de 'cidos, vidrio, pl'stico, metal cubierto de pl'stico o vidrio, u otro material, seg*n las condiciones de corrosi%n. $ara facilitar su construcci%n y aumentar su resistencia, generalmente son circulares en la secci%n transversal. Soportes de empaque

Es necesario un espacio abierto en el fondo de la torre, para asegurar la buena distribuci%n del gas en el empaque. En consecuencia, el empaque debe quedar soportado sobre el espacio abierto. $or supuesto, el soporte debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso de una altura ra&onable de empaquedebe tener un 'rea libre suficientemente amplia para permitir el flujo del líquido y del gas con un mínimo de restricci%n. $uede utili&arse una rejilla de barras del tipo mostrado en la figura 6.27- pero se  prefieren los soportes especialmente disehados que proporcionan paso separado para el gas y el líquido. En la figura 6./8 se muestra una variaci6n de estos soportes- su 'rea libre para el flujo es del orden del F- puede fabricarse en diferentes modificaciones y diferentes materiales, inclusive en metales, metales e!pandidos, cer'mica y pl'sticos. Distriuci!n del líquido

En la figura 6./# se indica la importancia de la adecuada distribuci%n inicial del líquido en la parte superior del empaque. $or supuesto, el empaque en seco no es efectivo para la transferencia de masaadem's se utili&an diferentes dispositivos para la distribuci%n del líquido. Las boquillas aspersoras no son *tiles, porque generalmente provocan que mucho líquido sea arrastrado en el gas. El arreglo que se muestra en la figura 6.27 o un anillo de un tubo perforado puede utili&arse en torres peque4as. $ara di'metros grandes, puede utili&arse un distribuidor del tipo mostrado en la figura 6./2. E!isten otros muchos dispositivos. ?eneralmente se considera necesario proporcionar al menos cinco puntos de introducci%n del líquido por cada 8.# m2 +# ft2 de secci%n transversal de la torre para torres grandes +dG #.2 m H 1 ft y un n*mero mayor para di'metros peque4os.

Tama#o del empaque al azar $ redistriuci!n del líquido

En el caso de empaques al a&ar, la densidad del empaque, es decir, el n*mero de pie&as de empaque por  pie c*bico, es generalmente menor en la vecindad inmediata de las paredes de la torre- por esta causa, el líquido tiende a segregarse hacia las paredes y el gas a fluir en el centro de la torre. (icha tendencia es menos pronunciada si el di'metro de cada pie&a de empaque es al menos menor de un octavo del di'metro de la torre- no obstante, se recomienda que, si es posible, la relaci%n dp/T H #9#. 5un así, se acostumbra permitir la redistribuci%n del líquido a intervalos que varían de tres a die& vece s el di'metro de la torre, al menos cada 6 o 7 m. Los empaques de malla entretejida colocados debajo de un soporte de

empaque +figura 6./8 son buenos redistribuidores. En vista a la apropiada distribuci%n del líquido, las torres empacadas se construyen adecuadamente con di'metros de 6 a 7 m o m's.

Contenedores del empaque

Los contenedores son necesarios cuando la velocidad del gas es elevada- generalmente son deseables  para evitar el levantamiento del empaque durante un aumento repentino del gas. Las pantallas o barras gruesas pueden utili&arse. $ara el empaque de cer'mica gruesa, se pueden utili&ar platos que descansen libremente sobre la parte superior del empaque. $ara empaques de pl'stico y otros empaques ligeros, los contenedores est'n unidos al cuerpo de la torre. Eliminadores del arrastre

5 velocidades elevadas del gas, especialmente, el gas que abandona la parte superior del empaque puede acarrear gotitas del líquido como una niebla. Ista puede eliminarse mediante eliminadores de neblina, a travs de los cuales debe pasar el gas- los eliminadores se instalan sobre la entrada del líquido. Jna capa de malla +de alambre, tefl%n, polietileno u otro material, entretejida especialmente con espacios del @) @@F, apro!imadamente de #88 mm de espesor, colectar' pr'cticamente todas las partículas de neblina. Ktros tipos de eliminadores incluyen ciclones y re arreglos del tipo de persianas venecianas. Jn metro de empaque al a&ar seco es muy efectivo. %lu&o a contracorriente del líquido $ el "as a tra'(s del empaque

En la mayoría de los empaques al a&ar, la caída de presi%n que sufre el gas es modificada por el flujo del gas y del líquido en forma similar a la que se muestra en la figura 6.//. La pendiente de la línea para el empaque seco est' generalmente en el rango de #. a 2.8- indica flujo turbulento para las velocidades m's pr'cticas del gas. 5 una velocidad fija del gas, la caída de presi%n del gas aumenta al aumentar el flujo del líquido, debido  principalmente a la secci%n transversal libre reducida que puede utili&arse para el flujo del gas como resultado de la presencia del líquido. En la regi%n abajo de 5, figura 6.//, la retenci%n del líquido, esto es, la cantidad de líquido contenido en el lecho empacado, es ra&onablemente constante con respecto a los cambios en la velocidad del gas, aunque aumenta con el flujo del líquido. En la regi%n entre 5 y :, la retenci%n del líquido aumenta r'pidamente con el flujo del gas, el 'rea libre para el flujo del gas se reduce y la caída de presi%n aumenta m's r'pidamente. Esto se conoce como recargo. uando el

flujo del gas aumenta hasta B a un flujo fijo del líquido, ocurre uno de los siguientes cambios" +# una capa del líquido, a travs de la cual burbujea el gas, puede aparecer en la parte superior del empaque- +2 el líquido puede llenar la torre, empe&ando por el fondo o por cualquier restricci%n intermedia, como el soporte empacado, de tal forma que hay un cambio de gas disperso)líquido continuo a líquido disperso) gas continuo que se conoce como inmersi%n, o +/ las capas de espuma pueden elevarse r'pidamente a travs del empaque. 5l mismo tiempo, el arrastre del líquido por el gas efluente aumenta con rapide& y la torre se inunda. Entonces, la caída de presi%n del gas aumenta muy r'pidamente. El cambio de las condiciones en la regi%n de 5.a B de la figura 6.// es gradual- m's que por un efecto visible, el recargo y la inundaci%n iniciales est'n frecuentemente determinados por el cambio en la pendiente de las curvas de caída de presi%n. Co es pr'ctico operar una torre inundada- la mayoría de las torres operan justamente  por debajo o en la Aparte inferior de la regi%n de recargo. )nundaci!n $ recar"o

Las condiciones para la inundaci%n en los empaques al a&ar dependen del mtodo de empaque +en seco o h*medo y del acomodo del empaque. La curva superior de la figura 6./1 correlaciona ra&onablemente bien los datos sobre la inundaci%n para la mayoría de los empaques al a&ar. (atos m's específicos se pueden obtener en los manuales o con los fabricantes. El límite de recargo no puede correlacionarse f'cilmente.  Cormalmente los absorbedores y desorbedores est'n dise4ados para caídas de la presi%n del gas de 288 a 188 C9m2 por metro de espesor empacado +8.2 a 8. in. =2K9ft, los fraccionadores a presi%n atmosfrica de 188 a 688 +C9m 29m y las torres de vacío de  a 18 +C9m29m +8.8# a 8.8 in. = 2K9ftM. Los valores de , que caracteri&an los empaques se dan en la tabla 6./. Istos y otros valores en la tabla 6./ cambian al cambiar los procedimientos de fabricaci%n- por ello debe consultarse a los fabricantes antes de terminar el dise4o final. ?eneralmente, las velocidades de inundaci%n para los empaques regulares o apilados ser'n considerablemente mayores que para los empaques al a&ar.

Caída de presi!n para el flu&o de una *nica fase

uando s%lo el fluido llena los vacíos en el lecho, la caída de presi%n sufrida por un *nico fluido al fluir a travs de un lecho)de s%lidos empacados, como esferas, cilindros, grava, arena, etctera, est' ra&onablemente bien correlacionado mediante la ecuaci%n de Ergun"

+6.66 3ambin se puede aplicar con igual !ito al flujo de gases y líquidos. El trmino del lado i&quierdo es un factor de fricci%n. Los trminos de la derecha representan contribuciones al factor de fricci%n- el primero  para flujo puramente laminar y el segundo para flujo completamente turbulento. =ay una transici%n gradual de un tipo de flujo al otro, debido al car'cter diferente de los espacios vacíos, ya que los dos trminos de la ecuaci%n cambian en importancia relativa cuando el flujo cambia. e H dpG’ 9N, y dp, es el di'metro efectivo de las partículas, el di'metro de una esfera con la misma relaci%n superficie9volumen que el empaque en su lugar. 0i la superficie específica es a p , la superficie por l unidad de volumen de las partículas es a /  O E. (e las propiedades de una esfera, se tiene"  p (

  +6.67  Cormalmente esto no ser' lo mismo que el tama4o nominal de las partículas. $ara el flujo de gases a una ?P mayor de apro!imadamente 8.7 >g9m2Q0+88 lbm9ft2 h, el primer trmino del lado derecho de la ecuaci%n +6.66 es despreciable. $ara un tipo y tama4o específicos del empaque fabricado de la torre, la ecuaci%n +6.66 puede simplificarse a la e!presi%n empírica"

  En la tabla 6./ se listan valores de p en unidades 0;.

+6.6

Caída de presi!n para el flu&o de dos fases

$ara el flujo simult'neo a contracorriente de líquido y gas, los datos de caída de presi%n de diferentes investigadores muestran amplias discrepancias, debido a las diferencias en la densidad y fabricaci%n del empaque- discrepan, por ejemplo, en los cambios en el espesor de las paredes. $or lo tanto, no puede esperarse que las estimaciones sean muy e!actas. $ara la mayoría de los prop%sitos, servir' la correlaci%n generali&ada de la figura 6./1. Los valores de , se encuentran en la tabla 6./. Los fabricantes pueden proporcionar datos m's elaborados.

Bibliografía Pág. 213-225 de “Mass Tansfer Operations” 2 a. Ed. Tre!bal E. ".# M$%ra&-'ill

C*$c%$os Pr#+o(#r',oros )# $' co$%&"' )# Absorc!" 

Condiciones de operaci#n de $a co$u+na

 Toperaci#n2 345C Poperaci#n24-4 ++(g 1667 rot)+etro de (3!23.1 "8+in Cantidad de A+oniaco 9N(, per+itido 91.6 a$ ,.67 'racci#n +o$ Cantidad de agua que se adiciona 917 a$ 1667 ;co$u+na2 14 c+ 67 C'",)') )# A&o"'co -NH./  y A 1 0.015

 Kgmol NH 3  Kgmol Total

Eciencia propuesta =2 -47

Y  A 2=

( 100 −ƞ propuesta) 100

Y  A 1=

( 1−0.85 ) 100

× 0.015

 Kgmol NH 3  Kgmol ai ℜ

=0.00225

 Kgmol NH 3  Kgmolaire

Pendiente +íni+a

( )  Ls Gs

min

=

Y  A 1−Y  A 2 ¿

 X   A  1− X  A 2

( 0.01522−0.00225 )

 Kgmol NH 3

 Kgmol H 2 O  Kgmol aire =1.080  Kgmol NH 3  Kgmol aire ( 0.0118−0 )  Kgmol H 2 O

=

 Kgmol NH 3 ¿ =  X  0.0155  A 1 De graca  Kgmol H 2 O

Qaire =104

√

∆ H o aire

R2 6.6-364  T2 34?C 2 3@- P2 (o B Pat+ (o2 - c+ (3! 2 6.6>,44 c+ (g2 1 c+ ( 3! (o2 ,.4,6 c+ (g  16 2 ,4.,6 ++(g (o2 ,4.,6 ++(g

¿

1 atm 1 cm H 2 O

P2 6.6 B 4-4 ++(g 

 2 6.6 at+

1 atm 760 mmHg

P2 6.6-14> at+ PMaire2 3-.-

 Kg kgmol

( 0.816 )( 28.84 ) g =0.9624 ¿ (0.08205 )( 298.15 K ) Qaire =104

√

48 0.9624

 2 >,.>

¿ min

1

+

 Exc 100

( Ls )op=( Ls )min+¿

 

lts g ∗0.09624 min lts  2 >6.@3

Gs 2 >,.>

g min  2 3.41 kg 28.84 kmol 706.92

mol min  

60 min

( Ls )op  2

1.58

3.1

 Kgmol aire kmol   

( Ls )op  2 3.> Qop=¿

 Kgmol H 2 O

( 1 +0.70 )=2.7

 Kgmol H 2 O  Kgmol aire

1

60 min   3-.-

1@6

6.-1

F2 >

G A  2 91.> 96.614 2 6.63364

kg 2

cm

kmol 

1 atm

 

1.033

Kg cm

2

 2 6.@ at+

 !op  2 6.@ at+ B 6.> at+ 2 1.>, at+  " NH 3  2

kmol 

kmol 

lts min

lts min

 !op  2 1

 2 1.>

1

( Ls )min  2 91.6-6 91.> 2 1.4-

g min

(1.73 )( 17 ) ( 0.08205 ) (298.15 k )  2 1.36

gr lts

kg kgmol  2 1.3@>-

kg min

G A 1  2

kmol ∗1  lts kg ∗17 kmol 60 min  gr 0.0012 lts

0.02205

Qop=¿

l# min

lts min

Q$T%NH 3=¿  4.-@

( 65.89 )

 2 4.33

( )  760

21.1

 2 

1320.72 mmHg 25 & ' 

7Rot)+etro  NH   2 1,7 3

7Rot)+etro Agua 2 >,7  H o aire  2 - c+

C*$c%$os o(#r',oros )# $' co$%&"' )# Absorc!" D',os  N =1

 mge( mL

 !e( NH  =17 3

mg mge(

) sol *namonacal =15 mL  "sol* namoniacal = %ensi+a+ =1

g mL

D',os #0(#r&#",'$#s ) testigo=15.4 ml

)  ,  1=11.3 mL )  ,  2= 11 mL

)  ,  3 =11.2 mL

)  , =

)  ,  1+ )  , 2 + )  , 3 3

=

( 11.3 +11 +11.2 ) mL 3

=11.16 mL

C*$c%$os  ,  NH  = N ( ) testigo−) muestra ) !e( NH  3

 ,  NH  =1 3

3

mge( ( 15.4 −11.16 ) mL- 17 mg =72.08 mg mL mge(

 ,  NH  =72.08 mg× 3

1g 1000 mg

=0.07208 g

 , total= "sol* namoniacal ( )  sol* namoniacal )

 , total =1

g  ( 15 ml ) =15 g mL

 ,  H  O= , total − ,  NH  2

3

 ,  H  O=15 g −0.072 g =14.9279 g 2

 X  A  1experimental =

( ) ( ( ) ( ,   !m

,   !m

Y  A 2 experimental =Y  A 1−

 NH 3

 H 2 O

=

0.07208 g 17 14.9279 g 18

) )

 NH 3

=0.005 113

 Kgmol NH 3  Kgmol H 2 O

 H 2 O

T  A G$

Considerar que: Y  A 1=)alor (uese o#tu.o enlosc/lculos antes +eoperar [ ¿ ]

 Kgmol NH 3  Kgmol aire

G$ =)alor o#teni+o +elos c/lculosantes +e operar [ ¿ ]

T  A = L$ ( X  A 1− X  A 2 ) [ ¿ ]

 Kgmo l aire 

 Kgmol +e NH 3 

 L$ =)alor o#teni+os en c/lculo [ ¿ ]

 Kgmol +e H 2 O 

 X  A 2 =0 suponien+o (ue soloentra Agua

 X  A  1=e xperimental [ ¿ ]

 Kgmol NH 3  Kgmol aire

ƞexperimental = E0iciencia =

G A =.alor o#teni+o [ ¿ ]

T  A =2.7

 Kgmol H 2 O

G$ =1.47



G A

( 100 )

 Kgmol NH 3 

( 0.005 113 −0 )

 Kgmol NH 3  Kgmol H 2 O

=0.013805

 Kgmol NH 3 

 Kgmol aire 

Y  A 2 experimental =0.01522

G A =0.3179

 Kg NH 3 

= 0.02205

 Kgmol NH 3  Kgmol aire

×

0.013805 ƞexperimental

T  A

0.013805

−

1 Kgmol NH 3 17 Kg NH 3

 Kgmol NH 3

  Kgmol aire 1.47 

=0.02205

=0.005829

 Kgmol NH 3 

 Kgmol NH 3

  Kgmol NH 3

( 100 )=62.60



De graca otener $os va$ores en equi$irio0 por $o tanto: *III. APENDICE 9p)g. , de$ Manua$ de Practicas

 Kgmol NH 3  Kgmol aire

A1 Datos de Equi$irio para e$ siste+a A+oniacoAgua 9N( ,(3! T2345C P24-4 ++(g 

"os resu$tados otenidos est)n en re$aci#n +o$ar

Y  NH  =

 ! NH 

3

3

(

' 

NHMER! DE NIDADE< DE  TRAN