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.

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

13. Regulador de voltaje5

8 91011 1213

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

Caudal del Agua [m3/s] Caudal del agua [m3/s] Promedio [m3/s]

240 0.0001431 0.0001437 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

100 120 140 160 180 200 220 240 2600.0000600000000000002

0.0000700000000000002

0.0000800000000000002

0.0000900000000000002

0.0001

0.00011

0.00012

0.00013

0.00014

0.00015

f(x) = 6.04325448161151E-07 x − 2.05647754573959E-06R² = 0.989082424344722

Calibración del rotámetro

Altura del rotámetro

Caud

al d

e ag

ua [m

3/s]

De la recta se obtiene la siguiente ecuación la cual permitirá determinar el caudal de

agua a diferentes posiciones del rotámetro.

Altura delrotámetro=6×10−7Q−2× 10−6

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:

V g=Cd √ 2 ∆ P

ρ (1−β4 )

V g=Velocidad del aire ⌊ms⌋

Cd=Coeficiente dearrastre

ρ=Densidad del aire=1.18 ⌊Kg /m3 ⌋

β= Diámetro del orificioDiámetro de latubería

=58∈ ¿

1.5∈¿¿¿

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) (P (Pa))0.5 Velocidad del gas [m/s]

6.10 598.166 24.457 2.628.80 862.928 29.375 3.2213.3 1304.19 36.113 3.7019.5 1912.17 43.728 4.3324.8 2431.88 49.314 4.8628.0 2745.68 52.399 5.2131.1 3049.66 55.223 5.51

Gráfica 2

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

20 25 30 35 40 45 50 55 602

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

f(x) = 0.0904393618451966 x + 0.452458299472604R² = 0.995991750249346

Calibración platina de orificio

(P [Pa])0.5

Velo

cidad

del

gas

[m/s

]

500 1000 1500 2000 2500 3000 35002

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

R² = 0.995230218627744

Velocidad del gas Vs P

P [Pa]

Velo

cidad

del

gas

[m/s

]

Con una regresión de 0.996 obtenemos la siguiente expresión:

V g=0.09 ∆ P0.5+0.452

m=0,09=Cd √ 2

ρ (1−β4 )

Encontramos el coeficiente de arrastre:

Cd=0,0684

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.

∆ P=C2 1 0C3 v l ρg vg2

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:

log ( ∆ P )=( log (C2 )+ log ( ρg ))+C3 v l+2 log (v g )

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 Caída de Presión Caída de Presión Velocidad del

Torre [cm H2O] Torre [Pa] Platina [Pa] aire[m/s]2.2 215.732 1302.006944 3.73.3 323.598 1597.778549 4.054.4 431.464 1856.173611 4.335.8 568.748 2398.278549 4.866.4 627.584 2794.297068 5.217.3 715.838 3157.815586 5.51

Tabla 4. Caída de presión para un nivel del rotámetro de 190.

Caída de Presión Torre [cmH2O]

Caída de Presión Torre [Pa]

Caída de Presión Platina[Pa]

Velocidad del Aire[m/s]

2.3 225.538 931.945216 3.24.3 421.658 1262.222994 3.656.1 598.166 1837.074846 4.317.9 774.674 2354.945216 4.828.8 862.928 2553.056327 59.2 902.152 3083.334105 5.45

Tabla 5. Caída de presión para un nivel del rotámetro de 231.

Caída de Presión Torre [cmH2O]

Caída de Presión Torre [Pa]

Caída de Presión Platina[Pa]

Velocidad de Aire[m/s]

2.9 284.374 691.9822531 2.824.6 451.076 1001.01929 3.36.5 637.39 1492.963735 3.938.7 853.122 1982.722994 4.46

10.2 1000.212 2344.173611 4.8112.4 1215.944 2913.000772 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.

log ( ∆ P )=3,05565 V l+2,4884 log (V g )+0,473242

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.82

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2 Caída de presión torre empacada con sillas Berl

0,154 [m/s]Linear (0,154 [m/s])0,2103 [m/s]

Log (Vg ) [m/s]

Log

ΔP /

L [P

a/m

]

Velocidades de Líquido

Reordenando lo términos del modelo encontrado obtenemos la siguiente expresión para

determinar la caída de presión en un lecho empacada con anillos Berl.

∆ P=2,51∗103,055V L∗ρg∗V g2

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