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TORRES EMPACADAS CON ANILLOS RANSCHING
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENERÍA QUÍMICA
CONSTRUCCIÓN DE UNA TORRE EMPACADA CON ANILLOS RASCHIG PARA LA SEPARACIÓN LÍQUIDO-GAS DE UN SISTEMA DE ALCOHOL ETÍLICO, AGUA Y AIRE, EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
Trabajo Especial de Grado para optar al Título de Ingeniero Químico
Propuesto por:
Useche Q., Thomas J. C.I. 14 099 992
Tutor Académico:
Ing. Bohórquez, José.
Maracaibo, Abril 2007
DERECHOS RESERVADOS
INDICE
PP.
Índice de Tablas …..……………….……………………………………. i
Índice de Figuras ...…...………………………………………………….. ii
Índice de Gráficos .………………………………………………………. iii
Resumen…………………………………………………………………. iv
Introducción……………………………………………………………… 1
CAPITULO
I EL PROBLEMA………………………………………….......... 4
11. Planteamiento del Problema………………………............... 4
12. Objetivos …………………..…………………….………… 5
13. Delimitación ...…………..……………….………………… 6
1.4. Alcance …………………………………………………… 6
1.5. Justificación ...……………………………………………... 7
II MARCO TEÓRICO………………………………………......... 10
2.1. Antecedentes …………………...……..…………………... 10
2.2. Bases Teóricas ……………..……………………………… 11
2.2.1. Desorción …………...………………………………. 11
2.2.2. Sistema de Alcohol Etílico, Agua y Aire …..……...... 14
2.2.3. Configuración del Sistema de la Torre ……………... 17
2.2.4. Equilibrio ……………………………………………. 19
2.2.4.1. Solubilidad ……………………………. 21
2.2.4.2. Difusividad ……………………………. 22
2.2.4.2.1. Difusividades en Líquidos ……. 23
2.2.5. Fenómenos de Transporte …………………………... 24
2.2.6. Operaciones Unitarias ………………………………. 26
2.2.7. Torre Empacada ………………………………….... 27
2.2.7.1. Empaque …………………………..... 30
2.2.7.1.1. Empaques Aleatorios ……….. 31
2.2.7.1.2. Empaques Regulares …….….. 33
2.2.8. Definición de Términos …………………………….. 35
2.2.9. Operacionalización de las Variables ………………. 38
DERECHOS RESERVADOS
III MARCO METODOLÓGICO ……………………………... 39
3.1. Tipo de Investigación ………………………………… 39
3.2. Diseño de la Investigación …………………………… 40
3.3. Unidad de Análisis ...…………………………………….. 40
3.4. Técnicas de Recolección de Datos ………………….……. 41
3.4.1. La Observación ……………………….. 41
3.4.2. Revisión Documental …………………. 42
3.5. Fases de la Investigación …………………………………. 43
IV ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
4.1. Área Disponible ………………….………………………. 46
4.2. Dimensionamiento de la Torre……………………………. 46
4.3. Nomenclatura …………………………………………….. 50
4.4. Instalación ………………………………………………... 51
4.5. Comprobación del Funcionamiento de la Torre ………….. 54
4.6. Diseño de la Práctica de Laboratorio ……………………... 59
4.6.1. Objetivo General …………………………………….. 59
4.6.2. Objetivos Específicos ……………………………….. 60
4.6.3. Descripción del Equipo …………………………...... 60
4.6.4. Materiales …………………………………………… 61
4.6.5. Procedimiento Experimental ………………………... 61
4.6.6. Datos a Reportar ……………………………………. 62
Conclusiones…………………………………………………………….. 64
Recomendaciones……………………………………………………….. 66
Bibliografía………………………………………………………………. 67
Apéndice ………………………………………………………………… 68
ANEXOS………………………………………………………………… 74
DERECHOS RESERVADOS
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Concentración de Etanol …………………………............... 21
Tabla 2 Solubilidad de los Alcoholes ………………………............ 22
Tabla 3 Fases del Objetivo 1………..………………………………. 43
Tabla 4 Fases del Objetivo 2 ………..………………………………. 44
Tabla 5 Fases del Objetivo 3 ……………………………………….. 44
Tabla 6 Fases del Objetivo 4 ……………………………………….. 45
Tabla 7 Medidas de las Secciones de la Torre ……………………… 47
Tabla 8 Medidas del Tanque Primario ……………………………… 48
Tabla 9 Medidas del Tanque Secundario …………………………… 49
Tabla 10 Datos de los Anillos Rasching ……………………………... 50
Tabla 11 Nomenclatura ………………………………………………. 50
Tabla 12 Tubería y Accesorios ………………………………………. 53
Tabla 13 Lista de Equipos ……………………………………………. 53
Tabla 14 Índice de Refracción ……………………………………….. 54
Tabla 15 Porcentaje de Recuperación de Etanol ……………………... 56
Tabla 16 Concentraciones > 60% ……………………………………. 57
Tabla 17 Rango Operación…………………………………………… 58
DERECHOS RESERVADOS
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Corte Esquemático de una torre empacada……………….. 28
Figura 2 Empaques Aleatorios……………………………………… 33
Figura 3 Empaques Regulares ………………………………………. 35
Figura 4 Dimensiones de la Torre …………………………………… 47
Figura 5 Dimensiones del Tanque Primario …………………………. 49
Figura 6 Dimensiones del Tanque Secundario ………………………. 49
DERECHOS RESERVADOS
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 1 Curva de Calibración ………………………………………. 55
Gráfico 2 Curva de desorción ………………………………………... 56
Gráfico 3 Desorción Co> 60%…….……………………………….. 57
Gráfico 4 Rango Operación…………….……………………………. 58
DERECHOS RESERVADOS
DEDICATORIA
CON TODO MI AMOR A MIS PADRES: TOMÁS ANTONIO Y CARMEN
YOLANDA, Y A MIS HERMANOS: YOLENA, THOMAS EDWIN, JHOANA,
TOMAS ANTONIO, TOMIRIS, YOSMARY, A MI ANGEL GUARDIAN: THOMAS
LEWIS.
USTEDES HAN SIDO MI INSPIRACIÓN,
ADMIRACIÓN, ALEGRIA Y SOPORTE EN TODO MOMENTO
To the memory of my friend Melvin A. Johnson. Wherever you are I know you
are watching me…the job is done!
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CONSTRUCCIÓN DE UNA TORRE EMPACADA CON ANILLOS RASCHIG PARA LA SEPARACIÓN LÍQUIDO-GAS DE UN SISTEMA DE ALCOHOL
ETÍLICO, AGUA Y AIRE, EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
Thomas J. Useche Q C.I. V.- 14 099 992
Calle 84 Nro 2B-44, Maracaibo. 0414-3678860
Ing. José F. Bohórquez Tutor Académico
DERECHOS RESERVADOS
AGRADECIMIENTO
Ser agradecido nace del alma y aquí lo expreso con profunda
emoción, por todos los momentos en que me ayudaron, apoyaron o
simplemente estuvieron a mi lado. GRACIAS!!
A Dios, señor creador y dador de todas las cosas,
A mi familia, incluyendo a mis cuñados y cuñadas,
A mi apreciado tutor Ing. José Bohórquez quien pacientemente me guió en la
consecución de esta meta y orientó a lo largo de mi carrera como estudiante,
A mis profesores Oscar U., Humberto M., Alfredo V., por su valiosa enseñanza
y orientación,
Profesor Mauro gracias por la dedicación al ayudarme a concluir este proyecto
y por todos los conocimientos que me enseñó a lo largo de la carrera,
A mis amigos de bachillerato, amigos para toda la vida!,
A mis amigos de la universidad, marbel, milton, andreina, marianela, simón,
marco, roland, mariemilys, deisy, anita, juan, pedro, ramon, ilussion, futuros
colegas!
A mis amigos Francisco Orellana, Zorelis, Anyslu, José Ramos, siempre
dispuestos a tenderme la mano,
A la Sra. Alice, Régulo y Elisa Pachano quienes me han brindado su amistad
desde que llegué a la ciudad de Maracaibo,
A mí cuñado Jonathan. Mil gracias por haberme invitado a estudiar en esta
universidad, mil gracias por apoyarme durante la carrera.
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CONSTRUCCIÓN DE UNA TORRE EMPACADA CON ANILLOS RASCHIG PARA LA SEPARACIÓN LÍQUIDO-GAS DE UN SISTEMA DE ALCOHOL ETÍLICO, AGUA Y AIRE, EN EL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA. Elaborado por: Useche Q., Thomas J.
RESUMEN
La desorción es una operación unitaria con transferencia de masa empleada normalmente en la rectificación, purificación o recuperación de gases disueltos en líquidos con una corriente de aire la cual absorbe el soluto más volátil de la solución. La torre empacada se construyó tomando en cuenta los criterios físicos y químicos del sistema alcohol etílico-agua, los factores económicos y el espacio disponible. La torre elaborada en vidrio PYREX, tiene un área de transferencia de 0,9718cm-1, de diámetro 3 ½” y altura total de 2.15m, se empacó con anillos raschig de pvc de 2cm de alto y ½” de diámetro. El flujo de aire en contracorriente a la alimentación liquida del tanque se hizo a una presión fija de 2kg/cm2. El sistema completo consta de dos tanques, una columna empacada, una bomba centrifuga y un compresor de aire. Se ensayó con diferentes concentraciones de etanol en agua haciendo atravesar la solución a través de la columna y recogiendo la muestra a la salida de la misma. El rango óptimo de separación de este sistema se determinó entre 85%-95% de concentración de etanol en agua. Las concentraciones por debajo de 80% quedaron constantes como punto de no separación bajo las condiciones de operación de la torre. La torre quedó instalada y en funcionamiento en el laboratorio de operaciones unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta, como un recurso didáctico para la realización de prácticas de laboratorio e investigaciones posteriores. Palabras claves: Desorción, torres empacadas, anillos raschig, condiciones de equilibrio, configuración de sistema, concentración.
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CONSTRUCTION OF A PACKED TOWER FOR THE GAS-LIQUID SEPARATION OF A ETHANOL-WATER AND AIR SYSTEM, IN THE LABORATORY FOR MASS TRANFER OPERATIONS AT UNIVERSITY RAFAEL URDANETA. By: Thomas J., Useche Q.
ABSTRACT Stripping is a very common mass transfer operation, normally used for separating, depuring or recovering a gas disolved in a liquid phase through the passing of a crosscurrent air supply which eventually absorbs the most volitile compound of the solution. The packed tower was built based on the fisical and chemical criteria for the etanol-water system, the economic factor and the available space. The tower is made of PYREX glass. It has a transfer area of 0,9718cm-1, 3 ½” diameter and a total hight of 2.15m. It was randomly packed with PVC raschig rings of 2cm high and ½” diameter. The crosscurrent flow to the liquid feed was done at a constant pressure of 2kg/cm2. The whole system consists of two tanks, a centrifugal pump and an air compressor. The testing was done for different concentrations of ethanol in water, making the solution run through the column and taking the sample at the bottom tank. The optimun range was determined between 85% and 95% concetrations of ethanol in water. Concentrations below 80% showed little separation reaching the point of not separation at all under the operation conditions. The packed tower was installed and left working properly at the university lab, as a useful resourse for lab experiments and research. Key words: Stripping, packed towers, raschig rings, equilibrium conditions.
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INTRODUCCIÓN
Las torres empacadas son utilizadas extensamente en la industria
para la separación y purificación de corrientes de gas, como dispositivos
de recuperación de producto y como dispositivos de control de la
contaminación. Este proyecto se enfoca en la aplicación práctica de las
leyes y principios que se emplean para la separación de sistemas binarios
liquido-gas en una torre empacada con anillos raschig.
Para separar materiales de manera económica y eficiente, el
ingeniero debe crear un ambiente en el cual los materiales se comporten
de una forma drásticamente distinta. En este sentido, Rudd (1992, pg
105) expone que “ese ambiente se determina mediante la examinación de
las propiedades físicas y químicas de los materiales, buscando
diferencias entre las propiedades que originan cambios drásticos en
comportamiento”. Puede ocurrir que una especie en la mezcla flote
mientras las otras se hunden; alguna especie puede cambiar a gas o
sólido mientras las otras permanecen líquidas; una especie puede
disolverse en un solvente mientras las otras permanecen insolubles,
incluso moléculas pequeñas pueden pasar a través de una membrana
mientras las otras son retenidas.
La absorción es una operación unitaria de transferencia de masa
que consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que éste
disuelva determinados componentes del gas, mientras que la desorción
es la operación inversa, en el cual un gas volátil disuelto en un líquido es
transferido hacia la fase gaseosa. Ambos procesos pueden categorizarse
en físico o químico. El proceso físico ocurre cuando el compuesto
absorbido se disuelve en el solvente, y el químico ocurre cuando el
compuesto absorbido y el solvente reaccionan.
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Los fenómenos de transferencia de masa se encuentran en
cualquier lugar en la naturaleza, y son importantes en todas las ramas de
la ciencia y la tecnología, ya sea en una reacción química, un reactor
industrial, un sistema biológico o una investigación en un laboratorio. “El
termino transferencia de masa, se refiere al moviendo de moléculas o
elementos fluidos causado por una forma de potencial o fuerza impulsora.
Esto incluye no solamente la difusión molecular sino también transporte
por convección y en algunos casos mezcla simple, sin la conversión de la
materia” (Sherwood 2003, pg 1).
Una unidad de torre empacada básica se compone de una
envoltura de la columna, eliminadores de neblina, distribuidores de
líquido, material de empaque y soporte 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. Para los objetivos de este proyecto, se seleccionó alcohol
etílico para la fase liquida y aire para la fase gaseosa.
Dentro de la torre empacada, la entrada de líquido que se desea
separar, en este caso alcohol etílico diluido, se distribuye sobre la parte
superior del relleno mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja
uniformemente la superficie del relleno. El gas, que para este proyecto de
grado será aire, entra por la parte inferior y asciende a través de los
espacios libres del relleno en contracorriente con el flujo de líquido. El
relleno proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas,
favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases. La mayoría de los
rellenos de torre se construyen con materiales baratos, inertes y
ligeramente livianos, tales como arcilla, porcelana o diferentes plásticos,
tales como lo son los anillos raschig utilizados en este estudio.
DERECHOS RESERVADOS
3
Construir una torre empacada para la separación liquido-gas de un
sistema de alcohol etílico, agua y aire que esté a nivel con los avances
tecnológicos en el campo de la ingeniería, permitirá el avance técnico y de
investigación dentro de la universidad, al convertirla en una herramienta
útil para la enseñanza práctica, estudio y discusión.
Este trabajo de investigación pretende demostrar el funcionamiento
de una torre empacada en la separación de una mezcla de alcohol etílico,
agua y aire, construida con las especificaciones necesarias para tal fin;
pudiendo ser posteriormente, incluida como práctica en el programa de
laboratorio de operaciones unitarias II.
El desarrollo de este trabajo está contemplado en cuatro capítulos.
En el capítulo I se presentará el problema, justificación, delimitación,
alcance y objetivos de la investigación. Los conceptos importantes de la
investigación, así como los antecedentes del proyecto, se encontrarán en
el capítulo II. En el capítulo III se expondrán los lineamientos
metodológicos del trabajo, materiales, métodos y procedimiento general
del proyecto. El capítulo IV tendrá contenido los resultados obtenidos en
función del diseño. Una vez expuestos los resultados, encontrarán las
conclusiones derivadas del estudio, las recomendaciones planteadas y las
limitaciones encontradas en el proceso de realización de este trabajo
especial de grado. También se encontrarán al final de este trabajo, la
bibliografía consultada, un glosario y los anexos mencionados a lo largo
del proyecto.
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CAPITULO I EL PROBLEMA
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El estudio de operaciones unitarias con transferencia de masa,
constituye el corazón de la carrera de Ingeniería Química, dando paso a
la aplicación práctica y efectiva de los conocimientos en la resolución de
problemas, desarrollando procesos de separación, diseñando nuevos
equipos u optimizando los existentes.
El laboratorio de Operaciones Unitarias constituye uno de los ejes
primordiales en la formación técnica/práctica de cualquier ingeniero
químico, ya que permite al estudiante comprender y visualizar los
procesos del ámbito industrial a nivel de laboratorio.
El Programa de Laboratorio de Operaciones Unitarias II de la URU
actualmente contempla las prácticas de: Transferencia de calor por
conducción, convección y radiación; destilación por carga, reflujo total y
continúa de mezcla binaria; condensación en gotas y películas en
tuberías horizontales (ver anexo 1). Estas prácticas están condicionadas
a la disponibilidad de equipos existentes para realizar estudios o al tiempo
disponible para llevar a cabo los mismos. Sin embargo, equipos
diseñados para la separación de mezclas binarias liquido-gas, no se
encuentran en el programa.
DERECHOS RESERVADOS
5
1.1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Por las razones antes expuestas, se considera necesario la
construcción de la torre de empacada con anillos raschig para la
separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta.
La torre diseñada cumplirá un nos requerimientos y criterios de diseño
que le permitirán su uso en un laboratorio docente.
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. OBJETIVO GENERAL
Construir una torre empacada con anillos raschig para la
separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta.
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1.2.2.1. Establecer la configuración del diseño de la torre
empacada con anillos raschig para la separación
líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y
aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la
Universidad Rafael Urdaneta.
1.2.2.2. Construir la torre empacada con anillos raschig para
la separación líquido-gas de un sistema de alcohol
etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones
Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta.
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1.2.2.3. Demostrar el funcionamiento de la torre empacada
con anillos raschig para la separación líquido-gas de
un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias de la
Universidad Rafael Urdaneta.
1.2.2.4. Diseñar una practica de laboratorio para el uso de la
torre empacada con anillos raschig para la separación
líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y
aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la
Universidad Rafael Urdaneta.
1.3. DELIMITACIÓN
1.3.1. DELIMITACIÓN ESPACIAL
Este trabajo esta diseñado para realizarse en el Laboratorio de
Operaciones Unitarias, adscrito a la Facultad de Ingeniería de la
Universidad Rafael Urdaneta.
1.3.2. DELIMITACIÓN TEMPORAL
La investigación y elaboración de la torre empacada con anillos
raschig, está estimada en un periodo de tiempo 6 meses a partir del mes
octubre de 2006.
1.4. ALCANCE
El diseño y construcción de la torre empacada con anillos raschig
presentada en este trabajo, es para su aplicación práctica en el curso
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7
Laboratorio de Operaciones Unitarias II. Este curso se realiza en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias, adscrito a la Facultad de Ingeniería
de la Universidad Rafael Urdaneta. Todas las actividades, experimentos y
prácticas contempladas en este trabajo, se basan en el contenido
programático de la materia relacionada con las Operaciones Unitarias II.
1.5. JUSTIFICACIÓN
La mayoría de procesos de separación involucran transferencia de
masa de una fase a otra. “El modo más común de transferencia
encontrada en procesos químicos es aquella entre gases y líquidos,
ocurriendo típicamente en absorción de gas, desorción y destilación”
(Sherwood 2003, pg 395). La desorción, por ejemplo, se utiliza en la
remoción de hidrocarburos livianos de fracciones de petróleo crudo, la
absorción se emplea en la remoción de CO2 y H2S del gas natural en
fases liquido-gas y la destilación en la separación de crudo, todas en
fases liquido-gas.
Sherwood plantea que el interés de un ingeniero químico en los
fenómenos de transferencia de masa, “se basa primordialmente en su rol
tradicional como un especialista en el diseño de procesos de separación”
(2003, pg 2). Es por ello que el ingeniero que diseña debe seleccionar el
equipo adecuado de transferencia de masa, calcular el tamaño requerido
del equipo y, de ser necesario, el número de unidades necesarias para
una determinada operación de separación. De igual manera, debe estar
en capacidad de emplear el mismo conocimiento para establecer las
condiciones de operación deseadas en una producción específica con un
equipo existente, o diagnosticar dificultades de operación.
Con base en esto, la construcción de una torre empacada con
anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol
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etílico, agua y aire, se realizara con la intención de demostrar el proceso
como operación unitaria con transferencia de masa, desde el diseño de la
torre hasta la construcción y separación del sistema, en el laboratorio de
operaciones unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta.
El programa de Operaciones Unitarias II de la Facultad de Ciencias
de la Ingeniería de la Universidad Rafael Urdaneta, tiene como objetivo
instruir al alumno para que éste sea “capaz de aplicar los conceptos
complementarios del equilibrio termodinámico vapor-liquido en el diseño
de equipos de transferencia de masa para la separación física de mezclas
binarias y multicomponentes en plantas químicas y petroquímicas”, y
contempla el estudio de operaciones y procesos como evaporación,
equilibrio vapor-liquido, absorción/desorción de gases y destilación (ver
anexo 2).
Desde el punto de vista de la enseñanza y aprendizaje por
investigación, “como un principio didáctico y como estrategia adecuada
para la construcción de conocimientos, concepciones, metodologías y
actitudes” (Salcedo y García, 1995), este proyecto contribuirá a orientar y
enfocar los conocimientos teóricos adquiridos en la cátedra de
Operaciones Unitarias II, aproximándose al modelo de trabajo de un
equipo industrial a nivel de laboratorio, observando la demostración de un
proceso de separación real.
De igual manera uno de los objetivos del Programa de Laboratorio
Operaciones Unitarias I y II, es el de “integrar y complementar los
conceptos presentados en las materias teóricas relacionadas con las
Operaciones Unitarias con las realidades del trabajo experimental,
incluyendo aspectos como: Planificación de experimentos, manejo de
equipos y sistemas, adecuarse a las restricciones impuestas por la
precisión y exactitud de instrumentos y métodos, limitaciones en la
capacidad y escala de los equipos, y la realización de análisis críticos de
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los resultados obtenidos”, tal y como lo establece el Manual de
Laboratorios de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta.
Es por ello, que la construcción de una torre empacada con anillos
raschig para la separación liquido-gas en el laboratorio de Operaciones
Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta, servirá a los estudiantes
para observar los principios de separación de mezclas binarias, y obtener
formación práctica relacionada con la cátedra de operaciones unitarias II,
los principios y leyes aplicables a las operaciones de separación con
Transferencia de Masa. Contribuye, además, a la familiarización del
estudiante con torres empacadas en las que existe contacto entre las
fases líquida-gas, el uso y manejo de este equipo para proyectos
relacionados con operaciones unitarias, en el cual pueda analizar el
comportamiento del sistema, reforzar sus conocimientos teóricos y llevar a
cabo diversos trabajos de investigación referentes a procesos y
Operaciones Unitarias.
La torre empacada a ser construida e instalada en la universidad,
brindaría la oportunidad de obtener un equipo nuevo para el laboratorio de
operaciones unitarias, eficiente y de bajo costo, y representa una
herramienta para el desarrollo y consolidación de la Escuela de Ingeniería
Química de la Universidad Rafael Urdaneta, puesto que abre la
posibilidad de realizar una nueva práctica de laboratorio relacionada con
la teoría impartida en la cátedra de operaciones unitarias II sobre torres
empacadas.
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CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
En este capítulo se expondrán los antecedentes del proyecto, así como
también el conjunto de conceptos y definiciones, presentando un punto de
vista sistemático de los fenómenos especificando relaciones entre variables,
con el objeto de explicar, organizar el conocimiento y orientar la investigación
sobre el tema en estudio.
2.1. ANTECEDENTES
En 2004, Scannella y González, tomaron los principios de
transferencia de masa en torres con reacción química para el Diseño y
Construcción de una Torre Empacada para El Laboratorio de Operaciones
Unitarias de La Universidad Rafael Urdaneta. El sistema de reacción
utilizado fue Hidróxido de Bario en solución y Dióxido de Carbono gaseoso, y
pretendía medir la cantidad de carbonato de bario formado a partir del
contacto en la torre.
En 1985, Rodríguez L.,; realizó el Trabajo Especial de Grado sobre la
Evaluación del Diseño de una Torre Empacada para La Recuperación de
Amoníaco, en la Universidad del Zulia, planteando la evaluación del diseño
de una torre empacada para la recuperación de amoníaco; junto con cada
una de las ecuaciones usadas para su diseño.
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11
Otro antecedente se puede registrar para el caso de Boscán y
Chourio M., en 1996; con el Trabajo Especial de Grado Diseño De Una Torre
De Adsorción-Regeneración Para Un Sistema Con Desecante Sólido. Esta
investigación se llevó a cabo en la Universidad del Zulia. El objetivo fue el
diseño de una torre empacada utilizando un programa computacional, el cual
permitía dimensionar la torre de absorción-regeneración para deshidratar el
Gas Natural, utilizando como materiales adsorbentes desecantes sólidos
comerciales.
También se cita el caso del Diseño De Una Columna Empacada de
Destilación Por Carga Para La Separación De Una Mezcla Binaria Ideal en el
Laboratorio De Operaciones Unitarias de la Universidad Nacional
Experimental Francisco de Miranda, realizado por Jaimes y Ruiz en el año
2002. Este planteó el diseño de una columna empacada para la separación
de una mezcla binaria ideal en el sistema metanol-agua, incluyendo las
ecuaciones necesarias para su diseño.
2.2. BASES TEÓRICAS
2.2.1. DESORCIÓN
La desorción (stripping) es la operación de transferencia de masa en
la cual, uno o más componentes solubles de una mezcla de líquidos se
absorben en un gas bajo las condiciones del proceso. Rudd (1992, pp 151)
afirma que la desorción es la operación inversa a la absorción, un gas volátil
disuelto en el líquido es transferido hacia la fase gaseosa. El componente a
separar se difunde desde el líquido hacia el gas cuando el gas contiene
menos que la concentración de equilibrio del componente líquido. La
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12
diferencia entre la concentración real y la concentración al equilibrio,
proporciona la fuerza impulsora para la desorción. En esta operación
unitaria, “la transferencia de materia se produce a través de una interfase
que puede desplazarse en el espacio y en la que el líquido ligado a ella
permanece prácticamente insensible al comportamiento hidrodinámico de la
fase gas o al de la masa turbulenta del líquido” (Mateos, 1991).
Para explicar el mecanismo de transporte se han propuesto varias
teorías. La de película supone que existen a ambos lados de la interfase en
las películas de fluido que se deslizan en régimen laminar, mientras que en el
resto del fluido la mezcla es completa; la velocidad del fenómeno está
controlada por la difusión molecular a través de las películas. La teoría de la
difusividad turbulenta considera que en la transferencia de materia en
régimen estacionario colaboran simultáneamente la difusividad molecular y la
turbulenta. Higbie propuso la teoría de la penetración, en la que se supone
que la absorción tiene lugar durante una serie de breves contactos entre los
fluidos; antes de alcanzar la homogeneidad de la disolución, el soluto se
difunde una corta distancia en el absorbente. La teoría de la penetración con
renovación superficial de Danckwerts se diferencia de la de Higbie en que la
renovación de la superficie en contacto con la interfase se realiza en régimen
no estacionario, lo que supone la creación continua de nuevas interfases.
La teoría dualista película-penetración de Toor y Marchello considera
que la renovación de la película laminar se realiza a velocidad
suficientemente rápida como para evitar que se establezca un gradiente de
concentración estacionario. Por último, King ha propuesto un modelo de
transporte en régimen no estacionario en el que se aúnan las teorías de Toor
y Marchello y la de difusividad turbulenta.
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Según Perry (1984) “la absorción física depende de las propiedades
de la corriente de gas y del solvente, tales como la densidad y viscosidad, así
como de las características específicas de las corrientes de gas y de líquido
como su difusividad y solubilidad.” Estas características van a depender de la
temperatura a la que esté sometido el sistema. Temperaturas más bajas
generalmente favorecen la absorción de gases por el solvente. La absorción
se mejora también por mayor superficie de contacto, relaciones líquido-gas
más altas y mayores concentraciones en la corriente de gas.
El contacto entre fases para la separación se consigue mediante el
empleo de columnas de pisos perforados o en régimen continuo trabajando
con columnas rellenas con anillos Raschig, sillas de Berl, rejas de madera,
entre otros. El rendimiento en la separación de componentes está regido por
la capacidad disolvente del absorbente; éste, a su vez, se selecciona
considerando las características del absorbato, su coste, facilidad de
recuperación, propiedades físicas, relación absorbente/absorbato y forma de
contacto.
La selección del solvente, o agente absorbedor también es importante
para garantizar la absorción correcta y optima de la corriente de gas. Treybal
(1980) menciona que “el solvente seleccionado para la separación debe
tener una solubilidad alta para el gas, baja presión de vapor y debe ser
relativamente barato).” El solvente más común utilizado en procesos
industriales es el agua, por sus características específicas, así como también
por su costo y disponibilidad.
DERECHOS RESERVADOS
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2.2.2. SISTEMA ALCOHOL ETÍLICO, AGUA Y AIRE El termino “sistema” se refiere al conjunto de sustancias que
interactúan dentro de la torre empacada, las cuales están sometidas a las
condiciones de operación. En el caso de esta investigación, el sistema
seleccionado esta compuesto por alcohol etílico y agua para la fase liquida,
y aire para la fase gaseosa, basándose en su afinidad y solubilidad.
Los desorbedores, al igual que los absorbedores son utilizados
efectivamente en el enriquecimiento de mezclas de gases, y la eficiencia de
esta operación depende de la solubilidad relativa de los gases en el solvente
líquido seleccionado. Según Rudd (1992, pp 132), “la preferencia
usualmente se le da a los líquidos en los cuales el gas es altamente soluble.
Además el solvente debe ser económico, no corrosivo, estable, no viscoso,
no espumeante y no inflamable. Usualmente, se utiliza agua para gases
solubles en agua, aceites para los hidrocarburos y solventes químicos
especiales para gases como CO2, SO2, entre otros. Sin embargo, un
disolvente debe cumplir con ciertas características para ser utilizado en este
tipo de operación:
• La solubilidad del gas en él debe ser elevada para lograr una alta
rapidez de absorción y disminuir la cantidad de solvente requerida; en
general, los solventes de naturaleza química similar a la del soluto que
se quiere absorber proporcionan una buena solubilidad.
• Debe presentar una baja presión de vapor para evitar pérdidas de
disolvente por volatilización.
• No debe corroer el material de construcción de los equipos.
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• Debe ser económico.
• Debe ser poco viscoso para facilitar la absorción y para garantizar
bajas caídas de presión en el sistema.
• No debe ser tóxico, inflamable, ni debe reaccionar con los demás
componentes del sistema.
Morrison define los alcoholes como “el grupo de compuestos químicos
que resultan de la sustitución de uno o varios átomos de hidrógeno (H) por
grupos hidroxilo (-OH) en los hidrocarburos saturados o no saturados.
(Morrison, 1997). De esta manera, desde el punto de vista químico son
sustancias orgánicas alifáticas (de cadena no cíclica), caracterizadas por la
presencia de un grupo funcional hidroxilo (-OH) enlazado directamente a un
carbono terminal (alcohol primario) o intermedio de la cadena (alcohol
secundario).
El compuesto químico etanol, llamado también alcohol de caña o de
grano, o alcohol etílico, se produce en grandes cantidades por fermentación
de azúcares; no es raro encontrarlo en pequeñas cantidades en algunos
frutos. El alcohol etílico o etanol, es un alcohol que se presenta como líquido
incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78 °C. Al mezclarse con
agua en cualquier proporción, da una mezcla azeotrópica con un contenido
de aproximadamente el 96 % de etanol. (Enciclopedia Virtual, 2006). (hacer
referencia a la MSDS del etanol en el anexo 3)
Un azeótropo es una mezcla líquida de dos o más componentes que
poseen un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado
vapor se comporta como un líquido puro, o sea como si fuese un solo
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componente. Un azeótropo, puede hervir a una temperatura superior,
intermedia o inferior a la de los constituyentes de la mezcla, permaneciendo
el líquido con la misma composición inicial, al igual que el vapor, por lo que
no es posible separarlos por destilación simple. La mezcla de etanol y agua
es un ejemplo de esta propiedad, ya que “forma un azeótropo para una
concentración del 95% en peso de alcohol, que hierve a una temperatura de
78,2 ºC.” (Enciclopedia Virtual, 2006)
En la composición azeotrópica las curvas de líquido y vapor son
tangentes entre sí, por lo que la composición del vapor y del líquido en
equilibrio son iguales. Estas mezclas, que a este respecto se comportan
como un líquido puro, son más volátil que cualquiera de los dos
componentes. Para poder separar los componentes de una mezcla binaria es
necesario que la composición del vapor y el líquido en equilibrio sean
diferentes. Según esto, las mezclas azeotrópicas no pueden separarse por
una destilación simple.
En su artículo Una Revolución Energética, el Dr. Robert Zubrin (2006)
presidente de la firma de Ingeniería Pionner Astronautics, escribe que el
Metanol es mas económico que el Etanol, y puede obtenerse de una
variedad más amplia de materiales, incluyendo el carbón y el gas natural.
Sin embargo, “el Etanol es menos toxico químicamente que el Metano,”
(Zubrin, 2006). Es por ello que la selección del etanol para éste sistema es
mas adecuado, ya que estará en contacto con estudiantes poco
experimentados en el manejo de sustancias toxicas. Contando también, que
el alcohol metílico puede llegar a ser letal en las mismas proporciones que el
alcohol etílico.
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2.2.3. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE LA TORRE.
Las alimentaciones del gas y del líquido a través de una torre
empacada, pueden ser a contracorriente, perpendicular (crosscurrent) o en
paralelo (cocurrent). “Los diseños más comúnmente instalados son a
contracorriente, en los cuales la corriente de gas entra por el fondo de la
columna del absorbedor y sale por la tapa. Por el contrario, la corriente del
solvente entra por la tapa y sale por el fondo. Los diseños a contracorriente
proporcionan la eficiencia de remoción teórica más alta, porque el gas con la
concentración de contaminante más baja, hace contacto con el líquido con la
concentración de contaminante más baja. Esto sirve para maximizar la fuerza
impulsora promedio para la absorción a través de la columna.” (Treybal,
2002). Además, usualmente los diseños a contracorriente requieren
relaciones de líquido a gas más bajas que los en paralelo.
Según McInnes (1992), en una torre con flujo perpendicular, el gas
residual fluye horizontalmente a través de la columna mientras que el
solvente fluye hacia abajo verticalmente en la columna. Como regla, los
diseños con flujo perpendicular tienen caídas de presión más bajas y
requieren relaciones líquido-a-gas más bajas que los diseños a
contracorriente y en paralelo. Son aplicables cuando los gases son
demasiado solubles, puesto que ofrecen menos tiempo de contacto para la
absorción.
En las torres en paralelo, ambos, la corriente de gas y el solvente
entran a la columna por la tapa de la torre y salen por el fondo. Los diseños
en paralelo tienen caídas de presión más bajas y no están sujetos a
limitaciones de inundación y son más eficientes para la remoción de rocíos
finos. Los diseños en paralelo son eficientes sólo donde grandes fuerzas
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impulsoras de absorción son disponibles. La eficiencia de remoción está
limitada puesto que el sistema gas-líquido se aproxima al equilibrio en el
fondo de la torre (McInnes, 1990).
La corriente gaseosa en cualquier punto de la torre consta de G moles
totales/tiempo (área transversal de la torre); está formada por un soluto A
que se difunde, de fracción mol y presión parcial p o relación mol Y, y de un
gas no difundente, básicamente insoluble, Gs moles/tiempo (área). La
relación entre ambos es:
Y = y / (1 - y) = p / (pt - p )
Gs = G(1 - y) = G / (1 + Y)
Similarmente, el líquido consta de L moles totales/tiempo (área) que
contienen x fracción mol de un gas soluble o relación mol X, y Ls
moles/tiempo (área) de un disolvente básicamente no volátil.
Como el gas disolvente y el líquido disolvente no cambian en cantidad
cuando circulan a través de la torre, se hace un balance de materia en
función de éstos. En el fondo de la torre un balance de materia es:
Gs(Y1 - Y) = Ls(X1 - X)
Esta es la ecuación de una línea recta (línea de operación) sobre las
coordenadas X, Y, de pendiente Ls/Gs, que pasa a través de (X1 - Y1). Al
sustituir X y Y por X2 y Y2, la línea pasará por el punto definido por estos dos
valores.
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Cuando se diseña una torre de absorción, los parámetros como
cantidad de gas a tratar, sus concentraciones de entrada y salida están
previamente definidas. La cantidad de disolvente influye sobre la pendiente
de la recta de operación, la cual debe pasar a través del punto D y terminar
en la ordenada Y1, los cuales son los extremos del proceso; si se usa tal
cantidad de líquido para obtener la recta de operación DE, el líquido saliente
tendrá la composición X1, si se utiliza más líquido, el líquido saldrá con una
concentración mayor, siendo mayor la resistencia a la transferencia de masa
al estar más cerca la recta de operación de las condiciones de equilibrio.
2.2.4. EQUILIBRIO
Los datos de equilibrio se encuentran normalmente en una de las tres
formas siguientes:
• Datos de solubilidad expresados bien como solubilidad porcentual
en moles o en peso o bien como constantes de la ley de Henry.
• Presiones de vapor de compuestos puros
• Coeficientes de distribución en el equilibrio (valores de K).
Los datos más importantes para resolver cualquier problema de
separación son los de la composición de las fases líquida y vapor del
sistema que están en equilibrio a distintas presiones o temperaturas. Estos
datos se pueden obtener de varias maneras, ya sea como datos tabulados,
diagramas de fases y de equilibrio ó como cálculos teóricos.
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20
Este estudio se limitará a sistemas binarios, es decir que contienen
únicamente dos componentes como lo son el agua y el etanol. Asimismo
para unificar las nomenclaturas de las distintas bibliografías, de aquí en
adelante se denominará como x (siendo x fracción en peso o molar) la
composición de un líquido e y la composición del vapor.
Según Perry, para muchos gases en concentraciones diluidas la
relación de equilibrio puede expresarse por la ley de Henry, que relaciona la
presión parcial de un soluto (A) en fases gas con su concentración en un
disolvente (B), a través de una las ecuaciones siguientes:
PA = HxA ó PA = H’cA
Donde H es el coeficiente de la ley de Henry y H’ es el mismo coeficiente
expresado en kilopascales por cada unidad de concentración en kilomoles
por metro cúbico (Perry pg. 14-7, 2001)
Los datos tabulados de equilibrio líquido – vapor se pueden obtener de
la bibliografía especializada. A continuación se mencionan algunos valores
del sistema etanol-agua a presión normal total, para la cual se puede
apreciar que las concentraciones de etanol tanto en la fase líquida como en
la fase gaseosa se mantienen constantes por encima del punto de ebullición
del aezótropo. La temperatura es la del equilibrio y se expresa en grados
centígrados.
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21
Tabla 1 Concentración de Etanol
SISTEMA Etanol - Agua % DE ETANOL EN EL:
LÍQUIDO VAPOR TEMPERATURA 0,0 0,0 100
1,90 1,90 95,50 7,21 7,21 89,00 9,66 9,66 86,70 12,38 12,38 85,30 16,61 16,61 84,10 23,37 23,37 82,70 26,08 26,08 82,30 32,73 32,73 81,50 39,65 39,65 80,70 50,79 50,79 79,80 51,98 51,98 65,99 57,32 57,32 79,30 67,63 67,63 78,74 74,72 74,72 78,41 89,43 89,43 78,15
Fuente: Romero, 2001
2.2.4.1. Solubilidad
Los valores de solubilidad son esenciales para el diseño, porque
determinan el caudal de líquido necesario para la recuperación, completa y
económicamente optima del soluto.
Según Morrison (1997), la solubilidad de los alcoholes disminuye con
el aumento del número de átomos de carbono, puesto el grupo hidroxilo
constituye una parte cada vez más pequeña de la molécula y el parecido con
el agua disminuye a la par que aumenta la semejanza con el hidrocarburo
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22
respectivo. Los alcoholes de pocos átomos de carbono son solubles en todas
las proporciones. La solubilidad del alcohol reside en el grupo –OH, llamado
grupo hidroxilo, incorporado a la molécula del alcano respectivo. “El grupo
hidroxilo confiere polaridad a la molécula y posibilidad de formar enlaces de
hidrógeno. La parte carbonada es apolar y resulta hidrófoba. Cuanto mayor
es la longitud del alcohol su solubilidad en agua disminuye y aumenta en
disolventes poco polares”. (Morrison, 1997).
Tabla 2
SOLUBILIDAD DE LOS ALCOHOLES
Compuesto IUPAC Común p.f. (ºC)
p.eb. (ºC)
solub. en
agua NaCl
CH3OH Metanol Alcohol metílico -97.8 65.0 Infinita 14g/L CH3CH2OH Etanol Alcohol etílico -114.7 78.5 Infinita 0.6g/L
CH3(CH2)2OH 1-Propanol Alcohol propílico -126.5 97.4 Infinita 0.1g/L
CH3CHOHCH3 2-Propanol Isopropanol -89.5 82.4 Infinita
CH3CHClCH32-Cloro- propano
Cloruro de isopropilo -117.2 35.7 3.1 g/L
CH3CH2CH3 Propano -187.7 -42.1 0.038 g/L CH3(CH2)3OH 1-Butanol Alcohol butílico -89.5 117.3 80 g/L
(CH3)3COH 2-Metil-2- propanol
Alcohol terc-butílico 25.5 82.2 Infinita
CH3(CH2)4OH 1-Pentanol Alcohol pentílico -79 138 22 g/L
(CH3)3CCH2OH 2,2-
Dimetil- 1-propanol
Alcohol neopentílico 53 114 Infinita
Fuente: Morrison, 1997.
2.2.4.2. Difusividad
La difusión es un fenómeno físico de transporte que consiste en la
mezcla espontánea de sustancias; tal mezcla se origina por la existencia de
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23
diferencias de concentración, temperatura y energía mecánica entre las
moléculas que forman el sistema. La transferencia de masa cambia la
composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no implican
necesariamente reacciones químicas y se caracteriza por transferir una
sustancia a través de otra u otras a escala molecular. Cuando se ponen en
contacto dos fases que tienen diferente composición, la sustancia que se
difunde abandona un lugar de una región de alta concentración y pasa a un
lugar de baja concentración.
La velocidad de transferencia de masa depende de una fuerza
impulsora, o sea, de la diferencia de concentración; sobre una resistencia,
que indica la dificultad de las moléculas para transferirse en el medio. Esta
resistencia se expresa como una proporción entre la velocidad de
transferencia y la diferencia de concentraciones, denominado: "Difusividad de
masa". Un valor elevado de este parámetro significa que las moléculas se
difunden fácilmente en el medio.
La difusividad, o coeficiente de difusión es una propiedad del sistema
que depende de la temperatura, presión y de la naturaleza de los
componentes.
2.2.4.2.1. Difusividades en líquidos
La velocidad de difusión molecular en líquidos es mucho menor que
en gases. Las moléculas de un líquido están muy cercanas entre sí en
comparación con las de un gas; la densidad y la resistencia a la difusión de
un líquido son mucho mayores, por tanto, las moléculas de A que se difunde
chocarán con las moléculas de B con más frecuencia y se difundirán con
mayor lentitud que en los gases (Morrison, 1997). Debido a esta proximidad
DERECHOS RESERVADOS
24
de las moléculas las fuerzas de atracción entre ellas tiene un efecto
importante sobre la difusión. En general, el coeficiente de difusión de un gas
es de un orden de magnitud de unas 10 veces mayor que un líquido.
El coeficiente de difusión del sistema aire – etanol y aire-agua a baja
presión y temperatura absoluta 313º K es de 0,145 cm2/seg.
2.2.5. FENOMENOS DE TRANSPORTE
Los fenómenos de transporte son procesos de duración finita e
irreversibles en los que la transferencia de materia, energía calorífica e
impulso mecánico se realizan simultáneamente, ya que son propiedades
ligadas al estado de las moléculas (Enciclopedia GER, 2006). Estas
propiedades pueden ser estudiadas en sistemas formados por sustancias
que se encuentran sistemas homogéneos o en una misma fase, y en los
sistemas heterogéneos, formados por dos o más fases.
Cuantitativamente la marcha de estos procesos está regida por las
dos leyes de Fick. La primera se refiere a la cantidad de propiedad: materia,
calor y energía mecánica, que se difunde a través de una superficie A en el
tiempo dt con cambios de concentración en estado estacionario. La
transferencia de materia viene expresada analíticamente por la ecuación:
dn=-DA dt/dx
en la que: dn, es el número de moles de sustancia transportados; D, es el
coeficiente de proporcionalidad denominado coeficiente de difusión o
difusividad; dt/dx, es el gradiente estacionario de concentración de sustancia,
DERECHOS RESERVADOS
25
y el signo menos indica que el desplazamiento de las moléculas se realiza
desde las zonas de mayor a las de menor concentración. Paralelamente, el
transporte de calor viene regido por la ley de Fourier o de conductividad
térmica expresada por la ecuación:
dq=-kA dt/dx
en la que: dq, es la cantidad de calor trasferida; k, es el coeficiente de
proporcionalidad que se llama conductividad térmica y dt/dx, es el gradiente
estacionario de temperatura. En cuanto a la ecuación de transporte de
impulso mecánico viene dado por:
dF=-gA—dv/dx
en la que: dF, es la cantidad de movimiento trasferida; g es el coeficiente de
proporcionalidad que recibe el nombre de viscosidad cinemática y dv/dx es el
gradiente estacionario de velocidad.
La segunda ley de Fick permite conocer el perfil de concentraciones
de propiedad (c, T, v) a lo largo de la dirección en que se realiza el transporte
en función de la distancia al foco que introduce la perturbación x, y del
tiempo que dura el proceso, t.
Estas expresiones representan la transferencia de propiedad en
régimen no estacionario; su integración es difícil pero, normalmente, se
encuentra resuelta de forma gráfica o mediante una serie analítica para
ciertas condiciones con límites específicos.
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26
El transporte de propiedades en sistemas constituidos por dos o más
fases, se verifica por migración de algunas de las moléculas de los
componentes de cada fase a las otras a través de interfases. El fenómeno
progresa hasta que se alcanza el equilibrio termodinámico que se consigue
cuando se igualan los potenciales químicos de cada componente en las
fases, se homogeneizan las temperaturas y se igualan las presiones.
2.2.6. OPERACIONES UNITARIAS
Las operaciones unitarias se definen como todas y cada una de las
acciones necesarias de transporte, adecuación y/o transformación de las
materias implicadas en un proceso químico (Treybal, 1980). Estas
operaciones unitarias tienen como objetivo el modificar las condiciones de
una determinada cantidad de materia en forma más útil a los fines que se
establezcan. Según McCabe (1992), este cambio puede realizarse de tres
formas:
- Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla, reacción
química).
- Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento,
vaporización, aumento de presión).
- Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo
su velocidad o su dirección).
De acuerdo con McCabe, estos tres cambios mencionados
anteriormente son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede
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27
experimentar (McCbe, 2002). Se puede decir, que un cuerpo está
absolutamente definido cuando están especificados la cantidad de materia y
composición, la energía total (interna, eléctrica, magnética, potencial,
cinética) y los componentes de velocidad que actúan.
Este hecho experimental tiene su expresión matemática en tres leyes
de conservación:
- ley de conservación de la materia.
- ley de conservación de la energía.
- ley de conservación de la cantidad de movimiento.
Las operaciones unitarias se clasifican de acuerdo con la propiedad
(materia, energía, cantidad de movimiento) que se transfiera en la operación
y que sea la más relevante en la misma. Las operaciones unitarias se
pueden clasificar como físicas o con reacción química.
2.2.7. T ORRE EMPACADA
Las torres empacadas utilizadas para el contacto continuo líquido-gas
tanto para el flujo en contracorriente como en corriente paralela, son
columnas verticales, las cuales se han llenado con empaque o con
dispositivos diversos de superficie grande (Treybal, 1980). Una torre
empacada debe propiciar el arreglo ideal para que la superficie de contacto
de los empaques y el tiempo de contacto de las dos fases dentro de la torre,
permitan optimizar la separación de los componentes del sistema. La
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28
entrada de la fase líquida es por la parte superior de la torre, y se distribuye
sobre el relleno mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja
uniformemente la superficie del relleno. El gas, por su parte, entra por la
parte inferior y asciende a través de los espacios libres del relleno en
contracorriente con el flujo de líquido.
Una torre o columna empacada consta principalmente de una carcaza
o envoltura de la columna, eliminadores de neblina o arrastre, un distribuidor
de líquido, el material de empaque y el soporte del empaque.
Figura 1 Corte esquemático de una torre empacada.
Fuente: Perry, 2001
DERECHOS RESERVADOS
29
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.
Para absorción que incluye gases ácidos, una capa interior de ladrillo
resistente al ácido proporciona resistencia adicional a las sustancias
químicas y a la temperatura (Charles, 1988).
A altas velocidades del gas, el gas que sale por la tapa de la columna
puede acarrear pequeñas gotas de líquido como rocío. Para prevenir esto,
puede 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 gotitas de
líquido, las cuales coalescen y caen de nuevo en la columna.
Un distribuidor de líquido está diseñado para mojar el lecho de
empaque uniformemente e iniciar un contacto uniforme entre el líquido y el
vapor. 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 (Harrison, pp 121-128). Las torres
grandes frecuentemente tienen un redistribuidor de líquido para recolectar el
líquido de la pared de la columna y dirigirlo hacia el centro de la columna
para redistribuirlo y mejorar el contacto en la sección más baja del empaque
(Treybal, 1980). Generalmente se requieren redistribuidores de líquido por
cada 8 a 20 pies de profundidad de empaque al azar.
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30
El diámetro de una torre de absorción de relleno depende las
cantidades de gas y líquido tratados, de sus propiedades y de la relación
entre ambas corrientes. La altura de la torre, y por tanto el volumen total de
empaque, depende de las variaciones de concentración, las cuales se
desean conseguir, y la velocidad de transferencia de materia por unidad de
volumen de empaque. Para calcular la altura de la torre se toman en cuenta
los balances de materia, balances de entalpía y en la estimación de la fuerza
impulsora y los coeficientes de transferencia de materia. (Treybal, 2002).
2.2.7.1. Empaque El empaque es el corazón del desempeño de este tipo de torres. Su
selección apropiada está vinculada al entendimiento de las características
operacionales del empaque y el efecto de los puntos de diferencias físicas
relevantes entre los diversos tipos de empaques.
Según Treybal (2002), el empaque de la torre debe ofrecer las
siguientes características:
1. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el
gas. La superficie del empaque por unidad de volumen de lecho
empacado ap debe ser grande, pero no en el sentido microscópico.
Los pedazos de coque, por ejemplo, tienen una superficie grande
debido a su estructura porosa, pero la mayor parte de la superficie
estará cubierta por la película de líquido escurriendo. De todas
maneras, la superficie específica del empaque es casi siempre más
grande comparada con la superficie interfacial líquido-gas.
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31
2. Poseer las características deseables del flujo de fluidos. Esto
generalmente viene dado por el volumen fraccionario vacío, o fracción
de espacio vacío, la cual en el lecho empacado debe ser grande. El
empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a
través de pequeñas secciones transversales de la torre, sin
inundación; además debe ser muy baja la caída de presión del gas.
Debe ser principalmente, el resultado de la fricción pelicular.
3. Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos procesados.
4. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la
instalación.
5. Tener bajo precio.
Los empaques utilizados generalmente en torres son hechos de
materiales resistentes a la corrosión, tales como plástico, cerámica, vidrio,
entre otros; y preferiblemente de bajo costo. Los empaques pueden ser
aleatorios o regulares.
2.2.7.1.1. Empaques aleatorios Los empaques al azar son aquellos que no tienen un ordenamiento
dentro de la torre. Al momento de la construcción de la misma, los
empaques se arrojan y se dejan caer en forma aleatoria en su interior. De los
tipos más comunes se encuentran los anillos Raschig, los cuales son
cilindros huecos. Estos pueden fabricarse de porcelana industrial; lo que
resulta útil para poner en contacto la mayoría de los líquidos con excepción
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32
de los álcalis y el ácido fluorhídrico; los fabricados con carbón, son útiles en
casi todos los servicios, excepto en atmósferas altamente oxidantes; también
se fabrican de metales o plásticos. Los plásticos deben escogerse con
especial cuidado, por su tendencia a deteriorarse rápidamente y con
temperaturas ligeramente elevadas, con ciertos solventes orgánicos y con
gases en cuya composición se encuentra el oxígeno (Treybal, 214.)
Los empaques de delgadas hojas de metal y de plástico, ofrecen la
ventaja de ser ligeros; al fijar los límites de carga, las partículas del
empacado se colocan en la columna totalmente al azar.
Los anillos Lessing y otros tipos con particiones internas, se utilizan con
menos frecuencia. Los empaques con forma de silla de montar, los tipo Berl
e Intalox se fabrican de porcelanas químicas o plásticos. Los anillos Pall,
también conocidos como Flexirings, anillos de cascada y, como variación los
Hy-Pak, se pueden obtener de metal y de plásticos. Los empaques tipo Teller
o Tellerettes y algunas de sus modificaciones, se pueden encontrar en forma
de serpentines circulares y en plásticos. Generalmente, los tamaños más
pequeños de empaques al azar ofrecen superficies específicas mayores (y
mayores caídas de presión), pero los tamaños mayores cuestan menos por
unidad de volumen.
Durante la instalación, los empaques se vierten en la torre de forma
aleatoria, con el fin de prevenir la ruptura de empaques de cerámica o
carbón; la torre puede llenarse inicialmente con agua para reducir la
velocidad de caída.
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Figura 2 Empaques aleatorios
a) Anillo Raschig
b) Anillos de Lessing
c) Anillo con partición interna
d) Silla de montar Berl
e) Silla de montar Intalox
f) Teller ó Tellerettes
g) Anillos Pall
Fuente: Treybal 2002
2.2.7.1.2. Empaques regulares
Hay una gran cantidad de estos empaques. Los platos de
contracorriente, son una forma de empaque regular, al igual como ciertos
DERECHOS RESERVADOS
34
arreglos de otros empaques. Los empaques regulares ofrecen las ventajas
de una menor caída de presión para el gas y un flujo mayor, generalmente a
expensas de una instalación más costosa, la cual no es necesaria para los
empaques aleatorios.
Los anillos apilados Raschig son económicos sólo en tamaños muy
grandes. Hay varias modificaciones de los empaques metálicos expandidos.
Las rejillas o “vallas” de madera se utilizan con frecuencia cuando se
requieren volúmenes de vacíos grandes, como en los gases cuando llevan
consigo el alquitrán de los hornos de coque, o los líquidos conteniendo
partículas sólidas en suspensión. La malla de lana de alambre tejida o de
otro tipo, enrollada en un cilindro como si fuese tela (NeoKloss), u otros
arreglos de gasa metálica (Koch-Sulzer, Hyperfill y Goodloe) proporcionan
una superficie interfasial grande de líquido y gas en contacto y una caída de
presión muy pequeña; son especialmente útiles en la destilación al vacío.
Los mezcladores estáticos se diseñaron originalmente como
mezcladores en línea, para mezclar dos fluidos mediante flujo cruzado. Hay
varios diseños, 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 los cuales fluyen en corriente paralela en corrientes
izquierdas y derechas; cada corriente se rompe en otras más pequeñas. Se
ha demostrado la utilidad de estos dispositivos para el contacto entre gas-
líquido a contracorriente, poseen buenas características de transferencia de
masa a caídas bajas de presión del gas.
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Figura 3 Empaques regulares.
a) Anillo Raschig hacinados
b) Anillos de espiral doble
c) Neokloss (malla entretejida de alambre)
d) Vallas
Fuente: Treybal 2002
2.2.8. Glosario de términos
• Absorbente: Aquel compuesto el cual produce la absorción. Elemento el
cual realiza la función de absorber.
• Absorción: Penetración, más o menos uniforme de las moléculas de una
sustancia, a través de las moléculas de otra.
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• Bomba: Máquina o equipo utilizado para elevar agua u otros líquidos o
para poner en movimiento diversos fluidos. Suele estar compuesta por un
cilindro, dentro del cual corre un émbolo, y tubos con válvulas.
• Caudal: Unidad de medición utilizada para medir cuanto flujo esta
pasando por un determinado lugar en un espacio de tiempo determinado.
Las unidades utilizadas para medir el caudal en el sistema internacional
(SI) son metros cúbicos por segundos (m3/s).
• Contracorriente: Puesta en contacto de dos corrientes las cuales tienen
direcciones opuestas.
• Desorción: Fenómeno inverso a la absorción.
• Empaque: Sección de un equipo en la cual se produce el intercambio de
materia. Su función es aumentar el área de transferencia entre los fluidos
involucrados en el proceso.
• Equilibrio: (Del latín aequilibrium.) Un sistema se considera en equilibrio
cuando sus propiedades intensivas permanecen constantes con el
tiempo, bajo las condiciones en las cuales existe el sistema.
• Fluido: Sustancia la cual se deforma continuamente en presencia de un
esfuerzo de corte.
• Flujo: Movimiento de las sustancias fluidas.
• Gas: Cualquier fluido sin forma ni volumen estables, cuyas moléculas
tienden a separarse, ocupando todo el espacio disponible. Es uno de los
tres estados en los cuales se presenta la materia.
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• Líquido: Estado de la materia en el cual son equilibradas las fuerzas de
atracción y las de repulsión moleculares, por lo cual carece de forma
propia y adopta la del recipiente en el cual está contenido.
• Peso Molecular: Suma de los pesos atómicos de los átomos
componentes de una molécula más compleja.
• Presión: Fuerza la cual actúa normalmente por unidad de superficie. La
unidad usualmente empleada para medir la presión es la atmósfera
(atm.). Ésta equivale a 760 mm de Hg o a 101.325 kPa.
• Proceso: Conjunto de recursos y actividades relacionadas entre si las
cuales transforman elementos de entrada en elementos de salida.
• Sistema: Conjunto de cosas o elementos ordenados y relacionadas entre
sí y los cuales concurren a un mismo fin o constituyen en cierto modo una
unidad.
• Temperatura: Estado de los cuerpos percibido por el sentido del tacto,
gracias al cual observamos que están más o menos calientes o fríos. En
realidad no existe un concepto dado de la temperatura, sólo existe una
desigualdad de calor hasta igualar la temperatura.
DERECHOS RESERVADOS
Mapa de Variables OBEJTIVO GENERAL: Construcción de una torre empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un sistema de
alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta OBJETIVOS ESPECÍFICOS VARIABLE DEFINICIÓN DE LA
VARIABLE TECNICAS DE RECOLLECIÓN
DE DATOS
INDICADORES FASES
Establecer la configuración del diseño de
la torre empacada con anillos raschig para
la separación líquido-gas de un sistema
de alcohol etílico, agua y aire, en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias de
la Universidad Rafael Urdaneta
La configuración del diseño.
Es aquella que especifica cuales son las características más relevantes para el diseño de la torre.
Revisión Documental Observación directa.
Área disponible en el laboratorio. Dimensionamiento de la torre. Nomenclatura a utilizar. Area de contacto de la torre. Elección del material de relleno
FASE I
FASE II
Construir la torre empacada con anillos
raschig para la separación líquido-gas de
un sistema de alcohol etílico, agua y aire,
en el Laboratorio de Operaciones
Unitarias de la Universidad Rafael
Urdaneta.
La construcción de la torre
Es la parte fundamental del proyecto, la cual consiste en obtener de manera tangible (física) la torre.
Revisión documental Observación directa
Instalación de los equipos. Llenado de la torre con el numero de anillos raschig establecidos. Diagrama de flujo de proceso.
FASE III
FASE IV
Comprobar el funcionamiento de la torre
empacada con anillos raschig para la
separación líquido-gas de un sistema de
alcohol etílico, agua y aire, en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias de
la Universidad Rafael Urdaneta
El funcionamiento de la torre.
Es verificar que el diseño y construcción de la torre, basado en los cálculos realizados, funciona de acuerdo a lo previsto en la teoría.
Revisión documental Observación directa
Curva de calibración Eficiencia de la torre Porcentaje de recuperación de etanol de salida de la torre Rango de operación de la torre.
FASE V
FASE VI
Diseñar una práctica experimental para la
separación líquido-gas de un sistema de
alcohol etílico, agua y aire, en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias de
la Universidad Rafael Urdaneta
Diseño de la practica experimental
Como valor agregado, el uso de la torre será destinado para aplicaciones académicas como parte de la cátedra de Laboratorio de Operaciones Unitarias II, con el fin de reforzar la teoría impartida sobre operaciones unitarias II.
Revisión documental
Fundamentación teórica Esquema de la práctica. Descripción del procedimiento.
FASE V II
DERECHOS RESERVADOS
CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO
En este capítulo se explica de forma simple y clara, cuáles serán los
métodos y procedimientos de investigación que servirán para llevar a
cabo el objetivo especificado. Se estructurará de la siguiente manera:
Tipo de investigación, diseño de la investigación, unidad de análisis,
técnicas para la recolección de información y fases de la metodología.
3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN
Hurtado (2000, pg 77), en su libro El Proyecto de la Investigación,
la define como aquella que “tiene como objetivo la descripción precisa del objeto de estudio. Este tipo de investigación se asocia con el diagnóstico.”
Esta investigación se caracteriza por ser descriptiva ya que
permitirá indagar, registrar y definir los parámetros que regirán el diseño y
construcción de la torre empacada para la separación liquido-gas de un
sistema de alcohol etílico, agua y aire para el laboratorio de operaciones
unitarias II de la Universidad Rafael Urdaneta.
En este caso se trabajarán con varios elementos que nos
permitirán detallar los elementos que configurarán el diseño y posterior
construcción de este sistema con una interrelación entre los mismos,
DERECHOS RESERVADOS
40
necesarios para cumplir con los fundamentos teóricos para su adecuado
funcionamiento.
3.2. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
Según Hurtado (pag 103) “El diseño de la investigación hace
explícitos los aspectos operativos de la misma. Se refiere a dónde y
cuando se recopila la información, así como a la amplitud de la
información recopilada.” Es el plan o estrategia que se desarrolla para
obtener la información que se requiere en la investigación.
Respecto a esto, el diseño es de tipo transeccional descriptiva, ya
que tiene como objetivo indagar la incidencia y los valores en que se
manifiestan una o más variables. (Sampieri, pg 273. 2003). El diseño de la
investigación del presente trabajo especial de grado consiste en medir o
ubicar el grupo de fenómenos en una variable y proporcionar su
descripción, en este caso los rangos de operación de la torre empacada
para la separación liquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y
aire.
3.3. UNIDAD DE ANÁLISIS
La unidad de análisis del presente estudio contempló las
instalaciones de la Universidad Rafael Urdaneta, específicamente la
escuela de Ingeniería química.
La construcción de esta torre será realizada en el área de
laboratorios de la cátedra de operaciones unitarias adscrita a la Escuela
de Ingeniería Química de la Universidad Rafael Urdaneta.
DERECHOS RESERVADOS
41
3.4. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
Son los recursos utilizados para facilitar la recolección y el análisis
de los hechos observados, es decir, los procedimientos y los métodos
mediante los cuales se van a estudiar los datos obtenidos por medio de
experimentos, análisis de documentos, encuestas, entre otros.
Las técnicas y herramientas de recolección de datos a emplear se
listan a continuación, los cuales son: la observación y los procedimientos
experimentales.
3.4.1. La Observación
La observación, es un registro sistemático del comportamiento
manifestado por un fenómeno determinado (Balestrini, Pág. 206). La
observación a realizar es directa y participativa: Los fenómenos son
documentados sin intervenir y luego se manipulan por medio de
determinadas técnicas experimentales.
Estas se llevaron a cabo a través de los ensayos con el fin de obtener
los valores requeridos para el análisis de los resultados de los experimentos.
Los parámetros de medición fueron los siguientes:
• Concentración de C2H5OH y agua del líquido de entrada.
• Índice de refracción de las concentraciones patrón.
• Presión de descarga del compresor.
• Índice de refracción del líquido de salida.
DERECHOS RESERVADOS
42
• Concentración final de C2H5OH en el líquido de salida.
Estas mediciones se realizaron a fin de obtener los datos para la
evaluación y comprobación de la operación de la torre. Los valores de los
parámetros se asentaron en tablas y graficaron para su posterior análisis,
el cual constituye uno de los pasos más importantes dentro del proceso
de investigación.
Los datos recolectados serán evaluados utilizando para ello
gráficos de línea apilada con marcadores en cada valor de datos
ilustrativos.
3.4.2. Revisión Documental.
Se realizó revisión bibliográfica de fuentes primarias y
secundarias, así como también revisión de sitios de Internet. La
documentación primaria es aquella que “contiene información no
abreviada y en su forma original. Son todos los conocimientos científicos
o hechos e ideas estudiados bajo nuevos aspectos” (Bavaresco, pg 41,
1997), y conformó la revisión de enciclopedias, diccionarios, manuales,
monografías científicas y libros de texto referentes al tema en estudio.
Las fuentes de información secundaria o indirecta, “contienen
información abreviada. Sólo sirven como simple ayuda al investigador,
preferentemente para suministrar información sobre conocimientos
primarios”. (Bavaresco, pg 41. 1997). Contempló la lectura de periódicos,
boletines, artículos, revistas y fichas.
También llamadas fuentes de información terciaria incluyeron los
motores de búsqueda, paginas Web y cuartos virtuales de Internet
DERECHOS RESERVADOS
43
actualizadas, que hicieron referencia o que incluyeron información
relevante al tema de estudio.
3.5. FASES DE LA INVESTIGACIÓN
Tabla 3 FASES DEL OBJETIVO 1
OBJETIVO 1
Establecer la configuración del diseño de la torre empacada con anillos raschig
para la separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta.
FASE I METODOLOGÍA
Definir las bases y criterios de diseño.
• Revisar de bibliografía relacionada
con la construcción de torres
empacadas.
• Determinar del área disponible en
el laboratorio para realizar el diseño
de la torre.
FASE II METODOLOGÍA
Elaborar el diseño del sistema de la
torre
• Elaboración del diagrama de flujo
del proceso y diagrama de tuberías.
• Elaboración de la hoja de datos de
los equipos y sus características.
• Establecer las relaciones de
equilibrio y solubilidad.
• Determinación de las
características de los anillos
raschig. Fuente: Elaboración propia
DERECHOS RESERVADOS
44
Tabla 4 FASES DEL OBJETIVO 2
OBJETIVO 2 Construir la torre empacada con anillos raschig para la separación líquido-gas de un
sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la
Universidad Rafael Urdaneta.
FASE I METODOLOGÍA
Confeccionar el cuerpo de la torre
• Determinar el material a utilizar
para el cuerpo de la torre.
• Ensamblar la torre
• Elaborar los anillos raschig.
FASE II METODOLOGÍA
Conectar los equipos y tuberías.
• Revisión del diagrama de flujo.
• Revisión del diagrama de tuberías.
• Tomar mediciones de longitud y
diámetro para las conexiones de
tuberías y mangueras.
Fuente: Elaboración propia
Tabla 5 FASES DEL OBJETIVO 3
OBJETIVO 3 Comprobar el funcionamiento de la torre empacada con anillos raschig para la
separación líquido-gas de un sistema de alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de
Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Urdaneta.
FASE I METODOLOGIA
Construir la curva de calibración
• Revisión documental.
• Preparación de las
concentraciones patron.
FASE II METODOLOGÍA
Realizar los ensayos de separación
• Pruebas de contacto con
concentración inicial a diferentes
presiones de salida de aire.
• Calcular la concentración final de
C2H5OH mediante los índices de
refracción.
Fuente: Elaboración propia
DERECHOS RESERVADOS
45
Tabla 6 FASES OBJETIVO 4
OBJETIVO 4 Diseñar una práctica experimental para la separación líquido-gas de un sistema de
alcohol etílico, agua y aire, en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad
Rafael Urdaneta
FASE I METODOLOGIA
Desarrollo de la práctica.
• Revisión documental.
• Esquematización de la práctica.
• Descripción del proceso.
Fuente: Elaboración propia
DERECHOS RESERVADOS
CAPÍTULO IV ANALISIS DE RESULTADOS
4.1. ÁREA DISPONIBLE
El área disponible en el laboratorio de operaciones unitarias de la
universidad para la ubicación de la torre es de aproximadamente 1.5m x
1.5m y altura máxima de 2.70m, quedando situada en la parte lateral
derecha del laboratorio.
4.2. DIMENSIONAMIENTO DE LA TORRE
La altura de la torre es 2.15m sin montar y la elevación de la base
de apoyo de la torre es de 50cm, de esta manera la altura instalada de la
torre es de 2.65m, dejando el espacio necesario para los gases de salida.
El diámetro de la columna es de 3 ½” y fue construida en material PYREX
con presión de diseño de 690 Kpag y temperatura de diseño de 500 ºC.
(ver anexo 4).
La torre esta compuesta por la columna central, un tope superior
con salida para el aire y una entrada de la alimentación del líquido; un
tope inferior con salida para el líquido y una entrada de la alimentación de
aire, unidas entre sí en las bridas de vidrio soldadas en las terminaciones
de cada pieza de la torre. Las dimensiones de cada sección se muestran
a continuación:
DERECHOS RESERVADOS
47
Tabla 7
MEDIDA DE LAS SECCIONES DE LA TORRE
Sección Diámetro (cm) Longitud (cm) Área (cm2) Volumen (cm3)
Tope 8.89 (3 ½”) 60 5709.89 3724.29
Central 8.89 (3 ½) 60 5709.89 3724.29
Fondo 8.89 (3 ½) 80 5709.89 4965.73
Fuente: Elaboración propia, 2007
Figura 4
DIMENSIONES DE LA TORRE.
Fuente: Elaboración propia, 2007.
El tanque primario se utilizó para la carga de la alimentación a la
torre de la solución inicial. La capacidad de almacenamiento efectivo del
tanque es de aproximadamente 70lts (70.1667Lts) de tal forma que se
pueda mantener circulando líquido suficiente durante el desarrollo del
DERECHOS RESERVADOS
48
experimento. El diámetro del container es de 19cm y la altura total de
70cm. El mismo quedó instalado en la parte superior de la base de tal
manera que la salida de descarga del tanque esté ubicada por encima de
la succión de la bomba. El volumen de trabajo es el volumen efectivo, ya
que la “bota” del tanque se considera como un error constante en las
mediciones.
En la siguiente tabla, se presentan las medidas del tanque primario.
Tabla 8
MEDIDAS DEL TANQUE PRIMARIO
Sección Altura (cm) Diámetro (cm) Área (cm2) Volumen (cm3)
Tope (St) 4.3 38 2780.156 4874.22
Efectivo (Se) 61.9 38 9652.98 70166.12
Fondo (Sb) 3.8 38 2720.49 4307.45
Total 70 - 15153.62 79347.79
Fuente: Elaboración propia, 2007
La calibración del tanque para el nivel de vidrio (LG), se calculó
tomando en cuenta la capacidad de almacenamiento de la sección
efectiva (Se). De esta manera se pudo observar la cantidad de solución
presente en el tanque a razón de 1.13Lts por cada centímetro de altura.
Sin embargo, tomando en cuenta la apreciación inicial de 70 litros en la
sección efectiva, la cubicación del tanque se estimó en 1 lt/cm.
La hoja de especificaciones del tanque se puede observar en el
anexo 5. A continuación se muestra el dimensionamiento del tanque
primario:
DERECHOS RESERVADOS
49
Figura 5
DIMENSIONES DEL TANQUE PRIMARIO
Fuente: Elaboración propia, 2007
El tanque secundario se diseñó para la recolección del líquido de
salida de la torre y tiene una capacidad máxima de 35 lts. Este tanque
esta ubicado en la parte inferior de la base de la torre de manera tal que
el fluido de salida pueda ser almacenado por gravedad. Las
especificaciones del tanque se encuentran en el anexo 6.
Tabla 9
MEDIDAS DEL TANQUE SECUNDARIO Longitud (cm) Altura (cm) Ancho (cm) Área (cm2) Volumen (cm3)
55 15 35 795 34.650 Fuente: Elaboración propia, 2007
Figura
DIMENSIONES DEL TANQUE SECUNDARIO
Fuente: Elaboración propia, 2007
35 cm
53 cm
15 cm
DERECHOS RESERVADOS
50
Uno de los aspectos claves en el diseño, es el material de relleno,
en este caso los anillos raschig, ya que proporcionan el contacto eficaz
entre las fases sin producir excesiva perdida carga.
La sección central de la torre, fue llenada con 435 anillos raschig
elaborados en pvc. Los datos de los anillos raschig se presentan a
continuación:
Tabla 11
DATOS DE LOS ANILLOS RASCHIG Diámetro
(plg) Altura (cm)
Área interior (cm2)
Área circular(cm2)
Factor de corrección Cantidad
½ 2 2.65 2.13 0.17 435
Fuente: Elaboración propia, 2007
Estos parámetros son de vital importancia para el calculo de área
total de transferencia de la torre, calculada en 19718.0 −cm
4.3. NOMENCLATURA
Para los estudios posteriores en la torre, se decidió unificar en la
siguiente tabla, la nomenclatura de las variables utilizadas en el proyecto:
Tabla 10
NOMENCLATURA
VARIABLE NOMENCLATRURA UNIDADES
Alimentación de liquido L Kg/s
Alimentación de aire G Kg/s
Velocidad molar de liquido alimentado L’ Kmol/seg
DERECHOS RESERVADOS
51
Velocidad molar de gas alimentado G’ Kmol/seg
Concentración inicial de C2H5OH (v/v) CO m3/m3
Concentración final de C2H5OH (v/v) CF m3/m3
Caudal de aire de entrada QA L/min
Presión P Pascal
Temperatura T ºC
Tiempo t min
Longitud L m
Volumen V m3
Diámetro d cm
Área de transferencia At cm-1
Índice de refracción η d20º adimensional
Eficiencia η adimensional
Longitud L M
Masa M Kg
Fuente: Elaboración propia, 2007
4.4. INSTALACIÓN
En el interior de la torre, se instalaron en la parte superior, un
distribuidor y un redistribuidor de líquido, con la finalidad de rociar el
líquido uniformemente a través de los anillos, evitando problemas de
canalización y evitando que el líquido emigrase hacia las paredes de la
columna. De la misma manera se agregó un distribuidor de aire en el
fondo de la columna para permitir una mejor distribución del aire de
entrada (ver anexo 7).
Se colocó un soporte de empaque en la parte inferior de la torre
para evitar que los anillos raschig pasen a la salida del líquido o entren en
contacto con el distribuidor de aire (ver anexo 8)
La torre se instaló sobre una plataforma de hierro de 1m2,
suspendida sobre un cono recubierto con goma espuma para evitar el
DERECHOS RESERVADOS
52
roce del vidrio con el material. Para sostenerla en forma vertical, se
levantó una tubería desde la base de la plataforma de 1.5m de altura, con
separación de 5cm de la torre y se unieron con una abrazadera de pvc.
La tubería a su vez, funcionó para mantener erguida la manguera de
alimentación de líquido a la columna.
El tanque primario, se instaló sobre la plataforma a fin de mantener
la salida del tanque por encima de la succión de la bomba. El tanque
secundario, se colocó por debajo de la salida de la torre, suspendido
sobre una base de hierro conectada a la parte inferior de la plataforma.
De igual manera, la salida del tanque secundario esta por encima de la
succión de la bomba. Las características de la bomba se encuentran los
anexos 9 y 10.
La conexión de las tuberías se hizo con tuberías de ½” y se
distribuyo de tal manera que pudiera realizar tres actividades con la
misma bomba: la alimentación a la torre, recuperación de la salida de
líquido desde el tanque secundario hacia el tanque primario y el vacío o
limpieza de ambos tanques sin contaminar la torre. El diagrama de
tuberías se encuentra en el anexo 11.
Para regular el paso de líquido se dispuso de válvulas de bola y
mariposa a la entrada de la bomba y en la descarga de la bomba según
la red de distribución. Los caudales de aire y líquido alimentado a la torre
se regularon con rotámetros colocados a la salida del compresor y en la
descarga de líquido hacia la torre.
La red de conexiones se elaboró con tuberías de ½” y se pintó de
acuerdo a la normativa de colocares para tuberías con carga de etanol.
Las siguientes partes se mencionan a continuación.
DERECHOS RESERVADOS
53
Tabla 12
TUBERIAS Y ACCESORIOS Descripción Cantidad
Tubería galvanizada ½” 4m
Codo galvanizado 90º 5
Codo galvanizado 45º 1
Unión Universal ½” 2
válvula de bola 6
válvula de mariposa 1
Abrazaderas ½ 4
Manguera de silicona 1” 1.5m
Manguera de silicona ½” 1m
Fuente: Elaboración propia, 2007
Una vista isométrica de los equipos y tanques instalados, se puede
ver en el anexo 12. Los equipos que conforman el sistema conectado a la
torre empacada, se presentan continuación:
Tabla 13 LISTA DE EQUIPOS
EQUIPO NOMBRE FUNCIÓN
Bomba Bomba centrifuga Succión y descarga de líquido
Compresor Compresor de aire Descarga de aire
Fuente: Elaboración propia, 2007
4.5. COMPROBACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LA TORRE
Para comprobar el funcionamiento de la torre y determinar el rango
optimo de operación, se determinó primeramente la velocidad de entrada
DERECHOS RESERVADOS
54
de líquido para prevenir la inundación en la torre. La velocidad de
alimentación de líquido a la torre, se escogió lo suficientemente
distanciada de la velocidad de inundación para garantizar una operación
segura. La velocidad de inundación quedó fijada en 6lts/min.
La presión máxima permitida para la entrada de aire fue de 2
kg/cm2 a fin de evitar que la manguera de alimentación se reviente o
afecte el distribuidor de aire en la columna. Tomando en cuenta este
factor se fijo el caudal constante de aire a la entrada de la torre.
Las concentraciones se prepararon en el tanque primario, iniciando
con 10% etanol – 90% agua, con un volumen total de 20 litros. Se
procedió de la misma manera para cada cambio de concentración. Cada
muestra se corrió por la torre para su posterior análisis en el
refractómetro.
Se construyó una curva de calibración en un Refractómetro, con
diferentes concentraciones iniciales de alcohol etílico-agua. Estas
soluciones, se prepararon en balones aforados de 250mL, midiendo en
proporciones peso/peso etanol-agua y se obtuvieron los índices de
refracción para cada punto. En la siguiente tabla se encuentran los datos
obtenidos:
Tabla 14 ÍNDICE DE REFRACCIÓN
Co
% C2H5OH % H2O ηd20º
10 90 1,3375 20 80 1,3430 30 70 1,3485 40 60 1,3535 50 50 1,3580 60 40 1,3612 70 30 1,3630 80 20 1,3640 90 10 1,3648
100 0 1,3648 Fuente: Elaboración propia, 2007
DERECHOS RESERVADOS
55
Estos datos corresponden a las concentraciones patrón que se
utilizaran para conocer las concentraciones a la salida de la torre.
Grafico 1
CURVA DE CALIBRACIÓN
1,3100
1,3200
1,3300
1,3400
1,3500
1,3600
1,3700
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Concentración C2H5OH
Índi
ce d
e re
fracc
ión
Fuente: Elaboración propia, 2007.
Se trata de una curva de referencia construida con cantidades
conocidas de etanol en agua en diferentes concentraciones, la cual se
utilizó para determinar la cantidad de esta sustancia presente en la salida
de la columna. La curva refleja el porcentaje de etanol en el agua
midiendo el ángulo de refracción de una luz intensa que atraviesa la
muestra sobre una superficie limpia en un refractómetro. .
Los ensayos de separación tardaron en recorrer la torre y llegar al
tanque secundario, un tiempo aproximado de 3,5 minutos por cada 20lts
alimentados. La toma de muestra se realizó a la salida del tanque
secundario 3 veces para asegurar una toma correcta, hasta que el índice
de refracción se hiciera constante. De esta manera, pudimos determinar
la concentración de etanol en el líquido a la salida de la torre midiéndola
en la curva de calibración.
DERECHOS RESERVADOS
56
Para realizar los ensayos, primero se realizó la dilución de la
muestra agregando la cantidad de volumen de agua necesaria para
obtener las concentraciones deseadas. Luego se procedió a verificar esa
concentración con los índices de refracción y la curva de calibración.
Se realizó el corrido con cada concentración, tomando la muestra
en la salida del tanque secundario por triplicado para reducir el margen de
error. Cada corrido se repitió dos veces con la mima concentración. Los
resultados fueron los siguientes:
Tabla 15
PORCENTAJE DE RECUPERACIÓN DE ETANOL
Co Cf % Desorbido % C2H5OH ηd20º salida % C2H5OH de C2H5OH
10 1,3365 10 0 20 1,3430 20 0 30 1,3485 30 0 40 1,3535 40 0 50 1,3580 50 0 60 1,3612 59 1,66 90 1,3640 80 11,11
Fuente: Elaboración propia, 2007
Grafico 2 CURVA DE DESORCIÓN
02468
1012
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
CONCENTRACION INICIAL
% D
ESO
RB
IDO
Fuente: Elaboración propia, 2007
DERECHOS RESERVADOS
57
En esta gráfica se puede observar claramente que los porcentajes
de desorción apreciables se consiguen cuando las concentraciones
iniciales de etanol están por encima del 60%. A medida que la solución
disminuye su concentración de etanol, la separación se hace cero, debido
a que las presiones parciales del alcohol y del agua se mantienen en
igualdad constante. En estas concentraciones de etanol en agua, la torre
empacada no tiene incidencia significativa por lo que no se puede separar
bajo estas condiciones de operación. Para verificar estos datos y
comprobar la que existe desorción por encima de 60% de concentración
de etanol, se corrió una sucesión de pruebas con concentraciones
iniciales de 70,80 y 90% etanol, midiendo los valores de concentración a
la salida del tanque secundario y retroalimentando hacia el tanque
primario, para nuevamente hacer pasar la solución por la torre y verificar
los valores obtenidos.
Tabla 16
CONCENTRACIONES > 60%
ENSAYO Co C2H5OH ηd20º salida Cf C2H5OH % DESORCIÓN
1 90 1.3640 80 11,1
80 1.3640 80 0
80 1.3640 80 0
2
80 1.3640 80 0
70 1.3630 70 0
70 1.3630 70 0
3
70 1,3630 70 0
Fuente: Elaboración propia, 2007
DERECHOS RESERVADOS
58
Grafica 3
DESORCION A Co>60% ETANOL
0
2
4
6
8
10
12
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
CONCENTRACIÓN INCIAL ETANOL
% D
ESO
RB
IDO
Fuente: Elaboración propia, 2007
En la gráfica claramente se puede concluir que una solución etanol-
agua en proporción mayor a 60/60 sigue presentando el mismo
comportamiento lineal de no separación, lo que significa que el sistema
diseñado no funciona para este rango de concentraciones, por lo que se
necesitan hacer variaciones en el diseño y configuración para separar la
solución.
Para definir el rango óptimo de operación basado en la
concentración inicial de etanol, se realizaron ensayos de separación con
variaciones de 5 % en el punto de separación obtenido. Los datos
recolectados fueron los siguientes:
Tabla 17
RANGO DE OPERACIÓN
Co Cf % Desorbido
% C2H5OH ηd20ºsalida
% C2H5OH de C2H5OH 95 1.3640 80 15,78
Fuente: Elaboración propia, 2007
DERECHOS RESERVADOS
59
Grafica 4
RANGO DE OPERACIÓN
02468
1012141618
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
CONCENTRACIÓN INCIAL ETANOL
% D
ESO
RB
IDO
Fuente: Elaboración propia, 2007
De esta manera pudimos determinar que la torre desorbe cuando
se opera con concentraciones de etanol mayores a 80% y menores a
95%. Para operar la torre con concentración 100%, de deben tomar
medidas de seguridad, y teóricamente en ese punto la eficiencia puede
ser despreciable.
4.6. DISEÑO DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO
Para el diseño experimental de la práctica de laboratorio es
necesario hacer referencia a la guía de Laboratorio de Operaciones
Unitarias establecida por la escuela de ingeniería química la cual rige el
formato de entrega de los informes de las practicas realizadas y define
cada uno de los puntos necesarios
Esta práctica consiste en una separación gas-líquido, proceso
durante el cual un componente soluble de una mezcla líquida se disuelve
en un gas que atraviesa la fase líquida. En la práctica experimental, la
DERECHOS RESERVADOS
60
fase líquida consiste de alcohol etílico disuelto en agua, mientras que la
fase gaseosa es aire. La práctica se inicia midiendo el flujo volumétrico de
alcohol etílico que se hace pasar a través de la torre empacada. La fase
líquida ingresa por la parte superior de la torre, mientras que la fase
gaseosa lo hace por la parte inferior. Cuando la fase líquida alcanza la
parte inferior de la torre, se toma una muestra de la misma para
determinar los índices de refracción presentes en el flujo de estudio.
El informe de la práctica de laboratorio se regirá por la guía de la
cátedra de laboratorio de Operaciones Unitarias II para la elaboración de
reportes de laboratorio (ver anexo 13). La información necesaria para la
realización de la práctica se presenta a continuación:
4.6. 1. OBJETIVO GENERAL Evaluar el funcionamiento de una torre empacada en la separación
de un sistema de alcohol etílico, agua y aire.
4.6.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS.
4.6.2.1. Reforzar los conocimientos teóricos presentados en la
cátedra de Operaciones Unitarias II con las realidades
del trabajo experimental.
4.6.2.2. Observar los principios de separación de mezclas
binarias en fase gas-líquido.
4.6.2.3. Familiarizar del estudiante con torres empacadas en las
que existe contacto entre las fases líquida-gas, el uso y
manejo de este equipo para proyectos relacionados con
operaciones unitarias.
DERECHOS RESERVADOS
61
4.6.3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO
4.6.3.1. Torre empacada de vidrio pyrex equipada con: (a)
tanque para almacenamiento de salida y (b) tanque para
almacenamiento de la mezcla de entrada. Sus partes
estructurales son: columna cilíndrica vertical que
contiene un plato de soporte para todo el material de
empaque, dispositivo de distribución para la entrada de
la fase líquida para proporcionar la irrigación eficaz del
empaque, colocado en la parte superior de la torre,
anillos raschig de un ½ cm de diámetro y 2 cm de altura
los cuales conforman el empaque y un dispositivo para
proporcionar una redistribución del líquido dentro de la
torre y aumentar el área de contacto entre éste y la fase
gaseosa.
4.6.3.2. Compresor continúo con rotámetro.
4.6.3.3. Refractómetro para el análisis de la muestra de salida
de líquido
4.6.3.4. Bomba centrifuga.
4.6.4. MATERIALES
• Alcohol etílico grado analítico (93% pureza) disuelto en agua a
diferentes concentraciones a temperatura y presión ambiente.
• Agua en fase líquida. El agua en fase líquida se encuentra a
temperatura y presión ambiente.
DERECHOS RESERVADOS
62
• Beaker 25 ml para la recolección de la muestra.
4.6.5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
de iniciar la práctica y
erificar las conexiones de tuberías y eléctricas.
.6.5.1. Drenar el tanque de recolección de líquidos
4.6.5.2. Cerrar la válvula de salida del tanque de recolección de
líquido.
4.6.5.3
a prueba, y (c) 40% de alcohol
para la tercera prueba.
4.6.5.4
el recipiente con la muestra en una chaqueta
de hielo.
4.6.5.5
Antes de comenzar la prueba se debe verificar que los empaques
de la torre estén completamente secos antes
v
4
. Preparar la solución de alcohol a desorber. Las
concentraciones varían de acuerdo a las pruebas: (a)
90% de alcohol para la primera prueba, (b) 70% de
alcohol para la segund
. Luego de la preparación de la solución, tomar una
muestra de la solución inicial y medir su índice de
refracción. A fin de que la medición sea lo más exacto
posible, se debe enfriar la solución hasta 15°C,
colocando
. Arrancar la bomba centrífuga que alimenta la fase
líquida y el compresor que alimenta la fase gaseosa.
DERECHOS RESERVADOS
63
4.6.5.6 n minuto de
duración, 3 veces por cada concentración.
4.6.5.7
, siempre con el cuidado de mantener la muestra
a 20ºC.
4.6.6. DATOS A REPORTAR
4.6.6.1.
e la fase líquida para cada corrida de cada
prueba.
4.6.6.2. s
de ambas fases en todas las corridas de las pruebas.
4.6.6.3. se
líquida y el flujo de la fase gaseosa en cada prueba.
.6.6.4. Caída de presión y velocidad de inundación de la torre.
.6.6.5. Balances de masa de la torre.
. Muestrear a intervalos regulares de u
. Medir la concentración del alcohol con el instrumento ya
indicado
Tabla que muestre las concentraciones iniciales y
finales d
Tabla que muestre los valores de los flujos volumétrico
Tabla que muestre la razón entre el flujo de la fa
4
4
DERECHOS RESERVADOS
64
CONCLUSIONES
1. El sistema quedó configurado en alcohol etílico grado industrial de
93% pureza y agua, para ser desorbido con aire a temperatura y
presión normal. El flujo de las fases utilizado fue en contracorriente,
siendo aire la fase gaseosa y elemento desorbedor. Se emplearon
anillos raschig de ½” de diámetro, de material PVC dispuestos en
forma aleatoria.
2. El La instalación de los equipos se realizó sobre una base metálica de
1m2 y se emplearon 435 anillos raschig de relleno. El equipo
desorbedor, quedó conformado por una columna de vidrio PYREX de
2.0m de altura y diámetro de 3 ½”, un tanque primario para la
alimentación a la torre y un tanque secundario para la recolección del
líquido de salida de la torre, todos conectados a una bomba centrifuga
para distribuir el flujo en tres sentidos: retroalimentación al tanque
principal, alimentación a la torre y descarga del tanque. El aire se
alimentó a través de un condensador.
3. La separación del sistema alcohol etílico, agua y aire, se realizó de
manera satisfactoria para concentraciones de etanol en agua entre
80% y 95%, tomando en cuenta que la salida de gas era un valor fijo.
Las concentraciones menores a 80% mostraron no ser separables en
este sistema bajo las condiciones de operación.
4. La construcción de la torre empacada para separación gas-líquido de
un sistema de alcohol etílico, agua y aire, constituye un valor agregado
para el proceso de enseñanza de la cátedra de operaciones unitarias
II, siendo un recurso nuevo para la observación de los principios de
DERECHOS RESERVADOS
65
separación de mezclas binarias y la aplicación práctica de los
conceptos de separación en torres empacadas, dando al estudiante la
oportunidad de ampliar y reforzar sus conocimientos.
DERECHOS RESERVADOS
66
RECOMENDACIONES
• Utilizar mezclas donde la variación de los puntos de ebullición este
en un rango de diferencia entre 10 a 30 ºC, ya que estos inciden en
las presiones de vapor.
• Variar la longitud de los anillos raschig para obtener mayor la
eficiencia.
• Realizar ensayos con empaques de diferentes características.
• Aumentar la alimentación de aire a la columna para apreciar su
influencia en la separación de la solución.
• Sí varía la configuración de la columna, se pueden realizar ensayos
con mezclas de menor concentración para verificar la eficiencia del
proceso, tomando en cuenta las propiedades físicas y químicas
para no dañar la columna.
• Revisar las MSDS de los compuestos a utilizar antes de realizar
cualquier ensayo.
• Utilizar siempre el equipo de protección personal en el área de
trabajo.
• Realizar un estudio de factibilidad económica de operación de la
columna.
DERECHOS RESERVADOS
67
BIBLIOGRAFÍA
1) Bavaresco, Aura. Técnicas de la Investigación. Editorial: Episteme, 1998 Maracaibo - Venezuela. 2) Hurtado, Jacqueline. El proyecto de la Investigación. (Segunda Edición). Editorial SYPAL. Caracas, 2000. 3) McCABE, Operaciones Básicas de ingeniería Química. Primera Edición. Editorial Reverte. Barcelona 1975 4) McInnes, R., K. Jameson, and D. Austin, .Scrubbing Toxic Inorganics., Chemical Engineering, September 1990, pp. 116-121. 5) Treybal, Robert E., Operaciones de Transferencia de Masa (Tercera Edición), McGraw-Hill. New York, 1980. 6) Perry, R.H. and C.H. Chilton, Eds., Manual del Ingeniero Químico (Sexta Edición), McGraw-Hill. New York, 1984. 7) Reid, Robert; Sherwood, Thomas. Propiedades de los Gases y Líquidos. (Tercera Edición). Hispano Americana S.A. México. 1988. 8) Romero, M.A. Operaciones de Transferencia de Masa. (2da edición) McGraw-Hill. Ciudad de México. 2001 9) Sherwood, Thomas; Pigford, Robert. Mass Transfer. McGraw Hill. New Cork. 1990 10) Strigle, Ralph F., Random Packings and Packed Towers, Design Applications, Gula Publishing Company, Houston, Texas, 1987. 11) Coker, A.K., .Understanding the Basics of Packed-Column Design., Chemical Engineering Progress, November 1991, pp. 93-99. Paginas de Internet consultadas: 1) Nacional Institute for Standards and Techonology: www.nist.gov 2) Wikepidia Encyclopedia Gateway: www.wikepidia.org 3) www.chemguide.com.uk 4) www.ethanolpro.tripod.com 5) American Institue for Chemical Engineers: www.aiche.org
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68
• Cálculos para la torre
Cálculo del volumen de la sección del tope:
cm 4.445 r =
cm 60 h st =
stst hrV ××= 2π
32 29.3724)60cm()445.4( cmcmVst =××= π
Cálculo del volumen de la sección central:
cm 4.445 r =
cm 60 h sc =
scsc hrV ××= 2π
32 29.3724)60cm()445.4( cmcmVsc =××= π
Cálculo del volumen de la sección del fondo:
cm 4.445 r =
cm 80 h sf =
sfsf hrV ××= 2π
32 4965.73)cm80()445.4( cmcmVsf =××= π
Cálculo del volumen vacío de la torre:
cm 4.445 r =
DERECHOS RESERVADOS
69
cm 200 h T =
cm 2.53 VAR =
435 NAR =
ARARTVacío NVhrV ×−××= 2π
332 c78.11313435)c53.2()cm200()445.4( mmcmVVacío =×−××= π
Cálculo del área superficial de la torre:
cm 4.445 r =
cm 200 h T =
TST hrrA ×××+××= ππ 22 2
22 89.5709200445.42)445.4(2 cmcmcmcmAST =×××+××= ππ
Cálculo del volumen del total de la torre:
cm 4.445 r =
cm 200 h T =
TT hrV ××= 2π
32 33.12414200)445.4( cmcmcmVT =××= π
DERECHOS RESERVADOS
70
• Cálculos para el empaque
Cálculo del volumen del anillo Raschig:
cmhAR 2=
cmrAR 635.0=
ARAR hrV AR ××= 2π
32 c53.2)cm2()635.0( mcmVAR =××= π
Cálculo para el volumen del empaque:
cmr 445.4=
cmhemp 100=
empemp hrV ××= 2π
32 165.6201100)445.4( cmcmcmVemp =××= π
Cálculo para el número de anillos Raschig en el empaque:
1775.0=correcciónF
correcciónAR FN ×= 2450
anillosN AR 4351775.02450 =×=
Cálculos para la masa del empaque:
435=ARN
grmAR 8975.3=
ARAREmp mNP ×=
DERECHOS RESERVADOS
71
grgrPEmp 44.16958975.3435 =×=
• Cálculos para el tanque
Cálculo del área del tanque:
cmhTanque 70=
cmrTanque 19=
TanqueTanqueTanque hrrA Tanque ×××+××= ππ 22 2
22 86.1062470192)19(2 cmcmcmcmATanque =×××+××= ππ
Cálculo del volumen de la sección A (sección inferior o bota) del tanque:
cmhsA 3.4=
cmrTanque 19=
sAsA hrV sA ××= 2π
32 69.48763.4)19( cmcmcmVsA =××= π
Cálculo del volumen de la sección B (sección central o volumen efectivo) del
tanque:
cmhsB 9.61=
cmrTanque 19=
sBsB hrV sB ××= 2π
32 71.702019.61)19( cmcmcmVsB =××= π
DERECHOS RESERVADOS
72
Cálculo del volumen de la sección C (sección superior) del tanque:
cmhsC 8.3=
cmrTanque 19=
sCsC hrV sC ××= 2π
32 63.43098.3)19( cmcmcmVsC =××= π
Cálculo para el volumen total del tanque:
cmhTanque 70=
cmrTanque 19=
TanqueTanque hrV Tanque ××= 2π
32 04.7938870)19( cmcmcmVTanque =××= π
• Cálculos para el área total de transferencia
Cálculo del área externa del anillo Raschig:
cmrEAR 05.1=
cmhAR 2=
AREAREAR hrrA EAR ×××+××= ππ 22 2
22 92.6205.12)05.1(2 cmcmcmcmAEAR =×××+××= ππ
DERECHOS RESERVADOS
73
Cálculo del área interna del anillo Raschig:
cmrIAR 65.0=
cmhAR 2=
ARIARIAR hrrA IAR ×××+××= ππ 22 2
22 65.2265.02)65.0(2 cmcmcmcmAIAR =×××+××= ππ
Cálculo del área circular del anillo Raschig:
cmri 65.0=
cmre 05.1=
22iCAR rrA e ×−×= ππ
222 13.2)65.0()05.1( cmcmcmACAR =×−×= ππ
Cálculo del área total de transferencia:
265.2 cmAIAR =
292.6 cmAEAR =
213.2 cmACAR =
435=ARN
[ ]emp
ARCARIAREARTT V
NAAAA ××++=
)(2
[ ] 13
222
9718.0165.6201
435)13.2(265.292.6 −=××++
= cmcm
cmcmcmATT
DERECHOS RESERVADOS
