Practica 5. Estudio hidrodinamico de torres empacas
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Universidad Del ZuliaFacultad De IngenieríaEscuela De Ingeniería QuímicaLaboratorio de Operaciones Unitarias IIMaracaibo-Edo Zulia
Realizado por:Verónica A. González. G. C.I: 19.309.136Sección: 0-63
Maracaibo, Febrero del 2012
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
ÍNDICE
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
INTRODUCCIÓN
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
JUSTIFICACIÓN
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1. Torres empacadas
Las torres empacadas son los equipos de transferencia de masa más empleados en la
industria de transformación físico-química. Inicialmente su uso estaba restringido casi
exclusivamente a laboratorios, plantas pilotos y columnas industriales de diámetro
pequeño o servicios con requerimientos de muy baja caída de presión y alta resistencia a
la corrosión. Sin embargo, hoy en día su aplicación se considera en todas las operaciones
que implican transferencia de masa y calor y requieren el contacto directo entre dos
fases. En la tabla 1 se relacionan las operaciones unitarias en las que se emplean
columnas empacadas.
Operación Aplicación
Absorción físicaRemoción de contaminantes de aire, Eliminación de
olores
Absorción Química
Absorción de dióxido de carbono- en control de
emisiones y en el proceso Solvay
Absorción en proceso de producción de HNO3,
H2SO4, Cloro y fluoruro de hidrogeno
DesorciónDescarbonatación de agua, despojamiento de
amoníaco
Destilación
Rectificación al vacio de crudo
Separación de sustancias termolábiles
Separación de isotopos
Extracción liquido-liquidoRecuperación de compuestos orgánicos de
corrientes acuosas
Deshumidificacion Desalinización del agua
Enfriamiento Enfriamiento de cloro gaseoso
Tabla 1. Operaciones en las cuales se emplean torres empacadas
Las torres empacadas o columnas de relleno como la observada en la Figura 1,
consiste en una coraza cilíndrica, o columna, equipada con sistemas de alimentación y
distribución de las fases, así como dispositivos para la salida, en el fondo y en la cima.
Cuenta con un lecho de sólidos inertes que constituye el empaque. El fluido menos
denso, usualmente el gas o el vapor ingresa por el fondo de la columna y asciende a
través del área transversal libre, en tanto el fluido más denso se dirige hacia abajo desde
la cima de la torre.
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Fig. 1. Torre empacada
Para cuando las fases son líquido y gas, éstas están equipadas con una entrada de
gas y un espacio de distribución en la parte inferior; una entrada de líquido y un
distribuidor en la parte superior diseñado para proporcionar la irrigación eficaz del
empaque; salidas para el gas y el líquido por cabeza y cola, respectivamente; y una masa
soportada de cuerpos sólidos inertes o dispositivos de superficie grande que reciben el
nombre de empaque o relleno de la torre. Se pueden agregar dispositivos para
proporcionar una redistribución del líquido que se puede encauzar hacia debajo de la
pared.
La entrada del líquido, que puede ser disolvente puro o una disolución diluida del soluto
en el disolvente, y que recibe el nombre de líquido agotado, 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 contiene el soluto, o gas rico, entra en el espacio de
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distribución situado debajo del relleno y asciende a través de los intersticios del relleno en
contracorriente con el flujo de líquidos.
Aunque normalmente las torres empacadas son utilizadas para el contacto continuo del
líquido y del gas en flujo a contracorriente, como lo es en absorción de gases, también
puede hacerlo a corriente paralela. El flujo de líquido y gas a corriente paralela (por lo
general descendente) a través de lechos empacados, se utiliza para reacciones químicas
catalíticas entre los componentes de los fluidos; en estas reacciones el catalizador es
comúnmente alguna sustancia activa soportada sobre un material cerámico granular.
Estos rearreglos se conocen como “reactores de lecho goteador”. En el caso de flujo a
corriente paralela, existe la ventaja de que la inundación es imposible: no hay límite
superior para la rapidez permisible de flujo. Sin embargo, en ausencia de una reacción, el
flujo a corriente paralela pocas veces es útil.
1.1.1.Constituyentes internos de las torres empacadas
Para el funcionamiento apropiado de una columna empacada se requieren
ciertos elementos adicionales a la coraza y el empaque; mostrados en la Anexo 1.
- Distribuidores de líquido
La distribución uniforme de líquido en la cima de la torre es esencial para una
operación eficiente. Por lo tanto, los distribuidores son claves en el diseño de cualquier
columna empacada. Un distribuidor de líquido debe proporcionar:
a. Distribución uniforme del liquido
b. Resistencia a la obstrucción o taponamiento
c. Gran flexibilidad a la variación de flujos
d. Baja caída de presión
e. Mínima altura para permitir mayor espacio para el lecho
f. Capacidad para mezclar el liquido a distribuir
En la Figura 2 se indica la importancia de la adecuada distribución inicial del
líquido en la parte superior del empaque. Por supuesto, el empaque en seco no es
efectivo para la transferencia de masa, lo cual disminuiría el funcionamiento eficiente
de la columna, por ello, se utilizan diferentes dispositivos que extienden el líquido
uniformemente a través del plano superior del lecho, denominados distribuidores de
líquido.
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Fig. 2. Distribución del líquido e irrigación del empaque. (a) Inadecuada; (b) Adecuada.
Las boquillas aspersoras no son útiles, porque generalmente provocan que mucho
líquido sea arrastrado en el gas. El arreglo que se muestra en la Figura 1 o un anillo
de un tubo perforado puede utilizarse en torres pequeñas. Generalmente se
considera necesario proporcionar al menos cinco puntos de introducción del líquido
por cada 0.1 m2 de sección transversal de la torre para torres grandes (d ≥ 1.2 m) y
un número mayor para diámetros pequeños
Se ha descubierto que el líquido tiende a emigrar a las paredes de la columna,
especialmente para razones entre el diámetro de la columna y el tamaño de rellano
menores que 8. Eckert recomienda los siguientes valores:
Diámetro de la columna [m] Corrientes/m2
1.2 o mayor 40
0.75 170
0.40 340
Tabla 2. Corriente de líquido por diámetro de columna, por Eckert.
En la Figura 3 se muestran diferentes distribuidores de puntos múltiples, como el
distribuidor de tubería perforada, que es satisfactorio para utilizarlo con líquidos
limpios y de elevados flujos. Los del tipo de vertedero se puede utilizarse para
diámetros grandes (1.2 m o mayores) y consisten en una serie de artesas que
contienen muescas laterales para el desbordamiento del líquido; no está sujeto a
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atascamiento, no restringe excesivamente el flujo de gases y tiene un intervalo de
operación amplio. El distribuidor de orificios consiste en un plato plano, equipado con
ciertos elevadores para el flujo de gas y perforaciones en el piso del plato para la
descarga de líquido; hay que dejar margen para la posible inundación.
Fig. 3. Distribuidores de líquidos típicos.
La falta de uniformidad en la distribución de las fases en una columna de relleno
puede deberse a:
g. El distribuidor no reparte el líquido uniformemente sobre el empaque.
h. El líquido fluye más fácilmente hacia la pared de la columna que en sentido
contrario. El resultado es la formación de canalizaciones a lo largo de la pared,
que puede acentuarse por la condensación de vapores debido a pérdidas de
calor por la columna.
i. La geometría del relleno inhibe la distribución lateral.
j. Variaciones de la fracción de huecos debido a que el relleno no ha sido
apropiadamente instalado.
k. La alineación vertical de la columna no es correcta.
Éstas últimas pueden evitarse teniendo especial cuidado en el diseño y en la
instalación.
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
- Sistemas de alimentación.
Lograr el desempeño deseado de una torre requiere el m anejo apropiado de
todas las corrientes que ingresan a la columna. La alimentación puede
clasificarse en cuatro categorías principales. Los criterios empleados en el diseño y
selección del sistema de alimentación para cada categoría son diferentes. La
selección de los alimentadores de solo liquido de solo líquido, los cuales actúan como
predistribuidores, depende del tipo de distribuidor y de la variación del flujo requerida.
Para alimentadores de mezclas vapor-líquido la selección depende del tipo de
distribuidor de líquido debajo de la alimentación, las velocidades de flujo, el tipo de
alimento, la altura del lecho empacado requerido para la separación de las fases y el
mezclado de estas con las corrientes que internamente ascienden o descienden.
Para la escogencia de alimentadores de gas o vapor es indispensable tener en
cuenta dos factores: la energía cinética y la composición del gas que ingresa. La
energía cinética se considera en relación con la caída de presión en el lecho, la
disposición de la boquilla de entrada y la separación requerida. La composición del
gas es importante cuando ingresa entre dos lechos, caso en el cual debe garantizarse
una mezcla adecuada con la corriente interna del gas.
Para el retorno de rehervidores es necesario considerar, adicionalmente a los
factores para la alimentación de solo gas, el tipo de rehervidor.
- Retenedores de empaque
La función principal de este constituyente es prevenir la expansión o fluidización del
lecho empacado, así como mantener horizontal su superficie. El retenedor no debe
interferir con los flujos en la columna, por lo que su área libre ha de ser muy elevada.
Existen dos constituyentes internos diseñados para evitar el desplazamiento del
empaque: limitadores de lecho y platos de retención.
El limitador de lecho es el tipo más común, en especial para empaques de plásticos
y de metal susceptible de ser fluidizados por su bajo. Este constituyente se fija en las
paredes de la columna mediante sujetadores.
Los platos de retención se emplean con empaques de cerámica o carbón,
normalmente muy frágiles, con los cuales no debe permitirse ningún movimiento.
Estos platos reposan y actúan por su propio lecho.
- Soportes de empaque
Es necesario un espacio abierto en el fondo de la torre, para asegurar la buena
distribución del gas en el empaque. En consecuencia, el empaque debe quedar
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soportado sobre el espacio abierto. Por supuesto, el soporte debe ser lo
suficientemente fuerte para sostener el peso de una altura razonable de empaque;
debe tener un área libre suficientemente amplia para permitir el flujo del líquido y del
gas con un mínimo de restricción. Aunque la finalidad primordial de un soporte de
empaque es retener el lecho, sin restricción excesiva para el flujo de gas y líquido,
sirve también para la distribución de las dos corrientes. A menos que se diseñe en
forma cuidadosa el plato de soporte puede provocar también una inundación
prematura de la columna.
En consecuencia, el diseño del plato de soporte afecta de manera significativa la
caída de presión de la columna y al intervalo de operación estable. Puede utilizarse
una rejilla de barras del tipo, como el mostrado en la Figura 1, pero se prefieren los
soportes especialmente diseñados que proporcionan paso separado para el gas y el
líquido. En la Figura 4 se muestra una variación de estos soportes, cuya área libre
para el flujo (o fracción de hueco de diseño menos la porción de huecos ocluida por el
relleno) es del orden del 85%; puede fabricarse en diferentes modificaciones y
diferentes materiales, inclusive en metales, metales expandidos, cerámica y plásticos.
Fig. 4. Plato de sosttn Multibeam.
- Contenedores de líquido
Los contenedores son necesarios cuando la velocidad del gas es elevada;
generalmente son deseables para evitar el levantamiento del empaque durante un
aumento repentino del gas. Las pantallas o barras gruesas pueden utilizarse. Para el
empaque de cerámica gruesa, se pueden utilizar platos que descansen libremente
sobre la parte superior del empaque. Para empaques de plástico y otros empaques
ligeros, los contenedores están unidos al cuerpo de la torre.
- Eliminadores de Arrastre
A velocidades elevadas del gas, especialmente, el gas que abandona la parte
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superior del empaque puede acarrear gotitas del líquido como una niebla. Ésta puede
eliminarse mediante eliminadores de neblina, a través de los cuales debe pasar el
gas; los eliminadores se instalan sobre la entrada del líquido. Una capa de malla (de
alambre, teflón, polietileno u otro material), entretejida especialmente con espacios
del 98-99%, aproximadamente de 100 mm de espesor, colectará prácticamente todas
las partículas de neblina. Otros tipos de eliminadores incluyen ciclones y rearreglos
del tipo de persianas venecianas. Un metro de empaque al azar seco es muy
efectivo.
1.1.2.Empaques y cuerpo de la torre
- El cuerpo de la torre puede ser de madera, metal, porcelana química, ladrillo a
prueba de ácidos, vidrio, plástico, metal cubierto de plástico o vidrio, u otro material,
según las condiciones de corrosión. Para facilitar su construcción y aumentar su
resistencia, generalmente son circulares en la sección transversal.
- Los empaques constituye el elemento principal en las torres empacadas. El relleno o
empaques, proporcionan un gran área de contacto entre el líquido y el gas,
favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases, ya que el líquido se distribuye
sobre éstos y escurre hacia abajo, a través del lecho empacado; dichos lechos
empacados es posible cambiarlos en el mismo envolvente de la columna.
Fig. 5. Algunos empaques para columnas de relleno.
- Tipos de empaques
Universalmente se clasifican los empaques, según su organización en un lecho,
como empaques al azar y estructurados.
a. Empaques al Azar
Los empaques al azar son aquellos que simplemente se arrojan en la torre
durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria. En el pasado se
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utilizaron materiales fácilmente obtenibles; por ejemplo, piedras rotas, grava o
pedazos de coque; aunque estos materiales resultan economicos, no son
adecuados debido a la pequeña superficie y malas características con respecto al
flujo de fluidos. Por ello, actualmente, son fabricados los empaques al azar que
consisten en unidades de 6 a 100 mm en su dimensión mayor; los rellenos
inferiores a 0.025 m se utilizan fundamentalmente en columnas de laboratorio o de
planta piloto.
Entre los más utilizados o más comunes, en la Figura 6 se muestran los anillos
de Rasching que son cilindros huecos, cuyo diametro va de 6 a 100 mm o mas.
Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para poner en contacto a la
mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y ácido fluorhidrico; de carbon,
que es útil, excepto en atmósferas altamente oxidantes; de metales o de plásticos.
Los plásticos deben escogerse con especial cuidado, puesto que se pueden
deteriorar, rápidamente y con temperaturas apenas elevadas, con ciertos
solventes orgánicos y con gases que contienen oxígeno.
Fig. 6. Empaques al azar típicos, tipo vaciado.
Los empaques de hojas delgadas de metal y de plástico ofrecen la ventaja de
ser ligeros, pero al fijar los límites de carga se debe prever que la torre puede
llenarse inadvertidamente con líquido. Los empaques con forma de silla de montar,
los de Berl e Intalox y sus variaciones se pueden conseguir en tamaños de 6 a 75
mm; se fabrican de porcelanas químicas o plásticos. Los anillos de Pall, también
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conocidos como Flexirings, anillos de cascada y, como una variación, los Hy-Pak,
se pueden obtener de metal y de plástico. Los Tellerettes y algunas de sus
modificaciones se pueden conseguir con la forma que se muestra y en plástico.
Generalmente, los tamaños más pequeños de empaques al azar ofrecen
superficies específicas mayores (y por lo tanto, mayores caídas de presión), pero
los tamailos mayores cuestan menos por unidad de volumen. A manera de
orientación general: los tamaños de empaque de 25 mm o mayores se utilizan
generalmente para un flujo de gas de 0.25 m3/s, 50 mm o mayores para un flujo
del gas de 1 m3/s. Durante la instalación, los empaques se vierten en la torre, de
forma que caigan aleatoriamente; 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.
Los empaques a) y b) de la Figura 6 son clasificados como de primera
generación, y los restantes como de segunda generación, siendo éstos últimos
mas eficientes por ofrecer mayor área de contacto gracias a su estructura y sus
diferentes aberturas.
b. Empaques estructurados
Hay gran variedad de estos empaques mostrados en la figura 7. 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 que la
necesaria para los empaques aleatorios, y normalmente son de tamaños
comprendidos entre 0.05 y 0.203 m.
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Figura 7. Algunos Empaques ordenados.
Los anillos hacinados de Raschig (Figura 7.a) son económicos solo en tamaños
muy grandes. Hay varias modificaciones de los empaques metálicos expandidos.
Las rejillas o “vallas” de madera (Figura 7.d) no son costosas y se utilizan con
frecuencia cuando se requieren volúmenes vacíos grandes; como en los gases
que llevan consigo el alquitrán de los hornos de coque, o los líquidos que tienen
partículas sólidas en suspensión. La malla de lana de alambre tejida o de otro tipo,
enrollada en un cilindro como si fuese tela (Figura 7.b, Neo-Kloss), u otros arreglos
de gasa metálica (Koch-Sulzer, Hyperfil y Goodloe) proporcionan una superficie
interfacial 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 (Figura 7.c) se diseñaron originalmente como mezcladores en línea, para
mezclar dos fluidos mediante flujo paralelo. Hay varios diseños, pero en general
constan de dispositivos en forma de rejas para huevos; los dispositivos se instalan
en un tubo y se ha mostrado que estos dispositivos son útiles para el contacto
entre gas-líquido a contracorriente, poseen buenas características de transferencia
de masa a caídas bajas de presión del gas.
Por lo general, los empaques acomodados son más costosos que los vaciados,
sobre una base equivalente de volumen de la torre, pero pueden mostrar
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
características favorables de caída de presión que se supone tienen una gran
importancia en las destilaciones al vacío.
1.1.3. Selección de empaque
Los empaques estructurados ofrecen mayor área superficial específica y por
consiguiente mayor eficiencia. De igual forma, dada una eficiencia (igual área superficial
específica) el factor de empaque de los empaques estructurados es menor, lo que
corresponde a una mayor capacidad.
En general los empaques tienen mayores eficiencias y capacidad y presenta menor
caída de presión por plato teórico que los empaques al azar. Sin embargo, la eficiencia
y la capacidad de los empaques estructurados disminuyen rápidamente al aumentar la
presión o la velocidad de líquido, con lo cual se reduce su ventaja sobre los empaques
al azar.
Cuando se requiere manejar fluidos con sólidos que tienden a formar depósitos, no
es aconsejable el uso de empaques estructurados. En sistemas corrosivos u
oxidantes el material de los empaques en hoja corrugada debe ser muy bien
seleccionado, ya que típicamente se fabrican en láminas con calibres entre 30
(0.254 mm ) y 20 (0.79375 mm ), por debajo del espesor normal de tolerancia a
la corrosión (3 mm ). Además debe tenerse en cuenta el alto costo de los empaques
estructurados, 3 a 10 veces mayor que el de los empaques al azar de 2 pulgadas, aún
cuando el costo de operación, en particular para servicios a vacío, es mucho menor y
puede conseguirse una reducción en el costo inicial por la simplificación de los
equipos auxiliares (condensadores, compresores o bombas de vacío).
A continuación se presenta una lista de criterios a considerar en la
evaluación y selección de empaques:
c. Elevada área superficial específica; esto es, elevada área superficial por
unidad de volumen de lecho empacado
d. Distribución uniforme del área superficial.
e. Baja retención estática, dado que el líquido estancado contribuye muy poco a la
transferencia de m asa y desperdicia superficie del empaque.
f. Máxima superficie humectable, debido a que sólo el área humedecida es
efectiva para la transferencia de masa
g. Alta fracción vacía, con el propósito de reducir la resistencia al flujo.
h. Baja fricción, lo cual se promueve con una estructura abierta y aerodinámica
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i. Resistencia baja y uniforme al flujo a través del lecho, lo cual depende de la
geometría del empaque y de la homogeneidad en la porosidad del lecho.
j. Forma tal que induzca turbulencia para favorecer los fenómenos de transferencia.
k. Fácil separación de las fases, condición especialmente importante en servicios a
elevada presión y altas velocidades de flujo.
l. Capacidad para manejar variadas cargas de líquido y de gas, sin cambios
significativos en la eficiencia.
m. Resistencia a la deformación mecánica y al rompimiento.
n. Inercia química frente a las sustancias con las cuales se trabaje, bajo las
condiciones de operación.
o. Resistencia apropiada a las temperaturas de operación y, en especial, a los choques
térmicos.
p. Peso liviano, para lograr un mínimo empuje lateral y fácil manipulación.
q. Bajo costo.
Temperatura máxima de operación y peso relativo al Propileno para diferentes materiales platicos
Material Tmax (°C)Peso
relativo
Cloruro de polivinilo(PVC) 60 1.50
Polietileno (PE) 70 1.00
Polipropileno (PP) 80 1.02
cloruro de polivinilo clorado( CPVC) 100 1.74
CorzamTM(CPVC) 110 1.74
Polipropileno- relleno de vidrio (10%) (PP-G) 100 1.17
Polipropileno- relleno de vidrio (30%) (PP-G) 110 1.38
Noryl ® (polióxido de fenileno PPO) 110 1.24
Kynar® (Fluoruro de polovinilideno PVDF) 140 1.98
Halar ® (Etileno- Cloro- trifluoroetileno) 145 1.86
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Tefzel® (Etileno- trifluroetileno ETFE) 180 1.93
Teflón® (Poliperfluoralcoxido PFA) 205 2.45
Tefzel® - Relleno de vidrio (25% Vidrio) (ETFE) 210 2.20
Tabla 2. Temperatura máxima de operación y peso relativo al Propileno para diferentes
materiales platicos
1.2. Estudio Hidrodinámico de torres empacadas
El estudio Hidrodinámico, o simplemente la Hidrodinámica, es la rama de la mecánica
de fluidos que se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento, es decir, el movimiento
y el equilibrio de los líquidos. Específicamente permite estimar el diámetro de las
columnas de tal forma de que la velocidad de gas de operación no produzca acumulación
de líquidos en la torre.
El estudio hidrodinámico se realiza únicamente a escala piloto, donde el producto de
esos estudios esta un modelo matemático que se aplica para el diseño de equipos
industriales, y se basa en la realización de pruebas hidrodinámicas y de transporte de
masa en columnas experimentales para estudiar las propiedades de transferencia de
masa en los distintos tipos de empaque que se ofrecen en el mercado para la separación
de distintas mezclas químicas. Se generan graficas hidrodinámicas y se definen
regímenes de operación para diseños de columnas de máxima separación y de alta
estabilidad de operación.
La modelación para el escalamiento de columnas industriales para el ajuste de
modelos hidrodinámicos y de transferencia de masa considerando los valores obtenidos.
Una de las variables más importantes a medir, y el objetivo de análisis en este informe, es
la caída de presión. La caída de presión es un factor muy importante debido a que el flujo
descendente de líquido ocupa los mismos canales que el flujo ascendente del gas, por lo
tanto la caída de presión es una función de ambos flujos. La mayor influencia está dada
por la distribución del líquido ya que una mala distribución traerá como consecuencia
variaciones en la caída de presión. Mantener un flujo de gas ascendente, la presión en
domo de la columna debe ser menor que en el fondo. Esta caída de presión es un factor
importante en el diseño de columnas.
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
1.2.1.Pérdida de Carga (Caída de presión)
Es la pérdida de presión que se produce en un efluente gaseoso al pasar por un
torre empacada debido a la fricción con las paredes y empaques, los cambios de
volumen, cambios en el área libre eficaz del lecho empacado, etc.
1.2.2.Punto de Carga
Es la velocidad del gas a la que se produce una interrupción en la pendiente de la
curva Log(ΔP/Z) vs Log(Flujo de gas), es decir, la caída de presión empieza a
aumentar más rápidamente con pequeños aumentos del flujo del gas. Aquí es donde el
empaque se encuentra completamente mojado hipotéticamente y donde comienza la
acumulación del líquido. En vista de que la transición de las condiciones de carga
previa alas de carga real puede ser muy gradual, el punto de carga sólo se determina
de forma aproximada. Para una estimación aproximada de la caída de presión, puede
tomarse como el límite inferior de carga.
1.2.3.Punto de Inundación
Es la velocidad lineal de gas que a un flujo de líquido determinado produce el
cambio de las fases, la fase dispersa pasa a continua y la fase continua pasa a
dispersa, ya que a velocidades muy altas de gas todo el espacio vacío en el empaque
se llena con el liquido y este no fluirá a través de la columna, produciéndose la
elevación del cuerpo del liquido de fase continua en la parte superior de la columna.
Esto último se observa físicamente como un tapón del líquido en el tope de la columna
a través del cual burbujea el gas. El punto de inundación representa la condición
máxima para una columna empacada. El valor del punto de inundación es necesario
para ajustar datos de caída de presión para un empaque específico. Sin embargo, este
valor varía según la colocación del empaque.
1.2.4.Rango de caída de presión óptimo de operación
Como es de esperarse, la velocidad del gas en una torre de relleno en operación ha
de ser inferior a la velocidad de inundación. Cuánto menor ha de ser es una elección a
criterio del diseñador. Cuanto menor sea la velocidad, menor es el consumo de
potencia y mayor el coste de la torre. Desde el punto de vista económico la velocidad
de gas más favorable depende de un balance entre el coste de la energía y los costes
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
fijos del equipo. Es frecuente operar con la mitad de la velocidad de inundación. Sin
embargo, la mayoría de las torres operan justamente por debajo o en la parte inferior
de la Zona de carga, que se explicará en el siguiente punto a tratar, aunque, como
indicará más adelante, la literatura indica que el rendimiento de diseño para una
columna empacada debe dejar margen para un porcentaje de error de ± 30% en el
punto de inundación pronosticado.
1.2.5.Retención de líquido
La retención se refiere al líquido retenido en la torre bajo la forma de película que
humedece el empaque y retenido como lagunas encerradas en los huecos existentes
entre las partículas del empaque. Se encuentra que la retención total φLt está formada
por dos partes:
Ecuación (1):
φ¿=φL 0+φLs
Donde φLs es la retención estática y φL0 la de operación o móvil; cada una está
expresada en volumen líquido/volumen empacado. La retención móvil consta del
líquido que se mueve continuamente a través del empaque y que es reemplazado
continua, regular y rápidamente por nuevo líquido que fluye desde la parte superior. Al
detener el flujo del gas y del líquido, la retención móvil se separa del empaque. La
retención estática es el líquido retenido como lagunas en intersticios protegidos en el
empaque, principalmente lagunas estancadas y que solo son reemplazadas
lentamente por líquido fresco. Al detener los flujos, la retención estática no se separa.
Cuando ocurre la absorción o desorción de un soluto, y cuando en estos procesos
ocurre la transferencia de un soluto entre el líquido total y el gas, el líquido de la
retención estática rápidamente llega al equilibrio con el gas adyacente y posteriormente
su superficie interfacial no contribuye a la transferencia de masa, excepto cuando se va
reemplazando lentamente. Por lo tanto, para la absorción y desorción, la menor área
ofrecida por la retención móvil es efectiva. Sin embargo, cuando ocurre la evaporación
o condensación, y cuando la fase líquida es el único componente puro, el área ofrecida
por la retención total es efectiva, puesto que entonces el líquido no ofrece resistencia a
la transferencia de masa.
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
1.2.6.Hidráulica de la columna de relleno con respecto a la variación de la
velocidad lineal del gas, a distintas velocidades lineales del líquido.
En la mayoría de los empaques al azar, la caída de presión que sufre el gas es
modificada por el flujo del gas y del líquido en forma similar a la que se muestra en las
Figuras 8 y 9. La pendiente de la línea para el empaque seco está generalmente en el
rango de 1.8 a 2.0; indica flujo turbulento para las velocidades más prácticas del gas.
Fig. 8. Caída de presión del gas típica para el flujo a contracorriente del líquido y el
gas en empaques al azar.1
A una velocidad fija del gas, la caída de presión del gas aumenta al aumentar el flujo
del líquido, debido principalmente a la sección transversal libre reducida que puede
utilizarse para el flujo del gas como resultado de la presencia del líquido. En la región
abajo de A, tanto en la Figura 8 como en la Figura 9, la retención del líquido (la
cantidad de líquido contenido en el lecho empacado) es razonablemente constante con
respecto a los cambios en la velocidad del gas, aunque aumenta con el flujo del
líquido. En la región entre A y B, la retención del líquido aumenta rápidamente con el
flujo del gas, el área libre para el flujo del gas se reduce y la caída de presión aumenta
más rápidamente. Cuando el flujo del gas aumenta hasta B a un flujo fijo del líquido
dado y a medida que aumenta la retención de líquido, ocurre uno de los siguientes
cambios:
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Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
r. Si el empaque se compone esencialmentes de superficies extendidas, el
diámetro eficaz de orificios se hace tan pequeño que la superficie de líquido, a
través de la cual burbujea el gas, resulta continua a través de la sección
transversal de la columna, generalmente en la parte alta del empaque, y el
ascenso en la columna de una fase continua formada por el líquido conlleva a
la inestabilidad de ésta. Con sólo un ligero cambio en el caudal de gas aparece
un gran cambio en la caída de presión (C o C’), y el fenómeno se denomina
Inundación, y es análogo a la inundación por arrastre en una columna de
platos.
s. Si la superficie del relleno es de naturaleza discontinua, y el gas burbujea a
través del líquido, el líquido puede llenar la torre, empezando por el fondo o por
cualquier restricción intermedia, como el soporte empacado, de tal forma que
hay un cambio de gas disperso-líquido continuo a líquido disperso-gas continuo
que se conoce como inversión de fase; aquí la columna no es inestable y
puede volver a la operación con fase gaseosa continua mediante la simple
reducción del caudal de gas, en forma análoga a la condición de inundación, la
caída de presión se eleva con rapidez a medida que la inversión de fases
progresa.
t. Las capas de espuma pueden elevarse rápidamente a través del empaque. Al
mismo tiempo, el arrastre del líquido por el gas efluente aumenta con rapidez y
la torre se inunda. Entonces, la caída de presión del gas aumenta muy
rápidamente.
Cuando el caudal de líquido es muy bajo, el área abierta eficaz de la sección
transversal del lecho no difiere apreciablemente de la que presenta el lecho seco y la
pérdida de carga se debe al flujo a través de una serie de diferentes aberturas en el
lecho. Por ello, la caída de presión resultará aproximadamente proporcional al
cuadrado de la velocidad del gas, como indica la región AB.
22
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Fig. 9. Características de la pérdida de carga en una torre empacada.3
Para caudales mayores de líquido, la presencia de éste hace disminuir el área
abierta eficaz y una parte de la energía de la corriente de gas se utiliza para soportar
una cantidad creciente de líquido de la columna (Región A’B’).
Cualquiera que sea el caudal de líquido, la zona entre el punto de carga y el punto
de inundación, en donde a pequeñas cambios de la velocidad lineal del gas se
producen grandes cambios en la caída de presión, es decir, donde la caída de presión
es proporcional a una potencia del flujo de gas claramente superior a 2, se denomina
Zona de Carga. Esta región es única para cada régimen de liquido establecido en la
columna. En esta zona se presenta la acumulación de liquido en la columna por la
fuerza ejercida por las grandes velocidades del gas, lo que provoca una rápida
acumulación de líquido en el volumen vacío del empaque, y así el aumento en la
pérdida de carga.
El cambio de las condiciones en la región de A a B de ambas figuras es gradual;
más que por un efecto visible, la zona de carga y la inundación iniciales están
frecuentemente determinados por el cambio en la pendiente de las curvas de caída de
presión.
Lerner, Grove y Teller señalaron una condición de operación estable más allá de la
“inundación” (región CD o C’D’) para empaque de superficie no extendida con el líquido
como fase continua y el gas como fase dispersa.
23
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
1.2.7.Caída de Presión y Ecuación de Leva.
Para el flujo de gas a través de empaques secos, la caída de presión se puede
estimar mediante la ecuación del orificio (presentada de forma general en la Ecuación
1), con una corrección adecuada por la presencia de líquido (Ecuación 2). Sobre esta
base, Leva desarrolló la siguiente correlación para la caída de presión en lechos
empacados irrigados.
Ecuación (2):
∆ P=C ρgU t2
Ecuación (3):
∆ Pz
=C210C3ut ρgU t2
Donde:
ΔP/Z: Caída de Presión por altura de empaque [inH2O/ft de empaque]= (mmH2O/m de
empaque)
C2 y C3: Constantes de la correlación de la ecuación de Leva (Anexo 5)
ut: Velocidad superficial del líquido [ft/s]
Ut: Velocidad superficial del gas [ft/s]
ρg: Densidad del gas [lb/ft3]
La correlación de Leva se desarrolló a partir de datos de pruebas para el sistema
aire-agua, funcionando por debajo del punto de inundación. Sin embargo, ésta aún no
se ha comprobado ampliamente.
Puesto que el desarrollo de la inundación se lleva a cabo para cada empaque
mediante el mismo mecanismo, se puede esperar (y se ha confirmado) que la caída de
presión en la inundación es independiente de la relación líquido-gas y sólo depende de
las propiedades físicas del sistema. Las caídas de presión o pérdidas de carga en la
inundación para diversos empaques, utilizando el sistema aire-agua se dan en la
siguiente tabla:
Tabla 3. Caída de Presión de Inundación para sistema Aire-Agua.
24
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Empaque TamañoΔP/z [mmH2O/m de
empaque]
Anillos Raschig
¼ 333.24
½ 291.585
1 333.24
1 ½ 208.275
2 208.275
Sillas Berl
½ 208.275
1 208.275
1 ½ 183.282
Telleretes (Inversión de
fase)1 208.275
La igualdad de las caídas de presión en el punto de inundación condujo a la
correlación generalizada de Leva, Eckert y colaboradores, como se muestra en la
Figura 10. Los factores de empaque para estimar la caída de presión son diferentes de
los que se utilizan para estimar el punto de inundación y varían bastante con las
condiciones de flujo, alguno de ellos se encuentran tabulados en la literatura.
1.2.8.Correlación empírica para determinar la velocidad de inundación en una
torre empacada de contacto gas-líquido
Puesto que la inundación, o la inversión de fases, representan normalmente la
condición de capacidad máxima para una columna empacada, es conveniente predecir
su valor para nuevos diseños. La primera correlación generalizada de puntos de
inundación para columnas empacadas la desarrollaron Sherwood, Shipley y Holloway
sobre la base de mediciones de laboratorio, primordialmente en la sistema aire-agua3.
Obtuvieron como resultado la relación:
Ecuación (4):
(Ut2 ap ρg
g ε3 ρl) μl
0.2=funci ó n( LG √ ρg
ρl)
Donde:
25
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Ut: velocidad superficial del gas [m/s]
ap: área total de empaque por volumen de lecho [m2/m3]
ε: fracción de espacios vacíos en el empaque seco
g: constante gravitacional = 9.8067m/s2
ρl: densidad del líquido [kg/m3]
ρg: densidad del gas [kg/m3]
L: gasto o masa velocidad del líquido [kg/s·m2]
G: gasto o masa velocidad del gas [kg/s·m2]
μl: viscosidad del líquido [mPa·s o cP]
Trabajos posteriores con sistemas formados por aire y líquidos distintos al agua han
conducido a modificaciones de la correlación de Sherwood, primero por Leva y más
tarde en una serie de artículos publicados por Eckert. Ésta última se presenta en la
siguiente figura:
Fig. 10. Correlación generalizada para inundación y caída de presión en columnas
de relleno, según Eckert.2
26
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
La Figura 11 muestra una correlación para estimar velocidades de inundación y
caídas de presión en torres de relleno. Consiste en una representación logarítmica de
Ecuación (5):
( Gs2C f μL
0.1
gc ( ρL−ρg ) ρg)=funci ón( Ls
Gs √ ρg
(ρL− ρg ) )Donde:
Ls: Velocidad másica del líquido [kg/m2*s]
Gs: gasto o masa velocidad del gas [kg/m2*s]
Cf: Coeficiente de inundación del empaque, [ft-1]3
ΡL: densidad del líquido [kg/m3]
Ρg: densidad del gas [kg/m3]
μL: viscosidad del líquido [Pa·s]
gc = factor de proporcionalidad de la ley de Newton, 1
1.2.9.Comparación entre columnas de relleno y de platos.
Las torres empacadas y de aspersión en contracorriente funcionan en forma distinta
de las torres de platos, ya que los fluidos están, no en contacto intermitente, sino en
contacto continuo durante su trayectoria a través de la torre. Por lo tanto, en una torre
empacada las composiciones del líquido y del gas cambian continuamente con la altura
del empaque. Los siguientes criterios pueden ser útiles al considerar la elección entre
los dos tipos principales de torres.
- Caída de presión del gas: Generalmente, las torres empacadas requerirán una
menor caída de presión. Con frecuencia los empaques tienen características
convenientes de eficiencia y caída de presión para destilaciones críticas al
vacio.
- Retención del líquido: Las torres empacadas proporcionarán una retención del
líquido sustancialmente menor. Esto es importante cuando el líquido se
deteriora a altas temperaturas; los tiempos cortos de retención son esenciales.
También es importante para obtener buenas separaciones en la destilación por
lotes.
27
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
- Relación líquido-gas: En las torres de platos se trabaja con los valores muy
bajos de esta relación. En las torres empacadas son preferibles los valores
altos. Sin embargo, los flujos elevados de líquido se pueden manejar en forma
económica en comunas de platos más frecuentemente que en las empacadas;
y los flujos bajos de líquido llevan al humedecimiento incompleto de los
empaques de la columna, lo que hace disminuir la eficiencia del contacto.
- Enfriamiento del líquido: Las espirales de enfriamiento se construyen más
fácilmente en las torres de platos. El líquido puede eliminarse más rápidamente
de los platos, para pasarlo a través de enfriadores y regresarlo, que de las
otras torres empacadas.
- Corrientes laterales: Son eliminadas más fácilmente de las torres de platos.
- Sistemas espumantes: Las torres empacadas operan con menor burbujeo del
gas a través del líquido y son las más adecuadas debido al grado relativamente
bajo de agitación del líquido por el gas.
- Corrosión: Cuando se tienen problemas complicados de corrosión, las torres
empacadas son probablemente las menos costosas. Sin embargo, los ácidos y
muchos otros materiales corrosivos se pueden manejar en columnas
empacadas, ya que la construcción puede ser de cerámica, carbón u otros
materiales resistentes.
- Presencia de sólidos: Ninguno de los tipos de torres es muy satisfactorio. Los
tanques con agitación y los lavadores Venturi son mejores, pero sólo
proporcionan una etapa. Si se requiere la acción a contracorriente en varias
etapas, es mejor eliminar los sólidos al principio. El polvo en el gas puede
eliminarse mediante un lavador Venturi en el fondo de la torre. Los líquidos
pueden filtrarse o bien clarificarse antes de entrar en la torre. Sin embargo, las
columnas de platos se pueden diseñar para permitir la limpieza con mayor
facilidad.
- Limpieza: La limpieza frecuente es más fácil con las torres de platos.
- Fluctuaciones grandes de temperatura: Los empaques frágiles (cerámica,
grafito) tienden a romperse como resultado de la dilatación y contracción
térmica. Los platos o empaques de metal son más satisfactorios.
- Carga sobre la base: Las torres empacadas de plástico son menos pesadas
que las torres de platos, las que a su vez son más ligeras que las torres de
cerámica o empacadas de metal. En cualquier caso, debe diseñarse la carga
28
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
sobre la base considerando que la torre puede llenarse accidental y
completamente de líquido.
- Costo: Si no hay otras consideraciones importantes, el costo es el factor
principal que debe tomarse en cuenta. Para columnas de menos de 0.6 m de
diámetro, los empaques suelen ser más baratos que los platos a menos que se
necesiten empaques de aleaciones metálicas. Sin embargo, las columnas
empacadas tienen intervalos de operación más estrechos que las de los platos
de flujo cruzado.
2. MARCO METODOLÓGICO
2.1. Materiales y equipos
Para la ejecución de la práctica se utilizaron los siguientes materiales, instrumentos y
equipos:
EQUIPOS E INSTRUMENTOS CÓDIGOS DESCRIPCIÓN
C-501D-501E-501E-502E-503
FG-501FG-502
HS-PS501A HS-PS-501B
HV-501HV-502HV-503HV-504HV-505HV-506HV-507K-501M-501
PDG-501PG-501PS-501S-501V-501
Columna EmpacadaDeshumidificador
Intercambiador de calor aguas arriba del pulmón de aireIntercambiador de calor aguas abajo del compresorIntercambiador de calor aguas arriba del compresor
Rotámetro de aguaRotámetro de aire
Interruptor de encendido del motor del compresor Interruptor de apagado del motor del compresor
Válvula para controlar el paso de aire al rotámetroVálvula de admisión de aire a la columna
Válvula aguas abajo del manómetroVálvula para controlar el paso del aire al deshumidificador
Válvula de admisión de agua de hidrolago Válvula de admisión de agua de hidrolago
Válvula para controlar el paso de agua al rotámetroCompresor de aire
Motor del compresor del aireManómetro diferencial en cmH2O
Manómetro de presión a la salida del deshumidificadorSwitch de presión del tanque
Filtro de aguas arriba del compresor de airePulmón de aire
Tabla 4.
LÍNEA DE TUBERIAS
CODIGO DESCRIPCION
29
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
1’’-A-5001-CS-NI
1’’-A-5002-CS-NI
¾’’-A-5003-CS-NI
¾”-A-5004-CS-NI
¾”-W-5001-CS-NI
1’’-W-5002-GNI
¾” -W-5003-P-NI
Línea de admisión de aire al compresor
Línea de comunicación entre los intercambiadores E-502 y E-503
Línea de admisión de aire al laboratorio proveniente de la sala de máquinas
Línea de admisión de aire a la columna
Línea de admisión de agua proveniente de hidrolago
Línea de vidrio para el drenaje de agua de la columna empacada
Línea de drenaje de agua de la columna empacada
Tabla 5.
2.2. Descripción del Equipo
2.2.1.Torre Empacada QVF
La torre empacada de marca QVF; mostrada en la figura 11, tiene como relleno
anillos Raschig plásticos de ½” de tamaño nominal, y cuenta con un aspersor de agua
de puntos múltiples que permite una extensión uniforme del agua sobre el lecho
empacado, así como también con cuatro (4) redistribuidores de líquido ubicados cada
33 cm de lecho empacado aproximadamente, que posibilita una adecuada irrigación
del empaque. Ésta columna tiene a su vez conectada dos rotámetros, uno para
establecer el caudal gas FG-501 y otro para establecer el caudal de agua FG-502, y
un manómetro diferencial de agua PDG-501 que permite tomar las medidas de caída
de presión del aire en el lecho empacado en cmH2O, al estar éste a su vez conectado
arriba (baja presión) y debajo (alta presión) de dicho lecho empacado. En la parte
baja de la torre empacada se encuentra la válvula de drenaje, y justamente debajo de
la de la toma de alta presión del manómetro PDG-501 está marcado el nivel al cual se
debe encontrar el agua para trabajar con la columna, el cual está a 250 mm hacia
arriba del fondo de la torre.
30
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Fig. 11. Torre Empacada con anillos Rasching de ½ junto a los rotámetros de aire y de
agua
2.2.2.Manómetro de Presión
El aire es admitido en el laboratorio hacia la columna cuando el Manómetro de
presión a la salida del deshumidificador PG-501 indica una presión de 110 psig, de
manera tal que se asegure que el pulmón del compresor se encuentre cargado y que
haya un buen flujo de gas a través de la columna durante la medición de las caídas
de presión de gas en ésta, evitando entonces la descarga innecesaria del pulmón de
aire en el compresor.
Fig. 12. Manómetro de Presión
31
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
2.2.3.Compresor de Aire
Ubicado en la sala de máquinas en las afueras del laboratorio, es un compresor de
desplazamiento positivo de doble pistón. Para realizar dicho desplazamiento al ser
puesto en servicio el motor del compresor M-501, mediante el interruptor de
encendido HS-PS-501A, el compresor consta de dos cámaras, una de baja presión,
que es por donde entra el aire luego de haber sido admitido por el Filtro de Aire S-501
(que separa cualquier partícula del aire que pueda provocar accidentes por trabajarse
a alta presiones en el compresor) que tiene adjunto, luego el aire atraviesa el
compresor K-501 y se desplaza hacia la segunda cámara, que es de alta presión, y
es por ello que el volumen o tamaño de ésta es menor que la de la cámara de baja
presión. Ambas cámaras tienen un intercambiador de calor, uno aguas arriba del
compresor E-502 en la cámara de baja presión, y otra agua abajo del compresor E-
503 en la cámara de alta presión.
Fig. 10. Compresor de Aire
32
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
2.3. Procedimiento Experimental
2.3.1.Verificación de las Válvulas y Equipos
- Se verificó que la válvula de drenaje de la torre este completamente cerrada.
- Se verificó que las válvulas HV-507, HV-506, HV-505 de admisión de agua de
hidrolago a la torre estén completamente cerradas.
- Se verificó que las válvulas HV-503, HV-502, de admisión de aire del pulmón hacia
el laboratorio estén abiertas.
- Se verificó que la válvula HV-504 de salida del pulmón de aire estuviera abierta.
- Se verificó que la válvula de drenaje del pulmón se encontrase completamente
cerrada.
- Se verificó que el interruptor HS-PS501A del compresor, este Activado (“on”).
2.3.2. Medición de Caídas de Presión a lo Largo de la Torre para flujo de Líquido
igual a cero
- Se chequeó que el manómetro PG-501 tenga 110 psig de presión y se abrió con
mucho cuidado la válvula HV-501 de admisión de aire al rotámetro FG-502.
- Se Aumentó el flujo de aire a través del rotámetro FG-502, en intervalos de 5%
comenzando desde 10% hasta 60%, con un flujo de líquido igual cero.
- Por cada flujo de aire establecido, se midió la caída de presión de la torre a través
del manómetro diferencial PDG-501.
2.3.3.Medición de Caídas de Presión a lo Largo de la Torre para el primer flujo
de Líquido Bajo hasta el Punto de Inundación
-Se abrieron las válvulas HV-506 y HV-507 de admisión de agua de hidrolago.
- Se abrió la válvula de drenaje de la C-501.
- Se Estableció el flujo bajo indicado por el Profesor a través del rotámetro FG-501 a
través de la válvula HV-505.
- Se Controló el nivel de agua en el fondo de la torre con la válvula de drenaje en 250
mm.
- Se aumentó el flujo de aire a través del rotámetro FG-502, en intervalos de 2%
comenzando desde 10% hasta observar la inundación.
- Por cada flujo de aire establecido, se midió la caída de presión de la torre a través
del manómetro diferencial PDG-501.
33
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
- Se esperó a que el compresor restableciera la presión en el cabezal de aire
verificando que el PG-501 marcara 110 psig.
2.3.4.Medición de Caídas de Presión a lo Largo de la Torre para el segundo
Flujo de Líquido Alto hasta el Punto de Inundación
- Se abrieron las válvulas HV-506 y HV-507 de admisión de agua de hidrolago.
- Se abrió la válvula de drenaje de la C-501.
- Se estableció el flujo bajo indicado por el Profesor a través del rotámetro FG-501 a
través de la válvula HV-505.
- Se controló el nivel de agua en el fondo de la torre con la válvula de drenaje en 250
mm
- Se aumentó el flujo de aire a través del rotámetro FG-502, en intervalos de 2%
comenzando desde 10% hasta observar la inundación.
- Por cada flujo de aire establecido, se midió la caída de presión de la torre a través
del manómetro diferencial PDG-501.
- Se esperó a que el compresor restableciera la presión en el cabezal de aire
verificando que el PG-501 marcara 110 psig.
2.3.5.Medición de Caídas de Presión a lo Largo de la Torre para el primer Flujo
de Líquido Alto hasta el Punto de Inundación
- Se abrieron las válvulas HV-506 y HV-507 de admisión de agua de hidrolago.
Se abrió la válvula de drenaje de la C-501.
Se estableció el flujo alto indicado por el Profesor a través del rotámetro FG-501 a
través de la válvula HV-505.
- Se controló el nivel de agua en el fondo de la torre con la válvula de drenaje en 250
mm.
- Se aumentó el flujo de aire a través del rotámetro FG-502, en intervalos de 2%
comenzando desde 10% hasta observar la inundación.
- Por cada flujo de aire establecido, se midió la caída de presión de la torre a través
del manómetro diferencial PDG-501.
2.3.6.Medición de Caídas de Presión a lo Largo de la Torre para el segundo
Flujo de Líquido Alto hasta el Punto de Inundación
34
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
- Se abrieron las válvulas HV-506 y HV-507 de admisión de agua de hidrolago.
- Se abrió la válvula de drenaje de la C-501
- Se estableció el flujo alto indicado por el Profesor a través del rotámetro FG-501 a
través de la válvula HV-505.
- Se controló el nivel de agua en el fondo de la torre con la válvula de drenaje en 250
mm.
- Se aumentó el flujo de aire a través del rotámetro FG-502, en intervalos de 2%
comenzando desde 10% hasta observar la inundación.
-Por cada flujo de aire establecido, se midió la caída de presión de la torre a través
del manómetro diferencial PDG-501
2.3.7.Parada del Sistema
- Se cerraron las válvulas: HV-502, HV-503, HV-506 y HV-507.
- Para finalizar se presionó el interruptor hs-ps501b (“off”) para apagar en compresor
K-501
3. DATOS EXPERIMENTALES
3.1. Datos Generales
Presión Atmosférica: 760mmHg
Temperatura Ambiente: 22°C
100% Rotámetro Agua equivale a 2,7gpm para un liquido de g.e. de 1
100% rotámetro de aire equivale a 8.1 scfm. Condiciones estándar: 14.7 psia y 70°F
DATOS DE LA COLUMNA
Marca: Q.V.F
Altura del empaque: 133.5 cm
Tipo de empaque: Anillos Rasching 1/2”
Diámetro de la Columna: 6,5 cm
3.2. Caídas de presión en la torre para el empaque seco
.
% Rotámetro de Aire ΔP [mmH2O]
35
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
10 0
15 0,4
20 0,6
25 0,9
30 1,2
35 1,7
40 2,1
45 2,7
50 3,6
55 4,5
60 5,6
Tabla 6.
3.3. Caídas de presión en la torre para flujo de agua bajo y alto
Tabla 7. Caídas de presión para flujo de agua diferente de cero
%
Rotámetro
De Aire
Caída de Presión ΔP [cmH2O]
Flujo de Agua Bajo
% de Rotámetro de agua
Flujo de Agua Alto
% de Rotámetro de agua
22 42 62 82
10 0.2 0.5 0.2 0.8
12 0.4 0.5 0.6 1
14 0.6 0.7 0.8 1.4
16 0.6 0.9 1.2 1.8
18 0.8 1.1 1.3 2
20 0.9 1.2 1.7 2.7
22 1 1.5 1.8 3
24 1.2 1.6 2.1 3.2
26 1.4 1.8 2.9 4
28 1.6 2.1 3.1 5.5
30 1.8 2.5 4 7.1
32 2.1 2.9 5 8.4
34 2.5 3.3 6.9 11
36 2.7 4.5 7.5 12.9
36
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
38 2.9 5.3 9.3 15.5
40 3.7 6.2 11 18
42 4.3 7.3 13.2 21
44 5 8.5 15 24.8
46 5.5 9.9 16.9 28
48 6.2 11 19.5 30.8
50 6.9 13.7 22 34
52 8.3 15 24 38
54 9.3 17 27.5 43
56 10.2 19 31.5 48
58 11.5 21 36 52
60 12.9 23 40
62 14.7 26 44
64 16 28 48
66 16.5 31.9
68 20 37
70 22 42
72 24 45.5
74 26 50
76 28.2
78 31.2
80 38.9
82 44
84 49.7
37
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
4. Cálculos típicos
4.1. Perdidas de energía de la C-501 en función del flujo de gas, sin flujo de
líquido
ΔPZ
=C2∗10(C¿¿3∗ut)∗ρg∗Ut 2¿ (ec.1)
Donde:
ΔP: Caída de presión en la torre por longitud de empaque (in H2O/Ft)
ρg : Densidad del gas (Lb/Ft³)
Ut: Velocidad superficial del gas (Ft/s)
ut: Velocidad superficial del líquido (Ft/s)
C2 y C3: Constantes del empaque
Z: Altura de la torre empacada (Ft)
Aplicando logaritmo a la ecuación de Leva, se obtiene una expresión que puede
representarse gráficamente:
logΔPZ
=log (C2)+(C3∗ut∗log10 )+log ( ρg)+2 log (Ut ) (ec.2)
Conociendo el tamaño nominal (1/2 in) y el espesor de la pared del empaque (3/32
in) se entra a la Tabla 18.7 del Manual del Ingeniero Químico. Perry, Tomo V (Anexo 2)
se conoce los coeficientes para la ecuación de Leva; mostrados en la siguiente tabla:
Coeficientes de la ecuación de leva para
anillos Rasching ½ in
C2 3.5
C3 0.0577
Tabla 8.
4.2. Calculo del área transversal de la torre empacada
A=π4∗( D )2 (ec.3)
38
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
A=π4∗(15,5
cm∗ft30,48cm )
2
=2 ,031∗10−1 ft2
A=2,031E−1 ft²∗1m ²
(3,28 ft ) ²=1 ,887E-2m ²
4.3. Caudal de aire a las condiciones de operación
El caudal corregido a las condiciones de trabajo (T1= 22°C y P1=760mmHg) a partir
de los datos de calibración del rotámetro para el aire es:
100% Rotámetro Aire equivale a 8,1 scfm. Condiciones Estándar: 14,7 psia y 70 °F
- Condiciones estándar
T0= (70° F−32 )∗5
9=¿ 21.11 °C
P0= 14,7psia∗51,7mmHg
1 psia=¿760 mmHg
PV=nRT Ecuacion de Estado Para Gases Ideales
Entonces P .Q=nRT
Q1∗P1
T 1
=Q 0∗P0
T 0 (ec.4)
Q0=
8,1 ft3
min∗1m ³
(3,28084 ft ) ³∗1min
60 s=3,823∗10−3m ³/s
Q1=Q0∗P0∗T 1
T0∗P1
=3,823¿10−3 m3
s∗760mmHg∗(22 °C+273,15)
(21,11°C+273,15)∗760mmHg
39
El flujo molar (n) y la constante universal de los
gases son constante
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Q1=3 ,835E-3m ³ /s
4.4. Calculo de la velocidad superficial del aire
4.4.1.Para 10% de Rotámetro de Aire
Q 'aire 10=3,8 35E−3
m3
s∗% R
100
Q 'aire 10=3,857 E−3
m3
s∗22
100=3,843 7 E−4 m ³ /s
Ut=Q 'aireA
(ec.6)
Ut=3,857 E−4 m ³ /s1,887 E−2m ²
=2,04 E−2m/ s
Se transforma a Ft/s la velocidad lineal del aire
Ut (Ft /s)=Ut (m /s )∗3,28084Ft1m
(ec.7)
Ut (Ft /s)=2,04 E−2ms∗3,28084
Ft1m
=6 ,707 E−2Ft /s
La densidad del aire puede calcularse a partir de la ecuación de gas ideal
P∗V=n∗R∗T
P∗V= mM
∗R∗T
ρaire=mV
= P∗MR∗T
(ec.8)
40
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Para el aire:
M: Peso molecular (29 g/mol)
P: Presión de operación (758mmHg)
R: Constante de los gases (8,314 Pa*m³/mol*K)
T: Temperatura (23°C)=23 + 273,15 = 296,15 K
758mmHg∗133.3224 Pa
1mmHg=101058,355 Pa
ρaire=29
gmol
∗101058,355Pa
8,314Pa∗m ³mol∗K
∗(296,15 K)=1190,27
g
m3
ρaire=1 ,190kg /m ³
ρaire=1,190
kg
m3∗1m ³
(3,28084 Ft )³∗2,204616 lb
1kg=7 ,431E−2 lb /Ft ³
Caída de Presión por longitud de empaque Teórica
Para el caudal de líquido cero se asume
ut=0, por lo que la ecuación 2 queda:
logΔPZ
teo=log (C2)+ log (ρg)+2 log (Ut )
Sustituyendo:
logΔPZ
teo=log (3,5)+ log (7,431 E−2)+2 log (6,707 E−2)
logΔPZ
=−2,9318
41
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
ΔPZ
teo=1 ,17 E−3 inH 2O /Ft
De la misma manera se obtienen las caídas de presión teóricas por longitud de empaque
para los demás caudales de aire.
Caída de Presión por longitud de empaque Experimental
Para 15% de Rotámetro de Aire
ΔPZ
exp=0,4 cmH 2
O∗1∈H 2O2,54 cmH 2O
149cm∗1Ft30,48cm
=3 ,22E−2∈H 2O / ft
logΔPZ
exp=−1,4919
De la misma manera se obtienen las caídas de presión experimentales por longitud de
empaque para los demás caudales de aire.
2. Perdidas de energía de la C-501 en función del flujo de gas, a dos regímenes de
flujo de liquido bajo y flujo de líquido alto.
Para 25% de Rotámetro de agua
Velocidad Superficial del Líquido
ut=Qagua
A (ec.9)
42
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
El caudal para 100% rotametro de agua equivale a 2,7gpm para un liquido con gravedad
especifica (gc) de 1
Para el agua gc=1 por lo tanto:
Qagua=2,7gpm∗% Rot
100 (ec.10)
Qagua=2,7gpm∗25
100=0,675gpm
Qagua=0,675
galmin
∗0,1337 Ft ³
gal∗1min
60 s
Qagua=1 ,504 E−3 Ft ³ /s
ut=1,504 E−3 Ft ³/s2,031 E−1Ft2
=7,406 E−3Ft /s
De la misma manera se obtienen las velocidades superficiales de líquido para los demás
porcentajes de rotámetro, y se calcula el caudal y la velocidad lineal del aire mediante las
ecuaciones (5), (6) y hacer la conversión respectiva mediante la ecuación (7).
Para 10% de Rotámetro de aire
Qaire=3,857 E−4 m/ s
Ut=6,707 E−2 Ft / s
Caída de Presión por longitud de empaque Teórica
Utilizando la ecuación (2), se puede calcular la caída de presión teórica en la torre para
distintos caudales de aire a un caudal de líquido establecido en este caso
1,504 E−3 Ft ³ /s:
43
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
logΔPZ
teo=log(3,5)+ (0,0577∗ut∗log 10 )+log(7,431 E−2)+2 log(Ut)
Sustituyendo las velocidades lineales del aire y del agua; en este caso para 10% de
Rotámetro de Aire y 25% de Rotámetro de Agua queda:
logΔPZ
teo=log (3,5)+ (0,0577∗7,406E-3 )+log (7,431E-2)+2 log (6,707E-2)
logΔPZ
teo=−2,9314
ΔPZ
teo=0,0012 inH 2O /Ft
De igual manera se calculan las caídas de presión teóricas por longitud de empaque para
los diferentes caudales de gas.
Caída de Presión por longitud de empaque Experimental
Para 10% de Rotámetro de aire
ΔPZ
exp=1cmH 2
O∗1∈H 2O2,54 cmH 2O
149cm∗1 Ft30,48cm
=3,22 E−2∈H 2O /Ft
ΔPZ
exp=0,0805 inH 2O /Ft
logΔPZ
exp=−1,0940
De igual manera se calculan las caídas de presión experimentales por longitud de
empaque para los diferentes caudales de aire.
44
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Este apartado 2 de los anexos se realiza de la misma manera para los demás porcentajes
de rotámetro de agua (35, 65 y 80%).
Caída de Presión en el punto de inundación
Ut de inundación corresponde al último valor del % de rotámetro de aire, por lo que:
%R de agua 25% 35% 65% 80%
Utinund (m/s) 1,554E-01 1,431E-01 1,104E-01 1,104E-01
Utinund (Ft/s) 5,097E-01 4,695E-01 3,622E-01 3,622E-01
ΔP (cm H2O) 35,6 38,4 49,9 46
Rango de Caída de Presión Óptimo de Operación
El Utinund (Ft/s) se multiplica por 0,7 y luego se le aplica el logaritmo natural
log (5,097E-1∗0.7)=−0,4475
Para obtener el rango de caída de presión óptimo de operación se grafica desde este
valor hasta cada uno de los puntos de carga para cada porcentaje de rotámetro de agua.
Se realiza este mismo procedimiento para los demás porcentajes de rotámetro de agua
Calculo de las velocidades lineales de gas de inundación a los distintos regímenes
de liquido estudiados con la correlación generalizada en coordenadas de Eckert
Gs ²∗C f∗μL0,1∗J
gc∗ρg∗( ρL−ρg)=función de :
L s
G s
∗√ ρg
ρL−ρg
(ec.11)
Trabajando con las unidades del sistema internacional (SI):
gc= 1 factor de proporcionalidad de la ley de Newton
J = 1 para unidades en Sistema Internacional (m.k.s)
C f= 580 Anillos Raschig de cerámica de ½ en la tabla 6.3 del Treybal (Anexo 2)
45
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
ρL @ 23°C y 758mmHg
23°C + 273,15 = 296,15 K
Con esta temperatura se entra al Apéndice I del Libro “Fundamentos de Transferencia de
Momento, Calor y Masa – Welty 2da Edición” (Anexo 1), y se interpola la densidad y la
viscosidad del agua.
T (K) ρL (Kg/m³) μL x106 (Pa*s)
293 998,2 993
296,15 X X
313 992,2 658
ρL=997,255 Kg /m ³ μL=940,2375E-6 Pa∗s
μL=9,4E-4 Kg /(m∗s )
La densidad del aire se calculó mediante la (ec.8)
ρg=1,190 Kg /m ³
Para 25% de Rotámetro de Agua
Ls=ut (%Rot )∗ρL (ec.12)
La velocidad lineal del agua obtenida mediante la (ec.9) se debe llevar a unidades del
sistema internacional (m/s)
ut (ms )=7,406E-3
Fts
∗1m
3,28084 Ft=2,26E-3m /s
46
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Ls=2,26E-3ms∗997,255
Kg
m3
Ls=2,2510Kg /(m2∗s)
Como punto de partida se utiliza el Ut de inundación experimental
Gs=Ut∗ρg (ec.13)
Gs=1,554E-01ms∗1,190
Kg
m3
Gs=1,85E−1 Kg /(m2∗s)
Para entrar en la gráfica de Eckert se debe calcular X y Y
X=L s
G s
∗√ ρg
ρL−ρg
X= 2,25101,85E-1
∗√ 1,190997,255−1,190
X=0,4208
Y=Gs ²∗C f∗μL
0,1∗Jgc∗ρg∗(ρL−ρg)
Y=(1,85E-1) ²∗580∗(9,4E-4 )0,1
1,190∗(997,255−1,190)
Y=0,0083
47
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Con las coordenadas X y Y se entra a la gráfica de Eckert (Anexo 4) y se verifica si el
punto calculado pertenece la curva de inundación, si no es parte de la curva se debe
asumir un Ut de inundación para calcular de nuevo el Gs, y posteriormente obtener unos
nuevos valores para X y Y, y entrar nuevamente en la grafica, si cae en la curva se asume
que esa es la velocidad lineal del aire en la inundación
Asumiendo Ut=0,89 m/s
Gs=0,89ms∗1,190
Kg
m3 Gs=1,0593
X=2,25101,0593
∗√ 1,190997,255−1,190
X=0,0735
Y=(1,85E-1) ²∗580∗(9,4E-4 )0,1
1,190∗(997,255−1,190)Y=0,2735
Con estos nuevos valores de X y Y se entra al (Anexo 4) y se verifica que efectivamente
pertenecen estos valores a la curva de inundación.
Se calcula el Caudal de inundación teórico mediante:
Qinund ,teo=Ut inund ,teo× A=0,89ms×1,887E-2m ²=0,0168
m3
s (ec.14)
O si se desea en flujo másico, se tiene:
minund , teo=QAinund ,teo×ρL=0,0168m3
s×997,255
kgm3 =0,02
kgs
(ec.15)
Análogamente, se determinan los restantes QA inund,teo para los diferentes flujos de agua
(Tabla 9).
Se calcula el Caudal de inundación experimental para comparar
48
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Qinund ,exp=Ut inund ,exp∗A Qinund ,exp=1,554E-01m ²∗1,887E-2m ²
Qinund ,exp=2,92E-3m3
s
Se calcula el % de error para cada uno de los % de rotámetro de agua
Para el porcentaje de Rotámetro de Agua de 25% (los valores de QA inund,exp se hallan en la
Tabla 9)
%Error25 %=|QAinund ,teo , 25%−QAinund ,exp , 25%
QAinund ,exp , 25%|×100 % (ec.16)
%Error25 %=|0,0168m ³ /s−2,92E-3m ³/ s2,92E-3m ³ /s |×100 %
%Error25 %=474,194 %
Análogamente se determinan los demás porcentajes de error para los distintos flujos de
agua
Calculo de la pendiente para determinar el punto de carga
Para 25% de rotámetro de agua y 26% de rotámetro de aire
Log(Ut)@24%rot= -0,79326083 Log (ΔP/Z)@24%rot=-0,91791376
Log(Ut)@26%rot= -0,75849873 Log (ΔP/Z)@26%rot=-0,71379378
m=|−0,71379378−(−0,91791376)−0,75849873−(−0,79326083)|=¿5,87191067
Como este es el valor más alto de este porcentaje de rotámetro de agua este punto es un
posible candidato para ser punto de carga. También se debe tomar en cuenta la definición
de un punto de carga ya explicada con anterioridad, como se observa en la figura 12, este
es el punto A, después de este punto, se estabiliza durante algunos porcentajes de
rotámetro y luego vuelve a subir, por ello se escogieron los distintos puntos de carga
gráficamente usando lo que ya se conoce como punto de carga.
49
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Ecuación empirica para la C-501
Se comparan las ecuaciones empíricas obtenidas en cada una de las curvas de
porcentaje de rotámetro de agua tanto flujo bajo, como flujo alto y también para los
empaques secos hasta el punto de carga. Y se observa una característica que tengan
todas en común, en este caso tienen una tendencia polinomica de tercer orden, por lo que
el modelo empírico para predecir las caídas de presión en la C-501, queda expresado de
la siguiente manera:
log( ∆Px %
z )=A∗(log (Ut ) )3+B∗( log (Ut ) )2+C∗log (Ut )+D
Donde:
ΔPx%/z: Caída de presión por altura de empaque al x% de rotámetro de gas.
Ut: Velocidad superficial de gas.
A, B, C, y D: Constantes que dependen del flujo de líquido a utilizar y las unidades con las
cuales se sustituyan ΔPx%/z y Ut.
Calculo del número de Reynolds
Se realiza un cálculo del número de Reynolds para verificar si uno de los fluidos de
trabajo (aire) se encuentra en una condición turbulenta, adaptándose a la ecuación de
leva.
ℜ= 4∗ρ∗Qπ∗D∗μ
Donde:
D: Diámetro: 0,155m ρ: Densidad: 1,19028 kg/m³
Q: Caudal (m³/s)μ7: Viscosidad=0,018cP=1,8E-5
kgm∗s
Se asume el caudal de inundación de 25% de porcentaje de rotámetro ya que es el que
máximo caudal que se obtiene Q: 2,93E-03 m³/s
ℜ=4∗1,19028kg /m ³∗2,93 E−03m ³/ s
π∗0,155m∗1,8E-5kg
m∗s
=1591,56
50
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Por lo que se puede evidenciar que el Re no supera el valor mínimo (2300) para
representar fluido turbulento por lo que no se adapta a la ecuación de leva con las
condiciones utilizadas.
Cálculo del % de error para las caídas de presión
%Error (ΔP/Z)%aire=|(ΔP /Z )teo ,%aire−(ΔP /Z)exp , %aire
(ΔP/Z)exp , %aire|×100 %
Para 25% de rotámetro de agua y 10% de rotámetro de aire
%Error (ΔP/Z)25 %=|1,171E-3inH 2O
Ft−0,0805 inH 2O
Ft
0,0805inH 2O
Ft|×100 %=98,55 %
Se realiza este cálculo para los distintos porcentajes de rotámetro de aire y agua.
1. Resultados y Discusiones
Las representaciones gráficas de la pérdida de energía en forma de caída de presión del
aire en la columna empacada en función del flujo de aire, cuando no hay flujo de agua
(empaque seco), se muestran a continuación:
-1.3 -1.2 -1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3-3.0000
-2.5000
-2.0000
-1.5000
-1.0000
-0.5000
0.0000
f(x) = 0.501313240016142 x³ + 2.16211622329825 x² + 3.98492617036125 x + 1.01472507224028R² = 0.999366344214935
f(x) = 1.99999999999997 x − 0.584905689212972R² = 1
Empaque Seco
Leva seco Linear (Leva seco) Exp seco Polynomial (Exp seco)Log (Ut)
Log
(ΔP/
Z)
Punto de Carga
Figura 11. Log(ΔP/z) vs. Log(Ut) para Empaque seco hasta el punto de inundación
51
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Se puede observar en la figura 11, que tanto la curva teórica como la experimental
adoptaron comportamientos diferentes, teniendo la teórica un ajuste perfectamente
lineal, lo cual era de esperarse por la expresión lineal obtenida para la ecuación de
Leva (en el Apéndice), y para la experimental un ajuste polinómico de orden 3, con
una correlación muy alta debido a la uniformidad de datos recopilados.
Se puede notar claramente que la predicción de la ecuación de Leva para
Empaque seco es muy pobre o diferente a la obtenida experimentalmente, ya que la
curva teórica se encuentra muy por debajo de la experimental, y además, con un
comportamiento diferente como se explicó anteriormente. Dicha baja capacidad de
predicción de la ecuación se comprobó aún más al determinar los porcentajes de
error con respecto a las caídas de presión por altura de empaque obtenidos con los
calculados, los cuales arrojaron valores muy elevados y que se muestran en la
siguiente tabla:
Tabla 5. Porcentajes de Error para Empaque seco
%Rot.
Aire
ΔP/zteo, x%
[inH2O/Ft]
ΔP/zexp
[inH2O/Ft] %Error
10 1,17E-03 0 -
15 2,63E-03 3,22E-02 91,83
20 4,68E-03 4,83E-02 90,32
25 7,31E-03 7,25E-02 89,91
30 1,05E-02 9,66E-02 89,11
35 1,43E-02 1,37E-01 89,53
40 1,87E-02 1,69E-01 88,93
45 2,37E-02 2,17E-01 89,11
50 2,92E-02 2,90E-01 89,91
55 3,54E-02 3,62E-01 90,24
60 4,21E-02 4,51E-01 90,66
De manera general, puede decirse que el porcentaje de error oscila entre 89% y 92%, sin
embargo no presenta un comportamiento regular de aumento o disminución a medida que
52
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
aumenta el flujo de gas, lo cual puede deberse a los errores cometidos durante la
ejecución de las tomas de mediciones en la práctica. Además cabe destacar que como se
obtuvo una caída de presión igual a 0 para el porcentaje de rotámetro de aire igual a 10,
al calcular el porcentaje de error, se obtiene una ambigüedad, por lo que se grafica desde
el punto siguiente
Para regímenes de flujo de agua bajo se obtuvieron los siguientes comportamientos:
-1.2 -1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
f(x) = 2 x − 0.584307464371892R² = 1
f(x) = 1.91914255897842 x³ + 5.78703873287518 x² + 7.59571950674421 x + 2.431146493672R² = 0.998982319845433
f(x) = 1.99999999999999 x − 0.584478385755056R² = 1
f(x) = 1.68432500239871 x³ + 6.17810141143652 x² + 7.74763826753398 x + 2.26456151712467R² = 0.994267566400778
Flujo de Agua Bajo
Exp 25% Polynomial (Exp 25%) Leva 25% Linear (Leva 25%)Exp 35% Polynomial (Exp 35%) Leva 35% Linear (Leva 35%)
Log (Ut)
Log
(ΔP/
Z) Punto de Carga esperadoA
B
Figura 12. Log(ΔP/z) vs. Log(Ut) para Flujo de Agua bajo
De la Figura 12, donde aparecen los dos flujos de agua bajos señalados por el profesor,
se puede notar que al igual que para empaque seco, los coeficientes que acompañan los
términos de Ut en las ecuaciones de ajuste no difieren en gran medida, es decir, que para
caudales bajos de agua, la ecuación de Leva se mantiene casi igual a como cuando el
empaque está seco, no toma mucho en cuenta las pérdidas de carga provocadas por el
contacto continuo del aire con el agua en su corrección; mientras que en los ajustes de las
curvas experimentales se observa que, aunque de igual manera al empaque seco tienen
comportamiento polinómico de tercer orden, los coeficientes de las ecuaciones si
aumentaron significativamente de las obtenidos a cero flujo de agua, por lo que puede
decirse entonces que la presencia del flujo de agua incide notoriamente en las pérdidas
53
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
de carga del aire. Además, se observa que tienen comportamientos diferentes la curva
experimental y la de leva, donde las pérdidas de energía obtenidas en la práctica son
mucho mayores a las calculadas por la ecuación de Leva; esto se debe a que la presencia
de líquido en la ecuación no afecta en gran magnitud a ésta, mientras que
experimentalmente se obtiene que, aunque el caudal de agua sea bajo, hay una
diferencia marcada entre cuando el aire transita sólo a través de la columna y cuando ésta
se encuentra en contacto con el agua.
Al igual que en la 11 para los resultados de Empaque seco, en la Figura 12 se confirma lo
previamente comentado, ya que ambas curvas teóricas, además de tener un
comportamiento exactamente igual indicando entonces su independencia del flujo de
líquido o presencia de éste así como de sus variaciones, tienen un comportamiento lineal
mientras que las experimentales polinómico de orden tres. Por lo tanto, puede decirse que
la ecuación de Leva tampoco predice satisfactoriamente las pérdidas de carga para
cuando se establece un flujo bajo de agua. Se puede destacar que al momento de
calcular el punto de carga, la mayor pendiente la obtuvo el punto A mostrado en la figura
12, pero este valor presenta un comportamiento irregular, ya que si este fuera el punto de
carga debería existir un aumento pronunciado de la caída de presión al aumentar la
velocidad lineal del aire, lo que no se cumple ya que aumenta y luego se estabiliza, por
ello en el rango óptimo de presión se trabajó con los puntos que presentaran el
comportamiento esperado para un punto de carga y no los que se calcularon porque se
pudieron obtener muchos errores al momento de registrar los valores durante la
realización de la práctica, de igual manera para la curva de 35% al calcular el punto de
carga, se observó que se encontraba en el punto B, por lo que está más alejado de la
realidad, ya que este era el punto de inundación.
La discrepancia mostrada entre los resultados obtenidos en el laboratorio y los calculados
por la ecuación de Leva se corroboraron al determinar los porcentajes de Error, cuyos
valores fueron los siguientes:
Tabla 6. Porcentajes de Error para Flujo de agua bajo
%Rot.Agua
:
25 35
%Rot.AireΔP/zexp
[inH2O/Ft]
ΔP/zteo
[inH2O/Ft]%Error
ΔP/zexp
[inH2O/Ft]
ΔP/zteo
[inH2O/Ft]%Error
54
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
10 0,0805 1,171E-03 98,55 0 1,172E-03 -
12 0,1047 1,686E-03 98,39 0,0322 1,687E-03 94,76
14 0,1128 2,295E-03 97,96 0,0483 2,296E-03 95,25
16 0,1128 2,998E-03 97,34 0,0564 2,999E-03 94,68
18 0,1128 3,794E-03 96,63 0,0725 3,796E-03 94,76
20 0,1128 4,684E-03 95,85 0,0886 4,686E-03 94,71
22 0,1208 5,668E-03 95,31 0,1047 5,670E-03 94,58
24 0,1208 6,745E-03 94,42 0,1289 6,748E-03 94,76
26 0,1933 7,916E-03 95,90 0,1450 7,919E-03 94,54
28 0,2013 9,181E-03 95,44 0,1691 9,185E-03 94,57
30 0,2174 1,054E-02 95,15 0,1933 1,054E-02 94,55
32 0,2255 1,199E-02 94,68 0,2174 1,200E-02 94,48
34 0,2255 1,354E-02 94,00 0,2577 1,354E-02 94,75
36 0,2336 1,518E-02 93,50 0,2899 1,518E-02 94,76
38 0,2899 1,691E-02 94,17 0,3544 1,692E-02 95,23
40 0,3302 1,874E-02 94,33 0,4268 1,874E-02 95,61
42 0,3785 2,066E-02 94,54 0,4591 2,067E-02 95,50
44 0,4430 2,267E-02 94,88 0,5879 2,268E-02 96,14
46 0,4832 2,478E-02 94,87 0,6282 2,479E-02 96,05
48 0,5557 2,698E-02 95,14 0,7732 2,699E-02 96,51
50 0,6362 2,928E-02 95,40 0,8940 2,929E-02 96,72
52 0,7490 3,167E-02 95,77 1,0148 3,168E-02 96,88
54 0,8456 3,415E-02 95,96 1,1356 3,416E-02 96,99
56 0,9826 3,672E-02 96,26 1,2966 3,674E-02 97,17
58 1,1114 3,939E-02 96,46 1,4899 3,941E-02 97,35
60 1,2644 4,216E-02 96,67 1,6510 4,217E-02 97,45
62 1,3450 4,502E-02 96,65 1,8765 4,503E-02 97,60
64 1,4980 4,797E-02 96,80 2,0698 4,799E-02 97,68
66 1,6832 5,101E-02 96,97 2,2953 5,103E-02 97,78
68 1,8765 5,415E-02 97,11 2,6174 5,417E-02 97,93
70 2,0295 5,738E-02 97,17 3,0926 5,740E-02 98,14
72 2,2953 6,071E-02 97,36
55
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
74 2,5933 6,413E-02 97,53
76 2,8671 6,764E-02 97,64
De la tabla 6 se puede observar primeramente que los porcentajes de error son mayores
en comparación con los obtenidos con el empaque seco, lo que es debido a la falta de
exactitud de la ecuación de Leva cuando existe la presencia de líquido, además cabe
destacar que dicha ecuación se desarrolló a partir de datos del sistema aire-agua
funcionando por debajo del punto de inundación mientras que en la práctica se elevó el
caudal de aire hasta llegar a dicha condición, por lo que en los últimos valores de
porcentaje de rotámetro de aire se obtienen los porcentajes de error más altos, los cuales
aumentan con el incremento del caudal de aire. Como se conoce la ecuación de leva
asume completa irrigación del lecho empacado por ello al principio también se registran
altos porcentajes de error, ya que apenas se estaba mojando la torre empacada.
Para regímenes de flujo de agua alto se obtuvieron los siguientes comportamientos:
-1.2 -1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4-3.00
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
f(x) = 1.99999999999998 x − 0.583538318147686R² = 1
f(x) = − 0.551224262064367 x³ + 0.415389692325297 x² + 4.3901938919292 x + 2.3925048735227R² = 0.999427195409571
f(x) = 1.99999999999999 x − 0.583794700222418R² = 1
f(x) = 6.25150289743515 x³ + 16.3165783855411 x² + 16.2491450018264 x + 5.15788686183668R² = 0.995180869155954
Flujo de Agua Alto
Exp 65% Polynomial (Exp 65%) Leva 65% Linear (Leva 65%)Exp 80% Polynomial (Exp 80%) Leva 80% Linear (Leva 80%)
Log (Ut)
Log
(ΔP/
Z)
Figura 13. Log(ΔP/z) vs. Log(Ut) para Flujo de Agua Alto
Se observa que en la Figura 13, el comportamiento de las curvas continúa siendo el
mismo al que presentaron en empaque seco y flujo bajo de agua, con lo que se puede
56
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
afirmar que la caída de presión del aire en la columna empacada QVF del laboratorio
presenta un comportamiento polinómico de orden 3 tanto para flujo de agua igual a cero
como para cuando hay presencia de éste, ya sea alto o bajo, y esto se comprueba aún
más con las altas correlaciones (R2) obtenidas.
En la Figura 13, se observa, de igual manera que en las Figuras 11 y 12, que las curvas
teóricas siguen teniendo un comportamiento lineal, y al comparar con las experimentales
se corrobora de nuevo que la ecuación de leva no se ajusta efectivamente a las
condiciones que se usaron en la práctica. Entonces, puede decirse que la presencia de
agua, además de afectar o aumentar las pérdidas de carga del aire por la disminución en
el área abierta eficaz del empaque por donde pueda fluir éste, los coeficientes de los
ajustes obtenidos depende del flujo de agua utilizado ya que entre las diferentes
expresiones experimentales determinadas, dichos coeficientes difieren notoriamente entre
ellos.
Se observa también en la figura 13, que las pérdidas de carga obtenidas
experimentalmente son mucho mayores que las obtenidas mediante la ecuación de Leva,
e incluso, hay mayor distancia entre las curvas experimentales y las teóricas en flujos de
agua altos que para cuando éstos son bajos o nulos, es decir, que a medida que aumenta
el flujo de agua la ecuación de Leva difiere aún más en sus predicciones de las pérdidas
de carga, ya que la ecuación de leva fue desarrollada para trabajar a condiciones por
debajo del punto de inundación, y en esta práctica se trabajó hasta alcanzar este punto,
además leva no toma en cuenta la energía que debe aportar o perder el aire en soportar
una cantidad creciente de líquido de la columna cuando trabaja a altos caudales de éste,
y que no sólo la caída de presión del aire es provocada por las características físicas del
empaque y por la disminución del área libre eficaz del éste último por el líquido presente.
La discrepancia de la predicción de la ecuación de Leva con los valores obtenidos
experimentalmente es verificada mediante el cálculo de los porcentajes de error, cuyos
resultados se muestran a continuación:
Tabla 7. Porcentajes de Error para Flujo de agua alto
%Rot.Agua
:
65 80
57
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
%Rot.AireΔP/zexp
[inH2O/Ft]
ΔP/zteo
[inH2O/Ft]%Error
ΔP/zexp
[inH2O/Ft]
ΔP/zteo
[inH2O/Ft]%Error
10 0,0242 1,173E-03 95,15 0 1,174E-03 -
12 0,0644 1,689E-03 97,38 0,0644 1,690E-03 97,38
14 0,0966 2,299E-03 97,62 0,0805 2,300E-03 97,14
16 0,1128 3,003E-03 97,34 0,1128 3,004E-03 97,34
18 0,1289 3,800E-03 97,05 0,1369 3,802E-03 97,22
20 0,1611 4,692E-03 97,09 0,1691 4,694E-03 97,22
22 0,2013 5,677E-03 97,18 0,2174 5,680E-03 97,39
24 0,2497 6,756E-03 97,29 0,2899 6,760E-03 97,67
26 0,2658 7,929E-03 97,02 0,3544 7,933E-03 97,76
28 0,3463 9,196E-03 97,34 0,4430 9,201E-03 97,92
30 0,4993 1,056E-02 97,89 0,5396 1,056E-02 98,04
32 0,5638 1,201E-02 97,87 0,6201 1,202E-02 98,06
34 0,6846 1,356E-02 98,02 0,7570 1,357E-02 98,21
36 0,7973 1,520E-02 98,09 0,8859 1,521E-02 98,28
38 0,9181 1,694E-02 98,16 1,0792 1,695E-02 98,43
40 1,1034 1,877E-02 98,30 1,3772 1,878E-02 98,64
42 1,3530 2,069E-02 98,47 1,5866 2,070E-02 98,70
44 1,5946 2,271E-02 98,58 1,8926 2,272E-02 98,80
46 1,8040 2,482E-02 98,62 2,2067 2,483E-02 98,87
48 2,1906 2,702E-02 98,77 2,5289 2,704E-02 98,93
50 2,9396 2,932E-02 99,00 2,9074 2,934E-02 98,99
52 3,5356 3,172E-02 99,10 3,3423 3,173E-02 99,05
54 4,0188 3,420E-02 99,15 3,7047 3,422E-02 99,08
De la tabla 7 se puede observar que los porcentajes de error son mayores en
comparación con los obtenidos con flujo de agua bajo, lo que es debido a la falta de
exactitud de la ecuación de Leva cuando existe la presencia de líquido, y su posterior
decremento al aumentar aún más el flujo de agua, y como se señaló antes leva se
desarrolló a partir de datos del sistema aire-agua funcionando por debajo del punto de
inundación mientras que en la práctica se elevó el caudal de aire hasta llegar a dicha
condición, por lo que en los últimos valores de porcentaje de rotámetro de aire se
58
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
obtienen los porcentajes de error más altos, los cuales aumentan con el incremento del
caudal de aire. Como se conoce la ecuación de leva asume completa irrigación del lecho
empacado por ello al principio también se registran altos porcentajes de error, ya que
apenas se estaba mojando la torre empacada, también es de destacar que para flujo de
líquido alto no toma en cuenta la pérdida de energía que sufre el aire por soportar dicho
flujo a contracorriente.
Para finalizar se puede concluir que leva no se ajusta para el caso estudiado ya que ésta
predice la caída de presión como si el aire estuviera atravesando el obstáculo de una
placa-orificio con la corrección de la presencia del líquido; sin embargo, el aire no
traspasó este tipo de obstáculo sino que atravesó constantemente varios anillos
Rasching, que además de tener un diámetro pequeño, esto se encontraban de forma
aleatoria a lo largo de toda la altura empacada, es decir, que no hubo un solo encuentro
que provocó la caída de presión sino varios encuentros consecutivos entre el aire y un
empaque y otro; y en el caso de la presencia del flujo de agua, dichas pérdidas de carga
se agudizan por el contacto continuo entre ésta y el aire, aumentando aún más a medida
que se fue acrecentando el caudal de agua porque dicho flujo frena aún más el paso del
aire a través de la torre y el área transversal libre del lecho empacado va disminuyendo.
Las pérdidas de carga en los puntos de carga y de inundación en cada flujo de agua
fueron los siguientes:
Tabla 8. Caída de Presión en los puntos de carga y de inundación.
%Rot.Agua 25 35 65 80
Carga (m)
%Rot.Aire 26 70 50 40
Ut [Ft/s] 1,74E-01 4,69E-01 3,35E-01 2,68E-01
ΔP/z [inH2O/Ft] 0,1933 3,0926 2,9396 1,3772
Carga (g)
%Rot.Aire 38 44 30 40
Ut [Ft/s] 2,55E-01 2,95E-01 2,01E-01 2,68E-01
ΔP/z [inH2O/Ft] 0,2899 0,5879 0,4993 1,3772
Inundació
n
%Rot.Aire 76 70 54 54
Ut [Ft/s] 5,10E-01 4,69E-01 3,62E-01 3,62E-01
ΔP/z [inH2O/Ft] 2,8671 3,0926 4,0188 3,7047
59
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Al observar la tabla anterior se puede señalar primeramente que se calcularon dos puntos
de carga, el primero que se obtuvo por medio de la pendiente en cada una de las gráficas,
y el segundo gráficamente, como se conoce que el punto de carga es el punto en el cual
se empiezan a dar grandes variaciones en la caída de presión con un mínimo incremento
de la velocidad lineal del aire, se partió de esta premisa para delimitar las zonas óptimas
de operación en la figura 14.
Como ya se discutió en la figura 12 se obtuvieron comportamientos extraños a la hora de
graficar las curvas por ello se asumió utilizar los puntos de carga obtenidos gráficamente
usando la base teórica antes mencionada, por ejemplo con un flujo de 35% de rotámetro
de agua, se obtuvo mediante el cálculo de la pendiente que el punto de carga coincidía
con el punto de inundación, por lo que no era lógico ni razonable usar este punto a la hora
de realizar las graficas hasta el punto de carga, delimitando las zonas óptimas de
operación y además para el desarrollo del modelo empírico de la torre empacada.
Se observa además que a medida que se aumenta el porcentaje de rotámetro, el
porcentaje de rotámetro de flujo de aire requerido va en decrecimiento, aunque al final no
cambió de 65% a 80%, seguramente por errores durante la realización de la práctica.
Tambien se debe señalar que la caída de presión por altura de empaque debe ir en
aumento a medida que se aumenta de porcentaje de rotámetro de agua, condición que
casi se ve en la inundación, pero por errores en la realización de la práctica el último fue
menor, de la misma manera para los puntos de carga ya que están sujetos a errores de
apreciación y de los valores experimentales que de por si ya tienen errores.
Tabla 9. Valores de las iteraciones de Utinund teo para cada flujo de agua.
%Rot.Agua Utinund,exp
[m/s]
QAinund,exp
[m3/s]
Utteo
[m/s]
QAinund,teo
[m3/s]
mA,inund teo
[kg/s]
%Error
25 1,55E-01 2,92E-03 0,89 0,0168 0,0200 474,194
35 1,43E-01 2,70E-03 0,775 0,0146 0,0174 441,958
65 1,10E-01 2,08E-03 0,53 0,0100 0,0119 381,818
80 1,10E-01 2,08E-03 0,39 0,0074 0,0088 254,545
De la tabla anterior se observa que las velocidades superficiales de aire obtenidos en el
laboratorio son siempre menores a los obtenidos mediante la correlación de Eckert, por lo
60
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
que los porcentajes de error obtenidos fueron muy altos entre 400% y 200%, y esto se
debe a que en las coordenadas de Eckert la curva de inundación es aproximada y con
una caída de presión menor a la obtenida experimentalmente. Por lo tanto se puede decir,
que la curva de inundación de las coordenadas de Eckert (Anexo 4) no simula
adecuadamente la condición de inundación de la torre, arrojando entonces valores de
velocidad lineal de gas de inundación erróneos y que, de hecho, si se aplicaran
experimentalmente la columna empacada estaría sobre inundada por arrojar valores de
QAinund mayores a los QAinund,exp. Los porcentajes de error en la Tabla 9 van disminuyendo
con el aumento del flujo de agua porque, la caída de presión de inundación fue
disminuyendo con el incremento de este flujo (aunque fuera muy poco), y por lo tanto, se
va acercando a la caída de presión asumida por Eckert en su correlación generalizada, y
con ello a la velocidad lineal de gas de inundación arrojada por ésta.
Con los resultados de caída de presión en los puntos de inundación y de carga a los
diferentes flujos de agua, se determinó gráficamente el rango de caída de presión óptimo
de operación, y se muestra en la siguiente figura:
Figura 14. Rango óptimo de operación para los flujos de agua registrados
61
-1.2 -1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
Rango óptimo de operación
25% 35% 65% 80%
Log Ut
Log
(ΔP/
Z)
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Como se puede apreciar primeramente en la gráfica anterior al aumentar la velocidad
lineal del aire, aumenta a su vez la caída de presión presentada en la columna, además
de que al aumentar el flujo de agua en la columna esta caída de presión se ve aún más
afectada.
Las líneas segmentadas representan desde donde comienza el rango óptimo de
operación, estas zonas están representadas por colores, por ejemplo la zona óptima de
operación para el flujo de rotámetro de agua igual a 25%, comprende desde la línea
segmentada azul que corresponde al calculado mediante la condición reportada en la
literatura de que el rendimiento de diseño para una columna empacada debe dejar
margen para un porcentaje de error de ± 30% en el punto de inundación pronosticado, y la
línea recta azul que corresponde al punto de carga, donde a pequeños cambios de la
velocidad lineal del gas se producen grandes cambios en la caída de presión debido a la
acumulación de liquido en la columna por la fuerza ejercida por las grandes velocidades
del gas; en esta zona es donde se puede asegurar un buen contacto entre las dos fases
sin llegar a la condición de operación o una gran retención de líquido no deseada.
Como el punto donde comienza la zona óptima de caída de presión para los porcentajes
de rotámetros de 65 y 80 es la misma, se colocó como una única línea roja segmentada,
la cual separa las zonas óptimas de estos dos porcentajes de rotámetros anteriores, se
evidencia también que la zona óptima de caída de presión es la que presenta cuando se
trabajó con un porcentaje de rotámetro igual a 25% permitiendo un rango de flujo de gas
más amplio con el que se podría trabajar en la torre sin alcanzar la inundación, caso
contrario cuando se trabaja con un porcentaje de rotámetro igual a 80%.
Al graficar las curvas de Log(ΔP/z) vs. Log(Ut) para cada flujo de agua hasta el punto de
carga aproximado previamente, se obtuvo una familia de curvas para el caso estudiado:
62
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
-1.2 -1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
f(x) = − 0.321395275860551 x³ + 0.910217984367381 x² + 4.7148753550939 x + 2.45372697479493R² = 0.998829215146398
f(x) = 24.3914629636369 x³ + 66.9721445866394 x² + 62.5903849176138 x + 19.036513157776R² = 0.994741783970094
f(x) = 4.98123966234613 x³ + 13.1050282393225 x² + 13.2338532152206 x + 3.82721861870221R² = 0.998520298945028
f(x) = 0R² = 0f(x) = 0R² = 0 Familia de Curvas
Seco Polynomial (Seco) 25% Polynomial (25%) 35% Polynomial (35%)65% Polynomial (65%) 80% Polynomial (80%)
Log Ut
Axis
Title
Figura 15. Familia de Curvas de Log(ΔP/z) vs. Log(Ut) hasta el punto de carga
En la figura anterior se les realizó el mejor ajuste a cada una de ella obteniendo así la
siguiente familia de ecuaciones:
Tabla 10. Familia de Ecuaciones de ajuste.
%Rot
.Agu
a
Ecuación de ajuste R2
0% Log(ΔP/z)0%= 0,5799(Log(Ut))3 + 2,1473(Log(Ut))2 + 3,991*Log(Ut) +
0,9257
0,998
9
25% Log(ΔP/z)25%= 2,2903(Log(Ut))3 + 7,3643(Log(Ut))2 + 8,3598*Log(Ut) +
2,3099
0.918
8
35% Log(ΔP/z )35%= 4,9812(Log(Ut))3 + 13,105(Log(Ut))2 + 13,234*Log(Ut) +
3,8272
0.998
5
65% Log(ΔP/z )65%= 24,391(Log(Ut))3 + 66,972(Log(Ut))2 + 62,59*Log(Ut) +
19,037
0.994
7
63
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
80% Log(ΔP/z )80%= -0,115(Log(Ut))3 + 1,3388(Log(Ut))2 + 4,9058*Log(Ut) +
2,5333
0.998
8
Se trabajó con el mismo orden del polinomio para facilitar la creación del modelo empírico
(tercer orden), en el apéndice aparece dicha ecuación que permite calcular las caídas de
presión para la C-501, es de destacar que los coeficientes que acompañan a la X (Log Ut)
no pudieron ser calculados ya que se necesitarían una gran cantidad de pruebas para
cada porcentaje de rotámetro de agua.
CONCLUSIONES
Al representar gráficamente las caídas de presión de la C-501 en función del flujo de gas,
sin flujo de líquido, se observó que la correlación desarrollada por Leva no da una buena
representación de los datos de operación de la torre empacada del laboratorio, ya que se
obtienen grandes desviaciones con respecto a las caídas de presión experimentales, ya
que leva fue desarrollada para una torre de contacto gas-líquido.
Al representar gráficamente las caídas de presión de la C-501 en función del flujo de gas,
con flujo bajo y alto de líquido, se evidenció que la correlación de Leva tampoco se ajusta
para este caso de estudio, ya que se obtienen grandes desviaciones con respecto a las
caídas de presión experimentales, esto puede deberse ya que leva no es eficaz cuando
se utilizan torres de empaques, solo con placas orificios ya que fue desarrollado con esta
condición.
El comportamiento para todas las curvas independientemente de flujo de agua es
polinómico de tercer orden, también es de destacar que al realizar un cálculo del número
de Reynolds para verificar que efectivamente el aire estaba en régimen turbulento, se
evidenció que no se encontraba en esta condición, por lo que esto pudo incidir a aumentar
aún más el error utilizando la ecuación de leva ya que esta fue desarrollada para régimen
turbulento del fluido.
64
Practica N°5. Estudio hidrodinámico de Torres Empacadas
Se estableció un rango óptimo de caída de presión para la C-501, el cual se representó en
la figura 14, la cual parte del 70% de la velocidad lineal del gas hasta el punto de carga, y
se concluye además que el rango mayor lo posee el flujo menor de 25% y el rango menor
lo posee el de 80%.
Al comparar las velocidades lineales de inundación con las calculadas por eckert se
observa mediante la tabla 10 que son mayores para la segunda, esto se debe a que en
las coordenadas de Eckert la curva de inundación es aproximada y con una caída de
presión menor a la obtenida experimentalmente.
A partir de los datos experimentales de operación se pudo obtener una correlación
empírica que representa el comportamiento hidrodinámico de la torre empacada del
laboratorio, la cual está en función de la velocidad superficial del aire, y de unas
constantes que para calcularlas se necesitarían hacer una gran cantidad de pruebas para
obtener los coeficientes que acompañan al Logaritmo de la velocidad lineal del gas a
todos los porcentajes de rotámetros para luego obtener un promedio de dichos
coeficientes, y de esta manera poder operarlo con seguridad y alto rendimiento sin
problemas de inundación.
RECOMENDACIONES
3. Las prácticas 5 y 6 del laboratorio de operaciones unitarias 2, deben ser evaluadas
de una manera más seguida por el tutor, ya que como estos dos últimos temas muy
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difícilmente se imparten en la teoría de las operaciones unitarias, el conocimiento
con el cual el estudiante abarca al momento de realizar las prácticas es muy
limitado, por lo que se generan interrogantes al momento de realizar una bitácora
y/o informe, por ello se deberían hacer un quíz teórico-práctico antes de la
realización de la práctica y un examen post realización de la práctica la semana
siguiente para que los estudiantes se motiven a estudiar a fondo estos temas que
se tienen en ascuas en la teoría.
4. Al momento de las mediciones de las caídas de presión, ubicar a un estudiante a la
misma altura del tope de la torre, y que sea ésta la que indique que se ha alcanzado
la condición de inundación al observar el tapón de líquido en dicho tope, ya que por
debajo no se puede determinar claramente cuando se ha logrado esta condición en
la columna.
Verificar que el manómetro diferencial de presión PDG-501, se encuentre en
buenas condiciones, y que además, las tomas de alta y baja presión estén
correctamente conectadas.
Los rotámetros de agua y aire deben estar calibrados antes de cada práctica para
asegurar que se obtenga menor cantidad de error al momento de hacer la lectura
de las caídas de presión, ya que la manipulación de éstos es difícil, especialmente
a altos caudales de agua y aire respectivamente.
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BIBLIOGRAFÍA
1. TREYBAL, Robert. “Operaciones de transferencia de masa”. Editorial McGraw-Hill.
Segunda Edición. México, 1988.
2. McCABE, Warren; SMITH. “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química”.
Editorial McGraw-Hill. Cuarta Edición.
3. PERRY, Robert. “Manual del Ingeniero Químico”. Editorial McGraw-Hill. Sexta
Edición.
4. PERRY, Robert. “Manual del Ingeniero Químico”. Editorial McGraw-Hill. Séptima
Edición.
5. Diapositivas de la Clase de Práctica 5 de Laboratorio de Operaciones Unitarias II
(Primer periodo del 2011).
6. WELTY, James. “Fundamentos de Transferencia de Momento, Calor y Masa”.
Editorial Limusa Wiley. Segunda Edición. México, 2006.
7. http://es.wikipedia.org/wiki/Aire
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ANEXOS
Anexo 1. Esquema general de una torre empacada
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Anexo 2. Coeficientes para la ecuación de Leva
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