[guion 3] hidrodinámica de una columna empacada

FACULTAD DE QUMICA UNAM

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GUIN 3

HIDRODINMICA DE UNA COLUMNA EMPACADA

Problema

Encuentre usted para cada flujo de agua recomendado en la tabla siguiente, el intervalo de flujo de gas (aire) y de cadas de presin a travs de la torre, que garanticen la operacin a rgimen permanente de la columna empacada.

Tabla

Flujos de agua recomendados

5 L / h

7 L / h

9 L / h

12 L / h

15 L / h

Parte experimental

Material y equipo

Anillos raschig de vidrio

1 Balanza granataria

1 Probeta de 500 mL

1 Vaso de precipitados de 500mL

1 Vernier

1 Termmetro de mercurio

1 probeta de 250 Ml

Columna empacada, consultar la Figura 1

Sustancias

Agua con colorante de fluorescena.

Aire a presin


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Servicios auxiliares

Corriente elctrica

Medidas de seguridad

Purgar la lnea de aire a presin antes de alimentar a la columna empacada

Verificar que el regulador de aire colocado en el equipo alimente a la columna con presin de un bar.

Para cambiar el flujo de la mezcla lquida, apagar primero la bomba antes de hacer cambios en las pulsaciones y llenado del mbolo de la bomba.

Descripcin del equipo

CLAVE EQUIPO ESPECIFICACIONES

1 Columna empacada

Servicio: Absorcin o desorcin Operacin: Contracorriente Dimetro interno: 5.08 cm Altura empacada:106 cm Material de construccin: Vidrio Empaque: Anillos Raschig de vidrio Plato de soporte: Acero inoxidable Marca: Pignat

2 Tanque de alimentacin

Capacidad:30 litros Lado: 30 cm Altura: 50 cm Material de construccin: Polietileno

3 Bomba de desplazamiento positivo

Tipo: Dosificadora Accionador: Motor elctrico a 110 Volts Material de construccin: PTFE (tefln)

4 Tanque receptor

Servicio: Recibe solucin diluida Capacidad: Un litro Dimetro: 8 cm Altura: 45 cm Mat. de construccin: Vidrio, acero inox.

5 Pierna baromtrica Servicio: Igualar nivel

6 Tanque receptor

Servicio: Descarga de producto Capacidad: 3 litros Dimetro: 13 cm Altura: 50 cm Material de construccin: Vidrio, acero inoxidable

7 Manmetro diferencial

Servicio: Indicador de la diferencia de presin de la columna Lquido manomtrico: Agua Material de construccin: vidrio


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Diagrama

Figura 1. Columna empacada marca Pignat


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Desarrollo experimental Primera Parte Calcule las propiedades fsicas de los empaques de la columna, para ello, llene las siguientes tablas:

(1) Peso de la probeta

( g )

(4) Peso de la probeta y empaques ( g )

2) Volumen de la probeta

(cm3)

(5) Volumen de agua (cm3)

3) N nmero de empaques

Dimetro interno de la columna 5.08 (cm)

Longitud empacada de la columna 106 (cm)

No. de empaque muestra

Do, dimetro externo

(cm)

Di, dimetro interno (cm)

L, longitud (cm)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Promedio


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Clculo del rea total / pieza de empaque

Ro 2

DoRo

Ri 2

DiRi

rea de las bases

222 iO RRbaseslasderea

rea interna LDiernarea int

rea externa LDoExternarea

rea total / pieza de empaque

externareaernareabaseslasdereatotalrea int

Clculo del peso de los empaques

Peso de los empaques probetaladePesso

empaquesyprobetaladePesoemqueslosdePeso

Clculo de la fraccin de huecos

Fraccin de huecos probetaladeVolumen

aguadeVolumen

Clculo de las densidades

Densidad aparente probetaladeVolumen

empaqueslosdePesoaparente

Densidad real aguadelVolumenprobetaladeVolumen

empaqueslosdePesoreal

Clculo del rea superficial especfica de los empaques secos / unidad de

volumen empacado

Empaques / volumen probetaladeVolumen

NvolumenporEmpaques

a v

3

2

cm

empaques

empaque

cm

volumenporEmpaquestotalreaaV


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Clculo del rea transversal y volumen de la columna vaca

rea transversal de flujo

2

2

Dimetroltransversarea

Volumen de la columna columnaladeLongitud

ltransversareacolumnaladeVolumen

Clculo del volumen de huecos en la columna

Volumen de huecos en la columna columnaladeVolumenprobetaladeVolumen

aguadeVolumen

columnalaenhuedeVolumen cos

.

Clculo del rea transversal de flujo entre los empaques

rea transversal entre empaques

columnalaen

huedeVolumen

columnaladeVolumen

columnaladerea

empaquesentreltransversarea

cos

Segunda Parte a) Consultar el anexo para conocer la forma de evaluar los flujos en los rotmetros del agua y del aire. b) Arrancar la compresora y recorrer visualmente la lnea de aire hasta la vlvula V-1 de entrada a la columna. c) Purgar el aire que proviene de la compresora antes de alimentarlo a la columna, abrir la vlvula del equipo que descarga el aire a la atmsfera. Despus fijar una presin de 1 bar en la cartula de la vlvula reguladora de aire. d) Conectar a la energa elctrica la bomba de alimentacin del lquido. e) Verificar que el tanque de alimentacin a la columna tenga agua coloreada con fluorescena, tomar la temperatura y apuntarla en las Tablas de datos experimentales. f) Alimentar agua con la bomba a los flujos recomendados en el enunciado del problema, para esto ajustar la frecuencia y llenado del mbolo con los controles que se encuentran en su panel frontal.


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g) Alimentar aire y controlar el flujo con la vlvula V-2 abajo del rotmetro para cada uno de los valores indicados en las Tablas de datos experimentales, tomar su temperatura y apuntarla. h) Calcular los flujos de aire G en (kg / h) a las condiciones del laboratorio. Apuntarlos en las Tablas de datos experimentales. i) Para cada flujo de agua recomendado encontrar la cada de presin del aire (entre el domo Pd y el fondo la columna Pf) que genere en alguna seccin de la torre una retencin del lquido. Dejar de incrementar los flujos de aire cuando se declaren plenamente estas condiciones de punto de carga del lquido en aire. Apuntar en las Tablas de datos experimentales todos los valores anteriores de incluyendo el punto de carga. j) Calcular los cocientes de las cadas de presin entre la longitud empacada / L, apuntar los valores en las Tablas de datos experimentales.

Tablas de datos experimentales para empaque seco y mojado

Temperatura del agua = C Longitud empacada = 106 cm Temperatura del aire = C

Flujo de agua = 0 (L / h) % aire G

(kg / h)

P domo (cm H20)

P fondo (cm H20)

P (cm H20)

P / L (kgf / m^2 m)

10 20

30

40

50 60 70 80


(kg / h)

P domo (cm H20)

P fondo (cm H20)

P (cm H20)

P / L (kgf / m^2 m)

10 20

30

40

50 60 70 80


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Flujo de agua = 7 (L / h)

% aire G (kg / h)

P domo (cm H20)

P fondo (cm H20)

P (cm H20)

P / L (kgf / m^2 m)

10 20

30

40

50 60 70

80


% aire G (kg / h)

P domo (cm H20)

P fondo (cm H20)

P (cm H20)

P / L (kgf / m^2 m)

10 20

30

40

50 60 70 80


% aire

G (kg / h)

P domo (cm H20)

P fondo (cm H20)

P (cm H20)

P / L (kgf / m^2

m)

% aire

10 20

30

40

50 60 70 80


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(kg / h)

P domo (cm H20)

P fondo (cm H20)

P (cm H20)

P / L (kgf / m^2 m)

10 20

30

40

50 60 70 80

Paro del equipo 1.- Apagar la bomba y desconectarla de la corriente elctrica. 2.- Cerrar las vlvulas del rotmetro. 3.- Cerrar las vlvulas de alimentacin de aire, no olvidar apagar la compresora

del laboratorio 4.-Verificar que todas las vlvulas se encuentren cerradas as como las

conexiones elctricas desconectadas

Cuestionario

1.- Cundo alimenta el aire con empaque seco, observa algn cambio en el comportamiento interno de la columna?

2.- Para un flujo de agua constante, cuando aumenta el flujo de aire observa algn cambio en el comportamiento interno de las corrientes de lquido y del gas en la columna?. Si su respuesta es si, explique en qu consiste el cambio.

A qu condiciones de cada de presin en la columna y de flujo de aire ocurre este cambio?

3.- Cul es el flujo de aire mximo que se puede alimentar para cada flujo de agua recomendado?. Explique porqu no es posible alimentar un flujo mayor de aire.

4.- Elaborar la grfica 1 en escala log-log de ( LP Vs. G) para empaque seco.

5.- Cmo es la variacin de ( LP Vs. G) obtenida para empaque seco?

6.- Hacer la grfica 2 en escala log-log para cada uno de los flujos de agua

recomendados de ( LP Vs. G) sobre la grafica 1 del punto 4.

7.- Cul es el comportamiento observado en la grfica del punto anterior?. Comparar estos perfiles con respecto a la obtenida para empaque seco. La


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pendiente es constante?, S o no?, explicar los cambios observados y en qu puntos.

8.- Cmo se llaman estos puntos de cambio?

9.- En este caso, De qu depende la cada de presin en la columna?

10.- Es conveniente trabajar la columna cerca de los flujos donde ocurren los cambios bruscos de P ?, S o no?, Por qu?

11.-Elaborar la grfica 3 en coordenadas logartmicas para representar los comportamientos de las cantidades de las Tablas de datos experimentales.

Colocar en la ordenada G 2 (aV /3) 2.0L / (g G L ) y en la abscisa las cantidades

(L / G) ( G / L )1/2. Unir con una curvilnea los puntos de mayor ordenada.

12- Como resultado de la informacin obtenida durante todo el experimento asignar un nombre a la curva obtenida en el punto anterior.

13.- Cul es el significado fsico de las ordenadas y las abscisas de la grfica 3.

14.- En la grfica 3 trazar los siguientes datos experimentales de torres empacadas que reporta la literatura:

G 2(aV /

3)

2.0

L / (g G L ) (L / G) ( G / L )1/2

0.260 0.020

0.230 0.025

0.150 0.060

0.110 0.100

0.055 0.300

0.030 0.600

0.009 2.000

0.004 4.000

0.003 5.000

Comparar las curvas experimentales con la curva obtenida con los datos anteriores, explique sus conclusiones

15.- Para un proceso de absorcin en esta columna. Qu porciento de los valores de inundacin recomienda para operar la columna a rgimen permanente?

16.- Encuentre usted para cada flujo de agua recomendado en la tabla mencionada en el problema planteado, el intervalo de flujo de gas (aire) y de cadas de presin a travs de la torre, que garanticen la operacin a rgimen permanente de la columna empacada.


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Nomenclatura

G = Flujo de aire que se alimenta a la columna (kg /h). ATEE = rea transversal de flujo entre los empaques (m2). G = Flujo de aire por rea de flujo a travs de los empaques (kg /h m2). L = Flujo de agua por rea de flujo a travs de los empaques (kg /h m2).

LG , = Densidad de gas y lquido (kg / m3).

aV = rea superficial especfica de los empaques secos / unidad de volumen empacado o superficie especifica de relleno (m2 / m3).

= Fraccin de huecos.

L= Viscosidad del agua (centipoises).

g = Aceleracin de la gravedad 127 137 600 (m / h2).

Bibliografa

1. R.E. Treybal, Mass Transfer Operations, McGraw Hill, 1998.

2. Foust y col. Principios de Operaciones Unitarias, CECSA, 1975

3. Ernest J. Henley, J.D. Seader.. Operaciones de separacin por etapas de

equilibrio en ingeniera qumica. Ediciones Repla, S.A. Mxico D.F. 1990

4. Ernest J. Henley, J.D. Seader.. Separation Process Principles. John Wiley and

Sons, Inc. United States of America 1998

5. James R. Welty, Charles E. Wicks, Robert E. Wilson. Fundamentos de

transferencia de momento calor y masa. Editorial Limusa, S.A. de C.V. Mxico

D.F. 2000


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ANEXO I Utilizar los valores que se especifican a condiciones estndar en el rotmetro esquematizado abajo y plantear reglas de tres para conocer cualquier flujo de aire, despus pasar los valores a las condiciones del Laboratorio de Ingeniera Qumica. No es necesario hacer ningn clculo para conocer el flujo de la alimentacin lquida, la escala junto al rotmetro indica el flujo bombeado a la columna, fijar la parte superior del flotador en el flujo deseado. Aplicar las ecuaciones mostradas abajo para calcular densidades y viscosidades

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