UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
Laboratorio Experimental Multidisciplinario IV. INFORME EXPERIMENTAL 1: “Relleno de columnas."
Profesores: Eligio Pastor Rivero Martínez EQUIPO 1: Bojorges Loeza Lissete Estefanía Bravo Zavala Adolfo Ethian Martínez López Juan Carlos Sánchez Camacho Carlos Alberto
SEMESTRE: 2018-2
FECHA: 02/03/18
INTRODUCCIÓN En las columnas de relleno la transferencia de materia se hace de forma continua. Estas columnas también son llamadas columnas empaquetadas. Las columnas de relleno son muy usadas para conseguir un íntimo contacto entre dos fluidos inmiscibles o parcialmente miscibles, (gas-líquido o dos líquidos). La torre de relleno más común es la que consiste en una carcasa cilíndrica que contiene el material inerte en su interior. Este material inerte es el que recibe el nombre de relleno. Es preciso seleccionar un relleno que proporcione una elevada superficie de
contacto y un alto grado de turbulencia entre los fluidos. Normalmente esto se consigue a expensas de un incremento en los costes de inversión y/o en la caída de presión. La construcción de las torres es relativamente simple. Constan de una carcasa metálica (cerámica, vidrio, plástico, etc.), completamente vertical, en cuyo interior existe un soporte sobre el que descansa el relleno. La función principal del relleno consiste en aumentar la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, aumentar la turbulencia y por tanto mejorar la eficacia. A medida que aumenta el tamaño del relleno disminuye la eficiencia de la transferencia de materia y aumenta la pérdida de carga, por tanto, para determinar el tamaño óptimo de relleno habrá que llegar a un compromiso entre estos dos factores. La selección del material de relleno se basa en criterios como resistencia a la corrosión, resistencia mecánica, resistencia térmica y características de mojado. Además, es necesario disponer un distribuidor de líquido en la parte superior de la columna para asegurar que el líquido moje de manera uniforme todo el relleno y no se desplace hacia las paredes. En el presente trabajo, se dará a conocer por medio de un procedimiento experimental, las características físicas y propiedades de diferentes materiales de relleno de empaques presentados en el Laboratorio Experimental Multidisciplinario.
GENERALIDADES Características de un empaque Los empaques deben cumplir ciertas características para poder ser utilizados en una torre empacada. Éstas características son:
Superficie interfacial grande entre líquidos y gas. La superficie del empaque por unidad de volumen de espacio empacada debe ser grande. La superficie específica del empaque, es casi siempre más grande que la superficie interfacial y líquido-gas. Poseer las características deseables de flujo de fluidos. Esto generalmente significa que el volumen fraccionario vacío, o fracción de espacio vacío, en el lecho empacado debe ser grande. El empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas secciones transversales de la torre, sin recargo o inundación; debe ser baja la caída de presión del gas, de hecho, debe ser principalmente el resultado de la fricción pelicular, si es posible, puesto que es más efectivo que formar arrastres al promover valores elevados de los coeficientes de transferencia de masa. Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación. Tener bajo precio
Tipos de empaques Los empaques son principalmente de dos tipos, aleatorios y estructurales.
Empaques Aleatorios o al azar. Los empaques aleatorios son aquellos que simplemente se ar rojan en la torre durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria. En el pasado se utilizaron materiales fácilmente obtenibles; por ejemplo, piedras rotas, grava o pedazos de coque; empero, aunque estos materiales resultan baratos, no son adecuados debido a la pequeña superficie y malas características con respecto al flujo de fluidos. Los anillos de Rasching son cilindros huecos, cuyo diámetro va de 6 a 100 mm o más. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y ácido fluorhídrico; de carbón 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. 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 anillos de Lessing y otros con particiones internas se utilizan con menos frecuencia. 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 conocidos como Flexirings, anillos de cascada y, como una variación, los Hy-Pak,
se pueden obtener de metal y de plástico. Generalmente, los tamaños más pequeños de empaques al azar ofrecen superficies específicas mayores (y mayores caídas de presión), pero los tamaños mayores cuestan menos por unidad de volumen. 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.
Empaques estructurados o regulares.
Los empaques estructurados 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. Los anillos hacinados de Rasching son económicos solo en tamaños muy grandes. Hay varias modificaciones de los empaques metálicos expandidos. Las rejillas o
“vallas” de madera no son caras 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 (NeoKloss), 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
TIPO DE EMPAQUETAMIENTO Empaquetamiento aleatorio: Tamaños pequeños de empaques ofrecen superficies especifica mayores (mayores caídas de presión). Fácil instalación Los tamaños grandes cuestan menos por unidad de volumen
Empacamiento regular Menor caída de presión del gas Flujo mayor Instalación costosa Útiles para el contacto de gas-líquido a contracorriente Buenas características de transferencia de masa
ACTIVIDADES REALIZADAS Para esta práctica, los problemas experimentales fueron: Diámetro interior y exterior (dependiendo del empaque). Longitud. Espesor. Peso por pieza. Piezas por unidad de volumen. Área superficial por unidad de volumen de empaque. Peso por unidad de volumen. Densidad. Fracción de espacios vacíos.
RESULTADOS EXPERIMENTALES Empaque
Material
Anillo
PVC
De (cm)
espesor (mm)
altura (mm)
peso (g)
arreglo
# empaques
Vol de H2O (ml)
Vol con empaqu es (ml)
1.7
2
17
3.902 aleatorio
10
150
240
Rasching Intalox
Metal
-
0.3
17
0.867 aleatorio
8
8
9
Intalox
cerámica
-
2
43
3.908 aleatorio
-
-
-
Tabla 1. Resultados experimentales Tabla comparativa de las propiedades de los empaques Experimentales
Tipo de empaque
piezas por unidad de volumen, Piezas/m3
área por fracción de factor de unidad de espacios empaque, volumen, vacíos, % de m^(-1) m2/m3 volumen
Reportados en la literatura o de algún proveedor peso por unidad de volumen, kg/m3
piezas por unidad de volumen, Piezas/m3
área por fracción de factor de unidad de espacios empaque, volumen, vacíos, % de m^(-1) m2/m3 volumen
peso por unidad de volumen, kg/m3
Tipo Intalox
352500
191.7
95%
305
324110
275
97%
1311
260
Anillos Rasching
160000
154
88.11%
484
177600
274
90%
376
96
Intalox cerámica
192500
189.22
81.25%
752.29
25000
164
75%
389
590
Difieren ligeramente los datos experimentales con los reportados en la literatura, esto se debe al maltrato por manipulación constante debido a que no están realizando las funciones para las que están hechas, por lo tanto se desgastan y nos dan valores diferentes.
Diseño del empaque
Costos y características Metal/Intalox $500-1,900 dólares por metro cubico (anillo raschig). Capacidad: 10000 metro cubico/s por año de precio de anillo raschig.
Anillo Raschig $200-300 dólares por metro cubico. Capacidad: 5000 metro cubico/s por año.
Montura intalox cerámica $580-720 dólares por metro cubico. Capacidad: 10000 metros cúbicos/s por año cerámica anillo de montura.
Tabla 2. Costo de los tipos de empaques utilizados.
CONCLUSIONES Al estudiar los diferentes tipos de empaques para rellenar una torre se puede determinar qué tipo de empaque utilizar para un determinado sistema o proceso en el que se requiera ya que se conocen la forma geométrica, dimensiones y el tipo de material que están construidos y con ello saber con qué tipo de fluidos ya sean ácidas, alcalinas o corrosivas utilizarlas y que estos no reaccionen con los fluidos que se hagan circular en él. En el relleno de una torre empacada se puede utilizar cualquier material solido accesible que proporcione un área de transferencia de masa eficaz, por ello es importante que los tipos de empaques a utilizar proporcionen esta propiedad para poder alcanzar grandes áreas de transferencia ya que en esta zona hablando de la transferencia de masa en dos fluidos en la que uno menos denso respecto al otro se hacen circular en sentido contrario en la que el fluido denso fluye de la parte superior a la inferior en el cual se irriga por el empaque y retarda su caída mientras el menos denso fluye de la parte inferior hacia la superior por los huecos que generan los empaques y el fluido que fluye en él. Por lo que determinar la geometría de los empaques es importante ya que el acomodo de estos puede ser regular o aleatorio y con ello la transferencia de masa sea más eficaz además de que se puede determinar los costos que estos materiales conllevan.
BIBLIOGRAFIA Geankoplis Christie J.Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Ed. C.E.C.S.A. McCabe W. L., Smith J. C. Y Harriott P. Operaciones Básicas de Ingeniería Química.Ed. Reverte. Treybal Robert E. Operaciones De Transferencia De Masa. Ed. Mcgraw-Hill. Perry R. H. & Green Don. Perry's Chemical Engineers' Handbook. Ed. Mcgraw-Hill. J. D. Seader & E. J. Henley. Operaciones de Separación por Etapas de Equilibrio en Ingeniería Química. Ed.Reverté, S.A.
