DISEÑO DE TORRES terminado

DISEÑO DE TORRES

CARLOS ARTURO CESPEDES ZAMBRANO LUIS CARLOS CALDERON MATALLANA

244470244461

ING. GERARDO RODRIGUEZ NIÑO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA- SEDE BOGOTAFACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y AMBIENTALTRANSFERENCIA DE MASA

BOGOTA DC2012

DISEÑO DE TORRES DE ABSORCION 2012

DATOS PARA EL DISEÑO:

Se desea dimensionar una columna de absorción para recuperar METANOL de una mezcla de AIRE-METANOL. La absorción se va a llevar a cabo con AGUA

TORRE EMPACADA:

EmpaqueAnillos Raschig cerámico de 1 pulgada.

(0.0254 m)

Flujo de gas0.1513333 Kg/s

Composición del gas de entrada6 % molar

Porcentaje de Absorción99,5%

Flujo de Liquido1.5 veces el mínimo

Presión de Operación101.325 KPa

Operación isotérmica293.15 K

Difusividad del soluto en el liquido1,77032E-09 m2/s

TORRE DE PLATOS:

Tipo de plato: Perforado.

EQUILIBRIO : y=12.2 x

Donde y, x son fracciones molares.

|


RESULTADOS OBTENIDOS:

TORRE EMPACADA

DIÁMETRO DE LA COLUMNA(T)(m) 0.6096ALTURA EMPACADA DE LA COLUMNA (Z)(m) 2.5ALTURA TOTAL(m) 3.7374POTENCIA DEL COMPRESOR (W) (KW) 0.1645 0.2205 hpPOTENCIA DE LA BOMBA (W) (KW) 0.1249 0.1674 hp

TORRE DE PLATOS

Diámetro de Orificio (do) (m) 0.012

Arreglotriangular

Paso (p)(m) 0.036Altura de Rebosadero (hw) 0.03Separación entre platos (t) 0.28Diámetro de la Columna (T) 0.4889Longitud de Rebosadero (W) 0.3423Numero de orificios 88Vel. De Lloriqueo (Vow)(m/s) 5.4Velocidad Orificio (Vo)(m/s) 12.691Arrastre Fraccional (E) 0.004Criterio de Inundación (hw+h1+h3) 0.1361t/2(m) 0.14Eficiencia (Eo)(%) 56.7Numero de Platos Ideales (Npi) 10.63Numero de Platos Reales(NPr) 24.37 ≈25Espesor (C)(mm) 2.27 ≈3

|


DATOS Y CÁLCULOS INICIALES:

Datos Iniciales (En su mayoría proporcionados por el profesor)

torres de absorciónrecuperación metanol

Fase gaseosa aire- metanolFase liquida agua

Empaque (m) 0.0254Flujo gas entrada(Kg/s)(G`entT) 0.151333333Composición entrada (%) 6Absorción (%) 99.5Flujo liquido (veces el mínimo) 1.5Presión operación(KPa) 101.325Temperatura(K) 293.15Difusividad liquido (m2/s) 1.77032E-09Cf empaque 155Tipo plato PerforadoAp (m2/m3) 190Equilibrio y=12,2xPM metanol(Kg/Kmol) 32.04PM aire (Kg/Kmol) 28.84PM agua (Kg/Kmol) 18PM (promedio gas entrada) (Kg/Kmol) 29.032

Calculos iniciales fase gaseosa

%masicometanol gasentrada=(Y 1∗PMmet

PMprom )∗100

%masicometanol gasentrada=( 0.06∗32.0429.032 )∗100=6.6216 |


%masicoaire gas entrada=100−%masicometanol gasentrada

%masicoaire gas entrada=1−6.6216=93.3783

Ahora con el G` de entrada conocido y los porcentajes masicos de entrada que se acaban de hallar se obtienen los flujos de metanol y aire.

G aire ent=G aire sal=(%masico aire gasentrada∗G entT )

100

G aire ent=G aire sal=0.1413Kgs

G met ent=(%masicometanol gas entrada∗G entT )

100

G met ent=0.0100Kgs

%absorción=99.5

G met absorvido=G met ent∗%absorcion

100=0.009970 Kg

s

G met sal=G met ent−G met absorvido=5.0104∗10−5 Kg

s

|


G promedio=G entT+(G metanol sal+G aire sal)

2=0.1463 Kg

s

Estos y algunos otros cálculos basados en los anteriores se presentan tabulados a continuación.

Gaire ent=G airesal=G aire ent

PM aire

=0.004899 Kmols

Gmet ent=G met ent

PMmet

=0.0003127 Kmols

GentT=Gmet ent+Gaire ent=0.005213Kmols

|

FASE GASEOSA% masica metanol gas entrada 6.621658859% másico aire entrada(Kg/s) 93.37834114G aire ent=G aire sal(Kg/s) 0.141312556G metanol ent(Kg/s) 0.010020777G metanol absorvido(Kg/s) 0.009970673G metanol sal (Kg/s) 5.01039E-05% másico metanol gas salida 0.035443508% másico aire salida 99.96455649% molar metanol salida 0.031904711% molar aire salida 99.96809529G' gas medio Kg/s 0.146347997


ymet ent=Gmet ent

Gmet ent+G aireent

=0.06

yaire ent=1− ymet ent=0.94

Gmet sal=G met sal

PMmet

=1.5638∗10−6 Kmols

GsalT=Gmet sal+Gaire sal=0.004901Kmols

ymet sal=Gmet sal

Gmet sal+Gaire sal

=0.0003190

yaire sal=1− ymet sal=0.99968

ymet mitadcolumna=ymet ent+ ymet sal

2=0.03016

Cálculos iniciales fase liquida

FASE LIQUIDA ideal (mínimo)xmet entrada 0xmet salida(+) 0.004918033xagua entrada 1xagua salida (+) 0.995081967L metanol salida (kmol/s) 0.000311195L agua salida (kmol/s) 0.062965029L entrada T (kmol/s) 0.062965029L salida T (kmol/s) 0.063276224

El xmet salida es calculado teniendo en cuenta la ecuación del equilibrio proporcionada por el profesor, y ymet ent (calculada anteriormente), xagua salida=1- xmet salida

|


Lmet sal=G met ent−G met sal=0.000312Kmols

Lent T=Lagua sal=Lmet sal∗xagua sal

xmet sal

=0.06296 Kmols

L salT=Lmet sal+Lagua sal=0.06328Kmols

con 1,5 veces el flujo mínimo

L real entrada (kmol/s)0.09444754

4xmet entrada 0xagua entrada 1

L metanol salida (kmol/s)0.00031119

5

L real salida (kmol/s)0.09475873

9

xmet salida0.00328407

2

xagua salida0.99671592

8

fracc masica metanol Sali0.00583071

3

fracc masica agua sali0.99416928

7

PM medio salida18.0461083

7

L' salida (Kg/s)1.71002646

7

xmet mitad columna0.00164203

6

PM mitad columna18.0230541

9

fraccion masica media metanol0.00291535

6

fraccion masica media agua0.99708464

4

|


LentTREAL=LentT∗1.5=0.09445Kmols

L salT REAL=LentT REAL+Lmet sal=0.09476Kmols

xmet sal=Lmet sal

LentTREAL=0.003284

xagua sal=1−xmet sal=0.9967

L salT=LsalT REAL∗PM promedio sal=1.7100Kgs

Propiedades:

PROPIEDADES metanol liq agua liq aire metanol vapVisc.(Kg/m s) 5.90E-04 1.00E-03 1.8117E-05 NA

Dens. (Kg/m3) 791.8998.203234

2 1.198980031.33201526

3

MEZCLA PARTE SUPERIORliquido gas

Visc. 1.00E-03 1.81166E-05

Dens.998.20323

41.19902247

5

MEZCLA PARTE INFERIORliquido gas

Visc. 1.00E-03 1.81166E-05

Dens.996.99975

61.20696214

4

MEZCLA MEDIA DEL

|


EQUIPOliquido gas

Visc. 1.00E-03 1.81166E-05

Dens.997.60149

5 1.20299231

línea de operaciónx y X Y

0.003284072 0.060.00329489

3 0.06382979

00.0003190

5 0 0.00031915

Equilibrio

y=12.2 x

Y= y1− y

Tabla equilibrio fracc. Tabla equilibrio rela.x y X Y

0 0 0 0

0.0005 0.00610.0005002

50.00613743

8

0.001 0.0122 0.0010010.01235067

8

0.0015 0.01830.0015022

50.01864113

3

0.002 0.02440.0020040

1 0.02501025

0.0025 0.03050.0025062

70.03145951

5

0.003 0.03660.0030090

3 0.03799045

0.0035 0.04270.0035122

90.04460461

7

0.004 0.04880.0040160

60.05130361

6

0.0045 0.05490.0045203

40.05808909

10.005 0.061 0.0050251 0.06496272

|


3 6

0.0055 0.06710.0055304

20.07192625

1

0.006 0.07320.0060362

20.07898144

2

0.0065 0.07930.0065425

30.08613011

8

0.007 0.08540.0070493

50.09337415

3

0.0075 0.09150.0075566

80.10071546

5

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.0060

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

f(x) = 18.1728501542061 x + 0.000319047112623632R² = 1f(x) = 12.2 xR² = 1

equilibrio fracciones Linear (equilibrio fracciones )linea de operacionLinear (linea de operacion)

|


0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.0060

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

f(x) = 19.2754787234043 x + 0.000319148936170216R² = 1

f(x) = 13.0012917097543 x − 0.000684886163781311R² = 0.99968465596736

eq relacionesLinear (eq relaciones)linea operacionLinear (linea operacion)

Torre empacada:

|

L1, X1, Ls G1, Y1, Gs

L2, X2, Ls G2 , Y2, Gs

G


La cantidad de flujo que ingresa a una Torre de absorción generalmente determina el diámetro de la misma y el punto donde se debe calcular

Para una torre de Absorción, generalmente el flujo de gas es más alto e invariante y por eso se toma como punto de referencia para hallar el diámetro de la torre, es decir, el punto inferior de la misma.

Proceso analítico utilizado en el diseño de la torre:

L ': Flujo másico de líquido por unidad de tiempo y área transversal: Kg liquido

t∗Area transversal

G ': Flujo másico de Gas por unidad de tiempo y área transversal: Kg gas

t∗Area transversal

EL PRIMER CRITERIO DECISIVO en el diseño de la Torre (a)

a= L'

G' ( ρG

ρL−ρG )1/2

CAIDA DE PRESION POR METRO DE EMPAQUE:

Normalmente los absorbedores y desorbedores están diseñados para caídas de presión

del gas de 200 a 400 N/m2, el ΔP/m escogido fue 400

N

m2

mempaque , por lo tanto de la

figura 6.34 del libro de Operaciones de Transferencia de Masa (Robert E. Treybal), se obtiene el valor de b

b=G' 2CF µL

0.1JρG(ρL−ρG)gc

|


De esta expresión conocida ,despejando G’ se tiene:

G'=√ b ρG(ρL−ρG)CF µL

0.1J

Las características del empaque (anillos Raschig cerámicos de 1 pulgada) son tomadas de la Tabla 6.3 de Treybal.

Por lo tanto ya tenemos los datos necesarios para calcular G’ y de los cálculos preliminares se conoce G, de esta manera

At=G

G'

Finalmente el diámetro es igual a:

At= π T2

4❑→

T=√ At∗4π

Con el fin de evitar posibles inundaciones, este dato es multiplicado por 1.2, y aproximado a un valor de diámetro comercial (el cual en este caso fue suministrado por el profesor de acuerdo a las dimensiones del diámetro calculado)

Hallando un diámetro de sobrediseño se recalcula At y G’.

Para determinar el valor del área transversal se utiliza la ecuación que describe el área de un círculo de diámetro T y G’ se determina como el cociente entre Q y el área transversal recalculada:

At=π T 2

4

Conocido At, G’ se determina así:

|

Constante de inundación(Cf) 155Volumen vacío en el lecho (ε) 0,73Superficie especifica del empaque(ap) 190


G'=G( Kgseg )

At

Para tener una mayor comprensión del proceso de diseño se busco calcular este diámetro teniendo en cuenta 3 valores distintos de la caída de presión y posteriormente se escogió el más viable de acuerdo a las necesidades . De esta manera se obtiene:

parámetro a caída de presión parámetro b G' (kg/m2 s) At

0.39 400 0.035 0.7358454990.205659

1

0.39 300 0.029 0.669809980.225934

7

0.39 200 0.022 0.5833966840.259400

4

T (m) T (in) T comerc (m) At (rec) G' b

0.5117161 24.1755615 0.6096 0.29186 0.51851 0.01738

0.5363479 25.3392689

0.5746989 27.15113

El modelo tomado del Norton para la referencia del diámetro comercial fue:Model 845 "orifice type" metal distributor

Ahora para hallar el L inund se tiene:

LsalT REAL+LentTREAL2∗At (rec)

=Linund=0.3241Kmols

Calculo de la Altura Empacada:

|


Para los anillos Raschig el coeficiente de la fase gaseosa esta dado por la siguiente correlación:

FG ScG2/3

G=1.195 [ dsG '

µG(1−ε Lo) ]−0.36

Por lo tanto:

FG=1.195 [ d sG '

µG(1−εLo) ]−0.36

GScG

2 /3

Algunos de los datos necesarios para su cálculo están en la tabla 6.5 del Treybal.

Anillos Raschig de Cerámica

Tamaño Nominal ds (m)

β=1.508ds0.376

1 in 0.0356 ϕ Ltw=(2.09∗10−6 )(737.5 L')β

ds2

ε Lo es el espacio vacío de operación cuando se está utilizando agua como líquido

absorbente que esta dado por

ε Lo=ε−ϕLtw

el valor de ε corresponde al volumen vacío (0.73) y el valor de ϕ Ltw que se refiere a la

retención del líquido en la torre, se obtiene a partir de la expresión reportada en la tabla anterior, y ScG es el numero a dimensional de Schmidt que equivale a:

ScG=µG

ρGDABG

β=1.508ds0.376

Para calcular ΦLtw inicialmente es necesario calcular L’ corregido con el área real, es decir teniendo en cuenta el Tcome

rcial.

|


ϕ Ltw=(2.09∗10−6 )(737.5 L')β

ds2

Además se tiene:

a ,se define como:

a=aA=aAW

Фlo

Фlow

Donde a AW, se define como:

a AW=m( 808G 'ρG0.5 )

n

L

Los valores de m, n y p se tomaron de la tabla 6.4 de [1]. En la tabla 6.4 de Treybal podemos encontrar los valores de m, n y p; dependiendo del L’ que se tenga:

Anillos de Raschig

Tamaño Nominal (in) Rango L’ (kg/m2.s) m n p1 2.0-6.1 68.2 0.0389 L’-0.0793 -0.47

Ges simplemente el promedio de los flujos de gas entrante y saliente en moles.

H tg=G

FG . a= 0.017330,001213∗71.345

=0.200

Para calcular el coeficiente global para el líquido se utiliza la siguiente ecuación:

FL=k L xBMLC

Donde kL es igual a:

k Lds

DL

=25.1(ds L

'

µL

)0.45

ScL0.5❑

→

k L=25.1( ds L'

µL)0.45

∗ScL0.5∗(DL

ds)

|


Ahora se debe hallar xBML pero este depende de la concentración de metanol que no se

conoce por que es variable.

Para resolver este problema se toma en la mitad de la línea operatoria un punto y se le aplicamos la ecuación de las fuerzas impulsoras, utilizando coeficientes de transferencia de masa tipo F, para hallar la fuerza impulsora y con ello, que esta corte o llegue hasta la

línea de equilibrio, aparte de eso la ecuación tiene el punto (x Ai,y Ai) que es el que se va a

hallar, pues este es uno de los objetivos de la línea impulsora por lo que hay que suponer

un x Ai para hallar un y Ai y satisfacer condiciones. Por medio de SOLVER.

ALGORITMO

1) Suponer un x Ai (que sea menor que el x escogido en la mitad de línea operatoria)

2) Se halla con x Ay x Ai supuesto el xBML que es simplemente:

xBML=(1−x A )− (1−x Ai )

ln( (1−x A )(1−x Ai ) )

3) Se halla FL por medio de FL=k L xBMLC

4) Se sustituye FL en ( 1− y Ai

1− y A)=( 1−x A

1−x Ai)FLFG

y se despeja y Ai, realizando un simple

despeje:

y Ai=1−[( 1−x A

1−x Ai)FLFG∗(1− y A)]

5) Corroboración:

y Ai=12,2∗xAi supuesto

Como ya sabemos el valor de FL en la mitad de la Torre es decir como un promedio

hallamos el Cociente

FL

FG

|


El valor de XBML supuesto es obtenido con la herramienta de solver en Excel.

Calculo Ntg:

Estos datos son remplazados en la siguiente ecuación:

1− y Ai

1− y AG

=( 1−xAL

1−x Ai)0.017018kmol /m2 . s/0.001246kmol /m2 . s

Despejando yAi de esta ecuación y de la distribución en el equilibrio, obtenemos la concentración del gas en la interface:

y Ai=1−[ (1− y AG )∗( 1−xAL1−x Ai

)0.017018kmol /m2 . s /0.001246kmol /m2. s]

y Ai=12.2 x Ai

Teniendo en cuenta estas dos ecuaciones se realizó un procedimiento iterativo, dado un xAL y un yAL específico se varió xAi hasta que las dos ecuaciones sean iguales:

Los resultados obtenidos son:

ec línea operación Y= 19,275 X + 0,0003

Intervalo

0 0.0033 6.72E-5

50 puntos

X Y x y xai xbm Fl yaiyai ec eq Ntg

0.0E+00 3.0E-04 0.0E+00 3.0E-04 2.0E-05 1.0E+00 1.8E-02 3.3E-12

0.0E+00 3.3E+03

6.7E-05 1.6E-03 6.7E-05 1.6E-03 1.2E-04 1.0E+00 1.8E-02 8.2E-04 8.2E-04 1.3E+031.3E-04 2.9E-03 1.3E-04 2.9E-03 2.2E-04 1.0E+00 1.8E-02 1.6E-03 1.6E-03 8.0E+022.0E-04 4.2E-03 2.0E-04 4.2E-03 3.2E-04 1.0E+00 1.8E-02 2.5E-03 2.5E-03 5.9E+022.7E-04 5.5E-03 2.7E-04 5.5E-03 4.1E-04 1.0E+00 1.8E-02 3.3E-03 3.3E-03 4.6E+023.4E-04 6.8E-03 3.4E-04 6.7E-03 5.1E-04 1.0E+00 1.8E-02 4.1E-03 4.1E-03 3.8E+024.0E-04 8.1E-03 4.0E-04 8.0E-03 6.1E-04 1.0E+00 1.8E-02 4.9E-03 4.9E-03 3.2E+024.7E-04 9.4E-03 4.7E-04 9.3E-03 7.1E-04 1.0E+00 1.8E-02 5.7E-03 5.7E-03 2.8E+025.4E-04 1.1E-02 5.4E-04 1.1E-02 8.1E-04 1.0E+00 1.8E-02 6.6E-03 6.6E-03 2.5E+02

|


6.1E-04 1.2E-02 6.0E-04 1.2E-02 9.0E-04 1.0E+00 1.8E-02 7.4E-03 7.4E-03 2.3E+026.7E-04 1.3E-02 6.7E-04 1.3E-02 1.0E-03 1.0E+00 1.8E-02 8.2E-03 8.2E-03 2.1E+027.4E-04 1.5E-02 7.4E-04 1.4E-02 1.1E-03 1.0E+00 1.8E-02 9.0E-03 9.0E-03 1.9E+028.1E-04 1.6E-02 8.1E-04 1.6E-02 1.2E-03 1.0E+00 1.8E-02 9.8E-03 9.8E-03 1.7E+028.7E-04 1.7E-02 8.7E-04 1.7E-02 1.3E-03 1.0E+00 1.8E-02 1.1E-02 1.1E-02 1.6E+029.4E-04 1.8E-02 9.4E-04 1.8E-02 1.4E-03 1.0E+00 1.8E-02 1.1E-02 1.1E-02 1.5E+021.0E-03 2.0E-02 1.0E-03 1.9E-02 1.5E-03 1.0E+00 1.8E-02 1.2E-02 1.2E-02 1.4E+021.1E-03 2.1E-02 1.1E-03 2.1E-02 1.6E-03 1.0E+00 1.8E-02 1.3E-02 1.3E-02 1.3E+021.1E-03 2.2E-02 1.1E-03 2.2E-02 1.7E-03 1.0E+00 1.8E-02 1.4E-02 1.4E-02 1.3E+021.2E-03 2.4E-02 1.2E-03 2.3E-02 1.8E-03 1.0E+00 1.8E-02 1.5E-02 1.5E-02 1.2E+021.3E-03 2.5E-02 1.3E-03 2.4E-02 1.9E-03 1.0E+00 1.8E-02 1.6E-02 1.6E-02 1.1E+021.3E-03 2.6E-02 1.3E-03 2.6E-02 2.0E-03 1.0E+00 1.8E-02 1.6E-02 1.6E-02 1.1E+021.4E-03 2.8E-02 1.4E-03 2.7E-02 2.1E-03 1.0E+00 1.8E-02 1.7E-02 1.7E-02 1.0E+021.5E-03 2.9E-02 1.5E-03 2.8E-02 2.2E-03 1.0E+00 1.8E-02 1.8E-02 1.8E-02 1.0E+021.5E-03 3.0E-02 1.5E-03 2.9E-02 2.3E-03 1.0E+00 1.8E-02 1.9E-02 1.9E-02 9.7E+011.6E-03 3.1E-02 1.6E-03 3.0E-02 2.4E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.0E-02 2.0E-02 9.3E+011.7E-03 3.3E-02 1.7E-03 3.2E-02 2.4E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.0E-02 2.0E-02 9.0E+011.7E-03 3.4E-02 1.7E-03 3.3E-02 2.5E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.1E-02 2.1E-02 8.7E+011.8E-03 3.5E-02 1.8E-03 3.4E-02 2.6E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.2E-02 2.2E-02 8.4E+011.9E-03 3.7E-02 1.9E-03 3.5E-02 2.7E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.3E-02 2.3E-02 8.1E+012.0E-03 3.8E-02 1.9E-03 3.7E-02 2.8E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.4E-02 2.4E-02 7.9E+012.0E-03 3.9E-02 2.0E-03 3.8E-02 2.9E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.5E-02 2.5E-02 7.7E+012.1E-03 4.0E-02 2.1E-03 3.9E-02 3.0E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.5E-02 2.5E-02 7.4E+012.2E-03 4.2E-02 2.1E-03 4.0E-02 3.1E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.6E-02 2.6E-02 7.2E+012.2E-03 4.3E-02 2.2E-03 4.1E-02 3.2E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.7E-02 2.7E-02 7.1E+012.3E-03 4.4E-02 2.3E-03 4.2E-02 3.3E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.8E-02 2.8E-02 6.9E+012.4E-03 4.6E-02 2.3E-03 4.4E-02 3.4E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.9E-02 2.9E-02 6.7E+012.4E-03 4.7E-02 2.4E-03 4.5E-02 3.5E-03 1.0E+00 1.8E-02 2.9E-02 2.9E-02 6.5E+012.5E-03 4.8E-02 2.5E-03 4.6E-02 3.6E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.0E-02 3.0E-02 6.4E+012.6E-03 5.0E-02 2.5E-03 4.7E-02 3.7E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.1E-02 3.1E-02 6.3E+012.6E-03 5.1E-02 2.6E-03 4.8E-02 3.8E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.2E-02 3.2E-02 6.1E+012.7E-03 5.2E-02 2.7E-03 5.0E-02 3.9E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.3E-02 3.3E-02 6.0E+012.8E-03 5.3E-02 2.7E-03 5.1E-02 3.9E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.4E-02 3.4E-02 5.9E+012.8E-03 5.5E-02 2.8E-03 5.2E-02 4.0E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.4E-02 3.4E-02 5.8E+012.9E-03 5.6E-02 2.9E-03 5.3E-02 4.1E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.5E-02 3.5E-02 5.6E+013.0E-03 5.7E-02 2.9E-03 5.4E-02 4.2E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.6E-02 3.6E-02 5.5E+013.0E-03 5.9E-02 3.0E-03 5.5E-02 4.3E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.7E-02 3.7E-02 5.4E+013.1E-03 6.0E-02 3.1E-03 5.7E-02 4.4E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.8E-02 3.8E-02 5.3E+013.2E-03 6.1E-02 3.2E-03 5.8E-02 4.5E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.8E-02 3.8E-02 5.2E+013.2E-03 6.3E-02 3.2E-03 5.9E-02 4.6E-03 1.0E+00 1.8E-02 3.9E-02 3.9E-02 5.2E+013.3E-03 6.4E-02 3.3E-03 6.0E-02 4.7E-03 1.0E+00 1.8E-02 4.0E-02 4.0E-02 5.1E+01

|


Los resultados obtenidos son:

Sc gas 0.937547319G' (Kg/m2 s) 0.501426156G (kmol/m2 s) 0.017328494ds (m) 0.0356L (kmol/m2 s) 0.324134874β 0.430275424φltw 0.060395311ε 0.73εld 0.669604689Fg (Kmol/m2 s) 0.001213286G' (kg/s) 0.146347997

Htg (m) 0.200186266Ntg 11.70939887Ntg absoluto 12z (m) 2.402235189z (m) valor entero 2.5

m 68.2n 0.148p -0.47

aAw (m2/m3) 71.34498

ds (m) 0.0356Dab liq (m2/s) 1.77E-09

L' (Kg/m2 s)5.841900

4visc liq (Kg/m s) 1.00E-03dens liq (Kg/m3) 997.6015

Sc liq567.9267

2kl (m/s) 0.000328xbm 1

PM medio18.02305

4

C (Kmol/m3)55.35141

2

|


Fl (Kmol/m2 s)0.018157

9

L (Kmol/m2 s)0.324134

9

L' (Kg/s)1.705037

5

0.0E+00 1.0E-02 2.0E-02 3.0E-02 4.0E-02 5.0E-02 6.0E-02 7.0E-020.0E+00

5.0E+02

1.0E+03

1.5E+03

2.0E+03

2.5E+03

3.0E+03

3.5E+03

4.0E+03f(x) = 4.65402223235072 x -̂0.860811969840675R² = 0.993099301308114

altura

alturaPower (altura)

Calculo de la Altura Total:

La altura del líquido de sello se calculara de la siguiente forma:

h=∆ Pg

Donde

∆ PLiq=1.3∆ Pem

Z∗Z

Por lo tanto la altura del sello del líquido va ser igual a:

|


sello hidráulicodP=1.3*400*z 1300sello = hL 0.13305225

Las otras alturas son arbitrarias, a continuación se presentan:

Para la tubería del gas se tiene:

diámetro tubería entrada gas comercialQ (m3/s) 0,12165331 0,12165331V media (m/s) 20,4216 8,403712713área (m2) 0,00595709 0,014476139 diámetro externodiámetro (m) 0,087090772 0,135763 0,1391666

|

in mcabeza 4 0.1016elim arrastre 8 0.2032espacio 4 0.1016distribuidor liq 6 0.1524espacio 4 0.1016z empaque NA 2.5espacio 6 0.1524diámetro tubería 0.13305espacio 6 0.1524sello hidráulico NA 0.13305225altura total NA 3.73742


Calculo de las potencias

W (m2

s2 )=V 2

2+ Piρgas

ln( PiPf )+Zt∗g

W (KPa )=W∗G /1000

KWH=W (KPa )∗24

ConsumoDiario=KWH∗( 214 pesosKWH ) |


POTENCIA DEL SOPLADOR:

sopladorpresión inicialpresión finalvelocidad gasalturaKWKWHHPpesos/día

POTENCIA DE LA BOMBA:

bombadP 36538.86velocidad 0.005856altura 3.7374KW 0.1249KWH 2.9976Hp 0.1674pesos/día 641.49

TORRE DE PLATOS

|


Para llevar a cabo los cálculos de diseño de la torre de platos se emplearan las ecuaciones y el procedimiento que se encuentran descritos en el capítulo 6 del libro: Operaciones de transferencia de masa. Robert E. Treybal ; tr. Amelia García Rodríguez. 2a. ed. Santafé de Bogotá. McGraw-Hill 1988 .

El procedimiento utilizado se debe iniciar realizando fijando algunos parámetros y realizando algunas suposiciones importantes como:

a. Suponer una separación entre platos t que generalmente se encuentra entre 0.15 y 0.50 m cuando hay el diámetro de torre menor de 1m (Tabla 6.1 Operaciones de transferencia de masa. Robert E. Treybal). Para nuestro caso la separación entre platos la tomamos como 0.45 m.

b. Fijar el diámetro del orificio, el cual se debe encontrar en un rango de 3 a 12 mm Para este

c. Fijar la longitud de derramadero W como 0,7T. Se tomo este valor ya que es el más típico para derramaderos rectangulares rectos.

d. Con el anterior parámetro, se fija automáticamente la distancia desde el centro de la torre al vertedero, la cual es de 0.3562T, y el porcentaje de área de la torre utilizada por el vertedero igual a 8.808%. (Tabla 6.1 Operaciones de transferencia de masa. Robert E. Treybal)

e. Fijar el arreglo de orificio. Arreglo tipo Triangular de longitud de paso p’ de 3do, sabiendo que este de debe encontrar en un rango de 2,5 a 5 veces el diámetro de orificio.

f. Fijar una altura del rebosadero hw supuesta.

Inicialmente se suponen los siguientes datos:

Cálculos para el Plato Perforado

do [m] 0,012Arreglo triangularP Paso [m] 0,036

hw [m] 0,03

t [m] 0,28

Calculo del diámetro de la columna

Para realizar este cálculo inicialmente es necesario calcular la velocidad de inundación del gas:

V f=C f ( ρL−ρGρG )

1 /2

|


En donde Cf está dado por la siguiente ecuación:

C f=¿

Donde σ corresponde a la tensión superficial del líquido

Ya que Ao

Aa

=0.907∗( d o

p ' )2

=0.907∗( 0.0120.026 )2

=0.10077 ; es decir mayor a 0.1; los

valores de α y β son calculados:

∝=0.07 t+0.01173β=0.0304 t+0.015

Dado que:

( L'

G' )( ρGρL)0.5

Si el termino anterior es mayor a 0.1 se debe poner en la ecuación es el obtenido, de lo contrario se usa 0.1.

Normalmente la velocidad de operación se establece entre 0.75 V f y 0.85 Vf, siendo 0.75 Vf el valor correspondiente al líquidos que producen espuma. Para este caso el liquido no espuma

V op=0.85∗V f

Teniendo en cuenta que:

V= QANeta

❑→

ANeta=QV

Donde Q es el caudal del gas, el cual es igual a:

Q=G 'ρG

A continuación se calcula el área transversal, la cual es igual a:

At=ANeta

1−Ad /A t

|


Donde Ad/At, se lee de la tabla 6.1 de Treybal en el ítem 4, con el cual tenemos que para un W=0.7 T, el porcentaje de área utilizada por un vertedero es de 8.808%.

Se despeja entonces el T:

At=π T 2

4❑→

Tcal=√ 4 A t

π

A este diámetro calculado se le realiza un tratamiento similar al de la torre empacada con un criterio del 30%, y se compara con los valores comerciales

Por lo tanto:

W=0.7T

Y el área real con el diámetro corregido es igual a:

Atreal=π TCom

2

4

Dato con el cual se pueden calcular las áreas restantes:

Ad=At∗0.08808

ANeta=A t−Ad

Aa=A t−2 Ad−A sop

A sop=0.2∗A t

Ao=Ao

Aa

∗Aa

Teniendo el área de orificios (Ao), se puede hallar el número de orificios, los cuales van a ser iguales a:

Ao=N oπ do

2

4❑→

N o=4∗Ao

π do2

De esta manera ya se tienen calculadas todas las variables correspondientes al plato, sin embargo es necesario verificar si los datos supuestos están bien, teniendo en cuenta los siguientes criterios:

|


1. VELOCIDAD DE LLORIQUEO

Este criterio busca determinar si el líquido que baja por los orificios es significativamente alto, esto se establece al comparar la velocidad del gas a través de los orificios con la velocidad de lloriqueo que se calcula con la siguiente ecuación:

V ow μL

σ gc

=0.0229 ( μG2

σ gc ρGdo

∗ρL

ρG)0.379

( ldo

)0.293( 2 Aado

√3 p '3 )2.8 / (Z/do )0.724

Donde la relación l/do la podemos hallar en la 6.2 de Treybal.

V ow=[0.0229( μG2

σ gc ρGdo

∗ρL

ρG)0.379

( ldo

)0.293

( 2 Aado

√3 p '3 )2.8 /(Z /d o)

0.724]∗( σ gc

μL)

Z es la distancia desde el centro de la torre y se halla en la tabla 6.1 de Treybal; para nuestro caso y teniendo en cuenta que W= 0.7 T:

V o=QAo

Si se tiene Vo>Vow no habrá un lloriqueo significativo de lo contrario se tiene que rediseñar el sistema.

2. ARRASTRE FRACCIONAL

Este criterio busca determinar cuánto líquido es arrastrado por el gas.

E=molesde liqarrastrado /A t∗t

L+moles de liqarrastrado / At∗t

Este dato es calculado según la Figura 6.17 de Treybal, con V/Vf y ( L'

G' )( ρGρL)0.5

y el

intervalo aceptable es E<0,2.

3. CRITERIO DE INUNDACIÓN

hw+h1+h3≤ t /2

Donde:

|


- hw fue supuesta inicialmente.- Para calcular h1, se introduce una nueva variable Wef, la cual corresponde a la

longitud efectiva del derramadero. Para resolver estas variables se tienen dos ecuaciones:

h1=0.666( qW )2/3

( WW ef )

2 /3

(W ef

W )2

=( TW )2

−{[( TW )2

−1]0.5

+2h1T

TW }

2

El método utilizado para hallar las dos variables, consistió en despejar Wef de las dos ecuaciones, y por medio de la herramienta de Excel (Solver) hallar un h1, de tal manera que las dos ecuaciones fueran iguales.

- h3 es igual a:

h3=hg+h2

Donde hg=ho+hR+hL

ho es la caída de presión en el plato seco:

2h0g ρL

V o2 ρG

=Co[0.40(1.25− Ao

An)+ 4 lfdo

+(1− Ao

An)2]

Despejando;

h0=Co[0.40(1.25− Ao

An)+ 4 lfdo

+(1− Ao

An)2]∗( V o

2 ρG2∗g ρL

)Co=1.09( do

l )0.25

=1.09∗( 0.0045m0.0019m )0.25

=1.346

f es el coeficiente de fricción de fanning, el cual fue hallado teniendo en cuenta el Reynolds de los orificios, el cual fue igual a:

ℜ=do∗V o∗ρG

μG

hR=6σ

ρL∗do∗g

|


hL=6.10∗10−3+0.725hw−0.238hwV a ρL

0.5+1.225 qz

V a=QAa

z=T+W2

hg=ho+hR+hL=0.0157m+0,0969m+0.0209m=0.1337m

h2=32 g ( q

A da )2

Donde Ada es la menor área, entre Ad y [(hw/2)*W

h3=hg+h2

Si se tiene

hw+h1+h3≤ t /2

no habrá inundación en la torre.

EFICIENCIA GLOBAL

θL=hL∗z∗Z

q

N tg=0.77+4.57hw−0.238hwV a ρL

0.5+104.6 qz

ScG0.5

N tl=40000∗DABL0.5(0.213V a ρL

0.5+0.15)θL

N tog=1

1N tg

+mGL

1N tl

Eog=1−e−N tog

|


DE=3.93∗10−3+0.0171V a+

3.67qZ

+0.1800hw

Pe= Z2

DEθL

η=Pe2 [(1+ 4mGEOG

LPe )−1]EMG=

1−e−(η+Pe)

(η+Pe)[1+(η+Pe ) /η ]+ eη−1η [1+η /(η+Pe ) ]

EMGE=EMG

1+EMG[ E1+E ]

A=Ls/G s

m

Eo=

log [1+EMGE( 1A−1)]log 1/A

Para el cálculo de los platos ideales o teóricos .

Se tiene:

Ls/Gs ambos conocidos

m: pendiente del equilibrio en relaciones

A: (Ls/Gs)/m

|


Y finalmente:

Np ideales=

log [(Y np+1−mXoY 1−mXo )(1− 1

A )+( 1A )]log A

Np reales=N platos idealsEo

Estos platos reales también se corrigen con un factor de diseño del 30% y se aproximan a un valor entero

Finalmente se obtiene:

σ (N/m) 7.36E-02dens liq 997.601495dens gas 1.20299231L (kmol/s) 0.09460314G (kmol/s) 0.00505704L' (Kg/s) 1.70503754G' (Kg/s) 0.14633314visc gas 1.8117E-05gc 9.8(L'/G')(dg/dl)0,5 0.40461701Q gas 0.12579742% a uti vert 0.08808l 0.2Z 0.34832798

h1 0.02165044q 0.00170914z 0.4156075

|


g 9.8Ada 0.00513398t/2 0.14DL 1.7703E-09

sello hidráulicodP 656.1427sello = hL 0.0671548

do p' 1 Ao/Aa 1 t α1 β1 cf1 vf1 v1 An1 At10.012 0.036 0.100778 0.28 0.032562 0.023512 0.04712 1.356 1.15257 0.1091447 0.119687

T1 Tcom w At real Ad An Asop Aa Ao No No real0.390371422 0.48895 0.342265 0.18777 0.016538 0.1712283 0.05633 0.0984 0.00991 87.645545 88

Vow Vo no hay lloriqueo5.76554 12.69082

El Tcom se tomo del catalogo Norton modelo:

Model 818 “gas-injection” metal support plate

(L'/G')(dg/dl)0,5 0.404617gráficamente figura6,17 treybal

v/Vf 0.85 Menor a: no hay arrastreE 0.004 0.1

solverh1 h1 wef Re f Co hD hr Va0.851972349 0.02165 0.2916 10112.47 0.0375 0.5395 0.007454 0.03689 1.27895220.851972399-5.00147E-08 hw hL hG h2 h3

0.03 0.02277 0.067508 0.0169633 0.08447

corroboració h1 + hw limite |


n hw

0.136120.051650

4 0.07835no se inunda 0.14 0,05 - 0,1

θ Ntl Ntg Ntog Eog DE Pe η η + Pe Emg1.928831515 1.456877 1.128281 0.74966 0.527471 0.0024214 25.9787 0.3396 26.3183 0.6203377

Emge A Eo0.618796041 1.533378 0.567016

m eq rela Ls Gs A Ynp+1 Y1 XoNpteorico

s13.001 0.094448 0.0049 1.48262 0.06383 0.0003191 0 10.63

Np reales sobrediseñoNp reales altura total

18.74776243 24.37209 25 7

in mcabeza 8 0.2032altura platos NA 7espacio 8 0.2032diámetro tubería NA 0.1391666espacio 8 0.2032sello hidráulico NA 0.067548779altura total NA 7.8159

Para la tubería se tiene.

diámetro tubería entrada gas comercialQ (m3/s) 0.12579742 0.125797424V media (m/s) 20.4216 8.689984732

|


área (m2) 0.00616002 0.014476139diámetro externo

diámetro (m) 0.08856172 0.135763 0.1391666

Para el calculo de la potencias se calculan de manera análoga a la torre empacada:

soplador bomba

presión inicial 102177.985 dP76412.31

4presión final 101325 velocidad 0.009102velocidad gas 0.66996631 altura 7.8159altura 7.81592141 KW 0.2612KW 0.11543486 KWH 6.2688KWH 2.7704 Hp 0.3500HP 0.1547 pesos/día 1341.51pesos/día 592.87

Para el espesor se decidió asumir que era un tanque de almacenamiento para el cual se utilizo la ecuación tomando la altura como la suma de hw + h1 que representa el liquido por consiguiente el peso mas relevante dentro de la torre; multiplicado por 1.3 factor de corrección.

E= eficiencia de soldadura que se toma como 1 y el valor del espesor se aproxima a su entero superior mas cercano

La ecuación es:

c=0.0005Tcom∗(( (hw+h1 )∗1.3 )∗denliq )

1476 E

|


C= 2.27 aprox. 3 mm

BIBLIOGRAFÍA

Norton: Packed Tower Internals. Catálogo Comercial

TREYBAL, Robert E. Operaciones de Transferencia de Masa. Amelia García Rodríguez; rev. téc. Francisco José Lozano. México McGraw-Hill 2000.

Pierre, Roberge R. Handbook of Corrosion Engineering. McGraw-Hill. New York. 1999.

Perry, Don W. Green, James O. Manual del Ingeniero Químico. Vol. I y IV.

|

Documents

DISEÑO DE TORRES terminado