SciELO - Scientific Electronic Library Online

 
vol.15 número1Efecto de la Temperatura y del Flujo de Aire sobre el Proceso de Secado de Madera de Encino (Quercus Candicans Neé), Pretratada con AguaCaracterización Dinámica de Máquinas Herramienta y Diseño de un Sistema Activo de Reducción de Vibraciones durante el Mecanizado índice de autoresíndice de assuntospesquisa de artigos
Home Pagelista alfabética de periódicos  

Serviços Personalizados

Journal

Artigo

Indicadores

Links relacionados

Compartilhar


Información tecnológica

versão On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.15 n.1 La Serena  2004

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642004000100003 

 

Información Tecnológica - Vol. 15 N° 1 - 2004 : 17-22

TRANSFERENCIA DE CALOR Y MATERIA

 

Caracterización Experimental de un Empaque Estructurado de Gasa de Latón de Alta Eficiencia

Experimental Characterization of a High Efficiency Brass Gauge Structured Packing

 

R.H. Chávez1 y J.J. Guadarrama2

(1) Inst. Nacional de Investigaciones Nucleares, Apdo. Postal 18-1027, Col. Escandón,
11801 México, D.F.-México (e-mail: rhch@nuclear.inin.mx)
(2) Inst. Tecnológico de Toluca, Metepec 52140, Estado de México-México (e-mail: jguad4@aol.com)


Resumen

En este trabajo se muestra la operación de un empaque estructurado construido en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ), del tipo gasa de alambre y fabricado en latón. Los resultados experimentales son las caídas de presión generadas por el paso de los flujos gaseoso y líquido que cruzan el empaque, las retenciones volumétricas del líquido, los coeficientes volumétricos de transferencia de masa por el lado líquido y las alturas de unidades de transferencia de masa del líquido. Los resultados son comparados con los de el empaque estructurado comercial Sulzer BX, igualmente del tipo de gasa de alambre y construido en acero inoxidable,. Los resultados experimentales muestran que el empaque ININ es más eficiente en la transferencia de masa, pero con mayor caída de presión, en comparación con el empaque Sulzer BX, debido a las características geométricas y al tipo de material de construcción.


Abstract

This paper shows the performance of a structured packing of the gauze type and made out of brass, developed at the National Institute of Nuclear Research, Mexico (ININ). The experimental results are the pressure drop of the gas and liquid through the packing, the liquid volumetric holdups, the liquid-side volumetric mass transfer coefficients and the heights of liquid-side mass transfer unit. The results are compared with the commercial structured packing Sulzer BX, also of the gauze type and made out of stainless steel. The experimental results show that the ININ packing offers higher mass transfer efficiency but higher pressure drop than the Sulzer BX packing due to their geometric characteristics and the type of construction material.

Keywords: structured packing, brass gauge, mass transfer characterization, pressure drop


 

INTRODUCCIÓN

El relleno o empaque es el elemento más importante para la adecuada respuesta de las columnas, ya que es donde se realiza el contacto líquido-gas y la transferencia de masa. Se hacen grandes esfuerzos para incrementar la efectividad en el contacto, efectos de caída de presión y reducir pérdidas por arrastre de vapor, que es cuando el vapor retira del proceso a los líquidos pesados por su poder calórico, generando ineficiencias en la separación (Aroonwilas et al. 1999; Chávez et al., 1999; Xu et al., 2000). Debido a su estructura regular, de malla y a consecuencia de su gran capilaridad, pequeñas cantidades de flujo pueden distribuirse uniformemente sobre la superficie del empaque para formar la película líquida. La pendiente de los canales de flujo, aseguran un gran mezclado lateral y los empaques colocados a 90º uno con respecto al otro, garantizan que el líquido y el gas se mezclen a través de la sección horizontal de la columna y al fluir sigan trayectorias bien definidas sobre el empaque que se encarga de dispersar las fases líquida y gaseosa para ponerlas en contacto y promover la transferencia de masa (Billet, 1995).

A pesar de la expansión de los empaques estructurados, el desarrollo de procedimientos adecuados para predecir el comportamiento de este tipo de material, ha quedado rezagado con respecto al crecimiento comercial que han tenido (Fair et al., 2000; Schmit et al., 2000, 2001). En la práctica, los diseños de equipos que contengan empaques estructurados se basan en aproximaciones, partiendo de recomendaciones del fabricante. Los métodos de diseño actuales atacan complejos fenómenos hidráulicos y de transferencia de masa, y su solución requiere de un número significativo de parámetros y coeficientes específicos para cada tipo de empaque, lo cual los hace ser inaplicables para la mayoría de los fines prácticos particulares ya que no son de carácter general (Chávez y Lima, 1998).

El objetivo del presente trabajo es la caracterización experimental de un empaque estructurado construido en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares.

EVALUACIÓN DE COLUMNA

La evaluación de una columna de absorción, como la de cualquier columna industrial, involucra la determinación de tres características fundamentales: capacidad, eficiencia y costo. La mayor capacidad se refiere a los flujos posibles en la columna, líquido, gaseoso o de ambos. La capacidad se mide con base al parámetros hidrodinámicos de la columna. La eficiencia se mide cuando se logre transferir mayor cantidad de masa (permitida por el sistema) por altura empacada de la columna, o cuando la misma cantidad de masa se transfiere con menor altura empacada. La eficiencia de una columna se mide con base en los parámetros operacionales de transferencia de masa (altura equivalente por plato teórico). El costo de un proceso de separación (o de purificación) depende directamente de la relación entre la concentración inicial y la final de las sustancias a transferir. Los costos serán un reflejo de la capacidad y eficiencia de la columna de separación.

Parámetros hidrodinámicos

El análisis hidrodinámico se realiza explorando las diferentes zonas de operación (estable o precarga, turbulencia o carga e inundación), con el fin de evaluar la capacidad de la columna. La hidrodinámica de cada empaque se obtiene determinando la caída de presión que se presenta en la columna debido al paso del gas a través del lecho empacado, tanto en seco (flujo líquido cero) como cuando participa el flujo líquido. La retención líquida total es la suma de los elementos estático y dinámico. La retención estática es la cantidad de líquido retenido por el empaque, a cero flujos gaseoso y líquido. La dinámica es la cantidad adicional de líquido retenido por el empaque cuando los flujos gaseoso y líquido se alimentan a la columna (Billet, 1995; Stichlmair et al., 1989).

Parámetros transferencia de masa

Sobre la base de las definiciones convencionales de la altura de una unidad de transferencia de masa total, se tiene:

lado gas,

(1)

lado líquido,

(2)

Donde ,son las velocidades del gas y líquido en m/s; , son los coeficientes volumétricos de transferencia de masa en 1/h, respectivamente.

La eficiencia se puede relacionar a la fase líquida, como a la del gas, dependiendo de donde se encuentra la mayor resistencia a la transferencia de masa. La teoría de la Doble Película se aplica frecuentemente a los procesos de absorción. Éste correlaciona la altura de una unidad global de transferencia de masa y con la altura de una unidad de transferencia de gas y aquella con la del líquido .

Para la fase gas:

(3)

y para la fase líquida:

(4)

Para calcular la altura de un lecho empacado en una columna, se utiliza la teoría de la Doble Película, la cual se basa en el número de unidades globales de transferencia en ambas resistencias gas y líquida e involucra a la eficiencia en término de la altura de una unidad global de transferencia (Henley y Seader, 1981; Hines y Maddox, 1985).

Para la fase gas:(5)

Las magnitudes de las resistencias individuales intervienen en la forma de combinarse las resistencias (Sherwood et al., 1975).

El factor de remoción (o desorción) l está dado por la Ecuación (6), siendo la pendiente promedio de la curva de equilibrio en el intervalo de concentración considerado. El inverso de l , es el factor de absorción A.

(6)

La carga del gas en una columna empacada, está expresada generalmente por el factor de capacidad

(7)

donde rG es la densidad de la corriente gaseosa en Kg/m3.

MATERIAL y MÉTODOS

Se contó con una columna de absorción empacada de 0.075m de diámetro interno y 2.3m de altura neta, con instrumentos de medición y equipo periférico. La altura empacada fue de 1.7m, con área de sección transversal de 0.0044m2 y volumen interno de 0.0102m3. Se trabajó bajo condiciones de temperatura de 10 ºC y presión de 523 mm Hg, manteniéndose prácticamente constantes durante la experimentación, con precisión de +1.5 mm Hg para la caída de presión en la zona de precarga y 2 mm Hg en la de carga y de + 1.5 ºC para la temperatura.

La Tabla 1 presenta las diferencias geométricas de los dos empaques estudiados.

El material de construcción del empaque ININ es de latón y del empaque Sulzer BX de acero inoxidable, ambos de malla del número 60.

La caída de presión se midió con el paso del gas a través del lecho empacado, tanto en seco, como cuando participó el flujo líquido.

La retención líquida se midió con la cantidad del líquido retenido por el empaque, a cero flujos gaseoso y líquido.

La transferencia de masa se evaluó mediante un proceso de absorción en el sistema CO2-aire-agua, en el que el CO2 es la sustancia que se transfiere de la fase gas a la líquida. Se tomaron muestras gaseosas representativas de las tres zonas de operación y de la entrada y salida de la columna, para conocer la fracción molar en la fase gaseosa y con un balance de materia, la del líquido.

El análisis de las muestras gaseosas de las corrientes de entrada y salida de la columna, fueron determinadas con un cromatógrafo de gases, Varian 3700. La comprobación de las muestras analizadas se logró con el cumplimiento del balance de masa global en la columna.

Tabla 1: Propiedades geométricas

empaque

porosidad

área/volumen emcado

ancho corrugación

ININ

0.966

1033m2/m3

0.005 m

SulzerBX

0.980

462m2/m3

0.008 m

El número de unidades de transferencia de masa experimentales, se obtuvo mediante la expresión:

(8)

donde c e y son las concentraciones en fracción molar de las corrientes líquida y gaseosa. El subíndice 1 se refiere al extremo inferior de la columna y el 2 al superior. La Ecuación (8) se aplica para soluciones diluidas y para la película de mayor resistencia a la transferencia de masa, que es el caso que nos ocupa (Hines y Maddox,1985).

Obtenido y conocida la altura de lecho , se determinó la altura de una unidad de transferencia de masa:

(9)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las determinaciones experimentales de caída de presión por altura empacada, se muestran en las Figuras 1 y 2 para el empaque ININ y Sulzer BX. La caída de presión para el ININ resultó mayor que la del Sulzer BX: 30% en empaque seco y 68% en irrigado, esto fue consecuencia preferentemente de la dimensión del canal de flujo, ya que el empaque ININ tiene un ancho de corrugación de 0.005m y el empaque Sulzer BX de 0.008m.

La Figura 3 muestra la retención líquida total en unidades de volumen retenido/volumen empacado, para los empaques ININ y Sulzer BX. La retención líquida del ININ fue superior a la del Sulzer BX en un 40%, como consecuencia del canal de flujo y del material de construcción, ya que el latón posee mejor humectabilidad que el acero inoxidable.

Fig. 1: Valores experimentales de caída de presión del empaque ININ, donde L se expresa en l/s: ¨ L1=0, !L2=0.0616, xL3=0.109, %L4=0.1326, ¨ 5=0.1563,-L6=0.18


Fig. 2: Valores experimentales de caídas de presión del empaque Sulzer BX, L se expresa en l/s: ¨ L1=0, !L2=0.0717, %L3=0.1013, xL4=0.1309, *L5=0.1605, · L6=0.1827, +L7=0.2049, -L8=0.2271


Fig. 3: Valores experimentales de retención líquida del empaque ININ y del empaque Sulzer BX, donde L se expresa en l/s:(Sulzer BX L=0.0717, 'Sulzer BX L=0.1013, *ININ L=0.06

La Figura 4 representa el coeficiente volumétrico de transferencia de masa por el lado líquido a partir de las Ecuaciones (1, 2, 5 y 9). Los valores para ambos empaques comparados para flujos líquidos semejantes de 0.07 l/s fueron muy similares. Los coeficientes volumétricos se mantuvieron constantes para el empaque Sulzer BX, en el intervalo estudiado, y para el empaque ININ se presentó un incremento conforme aumentaba el factor de capacidad. Lo anterior demuestra que el empaque Sulzer BX aún operaba en régimen estable o de precarga y el empaque ININ en régimen turbulento.

La Figura 5 muestra los valores experimentales de altura de una unidad de transferencia para los empaques ININ y Sulzer BX con respecto al Fs, a partir de las Ecuaciones (8 y 9). El empaque ININ presentó menores valores de altura de la unidad de transferencia de masa que el empaque Sulzer BX en un 30%, lo cual lo hace más eficiente en la transferencia de masa.

Fig. 4: Valores experimentales de coeficiente volumétrico de transferencia de masa contra Fs para los empaques ININ y Sulzer BX, donde L se expresa en l/s: %Sulzer BX L=0.0717, ¨Sulzer BX L=0.1309, !Sulzer BX L=0.2271, oININ L=0.02, +ININ L=0.0348, *ININ L=0.07


Fig. 5: Valores experimentales de la altura equivalente por plato teórico contra el factor Fs, para los empaques ININ y Sulzer BX, donde L se expresa en l/s: +sulzer BX L=0.0717, (Sulzer BX L= 0.1309, oININ L=0.02, 'ININ L=0.0348

CONCLUSIONES

La caída de presión del empaque ININ resultó de mayor valor que la del Sulzer BX, ya que al canzó la inundación con menores valores de flujos líquido y gaseoso.

La retención líquida del empaque ININ fue superior que la del empaque Sulzer BX, como consecuencias de su menor canal de flujo y de la naturaleza del material de construcción.

El empaque ININ resultó más eficiente para la transferencia de masa que el Sulzer BX, por el material de construcción, por la menor dimensión del canal de flujo y por su mayor área geométrica; manifestándose con menores valores de .

Este proyecto permitirá diseñar nuevas columnas de transferencia de masa que empleen empaque estructurado y la posibilidad de reempacar columnas existentes.

AGRADECIMIENTOS

El financiamiento parcial de este proyecto fue otorgado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT): I36297-U.

REFERENCIAS

Aroonwilas A., A. Veawab, P. Tontiwachwuthikul, Behavior of the mass-transfer coefficient of structured packing in CO2 absorbers with chemical reactions, Industrial and Engineering Chemistry Research, 38(5), 2044-2050 (1999).        [ Links ]

Billet R., Packed towers, VCH, (1995).        [ Links ]

Chávez, R.H. y F. Lima, Influence of the reflux ratio in a distillation column in the unsaturated polyester resins process, Int. J. Environment and Pollution, 9(4), 432-438 (1998).         [ Links ]

Chávez R.H., A.O. Suástegui y J. J. y Guadarrama, Evaluación de la altura equivalente por plato teórico de un empaque estructurado nacional, Información Tecnológica 10(2), 81-86, (1999).        [ Links ]

Fair J.R., A.F. Seibert, M. Behrens, P.P. Saraber y Z. Olujic, Structured packing performance - Experimenal evaluation of two predictive models, Ind.Eng.Chem.Res., 39, 1788-1796 (2000).        [ Links ]

Henley E.J. y J.D. Seader, Equilibrium-Stage Separation Operation in Chemical Engineering, John Wiley & Sons, USA (1981).        [ Links ]

Hines A. y R. Maddox, Mass Transfer, Prentice Hall (1985).        [ Links ]

Sherwood T.K., R.L. Pigford, C.R.Wilke., Mass Transfer, International Student Edition Mc Graw Hill, Tokio, Japón (1975).        [ Links ]

Schmit, C.E., D. Cartmel y R.B. Eldridge, Process tomography: An option for the enhancement of packed vapor-liquid contactor model development, Ind. Eng. Chem. Res, 39, 1546-1553 (2000).        [ Links ]

Schmit, C.E., D. Cartmel y Eldridge, R.B., The experimental application of X-ray tomography to a vapor-liquid contactor, Chemical Engineering Science, 56, 3431-3441 (2001).        [ Links ]

Stichlmair, J.J., J.L. Bravo, J,R. Fair., General model for prediction of pressure drop and capacity of counter current gas/liquid packed columns, Gas Separation & Purification, 3, March, 19-28 (1989).        [ Links ]

Xu, Z.P.; A. Afacan, K.T. Chuang, Predicting mass transfer in packed columns containing structured packings, Chemical Engineering Research and Design, Transactions of the Institute of Chemical Engineers, Part A, 78, 1, 91-98 (2000).         [ Links ]

Creative Commons License Todo o conteúdo deste periódico, exceto onde está identificado, está licenciado sob uma Licença Creative Commons