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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA
FACULTAD DE INGENIERÍA DIVISIÓN DE POSTGRADO
PROGRAMA DE POSTGRADO EN INGENIERÍA DE GAS
DESARROLLO DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE EXTRACTORES DE NIEBLA TIPO MALLA Y TIPO PLACA ONDULADA, PARA PROCESOS DE
SEPARACIÓN GAS-LÍQUIDO
Trabajo de Grado presentado ante la
Ilustre Universidad del Zulia para optar al Grado Académico de
MAGISTER SCIENTIARUM EN INGENIERÍA DE GAS
Autor: Ing. Javier Enrique Castillo Martínez
Tutor: Dr. Carlos Alciaturi Co-tutor: Msc. Jorge Barrientos
Maracaíbo, Junio de 2009
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Castillo Martínez, Javier Enrique. Desarrollo de una metodología para el diseño de extractores de niebla tipo malla y tipo placa ondulada, para procesos de separación gas-líquido (2009). Trabajo de Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. División de Postgrado. Maracaibo. Venezuela. 84 p. Tutor: Dr. Carlos Alciaturi. Cotutor: Ing. Jorge Barrientos.
RESUMEN
Los Extractores de niebla tipo malla y tipo vena poseen una extensa gama de aplicaciones en plantas industriales. Se han publicado durante los últimos 20 años estudios teóricos y experimentales para el diseño de dichos eliminadores de niebla, sin embargo, la literatura acerca de este tema sigue siendo muy limitada, puesto que los métodos de diseño teóricos y experimentales en su mayoría pertenecen a casas comerciales, y han sido patentados, por lo que el acceso a estos procedimientos de diseño es muy limitada. Los manuales de diseño existentes, en su mayoría, son manuales muy generales publicados por las casas fabricantes, donde los procedimientos de diseño no son detallados con precisión, ni sus ecuaciones de diseño, así mismo los parámetros de diseño son determinados experimentalmente. El Objetivo principal de este estudio es desarrollar un procedimiento empírico, partiendo de modelos matemáticos desarrollados por investigadores de relevancia y de parámetros de diseños determinados experimentalmente es estudios de investigación y los proporcionados por los fabricantes de los mismos, para el diseño de extractores de niebla tipo de malla y tipo vena, donde los parámetros principales de diseño a calcular se: el área, el espesor y la eficiencia de remoción de los extractores de niebla de acuerdo al procedimiento establecido. El desarrollo del procedimiento estará basado en toda la bibliografía técnica disponible, así como también, en artículos técnicos, patentes disponibles al público, manuales de diseño de diferentes casas comerciales y toda aquella información disponible. Se espera obtener un procedimiento teórico de diseño que arroje resultados muy cercanos a los procedimientos de diseños experimentales, y donde se pueda explicar la selección de cualquier diseño ofrecido o recomendado por cualquier casa comercial. Palabras claves: extractor de niebla, separación gas líquido, demister. e-mail: [email protected]
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Castillo Martínez, Javier Enrique. Desarrollo de una metodología para el diseño de extractores de niebla tipo malla y tipo placa ondulada, para procesos de separación gas-líquido (2009). Trabajo de Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. División de Postgrado. Maracaibo. Venezuela. 84 p. Tutor: Dr. Carlos Alciaturi. Cotutor: Ing. Jorge Barrientos.
ABSTRACT
The mesh mist extractors and vein type have broad applications in industrial plants.
Have been published over the past 20 years experimental and theoretical studies for the
design of these removers fog, however, the literature on this topic is still very limited,
since the methods of theoretical and experimental design for the most part belong to
houses commercial, and have been patented, so that access to these procedures for the
design is very limited. The design manuals exist, most are very general manuals
published by manufacturers homes where design procedures are detailed with
precision, and their design equations, as well as the design parameters are determined
experimentally. The main objective of this study is to develop an empirical procedure,
based on mathematical models developed by researchers and relevant design
parameters are determined experimentally and research provided by the manufacturers
of the same, for the design of exhaust cloud type Mesh type and vein, where the main
design parameters were calculated: the area, the thickness and the removal efficiency of
the exhaust cloud according to established procedure. The procedure is based on all
available technical literature, as well as in technical articles, patents available to the
public, design manuals of different commercial and all other available information.
Expected from a theoretical design that will yield results very close to the procedures of
experimental designs, and which could explain the selection of any design offered or
recommended by any business house.
Keywords: mist extractor, gas liquid separation, demister. e-mail: [email protected]
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DEDICATORIA
Dedico este Trabajo de Grado, en primer lugar a Dios por ser quien me ha dado
la fortaleza necesaria para continuar luchando día tras día, venciendo todos los
obstáculos que se me han presentado en el camino.
Dedico este Trabajo de Grado a mis padres Gladys M. de Castillo y Elio Castillo
Z., ya que han sido el ejemplo y la inspiración para cumplir todas las metas que me he
propuesto en mi vida, por ser quienes han luchado a mi lado en los momentos difíciles
cuando ya no encontraba salida, ellos con su experiencia profesional y personal, han
encontrado una luz en el camino para guiarme a una salida exitosa. Por ser la razón de
mi vida, por cuidarme y protegerme durante tantos años y guiarme por el camino de
Dios y hacerme un ser humano humilde, con principios y ética ante la vida, por todo
eso, mil gracias.
Dedico este trabajo a mis abuelos, que aunque hoy no están conmigo
físicamente, siempre fueron un manantial de cariño, amor y buenos consejos. Mis
logros son un reflejo de todos esos consejos, que con tanto amor y ternura me dieron.
Siempre los tendré en mi corazón
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AGRADECIMIENTOS
A la ilustre Universidad del Zulia
A mis padres Gladys y Elio por hacer de mí un profesional integro, responsable e
inculcar en mí el amor por los estudios.
A mis hermanos Daniel, Carlos y Elio, por su apoyo en todas las metas que emprendo
día a día.
A mi Tía Nelly por ser mi segunda Madre, por cuidarme, protegerme, guiarme y estar
siempre presente en los momentos importantes.
Al Dr. Carlos Alciaturi y Msc. Jorge Barrientos por sus asesoramientos científicos y
estímulo para seguir creciendo intelectualmente.
Al Msc. Miguel El Khouri, por su apoyo científico y profesional durante la realización de
este trabajo de grado.
A mis amigos, Nelson, Zoilabet , Karina y Andreína, por su apoyo incondicional durante
la realización de este trabajo de grado.
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TABLA DE CONTENIDO
Página
RESUMEN……….…………………………………………………………… 3
ABSTRACT........……………………………………………………………... 4
DEDICATORIA……………………………………………………………….. 5
AGRADECIMIENTO…………………………………………………………. 6
TABLA DE CONTENIDO……………………………………………………. 7
LISTA DE TABLAS…………………………………………………………... 9
LISTA DE FIGURAS………………………………………………………… 10
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN…………………………………………………. 13
1.1. Planteamiento del problema………………………………... 14
1.2. Objetivos……………………………………………………… 14
1.2.1. Objetivo General………………………………..……. 2
1.2.2. Objetivos Específicos……………………….............. 3
1.3. Justificación y delimitación del problema…………………. 3
CAPÍTULO II
2.1. Clasificación de partículas…………………………………. 5
2.2. Mecanismos de recolección de líquido…………………… 7
2.3. Principios de separación de los extractores de niebla..... 9
2.3.1. Separación por gravedad………………………...... 9
2.3.2. Separación por centrifugación…………………….. 9
2.3.3. Separación por choque…………………………….. 10
2.4. Tipos de extractores de niebla…………………………….. 11
2.4.1. Extractores de niebla tipo malla de alambre…...... 11
2.4.2. Extractores de niebla tipo vena o placa ondulada 13
2.4.3. Extractores tipo ciclón............................................. 15
2.5. Diseño y construcción de separadores.............................. 16
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CAPÍTULO III
Metodología………………………………………………………… 34
CAPÍTULO IV
4.1. Diseño de extractores de niebla 35
4.1.1. Estimación de la distribución de tamaño de gota
de líquido……………………………………………..
35
4.1.2. Configuración del recipiente………………………. 37
4.1.2.1. Difusores de entrada…………………….. 41
4.1.2.2. Selección del tipo de extractor de
niebla………………………………………..
43
4.1.2.3 Selección de materiales………………….. 48
4.1.3. Cálculo de la velocidad crítica del gas…………… 52
4.1.4. Cálculo del área seccional del extractor de niebla 55
4.1.5. Determinación de la eficiencia del extractor de
niebla…………………………………………………
55
4.2 Caso Estudio ………………………………………………. 61
4.3. Instalación de los extractores de niebla…………………. 63
4.3.1. Chequeo de envío………………………………….. 64
4.3.2. Almacenamiento del extractor de niebla………… 64
4.3.3. Antes de la instalación…………………………….. 64
4.3.4. Remoción de extractor de niebla existente……… 65
4.3.5. Opciones de Soporte………………………………. 66
4.3.6. Instalación de extractores de niebla tipo malla…. 72
4.3.7. Instalación de extractores de niebla tipo malla de
muchas secciones en recientes
verticales……………………………………..………
72
4.3.8. Instalación de extractores de niebla tipo malla de
muchas secciones en recientes
horizontales…...……………………………..………
75
4.4. Limpieza y mantenimiento………………………………… 78
CAPITULO V
Conclusiones y Recomendaciones…………………………….. 81
48
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………………… 84
49
LISTA DE TABLAS
Tabla Página
1 Valores de los factores K y C para dimensionamiento
de extractores de alambre
tejido………………………………………………………..
20
2 Materiales empleados para construcción de
Extractores de malla……………………….……………..
49
3 Factor K para dimensionamiento de Extractores de
niebla tipo malla de alambre según la
GPSA.………………………………………………………
53
4 Coeficientes estándar Souders-Brown (factor k) para
malla y unidades Plate-PakTM………………………….
53
5 Estilos de Mallas de alambre y plástico……………….. 57
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CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Durante las últimas dos décadas se han realizado innumerables estudios teóricos y
experimentales orientados al desarrollo de métodos de diseño de dispositivos
extractores de niebla en sus diversas modalidades: tipo malla de alambre o plástica,
tipo placa ondulada, tipo ciclón, y combinaciones de las anteriores. Su aplicación es
extensa a nivel industrial en cualquier tipo de proceso físico y/o químico donde estén
involucradas las fases gas-líquido, y donde sea posible la formación de niebla,
aerosoles, rocíos, etc., dado que la presencia de este tipo de fluido corriente arriba de
los equipo de procesos presentan inconvenientes como: problemas de corrosión o
formación de incrustaciones provocadas por la presencia de líquido en el gas.
Igualmente, la remoción de la niebla es necesaria para restringir la emisión de agentes
contaminantes al ambiente, para recuperar productos valiosos dispersos en la corriente
de gas de proceso, eliminar las neblinas líquidas peligrosas de los gases reactivos,
aumentar la pureza de los gases o vapores para los tratamientos sucesivos y para
aumentar la economía de la operación global.
La literatura acerca de este tema es muy limitada, debido a que los métodos de
diseño teóricos y experimentales pertenecen a las casas fabricantes, y han sido
patentados, por lo que esta información no se encuentra disponible. Los manuales de
diseño existentes, en su mayoría, son manuales muy generales publicados por las
casas fabricantes, donde los procedimientos y ecuaciones de diseño no son detallados,
así mismo los parámetros de diseño son determinados experimentalmente.
Con este estudio se pretende desarrollar un procedimiento empírico, partiendo de
modelos matemáticos desarrollados por investigadores de relevancia y de parámetros
de diseños determinados experimentalmente en estudios de investigación y los
proporcionados por los fabricantes, para el diseño de extractores de niebla tipo de malla
y tipo placa ondulada, donde los parámetros principales de diseño a calcular son: el
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área, el espesor y la eficiencia de remoción de los extractores de niebla de acuerdo al
procedimiento establecido.
El desarrollo del procedimiento estará basado en toda la bibliografía técnica
disponible, así como también, en artículos científicos y técnicos, patentes disponibles al
público, manuales de diseño de diferentes casas comerciales y toda aquella
información disponible. Se espera obtener un procedimiento teórico de diseño que
arroje resultados muy cercanos a los procedimientos de diseños experimentales, y
donde se pueda explicar la selección de cualquier diseño ofrecido o recomendado por
cualquier casa comercial.
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
La problemática abordada en este estudio está enfocada en la dependencia
existente de los usuarios de los equipos extractores de niebla con las casas fabricantes,
puesto que se desconoce la data experimental y los cálculos de diseño que se llevan a
cabo por las casas fabricantes a la hora de recomendar la instalación de un
determinado extractor de niebla, igualmente de la selección del tipo de extractor y el
material del mismo.
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. OBJETIVO GENERAL:
Diseñar un procedimiento semi-empírico, que permita predecir el
dimensionamiento y la eficiencia de remoción de partículas de líquido en corrientes
de gas de extractores de niebla tipo malla y tipo placa ondulada en procesos de
separación gas-líquido, y que sirva de herramienta para el análisis de los diseños
elaborados de manera experimental.
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1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
a) Describir las características de los extractores de niebla tipo malla y tipo placa
ondulada que tengan utilidad en los procesos de separación gas-líquido.
b) Desarrollar los sistemas de ecuaciones y modelos matemáticos que permitan
predecir el comportamiento de los extractores de niebla en los procesos de
separación gas-líquido.
c) Desarrollar los sistemas de ecuaciones y modelos matemáticos que permitan
dimensionar e instalar los extractores de niebla tipo malla y tipo placa ondulada
de acuerdo a los sistemas de separación en la industria petrolera.
d) Desarrollar los sistemas de ecuaciones y modelos matemáticos que determinen
la eficiencia de remoción de partículas líquidas de acuerdo a las exigencias del
cliente.
1.3. JUSTIFICACIÓN Y DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA
Este estudio se justifica tomando en cuenta la necesidad que se tiene
actualmente de enseñar a los ingenieros de diseño un procedimiento que permita
incrementar la eficiencia tanto operativa como de costo en el momento de diseñar o
en su defecto de comprar un equipo extractor de niebla tipo malla y tipo placa
ondulada. Este procedimiento se convertiría en una herramienta académica y
técnica para entrenar a los ingenieros de gas y procesos en el área del diseño de
equipo.
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO:
Los gases y líquidos pueden estar intencionalmente en contacto, como en la
absorción y destilación; o una mezcla de fases puede ocurrir sin intención, como en la
condensación del vapor, mediante un enfriamiento accidental por arrastre de líquido de
una película. Sin importar el origen de las dispersiones gas-líquido es deseable o
necesario generalmente la separación de las dispersiones. La separación ocurre casi
siempre de manera natural, sin embargo, a veces, la velocidad es inadecuada para la
separación, por lo que se utilizan procesos de separación para acelerar esta etapa.
La remoción de la niebla es necesaria por un gran número de razones, por ejemplo:
para restringir la emisión de agentes contaminantes al ambiente, para prevenir daños
corriente arriba del equipo provocados por el líquido arrastrado por el gas, ya sean
daños por corrosión e incrustaciones en el sistema, para recuperar productos valiosos
dispersos en la corriente de gas de proceso, eliminar las nieblas líquidas peligrosas de
los gases reactivos, aumentar la pureza de los gases o vapores para los tratamientos
sucesivos y para aumentar la economía de la operación global. (Chiara y col.,2008).
2.1. Clasificación de las Partículas:
Para la selección del sistema más adecuado de recolección de partículas líquidas,
es imprescindible conocer la clasificación dada a las partículas líquidas y/o sólidas en el
gas: aerosol: se aplica a partículas en suspensión, tanto líquidas como sólidas, que se
asientan lentamente por gravedad en un intervalo de tamaño de partícula entre 10 y 20
m.; neblinas: son dispersiones de líquidos finamente suspendidas, que por lo general
resultan de la condensación, y el diámetro de partículas de aproximadamente 0,1m.;
rocío: se refiere a las gotas de líquidos arrastrado. El arrastre de las gotas puede
deberse a los procesos de atomización, en este caso los diámetros varían desde las
partículas más finas producidas hasta partículas cuya velocidad de asentamiento final
es igual a la velocidad de arrastre del gas. Se han establecido rangos de diámetros de
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partículas de acuerdo a los diferentes procesos químicos existentes en la industria
(Figura 1) (Perry, 1992).
Figura Nº 1 Clasificación de los tamaños de Partículas de acuerdo a sus procesos de formación
Se han planteado clasificaciones de partículas y equipos útiles para la recolección en
función del tamaño de partícula, mediante las cuales se puede realizar una preselección
del tipo de mecanismo de recolección a utilizar (Figura 2).
Figura Nº 2. Clasificación de partículas y equipos útiles para la recolección en función de las partículas.
El arrastre de líquido consiste en un amplio rango de tamaños de gotas, los cuales
pueden caracterizarse mediante una distribución normal centrada en algún promedio o
media. El promedio del tamaño de gota depende mucho del mecanismo por el cual fue
generado. Las ecuaciones de tamaño de partícula o gota son expresadas en términos
de la probabilidad de remoción de una gota de un diámetro dado, y la eficiencia del
extractor de niebla es la integración o suma acumulada de las eficiencias de remoción
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individuales. Por lo tanto es crítico conocer la distribución aproximada de tamaños de
gota para el diseño de sistemas extractores de niebla (Figura 3) (Perry, 1992).
Figura Nº 3. Distribución de Frecuencia de volumen por la dispersión de varias Madurez
2.2. Mecanismos de Recolección de líquido:
Los mecanismos de recolección de líquidos que se pueden emplear para la
separación de las partículas líquidas de los gases son: asentamiento por gravedad,
impacto por inercia (incluyendo el centrífugo), intercepción de la línea de flujo,
deposición por difusión (browniana), atracción electrostática, precipitación térmica,
fuerzas de flujo (termoforesis, difusioforesis, flujo de Stefan y técnicas de aglomeración
de las partículas (nucleación).
a) La Captura Inercial: la gota deja la línea de la corriente de gas debido a su inercia,
impacta en el alambre de la malla o placa es recolectado.
Figura Nº 4. Principio de Captura Inercial
b) La Captura por Intercepción: la gota que permanece sobre la línea de la corriente
de gas, pero debido a su tamaño, roza contra el alambre de la malla o placa es
recolectado.
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Figura Nº 5. Principio de Captura por Intercepción
c) Captura por Difusión: las partículas submicrones y por esta razón es insignificante
en el estudio de este tipo de unidades.
Figura Nº 6. Principio de Captura por Difusión
2.3. Principios de separación de los Extractores de Niebla
Los equipos extractores de partículas líquidas se pueden clasificar basados en el
principio de recolección que utiliza, esta clasificación se describe a continuación:
a) Sedimentadores por Gravedad: la gravedad actúa para la eliminación de las
gotas más grandes. Si se mantiene baja la velocidad del gas, todas las
partículas con velocidad de asentamiento mayor a la velocidad del gas se
asentarán con el tiempo. Otro medio eficaz de utilizar la gravedad es el flujo
laminar de gas en trayectorias largas horizontales entre las bandejas o repisas
en las que se asientan las gotas (Figura 7).
Figura Nº 7. Equipos Separadores gas-líquido
b) Separación por Centrifugación: la fuerza centrífuga se puede utilizar para
mejorar cientos de veces la recolección de partículas, en comparación con la
gravedad. Los separadores ciclónicos si son bien diseñados, pueden ser más
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eficientes para la recolección de líquidos que de sólidos, ya que los líquidos
coalescen al capturarlos y son fáciles de drenar de la unidad (Figura 8).
Figura Nº 8. Extractor de niebla tipo ciclón. Principio de la separación por centrifugación.
c) Separación por Choque: la separación por choque utiliza el impacto directo y
las fuerzas de inercia entre partículas, las corrientes de gas y los cuerpos de los
alambres o placas para proporcionar la captura. En los líquidos, la coalescencia
de la gota ocurre sobre la superficie del alambre o placa y se deben tomar las
medidas adecuadas para drenar sin re-arrastre (Perry, 1992) (Figura 9 y 10).
Figura Nº 9 Principio de separación por choque
Figura Nº 10. Diferentes dispositivos de separación empleando el principio de separación por choque
58
2.4. Tipos de Extractores de Niebla
De acuerdo al tipo de flujo de gas y a sus condiciones de operación se selecciona el
tipo de extractor de niebla más adecuado o en algunos casos no es necesaria la
instalación de los mismos. Generalmente, cuando no es necesario la instalación de
extractores de niebla, los separadores son horizontales y utilizan la fuerza de gravedad
como mecanismo de separación de las fases liquida y gaseosa. El gas y el líquido son
inyectados al separador de manera que la velocidad es reducida de tal manera que las
gotas de líquido caen fuera de la fase de gas. El gas seco sale por el tope del
separador y el líquido es drenado por el fondo del recipiente.
En los casos donde la velocidad del gas no es lo suficientemente baja para lograr la
sedimentación de las gotas de líquido por gravedad, es necesario la instalación de
sistemas extractores de niebla tipo malla de alambre, tipo placa, ciclónicos o la
combinación de alguno de ellos, de acuerdo a las características del gas y sus
condiciones de operación.
2.4.1. Extractores tipo Malla de Alambre
Los extractores tipo malla de alambre se utilizan frecuentemente en los separadores
para remover gotas muy pequeñas de líquido, por lo tanto un alto porcentaje de
remoción total de líquido. Remueve gotas de líquido por debajo de 10 m. Las
almohadas de alambre son generalmente horizontales con la corriente de gas y las
gotas de líquido pasando verticalmente.
Los extractores de malla de alambre son eficientes solo cuando la velocidad de la
corriente de gas es baja, de manera que no ocurra el re-arrastre de las gotas de líquido
separadas.
En plantas donde existe o se espera la presencia de incrustaciones o formación de
hidratos, no se utilizan los extractores tipo malla de alambre, en estos casos son más
recomendables los extractores tipo placa ondulada o centrífugos
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Se pueden emplear en separadores horizontales, manteniendo preferiblemente el
plano horizontal de las mallas de alambre.
La caída de presión a través del extractor de malla de alambre es lo suficientemente
baja para considerarla insignificante. El efecto de la caída de presión viene a ser
significante solo en el diseño de servicios al vacío y para equipos donde el motor es un
soplador o un ventilador.
El funcionamiento de la almohada de alambre se ve afectado adversamente si
posee un ángulo de inclinación mayor a 30º de la horizontal. (Figura 11, 12, 13 y 14)
(Martínez, Marcías).
Figura Nº 11. Extractores de Niebla tipo malla
Figuras Nº 12 Mallas metálicas (alambres) que conforman los cojines de mallas
Figuras Nº 13. Mallas de plásticos que conforman los cojines de mallas
60
Figura Nº 14. Almohadas o cojines conformados por mallas de alambre metálico y de plástico
2.4.2. Extractores Tipo Placa Ondulada o Vena
Los extractores de niebla tipo placa ondulada consisten básicamente en un número
de capas dobladas espaciadas de forma estrecha orientadas en la dirección del flujo del
gas. La corriente del gas cargada de gotas de líquido es forzada a viajar por canales
tortuosos entre las capas y a cambiar de dirección en varias ocasiones el sentido de
flujo. Las gotas arrastradas que no son capaces de seguir estos cambios de direcciones
debido a su inercia, se desvían del flujo e impactan en las principales paredes de los
canales, donde coalescen y forman gotas de líquido más grandes que son drenados
continuamente hacia el exterior del separador por la gravedad. Los extractores de
niebla tipo placa ondulada pueden funcionar con flujos verticales (ascendente) u
horizontales del gas. (Chiara y col., 2008).
Los extractores tipo vena o tipo placa ondulada se diferencian de los extractores tipo
malla en que no drenan los líquidos separados contra las corrientes de gas, sino que es
canalizado por medio de un bajante el cual lleva el líquido separado directamente al
reservorio de líquido.
Estos extractores se consideran de igual eficiencia de funcionamiento que los tipos
malla de alambre, con la ventaja adicional que no sufren inundación y pueden ser
instalados en recipientes mucho más compactos.
Los separadores tipo placa son equipos propietarios, es decir, están basados en una
tecnología cuyos aspectos fundamentales y/o diferenciadores solamente están
disponibles de un único fabricante. Por razones comerciales sólo pueden adquirirse,
mantenerse y actualizarse a través de la red comercial, directa o indirecta, de un único
61
fabricante. Por esta razón, no son de fácil diseño. (Figura 15, 16, 17 y 18). (Martínez,
2003).
Figura 15. Configuración de los Extractores de niebla tipo placa ondulada en un separador gas-líquido
Figura 16. Configuración de las placas de los extractores de niebla tipo vena o placa ondulada
Figura 17. Estructura interna de un extractor de niebla tipo placa ondulada
Figura Nº 18. Tipos de venas o placas onduladas
62
2.4.3. Extractores de niebla tipo Ciclón:
Los separadores con elementos ciclónicos sirven para separar sólidos así como
líquidos de las corrientes de gas. Estos dispositivos al igual que los extractores tipo
placa, son propietarios y no se pueden clasificar fácilmente sin el conocimiento
detallado de las características internas del equipo específico. Las principales ventajas
de este tipo de dispositivos centrífugos con respecto a los filtros es que necesitan
mucho menos mantenimiento y las desventajas son: algunos diseños no manejan bien
los baches, la eficiencia no es tan buena como los otros tipos de extractores, la caída
de presión tiende a ser mayor que en los de malla de alambre y los tipo placa, y
finalmente posee un estrecho rangos de flujos de funcionamiento para altas eficiencia.
Figura Nº 8 (GPSA, 1994).
2.5. Diseño y construcción de separadores
Los separadores gas – líquido independientemente de la forma que tengan
contienen en su mayoría cuatro secciones, más los controles necesarios del proceso.
Sección I: sección de separación primaria, usada para separar la porción principal
de líquido libre en la corriente de alimentación. Esta contiene un inyector de entrada
que puede realizar la inyección del gas de manera tangencial o empleando un bafle
difusor para aprovechar el efecto inercial de la fuerza centrífuga o provocar un cambio
abrupto de la dirección del flujo para separar la mayor cantidad de líquido de la
corriente de gas.
Sección II: sección de separación por gravedad, está diseñada para utilizar la
fuerza de gravedad para mejorar la separación de las gotas de líquido arrastradas.
Esta sección consiste de una porción del recipiente del separador a través del cual se
mueve el gas a una velocidad relativamente baja con una pequeña turbulencia.
Sección III: seguidamente se presenta la sección de coalescencia, el cual utiliza un
coalescedor o extractor de niebla, el cual puede constar de placas onduladas,
almohadas o cojines de mallas de alambre o pasajes ciclónicos. En esta sección se
63
remueven las gotas de líquido más pequeñas del gas por choque sobre una superficie
donde coalescen.
Sección IV: la última sección del separador es el colector de líquido, actúa como
receptor de todos los líquidos separados del gas en todas las secciones anteriores.
Los diseñadores de separadores necesitan conocer la presión, la temperatura, flujos
y propiedades físicas de las corrientes, así como el grado de separación requerido.
Igualmente, si se conoce el tipo y la cantidad de líquido, se podría saber si la neblina
es, líquido libre o sólido.
Los separadores que no utilizan extractores de neblina están diseñados para
sedimentación por gravedad empleando la ecuación Nº 2:
'C3
Dg4
'CA
Mg2V
g
glp
pgl
glp
t
Ec. 2
Donde
Vt = es la velocidad terminal o velocidad crítica del gas, es la velocidad máxima para la
cual se puede diseñar un separador, la cual se predice mediante las relaciones que
se derivan de la Ley de caída de Newton.
Mp = masa de la gota o partícula.
l = densidad del líquido, lb/ft³.
g = densidad den gas, lb/ft³.
Ap = área de la sección transversal de la gota o partícula, ft².
C’ = coeficiente de fricción de la partícula, adimensional.
Dp = diámetro de la gota o partícula, ft.
El coeficiente de fricción se ha encontrado en función de la forma de la partícula y
del número de Reynolds del gas fluyente. Para el propósito de esta ecuación se toma
la partícula como una esfera rígida. El número da Reynolds se define como (ecuación
Nº 3):
64
gtp VD488,1Re Ec. 3
Donde:
Dp = diámetro de gota, ft.
Como en otros fenómenos de flujo de fluidos, el coeficiente de fricción alcanza un
valor límite a valores altos del número de Reynolds.
Para partículas relativamente grandes (aproximadamente 1000 micrones y más), la
sedimentación por gravedad es descrita por las leyes de Newton. Para números de
Reynolds alrededor de 500, el valor del coeficiente de fricción se limita a 0,44, al
sustituirlo en la ecuación de velocidad terminal queda (ecuación Nº 4):
g
glp
t
Dg74,1V
Ec. 4
Un límite superior de las Leyes de Newton es donde el tamaño de gota es tan
grande que requiere una velocidad terminal de tal magnitud que crea una excesiva
turbulencia. Por lo que el tamaño de gota máximo que puede sedimentar se determina
por la ecuación (ecuación Nº 5):
33,0
glg
2
CRpg
KD
Ec. 5
El limite para la región de la Ley de Newton es a Número de Reynolds de 200,000 y
K = 18,13
Para número de Reynolds menores que 2, existe una relación lineal entre el
coeficiente de fricción y el número de Reynolds (correspondiente a flujo laminar). En
este caso se aplica la Ley de Stokes de la siguiente manera (ecuación Nº 6):
65
18
Dg488,1V
gl
2
p
t Ec. 6
Los diámetros de las gotas correspondientes a números de Reynolds de 2 pueden
encontrarse usando un valor de kcr de 0,0080. El límite menor de aplicabilidad de la
Ley de Stokes para un diámetro de gota de aproximadamente 3 micrones y el límite
mayor es aproximadamente de 100 micrones.
Dentro de los diseños básicos de los separadores gas-líquido se encuentran los
separadores que no requieren extractores de niebla, diseñados para sedimentación por
gravedad, empleando la ecuación Nº 7.
g
gl
t KV
Ec. 7
Y una correlación desarrollada por Souder y Brown para relacionar el diámetro
del recipiente a la velocidad de levantamiento de vapor el cual no arrastra suficiente
líquido para ocasionar suficiente remanente (ecuación Nº 8).
glgm CG Ec. 8
Donde
Gm: máxima velocidad másica permisible de gas necesaria para que una partícula
caiga o sedimente fuera del gas.
C = 3600 K
Los valores de los factores C y K son dados en la tabla Nº 1, dependiendo del
tipo de separador que se desea diseñar.
Tabla Nº 1. Valores de los factores K y C para dimensionamiento de extractores de alambre tejido
66
Tipo de separador
sft
KFactor
hr
ft
CFactor
Horizgltal (almohada de alambre
vertical)
0,40 a 0,5 1440 a 1800
Ecférico 0,20 a 0,35 720 a 1260
Vertical u Horizontal (almohada de
alambre horizontal)
0,18 a 0,36 648 a 1260
@ Presión atmosférica
@ 300 psig
@ 600 psig
@ 900 psig
@ 1500 psig
0,36
0,33
0,30
0,27
0,21
1260
1188
1080
972
756
Vapor Húmedo 0,25 900
La Mayoría de los vapores al vacío 0,20 720
Sal y evaporadores cáusticos 0,15 540
Los separadores horizontales con extractores de niebla son dimensionados
utilizando las ecuaciones Nº 9 y 10, con la diferencia que se agrega un factor por la
longitud de la trayectoria del gas. En los separadores horizontales las fuerzas de
fricción del gas no son directamente opuestas a las fuerzas de la sedimentación
gravitacional. La velocidad real de la gota es asumida como la suma de los vectores de
la velocidad terminal y la velocidad horizontal del gas.
56,0
g
gl
t10
LKV
Ec. 9
56,0
glgm10
LG
Ec. 10
En el modo operacional vertical, el líquido recogido drena hacia abajo en
contracorriente al gas de levantamiento. En el flujo horizontal, líquido es drenado de
manera de flujo cruzado. Es comúnmente aceptado que el retiro de gotas líquidas
ocurre predominantemente por el impacto de inercia para ambas configuraciones.
(Chiara y col., 2008).
67
Pero según lo divulgado en la literatura por Houghton y Radford (1939), la velocidad
máxima del gas es limitado debido a la inundación o al rearrastre del líquido recogido
(Chiara y col., 2008).
Típicamente, los extractores de niebla tipo placa ondulada son menos eficientes en
la remoción de las gotas muy pequeñas comparadas con otros tipos de separadores
basados en el choque, tales como los de tipo malla de alambre. Dependiendo de los
parámetros de diseño, los extractores de niebla tipo placa ondulada proveen bajas
caídas de presión y colectan el 100 % de las gotas de líquido con diámetros entre 10 y
40 µm. Este tipo de separadores son preferidos en procesos que envuelven altas
velocidades de gases, bajas caídas de presión disponibles, líquidos espumantes o
viscosos, corrientes sucias (con altas concentraciones de sales) y en general en todos
esos procesos industriales que inundarían o taponarían rápidamente los extractores de
niebla tipo malla de alambre. Más aún, las caídas de presión y la eficiencia de
separación son relativamente insensibles en la entrada de cargamentos de niebla, por
lo tanto este tipo de separadores se emplea generalmente con flujo de líquido por
encima a un décimo del flujo del gas. En unidades complejas de separación, los
extractores de niebla tipo placa ondulada se utilizan a veces conjuntamente con las
almohadas de alambre o con dispositivos ciclónicos para el funcionamiento óptimo en
situaciones especiales (Brunazzi and Paglianti, 2001).
Los aspectos concernientes al flujo de gas y el movimiento de las gotas en
extractores de niebla tipo placa ondulada han sido estudiados experimental y/o
numéricamente por varios autores. Estudios experimentales recientes han
proporcionado parámetros de funcionamiento tales como caída de presión, capacidad,
resistencia al taponamiento o al ensuciamiento y la eficiencia global de colección.
Posteriormente, con el desarrollo de los métodos para medir el tamaño de las gotas
líquidas, tales como impactadores de cascada, dispositivos cubiertas gelatina, y las
técnicas más recientes como las ópticas, los trabajos proporcionaron también los datos
fraccionarios de la eficiencia de la colección, es decir datos de la eficiencia de
separación en función del tamaño de la gota. (Bürkholz, 1989; Calvert et al.,1974;
68
Ushiki etal., 1982; Monat etal.,1986; Verlan, 1991; Phillips and Deakin,1990; Brunazzi
etal.,2004).
Los estudios experimentales evaluaron el efecto de parámetros geométricos tales
como número de curvas, ángulo de la curva, distancia entre las placas paralelas y la
distancia entre dos curvas sucesivas sobre el funcionamiento del extractor de niebla.
Particularmente, estos estudios demostraron que el movimiento de la gota a través del
separador y por lo tanto su captura está controlado por la fuerza de inercia y fricción de
la gota en la corriente del gas. Debido al pequeño tamaño de las gotas, la influencia de
la gravedad generalmente no se considera.
Por lo tanto, muchos estudios teóricos para predecir la eficiencia de colección de los
extractores niebla tipo placa ondulada formulan ecuaciones de movimiento de gotas
usando la Primera Ley Newton conjuntamente con una ecuación para la fuerza de
fricción.
Las ecuaciones se solucionan usando la simplificación de suposiciones. Por
ejemplo, la eficiencia fraccionaria de una sola curva se relaciona con el número de
Stokes, en el cual la longitud característica depende de los parámetros geométricos del
separador (ángulo de las curvas, distancia entre las placas) y de los factores empíricos.
La predicción de la eficacia total entonces es obtenida considerando el efecto
acumulativo de todas las curvas como:
m
11 (ec. 11),
Donde: m es el factor de mezcla, generalmente varían entre 0,5 y 1.
Por ejemplo, Bürkholz (1989), Calvert y colaboradores (1974) asumen la mezcla
completa de las fases del gas y del líquido después de cada curva (m=1), a diferencia
de Gardner (1977) quien asume la mezcla incompleta y sugiere valores de m entre 0.5 y
0.63. Otros investigadores, tales como Ushiki y otros (1982) sugieren asumir un m=1 y
para reducir la eficiencia de la 1ra curva considera que contribuye solamente en el 50%.
69
2.5.1. Velocidad Crítica:
Las fuerzas gravitacionales dominan los procesos de separación. Las gotas de
líquido están sometidas a las influencias de varias fuerzas, siendo las principales la de
gravedad y las originadas por el movimiento del gas. Las fuerzas de flotación, definida
como la fuerza ascendente experimentada por un cuerpo sólido sumergido en la
interface de dos fluidos, siendo la fuerza neta de presión ejercida por el fluido sobre su
superficie inferior y sobre su superficie superior. Esta fuerza de flotación es pequeña, si
la turbulencia es controlada.
Existe una velocidad crítica del gas cuando se trabaja por debajo de ella, las fuerzas
de gravedad controlan el movimiento del líquido. Por consiguiente, al diseñar un
separador gas – líquido es necesario tratar de obtener una velocidad menor a la crítica,
con el fin de lograr que las fuerzas de gravedad hagan caer las gotas del líquido y que
estas no sean arrastradas por el gas, esto indica que para obtener las dimensiones de
esta unidad, es fundamental poder calcular lo mejor posible ese parámetro. Una vez
calculada la velocidad crítica, se puede conocer la velocidad crítica mínima del
separador. La cual se puede predecir mediante las relaciones que se derivan de la Ley
de caída de Newton, la cual tiene la siguiente forma:
g
glKVc
Ec. 12
Donde:
K = constante Souders y Brown.
ρl = densidad del líquido en condiciones de operación, lbs/ft³
ρg = densidad del gas en condiciones de operación, lbs/ft³
2.5.1.1. Constante Souder Brown (K):
El valor de la constante K, en la ecuación de Souders y Brown, es uno de los
parámetros que más relevancia tiene en el momento de predecir el comportamiento de
los fluidos dentro de un recipiente. En cierto modo, es el valor que acerca o aleja las
predicciones del funcionamiento real del sistema. A través de los años, son las
70
experiencias de campo y las mejoras tecnológicas que se les introducen a los diseños
lo que ha venido adaptando este parámetro al comportamiento real de los equipos. El
valor de K es un valor experimental que en la práctica es seleccionado de acuerdo a
dos criterios principales: (1) El primer criterio es el que utiliza la Asociación de
Productores y Procesadores de Gas de los E.U.A., siguiendo este criterio el valor de K
es igual a 0,35 (a 100 lpc, libras por pie cuadrado) y disminuye una centésima (0,01)
para cada 100 lpc. (2) El segundo criterio procede de la norma británica y ha sido
asimilado por PDVSA e incluido en su normativa. En este caso se comparan las tasas
másicas del líquido y del gas del separador (W l/Wg) para escoger el valor
correspondiente de K.
Cuando se diseñan separadores, si la razón de las tasas másicas es menor de
0,10, el valor de K será igual a 0,35. Entre 0,10 y 1,0< se toma K = 0,27 y para valores
mayores de 1,0, el valor de K = 0,20.
Es innegable que la selección de uno u otro criterio tendrá un impacto determinante
en la velocidad crítica del gas del separador y, por lo tanto, en la selección del diámetro.
Cuando se trabaja con separadores horizontales, la GPSA recomienda el uso de
valores de K que varían entre 0,40 y 0,50, mientras que la normativa de PDVSA
selecciona con base en la relación longitud/diámetro (L/D), siguiendo el siguiente
criterio:
2,5 < L/D < 4,0 K=0,40
4,0 < L/D < 6,0 K=0,50
L/D > 6,0; K= 0,50 [L/Lbase]
En consecuencia, el factor K, en la mayoría de los casos, es mayor en un separador
horizontal que en uno vertical. Además en los separadores horizontales se introducen
un factor de corrección por longitud que incrementa el valor de K. Normalmente los
diseñadores construyen el extractor de niebla y despejan de la ecuación el valor K que
mejor aplica al diseño, utilizando condiciones reales.
71
El valor de la constante K para separadores verticales varía de acuerdo con los
diferentes diseñadores y fabricantes, Por ejemplo:
.
Las empresas NATCO y PEERLES, de acuerdo a las publicaciones de Hampton, W.
“Fluid separation”, Ce-Natco (1987) y Peerles Manufacturing Company , boletín 24-
WD(1981) utilizan la siguiente ecuación :
g
gl16,0Vc
Ec. 13
EPRCO, plantea la siguiente ecuación:
g
gl157,0Vc
, Ec. 14
en esta ecuación el valor de K varía entre 0,125 y 0,267.
EXXON, en su publicación Exxon Research and Engineering. “Separators and
scrubber design practice” (1979), emplea la ecuación con el siguiente valor de K:
g
gl167,0Vc
Ec. 15
De la misma manera para separadores horizontales las ecuaciones para la
velocidad crítica se plantean de la siguiente manera:
NATCO: L16,0Vcg
gl
Ec. 16
EPRCO: 20
L157,0Vc
g
gl
Ec. 17
EXXON: g
gl4,0Vc
Ec. 18
72
El aumento del valor de K puede causar un incremento en el arrastre del líquido en
la fase gaseosa. La calidad del gas que se desea obtener depende en parte de la
velocidad permitida. (Martínez, 2003).
En las últimas décadas se han realizado investigaciones basadas en data
experimental, donde se han desarrollado modelos matemáticos empíricos y semi-
empíricos para el diseño de equipos extractores de nieblas, capaces de predecir con
gran exactitud el comportamiento real del proceso.
(Holmes and Chen, 1984).
Demostró que para los extractores de niebla tipo malla de alambre, el mecanismo
responsable de la eficiencia es la impactación inercial. Esto implica que la eficiencia de
separación total puede ser evaluada tomando en cuenta solamente la contribución de la
captura inercial. Para estos mecanismos se han publicado relaciones simples para
evaluar la eficiencia de captura inercial para un objetivo blanco de alambre. Todas
estas relaciones están de acuerdo que la eficiencia de captura inercial es una función
del número de Stokes (St) definido como:
w
2
dt
D18
duSt
Ec. 19
donde u es la velocidad del gas, μg es la viscosidad del gas, dd y Dw representan el
diámetros de la gota y el diámetro del alambre respectivamente. Esta relación teórica
sugerida por Langmuir y Blodgett (1946) es importante desde el punto de vista teórico,
porque hace posible evaluar la eficiencia de captura de un alambre sencillo, pero el
objetivo es la determinación de la eficiencia de un colector de malla industrial, por lo
que se hace necesario la introducción de variables dependientes de la geometría de la
malla de alambre empacada.
(Carpenter and Othmer, 1955).
Propusieron ecuaciones semi empíricas que incluían la configuración geométrica de
las mallas de alambre:
n
STen
za
3
211
Ec. 20
73
donde ae es el área superficial específica del separador, z la distancia entre dos etapas
sucesivas, n el número de etapas y ST la eficiencia de un blanco simple.
(Brunazzi and Paglianti, 1998).
Desarrollaron un modelo matemático para predecir la eficiencia de los extractores de
niebla tipo malla basado en data experimental obtenida a través de una técnica de
medición (laser based droplet sizer, Malvern Particle Sizer), no intrusiva que permite
además determinar la concentración y el tamaño de gota. Esta nueva data experimental
en sistemas horizontales y verticales muestras que si no ocurre el re arrastre la
eficiencia en los dos sistemas tanto vertical como horizontal es similar.
(Brunazzi and Paglianti, 2000).
En este artículo se presenta un nuevo modelo para la predicción de la eficiencia de
remoción de los extractores de niebla complejos o compuestos de múltiples etapas. El
análisis de la data experimental mostró que este modelo puede ser usado tanto para
predecir la eficiencia de remoción de cada etapa del extractor como del extractor global.
Este nuevo modelo permite predecir la eficiencia de remoción con suficiente exactitud
aunque no sea utilizado ningún ajuste de parámetros. El modelo sugerido por Brunazzi
y Paglianti en este artículo está basado en la relación:
n
Mnn111 ST
M
STn Ec. 21
donde M es el número de celdas de referencia presentes en el cojinete, n es el número
de etapas necesario para llenar cada celda, n es el número de etapas que forma el
separador. M es calculada como una función de n y el número de etapas:
n :
n
nintM (Ec. 22).
(Trond A., Lars H, 2007).
En esta investigación se demostró que los valores experimentales obtenidos de k
con la ecuación de Souder –Brown son una buena práctica en el diseño de extractores
de niebla tipo malla y tipo vena o placa, y confirman los criterios de diseño de k ≤ 0,15
m/s normalmente manejados para depuradores con estos dos tipos de internos. Los
resultados demuestran una diferencia significativa en la separación para los dos tipos
74
de líquidos usados (Gas natural y nitrógeno/Exxon), y también una influencia
significativa de la presión.
(Rahimi R., Abbaspour D., 2007).
La predicción de la caída de presión en extractores de niebla con el método de
Dinámica de fluidos computacional (CFD) tienen una buena relación con la data
experimental y puede ser usada en extractores tipo almohada para cualquier condición
de operación. En los cálculos numéricos del CFD se observó una pequeña caída de
presión con un rango del 14 al 21% de desviación entre el método experimental y el
empírico. La caída de presión del extractor de niebla puede reescribirse como una
función de la velocidad de entrada. El modelo usado para la predicción de la caída de
presión depende de las propiedades y condiciones de operación del extractor. La
velocidad óptima para este extractor tipo almohada fue de 6 m/s.
(James P., Azzopardi B., Wang Y., 2005).
Esta investigación se basó en el estudio de un modelo matemático de flujo y
separación de películas de líquido en un extractor de niebla tipo onda o placa. Para ello
se utilizó simulación numérica de flujo de gas y dispersión de gotas de líquido, unidos
con modelos matemáticos de separación y deposición de películas con la finalidad de
enriquecer el entendimiento a cerca de este problema. Los resultados permitieron
encontrar un modelo en el cual las películas se manejaran por el borde interfacial y el
drenaje gravitacional. Este modelo es usado para determinar la separación que se da
en un extractor de niebla tipo placa u onda. Aunque no se predijo el re-arrastre, cuando
en la práctica las condiciones para que ocurra el mismo se dan casi completamente.
(James P., Azzopardi B., Hughes P., 2003).
La simulación numérica del funcionamiento de un extractor de niebla idealizado
placa ondeada se utiliza para determinar la influencia de los conductos de desagüe en
los pasos del extractor de niebla. El efecto de los conductos de desagüe sobre el flujo
principal del gas y sobre la evolución de la distribución de las gotas de líquido, se
calcula para un rango de velocidades del gas, de espaciamiento de placas ondeadas,
de tamaños del canal y de distribuciones de tamaño de gota de líquido de la entrada.
75
(Azzopardi B, Sanaullah, K., 2002).
Los extractores de niebla tipo placa son los dispositivos más efectivos para la
separar el líquido del gas. La eficiencia de separación depende en gran medida de la
velocidad del gas. Sin embargo, el límite superior de la eficiencia del proceso está
restringido por el rearrastre del líquido depositado en la superficie de las paredes del
separador por la corriente de gas. En este estudio se identificó y cuantificó el
mecanismo de re-arrastre de líquido depositado en las paredes de la superficie del
separador operado en modo horizontal, donde se determinó que la interrupción o
ruptura de la película ocurre corriente abajo del dispositivo.
(Wang W., Davies G, 1996; Wang W., James P., 1998 y 1999).
Emplearon el CFD (Computational Fluid Dynamics para calcular la deposición de las
gotas de líquido. Tanto la teoría como los experimentos indican que las eficiencias más
altas de separación podrían lograrse incrementando la inercia de la gota de líquido
mediante el aumento de la velocidad, sin embargo, esto incrementaría la caída de
presión dentro del sistema. Sin embargo, estudios pioneros en este tema como el de
Houghton y Radford (1939) reportó la ocurrencia de una disminución de la eficiencia de
separación debido a una velocidad de gas mayor al valor crítico. En este caso la
velocidad del gas fue de 6 m/s. Esto fue atribuido al rearrastre del líquido colectado.
(El Dessouky H., Alatiqui I., Ettouney H., Al Deffeeri N., 2000).
Realizaron un estudio experimental para medir el funcionamiento del extractor de
niebla tipo malla como una función de los amplios rangos de operación y las
condiciones de diseño. El extractor de niebla fue evaluado según su eficiencia de
remoción de gota de líquido, la caída de presión de vapor del extractor húmedo, la
velocidad de carga y la de inundación. Estas variables fueron medidas como una
función de la velocidad del gas, la densidad del empaque, el espesor de la almohada de
alambre, el diámetro del alambre y el diámetro de la gota capturada. Se obtuvo como
resultado que se puede incrementar la eficiencia de separación empleando un máximo
de diámetro de gota de líquido y un máximo de velocidad del vapor y con la
disminución del diámetro del alambre.
(Monnery W., 2000).
76
En un separador gas-líquido existe típicamente tres etapas de separación. La
primera etapa, la separación primaria, usando en la entrada un desviador para causar el
aumento de tamaño de las gotas afectando su momentun y luego caer por gravedad.
La siguiente etapa es la separación por gravedad de las gotas más pequeñas, pues el
gas atraviesa la sección de separación del vapor del separador. La etapa final es el
extractor de niebla donde las gotas más pequeñas coalescen sobre un dispositivo de
separación, tal como un extractor tipo mala de alambre y tipo placa ondulada. Estás
tres etapas se encuentran dominadas por una serie de ecuaciones matemáticas, tales
como:
La fuerza de gravedad neta:
CL
VLPG
g
gMF
Ec. 23
Balance de las fuerzas de fricción:
C
V
2
V
2
PD
Dg
UDC8F
Ec. 24
Velocidad Terminal de asentamiento de la gota de líquido:
VD
VLPT
C3
gD4U
a
(Ec. 25)
Velocidad del Vapor:
V
VLT KU
v
Ec. 26
donde
D
P
C3
gD4K
Ec. 27
Donde el coeficiente de fricción se determina según la ecuación:
X
07.44
X
927.40
Xln
00074.5CD Ec. 28
y el valor de X se determina:
2
VLV
3
P
8D10x95.0X
Ec. 29
77
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO.
El trabajo de grado desarrollado es una investigación descriptiva, puesto que
esta investigación está basada en la recolección, clasificación y comparación de
procedimientos, basados en investigaciones experimentales realizadas anteriormente.
El desarrollo de esta investigación está divida en 6 etapas descritas a continuación:
3.1. Revisión Bibliográfica: se realizará una revisión bibliográfica de toda la
documentación disponible a cerca del tema (libros, manuales de diseño, artículos,
patentes, artículos electrónicos, documentos técnicos de fabricantes).
3.2. Clasificación de la bibliografía de acuerdo a los tópicos a desarrollar.
3.3. Establecimiento de los criterios de diseño de acuerdo a lo encontrado en las
investigaciones y bibliografía revisada.
Los criterios que se manejaron en esta investigación para el diseño y selección de los
extractores de niebla fueron los siguientes:
3.3.1. Estimación de la distribución del tamaño de las gotas de líquido
El líquido arrastrado no contiene el mismo tamaño de gotas, posee un amplio
rango de tamaños de gota que pueden ser caracterizados con una distribución normal
centrada sobre la media o promedio. El tamaño medio de la gota depende muchísimo
del mecanismo por el cual ellas son generadas.
Las ecuaciones para determinación del tamaño son expresadas en términos de
la probabilidad de remover una gota de un diámetro dado, y el funcionamiento del
extractor de niebla es la integración o la suma acumulativa de eficiencia de remoción
individual. Por lo tanto es crítico conocer la distribución de tamaño de gota aproximada
para correctamente diseñar un sistema de extracción de niebla
78
En la Figura Nº 3 se muestra una de distribución de tamaño típica de fuentes
diferentes. En la práctica, los diseñadores o ingenieros no cuantifican o miden
distribuciones de tamaño de gota, más bien ellos las asumen basados en datos
empíricos o experiencia.
Por suerte, un ingeniero experimentado puede asumir una distribución
aproximada basada en el medio o el mecanismo por el cual las gotitas son generadas.
Dan a ejemplos típicos de fuentes de niebla comunes para ilustrar estos conceptos.
Las distribuciones finas de gotas, a menudo llamadas nieblas (partículas de
diámetro < 3 µm con un promedio típico en el rango de sub-micrones), ocurren a altas
velocidades en el sello metálico, en los cuales los ciclos de calefacción extremo por
fricción y choques de condensación de aceites lubricantes forman gotas en el rango de
sub-micrón, llamados "humo azul". Este humo es removido para cumplir con la salud y
regulaciones ambientales.
La niebla también es producida cuando reacciones de fase de gas forman un
producto líquido como en el caso de vapor dividen en fases SO3 y agua que cediendo
H2SO4. El equipo corriente abajo se corroerá rápidamente sin el retiro de este líquido.
Preocupaciones similares son encontradas en las torres de prill de amoníaco, muchos
usos de cloro, así como plantas fosfóricas y de ácidos nítricos.
La niebla consiste en gotas en el rango de 3 m y más, aunque la distribución
con diámetros promedios de 20 m y más son llamadas Spray o rocío. La niebla que
cae de la cima de los empaques o de los platos o es generado por evaporación
superficial, se encuentra en un amplio rango de 5-800 m. En torres usadas en la
deshidratación con glicol y endulzamiento con aminas en las cuales la niebla es una
fuente principal de pérdidas costosas de solventes, se recomiendo la remoción de gotas
menores a 5 µm.
Los inyectores hidráulicos generan partículas de diámetros mayores a 50 µm a
inyectores neumáticos mayores a 10 µm, con límites superiores que alcanzan 1000 µm.
El primer paso en el diseño de los extractores de niebla es la determinación del
mecanismo por el cual son generadas las gotas de líquido y asumir un promedio de
79
tamaño de gota. En la figura Nº 1 se resumen las distribuciones típicas causadas por
varios mecanismos.
3.3.2. Configuración del recipiente
Los eliminadores de niebla pueden ser cojines de mallas, unidades de placa, o
combinaciones según se evalúen los criterios descritos a continuación. Los recipientes
presentados son separadores cilíndricos de vapor-líquido, a menudo llamados los
tambores de choque de choque. Sin embargo, algunos de los mismos conceptos
pueden también aplicarse a los eliminadores de niebla en recipientes de proceso, tales
como columnas contactoras de vapor-líquido, evaporadores, enfriadores, etc.
Las consideraciones que afecta la selección de la configuración de los
extractores niebla incluyen lo siguiente:
El área transversal para alcanzar la velocidad de diseño con el rendimiento del
vapor requerido.
Espacio disponible dentro del recipiente para el extractor de niebla.
Espacio disponible en planta para colocar el recipiente.
Ubicaciones de entradas y salidas para fijar las tuberías establecidas.
Capacidad de inundación de líquido y método de drenaje.
Acceso a los trabajadores para limpieza y mantenimiento del equipo.
Soportes para grandes extractores de niebla.
Limitaciones del flujo interno para una operación eficiente.
El funcionamiento del extractor de niebla depende en gran medida incluso de una
distribución de la velocidad sobre la superficie transversal. Como regla general, una
distancia de cualquier mitad del diámetro del recipiente es suficiente espaciamiento ya
sea corriente arriba o corriente abajo del elemento. Las representaciones para los
casos específicos se ilustran en la figura Nº 19.
80
Mantenga un perfil uniforme de la velocidad a través del extractor de niebla tipo
malla de alambre, placa, o combinación de ambos. El objeto es evitar situaciones tales
como cuando el extractor de niebla se monta demasiado cerca al inyector de entrada.
La velocidad excesiva en una región cerca del centro del extractor de niebla da
lugar al rearrastre substancial. Además, la velocidad deficiente en una región alrededor
del perímetro causa una eficiencia baja de remoción de la gota en esa área.
Evite la turbulencia y el esfuerzo de corte del líquido en la parte mojada del
recipiente. El objetivo principal es prevenir el arrastre del líquido recogido. Esto puede
ser alcanzado manteniendo la separación adecuada entre el inyector de entrada y la
superficie líquida según las indicaciones de la figura 20. Otro objetivo es evitar el
esfuerzo de corte de las gotas en las partículas más pequeñas que pudieran pasar a
través del extractor de niebla.
La clave principal para un perfil uniforme de la velocidad es permitir el
espaciamiento suficiente entre el extractor de niebla y las entradas y salidas del gas.
Las figuras Nº 21, 22 y 23 muestran algunas pautas generalmente aceptadas a este
respecto para los recipientes cilíndricos con flujo axial a través el extractor de niebla.
Los dispositivos de la distribución de flujo de varias clases pueden reducir el
espaciamiento necesario, pero con riesgo de violar el principio siguiente.
81
Figura Nº 19 Configuraciones típicas de los extractores de niebla
82
Figura Nº 20 Dispositivos de entrada y salida de flujo
83
Figura Nº 21 Ejemplo de la degradación de funcionamiento del eliminador de niebla debido al perfil desigual de la
velocidad
3.3.3. Selección del tipo de extractor de niebla
Las gotas son removidas de la corriente de vapor o gas a través de una
serie tres etapas: colisión y adherencia al blanco, coalescencia en grandes
gotas, y drenaje de los líquidos involucrados. Conocer la distribución de tamaño
de las gotas como se explicó anteriormente es importante porque la evidencia
empírica muestra que el tamaño del blanco es importante en la primera etapa de
remoción debe estar en el orden de magnitud como las partículas a ser
removidas. Estos pasos se muestran en la figura Nº 22 para extractores de
niebla tipo malla de alambre.
Figura Nº 22. Proceso de Captura en una malla de alambre
Para partículas en la región de niebla entre 3-20 µm, la malla tejida de
alambre es el tipo de extractor más comúnmente de usado y la intercepción es el
mecanismo primario.
84
Considere una gota que se acerca a un filamento de la red de diámetro
mucho más grande como mostrado en la Figura Nº 22. Más densa la gota en
relación con el gas, más grande la gota en relación con el filamento, y más alta la
velocidad de gas, es más probable que la gotita golpeará el filamento. Si la
velocidad es demasiado baja, o la gota demasiado pequeña o demasiado ligera
comparada con el gas, la gota simplemente fluirá alrededor del filamento con el
gas. Si la velocidad es demasiado alta, el líquido capturado en los filamentos
será arrastrado de nuevo, sobre todo como gotas más grandes, y llevado por el
gas.
El re-arrastre también es promovido por la baja densidad relativa del
líquido (haciéndolo más fácil de recoger para el gas) y la baja tensión superficial
del líquido (ya que requiere menos energía para romper una película o gota). El
extractor de niebla tipo malla de alambre puede remover hasta un 99.9 % de
partículas de 2 µm y de diámetros mayores. La figura Nº 23 muestra una
eficiencia de remoción típica contra la distribución de tamaño de gota para un
extractor de niebla tipo malla de alambre.
Figura Nº 23. Eficiencia de remoción versus distribución de tamaño de gota
Las Gotas aproximadamente de 20 µm y más son removidas mediante el
mecanismo de impactación inercial por el cual el blanco esta directamente en el
camino de la línea de corriente del gas. La figura Nº 24 representa un perfil del
extractor de niebla tipo placa de la ACS, PlatePak ™. Las gotas arrastradas,
85
debido a su momentum, tienden a moverse en líneas directas. Estudiando esta
figura, es fácil entender por qué en las ecuaciones de diseño la eficiencia de
remoción es directamente proporcional a la diferencia entre las densidades de
las gotas de líquido y el gas de arrastre. Con cada cambio de la dirección del
gas, algunas gotas chocan con la superficie y se adhieren, tarde o temprano se
unen en gotas más grandes que al final coalescen y son drenadas por gravedad.
El extractor de niebla tipo placa apropiadamente diseñado puede remover el 99
% de partículas menor a 10 µ m de diámetro, sobre todo a bajas presiones.
Figura Nº 24. Perfil de un extractor de niebla tipo placa ACS PlatePak
TM.
Vale la pena mencionar la figura Nº 25 y el funcionamiento de los
extractores de niebla. Las curvas punteadas corresponden a los estilos
diferentes de placa y el sólido a los estilos de malla de alambre. Note ante todo
que las placas pueden ser colocadas para funcionar a velocidades mayores de
gas y caudales en relación con el extractor tipo malla de alambre, pero que el
extractor de niebla tipo malla puede acercarse a una eficiencia de remoción del
100 % en tamaños más pequeños de gota. Esto se compagina con lo discutido
anteriormente en cuanto a los mecanismos de remoción de Intercepción e
Impactación Inercial. Note que la caída drástica de la eficiencia a velocidades
bajas, en las cuales las gotas pasan a través de los filamentos o láminas sin
chocar con ellos. Este fenómeno se conoce como rango inferior de operación de
un extractor de niebla. El otro extremo es cuando la velocidad es demasiado alta.
En este caso, las gotas son capturadas pero la velocidad del gas proporciona la
energía suficiente de re- arrastrar de nuevo gotas. Está en el contexto de re-
arrastre que las ecuaciones de diseño que gobiernan este comportamiento
86
muestren que la eficiencia de remoción es directamente proporcional a la tensión
superficial del líquido. Como los incrementos de las tensiones superficiales,
entonces esto requiere mayor energía cinética (mayor velocidad de gas) para
romper el enlace entre la gota y el blanco, y las gotas se unen y coalescen hasta
ser drenadas por gravedad. El re-arratre define el límite de superior de capacidad
de un extractor de niebla.
El rango de operación también es afectado por la carga de líquido en el
gas. De ser demasiado grande, el extractor de niebla tiende a ahogarse con el
líquido, una condición llamada inundación. Las inundaciones a menudo son
notadas por altas caídas de presión o el masivo remanente de líquidos. El
extractor de niebla tipo malla de alambre acomoda cargas líquidas hasta
aproximadamente un galón por pie cuadrado y el tipo placa. La clave de los
rangos de operación y conveniencia de los extractores de niebla tipo malla y tipo
placa se resumen en la figura Nº 26. Esto corrobora que las placas son más
eficientes para velocidades más altas y tamaños de gota mayores mientras la
malla es más conveniente para remover partículas más pequeñas a velocidades
inferiores. La sedimentación por gravedad es suficiente para partículas muy
grandes, y almohadillas de malla entretejidas, para partículas en un rango de
tamaños de 2-8 µm. Finalmente, la tecnología fiberbed (lecho de fibra) es usado
para nieblas de sub-micrones.
Figura Nº 25. Eficiencia Teórica versus velocidad para varios tamaños de partículas (agua en aire a condiciones
ambientales para extractores tipo malla y tipo placa.
87
Figura Nº 26. Rangos de operación aproximados de los diferentes tipos de extractores de niebla.
3.3.4. Selección de materiales
La selección de materiales es de vital importancia para el desarrollo del diseño
de los extractores de niebla, ya que la corrosión de los materiales tanto de las mallas
como de las placas onduladas de los extractores afectan directamente la eficiencia de
remoción de las gotas de líquido, dejando pasar partículas líquidas a los equipos
corriente arriba del sistema los cuales están diseñados para manejar únicamente gas.
Las velocidades de corrosión tan bajas como 0,005 in/año nos son tan serias
para las paredes de los separadores, pero destruirán rápidamente de 0,006 in/año a
0,011 in/año la malla de alambre. Muchas empresas fabricantes emplean muchos
metales dúctiles para aplicaciones especiales. Igualmente, se emplean materiales no
metálicos, sin embargo, en estos casos la temperatura de operación debe ser
considerada como limitante del proceso.
A continuación se presenta una tabla donde se establecen algunas de las
aplicaciones de materiales para mallas de alambre, tabla Nº 2.
Tabla Nº 2. Materiales empleados para construcción de Extractores de malla.
Materiales Gravedad
Específica
Temp. Máx.
de Op., ºF
Superficie
Típica
304 SS 1,00 ----- Petróleo acuoso
304 L 1,00 ----- Petróleo acuoso
316 L 1,00 ----- Ácido Sulfúrico
410 SS 1,00 ----- Químicos Suaves
Monel® 1,12 ----- Químicos Corrosivos
88
Nickel 1,13 ----- Evaporadores Cáusticos
Alloy 20 1,00 ----- Ácido Sulfúrico
Vidrio 2,52 ----- Químicos acuosos suaves
Hasteloy ® 1,14 ----- Ácido Clorhídrico y otros
Dacrón ® 1,38 350 Aplicaciones tejidos
Kynar ® 1,75 300 Ácidos y Álcalis
Polipropileno 0,90 160 Agua, ácidos y álcalis
Teflón 2,15 400 Ácido sulfúrico caliente por encima de 300 ºF
Tefzel ® 1,70 380 Ácidos y álcalis
Información extraída de THE ENGINEERED MIST ELIMINATOR, ACS separations & mass-transfer products.
304 SS: es un acero inoxidable austenítico con estructura cúbica centrada en las caras
(F.C.C). La estructura atómica proporciona numerosos planos para el movimiento de
dislocaciones. Esta característica inherente, combinada con el nivel bajo de elementos
intersticiales (los elementos que carecen de la cadena de dislocación), da una alta
ductilidad al material, baja producción de estrés y un relativamente alto límite de
resistencia a la tracción.
304 L: es una versión de bajo contenido de carbón de tipo 304 inoxidable. 304L es
usado casi de manera intercambiable con 304, pero es preferido para operaciones de
soldadura. Este ofrece una combinación buena de fuerza, resistencia a la corrosión y
fabricabilidad.
316 L: es una versión del 316 de bajo contenido de carbón y es inmune de
sensibilización (precipitación de carburo en los límite de grano). Es extensivamente
usado en gran medida pesada componentes soldados (aproximadamente 6mm).
La estructura es austenítica, también da dureza excelente, aún bajo a temperaturas
criogénicas.
410 SS: es un acero inoxidable de cromo tratable con calor. La práctica de derretir el
acero es controlada para desarrollar una superficie casi libre de defectos. Esto
proporciona la mejor combinación de resistencia al desgaste y resistencia a la
corrosión, y es usado para la fabricación de materiales médicos.
Monel: aleación de níquel y cobre, de bajo contenido de níquel (2 a 13% Ni),
cuproníqueles (de 10 a 30% Ni), aleaciones para monedas (25% Ni), aleaciones de
resistencia eléctrica controlada (45% Ni), aleaciones no magnéticas (hasta 60% Ni), y
89
aleaciones de alto níquel, metal monel (mas de 50% Ni). Se caracterizan por tener
elevada resistencia mecánica, soldabilidad, excelente resistencia a la corrosión, y
tenacidad en un amplio intervalo de temperatura. Tienen un excelente rendimiento en la
exposición al agua de mar o salobre en condiciones de alta velocidad.
Alloy 20: es una aleación de niobio, material estabilizado que combina una excelente
resistencia a la corrosión con propiedades mecánicas elevadas y la fácil fabricación.
Posee alta resistencia a la corrosión de ácido sulfúrico calientes comparado con aceros
inoxidables convencionales como el 316.
Hastelloy: Hastelloy es el nombre de la marca registrada de Haynes Internacional, S.A.
La marca registrada es aplicada como el nombre de prefijo de una gama de veintidós
aleaciones diferentes sumamente resistentes de corrosión metálicas, agrupadas por la
industria metalúrgica bajo el término material "superaleaciones" " o aleaciones de alto
rendimiento”.
El ingrediente predominante de metal de transición es típicamente el níquel.
Otros ingredientes que alean son añadidos al níquel en cada una de las subcategorías
de esta designación de marca registrada e incluyen los porcentajes que varían del
molibdeno de elementos, el cromo, el cobalto, el hierro, el cobre, el manganeso, el
titanio, el circonio, el aluminio, el carbón, y el tungsteno.
Dacrón: El Dacrón es un poliéster comercializado por Dupont. Se obtiene a partir de
ácido tereftálico y etilenglicol.
Figura Nº 27. Estructura molecular del Dacrón
Es la fibra sintética de mayor uso. Existen diversos tipos utilizados para la
fabricación de tejidos de diferentes características, ya sea como único componente o
mezclado con otras fibras.
90
Tefzel: es una modificación del ETFE (etileno-tetrafluoroetileno) fluoropolímero
disponible como gránulos o en polvo para el moldeo rotacional. Tefzel ® combina la
resistencia mecánica superior con una excelente inercia química que se aproxima a la
de las resinas de Teflon ® fluoropolímero. Tefzel ® es fácil de procesar, una gravedad
específica de 1,7, y de alta resistencia a la radiación. La mayoría de los grados se
clasifican para la exposición continua a 150 ° C (302 ° F), sobre el criterio base de las
20000-h.
KnitMesh Technologies recomienda el uso de ciertos materiales para la
construcción de los extractores de niebla como: Acero inoxidable (316 L, 304 L, 321,
316 Ti), monel, Hastelloy, Incoloy 825 y DS, Níquel y Titanio. De las cuales el monel,
Hastelloy e Incoloy son marcas registradas de la Corporación de Metales Especiales
(Special Metals Corporation). Dentro del matrial plástico recomendado se encuentra:
polpropileno, hostaflon, teflón y PVDF.
3.4. Desarrollo del procedimiento teórico de diseño:
3.4.1. Desarrollo del procedimiento para el cálculo del área de los extractores de niebla
tipo malla y tipo placa ondulada.
3.4.2. Desarrollo del procedimientos para el cálculo del número de etapas y/o filas, así
como el espesor del extractor de niebla tipo malla y tipo placa ondulada.
3.4.3. Desarrollo del procedimiento para el cálculo de la eficiencia de los extractores de
niebla tipo malla y tipo placa ondulada.
3.5. Desarrollo de un procedimiento para la instalación de los extractores de niebla tipo
malla y placa ondulada.
Instalación extractores de niebla
91
Los extractores de niebla generalmente son sobredimensionados para asegurar
un cómodo espacio entre la pared del recipiente y la malla. Las rejillas son más
pequeñas de lo normal para proporcionar la separación de la pared del recipiente.
Cualquier hueco entre la pared del recipiente y la malla disminuirá la eficiencia y
obstaculizará el funcionamiento del extractor de niebla. Un ajuste firme optimiza el
funcionamiento del extractor de niebla.
3.5.1. Chequeo de envío.
Antes de la adquisición de un extractor de niebla debe cerciórese de tener el
equipo correcto para el trabajo requerido, especialmente antes de remover el extractor
de niebla viejo, si ese es el caso. Compruebe siempre el envío del equipo para
cerciorarse de que el equipo es del tamaño correcto y su equipo de instalación (si está
ordenado con el trabajo) y previniendo un daño potencial del equipo.
3.5.2. Almacenamiento del extractor de niebla
Debe ser almacén en un ambiente limpio. El polvo, la arena y otros
contaminantes pueden ensuciar el extractor de niebla. Se recomienda un
almacén para el almacenamiento de larga duración.
3.5.3. Antes de la instalación
Instale las secciones del extractor de niebla en un área limpia cerca del
recipiente. Para los cojines de doble densidad, compruebe las etiquetas para
saber la orientación correcta del sentido de chorro.
Chequear todas las piezas del extractor de niebla para confirmar todas las
piezas tienen el tamaño correcto, etc. antes de seguir con el paso siguiente.
92
Tenga presente que el cojín de la malla será fabricado ligeramente más grande
que el diámetro del recipiente.
3.5.4. Remoción del extractor de niebla existente
Cuando de substituye un extractor de niebla, es bueno estudiar cómo fue
instalado el existente antes de cualquier procedimiento de retiro real. Compare el
cojín existente con el cojín que se va a instalar. Algunos instaladores incluso
acostumbran a orientar el cojín nuevo en la posición exacta como se encuentra
el cojín que va a ser removido a modo de referencia.
Esto es también una oportunidad de examinar el cojín viejo para saber si
hay indicaciones de corrosión excesiva o de ensuciamiento, que pueden en
secciones desalojadas. El ingeniero puede asistirle con recomendaciones de
aumentar los materiales y de ejecutar mejoras de proceso. También puede
proporcionar los sistemas que incluyen los cojines de malla de doble de
densidad, los sistemas limpieza, combinaciones de malla/placa y las puertas de
alivio.
Si el cojín existente fue construido en secciones, retire el área de la
sección del centro primero. Quite una sección a la vez y quite sección por
sección para evitar que caiga cualquier cosa accidentalmente. Recuerde que un
extractor de niebla correctamente instalado va a caber cómodamente, así que la
sección del centro puede requerir un esfuerzo más agresivo para su retiro. Una
vez que se quita la sección del centro, las otras secciones deben quitarse mucho
más fácilmente.
Después de quitar todas las secciones del cojín del extractor, es
importante examinar cuidadosamente todas las estructuras de soporte. Busque
las grietas, corrosión excesiva, y los dispositivos de soporte dañados. Repare
93
todos los defectos que pudieran deteriorar la instalación y la apropiada operación
del extractor de niebla nuevo. Asegúrese que lo soportes existentes sean
conveniente para su nuevo extractor de niebla, tomando nota en cuanto a los
dispositivos de soporte que se emplearán.
Antes de entrar en cualquier equipo, es importante que se cumplan los
requisitos para la entrada en espacios, y se empleen todas las normas de
seguridad federales, del estado y de la industria.
Los eliminadores de niebla no están diseñan para soportar personas. No
camine directamente en un extractor de niebla. Ponga tablas a través de varias
secciones para distribuir el peso. Verifique que los palmos de más de 6 ' tengan
rejillas de metal o soportes intermedios.
3.5.5. Opciones de soportes
Lazo de Alambre
Los lazos de alambres son la manera más común y más simple de sujetar el
extractor de niebla a sus soportes. Los lazos de alambres son típicamente de 0.051” de
diámetro y se hacen del mismo material que la malla. Esto se puede lograr colocando el
lazo de alambre entre la rejilla inferior del soporte y el agujero anular del anillo y
torciendo los extremos para atarlo en el lugar. Ate las cuatro esquinas de las rejillas en
cada sección. El espaciamiento anular del agujero del anillo es típicamente 4” a 5”
aparte con 1/4” de diámetro del agujero.
Para los materiales plásticos de la malla, utilice varios lazos de alambre. Muchos
fabricantes recomiendan correas opcionales para el lazo de TefzelTM como sujetador
más el seguro.
94
Figura Nº 28. Soporte tipo lazo de alambre.
Pernos – J
Los pernos-J se pueden utilizar en lugar de los lazos de alambre y son más
fuertes. La porción del gancho en forma de “J” se conecta alrededor de la rejilla inferior
del extractor de niebla, se extiende a través de una abrazadera o de los agujeros en el
anillo anular y es asegurada por una tuerca y un fijador de tuerca. Se deben usar 4
pernos por sección. Otra variante es un “perno prisionero soldado.
Es importante que las conexiones de los pernos-J sean seguras y puedan
soportar el calor y la vibración. Recomendamos tuercas o las tuercas de fijación dobles.
Figura Nº 29. Soporte tipo pernos-J.
Llaves de Cierre
Las llaves de cierre se pueden utilizar para asegurar un extractor de niebla al
tener que trabajar sobre el tope, y el acceso al fondo no es posible. Dé vuelta
simplemente a la bandera hacia la pared del recipiente y apriete las tuercas de fijación
dobles.
95
Figura Nº 30. Soporte tipo llave de cierre
Soporte de anillo dual
Los anillos de soporte dual tienen secciones desprendibles del anillo en el lado
del paso de hombres. Después de que la última sección del extractor de niebla esté
instalada, coloque los pernos de las secciones del anillo en su lugar. Los anillos de
soporte dual son más comunes para las instalaciones de superestructuras pero también
se utilizan en las instalaciones pequeñas. Los anillos de soporte dual también ayudan a
prevenir el bypass de la pared.
Figura Nº 31. Soporte de anillo dual
Figura Nº 32. Sección removible del Anillo soporte
96
Anillos Compensados
Los anillos compensados son sostenidos lejos de la pared del recipiente por un
aislamiento. Asegure el extractor de niebla usando el lazo de alambre o los pernos-J y
las abrazaderas.
Figura 33. Anillos compensados
Tubo con manga y Perno espaciador
Estos diseños tienen mangas de perno que van a través del extractor de niebla
por medio de unos espaciadores. Aunque es más seguro para la aplicación de procesos
con perturbación, estos diseños no se recomiendan porque son difíciles instalar y a
menudo distorsionar la malla y permitir el by-pass de gas.
Figura Nº 34. Tubo con manga y perno espaciador
Puertas de Alivio
Las puertas de alivio se pueden incorporar en su diseño del extractor de niebla
para los servicios en inundaciones para permitir el escape en condiciones anormales.
97
Figura Nº 35. Puerta de Alivio
Barra Soporte
Mantenga las barras apernadas en posición sobre el extractor de niebla después
de que esté instalado y es la manera eficaz para mantener las piezas del extractor de
niebla intactos.
Figura Nº 36. Instalación de Bara Soporte
Para los extractores de niebla instalados en recipientes de diámetro pequeño con
una tapa ensanchada, el cojín se debe hacer en dos secciones para despejar la barra
soporte soldada a la carcasa.
Figura Nº 37. Cojín de dos secciones
98
Cestas tipo Jaula
Las cestas tipo jaulas para los extractores de niebla de una sola pieza son
sostenidas en el lugar por el reborde de la tapa del recipiente. Se desliza simplemente
la jaula por encima del extractor de niebla y se sujeta el reborde de la cabeza o de la
tapa, al instalar extractores de niebla de una sola pieza.
Figura Nº 38. Cesta tipo jaula
Anillos de Expansión
Los anillos de expansión se pueden utilizar para soportar cualquier anillo cuando
la soldadura de la carcasa es un problema.
Figura Nº 39. Anillo de Expansión
3.5.6. Extractores de niebla tipo malla de una pieza
Cualquier método de la cerradura excepto los pernos-J se puede utilizar para los
extractores de niebla de una pieza. Para los recipientes nuevos cerciórese de que las
paredes del recipiente estén lisas y libres de la salpicadura de soldadura y otros
residuos antes de empujar el extractor de niebla en el recipiente. Tenga presente que el
diámetro de la malla debe exceder levemente el diámetro del recipiente para asegurar
un ajuste un poco apretado.
99
Figura Nº 40. Instalación de Extractores ni niebla tipo malla de una sola pieza
3.5.7. Instalación de Extractores de niebla tipo malla de muchas secciones en
recipientes verticales
Los Extractores de niebla más grandes se fabrican en secciones manejables
para facilitar la instalación a través de la boca de visitas de los recipientes. Recuerde
tener el extractor de niebla nuevo disponible fuera del recipiente antes de que usted
comience.
3.5.7.1. Recipientes solo con anillos de soporte
a. Antes de instalar cualquier sección, debe visualizarse la línea marcada en el
borde del anillo de soporte que indica donde debe asentarse cada sección.
Alinee las secciones de acuerdo con sus marcas.
b. Trabaje del exterior hacia adentro en cada lado poniendo las secciones del
extremo encima del anillo soporte.
c. Comprima las secciones instaladas para que quepan sus medidas y para
mantener el resistencia en las secciones paralelas.
d. Utilice un soporte para asegurar cada sección después de que esté
correctamente en su lugar.
e. Muévase hacia el centro colocando cada sección hasta que solamente le quede
una sección. Utilice la hoja metálica para facilitar la instalación.
f. Si usted está instalando desde debajo, levante la última sección entera a través
del espacio vacío entre las secciones del cojín, colóquela cuidadosamente y
después tire de ella abajo en su lugar.
g. Si usted está instalando de arriba, empuje simplemente la sección en su lugar
después de una alineación cuidadosa.
100
Figura Nº 41. Instalación de Extractores de niebla tipo malla de múltiples secciones.
3.5.7.2. Cojines Grandes
Para los cojines grandes, la compresión total puede ser de varias pulgadas. Los
fabricantes recomiendan este método fácil: El lazo de alambre alrededor de rejillas
adyacentes como las secciones son instaladas. Este lazo debe estar cercano a las
barras de abajo, donde se fija la malla a las rejillas. Tuerza el lazo de alambre, tirando
de las rejillas hacia usted, hasta que las rejillas de cada sección se espacien 11/2”.
Usando este procedimiento facilitará la instalación de las últimas secciones.
3.5.7.3. Recipientes con los anillos de soporte duales
Generalmente con este tipo de diseño de soporte, los anillos de soporte aseguran
las secciones del extractor de niebla por debajo y por arriba. Los recipientes más
anchos pueden también tener una viga o vigas de soporte central. Con rejillas metálicas
estándar los fabricantes no recomiendan más de 6 pies de longitud entre las vigas de
soporte (para las rejillas plásticas un máximo de 3 pies de longitud). Tenga el mayor
cuidado al instalar extractores de niebla plásticos para evitar fractura. Las vigas
superiores del anillo de soporte tienen secciones desprendibles para quitar y substituir
los extractores de niebla.
a. Marque las líneas en las rejillas de soporte que indican donde las secciones de
las mallas que deben colocarse. Alinee las secciones de acuerdo con sus marcas
como usted trabaja de la pared del recipiente hacia adentro, trabaje un lado del
recipiente a la vez.
b. Comprima las secciones instaladas para que quepan en sus medidas y para
mantener la resistencia paralela de las secciones. Utilice Abrazaderas tipo C o un
equivalente en el anillo para soportar las secciones en el lugar que usted
dispuso.
101
c. Para instalar la sección final, haga una instalación simple usando dos piezas
finas de hoja de metal o de un poco de material liso fuerte que extiende la
longitud de la sección y sea más alto que la sección. Incluso si lo desea puede
cortar las manijas de los soportes. Ponga los soportes para la instalación en
cualquier lado de la malla para reducir la fricción de las superficies de la malla.
Se necesita un ajuste de la compresión, para que cuente con la resistencia
necesaria, puesto que se debe empujar la sección final en lugar para lograr el
ajuste adecuado. Empuje la sección hacia adentro y saque las ayudas.
d. Substituya la sección desprendible en el anillo y las vigas de soporte.
3.5.8. Instalación de Extractores de niebla tipo malla de múltiples secciones en
recipientes horizontales
Los extractores de niebla son soportados generalmente por dos anillos. El anillo
en el lado manway tendrá secciones desprendibles para permitir el acceso a los cojines
de mallo. Otros métodos de cerradura pueden ser utilizados si hay solamente un anillo
de soporte. En recipientes horizontales recomendamos costuras verticales para evitar el
asentamiento.
3.5.8.1. Recipientes horizontales con un extractor de niebla vertical
a. Marque el anillo y las vigas de soporte indicando donde cada sección comprimida
de malla.
b. Trabaje de la pared del recipiente hacia el centro alineando cada sección
comprimida con sus marcas en el anillo y de la viga de soporte.
c. Para instalar la sección final, haga un soporte simple de la instalación usando
dos piezas finas de hoja de metal o de un poco de material liso fuerte que amplíe
la longitud de la sección. Incluso si lo desea puede cortar las manijas de los
soportes. Ponga los soportes de la instalación en cualquier lado de la malla para
reducir la fricción de las superficies de la malla. Un ajuste de la compresión es
necesario, así que cuente con la resistencia con la que usted empuja la sección
final. Empuje la sección hacia adentro y saque los soportes.
d. Substituya las secciones desprendibles en el anillo y las vigas de soporte.
102
Figura Nº 42. Instalación de extractores de niebla tipo malla verticales en recipientes horizontales.
Figura Nº 43. Instalación de la sección final de un extractor de niebla tipo malla vertical en recipientes horizontales.
3.5.8.2. Recipientes horizontales con los extractores de niebla horizontales
En esta configuración el extractor de niebla se monta dentro de una cubierta por
debajo del inyector de entrada del gas. El procedimiento común mantiene los métodos
que incluyen el lazo de alambre, pernos-J, anillos anulares doble y soporte de vigas.
Cada estructura de soporte del extractor de niebla (viga o puntal) empleará muy
probablemente una cierta clase de sección desprendible.
a. Marque los soportes para indicar la posición de cada sección.
b. Comience en los extremos, cerciorándose de que cada sección está alineada,
comprimida y atada correctamente por debajo con seguridad. Muévase hacia la
sección desprendible, agregando secciones a ambos lados hasta la sección final.
c. Para instalar la sección final, haga un soporte simple de la instalación usando
dos piezas finas de hoja de metal o de un poco de material liso fuerte que amplíe
la longitud de la sección. Ponga los soportes de la instalación de cualquier lado
de la malla para reducir la fricción de las superficies de la malla. Un ajuste de la
compresión es necesario, así que cuente con la resistencia necesaria para
103
colocar en su lugar la sección final en lugar. Empuje la sección hacia adentro y
saque los soportes.
Figura Nº 44. Instalación de extractores de niebla tipo malla horizontales en recipientes horizontales.
Asegúrese y compruebe su trabajo cuando termine el procedimiento de instalación.
a. Compruebe para saber si hay cualquier boquete entre las secciones. Es
importante la compresión uniforme a través del extractor de niebla.
b. Compruebe que sus amarres son seguros e incluso el uno con el otro.
Cerciórese de que los anillos y las vigas apoyen adecuadamente su extractor de
niebla.
c. Si su eliminador de niebla está de doble densidad, asegúrese que todas las
secciones están instaladas con la orientación correcta del flujo.
d. Esté seguro de quitar todas las herramientas y materiales de la instalación antes
de arranque.
3.6. Limpieza y mantenimiento
3.6.1 Rutina de Mantenimiento
Los sólidos en un extractor de niebla causarán eventual taponamiento, llevando a
la una caída de presión excesiva y reduciendo su funcionamiento. Se sugiere un
régimen de limpieza a cualquier pieza del equipo, esto se debe realizar antes de que las
acumulaciones y el taponamiento afecten seriamente el funcionamiento del extractor de
niebla.
104
La aspersión con los líquidos de limpieza, la ebullición o la impregnación, o el
paso del vapor ayudarán a limpiar al extractor de niebla. Eligiendo cualquiera de estas
opciones, es seguro que no dañará el cojín de malla.
3.6.2 Remoción de los extractores de niebla sucios para su limpieza
Para alcanzar una adecuada limpieza, es conveniente quitar el extractor de
niebla. Es ideal en tales situaciones mantener siempre un extractor de niebla de
repuesto.
Dependiendo del grado de taponamiento por ejemplo coquización o
polimerización), es a menudo más económico continuar y substituir el extractor de
niebla. Existen diseños alternativos tales como cojines de malla, sistemas de aerosol,
combinaciones de placa y malla, de doble densidad, puertas de alivio que pueden ser
opciones para alargar sus intervalos de mantenimiento. En aplicaciones con
ensuciamiento severo, se recomienda consultar con los especialistas para opciones
más seguras de mantenimiento.
Cuando se remueve el extractor de niebla, examine cuidadosamente las pérdidas
por la corrosión y la reducción del diámetro de alambre de la malla. Cuando el extractor
de niebla es nuevo, es una buena práctica medir el diámetro de alambre usando un
micrómetro. Cuando usted alcanza una reducción del 20% en masa del alambre, debe
reemplazar el extractor de niebla para aumentar drásticamente su eficiencia.
3.6.3. Localización de averías
La supervisión de la caída de presión a través del extractor de niebla puede ser
la mejor opción para determinar una operación aceptable. Es una buena práctica
registrar la caída de presión inicial en el arranque bajo condiciones limpias para la
observación futura.
105
Si la caída de presión aumenta más de una pulgada de columna de agua sobre
las condiciones de arranque, es probable que ocurra cierta clase de taponamiento.
Para rectificar la situación, limpie el cojín de malla.
Cuando la caída de presión disminuye a través del extractor de niebla, existen
agujeros o vacíos probables en el cojín o perceptible de la densidad de la malla. La
corrosión reducirá en un cierto plazo el diámetro de alambre de la malla, densidad de la
malla y alternadamente reducirá la caída de presión. Los boquetes en el cojín de la
malla causarán la canalización y una reducción significativa en eficiencia de la colección
de líquido.
Además de la caída de presión, el monitoreo de las condiciones de proceso
corriente abajo del monitor, particularmente después de un disturbio. El incremento de
la acumulación de líquido en puntos o recipientes corriente abajo puede indicar un
bypass a través del extractor de niebla. La disminución de la caída de presión puede
indicar la presencia de agujeros en el extractor de niebla.
106
CAPÍTULO IV
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1. DISEÑO DE EXTRACTORES DE NIEBLA
Muchos ingenieros creen que todos los extractores de niebla tipo malla de alambre
se comportan básicamente de la misma manera en términos de capacidad y eficiencia
de remoción. Es cierto que las mallas de igual diámetro de filamento con tejidos densos
ofrecen mejor eficiencia de remoción. La clave es que la parte operativa de la malla es
la densidad del blanco, no la densidad másica. Esto quiere decir que la cantidad de
blancos por unidad de volumen influencia la eficiencia de remoción, no la densidad de
la malla (mayor número de blancos implica mayor probabilidad de una colisión
satisfactoria).
4.1.3. CÁLCULO DE LA VELOCIDAD CRÍTICA DEL GAS
El proceso diseño o dimensionamiento de los extractores de niebla tipo malla de
alambre están basados principalmente en la velocidad máxima de flujo de gas, la cual
es calculada de acuerdo a la relación de Souder-Brown, ecuación planteada
enteriormente (Ec. 7):
g
glkVt
Donde:
Vt = velocidad terminal del gas necesaria para que la partículas de líquido de tamaño
Dp sedimenten fuera del flujo de gas, ft/s
k = factor de capacidad, ft/s
l = densidad de las partículas y gotas de la fase líquida, lb/ft³.
g = densidad de la fase gaseosa, lb/ft³.
La constante k es determinada de manera experimental y para cada aplicación, y
están influenciadas por el tipo y estilo del blanco usado, las geometrías de los blancos
107
(vertical u horizontal relativo al flujo de vapor), así como por las propiedades tales como
presión de operación, viscosidad del fluido, y tensión superficial del líquido.
Los valores de k son sugeridos y empleados dependiendo del fabricante, puesto
que son valores calculados de datos experimentales, que no están disponibles al
público.
La tabla mostrada a continuación muestra las constantes k para extractores de
niebla tipo malla de alambre de acuerdo al tipo de separador en el cual se instale:
Tabla Nº 3 Factor K para dimensionamiento de Extractores de niebla tipo malla según la GPSA.
Tipo de Separador Factor K
(ft/s)
Horizontal con malla vertical 0,40 a 0,50
Esféricos 0,20 a 0,35
Verticales u Horizontales con malla horizontal 0,18 a 0,36
@ presión atmosférica 0,36
@ 300 psig 0,33
@ 600 psig 0,30
@ 900 psig 0,27
@ 1500 psig 0,21
Corriente Húmeda 0,25
La mayoría del vapor a bajo vacío 0,20
Sales y evaporadores cáusticos 0,15
Nota:
(1) K = 0,35 @ 100 psig, reste 0,01 por cada 100 psi arriba de 100 psig.
(2) Para soluciones de amina y glicol, multiplicar la por 0,6-0,8.
Las empresas fabricantes establecen sus propios valores de k de acuerdo a un
equipo específico, puesto que ellos determinan los valores de k experimentalmente
luego de haber construido el equipo, van variando las velocidades, determinando la k
más apropiada de acuerdo a los porcentajes de remoción más eficientes. Por ejemplo,
la empresa ACS establecen valores k de acuerdo al equipo y arreglo del paquete de
platos.
Tabla Nº 4 Coeficientes estándar Souders-Brown (factor k) para malla y unidades Plate-PakTM
.
108
AMISTCO (Mesh and Vane Mist Eliminators, boletín 106, 2004), recomienda
valores de diseño del coeficiente k (coeficiente Souders-Brown) de 0,35 ft/s para flujos
verticales y 0,42 ft/s para flujos horizontales.
KOCH-OTTO YORK (Mist Eliminations, Separations Technology, 2007) utiliza un
valor de k de 0,35 ft/s como línea guía para los cálculos estándar de la velocidad de
diseño.
Igualmente, según el sistema británico se tienen valores de referencia del
coeficiente k para separadores verticales y horizontales basados en ola relación de
flujos másicos del líquido (W l) y del vapor (Wg), esto es: Wl/Wg, así:
Para separadores Verticales:
0,35k1,0W
W
g
l
0,25kW
W
g
l 0,11,0
0,20kW
W
g
l 0,1
Para separadores horizontales: en el caso de los separadores horizontales, la
selección de la constante de Souders y Brown se basa en la relación de
longitud/diámetro del recipiente, considerada de costura a costura. El valor máximo que
se permite es k = 0,7.
0,4k4,0D
L2,5
0,5k6,0D
L4,0
Arreglo de Almohadillas K, ft/s
Almohadilla horizontal estilo 4CA 0,35
Almohadilla estilo 4AC MisterMers® 0,42
Unidad Horizontal Plate-PakTM
con o sin MisterMesh® abajo 0,50
Unidad Vertical Plate-PakTM
Con o sin malla abajo 0,65
109
5,0
baseL
L0,5k6,0
D
L
Donde; 6,0D
Lbase
La velocidad de diseño (Vd) para una aplicación dada es el valor de velocidad
que produce el mejor desempeño en términos de captura de las gotas de líquido e
impide del re-arrastre. La disminución significativa de las velocidades de gas, le
confieren a las gotas un momentum lo suficientemente bajo para esquivar los blancos
de los alambres, y a altas velocidades porque el vapor posee una energía cinética
suficiente para re-arrastrar las gotas. Las velocidades aceptables están en rangos
entre un 25 a 125 % de la velocidad ideal.
Los cálculos de las densidades del gas y del líquidos, deben ser determinados
partiendo de las propiedades PVT del gas y la composición del gas y del líquido, las
cuales deben ser determinadas mediante la caracterización del gas mediante métodos
de Cromatografía de gases, y luego aplicando análisis de PVT para determinar las
propiedades de los gases.
4.1.3.4. CÁLCULO DEL ÁREA SECCIONAL DEL EXTRACTOR DE NIEBLA
Luego de la selección del factor de capacidad (k), y habiendo calculado la
velocidad ideal del gas, lo siguiente es el cálculo del área del extractor de niebla, el cual
es determinado dividiendo el flujo volumétrico sobre la velocidad ideal del gas.
d
cionalsecV
QArea Ec. 2
4.1.3.4. DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UN COJÍN DE MALLA DE
ALAMBRE
Una vez establecido la velocidad de diseño para la aplicación dada, se puede
realizar la predicción de la eficiencia del cojín de malla de alambre para un tamaño de
partícula determinado.
110
El procedimiento a seguir inicia con el cálculo del parámetro inercial (K),
empleando unidades consistentes de medida, empleando la ecuación Nº 32
D9
VK
2
dgl
Ec. 30
Donde
K = Parámetro Inercial adimensional.
V = velocidad del gas, ft/s.
d = diámetro de la gota de líquido, ft.
= viscosidad del gas, lb/ft·s.
D = diámetro del filamento o malla, ft.
Con el valor calculado de K y con las gráficas de fracción eficiencia de
impactación se determina dicho parámetro (E).
Figura Nº 45. Parámetro Inercial K versus la fracción de eficiencia de Impactación.
Una vez determinada la fracción de eficiencia de impactación se calcula la
eficiencia de remoción con la ecuación Nº 31:
ESO230,0e
100100Eficiencia% Ec. 31
Donde el valor de E fue calculado anteriormente, el área superficial específica S
se selecciona de acuerdo al estilo de malla, basados en la tabla Nº 5:
Tabla Nº 5. Estilos de Mallas de alambre y plástico
Estilo de
malla
Densidad
lb/ft³
Diametro D,
in
Superficie, S
ft²/ft³
% Vacío,
111
Malla Metálica
7CA 5.0 0.011 45 99.0
5CA 7.0 0.011 65 98.6
4CA 9.0 0.011 85 98.2
4BA 12.0 0.011 115 97.6
3BF 7.2 0.006 120 98.6
3BA 12.0 0.006 200 97.6
Malla Plástica
8P 4.0 0.011 130 92.0
8K 4.0 0.011 160 96.3
8T 4.0 0.011 130 97.0
Malla Metálica
8D 9 0.0008 485 99.0
8TMW11 12 0.0008 485 99.0
6BE 9 0.00036 3725 99.0
Malla Plástica
8PP 3 0.001 530 99.0
8TT 5 0.0008 530 99.0
ACS Separations & Mass Transfer Products. The Engineered Mist Eliminator, 2007. www.acsseparations.com.
Dependiendo del estilo de la malla seleccionamos el valor de S, luego el valor de
SO se determina multiplicando el área superficial específica por 1/, el espesor del cojín
de malla y por un factor de corrección de 0,67 para remover aquella porción del cojín
que no es perpendicular al flujo de gas, ecuación Nº 32:
67,0T1
SSO Ec. 32
Donde T, es el espesor del cojín de malla
Posteriormente, dando valores al espesor del cojín se determina la eficiencia y el
espesor más adecuado.
Los diseños comunes de extractores de niebla se determinan basados en la
velocidad del gas, de acuerdo a la ecuación de Souders-Braown, donde el valor de k
depende del arrastre, de las propiedades físicas de los fluidos de trabajo, de las
densidades de las fases de líquido y gas. Este método de diseño basado en la
constante k, es un método muy basto debido a que no toma en cuenta el tamaño de la
gota del cual la eficiencia de recolección es fuertemente dependiente. Por esta razón
112
algunos autores han analizado el fenómeno de separación en detalle, sugiriendo ciertas
relaciones semiempíricas.
Los mecanismos de captura por intercepción e impactación inercial están
envueltos en los rangos de tamaño de partículas donde trabajan los extractores de
niebla tipo malla de alambre. Holmes y Chem (1984) demostraron que para este tipo
de equipos el mecanismo principal responsable de la eficiencia de recolección es el
mecanismo de impactación inercial.
Esto implica que la eficiencia de separación total puede ser evaluada tomando
en cuenta solo la contribución de la captura por la impactación inercial.
Para este mecanismo las relaciones simples se han publicado para evaluar
la eficiencia de captura por inercia para un solo blanco del alambre, qsr. Todas
estas relaciones comprueban que la eficiencia de captura por inercia es una
función del número de Stokes (St), de finido como:
w
2
dt
D18
duSt
Ec. 19
donde u es la velocidad del gas, μg es la viscosidad del gas, dd y Dw representan el
diámetros de la gota y el diámetro del alambre respectivamente.
La relación sugerida por Langmuir and Blodgett (1946), desde el punto de vista
teórico porque hace posible evaluarla eficiencia de captura de un simple blanco de
alambre, pero para poder predecir la eficiencia de un colector industrial tipo malla, qn,
es necesario introducir la dependencia de la geometría del empaque de las mallas de
alambre. Todas las ecuaciones publicadas refieren al análisis propuesto por Carpenter
and Othmer (1955), quien sugiere la siguiente ecuación semiempírica:
n
STen
za
3
211
Ec. 20
113
Donde: ae es el área superficial específica del separador, z la distancia entre dos
etapas sucesivas, n el número de etapas y ST la eficiencia de un blanco simple.
Basados en este análisis y considerando la eficiencia de separación de un
blanco simple y tomando en cuenta la geometría del empaque Brunazzi y Paglianti
(1998) siguieron la relación:
n
Mnn111 ST
M
STn Ec. 21
donde M es el número de celdas de referencia presentes en el cojín, n es el número
de etapas necesarias para llenar cada celda, y n es el número de etapas que forman el
separador.
El valor de M es calculado como una función de n, y del número de etapas, n :
n
nintM Ec. 22
El número de etapas necesarias para llenar cada celda es calculado de acuerdo a la
ecuación:
W
eq
d
dn
Ec. 33
Esta ecuación puede ser evaluada si se conocen las características geométricas,
el diámetro equivalente, deq del separador es conocido. Brunazzi y Paglianti (1998) han
sugerido que:
z
d·
a
··4d w
e
eq
Ec. 34
donde z es la distancia entre dos etapas sucesivas, ε es a fracción de vació del
empaque, y ae es la superficie específica.
Parámetros definidos por las siguientes ecuaciones según El-Dessouky y col.
(2000):
114
La fracción de vacío: extractordelVolumen
alambreelporocupadoVolumen1 Ec. 35
El área específica: extactordelVolumen
alambredelerficialsupÁreaas Ec. 36
De acuerdo a investigaciones realizadas por El-Dessouky y col. (2000).
Plantearon que la eficiencia de separación de los extractores de niebla tipo mala de
alambre es afectada por: la velocidad del vapor (V), el diámetro del alambre (dw),
tamaño de la gota (dp) y la densidad del empaque (ρp). Y por otro lado la caída de
presión es afectada por la densidad del empaque (ρp), el diámetro del alambre (dw), y la
velocidad del vapor (V). Las velocidades de carga e inundación (Vl y Vf) son
dependientes de la densidad del empaque y del diámetro del alambre.
Las correlaciones encontradas sometiendo los resultados experimentales en esta
investigación a una evaluación por mínimos cuadrados fueron los siguientes:
La eficiencia de separación:
383197.0
p
106878.0099625.0
p
28264.0
w )d()V()()d(5047.17 Ec. 37
La caída de presión:
56114147.1
w
81317.0375798.0
p )d()V()(88178.3P Ec. 38
La velocidad de carga:
75578.1
w
470865.0
pl )d()(7189.192V Ec. 39
La velocidad de inundación:
220656.1
w
287031.0
pf )d()(358356.128V Ec. 40
Estas relaciones matemáticas desarrolladas por estos investigadores pueden
predecir la eficiencia de separación (η), caída de presión (ΔP), velocidad de carga (Vl),
velocidad de inundación (Vf) con una desviación estándar de 0,957; 0,9108; 0,9295; y
0,908; respectivamente. Teniendo en cuenta que los rangos de aplicación de estas
relaciones matemáticas son: V (0,98 – 7,5 m/s); ρp (80,317 – 208,16 kg/m3); dw (0,2 –
0,32 mm); y dp (1 – 5 mm).
115
4.2. CASO A ESTUDIO
Una vez desarrollado el procedimiento de diseño de los extractores de niebla, se
procedió a aplicarlo, empleando las ecuaciones planteadas, con la finalidad de
comparar los diferentes métodos de cálculo para determinar la eficiencia de remoción
de líquido.
El caso a estudio se plantea a continuación:
116
En un depurador de HCl, en una corriente de aire de 60 acfs, está saliendo a un lecho de
empaques aleatorios y contiene gotas de ácido. La unidad opera a 122 psia a 80 ºF.
Determine el tamaño del extractor de niebla requerido para remover esta niebla y la eficiencia
de remoción posible.
Solución: Puesto que el ácido es diluído asumimos la densidad y la viscosidad del agua en la
presión y la temperatura de funcionamiento:
ρl = 62,4 lb/ft³ 999,55 kg/m³
ρg = 0,6 lb/ft³
P = 122 lb/ft²
T = 82 ºF
Q = 60 ft³/s
El primer paso es seleccionar el tipo de extractor de niebla y el estilo de la malla de alambre.
Como se muestra en la figura 2, la niebla que sale del tope del empaque está comprendida
en el rango de partículas o gotas con tamaño menores a μm 5, así que seleccionamos
un extractor de niebla tipo malla para alcanzar el nivel de funcionamiento requerido.
K = 0,27 ft/s
Por experiencia, la constante de Sowder y Brown para mallas con cargas moderadas de liquido
y bajas caidas de presión se sugiere un valor de K de aproximadamente de 0,27 ft/s. Usando
constante se calcula el valor de la velocidad ideal:
Videal = K [(ρl-ρg)/ρg)]½ 2,74 ft/s 0,84 m/s
el área seccional del extractor de niebla se determina dividiendo el flujo volumétrico por la
velocidad ideal:
Aseccional = Q/Videal 21,90 ft²
el diámtro correspondiente es: A = pi * r² donde r = (A/pi)^(1/2) = 2,64 ft
Diámetro = 5,28 ft
63,36 in redondeando a 60 in.
Hay que destacar que para extractores de niebla tipo placa el valor de K es de 0,50 por lo
que recalculando todos los valores nos queda:
K = 0,5
Videal = 5,07
Aseccional = 11,82
Diámetros = 3,88 ft
46,56 in redondeando a 48 in
Para calcular la eficiencia de remoción de partículas menores a 5 µm, se determinan varios
parámetros para el cálculo de K (parámetro inercial, según la ecuación: K=[(ρl-ρg)V²]/9µD
K = 0,28
De la fugura Nº :::::, la fracción correspondiente a la eficiencia de impactación E es ~0.05.
En la ecuación de eficiencia de remoción existe un término para la superficie específica
corregida SO:
SO4"= S x (1/π) x T x 0,67= 166 x (1/3,1416) x (1/3) x 0,67= 11,80
SO6"= S x (1/π) x T x 0,67= 166 x (1/3,1416) x (1/2) x 0,67= 17,70
117
Las correlaciones matemáticas planteadas por El-Dessouky y col., no son
aplicables a este caso pues una de las limitaciones de empleado de estas correlaciones
es la velocidad de gas la cual debe estar entre 0,98 y 7,5 m/s, la velocidad del gas en el
caso a estudio es de 0,84 m/s, estando por debajo del rango de aplicación.
Las eficiencias de remoción calculadas por las ecuaciones planteadas resultaron
en valores similares, lo que nos indica que el empleo de cualquiera de las ecuaciones
planteadas por los fabricantes y las desarrolladas experimentalmente por algunos
investigadores son válidas para el cálculo y/o predicción de la eficiencia de remoción
de líquido de los extractores de líquido.
A continuación se determina la eficiencia de remoción:
%η4" = 100-100e^(ESO) 99,999 %
%η6" = 100-100e^(ESO) 58,731 %
Cáculo de la eficiencia por la ecuación de Langmuir and Blodgett (1946)
dd = 0,02 mm
μg = 34,64 kg·m/s ηst = 0,000598482
Dw = 0,27 mm n = 50
z = 2 mm
St = 0,000598482
ηn = 0,97
Cálculo de la eficciencia por la ecuación de El-Dessouky y col. (2000).
ηn = 11,06
118
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES
La selección correcta de la constante de Sowders y Brown, va a depender del
modelo matemático utilizado para el diseño, así como de las condiciones de
operación del gas y la configuración del separador gas líquido donde se instalará
el extractor de niebla.
La constante de Sowders y Brown, varía dependiendo del tipo de extractor de
niebla que se vaya a diseñar, ya sea tipo malla o tipo placa.
Las ecuaciones planteadas para el cálculo de la eficiencia de remoción de
extractores de niebla tipo malla, tanto los modelos matemáticos desarrollados por
los investigadores mencionados anteriormente y las ecuaciones planteadas por
los fabricantes arrojan resultados similares con desviaciones de un 2% a un 3%.
Por lo que se puede concluir que estos modelos matemáticos representan una
excelente aproximación a los valores reales obtenidos por los fabricantes.
Con el procedimiento de diseño presentado en este trabajo de grado se puede
ofrecer una buena predicción del comportamiento de remoción de gota de un
extractor dado u ofrecido por un fabricante.
Es importante introducir la variable de configuración geométrica de los blancos
de alambre y placas en el cálculo de eficiencia de recolección de gotas, como
una variable que afecta directamente este parámetro, en el caso que se requiera
un análisis minucioso de la eficiencia de recolección.
El procedimiento idóneo para un diseño efectivo de extractores de niebla es:
1. Estimación de la distribución del tamaño de las gotas de líquido.
2. Configuración del recipiente.
3. Selección del tipo de extractor de niebla.
119
4. Selección de materiales.
5. Cálculo de la velocidad crítica del gas.
6. Cálculo del área seccional del extractor de niebla.
7. Determinación de la eficiencia del extractor.
120
RECOMENDACIONES
El procedimiento presentado en este trabajo de grado debe ser empleado como
herramienta para optimizar los procesos de diseño y verificación de los mismos
a nivel industrial, ya que, provee una buena predicción de la eficiencia y
dimensiones de los extractores de niebla.
Este procedimiento debe ser empleado como herramienta académica para
promover el conocimiento del diseño de extractores de niebla.
121
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