Relatório ponto de inundação

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Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Instituto de Química 
Departamento de Operações e Projetos Industriais
Laboratório de Engenharia Química I
RELATÓRIO 8: 
PONTO DE INUNDAÇÃO EM TORRE RECHEADA
JULIANA MIRANDA SAAVEDRA DE PAULA 
LARISSA DE ALCANTARA LIMA
Rio de Janeiro
Agosto de 2022
Sumário
1.	Introdução	3
2.	Objetivo	5
3.	Metodologia	5
4.	Resultados e Discussão	7
5.	Conclusão	10
6.	Referências Bibliográficas	10
1. Introdução
As torres de recheio são equipamentos utilizados para promover um contato mais íntimo entre dois líquidos ou entre um líquido e um gás, e consequentemente promover a separação de componentes por transferência de massa. Este tipo de equipamento é amplamente utilizado em operações de destilação, absorção, lavagem de gases, extração, retificação, etc.
	São compostas de um casco cilíndrico vertical, fechado nas extremidades superior e inferior por dois tampos, normalmente elipsoidais ou torrisféricos, formando um vaso de pressão vertical, e por seus diversos acessórios, denominados “internos”. A altura e o diâmetro da torre são determinados em função do volume dos vapores e líquidos. A Figura 1 representa uma típica coluna recheada para processos de lavagem de gases ou absorção:
Figura 1 - Representação de uma coluna recheada típica
	Na seção de topo é por onde saem os produtos leves (gases e vapores) e comporta o bocal de saída de vapor, bocal de entrada de refluxo e seu distribuidor, demisters, entre outros. Na seção de fundo é por onde saem os produtos pesados e comporta o volume de controle, bocais de saída para os refervedores e o retorno (caso tenha), bocais de saída de fundo, de entrada de vapor, entre outros.
Com o desenvolvimento da tecnologia dos recheios, nos últimos anos as refinarias vêm substituindo seções com bandejas por leitos recheados, com a finalidade de reduzir a queda de pressão e aumentar o rendimento do processo. Os recheio devem apresentar características como: apresentar grande superfície de interface entre líquido e vapor; ser quimicamente inerte para os fluidos processados; possuir boa resistência mecânica, a fim de evitar quebras; e por fim, apresentar baixo custo.
	Os parâmetros de maior importância na operação das torres recheadas de absorção e de lavagem de gases são a vazão de gás e a queda de pressão. Como o líquido é alimentado pelo topo e o gás pelo fundo, a vazão de gás deve ser determinada de forma a não carrear líquido. Quando a vazão de gás é muito alta, a torre pode experimentar o fenômeno da inundação. Quando isso acontece, o gás impede o líquido de escoar e um trecho da torre (geralmente o topo) fica completamente preenchido de líquido, podendo ainda haver transbordamento. Nesse cenário, a queda de pressão do gás é aumentada dramaticamente, já que sua passagem é obstruída por uma “piscina” de líquido.
2. Objetivo
Observar o comportamento de uma torre recheada ao variar as vazões de líquido e gás e identificar o ponto de inundação nas vazões avaliadas.	
3. Metodologia
O sistema experimental consiste de uma coluna de recheio de 150 cm de altura, 15 cm de diâmetro externo e 14,3 cm de diâmetro interno, dividida em duas seções de 50 cm cada, recheada com selas Intalox de ½ polegada. O sistema apresenta  duas  tomadas  de  pressão,  uma  em cada extremidade da coluna, conectadas a um manômetro em “U”, com leitura em cm de água. As vazões de líquido e de gás são medidas através de rotâmetros, e modificadas por suas respectivas válvulas de acordo com a Figura 2.
Figura 2 - Fluxograma do sistema experimental
	Foram estipulados 4 vazões de líquido: 25, 30, 35 e 40 L/min, variando as válvulas de admissão e reciclo de água do reservatório para a estabilização do rotâmetro na vazão desejada. Para cada vazão de líquido admitida, foram impostas diferentes vazões de gás, variando em 20 L/mim, em uma faixa de 20 a 180 L/min. Entretanto, para altas vazões de líquido, não foi possível alcançar todos os pontos desejados de vazão de gás. Para cada vazão de gás admitida, foi observado a queda de pressão do sistema no manômetro em “U” através da diferença de altura de água, tomando o devido cuidado para que o rotâmetro que indicava a vazão de gás permanecia estável. 
Durante toda a prática foi observado o comportamento do líquido e do gás na torre. A inundação da torre foi percebida quando houve uma quantidade grande de água e gás no topo da torre ocorrendo o arraste de líquido na saída do gás.
4. Resultados e Discussão
Os dados obtidos na prática estão representados a seguir:
	Vazão de Água (L/min)
	25
	30
	35
	40
	Vazão de Ar (NL/min)
	∆h (cm)
	20
	2.0
	7.0
	13.0
	20.0
	40
	3.0
	9.0
	15.0
	30.0
	60
	4.0
	10.0
	18.0
	-
	80
	5.0
	11.0
	21.0
	-
	100
	5.5
	12.0
	24.0
	-
	120
	7.0
	14.0
	24.0
	-
	140
	7.0
	15.0
	-
	-
	160
	9.0
	17.0
	-
	-
	180
	9.5
	20.0
	-
	-
	200
	11.0
	21.5
	-
	-
Tabela 1 – Dados experimentais
Para construir o gráfico de perda de carga contra fluxo do gás, adota-se a seguinte equação:
Onde:
 → Pa/m
ρH2O e ρar → kg/m3
Δh → m
Para tais cálculos, foram utilizadas às seguintes informações de dados complementares:
	Dados complementares
	Massa específica da água (kg/m3)
	997
	Massa específica do ar (kg/m3)
	1,225
	Altura da torre (m)
	1,5
	Diâmetro da torre (m)
	0,143
	Área da seção transversal (m2)
	0,016
	Aceleração da gravidade (m/s2)
	9,81
Tabela 3 – Dados complementares
Admitindo L como o fluxo de líquido e G como o fluxo de gás, temos que:
	Vazão de Água (m3/s)
	0.00042
	0.00050
	0.00058
	0.00067
	Vazão de Ar (m3/s)
	∆P/h (Pa/m)
	0.00033
	195.4
	683.8
	1269.9
	1953.7
	0.00067
	293.1
	879.2
	1465.3
	2930.6
	0.00100
	390.7
	976.9
	1758.3
	-
	0.00133
	488.4
	1074.5
	2051.4
	-
	0.00167
	537.3
	1172.2
	2344.5
	-
	0.00200
	683.8
	1367.6
	2344.5
	-
	0.00233
	683.8
	1465.3
	-
	-
	0.00267
	879.2
	1660.7
	-
	-
	0.00300
	928.0
	1953.7
	-
	-
	0.00333
	1074.5
	2100.2
	-
	-
Tabela 2 - Valores de queda de pressão normalizados através da altura
Através das tabelas acima, foi possível plotar as informações obtidas no gráfico, no qual refere-se a linearização dos resultados:
Gráfico 1 - Linearização dos Dados experimentais
O ponto de carga é definido como sendo o ponto em que há a maior queda de pressão para uma pequena variação na vazão de gás. O ponto de inundação da coluna é definido como o mínimo fluxo de gás necessário para inverter o sentido de escoamento do líquido, ou seja, o mínimo fluxo de gás capaz de inundar a coluna.
Figura 3 – Comportamento típico de torres de recheio, onde X representa o ponto de carga e Y o ponto de inundação
O ponto de inundação foi de fácil visualização a partir do momento em que foram os pontos em que o medidor da vazão de ar não subia mais, ou seja, o momento em que foi necessário interromper a medição naquela vazão de gás (devido à inundação da coluna).
5. Conclusão
Observou-se através do gráfico 1 que o aumento da vazão do gás está diretamente ligado a perda de carga normalizada pela altura na torre, onde o aumento da vazão de líquido ocasiona o aumento cada vez maior da perda de carga, além do aumento da queda de pressão para uma mesma vazão de líquido. Desta forma, apesar de ser necessário a operação em vazões aproximadas em relação ao ponto de inundação, é importante que tenha o controle suficiente de modo que não ocorra inundação da torre. Além disso, deve-se avaliar o maior contato entre as fases, o que ocasiona maior transferência de massa entre as mesmas, como em situação onde há elevada vazão de gás em uma vazão constante de líquido.
No geral, o experimento foi realizado com sucesso e foi possível visualizar a tendência da perda de carga e o ponto de inundação.
6. Referências Bibliográficas
LUDWIG, E. E.; Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants, 3ª Edição.
LEVA, M. Tower Packings and Packed tower Design. 2a ed. Akron, Ohio: The United States Stoneware Copany, 1953.
PRAHL, W. H. Liquid Density Distorts Packed Column Correlation. Chemical Engineering,77 (24), 109-112, 1970.
http://sistemas.eel.usp.br/bibliotecas/monografias/2015/MEQ15037.pdf 		Acesso em: 27/08/2022
LOQ4054 – Fenômenos de Transporte III. Transferência de massa entre fases – Parte 3. Prof. Lucrécio Fábio. Departamento de Engenharia Química. USP.
Fenômenos de Transporte III – Aula 12. Prof. Gerônimo. Departamento de Engenharia Química. USP.
TREYBAL, R. E. Mass transfersoperations. 3. ed. New York: McGraw-Hill, 1980.
Ln(ΔP/h) x Ln (G)
Vazão 25m³/s	-8.0063675676502477	-7.3132203870903014	-6.9077552789821368	-6.6200732065303587	-6.3969296552161445	-6.2146080984221914	-6.0604574185949351	-5.9269260259704097	-5.8091429903140277	-5.7037824746562018	5.2749005965992009	5.6803657047073655	5.9680477771591462	6.191191328473356	6.2865015082776807	6.5276635650945689	6.5276635650945689	6.7789779933754755	6.8330452146457512	6.9796486888376261	Vazão 30m³/s	-8.0063675676502477	-7.3132203870903014	-6.9077552789821368	-6.6200732065303587	-6.3969296552161445	-6.2146080984221914	-6.0604574185949351	-5.9269260259704097	-5.8091429903140277	-5.7037824746562018	6.5276635650945689	6.7789779933754755	6.8843385090333014	6.9796486888376261	7.0666600658272563	7.2208107456545143	7.289803617141466	7.4149667600954716	Vazão 35m³/s	-8.0063675676502477	-7.3132203870903014	-6.9077552789821368	-6.6200732065303587	-6.3969296552161445	-6.2146080984221914	-6.0604574185949351	-5.9269260259704097	-5.8091429903140277	-5.7037824746562018	7.1467027735007926	7.289803617141466	7.4721251739354209	7.6262758537626789	7.7598072463872017	Vazão 40m³/s	-8.0063675676502477	-7.	3132203870903014	-6.9077552789821368	-6.6200732065303587	-6.3969296552161445	-6.2146080984221914	-6.0604574185949351	-5.9269260259704097	-5.8091429903140277	-5.7037824746562018	7.5774856895932468	7.9829507977014114	0	Ln (G)
Ln (ΔP/ h)