teoria-desorcion gaseosa

Escuela Profesional de Ingeniería de Industrias Alimentaria

I. OBJETIVOS:

Determinación del rango de operación de una columna empacada, basándose en: El estudio de la caída de presión en una columna empacada, con empaque seco,

variando la velocidad del gas. El estudio de la caída de presión en una columna empacada, con velocidad de

circulación de líquido constante. El estudio de la caída de presión en una columna empacada, variando la circulación

del líquido.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO:

DESORCIÓN: La desorción es la operación unitaria inversa a la absorción. Cuando un gas absorbido

en un líquido, se separa del líquido por medio de otro gas (no soluble en el líquido) la operación se denomina desorción. Representa el transporte a la fase gaseosa. Esta operación es también conocida como STRIPPING.

Dado que los efectos térmicos que acompañan a la absorción o a la desorción suelen ser muy pequeños, supondremos que estas operaciones se verifican isotérmicamente.

EQUILIBRIO DE FASES:La rapidez de la difusión dentro de cada fase depende del gradiente de concentración

del sistema, de dos fases, indican el alejamiento de la posición de equilibrio que existe entre las fases. Si se establece el equilibrio de los gradientes de concentración, y por ende la rapidez de difusión descenderá a cero. En el equilibrio, aun cuando una transferencia de moléculas, la transferencia neta desciende a cero, ósea se ha llegado a un equilibrio dinámico.

Las concentraciones en el equilibrio en el gas y en líquido darán lugar a una curva de distribución en el equilibrio, sólo depende de la presión y temperatura que se le imponga al sistema.

Dr. Pedro Córdova Mendoza - Ingeniería Alimentaria III


SOLUBILIDAD: Si cierta cantidad de un gas simple, un liquido relativamente no volátil se llevan al

equilibrio, la concentración resultante del gas en el liquido recibe el nombre de solubilidad del gas a la P y T dominantes. A una temperatura dada la solubilidad aumentara con la presión.

Gases y líquidos distintos presentan curvas de solubilidades distintas, las cuales en general se deben determinar experimentalmente para cada caso.

LEY DE HENRY:Para soluciones liquidas que no son ideales, la ley de Raoult dará resultados muy

incorrectos. Por tanto si es posible considerar una solución real en equilibrio con gases ideales y para concentraciones modestas del líquido se puede aplicar la Ley de Henry:

EQUIPOS PARA LA TRANSFERENCIA DE MASA:

Son equipos que proporcionan la transferencia de masa, proporcionando un contacto de las fases y mediante ecuaciones matemáticas podemos determinar las siguientes informaciones: Cantidad de flujo y composiciones que permitan el estableciendo del balance de masa. Relaciones de equilibrios entres las dos fases en contacto. Conocimiento referido a la velocidad de transferencia bajo la forma de un coeficiente de

transferencia de masa.En la industria de los procesos químicos es frecuente tener necesario grandes áreas de

contacto entre las fases, así tenemos:

TORRES EMPACADAS:Las columnas o torres empacadas son equipos utilizados para establecer el contacto

continuo a contracorriente de dos fases, consiste en torres verticales llenadas con un material adecuado denominadas empaques.

EMPAQUES:Son materiales de relleno para torres que deben tener las siguientes características:

Deben ser químicamente inertes con respecto a los fluidos que están procesando. La caída d presión debe ser pequeña. Deben ser resistente a la corrosión. Deben tener una gran superficie humedecida por unidad de volumen de espacio

empacado. Tener buenas características de humedecimiento. Deben se livianos y de bajo costo.

TIPOS DE EMPAQUE:Diseñados para aun mejor contacto y son fabricados de diferentes materiales tales como la arcilla, porcelana, plásticos y/o metales. Entre estos tenemos: Anillos de Rasching. Silla Intalox. Anillos Pall. Silla Berl. Anillo con Helicoidal. Anillo Lessing. Anillo dividido en cruz.



Entre estos el más usado en la industria son los Anillos Rasching por su bajo costo con respecto a los otros tipos de empaques. La Silla Berl es el más caro por su propia configuración además presentan ventajas muy marcadas, tienen una mayor área de contacto así mismo puede empacarse dando configuraciones complejas.

Aunque si bien el material de empaque ha sido diseñado para dar el mejor contacto también es muy importante el método para empacar la torre por tanto si el liquido y el gas no hace contacto completamente eficiente.

Los empaques se pueden disponer en la torre de dos maneras:

EMPAQUES ALEATORIOS O AL AZAR: Son aquellos que simplemente se arrojan en la torre durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y ácidos fluorhídricos; d carbón que es útil excepto en atmósferas altamente oxidantes de metales o de plásticos.

EMPAQUES REGULARES: los empaques regulares ofrecen la ventaja de una menor caída de presión para el gas y un mayor flujo, generalmente a expensas de una instalación mas costosa que la necesaria para los empaques aleatorias.

ELIMNINADOIRES DE ARRASTRE: A velocidades elevadas del gas, especialmente el gas que abandona la parte superior del empaque puede acarrear gotitas del liquido como una niebla . Esta puede eliminarse mediante eliminadores de neblina., a través de los cuales debe pasar el gas, los eliminadores se instalan sobre la entrada del liquido. Una capa de malla entre tejida es especialmente con espacios de 98% - 99%, aproximadamente de 100mm de espesor, colectara prácticamente todas las partículas de neblina.

CAÍDA DE PRESIÓN EN TORRES EMPACADAS: la caída de presión está influenciada tanto por la velocidad del liquido como la del gas, el flujo de gas es generalmente grande.

Para la velocidad constante de gas, la caída de presión aumenta al acrecentarse la proporción del liquido, también la caída de presión es una combinación de la fricción de la superficie y el drag de la forma predominado este ultimo para velocidades altas.

INUNDACIÓN VISUAL: Se denomina así cuando el líquido ha llenado una gran parte del empaque y el gas tiene que burbujear a través de él.

Un buen diseño asegura normalmente una operación estable `para lo cual por ejemplo las torres empacadas se diseñan utilizando velocidades del gas de un 50 a 75% de la velocidad de inundación para e gasto esperado del liquido.

LÍNEA DE OPERACIÓN: Nos indica la relación de concentración entre las concentraciones del liquido u el gas a cualquier nivel de la torre.

PLATO TEÓRICO O IDEAL: se define como aquella composición promedio de todo el gas que abandona el plato, está en equilibrio con la composición promedio de todo el liquido que abandona el plato.

VELOCIDAD DE INUNDACIÓN: Las velocidades másicas del gas y del liquido influyen sobre la altura necesaria del relleno de tal manera que al aumentar estas velocidades disminuyen, la altura necesaria de relleno para lograr una separación determinada, en consecuencia se



ha de operar con velocidades altas como sea posible, a no ser que la perdida de presión a través del relleno sea un factor económico significativo.

Sin embargo existe un límite superior de la velocidad másica del gas para la cual se produce la inundación de la columna que se pone de manifiesto por acumulación o retroceso del liquido en la misma, se origina la inundación cuando la perdida de presión en el gas es tan alta que la carga del liquido no es suficiente para circular en contracorriente con el.

En general se suele presentar la inundación cuando la carga del líquido es inferior a 1cm por cada 3cm de altura de relleno, esta velocidad se determina gráficamente.

COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA: Cuando una torre empacada se hace funcionar en la forma usual, como absorbedor o desorbedor a contracorriente, para la transferencia de soluto entre el gas y el liquido, la rapidez de transferencia del soluto puede calcularse a partir de los valores medidos de la rapidez del flujo de gas y de liquido y de las concentraciones del soluto en la interfase, la rapidez resultante solo puede expresarse como coeficientes globales.

ALTURA Y NUMERO DE UNIDADES DE TRANSFERENCIA: Para el cálculo de altura y número de unidades de transferencia debe tenerse en cuenta, así está referido a cada fluido (individuales) o a ambos (globales). Sea como fuere, obviamente el cálculo de cada uno de ellos es diferente. Debe tenerse presente también que para el cálculo de la altura y el numero de transferencia individuales se necesita valores de las concentraciones en la interfase y pone por ende la dificultad en su cálculo, en contracorriente ea esto los valores globales solamente necesitan de dichos valores en el equilibrio.Con respecto a los casos en que la curva de distribución en el equilibrio es recta, y la relación entre los coeficientes de transferencia de masa es constante, son apropiados los coeficientes de masa globales.

III. DATOS EXPERIMENTALES

PARTE 1: CAIDA DE PRESION

L=0 lb/h L=30 lb/h L=45 lb/h L=60 lb/h

Flujo de Gas

(pie3/min)H (cm) H (cm) H (cm) H (cm)

2 0.3 4 1 1.5 1.65 1.76 2.35 3.25 3.4 3.558 3.65 5.48 5.78 6.110 6 8.1 8.9 9.612 9.1 12.35 13.4 14.5

PARTE 2: DESORCION



Tiem

po(m

in)

Flujo de Liquido (lb/h)

Flujo de Gas

(pie3/min)

Caída de Presión ∆H(cm)

T tope de torre(ºC)

T fondo de torre (ºC)

Volumen (ml) HCl 1M para

titular alimentación

(10ml)

Volumen HCl (ml) 0,1M para titular liquido-salida (10ml)

0

40 10

8.8 16.5 18.5 1.1 7.910 8.9 13 18.5 1.2 7.620 8.8 13 18.5 1.2 7.730 13 18.5 7.6

Tiem

po(m

in)

Flujo de Liquido (lb/h)

Flujo de Gas

(pie3/min)

Caída de Presión ∆H(cm)

T tope de torre (ºC)

T fondo de torre (ºC)

Volumen (ml) HCl 1M para

titular alimentación

(10ml)

Volumen (ml) HCl 0,1M para titular liquido-salida (10ml)

0

50 12

13.1 19 12.5 1.3 7.610 13.1 19 12.5 1.2 7.520 13.1 19 12.5 1.3 7.530 7.6

IV. CÁLCULOS Y RESULTADOS

1) Caída de presión

En el sistema Internacional:



G a 60°F(lb/ft3) 0,07635

L=0 kg/s L= 3,78*10^-3 kg/s L= 5,67*10^-3 kg/s

L= 7,56*10-3 kg/s

Flujo de Gas (Kg/s) P (N/m2) P (N/m2) P (N/m2) P (N/m2)

0,002 97,981 146,972 161,669 166,5680,003 230,256 318,439 333,136 347,8340,005 357,632 536,937 566,332 597,6860,006 587,888 793,648 872,033 940,6200,007 891,630 1210,069 1312,949 1420,728

Área (m2) 0,008107339



L=0 kg/s L= 3,78*10^-3 kg/s L= 5,67*10^-3 kg/s L= 7,56*10-3 kg/s

Log( )G̒� Log (P/Z) Log (P/Z) Log (P/Z) Log (P/Z)

-0,546 1,905 2,081 2,122 2,135-0,369 2,276 2,417 2,436 2,455-0,245 2,467 2,644 2,667 2,690-0,148 2,683 2,813 2,854 2,887-0,068 2,864 2,996 3,032 3,066

Calculo de Cf:

L` (lb/h)

L` (kg/m2.s)

0 0,00030 0,46645 0,69960 0,932

Calculando las abscisas:



L=30 L=45 L=60

G`L`/G`(dg/(dl/dg))^0,5

4 0,28 1,64 2,46 3,286 0,43 1,09 1,64 2,188 0,57 0,82 1,23 1,6410 0,71 0,66 0,98 1,3112 0,85 0,55 0,82 1,09

Calculando las caídas de presiones:

P/Z120,469 132,516 136,531261,016 273,063 285,109440,113 464,206 489,906650,531 714,781 771,000991,860 1076,188 1164,532

Calculando las ordenadas de la grafica de Eckert, como se muestra en el grafico:

y (ordenada) de la grafica de Eckert0,006 0,004 0,003



0,014 0,009 0,0050,023 0,018 0,0120,035 0,030 0,0200,000 0,000 0,000

Despejando Cf:

Cf168,104 122,258 82,524190,179 122,258 70,638171,925 133,719 91,693171,161 146,709 97,8060,000 0,000 0,000

Promedio 175,342 131,236 85,665

Calculo de Flujos y concentraciones en la columna:

Considerando el siguiente esquema:

V. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

A medida que se fuimos incrementando el flujo de aire también crecia la caída de presión.

Para el caso de un flujo de gas constante se nota que a medida que aumenta el flujo de líquido, aumenta ligeramente la caída de presión. Esto ocurre debido a que al aumentar


G1y1

L2x2

L1x1

G2y2

G1y1


el flujo de líquido origina una reducción en la sección transversal libre por donde va a ascender el gas.

VI. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA

Treybal, Robert. Operaciones de Transferencia de masa. 2da edición. Editorial Mc Graw Hill, México 1988. Paginas: 218-235, 306-347

Perry, John. Biblioteca del Ingeniero Químico 2da edición. Volumen 4. Editorial Mc Graw Hill. Paginas: 14-2 – 14-18

ANEXO

PLANTA PILOTO AUTOMATIZADA DE ABSORCIÓN Y DESORCIÓN



Esta planta piloto de absorción y desorción permite el estudio del transporte de la materia de una fase gaseosa a una fase líquida (absorción) y viceversa (desorción).El líquido absorbente se alimenta en la cabeza de la columna a través de una bomba dosificadora.El relleno de la columna se realiza con anillos Rasching. El control del proceso, la supervisión y la adquisición de los datos se llevan a cabo automáticamente a través de un controlador de microprocesador y un software de gestión y supervisión específico con el cual es posible controlar a distancia los siguientes parámetros de operación:• Caudal del gas por absorber• Caudal del gas inerte o de desorción• Caudal de alimentación de la fase líquida

Programa de formación

Esta planta piloto permite el desarrollo exhaustivo de las siguientes temáticas:• Comprobación del grado de absorción con varias sustancias líquidas bajo temperaturas diferentes• Influencia de la presión sobre el grado de absorción• Desorción de uno o más componentes –muy ligeros respecto a la disolución en la cual se hallan– de la fase líquida a la fase gaseosa por medio de un gas o vapor• Cálculo del número de estadios teóricos• Visualización en sinóptico del comportamiento de los parámetros de operación de la planta piloto, con actualización de los datos en tiempo real (sólo en la versión computerizada).• Prácticas que se llevan a cabo:– Absorción de NH3 con H2O– Absorción de CO2 con solución de NaOH– Desorción de NH3 con aire

Características técnicas• Dimensiones: 1900x800x2700 mm• Peso: 270 kg• Estructura, sobre ruedas, en acero inoxidable AISI 304



• Columna, ejecución en vidrio borosilicato, DN 80, h=1.000 mm, con relleno de anillos Raschig de 8 mm• Intercambiador de calor, ejecución en vidrio borosilicato, superficie de intercambio 0,5 m2, situado en la cola de la columna• Depósito, ejecución en vidrio borosilicato, capacidad 30 l, para la alimentación de la fase líquida• Bomba dosificadora, ejecución en acero inoxidable AISI 316, caudal máx. 120 l/h, completa de actuador neumático, controlable con señal 0,2-1 bar• 2 válvulas neumáticas de control, DN 15, PN 10, ejecución en acero inoxidable AISI 316, CV=0,1 y 0,32• Medidor electrónico del caudal del gas por absorber, ejecución en acero inoxidable AISI 316, escala 0-1.000 Nl/h, señal de salida 4-20 mA, precisión ±0,2%• Indicador electrónico del caudal, ejecución en acero inoxidable AISI 316, escala 0-1.000 Nl/h, precisión ±0,5%• Medidor electrónico del caudal del gas inerte, ejecución en acero inoxidable AISI 316, escala 0-6 Nm3/h, señal de salida 4-20 mA, precisión ±0,2%• Indicador electrónico de caudal, escala 0-6 Nm3/h, precisión ±0,5%• Transmisor electrónico de presión diferencial, escala 0-500 mmH2O, señal de salida 4-20 mA, ejecución en acero inoxidable AISI 316, precisión ±0,1%• Indicador electrónico de presión diferencial, escala 0-500 mm H2O, precisión ±0,5%• 3 indicadores electrónicos de temperatura, escala 0-200 °C, precisión ±0,5%• 3 controles neumáticos manuales• 3 termorresistencias Pt 100 dobles, funda en acero inoxidable AISI 316• Cuadro eléctrico IP55, conforme con las normas CE, provisto de sinóptico de la planta piloto• Líneas de conexión y válvulas, ejecución en acero inoxidable AISI 304 y AISI 316• Fuente de alimentación estabilizada ±24 V ,3 convertidores electroneumáticos, 4-20 mA/0,2-1 bar,precisión ±1%■ Controlador digital de microprocesador multilazo, 2 lazos de control PID, señales de entrada y de salida 4-20 mA, precisión ±0,1%.

Textos teóricos-prácticos• Manual teórico-práctico-experimental

Servicios• Alimentación eléctrica: 230/400 V trifásica - 50 Hz + N + T o, bajo pedido, 220 V trifásica - 60 Hz; P=1 kW• Aire comprimido: consumo máx. 15 Nm3/h, presión 6 bares• Agua de grifo: consumo discontinuo• Agua caliente: consumo máx. 150 l/h, T=80 °C• Bombona de nitrógeno• Bombona del gas por absorber

Opcionales• Software de supervisión mod. SW-ADSA/EV: opera en entorno operativo Win y permite controlar señalesON-OFF, señales analógicas procedentes del controlador PID, trend en tiempo real y trend histórico.• Columna de absorción, ejecución en vidrio borosilicato, DN 100, con bandejas de campanas• Columna de absorción, ejecución en vidrio borosilicato, DN 100, con relleno ordenado tipo Sulzer

Variaciones de la planta piloto bajo pedido• El equipo puede modificarse según solicitud específica del cliente

LA PLANTA PILOTO PUEDE SUMINISTRARSE TAMBIÉNEN VERSIÓN MANUAL

La versión manual mod. ADS/EV no incluye los componentesindicados por el símbolo ■.La versión automatizada de la planta piloto mod. ADSA/EV podrá controlarse también manualmente utilizando la instrumentación incorporada en el cuadro eléctrico.


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