Descripción cuantitativa cuantitativa del proceso de recuperación y purificación de amoniaco (NH3), a partir de corrientes de aire contaminadas, mediante absorción con agua (H 2O) y destilación. Quantitative description of recuperation and purification process of ammonia (NH 3), from contaminated draughts by means of absorption with water w ater (H 2O) and distillation. Erick Alfredo Cavazos Hernández a, Abraham Rodolfo Reyna Ayala b, José Ricardo Zacarías Rodea c.
Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León, Av. Universidad s/n, Cd. Universitaria, C.P. 66451, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México. a Matricula: 1477874 b Matricula: 1524938 c Matricula: 1563594 RESUMEN. El presente trabajo muestra de manera co mpleta los procedimientos y cálculos para la descripción de los requerimientos de flujos y composiciones, tanto necesarias como obtenidas, en los procesos de obtención de amoniaco de una corriente de aire contaminada, realizando absorción, así como la posterior destilación para su purificación. La metodología fue realizada a partir de los conocimientos de la teoría de absorción de gases, así como el método de Ponchon-Savarit que permitió establecer, en ambos casos, el número de etapas necesarias para realizar con éxito la operación dando como resultados finales 10 etapas en la absorción y 4 etapas en la destilación.
Palabras clave: absorción, destilación, etapas, platos, composiciones, entalpias, corrientes. ABSTRACT. The present work presents a comprehensive manner the procedures and calculations for the description of the requirements of flows and compositions, both necessary and obtained, in the process of obtaining ammonia in a stream of contaminated air, making absorption and subsequent distillation purification. The methodology was made from knowledge of the theory of gas absorption, and the method of Ponchon - Savarit it possible to establish, in both cases, the number of stages necessary for successful operation giving as final results 10 and 4 trays in absorption and d istillation istillation respectively.
Keywords: absorption, distillation stages, trays, compositions, enthalpies, streams.
1.- INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN. El amoniaco puede encontrarse presente en la atmosfera. Una de las teorías del origen de este en el medio es que los nitratos del suelo son transportados por medio de filtración a ríos, que posteriormente desembocan en el mar y por acción de la vida submarina estos nitratos son transformados y desechados como amoniaco (Boussingault y Schloesign, 1888). Al evaporarse el agua de mar por efecto del ciclo del agua estos se elevan y for man parte del aire [1]. El amoniaco (NH3) pertenece al grupo de los llamados refrigerantes naturales, junto al dióxido de carbono, el agua, el aire y los hidrocarburos (etano, etileno, propano, propileno, butano e isobutano). Los refrigerantes naturales destacan porque son eficientes y tienen bajos costes de mantenimiento, además, son baratos y están disponibles en grandes cantidades [2]. El proceso de obtención de amoniaco consiste principalmente en su separación desde soluciones acuosas, una manera de complementar esta operación
es recurrir a corrientes de aire circundante y purificarlas de la sustancia deseada. Para ello se hace uso de una columna de absorción que permita disolver el amoniaco presente en la corriente de aire hacia una corriente de agua, esto se lleva a cabo a contra corriente para una mayor efectividad. Después, la solución acuosa resultante pasa por una separación para reducir el contenido de agua en exceso, la corriente útil de salida del separador se mezclara con una de las corrientes principales, pre-tratada, enviadas a destilación en la cual pasara por un proceso de separación que produzca una corriente rica en amoniaco, para su uso como refrigerante y otra r ica en agua que puede ser reaprovechada para una separación por flama (Figura 1) [3]. El análisis de las unidades de operación para la absorción y para la destilación fue realizado utiliza ndo la teoría de absorción de gases y el método de diseño de Ponchon-Savarit. La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla gaseosa se pone en contacto con un líquido, a fin de disolver de manera selectiva uno o más componentes del gas y de obtener una solución de estos en el líquido. Generalmente estas 1
operaciones solo se utilizan para la recuperación o eliminación de soluto [4]. Una buena separación de solutos entre si exige técnicas de destilación fraccionada. La descripción del
SG
EL
diseño exacto de la columna de destilación en el proceso, fue realizada y detallada a partir de la teoría de entalpias en el equilibrio liquido-vapor, concepto fundamental para la realización del método de Ponchon-Savarit [5].
CPD
5
SD 1 CCD
SL
EG
3
7
6 SSD
2 ES
SA 4
SSR
Figura 1. Diagrama de proceso para obtención y purificación de amoniaco. Numeración: 1. Absorbedor, 2. Separador, 3. Torre de destilación, 4. Re boiler, 5.Condensador total, 6. Compresor, 7. Intercambiador de calor. Nomenclatura: EL. Entrada de líquido, EG. Entrada de gas, SL. Salida del líquido, SG. Salida del gas, ES. Entrada al separador, SSR. Salida del separador recuperada. SSD. Salida del separador al destilador, CPD. Corriente pre-tratada al destilador, CCD. Corriente combinada al destilador, SD. Salida del destilado, SA. Salida del agotamiento.
L2
2.- LISTA DE VARIABLES A USAR. 2.1 Para el abasorbedor.
X 1 x1 X 2 x2 Y 1 y1 Y 2 y2 L1
Fracción de absorción en la salida del líquido. Fracción mol del elemento a absorber en la salida del líquido. Fracción de absorción en la entrada del líquido. Fracción mol del elemento a absorber en la entrada del líquido. Fracción de absorción a la entrada del gas. Fracción mol del elemento a absorber a la entrada del gas. Fracción de absorción en la salida del gas. Fracción mol del elemento a absorber en la salida del gas. Flujo molar de líquido absorbente en la salida.
G1 G2 L s G s L s min X 1min A A D A T op Abs P op Abs P sat NH3 Abs Flux Aire
Flujo molar de líquido absorbente en la entrada. Flujo molar del gas a limpiar en la entrada. Flujo molar del gas limpio en la salida. Flujo molar de líquido que no toma lugar en la absorción Flujo molar del gas que no toma lugar en la limpieza. Flujo molar mínimo que no toma lugar en la absorción. Fracción de absorción mínima en la salida del líquido. Área de sección transversal del absorbedor. Diámetro del absorbedor. Temperatura de operación del absorbedor. Presión de operación del absorbedor Presión de saturación del amoniaco en el absorbedor. Velocidad másica con respecto al aire. 2
Flux H2O huA h A
Velocidad másica con respecto al agua. Altura de unidad de transferencia Altura de la columna de absorción.
2.2 Para la columna de destilación.
F F NH3 F H2O x NH3 F SD F NH3SD F H2OSD x NH3SD F SA F NH3SA F H2OSA x NH3SA L D L Dmin R D T OP D
Flujo másica total que entra en la columna de destilación. Flujo másica de amoniaco que entra en la columna de destilación. Flujo másica de agua que entra en la columna de destilación. Fracción másica de amoniaco a la entrada de la columna de destilación. Flujo másica total que sale en el destilado. Flujo másica de amoniaco que sale en el destilado. Flujo másica de agua que sale en el destilado. Fracción másica de amoniaco en la salida del destilado. Flujo másica total que sale en el agotamiento. Flujo másica de amoniaco que sale en el agotamiento. Flujo másica de agua que sale en el agotamiento. Fracción másica de amoniaco a la salida del agotamiento. Flujo de líquido de reflujo hacia la columna de destilación. Flujo mínimo de líquido de reflujo hacia la columna de destilación. Relación de reflujo de la columna de destilación. Temperatura de operación de la columna de destilación.
P OP D H F H SD H SA H G H L Q’ Q’’
Presión de operación de la columna de destilación. Entalpia de la corriente de entrada a la columna de destilación. Entalpia de la corriente de salida del destilado Entalpia de la corriente de salida del agotamiento Entalpia Gaseosa Entalpia Liquida Calor perdido en el condensador Calor perdido en el hervidor
2.3 Para el separador. WES Flujo másico total en la entrada del separador. W NH3ES Flujo másico de amoniaco en la entrada del separador. WH2OES Flujo másico del agua en la entrada del separador. w NH3ES Fracción másica de amoniaco en la entrada del separador. WSS-R Flujo másico total en la salida recuperada. W NH3SSFlujo másico de amoniaco en la salida recuperada. R WH2OSSFlujo másico de agua en la salida recuperada. R w NH3SS-R Fracción másica de amoniaco en la salida recuperada. WSS-D Flujo másico total que se combinara para la destilación. W NH3SSFlujo másico de amoniaco que se combinara para la destilación. D WH2OSSFlujo másico de agua que se combinara para la destilación. D w NH3SS-D Fracción másica de amoniaco en la combinación para la destilación.
3. METODOLOGIA 3.1. Absorbedor. En el cálculo del absrobedor se tienen las condiciones de operación descritas en la Tabla 1.
Tabla 1. Condiciones de operación conocidas del absorbedor. T op Abs P op Abs Flux Aire G 1 y 1 x 2 y 2 h ut
30°C 760 mmHg 1.15 Kg/m2 s 1.92x10-3 Kmol/s 0.05 Kmol NH3/Kmol total 0.0 Kmol NH3/Kmol total 4x10-4 Kmol NH3/Kmol total 35 cm
También se tiene la ecuación 1, que describe la relación entre la corriente liquida que no participa en la absorción y la corriente de líquido mínima que no participa en la absorción.
=1.4
(1)
El procedimiento para encontrar la fracción mínima de absorción a la salida del líquido consistió, en primer lugar, en trazar la curva de equilibrio para las fracciones de absorción X e Y, tomando en cuenta las ecuaciones 2 y 3.
= 1
(2)
3
= 1
Tabla 2. Datos de las constantes de Antoine para el amoniaco [6].
(3)
Se tomó en cuenta que las sustancias siguen un comportamiento descrito por la ley de Raoult (Raoult, 1882), la cual se describe por la ecuación 4, en términos de las variables correspondientes al proceso.
=
(4)
A B C
Al haber obtenido la presión de saturación del amoniaco a las condiciones de operación del absorbedor, y sustituir el valor obtenido en la ecuación 7 y a su vez sustituir lo obtenido en 7 a 6, la ecuación de la curva de equilibrio de las especies, quedo descrita por la ecuación 9.
Se realizó un manejo algebraico para despejar de 2 y 3 yeq y xeq respectivamente y las expresiones despejadas se sustituyeron en la ecuación 4 para obtener la ecuación 5.
(1 ) = (1 )
(5)
De la ecuación 5 se realizó una manipulación algebraica que permitiera despejar Y , arrojando como resultado la ecuación 6.
1 = 1 1
11.63 1 = 111.631
Se dieron valores a 9, para los cuales se cumpliera que las fracciones Y 1, Y 2 y X 2 estuvieran contempladas dentro del comportamiento. Se dieron 236 valores a X en un intervalo de 0 hasta 0.44, los resultados se observan de forma truncada en la Tabla 3. Utilizando los 236 datos obtenidos, se procedió a realizar la gráfica que describe la curva de equilibrio en el absorbedor (Figura 2).
Tabla 3. Datos de la construcción de la curva de equilibrio para el sistema de absorción. Dato
(7)
Para la descripción de la pendiente m de la recta obtenida, se obtuvo P sat NH3 Abs a partir de la ecuación de Antoine cuya forma despejada para la presión de saturación, está representada por la ecuación 8[6].
= 10
(9)
(6)
Donde:
=
7.55466 1002.711 247.885
− +
(8)
Donde los valores específicos de las constantes A, B y C para el amoniaco se muestran en la Tabla 2.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 …
234 235 236
X (Kmol NH3/Kmol H2O) 0 2x10-5 4x10-5 6x10-5 8x10-5 1x10-4 1.2x10-4 1.4x10-4 1.6x10-4 … 0.00436 0.00438 0.0044
Y (Kmol NH3/Kmol Aire) 0 2.33x10-4 4.65x10-4 6.98x10-4 9.31x10-4 1.16x10-3 1.4x10-3 1.63x10-3 1.86x10-3 … 0.0532 0.0534 0.0537
4
5.00E-02
) e r i A4.00E-02 l o m K 3.00E-02 / 3 H N l 2.00E-02 o m K ( 1.00E-02 Y
Curva de equilibrio
0.00E+00 0.00E+00
1.00E-03
2.00E-03
3.00E-03
4.00E-03
X (Kmol NH3/Kmol H2O)
Figura 2. Comportamiento de la curva de equilibrio X vs Y para la mezcla agua-amoniaco en el absorbedor. A partir de aquí se realizó el procedimiento grafico correspondiente para encontrar el valor de X 1min. Después se utilizó este valor para calcular L s min a partir de la ecuación 10.
=
3.2 Destilador. Se usó el método de Ponchon-Savarit [5], en la tabla 4 se especifican las condiciones de operación de la columna de destilación.
Condiciones de operación conocidas del destilador. 98°C T OP D 12.5 atm P op D 1500 kg/h F 20%p w NH 3 75 kcal/kg H F 3 L / D F SD Tabla 4.
(10)
Al encontrar la condición de flujo de líquido inmiscible mínima se realizó el cálculo para encontrar X1, utilizando una nueva ecuación, parecida a la ecuación 10, pero reemplazando L s min por Ls y X 1 min por X1, al terminar se relacionaron los puntos Y 2, X2 e Y1, X1, para el trazado de la curva de operación del absorbedor, para después realizar el trazado de los platos, según la teoría de absorción de gases [7]. Además de la forma gráfica para el cálculo de etapas, se utilizó la ecuación 11 para realizarlo de manera analítica y comparar ambos resultados.
1 1 1 ] log[ = log
Tabl a 5. Datos de Equilibrio
(11)
Para el entendimiento de 11 se tienen las ecuaciones 12, 13 y 14.
= . (12) (13) = = (14)
Se tiene conocimiento completo del sistema, ya que los detalles del proceso arrojan cuales son los datos de equilibrio liquido-vapor, así como las entalpias y sus composiciones en el líquido y el vapor, los mencionados primero están representados en la tabla 5 y los segundos en la tabla 6.
Liquido-Vapor. x y 0 0 0.04 0.236 0.08 0.424 0.1 0.504 0.15 0.664 0.2 0.778 0.24 0.842 0.3 0.905 0.34 0.932 0.38 0.952 0.42 0.965 0.46 0.976 0.5 0.983 0.6 0.993 0.7 0.997 5
0.8 0.9 1
0.999 0.999 1
Tabl a 6. Datos
de entalpias de las fases vapor y liquido con sus respectivas fracciones másicas. h (Kcal/kg) H (Kcal/kg) x, y 192.5 666 0 145.2 640 0.1 104.3 614 0.2 69 585 0.3 39 556 0.4 17.3 526 0.5 6.3 496 0.6 5.85 464 0.7 12.4 429 0.8 22.5 390 0.9 36.4 308 1 Se realiza la regresión polinomial de la entalpía para la fase liquida y fase vapor, dando como resultado las ecuaciones 15 y 16.
HS =1810.9 3714.3 2628.4 689.43 321.94 666.4 15 HSA =383 538.91321.94 194.68 16 3.2.1 Sección de enriquecimiento. Para empezar el método grafico se realizó el balance de materia teniendo en cuenta las siguientes ecuaciones. Los balances de materia total para toda la columna, son:
F = FS FSA
(17)
Y en este caso para el componente más volátil que es el amoniaco.
Para la obtención del reflujo mínimo se utiliza la siguiente ecuación con las condiciones dadas del problema
LD=3FS
20
Aplicando esta ecuación para el plato superior en la columna se obtiene la relación de reflujo:
R = FLDS = HQGHHGO 21 De la ecuación 21 se obtiene el valor de Q’. Sea Q’ el calor eliminado en el condensador y el destilado eliminado permanente, por mol de destilado. Entonces:
= 22
Despejando para el valor de Q C se obtiene el calor perdido en el condensador. 3.2.2 Sección de agotamiento. Se realiza el balance de materia, teniendo en cuenta el balance que se realizó en la zona de Enriquecimiento Para el producto de fondo se obtendrá el 97% de agua de alimentación, por lo tanto:
FOSA =0.97FO 23 Obtenido la cantidad en la sección de fondo de H2O, se obtiene la cantidad de Agua en el producto destilado:
FOS = F FOSA 24 Un balance de energía global con pérdida de calor despreciable es:
= ′′′
(25)
De esta ecuación se obtuvo Q’’
= (18)
A partir de la ecuación (26) se encuentra el valor de QB (calor despreciado en el hervidor):
Se plantea que el 95% del NH 3 de la alimentación se obtendrá de producto de destilado, por lo tanto:
= 26
FNS =0.95FN 19 Donde se sustituye la ecuación 18 despejada para la corriente del destilado en la ecuación 17 para obtener la corriente del líquido.
Localizando los puntos (Q’’, x NH3SA ), (Q’, x NH3SD ) y (HF, x NH3 ) en el gráfico, que indican la división entre la zona de agotamiento y la zona de enriquecimiento, a partir de aquí se realiza el procedimiento grafico que corresponde al cálculo del número teórico de platos.
6
3.3 Separador. El procedimiento para el análisis del separador consistió solamente en un balance de materia para que en la salida que va a ser destilada se tuviera la relación dada por la ecuación 27.
− =
figura 3. Los resultados del absorbedor se complementan finalmente con la presentación de la tabla 8, donde se muestran características de operación y geométricas de la columna. Tabla 7. Descripción de los flujos y composiciones
(27)
del absorbedor. 0.03076 Kmol/s 0.03085 Kmol/s -3 1.825x10 Kmol/s 1.92x10-3 Kmol/s 0.03076 Kmol/s -3 1.824x10 Kmol/s 1.15 Kg/m2 s 12.08 Kg/m2 s 4.002x10-4 Kmol NH 3 /Kmol Aire 0.05 Kmol NH 3 /Kmol Aire 0.0 Kmol NH 3 /Kmol H 2O -3 2.8x10 Kmol NH 3 /Kmol H 2O
L 2 L 1 G 2 G 1 L s G s Flux Aire Flux H2O Y 2 Y 1 X 2 X 1
4. RESULTADOS. Se obtuvieron todas las caracterizaciones cuantitativas de las corrientes que componen el sistema de recuperación así como características de dimensiones y etapas para los equipos de absorción y destilación. Empezando por los resultados de los balances de materia, la tabla 7 representa la descripción completa de las corrientes de entrada y salida del absorbedor. Los resultados del número de platos, obtenidos de forma gráfica pueden verse en la
5.50E-02 5.00E-02 4.50E-02
) 4.00E-02 e r i A l 3.50E-02 o m K / 3.00E-02 3 H N2.50E-02 l o m2.00E-02 K ( Y1.50E-02
Curva de equilibrio.
1.00E-02 5.00E-03
Curva de operación del absorbedor.
0.00E+00
0.00E+00
1.00E-03
2.00E-03
3.00E-03
4.00E-03
X (Kmol NH3/Kmol H2O)
Figura 3. Método grafico del cálculo de platos en la columna de absorción. Tabla 8. AA D A h A NP P
sat NH3 Abs
Características de la torre de absorción. 0.05 m 0.24 m 3.5 m 10.43 8836.8 mmHg
7
Los resultados del balance de materia en el separador se presentan en la tabla 9, utilizando las nomenclaturas aportadas en el punto 2 del presente artículo. Tabla 9. Composiciones y flujos del separador. 1998.5 Kg/h W ES 5.27 Kg/h W N H3ES 1993.23 Kg/h W H 2OES 2.637x10-3 Kg NH3/Kg Total w N H3ES 1972.15 Kg/h W SS-R 0.00 Kg/h W NH3SS-R 1972.15 Kg/h W H2O SS-R 0.00 Kg NH3/Kg Total w NH3SS-R 26.35 Kg/h W SS-D 5.27 Kg/h W NH3SS-D 21.08 Kg/h W H2OSS-D 0.2 Kg NH3/Kg Total w NH3SS-D
Para la destilación los resultados del balance de materia se muestran en la tabla 10. Tabl a 10. F F NH 3 F H2O x NH 3 F SD
Composiciones y flujos en destilador. 1526.35 Kg/h 305.27 Kg/h 1221.08 Kg/h 0.20 Kg NH3/Kg Total 326.64 Kg/h
290.01 36.63 0.89 1199.71 15.26 118.45 0.01
F NH 3SD F H2OSD x N H32D F SA F NH 3SA F H2OSA x N H32D
Kg/h Kg/h Kg NH3/Kg Total Kg/h Kg/h Kg/h Kg NH3/Kg Total
Las composiciones obtenidas en cada plato se muestran en la tabla 11. Tabl a 11. Composiciones de cada
plato en destilador. Plato 1 2 3 4
x
y
0.28 0.09 0.03 0.009
0.89 0.48 0.19 0.05
En la figura 4 se resumen los resultados obtenidos de composición en cada plato. Finalmente, la figura 5 muestra el trazado de las etapas de intercambio en la torre de destilación, vistas desde la gráfica de entalpia vs composición. Para lo cual se observa que se obtienen 4 etapas de intercambio totales.
1.00000 0.90000 0.80000 0.70000 0.60000
y , 0.50000 x
x
0.40000
y
0.30000 0.20000 0.10000 0.00000 1
2
3
4
Número de plato
Figura 4. Grafica de comportamiento de la composición vs Numero de plato.
8
1600.0 1400.0 1200.0 1000.0
) g k / l 800.0 a c k ( 600.0 a í p l a 400.0 t n E
Platos teoricos Linea de Operación Entalpía(kcal/kg)
200.0 0.0 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-200.0 -400.0
x,y
Figura 5. Trazado de los platos por el método de Ponchon-Savarit para la columna de destilación. 5. CONCLUSIONES. El uso de las ecuaciones de descripción, otorgadas por la teoría de absorción de gases, es una forma bastante adecuada de dar una visión detallada de como modelar unidades de absorción a partir de balances de materia sencillos y rápidos. La utilización de métodos clásicos como el método de Ponchon-Savarit además de ser aproximado y/o limitado puede ayudarnos a mejorar el entendimiento de las operaciones de separación. Aunque este no sea un método simplificado no hace falta explicarlo de forma simplificada. Con este método se puede obtener el número óptimo de platos, determinar algunas situaciones especiales como lo son: reflujo mínimo, alimentaciones en ubicaciones que no son adecuadas, ubicar la necesidad de condensadores o calderas.
[4]. Treybal, R. (1981). Mass-Transfer Operations. Singapur: McGraw-Hill, pp. 275-276. [5]. Treybal, R. (1981). Mass-Transfer Operations. Singapur: McGraw-Hill, pp. 374-386. [6]. Felder, R., Rousseau, R. (2013). Principios elementales de los procesos químicos. México: Limusa Wiley, pp. 644. [7]. Ibarz, A., Barbosa, G. (2002). Unit Operations in Food Engineering . New York: CRC, pp. 723-755.
6. REFERENCIAS.
[1]. Estrada, H. (2007). Presencia de amoniaco en el aire. Octubre 10, 2015, de Diccionario Enciclopédico Hispano-Americano. Sitio web: http://enciclopedia.escolar.com/EnciclopediaAntigua/ presencia-de-amoniaco-en-el-aire/ [2]. Cofrico. (2010, Octubre 27). Refrigeración con amoniaco. Grupo Cofrico, 36, pp. 22-27. [3]. Hernández, M. (2011). Funcionamiento del ciclo de absorción y destilación de amoniaco. Octubre 10, 2015, de ABSORSISTEM Sitio web: http://www.absorsistem.com/tecnologia/absorcion/fu ncionamiento-del-ciclo-de-absorcion-con-solucionde-amoniaco-y-agua-llama-directa-de-gas
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