ACTIVIDAD 2 “OPERACI “OPERACIONES ONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” DESORCIÓN)” UNIVERSIDAD ABIERTA Y A DISTANCIA DE MÉXICO
ASIGNATURA
OPERACIONES UNITARIAS I
UNIDAD 3
ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)”
ALUMNO
JUAN JESÚS LÓPEZ ROSAS
DOCENTE EN LÍNEA
JAIME ALONSO GONZÁLEZ ALTAMIRANO
FECHA DE ELABORACIÓN DEL TRABAJO
26 DE FEBRERO DEL 2018
CARRERA
INGENIERO EN BIOTECNOLOGÍA
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ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” INSTRUCCIONES: Revisa el texto de Geankoplis (Capítulo 10, apartado 10.6 – B) y completa la siguiente tabla: TIPO DE EQUIPO PARA ABSORCIÓN: Plato perforado.
Plato de válvulas.
CARACTERÍSTICAS:
DIAGRAMA (REPRESENTACIÓN DEL EQUIPO):
El tipo más común de dispositivo de contacto es el de platos perforados. En la absorción de gas y en la destilación se utiliza esencialmente el mismo tipo de plato perforado. En éste, el vapor burbujea hacia arriba por los hoyos sencillos del plato a través del líquido que fluye. Los hoyos tienen tamaños que fluctúan entre los 3 y los 12 mm de diámetro, siendo 5 mm el grosor más común. El área de vapor de los hoyos varía, constituyendo entre 5 y 15% del área del plato. El líquido se mantiene sobre la superficie del plato y no puede fluir de nuevo hacia abajo por los hoyos, porque se lo impide la energía cinética del gas o vapor. La profundidad del líquido sobre el plato se mantiene por medio de un vertedero de salida con sobreflujo. El líquido de sobreflujo fluye por la canilla inferior hacia el siguiente plato, inferior. Una modificación del plato perforado es el plato de válvula. Éste consiste en aberturas en el plato y una cubierta de válvulas con movimiento vertical con guías para mantener la cubierta conectamente posicionada sobre la abertura. Esto proporciona un área abierta variable, la cual debe su variabilidad al flujo de vapor que inhibe la fuga del líquido por la apertura a velocidades bajas de vapor. Por tanto, este tipo de plato opera a un intervalo mayor de velocidad de flujo que el plato perforado, con un costo sólo 20% mayor que el del plato perforado. En la actualidad, el plato de válvulas se utiliza cada vez más (S5).
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ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” Platos de capuchones.
Los platos de capuchones se han empleado durante más de 100 años, pero desde 1950 generalmente se les reemplaza por platos perforados o de válvula, ya que su costo es casi el doble que el de los platos perforados. En el plato de capuchones, el vapor o gas se eleva a través de las aberturas del plato hacia el interior de los capuchones.
Después, el gas fluye por las ranuras de la periferia de cada tapa y las burbujas fluyen hacia arriba por el líquido que fluye. Los detalles y los procedimientos de diseño de muchos de éstos y otros tipos de platos se dan en otras obras (B2, P2, TI). Torres empacadas Las torres empacadas se han vuelto para absorción y más competitivas respecto de las destilación. torres de platos convencionales, sobre todo, a la modernización de las mismas cuando se requiere aumento de capacidad y/o de eficiencia (K1, L2). Las delgadas hojas corrugadas de metal están formadas en un corte transversal triangular. El flujo de vapor asciende a través de los canales triangulares que están orientados en un ángulo de 45° respecto de la vertical. Las hojas están ordenadas para que el líquido fluya hacia abajo en sentido opuesto y se esparza sobre las superficies, como en una torre de paredes humectadas. Las hojas corrugadas se ensamblan en un elemento cuya altura E, mide entre 20 y 30 cm (entre 8 y 12 pulgadas). Una altura menor tiende a aumentar la diseminación de líquido y vapor en el plano horizontal. Cada elemento adyacente se encuentra girado perpendicularmente en el plano horizontal respecto de la capa inferior, de manera que el líquido y el vapor se esparzan uniformemente en todos los planos radiales. Por lo
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ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” general, el tamaño del triángulo se ubica en los siguientes rangos: Para B, 2.4 - 4.0 cm, para S, 1.7 - 2.6 cm y para h, 1.2 - 1.8 cm (K1). Los triángulos de tamaño más pequeño implican la presencia de mayor número de hojas, permitiendo un área superficial más grande. Esto da como resultado una mayor eficiencia, pero con aberturas más pequeñas. Sin embargo, el aumento de resistencia al flujo de gas da una capacidad inferior y una sensibilidad más alta al taponamiento (K1). La fracción de vacío abierto varía típicamente de 0.91 a 0.96 y el área superficial específica de 165 a 330 m2 /m3 volumen (50 a 100 pie2 /pie3). En muchos casos, la hoja de empaque contiene aberturas o intersticios de aproximadamente 2 4 mm de DI a distancia de 0.5 - 1.5 cm entre sí, para ayudar a humectar tanto el lado superior como el inferior de la hoja. Torres empacadas Las torres empacadas se usan para para absorción y el contacto continuo a destilación. contracorriente de un gas y un líquido en la absorción y también para el contacto de un vapor y un líquido en la destilación. La torre de la figura 10.6 - 3 consiste en una columna cilíndrica que contiene una entrada de gas y un espacio de distribución en el fondo, una entrada de líquido y un dispositivo de distribución en la parte superior, una salida de gas en la parte superior, una salida de líquido en el fondo y el empaque o relleno de la torre. El gas entra en el espacio de distribución que está debajo de la sección empacada y se va elevando a través de las aberturas o intersticios del relleno, así se pone en contacto con el líquido descendente que fluye a través de las mismas aberturas. El empaque proporciona una extensa
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ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” área de contacto íntimo entre el gas y el líquido. Tipos de empaque Se han desarrollado muchos tipos aleatorio para diferentes de rellenos para torres y absorción y hoy en día existen varias clases destilación. comunes. En la figura 10.6 - 4 se muestran los tipos de empaque más usuales, que simplemente se introducen en la torre sin ningún orden. Estos empaques y otros rellenos comunes se pueden obtener comercialmente en tamaños de 3 mm hasta unos 75 mm. La mayoría de los empaques para torres están construidos con materiales inertes y económicos tales como arcilla, porcelana, metal o plástico. La característica de un buen empaque es la de tener una gran proporción de espacios vacíos entre el orden de 60 y el 90%. El relleno permite que volúmenes relativamente grandes del líquido pasen a contracorriente con respecto al gas que fluye a través de las aberturas, con caídas de presión del gas relativamente bajas. En los procesos de separación vapor - líquido de la destilación se utilizan estos mismos tipos de empaques. Los anillos de cerámica Raschig y las sillas Berl, son tipos de empaques aleatorios más antiguos y ya casi no se emplean en la actualidad (Kl). Los anillos Pall (empaque de segunda generación) están hechos de plástico o metal, son mucho más eficientes, y siguen en uso hoy en día. Tienen porosidades o espacios vacíos de 0.90 - 0.96 y áreas de 100 - 200 m2 /m3 (30 - 60 pie2 /pie3). Los empaques más modernos, o de tercera generación, son los de metal tipo Intalox, el cual es una combinación de sillas Berl y anillos Pall y el metal TriPack, que es un anillo Pall de forma esférica. Su porosidad es de 0.95 a 0.98. Se dispone de muchos otros tipos de
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ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” empaque. Los empaques de tercera generación son sólo un poco más eficientes que los anillos Pall. También se utilizan empaques apilados de 75 mm o mayores. El empaque se apila verticalmente mediante canales abiertos que corren de manera ininterrumpida por el lecho. La ventaja que representa la disminución en la caída de presión del gas, se compensa en parte por un contacto menos eficiente entre gas y líquido en los empaques apilados. Los empaques apilados típicos son las rejillas de madera, las rejillas de puntos de goteo y los anillos de partición en espiral, etc. Resuelve los siguientes ejercicios: Obtén la constante de Henry para los siguientes casos: A) C2H6 a 35°C: Tenemos lo siguiente: Ley de Henry: P i = Hxi. Despejamos H: H = Pi/Xi. Xi = 0.0003825. Interpolamos para obtener el valor de P i: Yx = Y0 + x – x0/x1 – x0 (y1 – y0). T:
Pa:
30°C
3.42 mmHg
40°C
4.23 mmHg
P35°C = 3.42 + 35 – 30/40 – 30 (4.23 – 3.42) = 0.842 mmHg. Sustituimos valores para obtener H: H = 0.842/0.0003825 = 2201.30 mmHg. R= 2201.30 mmHg. B) SO2 a 25°C: Tenemos lo siguiente: Ley de Henry: P i = Hxi. Despejamos H: H = Pi/Xi.
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ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” Xi = 0.0001403. Interpolamos para obtener el valor de P i: Yx = Y0 + x – x0/x1 – x0 (y1 – y0). T:
Pa:
20°C
1.2 mmHg
30°C
1.7 mmHg
P25°C = 1.2 + 25 – 20/30 – 20 (1.7 – 1.2) = 0.62 mmHg. Sustituimos valores para obtener H: H = 0.62/0.0001403 = 4419.10 mmHg. R= 4419.10 mmHg. C) O2 a 60°C: Tenemos lo siguiente: Ley de Henry: P i = Hxi. Despejamos H: H = Pi/Xi. Xi = 0.000629. Interpolamos para obtener el valor de P i: Yx = Y0 + x – x0/x1 – x0 (y1 – y0). T:
Pa:
50°C
6.29 bar
80°C
6.87 bar
P60°C = 6.29 + 60 – 50/80 – 50 (6.8 – 6.29) = 0.543 bar. Sustituimos valores para obtener H: H = 0.543/0.000629 = 863.27 bar. R= 863.27 bar. Un gas soluble se absorbe en agua utilizando una torre empacada. La relación de equilibrio puede tomarse como y e = 0.06xe. Las condiciones terminales son las siguientes: PARTE SUPERIOR:
PARTE INFERIOR:
X
0
0.08
Y
0.001
0.009
SI HX = 0.24 M Y H Y = 0.36 M, ¿CUÁL SERÁ LA ALTURA DE LA SECCIÓN EMPACADA?
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ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” R= Tanto el equilibrio como las líneas operativas son funciones lineales de X e Y, puesto que el gas esta diluido, la ecuación 18.28 se convierte en: Hoy = Hy + Mgm/LM Hx = Hy + (mV/L) Hx. Usamos la ecuación 18.19 para las condiciones del problema. Ya * = 0 yb * = 0.06 * 0.08 = 0.0048. Ya = 0.001 yb = 0.009. Por un balance de materia, tenemos lo siguiente: V(0.009 – 0.001) = L (0.08 – 0). V/L = 0.08/0.008 = 10. mV/L = 0.06 * 10 = 0.6. ∆yL = (0.009 – 0.0048) – (0.001 – 0)/Ln 0.009 – 0.0048/0.001 = 0.00223 N oy = 0.009 – 0.001/0.00223 = 3.59. De la ecuación 18.28, tenemos lo siguiente: Hoy = 0.36 + (0.6 * 0.24) = 0.504 m. La altura de empaque: Z t: 3.59 * 0.504 = 1.81 m. R= 1.81 m. Una corriente de vapor que contiene 3.0% mol de benceno se va a purificar mediante lavado con aceite en un absorbedor empacado con el fin de reducir la concentración de benceno en el gas a 0.02%. El aceite tiene un peso molecular promedio de 250, una densidad de 54.6 lb/ft3 y contiene 0.015% de benceno. El flujo de gas es de 1500 ft3/min a 25°C y 1 atm. A) SI EL SISTEMA OPERA ISOTÉRMICAMENTE A 25°C CON FLUJO DE LÍQUIDO DE 14000 LB/H ¿CUÁNTAS UNIDADES DE TRANSFERENCIA SE REQUIEREN? R= La información para el benceno es tomada del manual Perry 6ta Ed. P 3 – 50. Para presión de vapor y p. 3 – 125 H. T, °C:
P’MMHG:
15.4
60
26.1
100
42.2
200
Hv = 103.57 cal/g * 78.11 * 1.8 = 14.560 BTU/Ib mol. Por interpolación, a 25°C, P’ = 95 mm Hg.
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ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” Asumiendo soluciones ideales, P = P’X. Para la operación a 25°C, y* = p/760x = 0.125x.
Entrada de aceite: 14,000 Ib/h. Despreciando la pequeña cantidad de benceno en la alimentación de aceite. La = 14,000/250 = 56 Ib mol/h. Xa = 14,000 * 0.00015/78.11 * 56 = 4.80 * 10 -4 LaXa = 0.0269 Ibmol/h. Vb = (1500 * 273)/(359 * 298) = 3.828 mol/min o 229.7 Ibmol/h. Vbyb = 229.7 * 0.03 = 6.891 Ibmol/h. Si n mol/h son absorbidos, entonces tenemos que: 6.891 – n = 0.0002 (229.7 – n). N = 6.846 Ibmol/h o 534.7 Ib/h. Va = 229.7 – 6.846 = 222.85. La/Va = 56/222.85 = 0.251. Xb = (LaXa + n)/Lb = (0.0269 + 6.846)/(56 + 6.846) = 0.1094. Yb* = 0.125 * 0.1094 = 0.0137. Yb – yb* = 0.03 – 0.0137 = 0.0163. Ya* = 0.125 x 4.80 * 10-4 = 6* 10-5. Ya – ya* = 2 * 10-4 – 6 * 10-5 = 1.4 * 10 -4. ∆yL = 0.0163 – 1.4 * 10-4/In (0.0163/1.4 * 10 -4) = 3.40 * 10 -3. Usamos la ecuación (18.9) ya que para estas concentraciones bajas el funcionamiento de la línea sería casi recta.
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ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” Noy = (0.03 – (2 * 10-4)/(3.40 * 10-3) = 8.76. R= 8.76. B) ¿CUÁNTAS UNIDADES DE TRANSFERENCIA SE NECESITARÍAN SI OPERASE ADIABÁTICAMENTE? R= Para la operación adiabática, estimar el incremento de la temperatura del líquido, es decir, el benceno absorbido: 6.846 Ibmol/h. Calor liberado: 6.846 * 14560 = 99678 BTU/h. Para estimar la capacidad de calor del aceite, utilice la información del apéndice 15ª 80°F. DECANO:
CP = 0.43:
Diphenyl
Cp = 0.40
Nafteleno
Cp = 0.38
Sumamos Cp = 0.4 BTU/h - °F para el aceite absorbente. Si la corriente de gas se escapa a 25°C y ninguno de los solventes se evapora, todo el calor de absorción es usado para calentar el líquido. Incremento de temperatura = 99678/(14000 + 534.7) * 0.4 = 17.1°F o 9.5°C. Tsalida = 25 + 9.5 = 34.5°C P’ = 142 mmHg. Yb* = (142 * 0.1094)/760 = 0.0204. Yb – yb* = 0.03 – 0.0204 = 0.0096. Cuando la mitad del benceno es absorbido dentro del líquido (m = punto medio). Xm = [(6.846/2) + 0.0269]/[56 + (6.846/2)] = 0.0581. Asumimos T = 25 + (9.5/2) = 29.75°C. P’ = 117 mmHg. Ym* (117 * 0.0581)/760 = 0.00894. Ym = [6.891 – (6.846/2)]/[229.7 – (6.846/2)] = 0.0153. Ym – ym* = 0.0153 – 0.00894 = 0.00636. Dividimos la columna dentro de 2 partes y utilizamos la Eq. (18.19) para cada parte. En el tope: ∆y = 0.00014. En el punto medio: ∆y = 0.00636. ∆y1 = 0.00163.
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ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” Parte del tope = N oy = 0.0153 – 0.0002/0.00163 = 9.26. En el punto medio = Y = 0.00636. En el fondo = Y = 0.00960. ∆yL = 0.00787. Fondo: Noy = 0.03 – 0.0153/0.00787 = 1.87. Total Noy = 9.26 + 1.87 = 11.13. Nota: Si únicamente la terminal de las fuerzas motrices fueran utilizadas, es decir, ∆yL = 0.00224 y N oy = 0.03 – 0.0002/0.00224 = 13.3. R= Esta es demasiado alta debido a la curvatura de la línea de equilibrio. C) ¿CUÁL SERÍA EL PRINCIPAL EFECTO DE OPERAR CON UN ACEITE DE MENOR PESO MOLECULAR, TAL COMO M = 200? R= Si un aceite de peso molecular más bajo fuese utilizado, X b sería más bajo para el mismo caudal másico y Noy sería más pequeño. Si el mismo X b fuese deseado, menos aceite sería utilizado. No obstante, el aceite con menos peso molecular, tendría una presión de vapor más alta y más aceite se perdería como vapor en el absorbedor y en la columna de extracción. En el diseño de una torre de absorción, la selección del empaque tiene efectos que es necesario considerar. SI A UNA COLUMNA EMPACADA CON MONTURAS BERL DE 1IN ES REEMPACADA CON ANILLOS METÁLICOS PALL ¿CUÁLES SERÁN LOS PRINCIPALES CAMBIOS EN LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN? R= Los anillos tipo Pall son cilindros con paredes ranuradas y costillas internas, siendo el diámetro y la altura iguales. Estas aberturas y superficies interiores eliminan el efecto de otros rellenos que impiden performances satisfactorias en las columnas, proporcionando un excelente contacto y redistribución de gases y líquidos contra todas las superficies internas y externas. Proveen un área máxima de transferencias de masas y el espacio libre, un significativo incremento en la capacidad comparado con cargas convencionales. El diseño de pared abierta del anillo, mantiene la distribución inicial y permite a ambas áreas, interior y exterior del anillo, ser activas en el proceso de contacto. Los anillos mantienen el patrón de flujo líquido y gaseoso uniforme. Los requerimientos de redistribución son mucho menos exigentes que para otros rellenos. La frecuencia de redistribución depende del tamaño del relleno, régimen líquido, diámetro de la columna, etc. pero generalmente no resulta económico distribuir más que cada 3 metros. Por lo general dan resultados satisfactorios en camas de profundidad de 5 y 6 metros siendo este último valor un límite prácti co máximo.
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ACTIVIDAD 2 “OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE MASA (ABSORCIÓN Y DESORCIÓN)” FUENTES CONSULTADAS DE ACUERDO AL FORMATO APA: De acuerdo con la plataforma. (2018) instrucciones para realizar la actividad 2 operaciones unitarias de transferencia de masa (absorción y desorción) https://unadmexico.blackboard.com/webapps/blackboard/execute/announcement?method =search&context=mybb&course_id=_46884_1&viewChoice=3 De acuerdo con la plataforma. (2018) unidad 3. Operaciones unitarias de transferencia de masa https://unadmexico.blackboard.com/bbcswebdav/institution/DCSBA/Bloque%201/BT/05/B OU1/U3/Unidad3.Operacionesunitariasdetransferenciademasa.pdf De acuerdo con Geankoplis Christie. (2018) procesos de transpor te y principios de procesos de separación (incluye operaciones unitarias) https://unadmexmy.sharepoint.com/personal/jaime_glezalt_nube_unadmexico_mx/_layouts/15/onedrive.as px?id=%2Fpersonal%2Fjaime_glezalt_nube_unadmexico_mx%2FDocuments%2FOperaci ones%20Unitarias%20I%2FGEANKOPLIS%20Procesos%20de%20Transporte%20y%20 Principios%20de%20Procesos%20de%20Separaci%C3%B3n%20%204ed%20%283%29%2Epdf&parent=%2Fpersonal%2Fjaime_glezalt_nube_unadmexic o_mx%2FDocuments%2FOperaciones%20Unitarias%20I&slrid=aed54d9e-80c0-50001151-c6ac0514acb3 De acuerdo con Uson. Mx. (2018) VI. Teoría de absorción de gases http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/4324/Capitulo6.pdf De acuerdo con Cabe Warren, Smith Julián y Harriott Peter. (2018) operaciones unitarias en ingeniería química https://ingenieriapetroquimicaunefazulia.files.wordpress.com/2011/05/operacionesunitarias-a.pdf De acuerdo con Cabe Mc. (2018) capítulo 18 absorción de gases https://es.scribd.com/document/167340491/Absorcion-Capitulo-18-McCabe De acuerdo con Perry Robert. (2018) manual del ingeniero químico| 6ta edición https://todotutoriales.com.ve/manual-del-ingeniero-quimico-6ta-edicion-perry-robert-gratispdf/ De acuerdo con Altamirano Jaime. (2018) ejercicios de ley de Henry https://www.youtube.com/watch?v=iubsQ0GFwq4 De acuerdo con Scribd. (2018) constantes de Henry https://es.scribd.com/document/91463739/Constantes-de-Henry
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