Universidad de Concepción Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química
PROYECTO I
CDE Columnas de Intercambio Intercambio iónico.
Nombres: Elizabeth Chávez Paula Gallardo Profesores: Ramón Anabalón Carlos Tippmann Fecha solicitada: 20/09/17 Concepción, 20 septiembre de 2017
Diseño preliminar de Columnas d e Intercambio Iónico
Se hará el diseño y dimensionamiento de las columnas de intercambio iónico utilizadas en el proceso de desmineralización del agua abastecida a la planta. 1) Datos necesarios :
Cantidad de agua a tratar:
Se abastece a la planta un flujo de 110 m 3/h de agua de pozo. El tiempo de operación de cada ciclo será de 24 horas. Por lo tanto, se tratará un volumen de agua de 2640 m 3.
Calidad del agua de entrada:
La concentración de los iones presentes en el agua de entrada, luego de la filtración, se detallan en la siguiente tabla: Cationes
[ ] en meq/L
+ ++ ++ Total cationes
0.215 0.45 0.415 1.08
Aniones
− −− − − Total aniones
[ ] en meq/L 0.348 0.105 0.320 0.357 1.13
Tabla 1. Calidad del agua de entrada (Corbin Consulting, 2017)
Hojas de especificación de resinas a utilizar:
Los tipos de resinas a utilizar se eligen de acuerdo a las necesidades del proceso. En este caso se escogieron resinas catiónicas y aniónicas distribuidas por la empresa Rohm and Haas:
Resina aniónica Amberjet 4200 Cl:
Resina de intercambio de aniones de tipo base fuerte, de alta calidad, de tamaño de partícula uniforme, diseñada para uso en sistemas de desmineralización en general.
Fig.1: Hoja de especificación resina Amberjet 4200 Cl
Resina catiónica Amberjet 1200-H-L:
Resina de intercambio de cationes de tipo ácido fuerte, de alta calidad, de tamaño de partícula uniforme, diseñada para su uso en todos los sistemas generales de desmineralización.
Fig.2: Hoja de especificación resina Amberjet 1200-H-L
2) Estimació n de la cantidad de resina necesaria:
Para comenzar el diseño de las columnas iónicas es preciso calcular el volumen de resina correspondiente y posteriormente dimensionar.
Columna aniónica:
-
Cálculo de carga aniónica (CA):
La carga aniónica (CA) será la suma de todas las especies aniónicas anteriormente mencionadas.
=1.13 Se tomará como tiempo de duración de cada ciclo de operación (tc) 24 horas. Un ciclo de mayor duración precisara mayor cantidad de resina, columna de mayor diámetro, suponiendo esto una disminución de la velocidad lineal del líquido debajo los valores recomendados por el fabricante de resina (Carillo, 2007). -
Oferta iónica (OI)
A partir de los datos anteriores se puede obtener la oferta iónica como:
-
ℎ =2983.2 =∙∙=110000ℎ ∙1.1310−∙24 Capacidad operativa ( ):
La capacidad operativa depende del regenerante usado, en el caso de la resina aniónica, hablamos de NaOH al 2-5% en peso; del sistema de regeneración, en contracorriente en nuestra planta; y por último de la cantidad de regenerante por litro de resina utilizado, que según los datos del fabricante está entre 40-100 g/L (González, 2012). Según el fabricante de resina la capacidad operativa mínima es de 1.3 se escogerá una capacidad operativa de:
=1.5
. Luego,
-
Volumen de resina ( ):
Con los datos de la oferta iónica y de la capacidad operativa, se puede obtener el volumen necesario de resina aniónica:
= = 2983.2 = 1988.8 1.5
Por motivos de seguridad se escoge un coeficiente de seguridad del 10%. Para obtener el volumen exacto de resina aniónica, se debe saber que la resina la distribuye el fabricante en sacos de 25 litros, por lo que se redondea el valor necesario del volumen.
=1988.8 ∙1.1=2187.7 → 2200 -
Capacidad instalada (
:
La capacidad instalada está dada por el volumen de resina y la capacidad operativa.
= ∙ =2200 ∙1.5=3300
Columna catiónica
A partir de los datos anteriores se obtiene la oferta iónica (OI):
ℎ )=2851,2 =∙∙ =0,00108 ∙110000(ℎ)∙24( -
Capacidad operativa: depende del regenerante usado, en este caso del H2SO4 al 8% en peso.
-
=1,8
Volumen de resina: Con los datos de la OI y de la capacidad operativa, se puede obtener el volumen necesario de resina (V R):
/ =1584 = = 2851,2 1,8 /
Para asegurarse del dato calculado, se toma un margen de seguridad del 10%:
10%=1584 ∙1,1=1742,4 Además, se sabe que el fabricante entrega la resina en sacos de 25 L, por lo que, el valor anterior se redondea. Y de esta forma, el volumen de resina es:
=1750 =1,75 -
Capacidad instalada: viene determinada por el volumen de resina y la capacidad de operativa.
= ∙ =1750 ∙1,8=3150 / 3) Estimación de las dimensiones de las columnas de intercambio .
Para el diseño de procesos de intercambio iónico es más importante tener en cuenta la altura del lecho que su diámetro, puesto que los efectos hidráulicos y la eficiencia de intercambio están asociada a la profundidad del lecho. A alturas elevadas existen perdidas de eficiencia hidráulicas por la resistencia al flujo y las pérdidas de cargas asociadas (Rigola, 1990). Por esta razón, el fabricante recomienda el rango de esbeltez del lecho (H/D) y la altura mínima del lecho de resina para que opere eficientemente.
Columna aniónica
A continuación, se realizarán los cálculos necesarios para poder dimensionar la columna de intercambio aniónico. -
Diámetro de la columna (
):
Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, se selecciona mediante ensayo y error el diámetro de la columna, de tal manera que la relación de esbeltez (H/D) esté dentro del rango que recomienda el fabricante:
= 1.6
-
Área de paso de la columna (A):
El área de paso de la columna está dada por:
1.6 = 4 = 4 = 2.01 -
ℎ
Altura del lecho ( ):
La altura del lecho tiene que estar dentro de las recomendaciones del fabricante.
2.2 ℎ = = 2.01 = 1.09 > 0.8 m -
Expansión máxima (
):
Por indicaciones del fabricante, la expansión máxima por hinchazón de la resina es del 20%.
= ℎ ∙ 20% = 1.09 ∙ 20% = 0.22 -
Altura del lecho expandido (
ℎ ):
ℎ = ℎ = 1.31 -
Volumen de resina inerte ( ):
Por recomendaciones del fabricante, el volumen de resina inerte será de 0.6 m (600 L). -
-
ℎ 0.6 ℎ = = 2.01 = 0.3 Altura de la zona libre (freeboard)( ℎ ): Altura de la resina inerte ( ):
Para la altura de la zona libre se recomienda un valor de 42 mm (0.042 m).
3
-
ℎ
Altura cilíndrica de la columna ( ):
La altura cilíndrica será la suma de las alturas anteriormente calculadas.
ℎ = ℎ ℎ ℎ = 1.65 -
Velocidad de flujo (v):
110 ℎ = = 2.01 =54.74 /ℎ La velocidad de flujo es aceptable, pues se recomienda por el fabricante un máximo de 60 m/h. -
Volumen del lecho (bed volumen) (BV):
Es el volumen que ocupa los dos tipos de resinas dentro de la columna, la catiónica y la inerte. Se calcula como:
=ℎ ℎ ∙ = 1.31 0.3 ∙2.01 = 3.24 -
Relación altura/ diámetro (esbeltez) (H/D):
Es el cociente de la altura cilíndrica y el diámetro, que según recomendaciones del fabricante, debe estar comprendido su valor entre 2/3 y 3/2.
= ℎ = 1.65 =1.03 1.6 La relación altura/diámetro está en el rango recomendado por el fabricante, por lo tanto, el diámetro escogido es óptimo.
A continuación, se entrega una tabla resumen con todos los datos dimensionales de la columna de intercambio aniónico. Dimensionamiento d e la columna aniónica
Diámetro de la columna (m) rea de paso (m2) Altura del lecho (m) Expansión máx (20%) Altura del lecho expandido (m) Volumen de resina inerte (m3) Altura de la resina inerte (m) Altura zona libre recomendada Altura cilíndrica (m) Velocidad lineal de flujo (m/h) Volumen del lecho BV (m3) Relación H/D
1,60 2,01 1,09 0,22 1,31 0,60 0,30 0,042 1,65 54,74 3,24 1,03
Tabla 2: Resumen dimensionamiento columna de intercambio aniónico.
Columna catiónica.
A continuación, se realizarán los cálculos necesarios para poder dimensionar la columna de intercambio aniónico -
Diámetro de la columna: Éste dato se obtiene por prueba y error para que la velocidad de flujo sea máximo 60 m/h (de acuerdo con la hoja entregada por el fabricante) y la relación H/D se encuentre dentro del rango 2/3- 3/2.
= 1,6 -
-
Área de paso de la columna:
1,6 = ∙ 4 =3,14∙ 4 = 2,01
Altura del lecho (hl): Tiene que estar dentro de las recomendaciones del fabricante
1,75 ℎ = = 2,01 = 0,87 > 0,8
-
Expansión máxima: Por indicaciones del fabricante, esta expansión es del 10%.
= ℎ ∙ 10% = 0,87 ∙ 0,1 = 0,09 -
Altura del lecho expandido:
ℎ = ℎ = 0,87 0,09 = 0,96 -
Volumen de resina inerte: Por recomendaciones del fabricante es de 0,6 m 3.
= 0,6 -
Altura de resina inerte:
0,6 ℎ = = 2,01 = 0,30 -
Altura de la zona libre (feeboard): Se recomienda por el fabricante una altura de 23 mm= 0,023 m.
-
Altura cilíndrica de la columna: Es la sumatoria de las alturas anteriores.
ℎ = ℎ ℎ ℎ = 0,96 0,30 0,023 = 1,28 -
Velocidad de flujo: Se debe cumplir con una velocidad de servicio máxima de 60 m/h
/ℎ 110 = = 2,01 =54,74 ℎ < 60 ℎ -
Volumen del lecho (BV): Corresponde al volumen que ocupan ambos tipos de resina, la catiónica y la inerte.
= ℎ ℎ ∙ = 0,960,60∙2,01 =3,13 -
Relación altura diámetro: Es el cociente de la altura cilíndrica y el diámetro que, según recomendaciones del fabricante, debe estar comprendido su valor entre 2/3 y 3/2.
= ℎ = 1,28 =0,80 1,6 La relación altura/diámetro está en el rango recomendado por el fabricante, por lo tanto, el diámetro escogido es óptimo. A continuación, se entrega una tabla resumen con todos los datos dimensionales de la columna de intercambio catiónico. Dimensionamiento de la colu mna catiónica
Diámetro de la columna (m) rea de paso (m2) Altura del lecho (m) Expansión máx (10%) Altura del lecho expandido (m) Volumen de resina inerte (m3) Altura de la resina inerte (m) Altura zona libre recomendada Altura cilíndrica (m) Velocidad lineal de flujo (m/h) Volumen del lecho BV (m3) Relación H/D
1,60 2,01 0,87 0,09 0,96 0,60 0,30 0,02 1,28 54,74 3,13 0,80
Tabla 3: Resumen dimensionamiento columna de intercambio catiónico.
4) Equipamiento columna
Las columnas de intercambio iónico tienen una serie de elementos externos e internos: Elementos externos: -
Patas de soporte:
Se realizarán según especificación técnicas, estas patas irán soldadas a la envolvente y se encontrarán con el mismo espacio sobre el perímetro del recipiente. La longitud de las patas se estima en un metro. -
Columna catiónica: tendrá 4 patas de tipo L con dimensiones de 100x100x14
-
Columna aniónica: tendrá 4 patas de tipo L con dimensiones de 150x150x16
-
Tabuladuras:
Las columnas poseerán varias tabuladuras de 4” y 11/2” de diámetro nominal.
-
Boquillas de carga y descarga:
La columna constara de 3 boquillas de carga y descarga de las resinas. Las boquillas de carga y descarga de las resinas catiónicas y aniónicas tendrán un diámetro nominal de 11/2” y estarán colocadas en la parte superior e inferior de la sección de la resina. Por otra parte, la boquilla de carga y descarga de la resina inerte estará situada en la parte superior de la sección de esta resina también con un diámetro nominal de 11/2”.
-
Boquillas de inspección:
Debido a las dimensiones de las columnas, se dispondrá de una boquilla de inspección situada en el fondo superior en posición excéntrica, con diámetro nominal de 4”.
-
Anillos rigidizadores:
En el caso de la columna aniónica es preciso la colocación de dos anillos rigidizadores para suportar las tensiones producidas debido a las cargas. Elementos internos: -
Platos de soporte:
Usaremos un plato liso de metal con la función de soportar el peso del lecho de resina utilizada. El plato debe estar fabricado con una malla que impida el paso de ningún tipo de resina. -
Limitadores de lecho:
Colocaremos dos limitadores de lecho en nuestras columnas de intercambio iónico, uno para retener el lecho de resina activa, el cual sirve también como soporte para la resina inerte, y otro para retener la resina inerte. Se asemejarán al plato de soporte pero impidiendo el paso de la resina inerte, es decir, una malla menor.
-
Distribuidores de líquido:
Se diseñan dos distribuidores de líquido, uno para el caudal de alimentación en operación normal del sistema, entrando por la parte superior de la columna y otro para el caudal de regeneración, entrando por la parte inferior de la columna. Para el distribuidor de alimentación la opción más económica será un distribuidor de líquido de canales individuales de caída directa sobre los canales. Mientras que para el distribuidor de regeneración nos decantamos por la instalación de un distribuidor de orificios de plato en metal que ira soldado al anillo de soporte en la parte inferior de la columna.
Referencias Carillo, A., “Diseño de una planta de intercambio de iones para producir agua desionizada de proceso”, Tesis de grado, Universidad de Cadiz, (2007).
Corbin Consultin; http://www.uswca.com/calc/, Visitado el 18 de septiembre de 2017. Gonzalez, A., “Diseño de una unidad de proceso para el tratamiento superficial (cromado y niquelado) de piezas de acero para automoción”, Tesis de grado,
Universidad de Cadiz, (2012). Rigola, M., “Tratamiento de agua s industriales: aguas de proceso e industriales”, (1990) Disponible en:
http://books.google.com.co/books?id=fQcXUq9WFC8C&pg=PA79&dq=Dise%C 3%B1o+de+l a+columna+de+intercambio+ionico&hl=es419&sa=X&ei=bVV1VPCRH8WIsQS9lIKwAQ&ved=0CBwQ
