Desorción Gaseosa
+DESORCIÓN GASEOSA
I.
OBJETIVOS -
II.
Entender los principios Físico Químicos que dominan l a operación unitaria de Desorción. Determinar el rango de operación de una columna empacada Usar correlaciones para determinar la altura de la columna y realizar la comparación con el valor real.
FUNDAMENTO TEÓRICO
DESORCIÓN Es la operación unitaria que implica transferencia de materia (soluto) desde la fase liquida hacia la fase gaseosa. Si se pone en contacto aire con una solución de amoniaco-agua, parte del
L
G
amoniaco abandona el líquido y entra en la fase gaseosa. La única diferencia entre la absorción y desorción es el sentido de la transferencia del soluto.
TORRES EMPACADAS Utilizadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en flujo a contracorriente como a corriente paralela. Son columnas verticales que se han llenado con empaques de gran superficie. El líquido se distribuye a través del lecho empacado, de tal forma que se expone una gran superficie de contacto con el gas.
1
Desorción Gaseosa
CARACTERÍSTICAS DEL EMPAQUE -
Disponibilidad de superficie: proporciona una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas.
-
El empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas secciones transversales de la torre, sin recargo o inundación.
-
Es químicamente inerte con respecto a los fluidos que están procesando.
-
Son estructuralmente fuertes para permitir el fácil manejo y la instalación
Sillas Intalox
Anillos Rashing
CONDICIONES FAVORABLES PARA LAS COLUMNAS EMPACADAS -
Para líquidos que tienden a generar espuma, se manejan mejor en columnas empacadas, debido a que el grado de agitación del líquido por el gas es relativamente bajo.
-
La retención del líquido es mínima en columnas empacadas, lo cual representa una gran ventaja cuando el líquido es térmicamente sensible.
CONDICIONES DESFAVORABLES PARA LAS COLUMNAS EMPACADAS -
Si el gas o el líquido contienen sólidos disueltos, las columnas empacadas no facilitan la limpieza de la misma.
-
Durante la inserción del empaque en la columna, algunos materiales de éste se rompen con facilidad debido a la dilatación y la contracción térmica.
TIPOS DE EMPACADO -
Empacado al azar: el diseño influye mucho en las características de transferencia de masa y caída de presión.
-
Empacado ordenado: la distribución del empacado sigue un patrón definido dentro de la columna, menores pérdidas de carga.
CAUDAL DEL GAS El caudal mínimo de aire para la desorción viene dado por la capacidad de retener dicho compuesto por el gas, hasta llegar a la situación de equilibrio. En caso de que se quiera operar con un caudal mínimo, la superficie de transferencia seria infinita, por lo tanto los caudales de trabajo ente 10 – 20 veces mayores al caudal mínimo.
2
Desorción Gaseosa
VELOCIDAD DE GAS ASCENDENTE EN LA COLUMNA Existen tres velocidades que caracterizan la velocidad del gas ascendente en una columna: -
Punto de inundación: velocidad en la que el líquido ya no podrá descender por la columna. El dimensionamiento se realiza normalmente para velocidades entre 50-70% de este punto, incluso menor en el caso de problemas de formaci ón de espumas.
-
Punto de embalsamiento: el líquido comienza a embalsarse en el relleno, la perdida de carga aumenta fuertemente.
-
Velocidad del gas (Vg): velocidad a la que existe un interacción entre gas y liquido (la perdida de carga del gas varía según el caudal del liquido)
HIDRAULICA DE COLUMNA EMPACADA La caída de presión del gas que fluye hacia arriba por el empaque, a contracorriente del líquido, se ve representado en la siguiente gráfica:
-
La caída de presión en la región de AB, es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad del gas.
-
Zona de carga: el incremento en la caída de presión se debe a la rápida acumulación de líquido en el volumen de espacios presentes en el empaque.
-
Inundación: la caída de presión aumenta drásticamente con un cambio ligero en el flujo de gas. Por lo que es importante predecir su valor para los nuevos diseños.
3
Desorción Gaseosa
III.
DATOS EXPERIMENTALES:
3.1.
DATOS EXPERIENCIA N° 1 (caída de presión)
Para Flujo L =0 : Q(ft3/min) Δ P (cm H2O)
5 1.1
7 2,5
10 4,7
12 5,7
13 7,6
14 9
15 10,5
18 17,8
Para Flujo L=30 lb/h: Q(ft3/min) Δ P (cm H2O)
5 1,8
8 4
10 6.2
12 9
13 11
14 13.5
15 16.5
8 4.4
10 6.7
12 9.5
13 12.2
14 14.5
15 17
Para Flujo L=40 lb/h: Q(ft3/min) Δ P (cm H2O)
5 2
Parámetros de la torre empacada: Altura de relleno Diámetro Empaque (al azar)
48” <> 1.2192 m 4” <> 0.1016 m Anillos rasching de vidrio de ½”
G2
L2
Gs
Ls
NH4OH(ac)
aire G1
L1
Gs
Ls
4
Desorción Gaseosa
3.2.
DATOS EXPERIENCIA N° 2 (Calculo de la altura y balance de masa)
Alimentación de agua con amoniaco: Con un volumen de muestra V=25ml y una concentración de HCl 1N
tiempo(min)
volumen usado HCl (mL)
prueba
7
1
1
20
2
1
Salida de agua con amoniaco: Con un volumen de muestra V=20ml y una concentración de HCl 0.1N
tiempo(min)
Volumen usado HCl(ml)
prueba
5
1
4
10
2
3.9
15
3
3.9
20
4
4
25
5
3.8
30
6
3.8
35
7
3.6
40
8
3.7
Flujos: Gas = 14 pie 3/min,
Liquido = 35 Lb/hr
5
Desorción Gaseosa
IV.
CÁLCULOS Y RESULTADOS:
4.1.
Caída de presión: 2
G’: Flujo másico de gas por área transversal de la torre (kg/m .min)
P/Z: Caída de presión por unidad de longitud en la torre (cm H2O/m de torre) Para L= 0
Q(ft /min)
Δ P (cm H2O)
G`(kg/m2,min)
5
1,1
21,3
7
2,5
29,83
2,05
10
4,7
42,61
3,85
12
5,7
51,13
4,68
13
7,6
55,39
6,23
14
9
59,66
7,38
15
10,5
63,92
8,61
18
17,6
76,7
14,4
3
P/Z
0,9
Para L=30 lb/h
Q(ft3/min)
Δ P (cm H2O)
G`(kg/m2,min)
P/Z (cmH20/m)
5
1,8
21,30
1,48
8
4
34,09
3,28
10
6,2
42,61
5,09
12
9
51,13
7,38
13
11
55,39
9,02
14
13,5
59,66
11,07
15
16,5
63,92
13,53
Para L =40 lb/h
Q(ft3/min)
Δ P (cm H2O)
G`(kg/m2,min)
P/Z (cmH20/m)
5
2
21,3
1,64
8
4,4
34,09
3,60
10
6,7
42,61
5,495
12
9,5
51,13
7,79
13
12,2
55,4
10
14
14,5
59,66
11,89
15
17
63,92
13,94
6
Desorción Gaseosa
GRÁFICA LOG ( ΔP/Z) VS LOG (G’) 1.2
1 L=0 0.8
L=30 lb/h L=40 lb/h
) Z / P
Δ
( g o l
0.6
0.4
0.2
0
-0.2 1.2
1.4
1.6
1.8
log(G`)
4.2.
Cálculo de Cf del empaque:
La solución básica (alimentación liquida) se tituló con HCl 1N:
NHCl xVHCl = NNH40H x VNH4OH 1x1= NNH40Hx25
NNH40H= 0.04 N
Titulación 1 2
V(HCl)
V(NH 4OH(ac))
1 ml
25ml
1 ml
25 ml
7
Desorción Gaseosa Ahora vamos a hallar Cf de los anillos rasching de vidrio: De la siguiente gráfica:
CONSIDERACIONES:
-
3
ρSolución = ρL = 1000 kg/m (Asumimos que la densidad de la solución de NH4OH(ac) es la del agua ya que es muy diluido) 3
-
ρG = 1,22 kg/m ( aire a T = 18°C)
-
μL =0.001 kg/m.s (viscosidad del agua , ya que hay poca concentración de NH4OH)
-
Como estamos trabajando en unidades internacionales(SI) , entonces : g c=1 , J=1
-
P/Z : según la gráfica , debe estar en Pa/m , entonces:
8
Desorción Gaseosa
Para L=30 lb/h Q(ft3/min) 5
P/Z (Pa/m) 144,5
8
321,1
10
497,7
12
722,5
13
883,0
14
1083,7
15
1324,5
Para L = 40 lb/h Q(ft3/min) 5
P/Z (Pa/m) 160,5
8
353,2
10
537,8
12
762,6
13
979,3
14
1163,9
15
1364,7
Los flujos másicos G’ y L’ están referidos a las salidas de la torre ,para este caso
asumiremos L’ como L que entra por el tope de la torre , ya que la transferencia de soluto es mínima.
Para L=30 lb/h 3
Q(ft /min) 5 8 10 12 13 14 15
P/Z (Pa/m) 144,5 321,1 497,7 722,5 883,0 1083,7 1324,5
(eje X)
0,0459 0,029 0,023 0,019 0,018 0,016 0,015
(eje Y)
0,033 0,07 0,098 0,14 0,15 0,16 0,2
Cálculo de Cf (gráfica) 636,0
527,0 472,2 468,5 427,7 393,3 428,3
Para L=40 lb/h Q(ft3/min) 5 8 10 12 13 14 15
P/Z (Pa/m) 160,5 353,2 537,8 762,6 979,3 1163,9 1364,7
0,062 0,038 0,030 0,025 0,024 0,022 0,0203
(eje X)
(eje Y)
0,032 0,07 0,1 0,14 0,15 0,16 0,21
Cálculo de Cf (gráfica) 616,8
527,0 481,8 468,5 427,7 393,3 449,7
9
Desorción Gaseosa
Pero normalmente los desorbedores trabajan a P/Z entre 200 a 400 (Pa/m) adecuado de Cf es 527.
C F = 527
4.3.
, entonces el valor
Para: 200 < P/Z < 400 Pa/m
Gráfica Cf vs L
Cf vs Q(gas) 800 600 f C400
L=30 lb/h
200
L=40 lb/h
0 0
5
10
15
20
Q (ft3/min)
L=30 lb/h 700 600 500 400 f C 300 200 100 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
G'(kg/s.m2)
L=40 lb/h 700 600 500 f 400 C
300 200 100 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
G'(kg/s.m2)
10
Desorción Gaseosa
4.4.
Cálculo diámetro de la columna (diseño)
-
Teniendo el factor de caracterización del empaque Cf = 527 ya definido, se procede ir a la Figura 6.34: inundación y caída de presión en torres con empaque al azar.
-
Para determinadas caídas de presión P/Z y con valores de abscisa
cuales son independientes del área, procedemos a ubicar ordenadas -
fijos, los
= f(área)
Para L=30 lb/h (eje X)
G (kg/min)
P/Z (Pa/m)
0.1727
144.5
0.2764
(eje Y)
Cf
área (m2) diámetro (m)
0.0459
0.03
527
0.2214
0.5309
321.1
0.029
0.07
527
0.2432
0.5564
0.3455
497.7
0.023
0.10
527
0.2569
0.5719
0.4146
722.5
0.019
0.14
527
0.2579
0.5731
0.4491
883
0.018
0.15
527
0.2699
0.5863
0.4837
1083.7
0.016
0.16
527
0.2815
0.5986
0.5182
1324.5
0.015
0.20
527
0.2697
0.5860
(eje X)
(eje Y)
-
Para L=40 lb/h
G (kg/min)
P/Z (Pa/m)
0.1727
160,5
0.2764
Cf
área (m2) diámetro (m)
0,062
0.032
527
0.2248
0.5350
353,2
0,038
0.07
527
0.2432
0.5564
0.3455
537,8
0,030
0.1
527
0.2543
0.5690
0.4146
762,6
0,025
0.14
527
0.2579
0.5731
0.4491
979,3
0,024
0.15
527
0.2699
0.5863
0.4837
1163,9
0,022
0.16
527
0.2815
0.5986
0.5182
1364,7
0,0203
0.21
527
0.2632
0.5789
Con los valores obtenidos, se obti ene un valor promedio:
D = 0.5 M
11
Desorción Gaseosa
4.5.
BALANCE DE MASA
4.5.1. Calculo del área transversal de la columna:
4.5.2. Calculo de las concentraciones en la fase liquida
(Considerando 2 últimos datos, tiempo 20 para la alimentación y tiempo 40 para la salida)
4.4.2.1. En la entrada: 4.4.2.2. En la salida :
4.5.3. Calculo de las composiciones en la fase liquida (Considerando 1L tanto de ali mentación como de descarga) -
Alimentación:
Moles de
Como es diluido, la cantidad de agua es
Entonces la relación molar será:
-
Descarga:
Moles de
Como es diluido, la cantidad de agua es
Entonces la relación molar será:
4.5.4. Calculo de los flujos del liquido y del gas que contienen al amoniaco - Para el liquido:
12
Desorción Gaseosa -
Para el Gas:
17°C), se obtiene
utilizando la ecuación de los gases ideales a las condiciones (P = 1 atm, T=
,
Entonces la relación molar será:
4.4.5. Calculo de la composición del amoniaco en el aire que sale por el tope:
Usando el balance de masa
Gs * Y 1
4.4.6. Obtención de la curva de operación:
Y
Y 2
Ls
Gs
Ls * X
* X 1
1
Ls +
Gs
X 2
se obtiene:
* X
4.4.7. Curva de equilibrio : T(°C)
10
30
17
x
P parcial(mmHg)
P parcial (mmHg)
P parcial (mmHg)
0.05
20
50
30.5
0
0
0
0
Valores extrapolados de la siguiente grafica:
13
Desorción Gaseosa
Grafica de la curva de equilibrio:
Para el uso de datos se hace una aproximación con los datos de X1 y X2:
X
Y* 0.000333 0.00025391 0.00072
0.000549
0
0
Datos de la curva de equilibrio
Grafica de la curva de equilibrio a 17°C con la curva de operación a esa misma temperatura:
14
Desorción Gaseosa
4.6 CALCULO DE KYa 4.6.1 cálculos de viscosidad Del manual del ingeniero químico tabla 2.312 para gases, se obtiene los siguientes constantes:
Cálculos de la viscosidad:
Como
c1
0.000001425
c2
0.5039
c3
108.3
c4
0
y G = 14 pie3/h, se calcula G' (kg/m2.s) y en G( mol/m2.s)
Haciendo los cálculos respectivos se tiene: Viscosidad =
1.80636E-05 Pa.s
Difusividad (Dab)=
0.0000221 m2/s
Densidad =
1.18 kg/m3
G' =
0.9665 kg/m2.s
G=
33.33 mol/m2.s
4.6.3 Calculo “e” y “deq” de los anillos rasching: Diámetro 1/2 pulg =
0.0127 m
Altura =
0.0127 m
Diámetro interno
0.009 m
Deq = 0.0156 m e = 0.502201
4.6.4 Calculo Re, Sc , jD , a:
15
Desorción Gaseosa
() Re = 832.2 ;
Sc = 0.692676775 ;
jD = 0.085871296;
a = 192.0242
4.6.5 Calculo ky y kya:
ky = 3.65564263 mol/m2.s
kya = 701.97 mol/m3.s
4.7 CALCULO DE kx. Viscosidad = Difusividad (Dab)=
0.001 Pa.s 1.76E-09 m2/s
Densidad =
1000 kg/m3
L' =
0.544 kg/m2.s
4.7.1 Calculo de Re ,Sc , jD : Utilizando las ecuaciones anteriores
Re = 8.5 ;
Sc = 568.1818182 ;
jD = 0.522704538
4.7.2 Calculo kx:
16
Desorción Gaseosa
Kx =0.230034968
4.8 CALCULO DE KY.
KY = 0.336837326
Ky.a =
64.68 mol/m3.s
4.9 CALCULO DE Z Tener en cuenta que la primera correlacion se calcula kx y KY con :
() La segunda Correlacion se calcula kx y KY con :
()
4.9.1 Calculo Z con la primera correlacion :
Z = Htog.Ntog G=
33.33 mol/m2.s
Ntog=
2.703
Htog=
0.51529887 m
Z=
1.39285283 m
17
Desorción Gaseosa
4.9.1 Calculo Z con la primera correlacion :
Z = Htog.Ntog
V.
G=
33.33 mol/m2.s
Ntog=
2.703
Htog=
0.99975256 m
Z=
2.70233118 m
OBSERVACIONES
5.1.
Experiencia 1: a)
Caida de presión
-
La caída de presión de la torre se calculó por medio de un manometro diferencial en U el cual contenia agua .Este manometro fue conectado al fondo y tope de la torre.
-
La grafica log(G’) vs Log(dP/Z) nos muestra como la caída de presión que sufre el ga s es modificada por el flujo del gas y del liquido.
-
La caída de presión que sufre el gas es modificada por el flujo del gas y del liquido.
-
Según bibliografía(Treybal , pag 218) la pendiente de la línea sea(L=0) esta generalmente en el rango de 1.8 a 2.0.En nuestra experiencia:
-
Para L=0
Pendiente = 2.04 Y=2.0439X - 2.751 , r2= 0.9887
b)
Calculo de Cf del empaque
-
Para hallar los valores de cf, se recurre a la gráfica: Figura 6.34 Inundación y caída de presión en torres con empaque al azar.
-
Experimentalmente el Cf varía con respecto al flujo de gas (G). Teniendo que en cuenta que los desorbedores son diseñados para caída de presión del gas de 200-400 Pa/m, el valor de cf será constante dentro de este rango.
-
Para un flujo de líquido L=0, no es conveniente hallar valores de Cf, puesto que la grafica: Figura 6.34 solo es aplicable para flujos de Gas y Líquidos.
-
A medida que aumenta el flujo de gas , el vaor de Cf disminuye gradualmente.
5.2. Experiencia 2: -
El cambio de temperatura en la torre afecta la curva de equilibrio.
18
Desorción Gaseosa -
La temperatura en el fondo(15ºC) es menor que la temperatura en el tope(18ªC o 17ªC)
-
La temperatura del líquido disminuye conforme desciende , eso quiere decir que la solubilidad del soluto en el equilibrio aumenta y la capacidad del desorbedor disminuye.
-
La solubilidad del gas en el líquido decrece al aumentar la temperatura
-
Evitar la inundación de la columna, estando al tanto en abrir la válvula de descarga.
-
Las correlaciones utilizadas anteriormente representan un primer camino para la determinación del coef. De transferencia, pero no es la única, si bien existe otro método para el hallazgo del coef. Como se representa en las pags. 227-234 del Treybal. estos escapan de nuestra posibilidad, ya que nuestro trabajo es con anillos Raschig de vidrio y las correlaciones de retención de líquidos no trabajan para dichos materiales.
-
En la determinación de ky, kx se aplicó las correlaciones de la Tabla 3.3 del Treybal para un tipo de movimiento del fluido a través de lecho fijo de granulos, si bien estas correlaciones aplican para esferas porozas, estas pueden utilizarse para empaques de tipo anilli raschig, utilizando un díametro equivalente al de una esfera.
VI.
CONCLUSIONES
Experiencia 1: a) Caída de presión -
Se tiene que a una velocidad fi ja de gas, la caída de presión del gas aumenta al aumentar el flujo del líquido.
-
La curva para el empaque seco L=0, experimentalmente no es muy representativa puesto que los empaques para L=0 no eran totalmente secos, solo es una aproximación.
-
Para el empaque seco L=0, la caída presión es consecuencia del flujo que pasa a través de un conjunto de aberturas en el empaque.
-
Para mayores flujos de líquido, la sección transversal es menor, como consecuencia de l a presencia de líquido en el empaque, y una porción de la energía de la corriente de gas es utilizada para soportar un aumento en la cantidad de líquido en la columna.
b) Calculo de Cf del empaque -
Se tiene que el valor de Cf es característico del tipo de empaque (Anillos rasching de vidrio de ½”).
-
Se ha tenido en cuenta que los valor es de Cf obtenidos son valores intermedios, más no los valores iniciales ni finales, de tal manera de obtener un valor de Cf en el estado estacionario.
-
El valor adecuado de Cf es 527 ( de 200 a 400 Pa/m)
Experiencia 2 : -
-
En una desorción requiere de energía endotérmica en la interfase para transportar el soluto de la fase liquida a la fase gaseosa. Este calor es el calor de vaporización del soluto(NH3 ) Una adecuada práctica de desorción depende de los flujo s que se consideren para realizar la corrida experimental, ya que modificaría la pendiente de la curva de operación. La cantidad de NH3 se transfiere del agua hacia el aire, debido a que aparece en el tope( salida del Gas), mientras que el agua se reduce. 19
Desorción Gaseosa -
VII.
El proceso de transferencia de masa es convecti vo, debido al movimiento tanto del aire como del agua. Mientras mayor sea el flujo de agua-amoniaco puede provocar inundación. Del igual manera, mayor flujo de aire presionando la columna, conlleva a ineficiencias en el proceso y daños en el quipo.
BIBLIOGRAFIA
-
Robert Treybal / Operaciones de transferencia de masa / capitulo 6
-
Tratamiento de aguas por Stripping / Documentación Técnica / Hidrosteam / www.hidrpsteam.com
-
Depuración de gases: para plantas de tratamiento de aguas y residuos sólidos urbanos/ Ecotec : Ecologia Tecnica S.A. / stripping de NH3
20
