COLUMNA DE ABSORCIÓN DE PLATOS
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN _____________________________________________________________ 2 2. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO _____________________________________________________ 3 3. CONDICIONES Y CRITERIOS DE DISEÑO ___________________________________________ 5 4. MARCO TEÓRICO Y METODOLOGÍA _____________________________________________ 6 5. CONCLUSIÓN_______________________________________________________________ 13 6. REFERENCIAS ______________________________________________________________ 14
1|Página
1. INTRODUCCIÓN Una operación unitaria importante dentro de muchos procesos industriales es la separación sustancias ya sea por su valor comercial o por ser algún contaminante, con este objetivo son utilizadas las columnas de absorción. Estos equipos actúan utilizando el principio de transferencia de masa, en donde se ponen en contacto dos flujos inmiscibles, uno en fase gas, donde se encuentra el compuesto valioso, y otro en fase líquida que actúa como solvente para el compuesto a separar. Las columnas de absorción comúnmente utilizadas son de relleno o de platos, en el primer caso la columna posee en su interior un lecho poroso que favorece el contacto entre el gas y el líquido, mientras que en la columna de platos el contacto de la corriente gaseosa es al pasar por la fase líquida contenida en cada plato. El uso de columnas de absorción de platos se favorece cuando se desea obtener cargas variables de líquido y vapor, como lo es la separación de n-pentano del gas natural, siendo precisamente el dimensionamiento de la columna de absorción de platos para la absorción de n-pentano el principal objetivo de este proyecto.
2|Página
2. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO El equipo que se diseñará es una columna de destilación de platos para separar n-pentano de gas natural. El proceso de extracción de n-pentano se utilizan principalmente cuatro equipos siguiendo el siguiente diagrama de bloques.
Figura 1: Diagrama de Bloques
De forma más gráfica el proceso el proceso se resume por el siguiente diagrama de flujos, donde también están integrados equipos como intercambiadores y bombas.
Figura 2: Esquema separación de n-butano desde gas natural
3|Página
Por un lado el gas natural entra a la columna de destilación poniéndose en contacto con una corriente de líquido tal que salga enriquecido por n-pentano en la parte baja de la columna. Este flujo posteriormente pasa a través de una rehervidor y desde ahí hacia un separador que separa la n-pentano en forma de gas, recirculando el líquido solvente nuevamente hacia el rehervidor o directamente hacia un condensador para disminuir su temperatura y desde ahí hacia la columna de absorción para ser reutilizado. Particularmente, la columna consta de dos flujos entrantes en contracorriente, uno en fase gaseosa (gas natural) que ingresa por la parte inferior de la torre y otro en fase líquida, tal que el n-pentano sea más soluble, que ingresa por la parte alta de la torre. Y dos flujos salientes, uno gaseoso en la parte superior con bajas concentraciones de n-pentano y otro líquido en la parte inferior con altas concentraciones de n-pentano. Para los alcances de este proyecto se dimensionarán la columna de absorción, su alto, diámetro y número de platos, el condensador y la bomba empleada, tal como muestra la siguiente figura
Figura 3: Equipos que se dimensionarán
4|Página
3. CONDICIONES Y CRITERIOS DE DISEÑO Para el dimensionamiento de la columna de absorción se usará el método de Kremser, el que permite obtener el número teórico de platos que debe contener la columna. Este método es empleado cuando la concentración de soluto en la fase gas es cercana al 1%, y el líquido total y las tasas de flujo de gas no cambian significativamente. A partir de este método, todo el análisis se puede hacer con fracciones molares o másicas y caudales totales. La ecuación de Kremser tiene varias ventajas sobre el procedimiento de cálculo etapa por etapa si los supuestos adoptados son correctos. Si el número de etapas es grande, la ecuación de Kremser es mucho más fácil de usar. Cuando se especifica el número de etapas, el procedimiento de etapa por etapa de McCabe-Thiele es ensayo y error, pero el uso de la ecuación de Kremser no lo es, pues las variaciones de concentraciones o razón L/ V son fácil de determinar. La principal desventaja de la ecuación de Kremser es que es precisa solamente para soluciones donde L / V es constante, el equilibrio es lineal, y el sistema es isotérmico. Entonces los supuestos adoptados para la ecuación de Kremser serán:
Columna de absorción de platos para desgasolinizar un flujo de 21.000
Composiciones de la corriente de entrada:
Concentración (% vol)
CH4
90 5 2,5 1 0,3 0,2
C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 +
de gas natural
Compuesto
C2H6
*+
La Columna opera con una presión de 10 atm y 20 °C. Se extrae el 95% de n-pentano contenido en la columna La bomba utilizada para el flujo de aceite de absorción deberá ceñirse a la norma
Finalmente se diseñará la columna de absorción, los platos a utilizar, el condensador y la bomba.
5|Página
4. MARCO TEÓRICO Y METODOLOGÍA Para el dimensionamiento de la columna se utilizarán diferentes relaciones, tanto analíticas como gráficas. Para ello, se seguirán los siguientes, de tal forma de obtener todos los parámetros para el diseño del equipo. 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Cálculo del número de platos ideales mediante la ecuación de Kremser-Brown-Souders. Cálculo del número de platos reales asumiendo una eficiencia global. Determinación del tipo de plato a utilizar en la columna. Determinar el espaciamiento entre los platos. Calcular el diámetro de la columna mediante la relación de Fair. Estimar la altura de la columna.
A continuación, se describen las ecuaciones y relaciones a utilizar. Para ello, la siguiente simbología es necesaria:
Los flujos serán representados por letras mayúsculas y serán flujos molares. representará la composición molar de la fase líquida. representará la composición molar de la fase vapor.
4.1 Ecuación de Kremser-Brown-Souders En esta relación se asume que las pérdidas de calor en la columna son despreciables, es decir, es adiabática, y tanto la presión como la temperatura permanecen constantes [1]. Además, se define un factor de absorción A, que indica la razón entre las pendientes de las curvas de operación y de equilibrio, donde:
Donde:
L: es el flujo molar de líquido. G: es el flujo molar de gas. m: la pendiente de la curva de equilibrio del sistema. Esta pendiente “m” se calcula a partir de las condiciones de operación del sistema y del gráfico de
Scheibel y Jenny, adjuntado en anexos. Luego, a partir de un balance de masa en la columna, se obtiene la ecuación de Kremser-BrownSouders (KBS):
6|Página
()
Donde:
: es la composición molar en fase gaseosa en la entrada de la columna.
: es la composición molar en fase gaseosa en la salida. : es la composición molar en fase gaseosa en equilibrio con el líquido a la entrada.
Entonces:
La ecuación KBS otorga el número de platos ideales necesarios para llevar a cabo la separación.
4.2 Eficiencia global La eficiencia global es un primer acercamiento para un diseño preliminar o una evaluación de una columna. Lewis [2] la definió de la siguiente forma:
Donde
son los platos calculados en equilibrio (ideales) y
son los platos reales.
Para el diseño de la columna de absorción, se usará este término de eficiencia, pues es el más simple y fácil de aplicar. Para ello, se asumirá una eficiencia y se calculará el número de platos reales ( ) necesarios para llevar a cabo la operación de absorción.
4.3 Tipo de plato para la columna Existen básicamente tres tipos de platos, los cuales son los más usados: de válvula, tipo sieve y bublle-cap. Los platos de válvula son platos con orificios de gran diámetro cubiertos por tapaderas móviles que se elevan cuando el flujo de vapor aumenta. Su ventaja radica en que pueden operar eficazmente a velocidades bajas de vapor, pues el área para el paso de vapor varía según la velocidad de flujo.
7|Página
Los platos tipo sieve son platos perforados, en donde el vapor pasa por pequeños orificios, generando burbujas distribuidas uniformemente a través del líquido. Su principal ventaja es que son de fácil construcción y bajo precio. En los platos bubble-cap el vapor asciende por tubos hacia una caperuza de borboteo, donde el vapor escapa por ranuras en forma de burbujas dentro del líquido que rodea a la tapa. La principal ventaja es que tiene una alta flexibilidad, por lo que acepta bajos y altos flujos de vapor y líquido. La elección del tipo de plato se basará básicamente en el costo, la capacidad, el rango de operación y la eficiencia.
4.4 Espaciamiento entre platos El espaciamiento de los platos se basa únicamente en la instalación y en el mantenimiento que se les da. Por ello, se debe considerar si la mantención y la instalación se realizan manualmente, es decir, son realizados por una persona encargada. Si es el caso, se necesitará un espacio más grande entre los platos para que la persona quepa y pueda realizar las labores cómodamente.
4.5 Diseño de los platos Las siguientes definiciones de área son usadas en el diseño de los platos:
(comúnmente es el 12% de
,
4.5.1 Diámetro El cálculo del diámetro del plato está estrechamente relacionado con la “inundación” que se produce en el plato. Este fenómeno es básicamente que el líquido, en forma de pequeñas gotas, es trasladado por el vapor hacia fuera de la columna. 8|Página
Para la obtención de la velocidad de inundación, se realiza un balance de fuerzas en una gota de líquido, considerando el peso de la partícula, la fuerza de arrastre y la flotación, Souders y Brown [2] llegaron al siguiente resultado:
Donde:
: es el coeficiente de Souders y Brown,
: densidad del líquido : densidad del gas
,
.
El cálculo del parámetro C se hace por medio de la correlación de Fair [2]. Este cálculo se realiza de forma gráfica, por medio de la figura 4.
Figura 4: Gráfico para la relación de Fair en una columna de platos.
Para entrar en la lectura de esta gráfica, se necesitan dos cosas: el espaciado de los platos, definido anteriormente, y el valor de , de la ecuación 6 a continuación.
Donde:
9|Página
L: es el flujo molar de líquido V: es el flujo molar de gas
,
,
: es el peso molecular del gas
,
: es el peso molecular del líquido
.
Luego, el valor de C es obtenido mediante la corrección del parámetro Esta corrección se realiza como sigue, mediante una relación empírica:
Donde:
: factor de tensión superficial
:factor de espuma,
obtenido de la figura 4.
,
: Factor de corrección de área,
σ: tensión superficial del líquido
Para sistemas no espumantes, menos.
.
. Sin embargo, para muchos absorbedores es igual a 0,75 o
puede tomar los siguientes valores:
( )
Luego, con el parámetro C corregido se puede calcular la velocidad .
, que tendrá unidades de
Finalmente, el diámetro se calcula con la ecuación 8 a continuación.
Donde
()
: es el porcentaje de la velocidad de inundación en la que se basa el cálculo del diámetro. Toma típicamente un valor de 0,8.
10 | P á g i n a
La razón
{
puede ser obtenida según el valor de
, como sigue:
es un cambio de unidades del sistema inglés al sistema internacional. De esta forma, se o btiene en metros. Además, el valor “3,28” ubicado en la ecuación 8 dividiendo a
Finalmente, se pueden calcular las áreas definidas al inicio, a partir del área trasversal de la columna.
4.5.2 Rebosadero
El largo del rebosadero es el largo que tiene la zona donde el líquido cae hacia el plato inferior. Este largo se calcula mediante una relación entre el área del rebosadero y el área total con el diámetro del plato. Esta relación se aprecia en la figura 5.
Figura 5: Relación entre el área y el largo del rebosadero.
11 | P á g i n a
Conocidos los valores de
se tiene el valor de
.
Por otro lado, el alto de la barrera del dique determina el volumen de líquido sobre el plato y es un importante factor para determinar la eficiencia. Una mayor altura aumenta la eficiencia, pero a expensas de una mayor caída de presión. Para columnas que operan sobre la presión atmosférica este valor se encuentra normalmente entre 40 [mm] y 90 [mm], pero es recomendado un valor de 40 [mm] a 50 [mm].
4.6 Altura columna Teniendo la cantidad de platos de la columna y el espaciamiento entre platos, se puede calcular la altura. Es necesario añadir alrededor de 1 metro sobre el plato superior y 3 metros por debajo del plato inferior. Esto es para tener espacio para la remoción e inyección del líquido y del gas [2].
12 | P á g i n a
5. CONCLUSIÓN Como se ha expuesto, el diseño de la columna de absorción no es trivial, pues se deben realizar ciertos supuestos y asumir ciertos parámetros en base a lo que se necesite. Además de calcular y hacer conversiones de unidades, pues muchas de las ecuaciones no están en las unidades que se quisieran tener.
13 | P á g i n a
6. REFERENCIAS -
[1] Gas Absorption and Gas Stripping. [en línea] [consulta: 9 de noviembre de 2013]
-
[2] SEADER. HENLEY. ROPER. Separation Process Principles. Chemical and Biochemical Operations. 3ra edición. Capítulos 5 y 6.
-
[3] Separation Columns. Distillation, Absoption and Extraction. Capítulo 11.
14 | P á g i n a
