Equipo de Transferencia de Masa

Equipos de Transferencia de Masa Profesor: Ulises palma Gonzales Materia: Transferencia de masa Carrera: ING. QUIMICA PETROLERA Semestre: 5o Grupo! A Turno: Ma"ino Integrantes: Rom#n Al$arado Cr"z %ami#n Ale&a 'a(iola Iz)"ierdo Osorio.

L"is Manri)"e Iz)"ierdo L*pez. Cind+ ,i$iana ,alenz"ela de la Cr"z. -. CAR%ENA TA/0 12 OCTU/RE 1345

Introducción.

La aplicación de las ecuaciones de transferencia de masa y la metodología se incluyen al diseño de los equipos de transferencia de masa. Los procedimientos no está están n estri estrict ctame ament nte e vincu vinculad lados os a la crea creació ción n de un nuev nuevo o equi equipo po sino sino al análisis dl equipo existente para mejorar su rendimiento. La definición y método de análisis son similares a la transferencia de calor; se han desar desarro rolla llado do una una fuer fuer!a !a motri! motri! total total y un coefic coeficien iente te total total de transf transfere erenc ncia" ia" expresada en función de coeficiente convectivos individuales" para explicar el mecanismo de transferencia. #uchas clases de operaciones de transferencia de masa se relacionan con el pro$lema del cam$io de cam$io de composición de las soluciones y me!clas" usando transferencia de masa interface. Las operaciones de transferencias de masa se reali!an; usualmente" en torres diseñadas para proporcionar un contacto íntimo en las dos fases. %se equipo se puede clasificar en cuatro tipos generales" de acuerdo al método utili!ado para producir el contacto interface siempre. %xisten" o son posi$les" muchas variedades y com$inaciones de estos tipos" este estudio se restringirá a las principales clasificaciones. &iempre que las aplicaciones de la transferencia de materia implican equipos de dimensión específica" las ecuaciones de flujos solas no resultan suficiente para o$tener resultados. 'e$e emplearse tam$ién las ecuaciones de continuidad o $alance de materia. (uando la geometría geometría es sencilla" los $alances $alances macroscópicos resultan suficiente. La mayoría de las situaciones que implican la transferencia de masa requieren $alances de materia" pero el área adecuada resulta am$igua. &on ejemplos las columnas de relleno para a$sorción" destilación o a$sorción. %n tales casos es com)n partir de las ecuaciones diferenciales más generales de los $alances de materia.

Torre de atomizador .

(onsiste en cámaras grandes a$iertas a través de las cuales fluye la fase gaseosa y dentro de las cuales se introduce el líquido por el medio de $oquillas u otros medios de atomi!ación.

&e introduce el líquido en forma de atomi!ación" cayendo a causa de la gravedad" cuyo sentido es opuesto al de la corriente de gas ascendente. La $oquilla de atomi!ación está diseñada para su$dividir al líquido" las gotas más pequeñas proveen una mayor área de contacto interface a través de la cual se transfiere masa. &e tiene gran cuidado para evitar la producción de una atomi!ación tan fina que se vea arrastrada por la corriente emergente de gas. La resistencia a la transferencia en la fase gaseosa" se reduce por el movimiento resolvente de las gotitas de fluido descendente. Las torres de atomi!ación se utili!an en la transferencia de masa de los gases altamente solu$les en los cuales la resistencia de la fase gaseosa usualmente controla la rapide! de transferencia de masa.

Torre de burbuja.

%n la cual el gas se dispersa en la fase liquida en forma de pequeñísimas $ur$ujas. Las $ur$ujitas proporcionan el área grande interface de contacto" que se necesita. La transferencia tiene lugar" tanto durante la formación de $ur$ujas como durante el ascenso del mismo través del líquido. Las $ur$ujas en movimiento reducen la resistencia de la fase liquida. Las torres de $ur$ujas utili!an con sistemas en los que la fase liquida controla la rapide! de transferencia de masa.

%l mecanismo $ásico de transferencia de masa de torres de $ur$uja tam$ién se encuentra en los tanques o estanques de lote de $ur$uja" donde el agua se dispersa en el fondo de los tanques. %ste equipo se utili!a usualmente en la aeración de las aguas negras.

Torre de empacadora contracorriente.

*orman el tercer tipo general de equipo de transferencia de masa que consta de un contacto continua entre la corriente de dos fases no misci$les. 'ichas torres de columnas verticales se le han llenado. &e utili!a una gran variedad de materiales de relleno" cerámica" especialmente diseñadas para este propósito" hasta peda!os de roca. %l líquido se distri$uye so$re el relleno y desciende por la superficie de esta forma de película delgada o corrientes su$divididas.

%l gas generalmente fluye hasta arri$a" en sentido opuesto al equipo al equipo descendente. +m$as fases se encuentran $ien agitadas. %sta clase de equipo se puede utili!ar en sistemas gas,liquido" en los cuales cualquiera de las resistencias de las fases ejerce el control o en las am$as resistencias son importantes. %xisten tipos especiales de torres de empacadas para enfriar agua y poder volver  hacerla circular utili!ándola como medio para la transferencia de calor.

Torre de placas.

&e utili!an regularmente en la industria y representan los mecanismos com$inados de transferencia que se o$servan en las torres de atomi!ación y de $ur$ujas. %n cada una de las placas se forman $ur$ujas de gas en la parte inferior de un estanque líquido" o$ligando al gas al pasar por pequeños orificios perforados en la placa o $ajo tapas perforadas sumergidas en el líquido. La transferencia de masa interface ocurre durante la formación de $ur$uja así como cuando la $ur$uja asciende a través del estanque de líquido agitado.

La transferencia adicional de masa tiene lugar por encima del estanque del líquido a causa del atomi!ador. %l vapor asciende a través de cada una de las placas. %l contacto de am$as fases se reali!a por pasos. %stas torres no pueden diseñarse utili!ando ecuaciones o$tenidas integrando so$re un área continua de contacto interface. %n ve! de esto" se las diseña mediante cálculos por pasos" que se desarrollan y utili!an en los cursos de diseño de operación paso a paso. -o se

estudiara el diseño de torres de placas en este li$ro" el estudio se limitara a equipos de contacto continuo.

Tanques de oxigenación.

%s un recipiente de almacenaje de oxígeno" tanto $ajo presión en cilindro de gas o como oxigeno liquido en tanques de almacenaje criogénicos. (omo el oxígeno líquido a presión atmosférica se evapora a los ,/0 1(" un cilindro de oxígeno líquido de$e almacenar el oxígeno $ajo esa temperatura y de$e ser un $uen aislante térmico. de incendio.

%l oxígeno rara ve! se mantiene a presiones superiores a los 233 $ar o 0333 psi" ya que los riesgos de incendio por alta temperatura causados por alg)n proceso adia$ático aumentan cuando cam$ia la presión del gas al moverse éste de un recipiente a otro. 4odo equipamiento que entre en contacto con oxígeno a altas

presiones de$e ser 5para oxígeno limpio5 y 5compati$le con oxígeno5 para reducir las posi$ilidades

Tanque de volumen constante.

%l sistema de presión constante con tanque compensador resulta a la com$inación de un sistema hidroneumático y un sistema de $om$eo de velocidad fija contra la red cerrada de tres o más $om$as funcionando en paralelo.

%n tanto en hidroneumáticos tradicionales como en sistemas com$inados 6no tradicionales7 se estila la instalación del tanque como un pulmón compensador para a red.

Tanque de aeración

La aireación puede ser utili!ada en actividades como la acuicultura" remoción de sustancias volátiles de una corriente líquida" tratamiento de aguas residuales entre otras. %l uso de la aireación en el tratamiento de aguas residuales es $astante com)n" este puede ser  utili!ado en sistemas de lodos activados" tanque de homogeni!ación" lagunas aireadas. 'e manera muy general podemos clasificar los sistemas de aireación de acuerdo a la forma en la que incorporan el aire en la fase líquida" es decir en como promueven el contacto de las fases aire,líquido para generar la fuer!a motri! de la difusión del oxígeno hacia el líquido" pueden ser de tres tipos •

#ecánicos

•

'ifusión

•

8í$ridos

Los sistemas mecánicos" utili!an el aire como la fase continua" el agua como la fase discontinua" los sistemas de aireación mecánicos" dispersan el agua 9fase discontinua:" en el aire 9fase continua:" la capacidad de transferencia en este caso está en función del tamaño de las gotas del líquido disperso" del tiempo de residencia 9altura: y la capacidad de $om$eo 9masa de líquido dispersa por unidad de tiempo:. Los sistemas mecánicos se pueden su$,clasificar en •

&istemas de aireación mecánica de $aja velocidad.

•

&istemas de aireación mecánica de alta velocidad.

Los sistemas de baja velocidad o tam$ién llamados de flujo radial están compuestos por un elemento rotativo que se asemeja a un agitador" de$ido a que tra$aja a $aja velocidad 923,33 rpm: pero muy alta torsión es grande y ro$usto" su geometría es variada" su forma lo hace poco hidrodinámico teniendo alta resistencia a la rotación dentro del agua" pero el vencimiento de esta resistencia es la que genera la dispersión y la me!cla. %l hecho de tener pares de torsión altos por la resistencia del rotor  exige la colocación de cajas de reducción para los motores" para mantenerlos en un ám$ito normal de revoluciones" así como sistemas fijos de anclaje" ya sea ajustado a las paredes del tanque o puentes anclados. &u mantenimiento e instalación es más costosa de$ido a que tiene más partes móviles que los de alta velocidad y además esta sometidos a esfuer!os y vi$raciones mayores" lo que causa mayor  frecuencia de fallas en rodamientos y engranajes. %ntre sus $ondades esta le $uena me!cla" la alta capacidad de $om$eo" su extendido radio de me!cla y suspensión de sólidos" lo que lo hace apto para lagunas aireadas con sólidos totalmente suspendidos y lodos activados.

Equipo de contacto continuo. Las $ases que constituyen el diseño de equipo de contacto son los siguientes . alance de materia y entalpia incluyendo las ecuaciones de conservación de la masa u energía. 2. %quili$rio de interface" 0. %cuación de transferencia de masa. <. %cuaciones de transferencia de momento.

Los $alances de materia y de entalpia son importantes ya que esta$lecen ecuaciones que sirven para calcular las composiciones glo$ales de las dos fases en contacto en cualquier plano de la torre. Las ecuaciones de transferencia de masa se deducirá en forma difencial en com$inación con un $alance diferencial de

la masa y después se las integrara so$re el área de contacto interfasial para que exista la longitud de contacto suficiente" requerida por el cam$iador de masa.

Flujo contracorriente.

%n cualquier operación de transferencia de masa en estado permanente en la cual exista un contacto contracorriente de dos fases no solu$les. %n el fondo de la torre de transferencia de masa" la rapide! de flujo y la concentración se define =  es el numero totales de la fase = que entra a la torre cada hora" por sección transversal de la torre.

L

es el total de moles de la fase L que a$andonan la torre por área de sección transversal de la torre. > + es la fracción molar de la componente + en =" expresada en moles de + por el n)mero total de moles de la fase =. ? + es la fracción molar de la componente + en L expresada en moels de + por el n)mero total de moles de la fase L.

Flujo concurrente.

%n las operaciones de transferencia de masa en estado permanente" que incluye el contacto concurrente de dos fases no solu$les" el $alance total correspondiente a la componente +.

%l $alance de masa so$re la componente + alrededor de los planos @ y uno ar$itrario" @.

Balances de entalpia correspondientes a las torres de contacto continuo. #uchas operaciones de transferencia de masa son isotérmicas. %sto ocurre especialmente cuando se manejan me!clas diluidas. &in em$argo cuando se transfieren grandes cantidades de soluto" el calor de me!clado puede producir una elevación de temperatura en la fase receptora. &i la temperatura de la fase varia la solu$ilidad del soluto en equili$rio de alterara y a su ve!" se alteraran las fuer!as impulsoras o motrices de la difusión.

Coeficientes de capacidad de transferencia de masa.

k G

%l coeficiente individual de transferencia de masa expresión

" se define mediante la

 N  A = k G ( P  AG − P  AJ  ) > el coeficiente total de transferencia de masa se definió por medio de una ecuación semejante en función de la fuer!a impulsora en unidades de presión parcial"  N  A = k G ( P  AG − P  A *) %n am$as expresiones se expresó la transferencia de masa interface" en moles transferidos de + por unidad de tiempo por unidad de área por unidad de fuer!a impulsora en función de la presión. La transferencia de masa en una altura dz , diferencial" por unidad de sección transversal de área del cam$iador de masa es

 moles.transferid os.a. A    ( h )( area. int erfacial ) 

 N a 

=

 area. int erfacial    dz (  pies )  pies 3  

a

moles.transferid os.de. A

( h )( sec cion.transversal .del .area ) o en función de los coeficientes de transferencia

de masa"

 N  A adz  = k G a ( P  AG −  P  AJ  ) dz  >  N  A adz  = k GA ( P  AG −  P  A *) dz  4anto como el factor a como los coeficientes de transferencia de masa dependen de la geometría del equipo de transferencia de masa y de la rapide! de flujo de las dos corrientes no misci$les en contacto" se encuentran com$inadas en forma de producto. Las unidades del coeficiente de capacidad en la fase gaseosa son



  area. int erfacial  moles.transferid os.de. A moles.transferid os.de. A =   ( )( )( ) . int . h area erfacial   presion volumen  ( h )( volumen )( presion )  

k G a 

Las unidades más usuales son g mol de +As.m 0 Ba o $ien l$ molA9h: 9pie 0:9atm:.

%quipo para el estudio del coeficiente de difusión y transferencia de masa gaseosa.

Equipo de contacto continuo

Los moles de la componente + en difusión transferida por unidad de tiempo" por sección transversal de área se definieron utili!ando dos conceptos completamente distintos" el $alance de material y las ecuaciones de transferencia de masa. (uando el equipo ocurre un contacto continuo entre las dos fases no misci$les" am$as ecuaciones pueden com$inarse y la expresión resultante se puede integrar" o$teniéndose una relación para definir  la altura desconocida del cam$iador de masa.

Coeficiente de capacidad total constante

Biénsese en un cam$iador de masa isotérmico" contracorriente" que se utili!a para lograr una separación en un sistema cuyo coeficiente total" constante de transferencia de masa es C ya en toda la gama de valores relacionada con las operaciones de transferencia de masa. %l $alance de la masa" correspondiente a la componente + en la longitud diferencial d!" se descri$e por medio de la relación.

Los cam$iadores de masa de contacto continuo se diseñan integrando una ecuación que relaciona las ecuaciones de $alance de masa y transferencia de masa en un área diferencial de contacto inter facial.

Dn $alance de masa correspondiente a la componente en difusión. +" en función de las unidades de concentración li$re de soluto" produjo las siguientes ecuaciones de línea de operación" que son muy importantes

Eperaciones contracorriente en estado permanente.

Eperaciones concurrentes en estado permanente

'e$ido a la dificultad que existe para medir el área de contacto interface dentro del equipo de transferencia de masa se introdujo el factor a" que es el área superficial interface por unidad de volumen del cam$iador. %l producto del coeficiente de transferencia convectiva de masa y el factor a se denominó coeficiente de capacidad de transferencia de masa. La masa transferida en una longitud diferencial por sección transversal del área se expresó por medio de ecuaciones empíricas" una de las cuales fue la siguiente

Bara equipo en el que hay un contacto continuo entre dos fases no misci$les" se com$inaron el $alance de la masa diferencial y la transferencia de masa diferencial" para producir las siguientes ecuaciones de diseño (oeficiente de capacidad total constante Cy a

La integral de$e resolverse gráficamente.

4olerancia para la resistencia del coeficiente total de capacidad varia$le en las fases gaseosa y liquida.

%sta integral tam$ién se resuelve gráficamente

Líneas rectas de equili$rio y operación en coordenadas xy" fierra motri! logarítmica media

&e hi!o a)n más énfasis en la semejan!a entre la transferencia de masa y la de energía" en este capítulo. &e o$tuvieron las ecuaciones de diseño de los cam$iadores de masa" usando un término com$inado que representa la resistencia total C=a" comparada con D+ y la resistencia total 9B+ "= , p+ F:" comparada con +4"" tal" integrando so$re el área de contacto.

Conclusión Los cam$iadores de masa de contacto continuo se diseñan integrando una ecuación que relaciona las ecuaciones de $alance de masa y transferencia de masa en un área diferencial de contacto interfacial. %n este capítulo se han descrito los cuatro tipos principales de equipos de transferencia de masa. &e encontraron las ecuaciones fundamentales para el diseño de equipo de contacto continuo. Dn $alance de masa correspondiente a la componente en difusión" +" en función de las unidades de concentración li$re de soluto" produjo las siguientes ecuaciones de línea de operación" que son muy importantes Eperaciones contracorriente en estado permanente G S  ( Y  A1 − Y  A 2 ) =  L S  ( X  A1 −  X  A 2 )  y G S dY  A =  L S  dX  A

Eperaciones concurrentes en estado permanente G S  (Y  A1 − Y  A 2 ) =  LS  ( X  A 2 −  X  A1 )  y G S  dY  A = − LS dX  A

'e$ido a la dificultad que existe para medir el área de contacto interface dentro del equipo de transferencia de masa se introdujo el factor a" que es el área superficial interface por unidad de volumen del cam$iador. %l producto del coeficiente de transferencia convectiva de masa y el factor a se denominó 6coeficiente de capacidad de transferencia de masa7. La masa transferida en una longitud diferencial por sección transversal del área se expresó por medio de unas ecuaciones" una de las cuales fue la siguiente  N  A adz  =  K G a ( P  AG −  P  A *) dz 

Bara el equipo en el que hay un contacto continuo entre dos fases dos misci$les" se com$inaron el $alance de la masa diferencial y la transferencia de masa diferencial.

Bibliografa

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