Torres de aspersión o cámaras de aspersión son una forma de tecnología de control de la contaminación. Consisten en recipientes cilíndricos vacíos de acero o de plástico y boquillas la aplicación de líquido en los vasos. La corriente de gas de entrada por lo general entra en la parte inferior de la torre y se mueve hacia arriba, mientras que el líquido se pulveriza hacia abajo desde uno o más niveles. Este flujo de gas de entrada y el líquido en la dirección opuesta se llama flujo en contracorriente. La fi gura 1 muestra una típica torre de pulverización de flujo a contracorriente. Este tipo de tecnología es una parte del grupo de controles de la contaminación del aire que se refiere colectivamente como depuradores húmedos. Flujo de contracorriente expone al gas de salida con la concentración de los contaminantes más bajo hasta el líquido de lavado más actualizado. Muchas boquillas se colocan a través de la torre a diferentes alturas para pulverizar todo el gas a medida que se mueve hacia arriba a través de l a torre. Las razones para el uso de muchas boquillas es maximizar el número de finas gotitas que impactan las partículas contaminantes y para proporcionar una gran área superficial para la absorción de gas. Teóricamente, el más pequeño de las gotitas forma das, la mayor eficiencia de la recogida obtenido para contaminantes tanto gases y partículas. Sin embargo, las gotitas de líquido deben ser lo suficientemente grandes como para no ser llevado a cabo del lavador de gases por la corriente de gas de salida de fregado. Por lo tanto, las torres de aspersión utilizan boquillas para producir gotitas que son generalmente 500-1000 m de diámetro. Aunque pequeño en tamaño, estas gotitas son grandes en comparación con los creados en las lavadores Venturi que son 10-50 m de tamaño. La velocidad del gas se mantiene baja de 0,3 hasta 1,2 m/s para evitar el exceso de gotitas de ser llevado a cabo de la torre. Con el fin de mantener bajas velocidades de gas, torres de aspersión deben ser más grandes que otros lavadores que s e encargan de las tasas de flujo de la corriente gaseosa similares. Otro de los problemas que ocurren en spray torres es que después de que las gotitas caigan distancias cortas, tienden a aglomerarse o golpean las paredes de la torre. En consecuencia, se reduce el área total de la superficie del líquido para el contacto, la reducción de la eficiencia de recolección del lavador de gases. Además de una configuración de flujo en contracorriente, el flujo en las torres de aspersión puede ser o bien una corrient e paralela o contracorriente en la configuración. En las torres de aspersión de flujo a favor de corriente, el gas de entrada y el flujo de líquido en la misma dirección. Debido a que la corriente de gas no "empujar" contra los aerosoles líquidos, las velo cidades de los gases a través de los vasos son más altos que en las torres de aspersión de flujo en contracorriente. Por consiguiente, las torres de aspersión de flujo a favor de corriente son más pequeñas que las torres de pulverización de flujo en
contracorriente el tratamiento de la misma cantidad de flujo de escape. En las torres de aspersión de flujo de contracorriente, también llamado lavadores horizontales de pulverización, el gas y el flujo de líquido en direcciones perpendiculares entre sí. En este recipiente, el gas fluye horizontalmente a través de un número de secciones de pulverización. La cantidad y la calidad de líquido pulverizado en cada sección se pueden variar, por lo general con el líquido más limpio rociado en el último conjunto de aerosoles.
Recogida de partículas Torres de aspersión son depuradores de baja energía. La potencia de contacto es mucho menor que en lavadores Venturi, y la presión cae a través de tales sistemas son por lo general menos de 2,5 cm de agua de. La eficiencia de recolección para las partículas pequeñas es proporcionalmente menor que en los dispositivos más intensivos en energía. Ellos son adecuados para la recogida de partículas gruesas de más de 10 -25 m de diámetro, aunque con un aumento de presiones en la boquill a de entrada de líquidos, partículas con diámetros de 2,0 m se pueden recoger. Gotitas más pequeñas se pueden formar por presiones de líquido de más altas en la boquilla. Las más altas eficiencias de recolección se consiguen cuando se producen pequeñas gotas y la diferencia entre la velocidad de la gotita y la velocidad de las partículas que se mueven hacia arriba es alta. Las gotas pequeñas, sin embargo, tienen pequeñas velocidades de sedimentación, por lo que hay un intervalo óptimo de tamaño de gota para los depuradores que el trabajo de este mecanismo. Esta gama de tamaños de gota es de entre 500 y 1.000 m para torres de la gravedad de pulverización. La inyección de agua, a muy altas presiones 2070-3100 kPa - crea una niebla de gotitas muy finas. Mayor es eficiencias de recolección de partículas se puede lograr en este tipo de casos, ya que se producen los mecanismos de recaudación sean impactación inercial. Sin embargo, estas boquillas de pulverización pueden consumir más energía para formar gotitas de lo que sería un venturi de funcionamiento en la misma eficiencia de recolección.
Recogida de gases Torres de aspersión se pueden utilizar para la absorción de gas, pero que no son tan eficaces como las torres de placas o lleno. Las torres de aspersión pueden ser muy eficaces en la eliminación de contaminantes si los contaminantes son altamente solubles, o si un reactivo químico se añade al líquido.
Por ejemplo, las torres de aspersión se utilizan para eliminar el gas HCl a partir de los gases de escape de cola en la fabricación de gas de ácido clorhídrico. En la producción de superfosfato utilizado en la fabricación de fertilizantes, SiF4 HF y los gases se ventilan desde varios puntos en los procesos. Torres aerosol se han usado para eliminar estos compuest os altamente solubles. Las torres de aspersión también se utilizan para la eliminación de olores en las industrias de fabricación de sebo harina de hueso y por la depuración de los gases de escape con una solución de KMnO4. Debido a su capacidad para manejar grandes volúmenes de gas en atmósferas corrosivas, torres de aspersión se utilizan también en un número de sistemas de desulfuración de gases de combustión como la primera o segunda etapa en el proceso de eliminación de contaminantes. En una torre de pulverización, la absorción se puede aumentar al disminuir el tamaño de las gotitas de líquido y/o el aumento de la relación de líquido a gas. Sin embargo, para llevar a cabo cualquiera de éstos, se requiere un aumento tanto de la energía consumida y el cost o operativo. Además, el tamaño físico de la torre de pulverización limitará la cantidad de líquido y el tamaño de las gotitas que se pueden utilizar.
Los problemas de mantenimiento La principal ventaja de las torres de aspersión sobre otros depuradores es su diseño completamente abierta; que no tienen partes internas excepto para las boquillas de pulverización. Esta característica elimina muchos de la acumulación de sarro y problemas de taponamiento asociados con otros depuradores. Los principales problemas de mantenimiento son por aspersión boquilla de conectar o erosión, especialmente cuando se utiliza líquido lavador reciclado. Para reducir estos problemas, un sistema de sedimentación o filtración se utiliza para eliminar las partículas abrasivas desde el líquido de lavado reciclado antes de bombear de nuevo en las boquillas.
Resumen Las torres de aspersión son los dispositivos de control de bajo costo utilizados principalmente para el acondicionamiento del gas o de partículas de la primera etapa o la elim inación de gases. También se utilizan en muchos sistemas de desulfuración de gases de combustión para reducir el taponamiento y la escala de la acumulación de contaminantes. Muchos sistemas de lavado utilizan aerosoles, ya sea antes o en el fondo del depurador principal para eliminar las partículas grandes que pueden obstruir ella.
Las torres de aspersión se han utilizado eficazmente para eliminar las partículas grandes y gases altamente solubles. Las caídas de presión a través de las torres son muy bajos - generalmente menos de 2,5 cm de agua, por lo que los costos de operación de depuración son relativamente bajos. Sin embargo, los costes de bombeo de líquidos puede ser muy alta. Las torres de aspersión se construyen en varios tamaños - los pequeños para manejar los flujos de gas pequeñas de 0,05 m/s o menos, y grandes para manejar grandes flujos de escape de 50 m/s o mayor. Debido a la baja velocidad de gas requerido, unidades de tratamiento de grandes caudales de gas tienden a ser grandes en tamaño. Las características de operación de las torres de aspersión se presentan en la Tabla 1.
Bibliografía
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Separadores húmedos
Contenidos: Introducción Tipos de separadores: - De baja energía - De media energía - De alta energía Parámetros que afectan al funcionamiento de una torre de limpieza. Características de las partículas Características del gas Pérdida de presión Velocidad del gas y sección de la garganta en el venturi Relación líquido-gas Tamaño de la gota Tiempo de residencia Modelado de una caja de aspersión: de flujo cruzado y a contraflujo. Introducción: Una torre de limpieza húmeda es un dispositivo de control de la contaminación del aire que remueve material particulado y gases ácidos de las corrientes de gases residuales de fuentes fijas. Este apartado se centra en la eliminación de partículas sólidas. La separación se realiza por medio de una corriente liquida pulverizada (gotas), que es inyectada dentro de una cámara por donde circulan el gas contaminado. Las partículas se ven arrastradas por la corriente líquida hacia la parte inferior del equipo, que será posteriormente recogido y tratado. El contacto de las partículas con el medio líquido puede efectuarse de diversos
modos, el equipo más común es el equipo tipo Venturi. La eficacia depende del grado de contacto e interacción que tengan las partículas con el líquido; es por ello que es muy importante la atomización del líquido y un adecuado tiempo de contacto.Los lavadores logran buenas eficiencias de captura para partículas de tamaño de 0.1 a 20 µm. Mecanismos de captación de partículas: Los contaminantes son removidos principalmente a través del impacto, difusión, intercepción y absorción del contaminante sobre pequeñas gotas de líquido, impactación centrífuga, efectos electrostáticos, etc. El impacto y la intercepción es el mecanismo de mayor importancia para partículas de mayor tamaño. Para partículas pequeñas predominará la difusión, la absorción y los efectos electrostáticos. Tipos de colectores húmedos: Hay tres tipos de colectores húmedos dependiendo de la cantidad de energía suministrada o utilizada en el sistema de limpieza. La eficiencia de remonición de partículas está directamente relacionada con la energía requerida por el separador húmedo: Colectores de baja energía. Son aquellos en los que el flujo de aire contaminado pasa por una niebla o cortina de agua. Son para atrapar partículas de más de 50 micras o para hacer reacciones químicas o térmicas con los contaminantes. Los más conocidos son las cajas de aspersión, en los que el flujo contaminado pasa por una cámara en la que se ponen en contacto el gas y el agua mediante la aspersión del líquido.
Lavadores de media energía. En ellos flujo de contaminantes pasa por una serie de mamparas con cortinas de agua o junto a las paredes húmedas de los lavadores, las partículas del contaminante se unen al agua y luego ésta es tratada para separarla de los contaminantes.
Separadores de alta energía. Son aquellos equipos que utilizan la energía para mezclar con gran eficiencia a las emisiones y el agua, los equipos más conocidos son los venturis de alta energía. Estos equipos logran capturar con 99% de eficiencia a partículas de 0.5 de micra. Para lograr estas eficiencias se llegan a tener caídas de presión hasta de 1000 mm de agua, lo que implica el uso de mucha potencia. En elseparador de Venturi el gas contaminado circula por un tubo que tiene un estrechamiento, esta constricción hace que el flujo de gas se acelere cuando aumenta la presión. El flujo de gas recibe un rocío de agua antes o durante la constricción en el tubo. La diferencia de velocidad y presión, y la turbulencia que resulta de la constricción hace que las partículas y el agua se mezclen y combinen. La reducción de la velocidad en la sección expandida del cuello permite que las gotas de agua con partículas caigan del flujo de gas.
Los parámetros que afectan el funcionamiento global de una torre de limpieza húmedas: No hay un método general para el diseño de un separador húmedo, habrá que ver los requerimientos del efluente y, mediante prueba y error, determinar el óptimo entre los costos, debidos sobre todo a la energía requerida, y la eficiencia de funcionamiento. Los cálculos de pérdida de presión y velocidad en la garganta están referidos exclusivamente a un separador de venturi. Mas adelante se valorará la eficiencia de una caja de aspersión, en la que el término de pérdida de presión es menos importante) Distribución de tamaño y carga de partículas. La eficiencia de un separador húmedo va a depender de forma directa de la distribución del tamaño de partícula. Los colectores húmedos van a tener una buena eficiencia para partículas grandes, de 5 a 10 µm con pérdidas de presión no muy elevadas. Para conseguir eficiencias elevadas en distribuciones de partícula menores, se requerirán de equipos de venturi con separador ciclónico, y altas pérdidas de presión. El aumento de la carga contaminante (mayor masa de partículas en el mismo volumen de aire) se compensará con una mayor relación líquido-gas para mantener la eficiencia de recolección. El instrumento que usualmente se usa para calcular la distribución del tamaño de partículas es el impactador en cascada, que separa las partículas por tamaños, pudiendo medirse posteriormente la masa de cada placa de impacto.
Donde: ηd = eficiencia de recolección total ηj = eficiencia fraccional para el rango de diámetro de partícula j mj = fracción masa para el rango de diámetro de partícula j j = el número de rangos de diámetros de partícula
Ptd = penetración total del dispositivo de colección = eficiencia de recolección total
ηd
Razón del flujo, temperatura y humedad del gas residual. Las características del efluente gaseoso contaminado influirán en el diseño del separador. A mayor flujo volumétrico de gas se necesitará un equipo más grande y un mayor volumen de líquido, el problema radica en que los separadores húmedos no operan a flujos volumétricos muy elevados, a diferencia de los filtros de mangas o los precipitadores electrostáticos que tienen mayor capacidad. La temperatura y humedad del gas residual de entrada van a determinar la evaporación de líquido, tendiendo a aumentar la relación líquido-gas con gases con poca humedad y alta temperatura, en ciertas ocasiones se deberá disponer de un equipo de acondicionamiento del gas de entrada, para disminuir la temperatura. Para calcular la necesidad de líquido en exceso para contrarrestar los efectos de la evaporación, debemos conocer y calcular algunos parámetros del gas residual a la entrada y la salida: El gas que pasa a través del separador sufre un proceso de enfriamiento adiabático, y a la salida se encuentra en el punto de saturación. Subíndices: m = mezcla de aire seco y vapor de agua a = aire seco wv = vapor de agua
Caudal másico de agua evaporada
Caudal másico de agua a la salida Caudal másico de agua a la entrada
Caudal volumétrico de agua evaporada. Éste deberá ser el volumen excedente de líquido que se suministre al equipo a causa de la evaporación producida por las condiciones de entrada del gas residual. Densidad del agua
Razón de mezcla. La razón de mezcla a la salida se corresponde con una situación de saturación del aire, se puede calcular mediante el uso de un ábaco psicrométrico, de manera que, partiendo de las condiciones iniciales del gas residual suponemos un enfriamiento adiabático hasta la saturación, situándonos en el punto de humedad y temperatura final del gas.
Caudal másico Caudal volumétrico Peso molecular del gas Volumen de un mol de aire (22,4 l en condiciones normales). Para calcular los diferentes estados de volumen y temperatura, podemos usar la ecuación de gas ideal.
Relación de humedad (V/V)
Pérdida de presión. La velocidad relativa entre el gas y las gotas de líquido aumenta la eficiencia de recolección, pero a mayor velocidad mayor es la caída de presión en el sistema. En los separadores de venturi el aumento de la velocidad se consigue con el estrechamiento de la garganta.
ΔP = caída de presión a través del venturi (mmH2O) v = velocidad de garganta (m/s) ρg = densidad del gas (Kg/m3) L/G = relación líquido a gas (l/m3) k = factor de correlación para un diseño específico de torre de limpieza. Una de las ecuaciones más aceptadas para un separador de venturi es la de Calvert, con K=5,2*10-6
Pt Penetración de partículas Ci y Co = concentración (masa sólido/masa aire) de partículas
<5 μm a la entrada y salida del separador de venturi. Esta ecuación relaciona la eficiencia de recolección con la caída de presión (a mayor energía suministrada al sistema la eficiencia de recolección es mayor). Fue determinada experimentalmente por Hesketh, que considera que en un separador de venturi la eficiencia de separación de partículas inferiores a 5 μm es del 100% ΔP = caída de presión (mmH2O) Velocidad y sección de la garganta de venturi. La garganta es el lugar donde se produce el estrechamiento del separador de venturi, aumentando la velocidad del gas y la turbulencia, que favorecen el mezclado. La divergencia vuelve a disminuir la velocidad, y se diseña de manera que se recupere la mayor cantidad de energía posible. Es en este lugar donde se produce la mayor pérdida de presión, por lo que aunque la mayor velocidad favorece la máxima eliminación de partículas, existen unas limitaciones en su diseño, como son la velocidad del gas requerida en el eliminador de rocío o la pérdida de presión máxima admisible por los costos de operación. Una ecuación para la estimación de la velocidad óptima en la garganta sería:
vt = velocidad en la garganta (m/s) At = área de sección transversal de la garganta (m2) Qm = razón de flujo volumétrico máximo real de aire (m3/s) ρsat = densidad del gas al punto de saturación (Kg/m3) C = constante para separadores de venturi con sección convergente de 30º y divergente de 10º a 12º y una densidad de gas no mayor de 1 kg/m3.
At área de la sección de la garganta Ai área de la sección a la entrada vt velocidad en la garganta vi velocidad a la entrada
Relación líquido-gas (L/G). Es la relación entre el volumen de líquido que se utiliza para tratar un volumen de gas contaminado. Esta relación tenderá a aumentar con el aumento de la carga de partículas en el efluente contaminado con el fin de mejorar la eficiencia. Esta relación suele encontrarse entre 1 y 1,5 litros por cada metro cúbico de aire contaminado. Tamaño de la gota. En principio a menor tamaño de gota, se consigue una mayor eficiencia de recolección, pero ocurre que a un determinado tamaño de gota límite, ésta es resuspendida con el efluente gaseoso, reduciéndose la velocidad relativa entre líquido y partícula y por tanto reduciéndose la eficiencia de recolección, además en caso de que el contacto sea a contracorriente, las gotas con las partículas pueden ser arrastradas con el efluente gaseoso. Tiempo de residencia. El mayor tiempo de contacto entre el líquido y el material particulado del efluente gaseoso contaminado resulta en una mayor eficiencia de recolección. En los separadores de venturi se estima que la longitud de la garganta debe ser tres veces el diámetro, y la longitud de la divergencia cuatro veces el diámetro, de esta manera se aumenta la eficencia al aumentar el tiempo de contacto. Caja de aspersión estándar. Podemos modelar ecuaciones que nos relacionen los parámetros básicos del lavador, tales como las dimensiones, el diámetro de gota, la eficiencia, y los caudales de gas y líquido, el cálculo es más sencillo que en el caso de los lavadores de venturi: Para las cajas de aspersión el término de pérdida de carga no es demasiado importante, ya que no hay grandes pérdidas al ser un separador húmedo de baja energía. La eficiencia de remonición por lo tanto no va a ser muy elevada (en torno al 90% para partículas mayores de 5 μm teniendo eficiencias muy inferiores para partículas de menor tamaño) Mediante el siguiente gráfico se puede relacionar un parámetro adimensional, número de separación (Ns), con la eficiencia del blanco (η), que representa el número de partículas que impactan con la gota debido a su inercia en lugar de seguir las líneas de flujo que rodean la gota en relación con las que hubieran impactado en caso de no desviarse con las líneas de flujo. Es decir, la cortina de agua actuaría aproximadamente como un filtro en el que no se produjese la formación de la torta.
ρp densidad de las particulas Dp diámetro de las partículas V velocidad del gas μ Densidad del gas Db diámetro del blanco o de la gota de agua Para una caja de aspersión de flujo cruzado:
ln (C/Co) = (-1.5/Dd)* η * (QL*Δz / QG)
Para una caja de aspersión a contraflujo:
ln (C/Co) = -1.5*(η/Dd) * (QL/QG)* ((V)/(V-Vg)) Δz C/Co = Pt penetración Dd diámetro de la gota η eficiencia del blanco QL y QG caudales de líquido y gas respectivamente Δz Altura de la caja de aspersión V Velocidad de las gotas Vg Velocidad del gas Fuentes: - Manual de costos de operación de control de la contaminación del aire de la E.P.A. http://www.epa.gov/ttn/catc/dir1/c_allchs.pdf - Ingeniería de sistemas educativos. http://www.aprendizaje.com.mx - Ingenieroambiental.com. http://www.ingenieroambiental.com - Curso de orientación para el control de la contaminación del aire : Manual de auto-instrucción.
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Las operaciones de separación más importantes de la industria química son las siguientes: COLUMNA DE DESTILACIÓN ABSORCIÓN GAS-LÍQUIDO EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO INTERCAMBIO IÓNICO SEPARACIÓN POR MEMBRANA ÓSMOSIS INVERSA CENTRIFUGACIÓN SEPARACIÓN ELECTROSTÁTICA COLUMNA DE DESTILACIÓN Principios de operación Este es uno de los tipos de dispositivos de transferencia de materia más utilizados en la industria, consistente en el acoplamiento de unidades o etapas sucesivas. Una unidad o etapa recibe dos corrientes, una fase V y una fase L, procedentes de dos etapas adyacentes, se ponen en contacto y se descargan las fases L y V, respectivamente, hacia las mismas unidades adyacentes. Para que exista transferencia de materia es preciso que las corrientes que entran en cada etapa no estén en equilibrio, ya que es la separación de las condiciones de equilibrio lo que proporciona el gradiente para la transferencia. Las corrientes que salen no están generalmente en equilibrio, pero sí mucho más próximas al mismo de lo que lo estaban las corrientes de entrada. La proximidad al equilibrio depende de la eficacia de la mezcla y de la transferencia de materia entre fases. Para simplificar el diseño se supone que las corrientes que salen de las etapas están en equilibrio, concepto de etapa ideal, y con posterioridad se aplica un factor de corrección o eficacia para tener en cuenta esta separación del equilibrio.
Descripción de la instalación Se alimenta a la columna cerca de su parte central con un determinado flujo y una concentración definida. El plato en el que se introduce la alimentación recibe el nombre de plato de alimentación. Todos los platos por encima de éste, constituyen la sección de rectificación, mientras que todos los platos por debajo de la alimentación, incluyendo el plato de alimentación, constituyen la sección de agotamiento. La alimentación desciende por la sección de agotamiento hasta el fondo de la columna, donde se mantiene un nivel de líquido definido. El líquido fluye por gravedad hasta el calderín, que genera vapor y lo devuelve al fondo de la columna, comenzando así el ascenso por la columna de dicho vapor. Del calderín se extrae el producto de cola. Los vapores que llegan a la parte superior de la columna se condensan totalmente en un condensador. Parte de este condensado se devuelve al plato superior de la torre y parte se extrae como producto. Esta corriente de líquido recibe el nombre de reflujo. El líquido que desciende es el que iteraciona con el vapor ascendente. Si no se forman azeótropos, los productos de cabeza y cola pueden obtenerse con una pureza elevada si hay suficientes platos y utilizando un reflujo adecuado. Ventajas y aplicaciones La variedad de las columnas de rectificación y sus aplicaciones es enorme. Las mayores unidades se encuentran generalmente en la industria del petróleo, pero también existen columnas grandes y plantas de destilación muy complicadas en el fraccionamiento de disolventes, en la separación del aire líquido y en los procesos químicos en general. Diagrama de flujo Esquema de una destilación típica con un equipo de “flash” previo. Columna de destilación opera1_thumb ABSORCIÓN GAS-LÍQUIDO Principios de operación La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que éste disuelva determinados componentes del gas, que queda libre de los mismos. La absorción puede ser física o química, según que el gas se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico. En una sección cualquiera de la columna están en contacto un gas y un líquido que no están en equilibrio, por lo que se produce una transferencia de materia. La fuerza impulsora actuante es la diferencia entre la presión parcial en el gas del componente que se transfiere y la presión parcial que tendría el componente en un gas que estuviera en equilibrio con el líquido del punto considerado Descripción de la instalación
Un aparato frecuentemente utilizado en absorción de gases es la torre de relleno. El dispositivo consiste en una torre equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior, una entrada de líquido y un distribuidor en la parte superior; salidas para el gas y el líquido por cabeza y cola, respectivamente; y una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que recibe el nombre de relleno de la torre, el cual puede ser cargado al azar en la torre o bien ser colocado ordenadamente a mano. La entrada de líquido se distribuye sobre la parte superior del relleno mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja uniformemente la superficie del relleno. El gas que contiene el soluto asciende a través de los hendiduras del relleno en contracorriente con el flujo de líquidos, y así el líquido se enriquece de soluto a medida que desciende por la torre. El relleno proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas, favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases, y la mayoría de los rellenos de torre se construyen con materiales baratos, inertes y ligeramente ligeros, tales como la arcilla, porcelana o diferentes plásticos. A veces se utilizan anillos metálicos de pared delgada, de acero o aluminio. Por último cabe mencionar que el diámetro de una torre de absorción depende de las cantidades de gas y líquido tratadas, sus propiedades, y la relación de una corriente a otra, y que la altura de la torre, y por tanto el volumen del relleno, depende de la magnitud de las variaciones de concentración que se desean y de la velocidad de transferencia de materia por unidad de volumen de relleno. Ventajas y aplicaciones Uno de los ejemplos típico es la absorción de amoniaco contenido en una mezcla con aire, mediante tratamiento con agua líquida. El soluto se puede recuperar posteriormente del líquido por destilación y el líquido absorbente puede desecharse o bien ser reutilizado. En definitiva, la absorción gas-líquido se utiliza siempre que tengamos una corriente gaseosa, en la cual haya un componente que queramos eliminar, desde los procesos petroquímicos hasta la purificación de un residuo gaseoso. Diagrama de flujo Proceso de lavado de un gas. Absorción gas-líquido opera2_thumb EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO Principios de operación Esta técnica se utiliza para separar dos líquidos miscibles utilizando un disolvente que disuelve preferentemente a uno de ellos. En extracción es preciso recuperar el disolvente, generalmente por destilación, para su reutilización y la operación combinada es más compleja y, con frecuencia más costosa que la destilación sola sin extracción. Puesto que la mayor parte de los métodos de extracción continua usan contactos en contracorriente entre dos fases, muchos de los fundamento de la absorción de gases se pueden aplicar a la extracción líquido-líquido, cuestiones como etapas ideales, eficacias, etcétera.
Descripción de la instalación En extracción, lo mismo que en absorción de gases, es preciso poner en buen contacto dos fases para permitir la transferencia de materia y separar después las fases. Con frecuencia las fases son difíciles de mezclar y todavía más difíciles de separar. El extracto es la capa de disolvente más el soluto extraído y el refinado es la capa de la que se ha separado el soluto: el extracto puede ser más o menos denso que el refinado, de forma que pueda salir por la parte superior del equipo y otras por el fondo. Los equipos de extracción más representativos son columnas de pulverización, torres de relleno y columnas de platos perforados. Uno de los más sencillos es la torre de pulverización, la cual opera en contacto diferencial y no por etapas, teniendo lugar la mezcla y sedimentación de forma simultánea y continua. El líquido menos denso se introduce por el fondo y se distribuye en pequeñas gotas por medio de las boquillas A. Las gotas del líquido ligero ascienden a través de la masa de líquido más pesado que desciende por la torre como una corriente continua. Las gotas se recogen en l a parte superior y forman la corriente del líquido más ligero que sale por la cima de la torre. El líquido más pesado sale por el fondo de la torre. Hay una transferencia continua de materia entre las fases, y la composición de las fases varía a medida que circula por la torre. La velocidad de transferencia es relativamente baja en comparación con absorción o destilación y una columna alta puede ser equivalente a sólo una pocas etapas ideales. Se puede aumentar la transferencia de materia en la torre, llenando la columna con cuerpos de relleno tales como anillos o monturas. Ventajas y aplicaciones Cuando la separación por destilación es ineficaz o muy difícil, la extracción líquido-líquido es una de las alternativas a considerar. Uno de los principales usos son las mezclas con las temperaturas de ebullición próximas, como derivados del petróleo, o sustancias que no pueden soportar la temperatura de destilación, con frecuencia se separan por extracción, que utiliza diferencias de estructura química en vez de diferencias de volatilidades. La extracción puede utilizarse para separar más de dos componentes y en algunas aplicaciones se requiere una mezcla de disolventes en vez de un solo disolvente. Diagrama de flujo Extracción de ácido acético en disolución acuosa. Extracción líquido-líquido opera3_thumb INTERCAMBIO IÓNICO Principios de operación El intercambio iónico se basa en la adsorción, el cual es un proceso de separación en la que ciertos componentes de una fase fluida se transfieren hacia la superficie de un sólido adsorbente. Generalmente las pequeñas partículas de adsorbente se mantienen en un lecho fijo mientras que el fluido pasa continuamente a través del lecho hasta que el sólido está prácticamente saturado y
no es posible alcanzar ya la separación deseada, con lo cual el lecho se ha de regenerar La mayor parte de los adsorbentes son resinas, compuestos orgánicos de gran peso molecular que tiene la propiedad de disponer de un residuo catiónico o aniónico intercambiable, y gracias a su alta porosidad, la adsorción puede tener lugar fundamentalmente en el interior de las partículas, y aumentado así el área de contacto. La separación se produce debido a la diferente afinidad de las resinas con los cationes y aniones que se desean eliminar, y por tanto la buena elección del lecho favorecerá la separación de los iones y la eficacia dependerá del equilibrio sólido-líquido y de las velocidades de transferencia de materia. Descripción de la instalación Un aparato de adsorción está constituido normalmente por un recipiente cilíndrico, cerrado, que en su interior contiene la resina. Debido a los dos tipos de resinas, catiónicas y aniónicas, se acostumbra a colocar adyacentes dos columnas, cada una con un tipo de resina, para así eliminar primero los cationes y con posterioridad los aniones. Las partículas de adsorbente se colocan en un lecho soportado sobre una matiz o placa perforada. La alimentación circula a través del lecho en sentido descendente, y cuando la concentración de soluto en el fluido de salida alcanza un cierto valor, o bien para un tiempo previamente establecido se ha de parar la operación y pasar a regenerar dicho lecho. Para evitar estos inconvenientes, en el trabajo continuo, se colocan dos columnas, y así mientras una trabaja la otra efectúa la operación de regeneración. La regeneración de una resina catiónica se lleva a cabo añadiendo un ácido fuerte, aportar H+, mientras la aniónica se regenera con bases, compuestos que aporten OHVentajas y aplicaciones Este es un proceso típico para ablandar o desionizar el agua, aunque es recomendable aplicarse después de un tratamiento previo adaptado a cada calidad de agua bruta, y que consista, especialmente, en la eliminación de las materias en suspensión, materias orgánicas, cloro residual, cloraminas, etcétera. Diagrama de flujo Esquema de un proceso de desionización de agua. Intercambio iónico opera4_thumb SEPARACIÓN POR MEMBRANA Principios de operación En un equipo de este tipo, una membrana de material polimérico separa dos fluidos con concentraciones diferentes de una determinada sustancia. La membrana impide el flujo hidrodinámico entre los dos fluidos. Sin embargo, es permeable con respecto a la sustancia en cuestión, permitiendo su difusión al fluido con una menor concentración y haciendo posible así la extracción de parte de la sustancia no deseada de la corriente que la contenía inicialmente. Las
películas poliméricas en general, pueden ser entendidas como un conjunto de regiones cristalinas y amorfas entremezcladas. Las regiones cristalinas presentan estructuras regulares que hacen muy difícil la difusión de cualquier sustancia a través de ellas y que son consideradas impermeables. Son las regiones amorfas las que pueden permitir el paso a determinadas moléculas. Descripción de la instalación Como ya se ha dicho, las membranas están fabricadas de material polimérico. Sus espesores son del orden de micras y varían según los casos. Existe una amplia variedad de diseños de unidades de separación por membrana. En concreto, para la separación de gases, tres son los modelos más frecuentemente utilizados: - el modelo "hollow-fiber" - el modelo "spiral-wound" - el modelo de plato y carcasa Ventajas y aplicaciones El uso de técnicas de separación por membrana de líquidos o gases resulta muy válido para separar mezclas de compuestos con propiedades físicas y químicas similares, mezclas de isómeros y mezclas que contienen sustancias térmicamente inestables. Este tipo de procesos es particularmente útil como técnica de separación cuando otras más convencionales no son económicamente recomendables para obtener unas especificaciones de producto determinadas. También suele emplearse complementando a otras técnicas más clásicas. Por ejemplo, una unidad de separación de membrana puede utilizarse para romper una mezcla azeotrópica antes de que ésta sea alimentada a una columna de destilación. Diagrama de flujo Esquema de un proceso en el que se utiliza un equipo de separación por membrana para romper una mezcla azeótrópica de dos componentes (comp1, comp2) antes de someterla a un proceso de destilación. Separación por membrana opera5_thumb ÓSMOSIS INVERSA Principios de operación La ósmosis inversa separa un soluto de una disolución forzando al solvente a fluir a través de una membrana mediante la aplicación de una presión superior a la presión osmótica normal. En la ósmosis inversa, las moléculas de soluto son de un tamaño similar al de las moléculas de disolvente. Al contrario que otras operaciones unitarias como la destilación, este proceso permite operar a temperatura ambiente. Además, combina simplicidad técnica con versatilidad. Descripción de la instalación
Los materiales más frecuentemente utilizados en la fabricación de las membranas son el acetato de celulosa y las poliamidas aromáticas. Cuatro son los modelos más comunes empleados en la separación por ósmosis inversa: - el modelo "hollow-fiber" - el modelo "spiral-wound" - el modelo de plato y carcasa - el modelo tubular Ventajas y aplicaciones A pesar de que la ósmosis inversa se utiliza fundamentalmente en la desalinización de agua, ya sea para consumo humano o para uso industrial, también resulta frecuente su uso en procesos de producción de sustancias inestables térmica o químicamente en los que los métodos tradicionales de separación provocan pérdida de producto o deterioro de su sabor (medicinas, alimentos…). La ósmosis inversa también se emplea para fraccionar mezclas de materiales difíciles de separar por otros medios, como polímeros naturales o sintéticos. Diagrama de flujo Esquema de un proceso de desalinización de agua de mar. Ósmosis inversa opera6_thumb CENTRIFUGACIÓN Principios de operación El equipo gira alrededor de un eje, generando así una fuerza centrífuga que hace que las partículas de la fase más pesada se dispongan formando una capa lo más alejada posible del eje de rotación, todo lo contrario que ocurre con las partículas de la fase más ligera. Descripción de la instalación Podemos hablar de tres tipos fundamentales de separadores centrífugos - centrifugador "tubular-bolw". Gira a velocidades muy altas, generando fuerzas centrífugas del orden de 13,000 veces la fuerza de la gravedad. Está construido para operar con caudales de entre 200 y 2,000 litros/hora. Al no disponer de un sistema de extracción automático, sólo puede trabajar con concentraciones pequeñas de sólidos. - centrifugador "disk-bowl". Gira a una velocidad inferior al anterior y genera una fuerza centrífuga 7,000 veces la de la gravedad. Puede manejar caudales de hasta 20,000 litros/hora con cantidades moderadas de sólidos.
- centrifugador "solid-bowl". Su velocidad de giro provoca fuerzas centrífugas de 3,000 veces la de la gravedad. Es capaz de trabajar con corrientes que contienen gran cantidad de sólidos, separando hasta 50 toneladas/hora de esas sustancias. Ventajas y aplicaciones Esta clase de separadores están diseñados para operar con corrientes líquido-sólido y líquidolíquido-sólido. Los sistemas gas-sólido se separan por medio de otro tipo bien diferenciado de equipos que son los ciclones. Diagrama de flujo Esquema de un proceso de producción de polipropileno en el que se utilizan dos equipos de centrifugación para separar el polvo de polipropileno del disolvente. Centrifugación opera7_thumb SEPARACIÓN ELECTROSTÁTICA Principios de operación La separación electrostática es un método de separación basado en la diferente atracción o repulsión de partículas cargadas bajo la influencia de un campo eléctrico. La aplicación de una carga electrostática a las partículas es un paso necesario antes de que su separación pueda tener lugar. Tres son las técnicas más utilizadas para dotar a las partículas de dicha carga: - electrificación por contacto entre materiales con propiedades muy diferentes. - inducción conductiva, la cual tiene lugar al poner en contacto una partícula inicialmente no cargada con una superficie que sí que lo está. - bombardeo de iones de gases atmosféricos. Este es el método más poderoso de electrificación. Descripción de la instalación Los separadores electrostáticos pueden dividirse en tres grandes grupos según que sistema de electrificación de partículas se utilice. Dentro de cada uno de estos grupos, existen varias clases. La más extendida industrialmente es la de los "conductive roll separators", que utilizan el bombardeo iónico como técnica de electrificación de las partículas. Ventajas y aplicaciones Las aplicaciones de este tipo de separadores son diversas: – separación de minerales en cadenas de purificación de extracciones mineras. - extracción de partículas no metálicas contenidas en polvos metálicos. - separación de piedra y arena de verduras y hortalizas en una primera fase de su procesado.
- extracción de partículas en el tratamiento de aguas. Mediante este tipo de equipos, resulta muy difícil separar partículas con un tamaño inferior a 0.074 mm, y prácticamente imposible si su tamaño es inferior a 0.044mm. La inversión a realizar cuando se quiere adquirir uno de estos equipos es grande, aunque los costes de operación no son demasiado elevados. Diagrama de flujo Esquema de un proceso típico de separación de partículas. Separación electrostática opera8_thumb BIBLIOGRAFÍA Perry R.H., Green D. / "Perry’s Chemical Engineers Handbook" / McGraw-Hill / 1988. McCabe W.L., Smith J.C. / "Unit Operations of Chemical Engineering" / McGraw-Hill / 1993. Coulson J.M., Richardson J.F., Sinnot R.K. / "Chemical Engineering" / Pergamon Press / Vol. 6 / 1993
http://cidbimena.desastres.hn/ri-hn/pdf/spa/doc14695/doc14695-c.pdf colectores, campanas y ductos
http://web.ing.puc.cl/~power/alumno10/mitigacion/Camara%20sedimentacion.html ciclon
