Curso Maquinarias - Columna Empacada

8/4/2019 Curso Maquinarias - Columna Empacada

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Contenidos:

Introduccin

Estructura de la columna de relleno y tipos de relleno

Diseo de una columna de absorcin

Parmetros de entrada y salida

Caractersticas de distintos tipos de empaque

Los cinco primeros puntos pueden entrar en el examen, el ingeniero dijo que clculosno va entrar!

Clculo de la altura de la columna

Clculo del dimetro y prdida de presin

Tratamiento con distintos tipos de disoluciones

Introduccin

El mtodo de eliminacin de SO2 y compuestos cidos de las corrientes gaseosas es la

absorcin, aunque este mtodo es aplicable a otros contaminantes. Este procedimientoconsta de la transferencia de un contaminante de la corriente gaseosa con elevadaconcentracin de contaminante a un lquido, con baja presin de vapor y menorconcentracin del compuesto, en el que tenga alta solubilidad. La fuerza impulsora que

provoca la separacin ser entonces la diferencia de concentraciones.

La absorcin puede ser fsica, si la separacin es por disolucin, o qumica, si elcompuesto que se quiere eliminar reacciona con el solvente seleccionado. De estamanera, aunque la etapa limitante suele ser la absorcin fsica, se puede mejorar lasolubilidad de determinado compuesto mediante la adicin al solvente de sustancias quereaccionen con l (disolucin alcalina como solvente para eliminar un compuesto

cido). Tambin existen lavadores secos que pulverizan un absorbente en forma depolvo en la zona de combustin, aunque estos ltimos generan problemas de partculas.Estos sistemas pueden ser usados para la recuperacin del azufre en forma de cidosulfrico o SO2 (g) concentrado, si con las condiciones de operacin es rentable.

Para conseguir la mxima eficiencia se debe buscar la mxima superficie de contactoentre el gas residual y el lquido eliminador, adems los materiales de construccin deestos equipos deben ser resistentes a la corrosin debido al carcter cido de loscontaminantes. Hay una amplia gama de equipos que se han diseado con este fin,entre los que se encuentran las columnas de platos, las columnas de relleno, las cajas deaspersin, los separadores de venturi, etc. Los parmetros ms importantes en el diseo

de estos equipos son:
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La razn lquido/gas. Cuanto menor sea este nmero menor cantidad de lquido lavadornecesitamos y por tanto menor gasto y menor dimensionado de las instalaciones

pH. Dependiendo del sistema empleado, el pH se debe de mantener dentro de unoslmites para asegurar una alta solubilidad del SO2 y la no formacin de costras.Velocidad del gas. Para minimizar los costes los lavadores se disean a la mxima

velocidad del gas posible, minimizando el tamao de la vasija.Tiempo de residencia. El gas debe de permanecer dentro de la vasija el tiemposuficiente para que la mayor cantidad posible de SO2 sea absorbida.

Las cajas de aspersin son equipos donde la disolucin solvente se pone en contacto conel gas residual dentro de una cmara mediante aspersin, donde los flujos de gas ylquido pueden ponerse en contacto en contracorriente (sentidos opuestos), encocorriente (mismo sentido) o en flujo transversal (direccin perpendicular). Lo msadecuado para la mxima eficiencia de separacin y la mnima relacin lquido/gas es elflujo a contracorriente, ya que se ponen en contacto el gas y el lquido con la mnimaconcentracin de contaminante, de manera que se maximiza la fuerza impulsora.

Comnmente el lquido entra por la parte alta del equipo y se elimina por la parteinferior, y a la inversa circulara el gas contaminado, de la parte baja hacia la superior.

Las columnas de platos son equipos a contracoriente, en los que el contacto se hace endiscontinuo sobre unos platos que tienen orificios para el paso de los gases, y unvertedero para transferir el lquido de plato a plato, de manera que los gases ascienden

burbujeando por los orificios.

Los separadores de venturi provocan una aceleracin del gas mediante unestrechamiento, llamado garganta de venturi, en la que se produce la mezcla gas-lquido, siendo la velocidad del lquido la que proporciona la energa para el correctocontacto entre gas residual y solvente, y auque el tiempo de residencia es escaso debidoa las altas velocidades, tienen una buena eficiencia en la eliminacin de partculas. Estosequipos presentan una gran prdida de presin y debido a el escaso tiempo de residenciaslo es aplicable a gases de alta solubilidad.

Las columnas de relleno a contracorriente, en las que nos centramos en este apartado,son equipos cilndricos que contienen en su interior un relleno cuyo objetivo esmaximizar el rea de contacto entre gas y lquido. Las torres empacadas tieneneficiencias de remonicin de gases ms altas que otros equipos manejando caudales degas residual ms altos y menor cantidad de lquido de limpieza, aunque las prdidas de

presin son altas y los costos del equipo, de operacin y de mantenimiento tambinpueden ser bastante altos.

Estructura de una columna de relleno, y tipos de relleno


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http://www.cepis.ops-oms.org/bvsci/e/fulltext/orienta2/lecc8/lecc8_2f.htmlBiblioteca virtual de desarrollo sostenible y salud ambiental

Tamao recomendado de empaque

Dimetro de la columna Tamao

< 0,3 m < 25 mm

0,3 - 0,9 m 25 - 39 mm

> 0,9 m 50 - 75 mm

Caractersticas de los rellenos de columnas de absorcin:1. Qumicamente inerte frente a los fluidos de la torre.

2. Resistente mecnicamente sin tener un peso excesivo.3. Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retencin de lquido ocada de presin.4. Proporcionar un buen contacto entre el lquido y el gas.5. Coste razonable


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Diseo

Para el diseo de una columna de relleno debemos tener en cuenta conseguir el mximode transferencia del contaminante con el mnimo consumo de energa y tamao de lacolumna. El clculo principal en el diseo de la columna es la altura de relleno necesaria

para conseguir la transferencia de contaminante al lquido deseada, en funcin delequilibrio que tenga entre gas y lquido. Aunque existen otros parmetros importantes,como son el dimetro de la columna, los caudales de gas residual y lquido, el tipo derelleno y la prdida de presin.

Para calcular todos estos datos comenzamos con los parmetros que conocemos paranuestro caso: las condiciones a las que operar nuestra columna (P y T), la composicindel gas de entrada, el equilibrio del contaminante entre gas y lquido, la eficiencia que

perseguimos en la separacin, las propiedades de los contaminantes y el flujo de gasresidual que queremos tratar.

Lo primero es determinar todos los parmetros de entrada y salida de los fluidos que semuestran en el grfico anterior en la columna de separacin que se quiere disear.

Gi y Go flujo de gas a la entrada y a la salida.

Yi e Yo concentracin de contaminante en el gas residual en la entrada y en la salida de

la columna.

La concentracin en el gas residual se conoce, y segn la eficiencia deseada del equipo(), podemos calcular la concentracin a la salida:

Li y Lo flujo de solvente entrando y saliendo de la columna


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Xi y Xo concentracin de solvente en el lquido en la entrada y en la salida de lacolumna

Ls y Gs expresan los caudales de lquido y gas libres de contaminante, que sonconstantes ya que la transferencia de humedad de la fase lquida a la gas se considera

despreciable.

La lnea de operacin representa la relacin de las composiciones globales de lquido ygas en contacto en cualquier punto de la columna:


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La curva de equilibrio representa la concentracin, a una temperatura dada, delcontaminante en la fase lquida y en la fase gas en el momento en que se ha alcanzado elequilibrio.

Datos de solubilidad del SO2 en agua, para la preparacin de la curvade equilibrio

% SO2 w/w en lasolucin

0,05 0,1 0,15 0,2 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5

Presin parcial deSO2 En el gasmmHg

1,2 3,2 5,8 8,5 14,1 26 39 59 92

La mnima relacin de lquido/gas, para conseguir la transferencia de contaminanterequerida, estara determinada por la pendiente de la lnea que parte de la concentracinde salida del gas y entrante de lquido, y corta la curva de equilibrio en el punto en quemarca la concentracin de entrada de gas. Aunque este es un valor terico no aplicable,ya que la fuerza impulsora a la entrada del gas en la columna es 0, al haberse alcanzadola lnea de equilibrio, adems es muy baja en el resto de la columna, teniendo queestablecer siempre una relacin mayor. Adems no se considera la cantidad de flujonecesaria para mojar todo el empaque, que es necesario para la adecuada transferenciade materia entre fases. ste ltimo factor es muy importante, siendo el nivel mnimo deflujo que se va a utilizar, aunque el flujo necesario para la separacin requerida sea demenor cuanta.

Flujo mnimo de lquido por seccin de rea transversal:

Donde:

MWR razn mnima de mojadura con valor de 0,08 m2/h para los empaquesestructurado de cuadrcula o de anillo mayor de 76,2 mm (3 pulgadas) y valor de 0,121m2/h para el resto de empaques.

a relacin superficie/volumen del empaque


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Caractersticas de distintos tipos de empaque:

Tipo de

empaque

Tamao

nominal

Peso aprox.

por m3,kg(densidad)

Area

superficialaprox. m2/m3

Espacio

vaco(%)

Factor de

empaque:

Fp, m-1mm pulg

MonturasBerl ,cermica

6 0,25 900 900 60 90013 0,50 865 465 62 24025 1,0 720 250 68 11038 1,5 640 150 71 6551 2,0 625 105 72 45

MonturasIntalox,cermica

6 0,25 865 625 75 72513 0,50 737 480 78 20025 1,0 673 255 77 9238 1,5 625 195 80 5251 2,0 609 118 79 4076 3,0 577 92 80 22

MonturasIntalox, metal

(No.25)

97 41

(No.40)

97 25

(No.

50)

98 15

(No.70)

98 13

Monturasintalox,

plstico(polipropileno)

25 1,0 76 206 91 3251 2,0 64 108 93 2176 3,0 60 88 94 15

Anillos Pall,metal

16 0,625 341 92 7025 1,0 480 210 94 4838 1,5 415 130 95 2851 2,0 385 105 96 2089 3,5 270 66 97 16

Anillos Pall,plstico(polipropileno)

160,625

116 340 87 97

25 1,0 88 205 90 5238 1,5 76 130 91 4051 2,0 72 100 92 2589 3,5 68 85 92 16

Anillos 6 0,25 960 710 62 1680


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Rasching,cermica

13 0,50 880 370 64 64016 0,625 800 240 72 27025 1,0 670 190 74 16038 1,5 740 120 68 9551 2,0 660 92 74 65

76 3,0 590 62 75 3689 3,5 580 46 80 25

AnillosRasching,acero

13 0,5 1 500 417 80 22225 1,0 1 140 207 86 13738 1,5 785 130 90 8251 2,0 590 102 92 5776 3,0 400 72 95 32

Hy-pac (acero) (No. 1) 300 117 96 43

(No.2) 225 95 97 18

Clculo de la altura de la columna

La altura de la columna esta dada por la siguiente expresin en relacin al coeficientede transmisin de materia de la fase gas y la composicin del gas (en esta fase

podramos usar las presiones parciales para el clculo de NOG):

Z = HOG NOG

Tambin se puede expresar en funcin de los mismos parmetros de la fase lquida:

Z = HOL NOL

Donde:

Gm y Lm Flujo molar de gas o lquido por unidad de rea de seccin transversala rea interfacial por unidad de volumenP presin totalCt concentracin molar totaly1 y y2 fraccin molar del soluto en el gas en el fondo y en el tope de la columnarespectivamentex1 y x2 fraccin molar del soluto en el liquido en el fondo y en el tope de la columna,respectivamentexe concentracin del liquido en equilibrio con la concentracin del gas en cualquier

puntoye concentracin del gas en equilibrio con la concentracin del liquido en cualquier


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punto

Para el clculo de HOG y HOL usamos las siguientes expresiones, ya que las constantes

KG y KL deben ser determinadas experimentalmente para cada caso, y para cada tamaode columna.

Donde:

m pendiente de la lnea de equilibrioGm/Lm pendiente de la lnea de operacinHG y HL alturas de las unidades de transferencia de pelcula del gas y del lquido,respectivamente. Hay distintas frmulas empricas para el clculo de estos parmetros,que a su vez dependen del tipo de empaque y del tamao de ste. En este casoutilizamos las correlaciones Cornell para monturas Berl, pudiendo servir de estimativo

para otro tipo de rellenos:

HG altura de unidad de transferencia de la fase gas, mHL altura de unidad de transferencia de la fase liquida, m(Sc)v nmero de Schmidt del gas = (mv / rvDv)(Sc)L nmero de Schmidt del liquido = (mL / rLDL)Dc dimetro de la columna, mZ altura de la columna, mK3 factor de correccin del porcentaje de inundacin


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h factor de correccin para HG

h factor de correccin de HL


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L*w flujo de masa de liquido por unidad de rea de seccin transversal de la columna,kg/m2 sf1 factor de correccin para la viscosidad del liquido = (mL /mw)0,16

f2 factor de correccin de la densidad del liquido = (rw /rL)1,25

f3 factor de correccin para la tensin superficial = (sw /sL)0,8

NOL y NOG se calculan mediante integracin grfica o numrica de las expresionesanteriores. Suponiendo que las lneas de operacin y de equilibrio son rectas (habitual

en condiciones de operacin con gases diluidos) y que la concentracin en el solventede entrada es 0, entonces:

El valor del factor de absorcin (mGm/Lm) debe encuentrarse entre 1,5 y 2,0.

Para la resolucin grfica del nmero de etapas, debemos graficar la curva de equilibrioy la lnea de operacin, as como la lnea de operacin que representa la mnima

relacin lquido gas que nos dara la eficiencia deseada. Las unidades deben ser demoles de contaminante por moles de razones molares o razones de peso (moles o Kg decontaminante/moles o Kg de lquido o gas segn eje). Luego calculamos el nmero deescalones que necesitamos, desde el punto de partida, hasta alcanzar la remonicindeseada, que ser el nmero de unidades de transferencia.


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Dimetro de la columna y prdida de presin


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Para el diseo de la columna de absorcin, partiremos de la cada de presin quequeramos soportar para su funcionamiento, a partir de esta cada de presin, y con lagrfica anterior, calcularemos el porcentaje de inundacin en estas condiciones. Estacada de presin y el porcentaje de inundacin determinar la velocidad de flujo que

ser necesaria para operar. La velocidad de flujo esta directamente relacionada con elcaudal y con el rea de la seccin transversal.

A = Q/V

Donde:

A rea de la seccin trasversalQ Caudal volumtrico


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V velocidad de flujo a travs de la columnaD dimetro de la columna

Disoluciones que se pueden usar para mejorar el rendimiento de la desulfuracin,

mediante reaccin qumica:

Desulfuracin con Cal (CaO) o Caliza (CaCO3). Si se utiliza cal, se hidratapreviamente para formar hidrxido clcico:

CaO + H2O ----> Ca(OH)2 + calor

En fase lquida se produce una serie de reacciones que podemos resumir en :

SO2(g) --> SO2(l)SO2 + H2O --> H+ + HSO3- --> 2H+ + SO3=

cal: SO2(g)+Ca(OH)2(s)+H2O --> Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + 3/2 H2O (l)

Carbonato clcico: SO2(g)+CaCO3(s)+1/2 H2O --> Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + CO2

Si hay suficiente O2, posterior oxidacin del sulfito de calcio a sulfato de calcio.

Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + 3/2 H2O (l)+ 1/2 O2 (g) Ca SO4 . 2 H2O (s)

Se pueden producir importante problemas de corrosin en las instalaciones. Se generanimportantes volmenes de residuos de sulfito/sulfato de calcio que tendremos que teneren cuenta a la hora de su eliminacin. Otro problema importantes es la formacin decostras de sulfito de calcio en el lavador (en los inyectores, en el separador, etc.). Se

pueden mejorar la eficacia de coleccin del SO2 a la vez que se evita la formacin decostras aadiendo xido de magnesio a la lechada de cal.

Desulfuracin con sulfito de sodio (Na2SO3), en este caso la reaccin que tiene lugares:

SO2(g) + Na2SO3(l)+ H2O --> 2NaHSO3(l)

Posteriormente el bisulfito se trata en un evaporador, producindose a la vez, dixido deazufre, vapor de agua y sulfito sdico

2NaHSO3(l) + calor ---> Na2SO3+ H2O(g)+SO2(g, conc)

Este mtodo no plantea problema de costras, pues productos obtenidos son muysolubles. El mayor problema es que el reactivo debe de ser muy puro por lo que se sueleemplear en pequeas calderas industriales. El SO2 es transformado en azufre.

Desulfuracin con doble lcali: En este caso se hace un primer tratamiento con sosacustica (hidrxido sdico, Na OH) que conduce a la formacin de sulfito de sodio:

SO2 + 2 Na(OH) ---> Na2SO3 + H2O


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Y posteriormente el producto se mezcla con lechada de cal para conseguir precipitar elsulfito de calcio y regenerar la sosa

Na2SO3 + Ca(OH)2 ---> CaSO3(s) + 2 Na(OH)

Al igual que en el caso anterior este mtodo presenta altos rendimientos y pocaformacin de costras.

Desulfuracin con xido de magnesio. Es similar al de la lechada de cal, solo que conxido de magnesio en vez de xido de calcio. Presenta la importante ventaja que elsulfito o sulfato de magnesio se puede calcinar fcilmente. En el proceso de calcinacinse regenera el xido de magnesio y dixido de azufre que se puede emplear para otros

propsitos (p.e. fabricar cido sulfrico). Apenas si se generan lodos.

Fuentes:

- L.M. Ingeniera qumica y ambientalhttp://plantasquimicas.iespana.es
http://plantasquimicas.iespana.es/http://plantasquimicas.iespana.es/

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