Rafael Díaz Herazo, Yuris Gil Rodríguez, Angy

Leira Ortiz, Javier Martínez Martínez,

Mileinys Miranda Silvera, Lina Montoya

Ortega, Katherine Pugliese Barbosa, Cristian

Saavedra Castañeda.

Universidad del Atlántico

30-5-2015

2015Columna de Absorción de Relleno

INTEGRANTES

TRANSFERENCIA DE MASA I

Torre de Absorción de Relleno

Presentado por:Rafael Díaz Herazo Yuris Gil Rodríguez,

Angy Leira Ortiz Javier Martínez MartínezMileinys Miranda Silvera

Lina Montoya OrtegaKatherine Pugliese Barbosa

Cristian Saavedra Castañeda

Presentado a:

Santander Bolívar Solano

Universidad del AtlánticoFacultad de Ingeniería

Barranquilla1 de Junio 2015

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Contenido

1. Introducción 3

2. Objetivos 4

2.1 Objetivo General 4

2.2 Objetivos específicos 4

3. Marco Teoríco 5

3.1 Absorción 53.1.1 Absorción de gases

3.2 Lecho 63.2.1 Lecho fijo

63.3 Caudal volumétrico del líquido3.4 Caudal del gas

63.5 Diámetro de la columna 63.6 Criterios de selección del tipo de columna

63.6.1 Columnas de relleno

73.6.2 Columnas de plato

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4. Columna de absorción de relleno 8

4.1 Contacto continuo 9

4.2 Descripción general 10

4.2.1 Etapas de una columna de relleno 12

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4.3 Diseño de la columna de absorción 14

4.3.1 Relleno 15

5. Bibliografía 16

1. Introducción

En la industria química, la absorción presenta aplicabilidad en cuanto a la recuperación de productos de corrientes gaseosas con fines de producción, método de control de emisiones de contaminantes a la atmósfera, retención de sustancias contaminantes (compuestos de azufre, compuestos clorados y fluorados, etc.), eliminación de amoníaco a partir de una mezcla de amoníaco y aire por medio de agua líquida, eliminación de SO2 de gases de combustión con disoluciones acuosas de hidróxido de sodio, la eliminación de óxidos de nitrógeno con disoluciones de agentes oxidantes, etc.. La absorción se basa en la separación de uno o varios componentes de una mezcla gaseosa mediante su disolución selectiva en un líquido. La fuerza impulsora que provoca la separación será entonces la diferencia de concentraciones. La absorción puede ser química o física, según exista o no interacción química entre el soluto y el absorbente. [1]

La absorción es reversible, comúnmente, lo que permite combinar en una misma planta procesos de absorción y desorción, con vistas a regenerar el absorbedor para reutilizarlo y poder recuperar el componente absorbido, muchas veces con elevada pureza. Los equipos más corrientes en las operaciones de absorción son las torres rellenas y las columnas de platos, preferentemente las primeras, por presentar menor caída de presión y se diseñan con diámetros desde 20 hasta 600 cm y con 1 a 24 m de altura.

La transferencia de materia se hace de forma continua, presentando un material de relleno (inerte) el cual tiene como objetivo proporcionar una superficie de contacto más amplia entre el vapor y el líquido extractor, de esta manera aumenta

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su turbulencia y por tanto, mejora su eficacia. La velocidad de la transferencia de masa depende directamente de esta superficie interfacial, por lo tanto, los equipos utilizados en tales operaciones deberán garantizar la dispersión de un fluido en el otro, estableciendo una superficie de contacto desarrollada, para posibilitar un contacto intenso entre las fases. [2]

Una columna industrial de absorción de relleno considera, al menos, tres características fundamentales: capacidad, eficiencia y costo.

2. Objetivos

2.1 Objetivo General

Analizar el diseño y funcionamiento de una columna de absorción de relleno, además, su aplicabilidad en la industria y los conceptos básicos para llevar a cabo su correspondiente análisis.

2.2 Objetivos especificos

Conocer los conceptos básicos del diseño de una columna de absorción.

Identificar las condiciones a las que opera una columna de absorción para su funcionamiento.

Aplicar las ecuaciones fundameteales para la elaboración de una columna de absorción

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3. Marco Teorico

3.1AbsorciónEs la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido con el cual forma solución (un soluto, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a laLíquida). Este proceso implica una difusión molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto a través del gas, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido, también en reposo. Al proceso inverso de la absorción se le llama empobrecimiento o desorción; cuando el gas es aire puro y el líquido es agua pura, el proceso se llama des-humidificación. La absorción de gases es una operación unitaria de transferencia de materia en la cual una mezcla gaseosa se pone en contacto con un líquido a fin de disolver, de manera selectiva, uno o más componentes del gas y obtener una solución de estos en el líquido. El gas que queda libre del (de los) componente(s) se denomina gas limpio o gas agotado. Se diferencian tres partes importantes en el proceso de absorción: el gas portador, el cual va a ser limpiado o purificado, el líquido lavador, que sirve a disolver las impurezas y el componente gaseoso a separar. La absorción puede ser física o química, según el gas que se disuelva en el líquido absorbente dando o que reaccione con el generando un nuevo compuesto. [3]

La absorción constituye el fenómeno básico de numerosos equipos y procesos industriales.

Evaporación desde tanques.

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Absorbedor de pared mojada. Absorbedor de relleno -en contracorriente o corrientes paralelas. Absorbedor por etapas. Absorbedor con reacción química simultánea. Depuradores de goteo. Depuradores de Venturi.

3.1.1 Absorción de gasesOperación de transferencia de materia cuyo objetivo es separar uno o más componentes (el soluto) de una fase gaseosa por medio de una fase líquida en la que los componentes a eliminar son solubles (los restantes componentes son insolubles). Se produce una transferencia de materia entre dos fases inmiscibles. [4]

3.2Lecho Un lecho consiste en una columna formada por partículas sólidas, a través de las cuales pasa un fluido (líquido o gas) el cual puede ser librado de algunas impurezas y sufre una caída de presión. Si el fluido se mueve a velocidades bajas a través del lecho no produce movimiento de las partículas, pero al ir incrementando gradualmente la velocidad llega un punto donde las partículas no permanecen estáticas sino que se levantan y agitan, dicho proceso recibe el nombre de fluidización. [3]

3.2.1 Lecho fijoLas partículas permiten el paso tortuoso del fluido sin separarse una de otras, esto hace que la altura del lecho se mantenga constante y por tanto la fracción de vacío en el lecho (porosidad) se mantiene constante. En esta etapa el fluido experimenta la mayor caída de presión del proceso. [3]

3.3Caudal volumétrico del líquidoSe define el caudal mojado como el cociente entre el caudal volumétrico y el perímetro del relleno, y debe ser siempre superior a un cierto valor. El caudal mínimo de mojado para la mayoría de los rellenos vale 0.08 m3/h. m y el caudal máximo de mojado suele ser de unos 0.7 m3/h. m [4]

3.4Caudal de gasLa velocidad del gas a la cual se produce el anegamiento se llama velocidad de inundación. Generalmente se opera a la mitad de la velocidad de inundación. [4]

3.5Diámetro de la columna

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Es el segundo parámetro de diseño (el primero es la altura) y su cálculo se realiza a partir de consideraciones fluido dinámicas, es decir, a partir de los datos de caudales de circulación del gas y del líquido. [4]

3.6Criterios de selección del tipo de columnaPara la selección del tipo de columna se pueden emplear diferentes criterios. Factores básicos establecidos en función del análisis operacional de columnas existentes, que depende de:

Sistema manejado Modo de operación Características físicas y mecánicas de la columna

3.6.1 Columnas de rellenoCondiciones que favorecen a las columnas de relleno

1. Columnas de pequeño diámetro2. Medios corrosivos3. Bajas retenciones de líquido4. Líquidos que forman espuma

3.6.2 Columnas de platosCondiciones que favorecen a las columnas de platos

1. Cargas variables de líquido o vapor2. Presiones superiores a la atmosférica 3. Bajas velocidades de líquido4. Gran número de etapas y o diámetro5. Elevados tiempos de residencia del líquido6. Posible ensuciamiento7. Esfuerzos térmicos o mecánicos

Guía para la selección de la columna de absorción, como se muestra en la Tabla N°1. [4]

Factores que dependen del sistemaRelleno Platos

Tendencia espumante XExisten sólidos disueltos XFluidos corrosivos XRemoción de calor de disolución XPequeña capacidad X

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Temperatura sensible XComponentes con punto de ebullición cercanos XFluido viscoso X

Factores dependientes del modo de la operaciónOperación intermitente XSi la resistencia a la transferencia de masa es controlada por la fase gaseosa.

X

Si la resistencia a la transferencia de masa es controlada por la fase líquida.

X

No retención de líquido en la columna XMantener baja la caída de presión X

Factores dependientes de la naturaleza física de la columnaMantenimiento frecuente XPeso de la columna crítico XSalidas laterales XDiámetro de la columna menor a 3 ft XDiámetro de la columna mayor a 4 ft X

Tabla N°1. Guía de selección de columnas de absorción

4. Columnas de absorción de relleno

Las torres empacadas se usan para el contacto continuo a contracorriente de un gas y un líquido en la absorción y también para el contacto de un vapor y un líquido en la destilación. La torre consiste en una columna cilíndrica que contiene una entrada de gas y un espacio de distribución en el fondo, una entrada de líquido y un dispositivo de distribución en la parte superior, una salida de gas en la parte superior, una salida de líquido en el fondo y el empaque o relleno de la torre. El gas entra en el espacio de distribución que está debajo de la sección empacada y se va elevando a través de las aberturas o intersticios del relleno, así se pone en contacto con el líquido descendente que fluye a través de las mismas aberturas. El empaque proporciona una extensa área de contacto íntimo entre el gas y el líquido. Se han desarrollado muchos tipos diferentes de rellenos para torres. Estos empaques y otros rellenos comunes se pueden obtener comercialmente en tamaños de 3 mm hasta unos 75 mm. La mayoría de los empaques para torres están construidos con materiales inertes y económicos tales como arcilla, porcelana o grafito. La característica de un buen empaque es la de tener una gran proporción de espacios vacíos entre el orden del 60 y el 90%. El relleno permite que volúmenes relativamente grandes del líquido pasen a contracorriente con respecto al gas que fluye a través de las aberturas, con caídas de presión del gas relativamente bajas.

En las columnas de relleno la transferencia de materia se hace de forma continuada. Estas columnas también son llamadas columnas empaquetadas. La

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torre de relleno más común es la que consiste en una carcasa cilíndrica que contiene el material inerte en su interior. Este material inerte es el que recibe el nombre de relleno.

El objetivo principal del relleno es proporcionar una superficie de contacto más amplia entre el vapor y el líquido extractor, de esta manera aumenta su turbulencia y por tanto, mejora su eficacia.

Hay rellenos de muchas formas y dimensiones diferentes. Se pueden situar de forma ordenada, si el volumen del relleno es grande (5-20cm) o desordenada si el volumen del relleno es pequeño (5-50mm). Lo que suelen utilizar son los anillos Rasching mayores de 5-8cm de diámetro y se sitúan de forma ordenada. [5]

Figura 1. Esquema de una columna de absorción de gases y rellenos.

Las características de aplicación:

Tienen un contacto continuo con el gas. Diámetro del gas. Se utilizan cuando hay compuestos corrosivos en la mezcla de gases.

También cuando hay líquidos espumosos. Se aplica en los casos que hayan cambios bruscos de temperatura. . Se utilizan cuando se trabaja con presiones bajas.

Las columnas de relleno son muy ampliamente utilizadas para conseguir un íntimo contacto entre dos fluidos inmiscible o parcialmente miscibles, ya sea un gas y un líquido o dos líquidos. Normalmente se utiliza flujo en contracorriente, con el extremo superior. Un ejemplo de sistemas liquido-gas lo constituye un proceso de absorción en el que un gas soluble es separado de una mezcla de gases por medio de un líquido. [6]

4.1Contacto Continuo

Altura equivalente a un plato teórico

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Las torres o columnas de absorción de relleno y de lluvia son dispositivos que permiten el contacto continuo entre el líquido y el gas que circulan en contracorriente. En estas torres varia continuamente la concentración del líquido y del gas con la altura de la columna, mientras que en las de platos esta variación se verifica de como discontinuo de plato a plato. En consecuencia, en las columnas de relleno cada punto de la línea de operación corresponde a condiciones reales de algún punto de la torre, mientras que la de platos solo tienen significación real algunos puntos aislados de la línea de operación.

Atendiendo al resultado y no al funcionamiento puede hacerse una comparación entre las torres de relleno y las de platos por medio de la altura equivalente a un pato teórico (H E T P) definida como la altura necesaria de relleno que verifica la misma función de un plato teórico. Esta magnitud hay que determinarla experimentalmente, y es función del tipo y tamaño del relleno, de los flujos del líquido y del gas, y, para algunas mezclas, de su composición; por tanto, es necesario disponer de un gran número de datos experimentales para su aplicación al cálculo de estas columnas, y de aquí que actualmente tienda a prescindirse de su empleo en tales casos. [7]

4.2 Descripción general

La construcción de las torres de rellenos es relativamente simple. La carcasa de la columna puede construirse en metal, material cerámico, vidrio o plástico, o de metal con un revestimiento resistente a la corrosión. La columna debe instalarse completamente vertical, para conseguir una distribución uniforme del líquido.

Figura 2. Soporte de rejilla de barras para torres de relleno.

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Lecho de relleno descansa sobre un plato soporte que debe diseñarse de formar que tenga al menos un 75% del área libre para el paso del gas, para ofrecer una resistencia tan baja como sea posible. El soporte más sencillo es una rejilla formada con barras relativamente separadas entre sí, sobre la que se apilan unas pocas capas de anillos Raschig o de partición. En la Figura 2 se muestra una de estas disposiciones. [8]

Figura 3. Plato de inyección de gases.

El plato de inyección de gas mostrado en la Figura 3 ha sido diseñado para proporcionar aberturas de paso distintas para el gas y el líquido, de manera que ambas corrientes no intenten pasar por la misma abertura. Esto se consigue colocando las entradas del gas al lecho en un punto situado por encima del nivel al que el líquido lo abandona.

Figura 4. Tipos de distribuidores de líquidos.

En la parte superior del lecho de relleno, un distribuidor de líquido de diseño adecuado proporciona una irrigación uniforme del relleno, necesario para el fundamento satisfactorio. En la Figura 4 se muestra cuatro ejemplos de distribuidores distintos. [8]

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a) tipo de orificios sencillo. Este tipo proporciona una distribución muy fina, pero su tamaño debe ser diseñado corruptamente para trabajar en unas condiciones determinadas, y no debe ser utilizado cuando existe algún riesgo de taponamiento en los agujeros.

b) distribuidor de chimeneas entalladas, con una buena flexibilidad para trabajar en una gama de velocidades de flujo media y altas sin ser propenso al bloqueo.

c) distribuidor de artesas dentadas, especialmente adecuado para las torres de mayor tamaño. Debido a su gran área libre, es también adecuado para velocidades altas del gas.

d) distribuidor del tipo anillos perforados, utilizando en columnas de absorción en las que las velocidades del gas son altas y las del líquido son relativamente pequeñas. Este tipo es especialmente adecuado cuando debe minimizarse la caída de presión. Para las torres de gran tamaño, en las que la instalación debe realizarse mediante agujeros de hombres, puede instalarse en secciones embridadas.

Para utilizar de la mejor manera posible el relleno es esencial un flujo uniforme del líquido; para ello, si la torre es elevada, son necesario platos de redistribución. Estos platos deben instalarse a intervalos de aproximadamente 2 ½ - 3 diámetros de la columna para anillos Raschig, y de 5 a 10 diámetros de la columna de anillos Pall, pero normalmente separados entre sí no más de 6m.

A menudo se coloca un plato de retención en el extremo superior de la columna de relleno para minimizar el movimiento y fractura del relleno provocado por variaciones bruscas en los caudales. La entrada de gas debe diseñarse también para flujo uniforme en la sección transversal y la salida del gas debe estar separada de la entrada del líquido.

Las columnas pueden funcionar a presiones que varían desde alto vacío hasta alta presión, dependiendo la presión óptima de las propiedades físicas y químicas del sistema. [8]

4.2.1 Etapas de una torre de relleno

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El líquido se distribuye sobre la parte superior

del relleno. En operación ideal moja uniformemetne

en la superficie.

El gas que contiene el soluto, asciende a través

de los intersticios del relleno en contracorriente con el el flujo de liquido.

El relleno proporciona un gran área de contacto

entre el líquido y el gas.

El soluto contenido en el gas rico es absorbido por el líquido fresco que entra

en la torre.

El gas diluido o agotado abandona la torre.

El líquido se enriquece en soluto a medida que

desciende por la torre.

El líquido concentrado sale por el fondo de la

torre.

Figura 5. Partes de una columna de absorción de relleno

4.3 Diseño de la columna de absorción

Para el diseño de una columna de relleno debemos tener en cuenta que se debe conseguir el máximo de transferencia del contaminante con el mínimo consumo de energía y tamaño de la columna es decir, con el mínimo coste.

El cálculo principal en el diseño de la columna es la altura de relleno necesaria para conseguir la transferencia deseada de contaminante al líquido, en función del equilibrio que tenga entre gas y líquido. Existen otros parámetros importantes, como son el diámetro de la columna, los caudales de gas residual y líquido, si es de platos o de relleno si es de relleno es importante elegir correctamente el tipo de relleno. [9]

Para diseñar la columna proponemos lo siguiente

1. Vamos a elegir una torre de relleno ya que el empleo de columnas de relleno frente a las de platos se ve favorecido por que son más adecuadas cuando las columnas son de pequeñas dimensiones (menos de 0,6m de diámetro y una altura de relleno inferior a 6m) también si se tienen sustancias corrosivas o se forma mucha espuma o si se requiere que la pérdida de carga en la columna sea pequeña y la velocidad del líquido es elevada.

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Mientras que la torre de platos pueden resultar económicamente preferibles para operaciones en gran escala, pueden presentar mejor “relación de flujo descendente” y están menos sujetas a ensuciamiento por sólidos que las columnas de relleno. Pero como el que necesitamos es a pequeña escala nos conviene la torre de relleno.

2. Para seleccionar el tipo de relleno tomaremos en cuenta cual resulta más eficiente en cuanto a costo y superficie de transferencia; como vimos en la información antes presentada el anillo de rasching es uno de los más usados debido a que el materia con el que se fabrica es el plástico y relativamente no tiene un costo muy elevado pero el plástico se deteriora rápidamente, los plásticos deben escogerse con especial cuidado, puesto que se pueden deteriorar, rápidamente y con temperaturas apenas elevadas, con ciertos solventes orgánicos y con gases que contienen oxígeno. Así que elegiremos el relleno de anillo tipo pall estos a diferencia del rasching tienen como ventajas:

• Gran área por unidad de volumen• Formación de película de barro extensa• Excepcional espacio vacío• Capacidad de alta oxigenación• Alta carga hidráulica• Alta carga DBO• Requerimiento de área mínimo• Es un relleno rígido y liviano• Es de fácil instalación (cargado al azar)• Pared de sostén de baja resistencia• Tiene un mínimo costo de operación • Y un bajo costo

3. Para seleccionar la distribución de relleno será al azar ya que el anillo que se eligió es para este tipo de distribución.

4. Cálculos de variables: como son el diámetro de la columna, los caudales de gas residual y líquido, el tipo de relleno y la pérdida de presión. [9]

Datos que son conocidos normalmente en el proceso:

Condiciones de operación de la columna: PT y T Composición de las corrientes de entrada Composición del gas a la salida (fin perseguido) Circulación en contra corriente

4.3.1 Relleno

La torre de relleno más común consiste en una carcasa cilíndrica que contiene el material inerte en su interior. Este material inerte es el que recibe el nombre de relleno.

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A medida que aumenta el tamaño del relleno, la eficacia de la transferencia de materia, va disminuyendo y por tanto aumentan las pérdidas de carga. Para poder determinar cuál es el tamaño óptimo del relleno se debe tener en cuenta la selección del material de relleno y la ordenación del material inerte. Los empaques de la torre se dividen en tres principales tipos: aquellos que son cargados de forma aleatoria en la torre, los que son colocados a mano y aquellos que se conocen como empaques ordenados o estructurado. Los empaques aleatorios consisten en unidades de 6 a 75 m (1/4 o 3 in) en su dimensión mayor; los empaques inferiores a 25 mm se utilizan principalmente en columnas de laboratorio o de planta pilotos. Las unidades de empaque ordenado son de tamaños comprendidos entre unidades de 50 a 200 mm (2 a 8 in).

La mayoría de los empaques para torres están construidos con materiales inertes y económicos tales como arcilla, porcelana o grafito. La característica de un buen empaque es la de tener una gran proporción de espacios vacíos entre el orden del 60 y el 90%. El relleno permite que volúmenes relativamente grandes del líquido pasen a contracorriente con respecto al gas que fluye a través de las aberturas, con caídas de presión del gas relativamente bajas (ver figura 6).

Figura 6. Rellenos de una columna.

Las monturas de cerámicas Berl y los anillos Raschig son los tipos de empaque más antiguos y no son muy usados en la actualidad, aunque representaron una mejora importante respecto de las esferas de cerámicas o la de piedra triturada. Las monturas Intalox son similares a las monturas Berl, pero la forma impide que las piezas queden demasiado juntas, y esto aumenta la porosidad del lecho. Las monturas de Súper Intalox tienen una pequeña variación con respecto al borde escalopado; se encuentra disponible en plástico o en cerámica. Los anillos Pall están hechos de metal delegado con porciones de la pared inclinada hacia dentro, o de plástico con ranuras en las paredes y costillas rígidas dentro. Los lechos de anillos Pall tienen alrededor de 90 % de fracción de huecos y una ligera caída de presión que otros empaques de tamaño normal parecido. El nuevo IMTP de

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Norton tiene una estructura muy abierta y una caída de presión más baja que la de los anillos Pall.

El anillo Pall, es un cilindro con paredes ranuradas y lenguas o costillas internas, siendo el diámetro y la altura del anillo iguales. Los anillos son fabricados en Polipropileno (PP) y una gran variedad de metales. Los anillos Pall tienen la forma aproximada de los anillos Rasching, excepto que las paredes han sido abiertas y se han adicionado superficies interiores y deflectores. Estos cambios eliminan los defectos que en los anillos Raschig impiden performances satisfactorias, en el relleno de columnas de gran diámetro. Cuando los anillos Raschig son vaciados al azar dentro de una columna, la mayoría de ellos se ubicará de tal manera que sus ejes geométricos estarán a diferentes ángulos respecto del eje de la torre. [9]

Para todos los tipos de relleno se debe cumplir lo siguiente:

Ser químicamente inertes. Tener una cierta resistencia mecánica elevada. Permitir el paso adecuado de las dos corrientes. Permitir un buen contacto entre las dos fases. Ser de costes bajos, es decir, económicos.

5. Bibliografía

[1] Control de la contaminación del aire, disponible en: http://www.bvsde.ops-oms.org/bvsacd/eco/000647/0647-10.pdf consultada el 29 de mayo del 2015.[2] Absorción, disponible en: http://educaciones.cubaeduca.cu/medias/pdf/2696.pdf consultada el 31 de mayo del 2015[3] La absorción, disponible en: http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/claudiag/DocuIPQ/IPQ%20Absorcion%20y%20Extraccion%20Liquido%20Liquido.pdf consultada el 30 de mayo del 2015[4] Diseño y problemas operacionales de torres empacadas en plantas deshidratadoras de gas con glicol. Universidad industrial de santander. 2007 pág 44 [5] Columnas o torres de absorción, disponible en: https: //quimicaitatljmm.files.wordpress.com/2013/11/psiii-absorcion-ago_dic-2013.pdf, consultado 30 de Mayo de 2015.[6] FUNDAMENTOS TEÓRICOS, disponible en: http://epsem.upc.edu/~plantapilot/castella/model%20matematic_2.4.html, consultado 30 de Mayo de 2015. [7] Problemas de ingeniería química, Joaquín Ocon García, 6th edición, Tomo I, pág. 244

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[8] Ingeniería química: unidades SI. Operaciones básicas, John Metcalfe Coulson, J. F, Tomo II, editorial, Reverté S.A. pág. 182[9] Operaciones Unitarias III, Diseño de una columna de absorción, Ing. René Cuesta Díaz, Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, marzo del 2011, pág. 13.

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