Download - 2014 Equipos G L
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Equipos para operacin G/L
Prof. Debora Nabarlatz
Escuela de Ingeniera Qumica
Facultad de Ingenieras Fisicoqumicas
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EQUIPOS PARA OPERACIN G/L
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Se introduce en el lquido una corriente de gas en forma de
pequeas burbujas. Si el dimetro del tanque es pequeo, el
burbujeador localizado en el fondo del tanque puede ser un simple
tubo abierto.
El propsito del burbujeo es poner en contacto
el gas burbujeado con el lquido.
Circulacin de las dos fases en contracorriente.
Se utilizan cuando se requiere una cada de presin
muy baja.
COLUMNAS DE BURBUJEO
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El lquido puede atomizarse en una corriente gaseosa por medio de
una boquilla que dispersa al lquido en una aspersin de gotas.
El flujo puede ser a contracorriente, o en paralelo.
Baja cada de presin de gas
Costo de bombeo de lquido elevado, debido a la cada de presin
por la boquilla atomizadora.
La tendencia del lquido a ser arrastrado por el
gas es considerable.
Relativamente ineficientes, pero eliminan partculas
contaminantes (Absorcin Arrastre)
COLUMNAS DE ASPERSIN
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Cada plato constituye una etapa, puesto que sobre el plato se ponen
los fluidos en contacto ntimo, ocurre la difusin interfacial.
El nmero de platos tericos o etapas en equilibrio depende de lo
complicado de la separacin.
El dimetro de la torre depende de las cantidades de lquido y gas
que fluyen a travs de la columna por unidad de tiempo.
Alta eficacia de transferencia de materia (depende de la calidad y
tiempo de contacto). El tiempo de contacto depende de la laguna
lquida sobre cada plato la cual debe ser profunda y de velocidades
relativamente elevadas del gas.
TORRES DE PLATOS
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Contacto entre fases
COLUMNA DE PLATOS
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TIPOS DE PLATOS
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PLATOS CON CAPUCHA O CAMPANAS DE BURBUJEO:
Conducen el vapor hasta un punto sobre el lquido fluyente y luego
cambian su direccin causando una salida en forma de chorro o
borboteo a travs de ranuras.
PLATOS PERFORADOS:
Es el ms sencillo, plancha metlica con agujeros espaciados de
forma regular, por los que sube el gas.
Los huecos tienen un dimetro entre 3-12 mm, siendo 5 mm el ms
comn. El rea de los huecos vara entre 5 y 15% del total del plato
TIPOS DE PLATOS
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PLATOS DE VLVULA:
Contienen vlvulas que se abren y cierran al paso del gas, son los
ms utilizados.
Proporciona un rea abierta variable
Opera a una velocidad de flujo mayor que el plato perforado, con
slo 20% mayor costo.
TIPOS DE PLATOS
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Tipos de platos + vertederos
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Tipos de vertederos
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El dimetro de la torre depende de los caudales msicos de gas y
lquido que fluyen a travs de la misma por unidad de tiempo.
Si los caudales de L y G en cada seccin de la columna son
diferentes, se necesitarn diferentes dimetros en cada seccin.
Por economa, se utiliza el dimetro mayor para toda la columna (se
evita inundacin y/o anegamiento).
El dimetro de la columna depende de la velocidad del vapor, la cual
depende a su vez del espaciamiento entre platos (tambin depende
del dimetro), por lo que ambos factores deben ser evaluados por
prueba y error.
CLCULO DEL DIMETRO EN TORRE DE PLATOS
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Se determina en base a la facilidad de construccin, mantenimiento
y costo de la columna.
Una vez calculado el dimetro de la torre debe verificarse que el
espaciado elegido sea correcto, segn los datos recomendados:
Espaciado entre platos (t)
Dimetro (ft) Dimetro (m) Espaciado t (pulgadas)
6 pulg. mnimo
4 o menos 1.22 o menos 18 20
4 - 10 1.22 3 24
10 - 12 3 3.7 30
12 - 24 3.7 7.3 36
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El dimetro de una torre debe ser lo suficientemente grande para
manejar el gas y el lquido a velocidades que no causen la inundacin
ni el arrastre excesivo.
Por ello se calcula la velocidad superficial del gas para una bandeja
en situacin de inundacin (VF), utilizando luego en el diseo real un
valor ms pequeo (V), que asegure una operacin adecuada.
El valor de V ser entre el 75 y 85% de VF, segn sean ms o menos
espumosos los lquidos.
Velocidad de flujo de gas de inundacin
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Anegamiento o Inundacin 1
Lmites de anegamiento para platos de campanas de borboteo y platos perforados
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La velocidad de inundacin VF se calcula como:
L y G : densidades de las mezclas de lquido y vapor
CF : constante emprica o constante de inundacin, que depende del
tipo y del arreglo del plato.
Velocidad de flujo de gas de inundacin
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Para platos perforados, para sistemas que no forman espuma y con espaciados de
platos entre 12 y 36 pulgadas:
L y G son los caudales msicos de lquido y vapor en la zona correspondiente
es la tensin interfacial de la mezcla, en dyn/cm
a y b son factores que dependen del coeficiente (L/G)(G/L)0.5, siendo:
donde t es el espaciado entre platos en pulgadas
Velocidad de flujo de gas
Rango de (L/G)(G/L)0.5 a b
0.03 0.2 0.0041 * t + 0.0135 0.0047 * t + 0.068
0.2 1 0.0068 * t + 0.049 0.0028 * t +0.044
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Si ya conocemos la velocidad del gas (V), el dimetro de la torre se
calcular a partir del rea transversal de flujo (At):
At = An (rea transversal neta para el flujo) + Ad (rea de tuberas de
descenso)
La relacin entre At y An depende de la longitud del derramadero W, la
cual se toma en general como el 70% del dimetro de la torre.
Dimetro de la torre
An Ad At = Ad + An
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La relacin entre At y An depende de la longitud del derramadero W, la
cual se toma en general como el 70% del dimetro de la torre.
Dimetro de la torre
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An (m2 )= Q/V, donde Q es el flujo volumtrico del gas (m3/s) y V es
la velocidad de flujo (m/s)
El dimetro de la torre ser:
Con el valor del dimetro en ft se deber verificar que el espaciado
entre platos elegido sea el adecuado.
Dimetro de la torre
ftenA
D
menA
D
t
t
428.3
4
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La cada de presin para el gas es la suma de los efectos para el flujo del
gas en el plato seco + el efecto por la presencia del lquido en el plato.
hG = hD + hL + hR
hG : Cada de presin para el gas
hD : Cada de presin en el plato seco
hL : Cada de presin resultante de la profundidad del lquido en el plato
hR : Cada de presin residual
Cada de presin en la torre
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Intervalo de operacin satisfactorio 1
Efectos del vapor y del
lquido sobre el
rendimiento de un plato
perforado en contacto G/L
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Anegamiento o Inundacin 1
Esquema del
comportamiento de
los fluidos en un
plato
daowwt hhhhH H 50% distancia entre platos
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Arrastre 1
Arrastre: Separacin fsica incompleta de las fases.
o Efecto perjudicial en la eficacia de la etapa.
o Aumento del flujo entre etapas: en columna de destilacin,
aumenta el flujo de lquido descendente en los conductos de
desage, provocando anegamiento.
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Arrastre 1
Correlacin para
arrastre en columnas
de contacto G/L de
campanas de
borboteo y platos
perforados (King)
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Capacidad y Eficiencia
o Capacidad de tratamiento de una etapa: cantidad de alimento que
puede tratar por unidad de tiempo.
Factores que limitan la capacidad:
o Inundacin o anegamiento de la columna
o Arrastre de una fase en otra
o Prdidas de presin en la columna
o Tiempo de residencia para lograr separacin
1
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Capacidad y Eficiencia
o Eficiencia: Diferencia entre etapas en equilibrio hipotticas y reales,
para la separacin de dos fases.
Factores que limitan la eficiencia:
o Limitaciones de transferencia de materia
o Limitaciones de transferencia de calor
o Separacin incompleta de las fases producto
o Configuracin de flujo
o Efectos de mezclado
1
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Alternativa a las torres de platos.
Variacin continua de la concentracin en toda la torre.
Circulacin de las dos fases en contracorriente.
Contienen un material de soporte (relleno).
Alta eficacia de transferencia de materia (depende de la calidad y
tiempo de contacto)
TORRES RELLENAS
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TORRES RELLENAS
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Caractersticas adecuadas de flujo, el volumen fraccionario vaco en
el lecho empacado debe ser grande (60-90%), para tener baja cada
de presin.
Elevada superficie interfacial entre el lquido y el gas.
Qumicamente inerte, con respecto a los fluidos que se estn
procesando.
Resistencia estructural, para permitir el fcil manejo e instalacin.
Bajo peso por unidad de volumen.
Pequea retencin de lquido.
Bajo costo.
TORRES RELLENAS: EMPAQUE
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Empaque al azar: el diseo particular influye mucho en las
caractersticas de transferencia de masa y cada de presin.
Empaque ordenado: la distribucin del empacado sigue un patrn
definido dentro
de la columna;
menores prdidas de carga.
TORRES RELLENAS: TIPOS DE EMPAQUE
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Anillos Raschig
1/4 a 4 dimetro
Porcelana industrial
TORRES RELLENAS: TIPOS DE EMPAQUE
Sillas Intalox
(1/4 a 3 dimetro)
Porcelana o plstico
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Anillos Pall
Metal o plstico
TORRES RELLENAS: TIPOS DE EMPAQUE
Anillo con helicoidal
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Silla Berl
TORRES RELLENAS: TIPOS DE EMPAQUE
Anillo Lessing
Anillo en cruz
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Factores que limitan la capacidad 1
o Anegamiento o Inundacin: Aptitud de las dos fases para fluir en
cantidad suficiente en direcciones opuestas una dentro de otra
dentro del aparato de contacto.
Columna de relleno de flujo en
contracorriente para contacto G-L
Se disean para operar a un 50-80% del limite de anegamiento
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Velocidad de inundacin: lmite mximo para la velocidad de flujo
de gas para una torre rellena con cierto tipo y tamao de relleno, y
con flujo conocido de lquido.
A G , el lquido fluye hacia abajo casi sin influencia por el flujo de
gas.
Cuando G aumenta, hasta el PUNTO DE CARGA, comienza a impedir
el flujo del lquido y aparecen acumulaciones de lquido en el
empaque aumenta la cada de presin en el gas aumenta la
retencin del lquido se INUNDA la torre y el lquido puede salir
expulsado con el gas.
Condicin de inundacin
- Generalmente Vgas
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Anegamiento o Inundacin 1
Correlacin para
estimar la velocidad
de anegamiento para
sistemas G/L en
torres de relleno
(King)
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Prdida de presin 1
Columnas de relleno
Correlacin de prdida de presin para contacto G/L en
contracorriente en columnas de relleno.
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(Geankoplis):
1. Elegir el tipo de empaque y estimar Fp
2. Elegir L/G (msicos), junto con la velocidad de flujo total del gas
3. Calcular P inundacin = 0,115 Fp0,7 (Ec. Kirster y Gill)
4. Calcular el parmetro de flujo y con P inundacin , calcular el parmetro de
capacidad
5. Estimar G (inundacin) a partir del parmetro de capacidad
6. Elegir G operacin = % G inundacin
7. Calcular P operacin a partir de la grfica
8. Con la velocidad de flujo total del gas y G operacin , estimar el rea total y el
dimetro de la torre
Clculo del dimetro y la cada de presin en una torre empacada
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Prdida de presin 1
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Prdida de presin 1
Correlacin de prdida de presin para contacto G/L encontracorriente en columnas de relleno aleatorio (Geankoplis)
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Prdida de presin 1
Correlacin de prdida de presin para contacto G/L encontracorriente en columnas de empaque estructurado (Geankoplis)
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La velocidad de inundacin VF se calcula como:
L y G : densidades de las mezclas de lquido y vapor
CF : constante emprica o constante de inundacin, que depende del
tipo y del arreglo del plato.
Velocidad de flujo de gas de inundacin
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Velocidad de flujo de gas de inundacin
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Empaques aleatorios:
Dimetro de la torre / Tamao de empaque debe ser 10:1, para
tener buena distribucin de lquido y gas.
Cada 3 m de empaque: redistribucin de lquido para evitar
canalizaciones
Dimetro 1 m
Generalmente se utiliza entre el 50 70% de V inundacin
Factores de diseo a considerar
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Torres rellenas vs. Torres de platos 1
Torres de Relleno Torres de platos
1. Las eficacias deben basarse en ensayos experimentales con cada tipo de relleno.
1. Menor dificultad de dispersin del lquido a L/G bajos.
2. Preferibles si los lquidos tienen tendencia a la formacin de espumas.
2. Manejan amplios caudales de lquido sin anegamiento.
3. Menor retencin de lquido. 3. Platos son ms accesibles para la limpieza (preferibles para el manejo de lquidos con slidos dispersos). Dimetro mnimo >0,6 m
6. Ms baratas y fciles de construir para el manejo de fluidos altamente corrosivos.
4. Posible el enfriamiento entre etapas para eliminar calores de reaccin o solucin.
5. Mayor peso. 5. Menor peso.
6. Menor prdida de presin. 6. Mayor prdida de presin.
7. Deseables para operar al vaco, dado que el relleno evita el colapso de la pared de la torre.
7. Grandes cambios de temperatura pueden conducir a roturas del relleno