simulación absorbedor en hysys

7/24/2019 Simulacin Absorbedor en Hysys

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ASIGNACIN DE HYSYSAbsorcin

Ingrid Nathaly Rangel Muoz

Presentado a:Debora Nabarlatz

Presentado para la asignatura de Operaciones Unitarias II

Universidad Industrial de SantanderFacultad de Ingenieras Fisicoqumicas

Escuela de Ingeniera QumicaBucaramanga

2015


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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Durante un proceso de inyeccin de aire como sistema de agitacin a un reactorque opera a 25 C y 2 atm de presin, se observa una contaminacin del producto

reflejada en su calidad, ocasionando prdidas millonarias a la empresa. Estudiosposteriores determinaron que el SO2 presente en la corriente de aire reaccionabagenerando la contaminacin.

De este proceso conoce la composicin de esta corriente gaseosa y suscondiciones actuales:

COMPUESTO FRACCI N MOLAire 0.6SO2 0.3

Propano 0.05Etano 0.05

Se decide estudiar un sistema de absorcin de SO2 en contracorriente con 10000kg/h de agua pura a las mismas condiciones de temperatura y presin de lacorriente gaseosa. Adicional a esto, se utiliza una torre para este proceso que

consta de 15 platos contando desde el tope, con una eficiencia del 70%, exceptolos platos nmero 10 y 11 que tienen una eficiencia del 50%.

Temperatura 40CPresin 2 atmFlujo gas 3500 kg/h


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SIMULACIN USANDO ASPEN HYSYS

A continuacin se mostrarn los pasos que se siguieron para el montaje de lasimulacin de la torre de absorcin de platos descrita en el caso de estudio:

1. Al seleccionar un New Case, se procede a especificar la lista de componentesrequeridos en la simulacin.

2. Se dirige a la opcin Fluid Packages para agregar el paquete termodinmico(modelo de actividad y ecucacion de estado).

Para este caso se seleccion el modelo de actividad UNIQUAC, debido a que estees utilizado en la descripcin de los equilibrios de fase; representa molculas quedifieren apreciablemente en su tamao y forma (etano, propano, SO2) y tiene encuenta los efectos de la polaridad (agua). Por otra parte, retiene los conceptos delos modelos de Wilson y NRTL.

Como ecuacion de estado, se seleciona el modelo de Peng-Robinson, puesto quees un modelo ideal para el clculo de la densidad de lquidos para los sistemas de

hidrocarburos y proporciona una presicin razonable cerca del punto crtico, luegoes adecuado tanto para la fase gaseosa como la fase lquida del sistema deabsorcin.


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3. Se dirige a Simulation para comenzar a construir el entorno de simulacin.

Con ayuda de la paletade trabajo, se agregan las corrientes de entrada y salidadel equipo (se pueden asignar nombres a estas). Inicialmente no estnespecificadas (color azul claro).

4. Se especifican los parmetros de las corrientes de alimentacin al equipo, paraesto se utilizan los datos proporcionados por el caso de estudio.


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A continuacin se define la corriente de alimentacin de gas. Esta corriente entralibre de agua como se especifica en la composicin de la misma, con un flujo de3500 kg/h.

La corriente de lquido es agua pura con un flujo de 1000 kg/h.


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Una vez especificadas, dichas corrientes se presentan en color azul oscuro y deesta forma se procede a agregar por medio de la paletade trabajo la columna deabsorcin.

5. Se agrega la columna de absorcin y se especifican las corrientes de entrada ysalida y el nmero de platos requeridos hasta que el recuadro habilite la opcinNext, para continuar especificando algunos parmetros como la presin de lascorrientes de salita y su respectiva temperatura (opcional).

6. Especificar la eficiencia de cada plato. Para esto se dirige a la pestaaParametersseguido de Eficiencies y se da una eficiencia del 70% a todas las


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etapas a excepcin de los platos 10 y 11 que cuentan con una eficiencia del50%.

Completado este proceso, se dispone a correr la simulacin con la opcin Run,ubicada parte inferior de la ventana. Cuando el recuadro se manifieste de la formaque se muestra a continuacin (recuadro verde), se procede a verificar los datosarrojados por el simulador, correspondientes a los parmetros de las corrientes de

salida del absorbedor (composiciones).

Se procede a dar respuesta a los diferentes casos propuestos en la asignacin.


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SOLUCIN DE LOS TEMS

1) Para la torre de platos, determinar cmo afecta la variacin del nmero deplatos la composicin de SO2 a la salida del sistema de absorcin.

CONDICIONES DEL ABSORBEDOR

Nmero de platos Variable

NOTA: se conserva la eficiencia de los platos 10 y 11 al 50% y los dems al70%, sin importar el nmero de platos de la torre.

En esta situacin, se propone variar la cantidad de platos utilizados en lasimulacin y analizar caso a caso las composiciones de SO2 en las corrientes desalida de gas y lquido.

A continuacin la prueba para una torre compuesta por 5 platos:

Cabe resaltar que la eficiencia de los platos, en este caso, ser paratodos del 70%.

GAS L QUIDOT = 40C T = 40 CP = 2 atm P = 2 atm

Flujo msico = 3500 kg/h Flujo msico = 10000 kg/h


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En la tabla 1, se muestran los resultados para las simulaciones a distinto nmerode platos.

Tabla 1:Variacin de la fraccin molar de SO2para distintos tamaos de torre.N MERO DE PLATOS [SO2] GAS [SO2] LIQ

2 0,1738 0,02293 0,158 0,02534 0,1517 0,02635 0,1497 0,02666 0,1481 0,02687 0,1475 0,02698 0,1474 0,0269

10 0,1472 0,026911 0,1469 0,02712 0,1469 0,027

15 0,1469 0,02720 0,1471 0,027

En la figura 1 se muestra el comportamiento de la fraccin molar de SO 2 en lascorrientes de salida del lquido y del gas, conforme cambia el nmero de platos enla torre de absorcin.

Figura 1.Fraccin molar de SO2 vs. Nmero de platos en la torre.


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Se observa que la fraccin de SO2 en el flujo de gas (de salida) disminuye alincrementar la cantidad de etapas en la torre; a mayor nmero de platos, el flujototal de dixido de azufre que pasa de la fase gas a la fase lquida aumenta, locual ocasiona un mejor factor de separacin en la operacin unitaria. As mismo,el comportamiento de la corriente de lquido es contrario al descrito en la fase

gaseosa, lo cual es acorde con lo mencionado anteriormente, pues la cantidad dedixido en el solvente se acrecienta al simular una torre cada vez ms grande.

Sin embargo, es a precisar que la concentracin de SO2 tiende a estabilizarse apartir de un determinado nmero de platos (11) en la torre de absorcin; es decir,el flujo neto de dixido desde la fase gaseosa a la fase lquida es cero,independiente de que se incrementen la cantidad de etapas en el equipo. Dichasituacin se explicar a continuacin.

Las simulaciones siempre se realizaron bajo las mismas condiciones de flujo parael lquido y el gas, por lo tanto, la pendiente de la lnea de operacin ser la misma(independiente la cantidad de platos) y dicha recta se extiende conformeaumentan las etapas, ocasionando que se llegue a un punto donde la lneaoperacin toque la curva de equilibrio; en tal situacin, la fuerza impulsora de latransferencia de masa es cero, originando que no haya flujo de SO2 hacia elsolvente (situacin similar cuando se trabaja con el caudal mnimo de lquido). Conel fin de revertir este inconveniente y conseguir una mayor absorcin, se debeincrementar la cantidad de agua utilizada, ya que as la pendiente de la recta deoperacin aumenta, traduciendo esto en ms fuerza impulsora (mayor diferenciaentre la fraccin de operacin y la fraccin en el equilibrio), significando, a su vez,ms flujo de soluto desde la fase gas a la fase lquida.

2) Graficar cmo afecta la variacin de temperatura del agua en la entrada delsistema la composicin del SO2 de salida, desde 40C hasta la T de operacindel reactor. Ajuste matemtico para los datos graficados. Qu puedeconcluir?


Nmero de platos 15

NOTA: la eficiencia de los platos es del 70 %, a excepcin de los platos 10y 11 a los que les corresponde una eficiencia del 50%.

GAS L QUIDOT = 40C T = VariableP = 2 atm P = 2 atm



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En este procedimiento, se utiliza una de las herramientas facilitadas por AspenHYSYS, para poder analizar los resultados de la simulacin cuando se modificauno de los parmetros de entrada del proceso.

En este caso, se dirige al entorno de simulacin y se selecciona la opcin Case

Studies, despus de esto la ventana mostrar la opcinAdd, con la cual se agregaun nuevo caso de estudio, esto se utiliza para poder analizar la influencia quetiene sobre la operacin el variar un parmetro de entrada. Cabe resaltar que sepuede agregar un nombre al caso de estudio diferente al agregado por defectocomo se muestra en la figura.

Seguido de esto se muestra el entorno del case,donde se dirige nuevamente a la opcin Add, paraagregar los parmetros que se desean analizar.

En este paso, se comienza agregando la variable independiente del Case Studies.Se trabajar con la temperatura del flujo de lquido de entrada a la torre deabsorcin.


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Seguido se seleccionan las variables de salida, que fueron la fraccin molar dedixido de azufre en las corrientes de salida de gas y lquido. Esta opcin se llamaPhase comp mol fracc; posteriormente, se seleccionan las especificaciones de lasvariables, donde se toma la opcin Overall, lo que permite buscar sus resultadosen todas las fases en que se puede encontrar dicho compuesto y finalmente

seleccionamos SO2.

Ya seleccionadas las variables a evaluar, se define el rango de variacin de la

variable independiente y el paso de una medicin a otra que se desea aplicar.

Despus de corrido el caso, en la opcin Run, se pueden observar los resultadosen las pestaas Results y Plot.La tabla 2 muestra los resultados de dichasimulacin


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Tabla 2:Efecto de la variacin en la temperatura del lquido de alimentacin en lacomposicin de SO2en las corrientes de salida.

State Alimentacin lquido -Temperature[C]

Phase CompMole Frac (Fase

gaseosa)

Phase Comp MoleFrac (Fase lquida)

State 1 25 0.0529378 0.0392557State 2 26 0.0616458 0.0382845State 3 27 0.0701639 0.0373089State 4 28 0.0780894 0.036377State 5 29 0.0857475 0.0354532State 6 30 0.0930242 0.0345528State 7 31 0.0999608 0.0336725State 8 32 0.106377 0.0328374State 9 33 0.112537 0.032016

State 10 34 0.118353 0.0312212

State 11 35 0.123834 0.0304533State 12 36 0.128997 0.0297122State 13 37 0.133854 0.0289974State 14 38 0.138421 0.0283084State 15 39 0.142711 0.0276445State 16 40 0.146736 0.0270052

En la figura 2 se muestra el comportamiento de la fraccin molar de SO 2,en lascorrientes de salida del lquido y del gas, para diferentes condiciones detemperatura en el flujo de agua.

Figura 2.Fraccin molar de SO2 vs. Temperatura de entrada del flujo de lquido.Tomada de Aspen Hysys.


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MODELO MATEMTICO

Grfico azul: y = 0,2004ln(x) - 0,5898y: Fraccin mol SO2 gasx: Temperatura

R = 0,9976Grfico rojo: y = 0,0733e-0,025x

y: Fraccin mol SO2lquidox: TemperaturaR = 0,9998

De acuerdo a lo mostrado en grfica, la cantidad de dixido de azufre en lacorriente de gas de salida (en rojo) disminuye si la temperatura en la corriente deagua decrece; es decir, entre ms fro se alimente el flujo de lquido, la absorcines cada vez mayor. As mismo, y guardando lgica con el comportamiento en lafase gaseosa, la concentracin de SO2 en el agua (en azul) se incrementaconforme disminuye la temperatura, pues una mayor cantidad de dixido escontenida en el lquido

Por otra parte, en lo que respecta a la explicacin del porqu de loscomportamientos arriba descritos, el aumento del factor de absorcin con ladisminucin en la temperatura del lquido es debido a que, el cambio en lacondicin termodinmica del flujo del agua, incide en la relacin de equilibrio delsistema. Por ejemplo: si la temperatura de la fase lquida se fija en 25 C, lapendiente de la curva de equilibrio es menor en comparacin a la relacin deequilibrio que se obtiene para un absorbente a 40 C; por lo tanto, a menorpendiente, los puntos en equilibrio y los pertenecientes a la recta de operacinestn cada vez ms distantes entre s, generando una fuerza impulsora mayorpara la transferencia de masa. Es a recordar, tal como se discuti en el temanterior, que, si la diferencia es cada vez ms apreciable, el flujo de SO2desde la fase gas hacia la fase lquida se incrementa.

3) Graficar cmo es la variacin del flujo msico de SO2 a la salida de cadaplato.


GAS L QUIDOT = 40C T = 40CP = 2 atm P = 2 atm


Nmero de platos 15


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El flujo de dixido de azufre por etapa se calcul utilizando el flujo total de la faselquida y la fraccin molar de SO2, datos que son suministrados por el ambiente desimulacin para cada uno de los platos (mostrado en la tabla 3).

Tabla 3:Flujo molar de SO2en cada plato

N Plato Comp mol liq SO2 Flujo molar liquido Fmolar SO21 0,009 562,104 5,2832 0,015 566,198 3,2843 0,018 568,487 1,8994 0,020 569,712 1,0545 0,021 570,536 0,7236 0,022 570,868 0,3067 0,022 571,004 0,1328 0,022 571,048 0,0479 0,022 571,077 0,038

10 0,022 571,067 0,03711 0,022 571,056 0,02612 0,023 571,024 0,00013 0,023 570,672 0,00014 0,024 570,193 0,00015 0,027 569,109 0,000

La variacin del flujo molar de SO2 hacia la fase lquida, conforme el agua cae a lolargo de la torre, se expone en la figura 3. Se debe precisar que los platos estnenumerados en orden descendente.

Figura 3.Flujo molar de SO2 vs. Nmero de platos en la torre.


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En el tope de la torre, se presenta la mayor cantidad de flujo de dixido hacia lafase lquida, puesto que la fuerza impulsora para la transferencia de masa es msgrande en el plato 1 respecto a cualquiera de las dems etapas del equipo. Eneste orden de ideas, la cantidad de SO2que se transfiere decae conforme el aguadesciende, debido a que, como el lquido se va enriqueciendo de gas, etapa por

etapa, la recta de operacin se aproxima cada vez ms a la curva de equilibrio.Vale recalcar que, en los platos finales, el flujo de gas tiende a cero, pues, a partirde la etapa 11, los puntos en operacin y en equilibrio son, prcticamente, iguales.

4) Graficar cmo afecta la variacin del flujo del lquido (agua) en la concentracinde SO2 a la salida de la corriente gaseosa. Determinar el mejor ajustematemtico para describir este comportamiento.


Nmero de platos 15

NOTA: la eficiencia de los platos es del 70 %, a excepcin de los platos 10y 11 a los que les corresponde una eficiencia del 50%.

En este paso, se realiza el mismo procedimiento hecho en el tem 2, donde, pormedio de unCase Studiesse generan los resultados de composicin de dixidode azufre en las corrientes de gas y lquido cuando se da una variacin en flujo dealimentacin de lquido.

En este caso, como variable independiente se selecciona el flujo de alimentacinde lquido, y las variables dependientes son nuevamente la concentracin de SO2en la fase lquida y gaseosa, para los cual se arrojaron los resultados en la tabla 4.

Tabla 4: Efecto de la variacin del flujo de alimentacin de lquido en la

composicin de SO2

en las corrientes de salidaState Alimentacin lquido- Mass Flow [kg/h]

Phase Comp MoleFrac (Fase Gaseosa)

Phase Comp MoleFrac (Fase lquida)

State 1 5000 0.209739 0.0322043State 2 6000 0.198427 0.0303794State 3 7000 0.186508 0.0291203State 4 8000 0.173905 0.0282174


Flujo msico = 3500 kg/h Flujo msico = Variable


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State 5 9000 0.160658 0.0275351State 6 10000 0.146762 0.0270008State 7 11000 0.132194 0.0265706State 8 12000 0.116933 0.0262151State 9 13000 0.100998 0.0259102State 10 14000 0.0844273 0.0256374State 11 15000 0.0674599 0.025368

La figura 4 presenta la variacin de la concentracin de dixido de azufre, en lascorrientes de salida de gas (en rojo) y de lquido (en azul), con el flujo de aguautilizada para el proceso de absorcin.

Figura 4.Fraccin molar de SO2 vs. Flujo de lquido. Tomada de Aspen Hysys.

MODELO MATEMATICO

Grfico azul: y = -3E-10x2 - 8E-06x + 0,2564y: Fraccin mol SO2gasx: Flujo msico lquidoR = 1

Grfico rojo: y = -1E-22x5 + 7E-18x4 - 2E-13x3 + 2E-09x2 - 1E-05x + 0,0626y: Fraccin mol SO2gasx: Flujo msico lquidoR = 1

De la figura 4, se puede observar que la concentracin de SO 2disminuye ante unaumento en el flujo de agua, tanto en la corriente gaseosa como en la corrientelquida; ello es debido a que un incremento en el flujo de lquido, ocasiona un


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crecimiento en la pendiente de la recta de operacin, lo cual, como se hamencionado anteriormente, implica una ampliacin en la fuerza impulsora de latransferencia de masa, acarreando un grado de separacin mucho mayor (seretira cada vez ms dixido de azufre de la corriente gaseosa, agotando dicho flujohasta niveles muy pequeos de soluto). As mismo, se debe aclarar que, aunque

el lquido se enriquece de gas conforme se utiliza un mayor flujo del mismo, dichoaumento de agua es ms significativo que la cantidad de SO2absorbido, y es porello que el comportamiento de la concentracin en la corriente absorbente tambines decreciente.

Por ltimo, es a precisar que, si el flujo de lquido es demasiado grande, laconcentracin de dixido de azufre, en ambas corrientes, tiende a cero; debido aque casi todo el SO2 es retirado del aire y la masa absorbida es insignificante anteel volumen de agua que se debe utilizar.

5) Determinar cul es el valor de flujo de lquido a emplear para reducir hasta 0.05la fraccin molar del SO2 en la salida de la corriente gaseosa.


Nmero de platos 15

Se realiza un Case Studie ampliando el rango de variacin de flujo msico, deforma que sea lo suficientemente grande para que la composicin se SO2 pasepor el valor deseado (0.05), de lo anterior de obtienen la siguiente tablaresultados.

Tabla 5: Fraccin molar de SO2 en la corriente gaseosa conforme vara el flujo delquido de alimentacin.

State Alimentacin lquido - Mass Flow[kg/h]

Phase Comp Mole Frac(Overall-SO2)

State 1 15000 0.0673985State 2 16000 0.0502995State 3 17000 0.0341647State 4 18000 0.0206058State 5 19000 0.0111684State 6 20000 0.00573792




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State 7 21000 0.00295596State 8 22000 0.00159602State 9 23000 0.000902745

State 10 24000 0.000536359State 11 25000 0.000332962

En la tabla 5 se puede ver que para un flujo de 1600 Kg/h se llega a un valor de0.0502 (cercano al deseado), por lo cual, se realiza una prueba y error en lasimulacin para acercarce a un valor ms exacto, de donde se lleg a que el elflujo ideal para alcanzar una composicin de 0.05 fraccin mol en la corriente degas de salida es de 16020 Kg/h de agua.

6) Establecer cul sera la altura y el dimetro de la torre si cambia de platos alecho empacado.

Para poder simular una torre de absorcin empacada, se debe correr la simulacinbase de platos. Luego de eso se dirige a la opcin Equipment Design. Al agregarun nuevo diseo enAdd,se debe especificar en la pestaa la opcin Tray Sizing.


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Luego de abierta la pestaa de diseo, se va a la opcin Select TS, en donde seselecciona el equipo en el cual se especificar el diseo del empaque.

Luego de esto se va a la opcinAuto Sectionpara definir elempaque a utilizar.

SELECCIN DE EMPAQUE.

Se seleccionan monturas de material cermico, ya que las sustancias que se vana utilizar pueden reaccionar formando un cido dentro de la torre de absorcin(agua + dixido de azufre). Por otra parte el tamao nominal del empaque permiteque exista mayor rea de tranferencia entre el lquido y el gas que se desea tratar.Se tiene en cuenta la cada de presin que ocaciona el empaque, para esto se

selecciona una correlacin para el cculo de dicha cada de presin en la opcinCorrelaction Typey los dems datos son arrojados por defecto por el simulador.Finalizando con la opcin Complete AutoSectionse pueden verificar los datos detamao y dimeto de la torre en la opcin Performance.


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Imagen 1 Imagen 2

La tabla 6 muestra el resultado obtenido para la simulacin de dos tipos deempaque diferentes: montura Intalox de 1 (imagen 1) y anillos Raschig de 2(imagen 2).

Tabla 6:Tamao de la torre para distinto tipo de empaque.TIPO DE EMPAQUE ALTURA [m] DI METRO [m]Montura Intalox 1 7.137 1.067Anillos Raschig 2 6.452 0.762

Se puede apreciar que la forma del empaque es una variable importancia en eldiseo de una torre empacada, debido a que la altura y el dimetro en una torrede absorcin con un empaque formado por anillos Raschig es menor encomparacin a las monturas Intalox, ya que estos permiten un mayor rea decontacto de fases. De igual modo, la transferencia de masa a lo largo de la torrees mayor, se logra un menos tamao de equipo a las condiciones de operacindadas.


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CONCLUSONES

La herramienta de simulacin Aspen HYSYS permite dar respuesta a casos deestudio como el propuesto en el presente trabajo. Para todos los tems dediscusin fue posible abordar su solucin mediante dicha herramienta, y los

debidos anlisis de los datos numricos fueron afrontados usando lo reportado enlos libros de texto. De acuerdo a los resultados obtenidos, se concluye losiguiente:

Utilizando un flujo de 10000 Kg/h, bajo unas condiciones de operacin de40C y 2 atm de presin, el contenido de dixido de azufre en la corrientede gas es disminuido hasta un mximo de 14.7% molar, a partir de unaalimentacin con un 30% molar de SO2. No es posible aumentar ms all elfactor de absorcin debido a que, luego de obtener una solucin gaseosa

de 0,147 de SO2, la corriente de lquido se satura y el flujo neto desde lafase gaseosa hasta la fase lquida es igual a cero, aun cuando se tenganinfinito nmero de platos.

Por otra parte, bajo las mismas condiciones termodinmicas y para unatorre de 15 platos, el flujo de dixido de azufre disminuye conforme ellquido desciende a lo largo de la torre, pues ste se enriquece etapa trasetapa de SO2. En este orden de ideas, una vez el lquido llega al platonmero 11, la lnea de operacin y la curva de equilibrio se encuentran enun mismo punto, por lo tanto, a partir del plato 12 al 15 el flujo molar de SO2

es igual a cero, acorde con lo expresado en el prrafo anterior.

Es posible mejorar el factor de concentracin de SO2 en el lquidodisminuyendo la temperatura de alimentacin del flujo de agua, debido aque la fuerza impulsora para la transferencia de masa se incrementa. Porejemplo: a 40C, se logra disminuir el contenido de SO2en el gas hasta un14.67% molar; sin embargo, si la temperatura es disminuida en 15C, lacantidad de dixido en la corriente gaseosa a la salida de la torre ser slode 5.29%. Para dicha comparacin se simul una torre de 15 etapas a lascondiciones antes descritas.

Para una torre de 15 platos, al aumentar el flujo msico de lquido a 15000Kg/h, es posible disminuir el contenido de SO2 hasta un 6,74% molar; estose debe a que la pendiente de la recta de operacin se incrementa con elflujo de agua, lo que genera mayor diferencia entre los puntos de dichalnea con los pertenecientes a la curva de equilibrio, generando mayor


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transferencia de dixido de azufre desde la fase gaseosa a la fase lquida.Por otra parte, para obtener una fraccin molar de dixido de azufre en lacorriente gaseosa de salida de 0.05, se debe incrementar el flujo de aguahasta 16020 Kg/h.

Para las condiciones de absorcin expuestas por el caso de estudio(termodinmica y de flujos), al reemplazar la torre de platos por unaempacada se hace necesario una altura de empaque que oscila entre 6 y 7metros y un dimetro desde 0,7 hasta 1 metro, dependiendo del tipo y eltamao de empaque utilizado. Por ejemplo, para anillos Raschig de 2, serequiere construir una torre de 6,5 m de altura y 0.8 m de dimetro,aproximadamente.


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BIBLIOGRAFA

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Simulacin de procesos (sitio de internet). Modelos de Hysys. Disponible en:https://simulacionprocesos.wikispaces.com/Modelos+del+Hysys. Acceso el 26 dediciembre de 2014.

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