Análisis de una columna empacada para absorción gaseosa utilizando un simulador comercial

PRÁCTICA No 5 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS III Análisis de una columna empacada para absorción gaseosa utilizando un simulador comercial Facilitador: Ing. MSc. José Alexander Colina 1

SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE MASA Un gran número de operaciones industriales se relacionan con el problema de cambiar la composición de soluciones y mezclas, utilizando los principios de TRANSFERENCIA DE MASA INTERFASIAL. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 2

SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE MASA Ejemplos: 1. Transferencia de un soluto desde la fase gaseosa hasta la fase líquida, como en absorción y deshumidificación 2. Transferencia de un soluto desde la fase líquida hasta la fase gaseosa, como en la humidificación, y en desorción ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 3

SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE MASA Ejemplos: 3. Transferencia de un soluto desde una fase líquida hasta una segunda fase líquida, como en extracción líquido líquido 4. Transferencia de un soluto desde un sólido hasta una fase fluida, como ocurre en el caso del secado y la lixiviación ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 4

SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE MASA Ejemplos: 5. Transferencia de un soluto desde un fluido sobre la superficie de un sólido como ocurre en el caso de la adsorción y el intercambio de iones ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 5

SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE MASA Este tipo de operaciones por lo general se llevan a cabo en equipos tipo columnas o torres, que se diseñan adecuadamente para proporcionar contacto íntimo entre las fases. Pueden clasificarse en cuatro tipos de equipos en forma muy general: ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 6

SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE MASA a. Torres de aspersión b. Torres de burbujeo c. Torres empacadas d. Torres de platos de burbujeo ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 7

TORRES EMPACADAS Son llamadas también equipos de contacto continuo. En estas se ponen en contacto dos fases, por lo general, en contracorriente, y éstas son inmiscibles. Tal como ocurre en el caso de la absorción gaseosa, operación en la cual se ponen en contacto una fase gas y una fase líquido. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 8

ABSORCIÓN GASEOSA Es una operación unitaria en la cual se verifica un proceso de transferencia de masa desde una fase gas hasta una fase líquida, que resulta de la solubilidad de uno o más compuestos del gas en la fase líquida a una temperatura y presión dada. En esta operación el principio de separación es la solubilidad del gas en el líquido y el agente de separación es la fase líquida que se pone en contacto con el gas y que se le llama solvente. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 9

ABSORCIÓN GASEOSA: Equipo Típico ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 10

ABSORCIÓN GASEOSA: EN PRO II Pro II es un paquete de simulación comercial para realizar balances de materia y energía en diferentes equipos y procesos integrados, en estado estacionario. Trabaja con diagramas de flujos, cuenta con poderosas bases de datos, modelos termodinámicos y herramientas de análisis para realizar análisis de sensibilidad. Utilizando este paquete, en este seminario, simularemos una columna de absorción gaseosa. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 11

CASO DE ESTUDIO: Utiliza el simulador para: 1. Determinar todos los parámetros de flujo y composiciones desconocidas del sistema. Revisa las propiedades encontradas. 2. 2. Utilizar la herramienta Sizing para estimar el diámetro de la columna si la misma está empacada con anillos Raschig cerámicos de 1 in 3. Utiliza la herramienta rating para realizar variaciones del diámetro de la columna y establecer análisis de sensibilidad en el sistema, mediante la herramienta caso de estudio. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 12

En lugar de calcular los NTU se calculará el número de etapas ideales. Como no es posible especificar como variable el número de etapas teóricas de la torre, y éstas deben ser especificadas desde un comienzo, el método de solución consistirá en tomar como variable el flujo líquido que entra e iterar el número de etapas dado a la torre hasta que el flujo de liquido requerido arrojado por el programa sea igual al dado de 30,5 lbm/min. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 13

Dibuje el diagrama de flujo del proceso. El proceso de absorción se representa por el mismo icono para la extracción L L y para la destilación, haciendo uso del icono nombrado Distillation. En la ventana que le pide la configuración de la torre, deseleccione el condensador y el rehervidor y en el número de etapas teóricas coloque el valor estimado para empezar.el diagrama debe ser de la siguiente forma, alimentado en contracorriente los flujos de líquido y de gas. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 14

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Defina las unidades de medida con las que va a trabajar En la ventana Units of Measure Seleccione FARENHEIT en el campo Temperature y PSIA en el campo Pressure. Usted es libre de decidir el sistema en el cual hará su simulación, y puede probar variar las mismas. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 16

Defina las unidades de medida con las que va a trabajar En la ventana Units of Measure Seleccione FARENHEIT en el campo Temperature y Atmosphere en el campo Pressure. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 17

Defina todos los componentes que se encuentran en su sistema Entre a la ventana Selection Component escoja los componentes que se trabajan en el sistema ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 18

Defina todos los componentes que se encuentran en su sistema Entre a la ventana Selection Component escoja los componentes que se trabajan en el sistema los cuales son: agua (water), Amoniaco (Ammonia), aire (Air). ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 19

Seleccione el método termodinámico que se utilizará para la solución del problema. Para este sistema son recomendables los métodos basados en la actividad del líquido, En la ventana Thermodynamyc Data En la ventana que le pide que seleccione entre sólo para una fase liquida o para cálculos de dos fases liquidas, Seleccione solo para una fase, que es lo que se tiene. Se debe tener mucho cuidado al seleccionar el método termodinámico ya que resultados muy diferentes se obtienen con métodos diferentes. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 20

Seleccione el método termodinámico que se utilizará para la solución del problema. Para este sistema son recomendables los métodos basados en la actividad del líquido, En la ventana Thermodynamyc Data escoja desde Liquid Activity el método NRTL (Non Random Two Liquids). En la ventana que le pide que seleccione entre sólo para una fase liquida o para cálculos de dos fases liquidas, Seleccione solo para una fase, que es lo que se tiene. Se debe tener mucho cuidado al seleccionar el método termodinámico ya que resultados muy diferentes se obtienen con métodos diferentes. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 21

Debe suministrar los datos de entrada a las corrientes de alimentación de proceso Las corrientes de entrada a la columna son el flujo de gas que entra y el flujo de agua. Haga doble clic sobre la corriente nombrada G1 en el campo First Specification: la cual será la temperatura ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 22

En el campo Flowrate and Compositions Seleccionamos Total Fluid Flowrate (flujo total). En Componet damos el valor correspondiente, en UOM se deben cambiar las unidades en base volumétrico, escogiendo Vap.Vol. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 23

Debe suministrar los datos de entrada a las corrientes de alimentación de proceso Las corrientes de entrada a la columna son el flujo de gas que entra y el flujo de agua. Haga doble clic sobre la corriente nombrada G1 en el campo First Specification: se especificará la temperatura al valor de 68 F. Será necesario especificar presión. En el campo Flowrate and Compositions Seleccionamos Total Fluid Flowrate (flujo total). En Componet damos el valor 60 para el aire y 40 para el amoniaco, en UOM se deben cambiar las unidades en base volumétrico, escogiendo Vap.Vol. Ahora para el flujo de agua de igual forma especificamos la temperatura de 68 F y se debe dar un flujo individual inicial que puede ser el valor requerido de 30,5 lbm/min ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 24

En el campo Flowrate and Compositions Seleccionamos Total Fluid Flowrate (flujo total). En Componet damos el valor 60 para el aire y 40 para el amoniaco, en UOM se deben cambiar las unidades en base volumétrico, escogiendo Vap.Vol. Ahora para el flujo de agua de igual forma especificamos la temperatura de 68 F y se debe dar un flujo individual inicial que puede ser el valor requerido de 30,5 lbm/min ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 25

Suministre las condiciones de operación de la unidad de trabajo Haga doble clic en la unidad para mostrar la ventana Column. Se dejará el algoritmo Inside-Out que se tienen por defecto. La unidad se nombrará como ABSORCION EN EL CAMPO Unit. Se tiene por defecto para la solución del problema un total de 30 iteraciones, que se puede cambiar si se desea. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 26

En la opción Pressure Profile Se mostrará una ventana en la que se debe especificar la presión total o por etapas. En la solución del problema no se considerará la caída de presión en la torre por eso en la etapa superior se tendrá una presión de 1 Atm, éste valor se debe colocar en el campo Top Tray Pressure y en el campo de caída de presión se dejará cero (que se tiene por defecto) ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 27

Al volver a la ventana Column se escoge la opción Feeds and Products En la primera sección de la ventana se le pide que especifique a que etapas van las corrientes de entrada. En el campo que está la corriente G1 indique que será a la última etapa, la 6 en este caso y la corriente L2 siempre irá a la etapa 1. Se estimará para el producto de fondo OUT-LIQ la misma cantidad que entra en el campo Rate ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 28

En la opción Perfomance Specifications Se debe establecer la especificación de diseño que se considere, la cual puede ser una composición de salida del gas tratado, como en este caso, o un porcentaje de recuperación de soluto en el líquido enriquecido. Por lo general, estas son las especificaciones más comunes. EN LOS CASOS DE ABSORCIÓN DE LOS SISTEMAS QUE ESTAMOS ANALIZANDO NO ES NECESARIO. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 29

En la opción Perfomance Specifications Se debe establecer la especificación de diseño que se considere, la cual puede ser una cmposición de salida del gas tratado, como en este caso, o un porcentaje de recuperación de soluto en el líquido enriquecido. Por lo general, estas son las especificaciones más comunes ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 30

El proceso está listo para ser simulado Oprima el botón Run en la barra de tareas. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 34

El proceso está listo para ser simulado Oprima el botón Run en la barra de tareas. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 35

Genere el Reporte Al generar el reporte de la simulación se obtiene los datos y estados de las corrientes involucradas en la operación de absorción. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 37

Genere el Reporte Al generar el reporte de la simulación se obtiene los datos y estados de las corrientes involucradas en la operación de absorción. ESTO ES APENAS UNA PATE DE LO QUE SE MUESTRA EN EL REPORTE ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 38

ALGUNOS TIPS IMPORTANTES La absorción gaseosa, la extracción líquido líquido, adsorción e intercambio iónico, son procesos de transferencia de masa con difusión a través de un componente estacionario El número de unidades de transferencia que se requiere en una unidad de contacto continuo es una medida de la dificultad de la separación, así, si se desean productos muy puros, se requerirá un gran número de unidades de transferencia, aunque igualmente esto dependerá de lo difícil que pueda ser la separación. La cercanía de las curvas de operación y equilibrio ofrece una idea de esta dificultad La altura de la unidad de transferencia es una medida de la efectividad de separación del empaque particular para las especies químicas que se están procesando Si la velocidad de transferencia de masa en la interfase es alta y el área superficial de transferencia es grande, entonces la altura de una unidad de transferencia será pequeña. Se requiere del coeficiente de transferencia de masa. ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 39

ALGUNOS TIPS IMPORTANTES En una torre empacada, las composiciones de líquido y gas cambian continuamente con la altura del empaque, por esta razón cada punto sobre la línea de operación representan las condiciones que se encuentran en algún lugar de la torre, mientras que en las torres de platos, solo tienen significado real los puntos aislados sobre la línea de operación correspondiente a los platos El método de ALTURA EQUIVALENTE PARA UNA ETAPA IDEAL O PLATO TEÓRICO (HETP) supone que el número de platos se calculan por los métodos de eficiencia, luego estos se multiplica por esta altura equivalente para obtener la altura necesaria del empaque. El HETP debe ser una característica determinada experimental y es propia de cada empaque. Varía con el tipo, tamaño y en muy gran medida con las variaciones de los flujos del sistema y sus concentraciones, por lo tanto se necesitan una gran cantidad de datos experimentales, y es un método bastante complejo ING. MSc. JOSÉ ALEXANDER COLINA 40