LECHOS EMPACADOS ROTATORIOS GENERALIDADES En el transcurso de los últimos años la intensificación de procesos ha sido uno de los principales objetivos de en el ejercicio de la ingeniería química en la industria, la principal razón ha sido la necesidad de mejorar los equipos y técnicas involucradas en procesos típicos como la transferencia de masa y calor. Esto ha enfocado a la comunidad científica en buscar y analizar, nuevos métodos y técnicas que permitan alcanzar este gran objetivo. Los retos de este desafío consisten principalmente en el diseño de nuevos equipos y su debida implementación en los diferentes campos de la industria. La motivación de este cambio no solo obedece a factores económicos sino también al desarrollo de tecnologías confiables, seguras, y más eficientes, desarrollando una nueva filosofía como la miniaturización y descentralización de plantas. Unos de los pioneros de la intensificación de procesos es Colin Ramshaw, cuya filosofía apunta a la reducción significativa del tamaño individual de plantas modelos en un factor de diez o más, lo cual implica una reducción en los costos, un alza en la eficiencia y seguridad. Los procesos donde se ven involucradas
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
LECHOS EMPACADOS ROTATORIOS
GENERALIDADES
En el transcurso de los últimos años la intensificación de procesos ha sido uno de los
principales objetivos de en el ejercicio de la ingeniería química en la industria, la
principal razón ha sido la necesidad de mejorar los equipos y técnicas involucradas en
procesos típicos como la transferencia de masa y calor. Esto ha enfocado a la
comunidad científica en buscar y analizar, nuevos métodos y técnicas que permitan
alcanzar este gran objetivo. Los retos de este desafío consisten principalmente en el
diseño de nuevos equipos y su debida implementación en los diferentes campos de la
industria. La motivación de este cambio no solo obedece a factores económicos sino
también al desarrollo de tecnologías confiables, seguras, y más eficientes,
desarrollando una nueva filosofía como la miniaturización y descentralización de
plantas.
Unos de los pioneros de la intensificación de procesos es Colin Ramshaw, cuya
filosofía apunta a la reducción significativa del tamaño individual de plantas modelos en
un factor de diez o más, lo cual implica una reducción en los costos, un alza en la
eficiencia y seguridad. Los procesos donde se ven involucradas las transferencias de
masa y de calor, la intensificación de procesos busca mejorar ciertos inconvenientes
inherentes tales como: limitaciones en el mezclado, tiempos de reacción largos y
coeficientes de transferencia de calor y de masa desfavorables.
Uno de los trabajos más importantes realizados por Ramshaw es el uso de lechos
empacados rotatorios o RPBs a los procesos de absorción, adsorción y destilación.
Ramshaw basó su principio en un aumento de la fuerza gravitacional (al agregar una
fuerza centrifuga por rotación) de un sistema, lo cual genera una mayor velocidad en la
frontera de la interface y con ello una mejora en los rendimientos de los procesos en los
que se fundamentan en los fenómenos de transferencia de masa y de calor.
Los RPBs ideados por Ramshaw son una alternativa novedosa y que provee buenos
resultados al ser implementados en procesos de adsorción, destilación y absorción. El
equipo empleado consiste en una unidad con un lecho empacado montado entre dos
discos que rotan coaxialmente con el eje de un rotor, en la unidad, el liquido es
alimentado desde el centro del rotor sobre el empaque y fluye externamente bajo la
acción de la fuerza centrifuga.
El aire comprimido se introduce en la superficie exterior del disco y se fuerza
radialmente hacia el interior, en contracorriente con el líquido La alta aceleración
centrifuga aplicada por la unidad (la cual puede inducir fuerzas centrífugas más de
1000 veces la de la gravedad), permite un mayor rendimiento en la unidad, puesto que
se generan fuerzas de corte en el liquido, dando películas muy delgadas de liquido, las
cuales pueden cubrir grandes áreas superficiales cuando se usa un empaque fino.
Adicionalmente la aceleración centrifuga puede causar la regeneración continua y
rápida del área superficial. Estos factores en conjunto con la turbulencia generada por
el gas ofrecen grandes transferencias de masa y una altura pequeña de unidades de
transferencia en comparación d los lechos empacados convencionales.
2
Aunque se puede usar cualquier tipo de material para el embalaje, el cual se
caracteriza por un área de superficie muy alta a la relación de volumen y una porosidad
baja. Frecuentemente se usa espuma metálica porosa o polímeros, su elección debe
ser consistente con las características del sistema puesto que la naturaleza del
empaque genera una caída de presión significativa, lo cual es desfavorable para la
torre, sin embargo a altas presiones la caída de presión es insignificante.
ECUACIONES Y BALANCES
PROCESO DE DESTILACION
Los balances involucrados en el proceso de destilación usando RPBs son los
siguientes.
Balance de un volumen diferencial de la unidad, teniendo en cuenta la fase liquida y la fase gaseosa:
3
Definiendo los términos radiales (los cuales poseen unidades de área):
Las ecuaciones para los coeficientes volumétricos de transferencia de gas y de líquido son:
La relación entre el área húmeda y el área específica del empaque:
Tensión superficial del empaque:
PROCESO DE ABSORCION
Coeficiente volumétrico de transferencia de gas se calcula con la expresión:
Coeficiente de transferencia masa de gas tenemos la siguiente correlacion:
Coeficiente de transferencia de masa de liquido:
Área interfacial gas-liquido efectiva:
4
Donde KLa:
PROCESO DE ADSORCION
Las ecuaciones para un proceso de adsorción donde se implementen RPBs son las
siguientes:
Coeficiente externo de transferencia de masa βL
Ecuación general de la distribución de poros:
Condiciones iniciales para la ecuación de distribución de poros:
Modelo propuesto como solución a la ecuación de distribución de poros:
Difusividad de poro:
Ecuación de difusión superficial
Condiciones iniciales para la ecuación de difusión superficial:
5
Modelo propuesto como solución a la ecuación de difusión superficial:
VENTAJAS
Tamaño reducido en los equipos, al reducir del tamaño de la unidad se
disminuyen los costos de construcción de la planta.
Alta transferencia de masa a alturas bajas en unidades de transferencia.
Un alto rendimiento del equipo, disminuye los tiempos de residencia del liquido y
la cantidad de liquido a la entrada, esto es ventajoso cuando los calores
sensibles de especies explosivas están involucrados.
Al tener una aceleración alta de la fase liquida – vapor se genera altos
coeficientes volumétricos de transferencia de masa, película de líquidos más
delgadas y burbujas de vapor más pequeñas, esto reduce la probabilidad a la
inundación de la unidad.
DESVENTAJAS
Caída de presión relativamente alta, debido a caída de presión por fricción dada
por la aceleración centrifuga.
Al emplear un sello dinámico para prevenir el paso de gas al rotor, se
compromete la confiabilidad y longevidad debido al contacto con el fluido que se
esté tratando.
Una sola unidad no es suficientemente competente para realizar destilación
continua debido a la incapacidad de ubicar el rotor en posición radial,
6
equivalente a un plato intermedio en una columna de destilación normal, luego
se requieren dos unidades para destilación continua.
Existe dificultad para acoplar múltiples rotores debido a la complejidad en la
aplicación de los sellos dinámicos.
APLICACIONES
Absorción: Gases como SO2, CO2, NH3 son removidos del aire, mientras otras
sustancias son separadas entre sí como el H2S del CO2.
Fabricación de materiales de gran valor agregado tales como titanio.
Separación en mezclas liquidas: remoción de O2 de agua, monómeros
residuales de polímeros, compuestos volátiles orgánicos de aguas subterráneas,
NH3 de agua.
Adsorción: intercambios iónicos, recuperación de proteínas, producción de
químicos finos.
Destilación: Separación de mezclas de alcoholes (methanol/etanol,