Burbujeo de Gas
l burbujeo hace referencia a un proceso que consiste en inyectar
gas a travs de un difusor hacia
una fase lquida. Es usado en aplicaciones tanto de procesos
fsicos como qumicos, el burbujeo es usado para disolver gases en
lquidos (como la aeracin y carbonatacin) o para remover
contaminantes de la fase lquida (como la extraccin por oxgeno,
extraccin de compuestos orgnicos voltiles y extraccin de agua). En
aplicaciones de procesos qumicos, el burbujeo es usado para
disolver reactivos gaseosos en la fase lquida para acelerar la
reaccin (como reacciones de hidrogenacin, oxidacin, fermentacin y
ozonacin). La siguiente informacin discute algunas de las
consideraciones requeridas para el establecimiento de una operacin
de burbujeo y la seleccin del equipo necesario.
Los burbujeadores (difusores) presentan varios tamaos,
configuraciones y materiales de construccin. Son escogidos en base
al diseo y condiciones de operacin del proceso. Los difusores
metlicos son usados en condiciones corrosivas u oxidantes y altas
temperaturas, mientras los difusores cermicos son suficientes para
condiciones moderadas. El tipo y configuracin del difusor usado,
depende de factores como, si el proceso es batch o continuo, flujo
msico del gas, el tamao del tanque, agitacin mecnica, presin de
operacin y temperatura.
Velocidad de transferencia de masa
El principal propsito de un difusor es incrementar la eficiencia
de la transferencia de masa gas-lquido, la cual es la relacin de la
cantidad del componente activo del gas (que es disuelto en el
lquido) con el gas inyectado. Una baja eficiencia resultar en el
incremento de la tasa o velocidad de inyeccin de gas y por lo tanto
el aumento de los costos para obtener el resultado deseado. La
resistencia de transferencia de la fase lquida es el principal
controlante de la eficiencia de la transferencia gas- lquido.
La velocidad de transferencia de masa gas-lquido por unidad de
volumen est dada por KLa(C*-C). En esta ecuacin, KL es el
coeficiente de transferencia de la fase lquida que depende de la
difusividad, viscosidad
del lquido, temperatura y agitacin; a es el rea interfacial de
las burbujas de gas en contacto con el lquido; C* es la
concentracin de saturacin del gas en lquido; y C es la concentracin
del gas en el lquido. Como el rea interfacial a es incrementada por
el burbujeo de pequeas burbujas de gas con una alta relacin
superficie- volumen, la velocidad de transferencia de gas es
mejorada. La fuerza motriz de la transferencia de masa (C*-C)
tambin tiene un gran impacto en la velocidad de disolucin del gas,
haciendo uso de un gas de alta pureza sobre un gas de baja pureza.
Por ejemplo, la concentracin de saturacin del oxgeno en agua, para
oxgeno puro es cinco veces mayor que la del aire, resultando en un
incremento de la velocidad de disolucin, con oxgeno puro.
Seleccin del equipo de burbujeo
Existen importantes factores a considerar en la seleccin de un
difusor. La velocidad de salida del gas en la superficie es un
importante criterio de diseo para la seleccin del difusor. El flujo
volumtrico real de gas para la velocidad de salida es calculado
usando la presin (P) que es la suma de la presin del espacio de
cabeza del tanque (PHeadspace), la presin de carga de lquido en el
difusor (PLiquid), y la cada de presin a travs de los componentes
del difusor (P). El rea superficial mnima del difusor est basada en
la velocidad lmite de salida del gas, para el proceso. La velocidad
lmite de salida es menor para operaciones de burbujeo esttico,
donde no hay agitacin mecnica en la fase lquida. Para burbujeo en
tanques agitados y burbujeo dinmico, donde el lquido tiene alta
velocidad forzada a lo largo de la superficie del difusor, la
velocidad lmite de salida del gas es mayor, requiriendo difusores
ms pequeos para el mismo flujo de gas. La velocidad lmite para el
burbujeo en tanques agitados y burbujeo dinmico depende de la
rapidez del impulsor y la velocidad del lquido,
respectivamente.
Efectos de la Agitacin
Aparte del uso de un difusor apropiado, es importante enfocarse
en la agitacin del gas y el lquido. En aplicaciones de procesos
qumicos, el reactor generalmente est cerrado por lo cual los gases
de alta pureza que no
reaccionaron, no son ventilados del sistema. En estas
aplicaciones son usados impulsores especialmente diseados
dependiendo de las condiciones de operacin del reactor. Tpicamente,
un impulsor tipo turbina se localiza sobre el difusor para cortar y
dispersar las burbujas de gas. Adicionalmente puede ser necesario
agitacin en la superficie del lquido para arrastrar el gas no
reaccionado del espacio de cabeza del tanque hacia la fase
lquida.
Remocin de Contaminantes
En aplicaciones de procesos fsicos donde un contaminante es
removido de la fase lquida, es importante estimar el gas requerido
para el proceso, as como los otros componentes que se volatilizan
de la fase lquida. En ocasiones es necesario equipos en
contracorriente (columnas de absorcin) para recuperar el
contaminante de la fase gaseosa antes de ser ventilado el gas de
burbujeo a la atmsfera.
Ejemplo con Biodiesel
Varios parmetros deben ser tomados en consideracin cuando se
estima la velocidad de flujo del gas y la composicin del gas de
venteo en cualquier aplicacin de burbujeo. Por ejemplo, cuando un
gas es usado para remover humedad del biodiesel, las variables
claves para estimar el gas requerido son la temperatura, presin, la
afinidad del gas por la humedad, composicin del biodiesel,
composicin inicial y final de la humedad en el biodiesel, el tamao
del lote o carga (batch) y el tiempo de residencia.
Figura 1. Flujo normalizado de gas nitrgeno para remocin de
humedad
del biodiesel
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Flu
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Figura 2. Concentracin de humedad en el biodiesel con burbujeo
de
nitrgeno a 200F
La Figura 1 muestra los efectos de la presin y temperatura de
operacin en un flujo normalizado de gas para remover la humedad de
2000 ppm a 500 ppm en un proceso batch, usando gas nitrgeno puro
(99.99% de pureza). La composicin en la fase lquida y gaseosa puede
ser estimada usando clculos de equilibrio lquido- vapor.
La Figura 2 muestra la concentracin de humedad calculada en el
biodiesel a presiones de operacin de 10 psi y 14.7 psi para
procesos a 200F con un tiempo de residencia de 1 hora. La
concentracin de humedad se reduce en ambos procesos de 2000 ppm a
500 ppm despus del burbujeo, pero el proceso a 10 psi requiere 37%
menos flujo de gas. Esto reduce el consumo de nitrgeno, as como el
biodiesel ventilado al ambiente que se va con el gas.
Nota del editor: El contenido de esta edicin Facts at Your
Fingertips fue contribucin de Air Products (Allentown, Pa.;
www.airproducts.com).
Traducido por: Santiago Encalada, estudiante de Ingeniera
Qumica, EPN.
Correo electrnico: [email protected]
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