Universidad Politécnica de AmozocIngeniería en energía

Cuatrimestre IV Grupo ICeldas de combustible

Procesos de separación gas-líquido

Adan Cabrera CastroMargarita Ruiz Romero

Froylan Huerta Vélez

Procesos de humidificación

Tipos de equipos para humidificación

Contactores gas-líquido

Fig.1 Contactor gas -liquido

Liquido

Gas

Contacto de aire con agua para los siguientes propósitos:

-Humidificación de aire -Deshumidificación de aire -Enfriamiento de agua

Torres para enfriamiento

Fig 2 Torre de enfriamiento

Entrada de aguaSalida de aire

Entrada de aireColección y salida de agua

Vapor de agua

La transferencia total de calor sensible del volumen del líquido a la interfaz

Donde:L = flujo de agua, kg de agua/s *m2* (lbm /h . pie2)

CL =Capacidad calorífica del líquido

TL=temperatura del agua, C o K (F)

hLa= es el coeficiente volumétrico de transferencia de calor de la fase líquida en W/m3 * K (btu/h *pie3 . F) Ti = la temperatura en la interfaz

∫𝐿𝑐𝐿ⅆ𝑇 𝐿=h𝐿𝒶ⅆ 𝑧 (𝑇 𝐿−𝑇 𝑖 ) (1)

La velocidad de transferencia de calor debida al calorlatente en el vapor de agua que se esta transfiriendo

Donde:qλ/A= W/m2 (btu/h . pie2)

MB = peso molecular del aire

Kga=coeficiente volumétrico de transferencia de masa en el gas en kg mol/s *m3 *PaP = presión atmosférica en Pa λ0 =calor latente del agua en J/kg de agua

Hi =humedad del gas en la interfaz en kg de agua

(2)

La velocidad de transferencia de calor sensible en el gas es

• qs /A se da en W/m2

• hGa=coeficiente volumétrico de transferencia de calor en el gas en W/m3 * K.

∫ 𝑞𝑠

𝐴=h𝐺𝒶 (𝑇 𝑖−𝑇 𝐺 )ⅆ 𝑧 (3)

Fig. 3 Perfiles de temperatura y concentración en la parte superior de la torre

Transferencia total de calor sensible del volumen del líquido a la interfaz:

L = flujo de agua, kg de agua/s *m2* (lbm /h . pie2)

CL =Capacidad calorífica del líquido

TL=temperatura del agua, C o K (F)

MB = peso molecular del aire

KGa=coeficiente volumétrico de transferencia de masa en el gas en kg mol/s *m3 *PaP = presión atmosférica en Pa λ0 =calor latente del agua en J/kg de agua

Hi =humedad del gas en la interfaz en kg de agua

Ti = la temperatura en la interfaz

hGa=coeficiente volumétrico de transferencia de calor en el gas en W/m3 * K.

(4)

ABSORCIÓN EN TORRES EMPACADAS Y DE PLATOS

A. Equipo para absorción y destilación

B. Diseño de torres de absorción de platos

C. Diseño de torres empacadas para absorción

D. Métodos simplificados de diseño para la absorción de mezclas gaseosas diluidas en torres empacadas

A. Equipo para absorción y destilación

1. Introducción a la adsorción

La absorción es un proceso de transferencia de masa en el cual un soluto vapor A en la mezcla de gases es absorbido por medio de un líquido en el cual el soluto es más o menos soluble.

2. Diversos tipos de torres de artesas (platos) para absorción y destilación

a) Plato perforado

b) Plato de válvulas

c) Plato de capuchones

a) Plato perforado

El vapor burbujea hacia arriba por los hoyos sencillos del plato a través del líquido que fluye. El líquido se conserva sobre la superficie del plato, y no puede fluir de nuevo hacia abajo por los hoyos porque se lo impide la energía cinética del gas o vapor.

Fig 4. Torre con platos perforados

b) Plato de válvulas

Una modificación del plato perforado es el plato de válvula que consiste en aberturas en el plato y una cubierta de válvulas con movimiento vertical para cada abertura, que proporciona un área abierta variable.

c) Plato de capuchones

El vapor o gas se eleva a través de las aberturas del plato hacia el interior de los capuchones. Después el gas fluye por las ranuras y la periferia de cada tapa y las burbujas fluyen hacia arriba por el líquido que fluye. Fig 5. Torre de platos de

capuchones

3. Torres empacadas para absorción y destilación

Las torres empacadas se usan para el contacto continuo a contracorriente de un gas y un líquido en la absorción y también para el contacto de un vapor y un líquido en la destilación.

Fig 6. Flujos y características de absorción para torres empacadas

Tipos de empaques

• La mayoría de los empaques para torres están construidos con materiales inertes y económicos tales como arcilla, porcelana o grafito, con tamaños de 3 mm hasta unos 75 mm.

Fig 7. Empaques de tamaños típicos: (a) anillo de Raschig, (b) anillo de Lessing, (c) sillas de Berl, (d) anillo de Pall.

B. Diseño de torres de absorción de platos

1. Deducción de la línea de operación

Una torre de absorción de platos tiene el mismo diagrama de flujo de proceso que el sistema de etapas múltiples a contracorriente.

Fig 8. Balance de materia en una torre de absorción de platos.

En el caso de un soluto A que se difunde a través de un gas en reposo (B) y después en un fluido quieto. Si las velocidades son V’ kg mol aire inerte/s y L’ kg mol disolvente o agua inerte/s, o en kg mol inerte/s m∙ 2, el balance general de material con respecto al componente A es

L’ (5)

Un balance con respecto al área de la línea punteada seríaL’ (6)

Donde: es la fracción mol A en el líquido es la fracción mol de A en el gas es el número total de moles de líquido/s, las moles totales de gas/s

2. Determinación gráfica del número de platos

Si y son muy diluidos, los denominadores y serán cercanos a 1 y la línea será aproximadamente recta, con una pendiente . El número de platos teóricos se determina estimando de manera ascendente el número de ellos.

C. Diseño de torres empacadas para absorción

1. Deducción de la línea de operaciónEn el caso de la difusión del soluto A a través de un gas estacionario y después a través de un fluido estacionario, el balance general de materia del componente A para una torre de absorción empacada es, (7)

Fig 9. Balance de materia para una torre de absorción empacada que opera a contracorriente.

Un balance con respecto a la línea punteada en la figura anterior proporciona la ecuación de la línea de operación: (8)

Cuando se transfiere soluto de la corriente L a la V, el proceso se llama empobrecimiento. La líneaesta por debajo de la línea de equilibrio.

Fig 10. Localización de las líneas de operación: a)para la absorción de A de la corriente V a la L, b)para el empobrecimiento de A de la corriente de A de la corriente L a V.

2. Relaciones L’/V’ límite y óptimaSe fijado los valores del flujo V1 y de las concentraciones y2, x2 y y1. Cuando la línea de operación tiene una pendiente mínima y toca la línea de equilibrio en el punto P, el flujo de líquido L’ es mínimo y se le denomina L’min. El valor de x1 tiene un máximo al llegar a x1máx cuando L’ es mínimo. En el punto P, las fuerzas impulsoras y - y*, y - yi, x*- x, o Xi - x son todas iguales a cero. Para obtener el valor de L’min, se sustituyen los valores de y1 y x1máx en la ecuación de la línea de operación. En algunos casos, si la línea de equilibrio tiene una curvatura cóncava hacia abajo, el valor mínimo de L se alcanza cuando la línea de operación es tangente a la de equilibrio en vez de cortarla.

Fig 11. Relación mínima liquido/gas para la absorción

3. Coeficientes global y de película de transferencia de masa en torres empacadas.

Las mediciones experimentales en una torre empacada producen un coeficiente volumétrico de transferencia de masa que combina el área interfacial con el coeficiente de transferencia de masa.Si se define a como el área interfacial en por de volumen de sección empacada, el volumen del empaque en una altura es , y donde S es el área de corte transversal de la torre en m2.

4. Método de diseño para torres empacadasPara la altura diferencial de la torre las moles de A que salen de V son iguales a las que entran a L, (9)Las ecuaciones finales pueden deducirse de manera similar usando coeficientes globales. (10)

(11)

• Los coeficientes volumétricos de transferencia de masa, de película y general se definen como:

D. Métodos simplificados de diseño para la absorción de mezclas gaseosas diluidas en torres empacadas

Los flujos variarán en menos del 10% y los coeficientes de transferencia de masa considerablemente menos que esto. Como resultado de esto, los valores promedio de los flujos V y L, así como los coeficientes de transferencia de masa en las partes superior e inferior de la torre se pueden situar fuera de la integral.

• Las etapas generales que se deben seguir son:1. La línea de operación de la ecuación, (8) se grafica según la siguiente figura como una recta.Calcúlese , y ; estímese también , y .2. Se cuenta con, o se pueden obtener por medio de correlaciones empíricas, valores experimentales promedio de los coeficientes de película y . Las composiciones en la interfaz y en el punto , en la torre, se determinan al graficar la línea cuya pendiente se calcula con la ecuación:

Absorción de mezclas concentradas en torres empacadas

En estas, la línea de operación y las líneas de equilibrio tendrán bastante curvatura

Pueden variar con los flujos totales.

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• Se grafica la línea de operación y la línea de equilibrio.

• Se obtienen los valores de los coeficientes ky y kx. Estos coeficientes son valores de Gx y Gy.

el flujo total de la masa de aire+ gas, dividido en el área de corte transversal

• Se principia con el fondo de la torre en el punto P(y1,x1) y se determinan las componentes de la interfaz P1 y M1 con una pendiente.

Donde ky kx= kg/mol*s*m^3

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(15)

(16)

• Para conocer se siguen los mismos se repiten los pasos del punto 3.

• Usando los valores de yi y xi se integra gráficamente la ecuación para obtener la altura de la torre en f(y).

(18)𝑓 (𝑦 )= 𝑉𝑘´ 𝑦𝑎𝑆

(1−𝑦 )𝑖𝑀(1− 𝑦 ) (𝑦− 𝑦 𝑖 )

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