Propuestas de diseño para los equipos de transferencia de masa del Laboratorio de Operaciones Unitarias

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas Departamento de Ingeniería Química Facultad Química- Farmacia. TRABAJO DE DIPLOMA. Título: Propuestas de diseño para los equipos de transferencia de masa del Laboratorio de Operaciones Unitarias.. Autora: Heydi Crespo Aguerrido Tutores: Dra. Irenia Gallardo Aguilar Ing. Reinier Feyt Leyva. Curso 2008-2009 Año del 50 Aniversario de la Revolución.

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(3) …..Hay que trabajar para enriquecer los conocimientos adquiridos durante los estudios, para saberlos aplicar en la práctica de manera creadora y recordar que la realidad es siempre mucho más rica que la teoría, pero que la teoría es imprescindible para desarrollar el trabajo profesional de un mundo científico. Fidel Castro Ruz..

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(5) A mi madre quien ha sido en todos estos años de travesía la estrella guía de mi camino, mi fuerza y mi luz…. A mi abuelita querida, que desde el cielo cuida de mí y porque fue la mujer mas especial que conocí. A mi hermana por ser mi fuente de inspiración y por creer en mí A mi novio por soportarme tanto, por ser un gran apoyo y porque lo amo mucho.

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(7) ♣ A dios por existir y por hacer posible mis sueños. ♣ A mis padres y hermana. ♣ A mi tío Santiago, a Teresa y en especial a Sandro. ♣ A mi hermana Yanisley por ser tan alegre y porque me enseñó que ante cada golpe de la vida ha que mantenerse firme. ♣ A mis tutores Feyt e Irenia por su dedicación y apoyo incondicional, pues sin su ayuda no hubiese terminado este trabajo. ♣ A mis compañeros de aula por ayudarme tanto, especialmente a Yalaina, Daniel y Luis. ♣ A mis amigos que han estado conmigo cuando los he necesitado en especial a Ortelio, William, Yusmany, Delvis, Youris y Osmel. ♣ A todos los profesores, que al ofrecer sus conocimientos hicieron posible mi preparación durante todos estos años. ♣ A Andy, Eniel, Serguei Menes, Yadriel, Serguei del Rio y a José Daniel por ser las personas más nobles del mundo y por permitirme ser parte de sus vidas todos los días. ♣ A mis tías y primos. ♣ A Dora Mendoza por creer en mi ♣ A Cristina, Margarita, Eduardo y muy especialmente a Miguel ♣ A todos aquellos que contribuyeron de una forma u otra a la realización de este trabajo. ♣ A la Revolución.

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(9) Resumen En el siguiente trabajo se realiza un análisis sobre los equipos de transferencia de masa del Laboratorio de Operaciones Unitarias. Primeramente se llevó a cabo una revisión bibliográfica donde se realizó un estudio de los aspectos más importantes de los procesos de destilación, absorción y secado, los equipos que se utilizan para cada una de esas operaciones y la aplicabilidad de los mismos en la industria química. Luego se realizó un análisis para la etapa de destilación a partir de alternativas propuestas con el objetivo de seleccionar aquella de menor consumo energético, diseñándose cada uno de los equipos presentes en cada alternativa. Además se rediseñó la columna de absorción con los equipos que la componen y se realizó un diagnóstico sobre el equipo de secado del laboratorio proponiéndose medidas que garanticen la vida útil del equipo y el buen funcionamiento del mismo y finalmente a partir de los cambios realizados se perfeccionan las técnicas operatorias existentes. Se realizό el análisis económico para cada alternativa diseñada y se simularon en Hysys las alternativas propuestas para cada sistema..

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(11) Abstract In this work an analysis is realized on the equipment of mass transfer of the Laboratory of Unitary Operations. Firstly it was carried out a bibliographical revision where a study of the most important aspects of the processes of distillation, absorption and drying, the equipment that are used for each of those operations, the applicability of these in the chemical industry. Also an analysis for the stage of distillation from propose alternatives with the aim of selecting that one of smaller power consumption was realized, designing each one of the present equipment in each alternative. In addition the absorption column with the equipment was redesigned composes that it and a diagnostic one was realized on the measured equipment of drying of the laboratory setting out which they guarantee the life utility of the equipment and the good operation of the same and finally from the realized changes perfect the existing operating techniques. It was realized the economic analysis for each designed alternative and simulated in Hysys the alternative for each system..

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(13) Índice.. Pág.. Introducción. 1. Capítulo I. Revisión Bibliográfica.. 4. 1.1.1 Introducción a la transferencia de masas. 4. 1.1.2 Clasificación general de la transferencia de masa. 5. 1.1.3 Aplicaciones de los procesos de transferencia de masas. 5. 1.2 Operación de destilación. 1.2.1 Generalidades del proceso de destilación. 6. 1.2.2 Métodos para conducir la operación de destilación.. 7. 1.2.3 Tipos de destilación. 8. 1.2.4 Estudio termodinámico del proceso de destilación. 12. 1.2.5 Ventajas de la operación de destilación. 12. 1.2.6 Desventajas de la operación de destilación. 13. 1.2.7 Equipos más usados en la operación de destilación. 13. 1.2.7.1 Columnas de Platos. 15. 1.2.7.2 Columnas rellenas. 17. 1.2.6 Aplicaciones de la operación de destilación 1.3 Operación de absorción gaseosa. 1.4. 5. 18 18. 1.3.1 Generalidades de la operación de absorción. 18. 1.3.2 Tipos de absorción. 19. 1.3.3 Mecanismos de la operación de absorción. 19. 1.3.4 Selección del disolvente para absorción. 21. 1.3.5 Equipos utilizados en la operación de absorción. 22. Operación de secado. 23. 1.4.1 Generalidades de la operación de secado. 23. 1.4.2 Mecanismos de la operación de secado. 24. 1.4.3 Clasificación de operación de secado. 25. 1.4.4 Selección del método de secado:. 25. 1.4.5 Equipos utilizados en la operación de secado:. 27. 1.4.5. 1 Tipos de secaderos. 27. 1.5 Simulador Profesional Hysysv3.2.. 33. 1.5.1 Características Principales. 34. 1.6 Conclusiones parciales. 34. Capítulo II: balance de materiales y diseño de los equipos. 35.

(14) 2.1 Metodología de cálculo de las columnas de destilación. 35. 2.1.1Diseño de la columna destiladora de platos. 35. 2.1.2 Diseño de las columna rellenas. 36. 2.1.3 Determinación de la altura de la columna. 36. 2.2 Metodología de cálculo de los equipos auxiliares. 39. 2.2.1 Diseño de los calentadores y del condensador. 39. 2.2.2 Diseño de la caldereta. 40. 2.2.3 Diseño de tuberías y accesorios. 41. 2.2.4 Diseño de los tanques de almacenamiento. 42. 2.3 Descripción del proceso de destilación de etanol. 42. 2.4 Alternativas valoradas. 43. 2.5 Balances de materiales para las columnas:. 44. 2.5 Descripción del proceso de absorción. 51. 2.5.1 Alternativa de diseño para el sistema de absorción 2.6. Secadero de cama fluidizada 2.6.1 Situación actual del equipo. 52 55 55. 2.7 Conclusiones parciales. 56. Capítulo 3 Análisis económico y simulación.. 57. 3.1 Análisis económico. 57. 3. 2. Análisis de los resultados. 60. 3.3. Simulación de las Prácticas de Laboratorio de Destilación y Desorción.. 61. 3.3.1. Pasos a seguir para la simulación del sistema destilación de una solución alcohólica.. 61. 3.3.2. Pasos a seguir para la simulación del sistema de desorción de una solución amoniacal con aire.. 63. 3.3.3. Selección del paquete de propiedades para la simulación de las prácticas.. 65. 3.3.4. Simulación de la práctica de destilación.. 68. 3.3.5. Simulación de la práctica de desorción.. 69.

(15) 3.3.6. Resultados de la simulación.. 77. 3.3.7. Análisis de los resultados de la simulación.. 78. 3.3.8. Análisis detallado de la simulación de la práctica de destilación de la variante seleccionada (V4) de destilación. 79. 3.4 Conclusiones Parciales.. 80. Conclusiones. 81. Recomendaciones. 82. Bibliografía. 83. Anexos. 85.

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(17) Introducción Introducción El estudio de las operaciones de transferencia de masa es de vital importancia en la formación del ingeniero químico. La clase es el método más idóneo para obtener los conocimientos teóricos sobre en que consiste cada una de las operaciones, los equipos utilizados, las ventajas y desventajas de las mismas, así como la aplicabilidad en la industria química, mientras que la práctica de laboratorio es la estructuración de la actividad del profesor y de los estudiantes más apropiada en relación con la finalidad de lograr de la manera más eficiente los objetivos de los planes y programas de estudio mediante la aplicación didáctica y la utilización de los métodos y medios de enseñanza que contribuyen al mayor desarrollo de este proceso y a la apropiación por los estudiantes de los conocimientos y habilidades necesarios para su práctica profesional. En nuestra facultad contamos con un laboratorio de operaciones unitarias en el cual existen equipos relacionados con la transferencia de masa como son columnas rellenas, un secadero y una torre de enfriamiento, pero estos aparatos presentan dificultades en su funcionamiento debido principalmente a que se han usado durante mucho tiempo lo que ha conllevado al deterioro de los mismos y por tanto a la imposibilidad realizar las prácticas de laboratorio con la calidad requerida. Teniendo en cuenta todos estos aspectos este trabajo se dirigió fundamentalmente al diseño y construcción de una columna de destilación, remodelación de una columna de absorción así como los equipos auxiliares y además se realizo un análisis de las causas que conllevan al mal funcionamiento del secadero proponiéndose las medidas para contrarrestar las mismas. Por lo que se plantea la siguiente problemática científica:. 1.

(18) Introducción Problema científico La situación de los equipos de las prácticas en el Laboratorio de Operaciones Unitarias no garantiza la adquisición total de los objetivos de desarrollo de habilidades prácticas en los estudiantes. Hipótesis Es posible lograr unas buenas prácticas de laboratorio de transferencia de masa, mediante un estudio investigativo, que permita la remodelación de los equipos fundamentales y auxiliares existentes y el empleo de simuladores profesionales para analizar variantes de operación. Objetivo general de la tesis: Realizar un estudio de los equipos vinculados a la asignatura de transferencia de masa específicamente los relacionados con la operación de destilación, absorción y secado con el objetivo de su remodelación, para garantizar el desarrollo de las prácticas de laboratorio con la calidad requerida. Objetivos específicos: 1. Realizar una revisión bibliográfica sobre las operaciones de transferencia de masa que se aplican en las prácticas de laboratorio. 2. Diseñar los equipos y accesorios necesarios para lograr el buen funcionamiento de aquellos asociados a las practicas de transferencia de masa 3. Aplicar software profesionales que permitan predecir la influencia de las variables ante cualquier cambio de operación que se realice. Objetivos parciales 1. Realizar un estudio bibliográfico de los temas relacionados con la etapa de destilación, absorción y secado. 2. Analizar para la destilación diferentes alternativas que contemplen el uso de corrientes para el aprovechamiento energético. 3. Diseñar los equipos principales y auxiliares presentes en cada una de las alternativas seleccionadas. 4. Remodelar el sistema de absorción y los equipos que lo componen. 5. Diagnosticar el secadero y proponer medidas para mejorar su funcionamiento.. 2.

(19) Introducción 6. Realizar un análisis económico para las alternativas analizadas. 7. Realizar la simulación de la columna de absorción y la columna de destilación para las diferentes alternativas propuestas.. 3.

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(21) Capítulo I: Revisión Bibliográfica Revisión bibliográfica 1.1 Introducción a la transferencia de masa: La transferencia de masa cambia la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no implican necesariamente reacciones químicas y se caracteriza por transferir una sustancia a través de otra u otras a escala molecular. Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferente composición, la sustancia que se difunde abandona un lugar de una región de alta concentración y pasa a un lugar de baja concentración. (Treybal, R. E. 2007) 1.1.2 Clasificación general de la transferencia de masa. El mecanismo de transferencia de masa, depende de la dinámica del sistema en que se lleva a cabo. Hay dos mecanismos para llevar a cabo las operaciones de transferencia de masa: 1. molecular: La masa puede transferirse por medio del movimiento molecular fortuito en los fluidos (movimiento individual de las moléculas), debido a una diferencia de concentraciones. La difusión molecular puede ocurrir en sistemas de fluidos estancados o en fluidos que se están moviendo. 2. convectivo: La masa puede transferirse debido al movimiento global del fluido. Puede ocurrir que el movimiento se efectúe en régimen laminar o turbulento. El flujo turbulento resulta del movimiento de grandes grupos de moléculas y es influenciado por las características dinámicas del flujo, tales como densidad, viscosidad, etc. Usualmente, ambos mecanismos actúan simultáneamente. Sin embargo, uno puede ser cuantitativamente dominante y por lo tanto, para el análisis de un problema en particular, es necesario considerar solo a dicho mecanismo. La transferencia de masa en sólidos porosos, líquidos y gases sigue el mismo principio, descrito por la ley de Fick. (Treybal, R. E. 1981). 4.

(22) Capítulo I: Revisión Bibliográfica 1.1.3 Aplicaciones de los procesos de transferencia de masa Los procesos de transferencia de masa son importantes ya que la mayoría de los procesos químicos requieren de la purificación inicial de las materias primas o de la separación final de productos y subproductos. Para esto en general, se utilizan las operaciones de transferencia de masa. Algunos de los ejemplos del papel que juega la transferencia de masa en los procesos industriales son: •. La recuperación de solventes valiosos empleados en diferentes procesos, mediante operaciones de absorción y/o destilación.. •. La remoción de materiales contaminantes de las corrientes de descarga de los gases y aguas contaminadas.. •. La difusión de neutrones dentro de los reactores nucleares.. •. La difusión de sustancias al interior de poros de carbón activado.. •. El acondicionamiento del aire.. 1.2 Operación de destilación. 1.2.1 Generalidades del proceso de destilación La destilación es uno de los métodos más empleados en la industria química, para separar componentes de una solución, en dependencia de la distribución de las sustancias entre las fases gaseosa y líquida, es aplicable a los casos donde todos los componentes se hallan presentes en ambas fases. Es una operación de separación directa, donde no se introduce una nueva sustancia a la mezcla para lograr una segunda fase, como se hace en otras operaciones con transferencia de masa, como absorción o desorción gaseosa, la nueva fase se crea de la solución original por evaporación o condensación. (Treybal, R. E. 1977) (Aguilar S. A. 1994).. 5.

(23) Capítulo I: Revisión Bibliográfica La destilación es la operación que incluye la evaporación parcial de la mezcla a separar y la condensación sucesiva de los gases formados, efectuada una o varias veces, como resultado de la condensación se obtiene un líquido cuya composición es distinta a la mezcla inicial. En la misma la fase líquida se empobrece, mientras que la fase vapor se enriquece en el componente más volátil. El líquido que se queda en el fondo de la caldera se denomina residuo y destilado el obtenido como resultado de la condensación de los vapores. (Hernán P. 1956). 1.2.2 Métodos para conducir la operación de destilación. Existen diferentes métodos para conducir la operación de destilación de acuerdo a diferentes puntos de vista. (Ulrich, G. D.1999). Cualquiera de estos métodos que se apliquen en dependencia de las condiciones de calidad, economía, se podrá llevar a cabo en forma continua o discontinua.. 6.

(24) Capítulo I: Revisión Bibliográfica 1.2.3 Tipos de destilación Destilación simple: Es la operación de evaporación parcial efectuada una sola vez de la mezcla líquida y la condensación de los vapores formados. Es aplicable sólo para separar mezclas cuya volatilidad de los componentes difiere inicialmente, es decir, donde la relación entre volatilidades relativas de los constituyentes, es considerable. La destilación en fracciones: Se realiza mediante la evaporación gradual del líquido que se encuentra en el alambique (Destilador - separador). Los vapores originados se extraen y se condensan. La operación se puede ejecutar de forma continua o discontinua. Destilación simple con reflujo: Para elevar el grado de separación en la mezcla se realiza la destilación con enriquecimiento adicional del destilado por reflujo. El fin de la operación se controla según la temperatura de ebullición del líquido en el alambique, se deberá corresponder a la composición dada del residuo. Destilación en equilibrio: La evaporación rápida o destilación en equilibrio, como también se le llama, es una operación de una etapa en la que una mezcla líquida se evapora parcialmente, al vapor se le lleva al equilibrio con el líquido residual y las fases líquidas y de vapor resultante se separan y extraen del equipo. Puede llevarse a cabo de manera continua o discontinua. Una separación más compleja de la mezcla líquida en componentes se logra por medio de la rectificación. Destilación. fraccionada. o. rectificación:. La. rectificación. continua,. o. fraccionamiento, es una destilación en contracorriente y en etapas múltiples. Para una solución binaria, con ciertas excepciones, generalmente es posible por medio de este método separar la solución en sus componentes, separando cada uno en estado de pureza que se desee. Esta operación se efectúa porque. 7.

(25) Capítulo I: Revisión Bibliográfica el flujo de vapor y de líquido poseen diferentes temperaturas y se realiza por lo común, en la columna de fraccionamiento. Destilación azeotrópica y extractiva: Debido a la imposibilidad termodinámica de separar mezclas binarias azeotrópicas por destilación convencional, la forma usualmente empleada para resolver este problema es la adición de un tercer compuesto a la mezcla, que proporcione un patrón termodinámico más favorable, facilitando la separación de ambos compuestos originales. A partir de la aplicación de este concepto surgieron procesos especiales de destilación denominados destilación azeotrópica. y. destilación. extractiva.. En. consecuencia,. fue. necesario. el. establecimiento de reglas que faciliten la selección de agentes de separación efectivos para lograr la separación deseada. Estas reglas comúnmente están relacionadas con la temperatura de ebullición del agente separador para definir si el mismo es ligero, intermedio o pesado en la mezcla ternaria resultante, así como con su habilidad para formar o no puntos azeotrópicos con los componentes originales. La destilación azeotrópica se diferencia de la destilación extractiva en que el agente separador se alimenta junto con la mezcla binaria inicial en el balón y una mezcla azeotrópica constituye generalmente el producto de la columna. Sin embargo para los procesos de destilación azeotrópica es imposible establecer una sola regla general pues muchos autores encontraron que más de un agente separador puede cumplir los criterios de factibilidad. (López B.N .2005) Los esquemas mas modernos para la obtención de etanol absoluto, emplean la operación de destilación para llevar la mezcla hasta alcohol azeotrópico y para su posterior concentración emplean otras técnicas como la separación con membranas (pervaporación) y los tamices moleculares. 1.2.4 Estudio termodinámico del proceso de destilación. Estudio del equilibrio líquido − vapor de sistemas binarios a bajas presiones. 8.

(26) Capítulo I: Revisión Bibliográfica Para poder llevar a cabo la separación de una mezcla de líquido por medio de la destilación se requiere que la composición del vapor que emerge de la mezcla líquida sea diferente a la del líquido, siendo necesario conocer la relación que existe entre estas composiciones para que sea posible realizar los cálculos que permiten el diseño cuantitativo de un equipo de destilación, y esta se obtiene de datos de composición de vapor en equilibrio con el líquido. Cuando se van a obtener estos datos se debe tener muy en cuenta las características de las mezclas y las condiciones a la que va a ser sometida durante el proceso. (Mondeja, D. 1981). Sí se tuviese una mezcla miscible y con comportamiento ideal su estudio se pudiera llevar a cabo considerando comportamiento ideal en ambas fases líquido y vapor. Para un líquido con comportamiento ideal, la fugacidad del componente (i). se. expresa:. f = f iL iV. = x. o ⋅ f i iL. (1.1). f ilo : fugacidad en el estado tipo del componente (i). a [T, P]. Donde para bajas presiones la fugacidad del componente i en la fase vapor puede ser sustituida por la presión parcial, así como la fugacidad en el estado tipo por la presión de vapor del componente puro a la temperatura correspondiente. Bajo estas condiciones la ecuación anterior se transforma en:. p. i. = x. i. ⋅ p. o i. : siendo esta la expresión de la ley de Raoult.. P = p1 + p2 = x1 ⋅ p1o + x2 ⋅ p2o. (1. 2). (1. 3). 9.

(27) Capítulo I: Revisión Bibliográfica Debiendo señalarse además que p1o y p2o dependen de la temperatura del sistema que bajo condiciones isobáricas varían al cambiar la composición de las fases en equilibrio. La composición de equilibrio líquido−vapor pude mostrarse en un diagrama de coordenadas y−x a presión constante como se muestra en la figura 1.1:. Figura 1.1 Diagrama de equilibrio vapor líquido A mayor distancia entre la curva de equilibrio y la diagonal mayor será la diferencia entre las composiciones del líquido y del vapor, y más fácil será la separación por destilación figura 1.2. Figura 1.2 Variación de la volatilidad relativa Diagrama y vs x. 10.

(28) Capítulo I: Revisión Bibliográfica Una medida cuantitativa del grado de separación la expresa la volatilidad relativa α. Para valores de α por encima de la unidad mayor será la facilidad de separación.. (1. 4). p1o α= o p2. Para una solución ideal:. Por lo que se puede concluir que para soluciones ideales es posible calcular el equilibrio vapor−líquido a partir de las presiones de vapor de los componentes puros. Para el caso de una mezcla con comportamiento ideal en la fase líquida a bajas presiones se puede hacer la siguiente consideración: Fase líquida. real. Fase vapor. ideal. Para el tratamiento cuantitativo de los sistemas que se analizan, fase líquida real, basta sustituir la fracción molar xi en las ecuaciones derivadas, para los sistemas ideales, por la actividad o por el producto ϒi xi así: p1 = y1 ⋅ P = γ 1 ⋅ x1 ⋅ p1 o. (1. 5). p2 = y2 ⋅ P = γ 1 ⋅ x2 ⋅ p2. (1. 6). o. El tratamiento de las soluciones no ideales mediante coeficientes de actividad posibilita que con un número pequeño de datos puedan predecirse todos los equilibrios vapor −líquido. Una vez definido estos datos de equilibrio es fundamental para la destilación realizar el análisis de las condiciones térmicas de cada corriente. Por lo general las. 11.

(29) Capítulo I: Revisión Bibliográfica alimentaciones y los productos entran y salen respectivamente como líquidos saturados, aunque el producto del destilado puede estar saliendo como líquido saturado si el condensador es total y como vapor saturado si el condensador es parcial. Desde el punto de vista termodinámico los vapores que abandonan cada plato, así como los líquidos se encuentran en condiciones de saturación y en equilibrio, por tanto se encuentran a sus puntos de rocío o de burbuja respectivamente. En el caso industrial, en el proceso de destilación se puede considerar la fase líquida con comportamiento real y la fase vapor ideal, pues esta última se encuentra como vapor saturado y a presión atmosférica que es considerada una presión baja. El cálculo del punto de burbuja y de rocío se puede realizar mediante diversos métodos. 1.2.5 Ventajas de la operación de destilación. El método de destilación tiene como ventajas su simplicidad, baja inversión de capital y bajo potencial de riesgo; la nueva fase difiere de la original por su contenido calórico, pero el calor se adiciona o extrae rápidamente sin dificultad, aunque por supuesto, deberá inevitablemente considerarse el costo para hacer esto. De hecho la destilación como proceso, es difícil de vencer cuando los componentes a ser separados son térmicamente estables a su punto de ebullición y tienen una volatilidad relativa de 1.5 o más La separación directa que es posible generalmente mediante este tipo de proceso, o sea la que permite obtener productos puros que no requieran un proceso posterior, ha hecho de la destilación una de las más importantes operaciones con Transferencia de Masa. (Treybal, R. E.1981) 1.2.6 Desventajas de la operación de destilación. A pesar de la destilación ser. de gran importancia en las operaciones de. transferencia de masa tiene como aspecto negativo su baja eficiencia termodinámica por lo que se necesita hacer un estudio termodinámico a fondo. de esta etapa.. Presenta además otra desventaja y son sus elevados costos por conceptos de energía necesaria. (Treybal, R.E.1981) (Mondeja, D.y col. 1981).. 12.

(30) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. 1.2.7 Equipos más usados en la operación de destilación. Para realizar el contacto gas-líquido de manera que ocurra la transferencia de masa entre ellos, la operación, como se explicó antes, puede ser por etapas, en las columnas de platos y por contacto continuo en las llamadas columnas rellenas, donde su uso ha estado dirigido a la destilación a pequeña escala, planta piloto y para las instalaciones que trabajan a vacío. (González S. E.2005) 1.2.7.1 Columnas de Platos La operación se lleva a cabo en etapas. El contacto por etapas es un contacto escalonado entre las fases. El plato va a proporcionar una mezcla íntima entre las corrientes de líquido y vapor. El líquido pasa de un plato a otro por gravedad en sentido descendente, mientras que el vapor fluye en sentido ascendente a través de las ranuras de cada plato, burbujeando a través del líquido. Al plato se le exige que sea capaz de tratar las cantidades adecuadas de líquido y vapor sin una inundación o un arrastre excesivos, que sea estable en su funcionamiento y resulte relativamente simple en cuanto a instalación y mantenimiento. También es importante conseguir que la caída de presión en el plato sea mínima El número de platos necesarios para efectuar una separación dada vendrá determinado por factores de diseño. Por lo general cuanto mayor sea el número de platos de la torre, mayor será el grado de separación conseguida. Se pueden encontrar diferentes tipos de platos:. •. Platos de campanas de borboteo: Ha sido el plato más ampliamente utilizado, las campanas están colocadas sobre unos conductos de subida.. •. Platos perforados: Su construcción es mucho más sencilla, requiriendo la perforación de pequeños agujeros en la bandeja.. 13.

(31) Capítulo I: Revisión Bibliográfica •. Platos de válvulas: Es un intermedio entre los de campanas o de borboteo y los platos perforados. La construcción es similar a los de campanas, cada agujero tiene por encima una válvula que se eleva ante el paso del vapor.. En la figura 1.3 se muestra el esquema de una columna convencional de platos y los diferentes tipos de platos.. Normalmente el tipo de plato más empleado es el plato perforado, debido fundamentalmente a su economía. Si se requiere una mayor flexibilidad entonces se hará uso de los platos de válvulas; actualmente los platos de borboteo aparecen únicamente en los casos en que es necesario controlar el tiempo de residencia para que se dé una determinada reacción química o si el flujo de vapor es insuficiente y se produce un goteo del líquido. Según estadísticas de los últimos columnas que se fabrican:. •. 80 a 70 % son de platos de válvulas. 14. años de las.

(32) Capítulo I: Revisión Bibliográfica •. 10 a 15 % son de platos perforados o de criba. •. 5 a 8 % son de platos de cazoletas de burbujeo. •. 5 a 7 % son de otros tipos.. Existen varios factores que justifican la fabricación de estas columnas: Capacidad: depende del arrastre y este a su vez depende de la dirección del flujo de vapor, la cota sobre el nivel del plato y el espacio libre entre platos. (Boizán, M.; L. Rivero.1984). •. Eficacia o eficiencia.. •. Flexibilidad: depende de la autorregulación del plato. •. Costo. De acuerdo a estos factores los distintos tipos de platos tienen la siguiente ubicación según se muestra en la tabla 1.1: Tabla 1.1 Comparación de columnas de platos Tipo. Capacidad. Eficiencia. Flexibilidad. Costo. Válvulas. 10. 10. 10. 20. Cribas. 20. 20. 30. 10. Cazoletas. 30. 30. 20. 30. 1.2.7.2 Columnas rellenas En las columnas de relleno la operación de transferencia de masa se lleva a cabo de manera continua. Estas son ocasionalmente usadas en procesos de destilación pues compiten por su bajo costo con las de bandejas, son particularmente útiles en los casos en que debe ser baja la caída de presión, como en los destiladores a bajas presiones y en la destilación de materiales sensibles al calor cuya exposición a altas temperaturas debe reducirse al mínimo. También su empleo se ve favorecido en los. 15.

(33) Capítulo I: Revisión Bibliográfica casos que las columnas sean de pequeñas dimensiones (menos de 0,6m de diámetro y una altura de relleno inferior a 6 m), si se tienen sustancias corrosivas o se forma mucha espuma y si la velocidad del líquido es elevada. La función principal del relleno consiste en aumentar la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, aumentar la turbulencia y por tanto mejorar la eficacia. A medida que aumenta el tamaño del relleno disminuye la eficiencia de la transferencia de masa y aumenta la pérdida de carga, por tanto para determinar el tamaño óptimo de relleno habrá que llegar a un compromiso entre estos dos factores. La selección del material de relleno se basa en criterios como resistencia a la corrosión, resistencia mecánica, resistencia térmica y características de mojado. Además, es necesario disponer de un distribuidor de líquido en la parte superior de la columna para asegurar que el líquido moje de manera uniforme todo el relleno y no se desplace hacia las paredes. Se tienen varios tipos de relleno: Volcados al azar: Este tipo de relleno es bastante económico y suelen ser de materiales resistentes a la corrosión (metálicos, cerámicos o de plástico). Los rellenos más empleados eran los anillos Rashig y las sillas o monturas Berl, pero ahora han sido reemplazados por otros más eficientes como los anillos Pall, las monturas Intalox y los anillos Bialecki. Estructurados: es bastante más caro por unidad de volumen que el relleno al azar, pero ofrece mucha menos pérdida de carga y tiene mayor eficiencia y capacidad. Las desventajas de estos equipos están en su difícil limpieza, en la posibilidad de ocurrencia de canalizaciones y a que en ocasiones se requieren redistribuidores de líquido si la altura es considerable.. 16.

(34) Capítulo I: Revisión Bibliográfica En la figura 1.4 se presenta una columna rellena y los diferentes tipos de empaque. Es de destacar que la zona por donde penetra la alimentación debe estar desprovista de empaque, por la resistencia que este ofrecería a la entrada.. 1.2.6 Aplicaciones de la operación de destilación. Existen infinidad de aplicaciones de la operación de destilación. Se emplean en numerosas industrias desde la industria petroquímica a la farmacéutica. Se puede afirmar que prácticamente en cualquier proceso químico va a aparecer una destilación debido a la necesidad de separación de ciertos componentes de otros menos valiosos. Algunos ejemplos de aplicación son: •. Uno de los procesos más empleados es el de separación del aire con el fin de obtener nitrógeno y oxígeno puros para su empleo en la industria electrónica.. 17.

(35) Capítulo I: Revisión Bibliográfica •. En las refinerías de petróleo aparecen numerosas unidades de destilación que separan diversos productos según su aplicación.. •. En las unidades de fraccionamiento catalítico para la posterior separación de las diferentes fracciones. •. Para la separación de los compuestos aromáticos.. El tambor resulta como un híbrido entre un secador y un evaporador. 1.3 Operación de absorción gaseosa 1.3.1 Generalidades de la operación de absorción. La absorción es el proceso de disolución selectiva de uno o más componentes de una mezcla gaseosa, conocidos como absorbatos, solutos o componentes, en un líquido conocido como absorbente, o simplemente solvente, en el cual el gas es más o menos soluble. La operación es un caso típico de transferencia o transporte de masa, donde entran o juegan una fase gaseosa y una líquida, ocurriendo el transporte de la fase gaseosa a la líquida. (Treybal, R. E. 2008) Cuando la transferencia de masa ocurre en sentido inverso, es decir cuando el solvente está saturado del soluto, ocurriendo su transporte del líquido al gas, la operación es conocida como desorción. En la práctica son mezclas de gases y no gases individuales los que son absorbidos por el solvente; estos se consideran los componentes activos en la operación, mientras que a los componentes que no se disuelven se les conoce como gases inertes o simplemente inertes. La fase líquida consiste en el absorbente y el componente absorbido. El absorbente o solvente es frecuentemente una solución del componente activo, el cual reacciona químicamente con el componente para ser absorbido. El gas inerte y el absorbente son los portadores de los componentes en las fases gaseosas y líquidas.. 18.

(36) Capítulo I: Revisión Bibliográfica 1.3.2 Tipos de absorción En esta operación se distinguen dos tipos: la absorción física y la quimisorción. En la absorción física el gas inerte y el absorbente no toman parte en la transmisión de un componente de una fase a la otra y la disolución no va acompañada de reacción química o no tiene influencia apreciable en el proceso. La quimisorción va acompañada por una reacción química del soluto con el solvente, pudiendo ser esta reacción reversible o irreversible, y más o menos rápida, por lo que hay que considerar conceptos de transferencia de masa y de ingeniería de las reacciones químicas. (Treybal, R. E. 2008) En la mayoría de los procesos industriales de la que forma parte esta operación va acompañada por la desorción, pudiendo ser reutilizado el solvente. Esta recuperación del solvente mediante la operación inversa tiene solo lugar en la absorción física, ya que en la quimisorción hay que recuperarlo por métodos químicos. (Gomis. M. A) 1.3.3 Mecanismos de la operación de absorción Para explicar el mecanismo de transporte se han propuesto varias teorías. La de película supone que existen a ambos lados de la interfase sendas películas de fluido que se deslizan en régimen laminar, mientras que en el resto del fluido la mezcla es completa; la velocidad del fenómeno está controlada por la difusión molecular a través de las películas. La teoría de la difusividad turbulenta considera que en la transferencia de materia en régimen estacionario colaboran simultáneamente la difusividad molecular y la turbulenta.. 19.

(37) Capítulo I: Revisión Bibliográfica La teoría de la penetración de Higbie es en la que se supone que la absorción tiene lugar durante una serie de breves contactos entre los fluidos; antes de alcanzar la homogeneidad de la disolución.. 1.3.4 Selección del disolvente para absorción: Si el principal objetivo de la operación de absorción es producir una disolución específica, como en la producción de ácido clorhídrico, evidentemente el disolvente esta especificado por la naturaleza del producto. Si el propósito principal es eliminar un determinado constituyente de un gas, normalmente, habrá diversas opciones. El agua es, desde luego, el más barato y mejor disolvente, pero en muchas ocasiones no resulta adecuado. En general hay que tener en cuenta las siguientes consideraciones: 1. Solubilidad del gas La solubilidad del gas debe ser elevada, lo que se traduce en aumentos de la velocidad de absorción y disminución de la cantidad de disolvente. Normalmente los disolventes de la misma naturaleza que el soluto a ser tratado proporcionan buenas solubilidades. Así por ejemplo, se utilizan hidrocarburos líquidos, y no agua, para eliminar benceno del gas de coquería. En los casos de disoluciones ideales, la solubilidades igual en términos de fracciones molares, para todos los disolventes. Pero es mayor en términos de fracciones másicas para los disolventes de menor peso molecular y, por tanto, son necesarias menores cantidades de esos disolventes. La reacción química con el disolvente normalmente se traduce en aumentos de la solubilidad. Ahora bien, si el disolvente ha de ser reutilizado, dicha reacción debe ser reversible. Por ejemplo, el sulfuro de hidrógeno se absorbe fácilmente a bajas temperaturas sobre etanolamina. y también se desorbe fácilmente de sus. disoluciones a altas temperaturas. La sosa absorbe mucho mejor este compuesto, pero no lo desorbe en la operación de desorción.. 20.

(38) Capítulo I: Revisión Bibliográfica 2. Volatilidad El disolvente debe tener una baja presión de vapor, ya que el gas que abandona una torre de absorción está normalmente saturado con el vapor del disolvente, y por tanto, la mayoría de este disolvente se perderá. En ocasiones es necesario utilizar un segundo líquido menos volátil para recuperar el disolvente arrastrado por el gas, como es el caso de la absorción. de hidrocarburos por aceites relativamente. volátiles, pero que proporcionan una elevada solubilidad de los gases. Estos aceites volátiles se recuperan posteriormente absorbiéndolos sobre aceites más pesados. Análogamente, el sulfuro de hidrógeno puede absorberse sobre disoluciones acuosas de fenolato sódico, pero el gas tratado se lava de nuevo con agua para recuperar el fenol evaporado. 3. Corrosividad La corrosividad del disolvente debe ser tal que no implique materiales de construcción especiales o muy caros. 4. Costo El costo debe ser bajo, de forma que se puedan aceptar las posibles pérdidas del mismo. Debe tratarse de disolventes comerciales de fácil disponibilidad. 5. Viscosidad Se prefieren bajas viscosidades ya que proporcionan rápidas velocidades de absorción, mejor comportamiento fluido dinámico, permiten intervalos más amplios de operación antes del. anegamiento en torres de absorción, bajas pérdidas de. presión en el bombeo y buenas características de transmisión de calor. 6. Toxicidad, reactividad, punto de congelación: El disolvente, siempre que sea posible, no debe ser tóxico o inflamable, debe ser estable químicamente y debe tener un bajo punto de congelación.. 21.

(39) Capítulo I: Revisión Bibliográfica 1.3.5 Equipos utilizados en la operación de absorción Como en esta operación la transferencia de masa ocurre sobre la interfase gaslíquido los equipos deben tener una gran superficie interfacial, la cual se logra mediante la dispersión de las fases. Así, pueden encontrarse varias clasificaciones de equipos o equipos que caen en varios grupos. Se señalaran dos grupos fundamentales de equipos. (Gallardo, I ) 1. Los que logran la superficie interfacial mediante la dispersión de la fase líquida, por ejemplo los absorbedores de película, dentro de los que caen las columnas rellenas, las torres rociadoras y los absorbedores de spray. 2. Los que dispersan la fase gaseosa para lograr una gran superficie interfacial, ejemplo de estos equipos son los recipientes con agitación y las torres de burbujas, donde caen los diferentes tipos de platos (cazoletas, perforados y válvulas). En la figura 1.5 aparecen esquemas de estos equipos. 22.

(40) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. Figura 1.5 Esquemas de diferentes equipos empleados en Absorción. 1.4.6 Aplicaciones de la operación de absorción Esta operación, al igual que la destilación, es ampliamente usada en la industria química, en procesos tales como:. •. Preparación de un producto puro por la absorción de un gas por un líquido. Se emplea en la producción de ácidos a partir de gases como son los ácidos sulfúrico, clorhídrico y nítrico.. •. Separaciones o recuperación de uno o varios componentes valiosos a partir de una mezcla gaseosa, mediante el poder selectivo o capacidad absortiva del solvente por los diferentes componentes de la mezcla.. •. Purificación o limpieza de gases de otras impurezas que no deben estar presentes en el producto. Este aspecto se tiene en cuenta en la protección. 23.

(41) Capítulo I: Revisión Bibliográfica ambiental, ya que muchos gases son limpiados por absorción antes de ser mandados a la atmósfera, como sucede en la producción de fertilizantes inorgánicos.. •. Atrapar o recuperar componentes valiosos a partir de una mezcla gaseosa para evitar sus pérdidas o por razones higiénicas. Ejemplo es la recuperación de solventes volátiles.. La absorción se emplea sobre todo para retirar los contaminantes gaseosos de una corriente de gas saliente de un proceso como resultado por ejemplo de una combustión. También se emplea para eliminar olores, humos y otros componentes tóxicos. Se pueden eliminar contaminantes de la corriente producto como: dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno, ácido clorhídrico, óxidos de nitrógeno, cloro, dióxido de carbono, amoniaco, dióxido de cloro, ácido fluorhídrico, aminas, mercaptanos, óxido de etileno, alcoholes, fenol, formaldehído, olores, ácido sulfúrico, ácido acético. 1.4. Operación de secado. 1.4.1 Generalidades de la operación de secado La operación de secado es una operación de transferencia de masa de contacto gassólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia entre la presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso de secado cesa. Esta operación se utiliza ampliamente en la tecnología química y es muy común que sea la última operación en la producción precedente a la salida del producto resultante ya que garantiza la conservación del producto. Es evidente que la eliminación de agua o en general de líquidos existentes en sólidos es más económica por acción mecánica que por acción térmica.. 24.

(42) Capítulo I: Revisión Bibliográfica 1.4.2 Mecanismos de la operación de secado: Cuando se seca un sólido se producen dos procesos fundamentales y simultáneos: 1. Transmisión del calor para evaporar el líquido. 2. Transferencia de masa en humedad interna y líquido evaporado. En esta operación hay transferencia de masa y de calor las que depende de una serie de factores que van desde condiciones internas a externas. Las condiciones externas están definidas por la resistencia a la transferencia de calor y de masa de la capa límite del gas, y en el caso que predominen, el secado no dependerá de las características del sólido sino de las condiciones del gas, y estará controlado por la transferencia de masa y calor entre el gas y la superficie del sólido, empleándose en la evaporación todo el calor que se recibe del gas, la cual se comporta como una superficie libre de agua. Las condiciones internas están definidas, por la transferencia de calor y de masa a través del sólido. En el caso que predominen, es decir, que la resistencia a la transferencia de masa a través del material sea muy superior a la de la capa límite del gas, la difusión interna controlará el proceso y lo más importante será las propiedades del sólido. 1.4.3 Clasificación de operación de secado: De modo general se pueden clasificar las operaciones de secado en continuas y discontinuas. En las operaciones continuas pasan continuamente a través del equipo tanto la sustancia a secar como el gas. (Treybal, R. E. 2008) La operación discontinua en la práctica se refiere generalmente a un proceso semicontinuo, en el que se expone una cierta cantidad de sustancia a secar a una corriente de gas que fluye continuamente en la que se evapora la humedad. 25.

(43) Capítulo I: Revisión Bibliográfica 1.4.4 Selección del método de secado: Hay que tener en cuenta diversos criterios para escoger el método que mejor se adapte al secado de una sustancia:. •. El modo de funcionamiento del aparato. •. La naturaleza y calidad del producto a secar. •. La fuente de calor y el modo de transmisión del mismo. •. La seguridad. •. El consumo de energía. •. La facilidad para controlar el tiempo de tratamiento. 1. Modo de funcionamiento del aparato El funcionamiento puede ser discontinuo o continuo. La elección depende de la importancia de la producción. Si ésta es pequeña, a menudo se escoge un funcionamiento discontinuo. Si al contrario, la producción es importante, las operaciones de carga o descarga a efectuar en discontinuo se volverían más tediosas. Por lo tanto, el funcionamiento continuo es deseable y económicamente más rentable. 2. Naturaleza del producto a secar La preparación, modo de manejo, fuente de calor a utilizar, modo de transmisión y concepción de los sistemas de aereación, dependen de la naturaleza del producto a secar. Puede tratarse de líquidos, pastas, materiales pulverizados, granulados, fibrosos o compactos: Los cuerpos pastosos muy viscosos frecuentemente se laminan sobre tambores y después se desmenuzan, lo cual les confiere una textura cercana a la de los sólidos. También pueden ser tratados sobre bandas o en secadores de tornillo.. 26.

(44) Capítulo I: Revisión Bibliográfica Los sólidos polvosos (o susceptibles a ser triturados) son secados generalmente en secadores de banda, cilindro, lecho fluido, lecho móvil, transporte neumático. Los productos compactos o en trozos son tratados en secadores de gabinete, en túneles de carros o banda transportadora. 3. Fuente de calor y modo de transmisión En los secadores de convección o conducción, pueden utilizarse los fluidos calientes clásicos (vapor, agua caliente, gas de combustión) para suplir el calor necesario para la extracción de humedad. Estos fluidos circulan generalmente por chaquetas o por tubos en contacto con el material a secar (secado por conducción) o dentro de los recalentadores de aire (secado por convección). Si los gases de combustión están limpios, se les puede poner en contacto directo con el material a secar. El secado por irradiación infrarroja se efectúa por medio de lámparas eléctricas o de paneles calefactores. El secado por corrientes de alta frecuencia se utiliza sobre todo cuando la calidad del producto seco es determinante. 4. Seguridad del proceso Conviene no perder de vista que el secado de algunos productos puede llevar a la formación de polvo en las zonas secas, esto es, a la salida del secador o de los ciclones, lo que puede provocar problemas de contaminación. Además, algunos productos que conlleven emanaciones tóxicas deben ser tratados por métodos especiales. 5. Consumo de energía La eficiencia energética de los secadores térmicos es baja. En efecto, debemos recordar que el objetivo del secado es de arrastrar y eliminar un líquido de un producto al cual está inicialmente ligado por uniones de tipo químico (iónicas, covalentes, metálicas) o de tipo electrostático (enlaces de Van der Waals, puentes de hidrógeno), uniones que requieren un gran consumo de energía para ser rotas.. 27.

(45) Capítulo I: Revisión Bibliográfica 1.4.5 Equipos utilizados en la operación de secado: Los equipos utilizados para secar se pueden clasificar también de acuerdo a cualquiera de estas categorías:. •. Métodos de operación: Continuos ó Discontinuos.. •. Métodos de propiciar el calor necesario para la evaporación de la humedad: En secaderos directos e indirectos. •. Naturaleza de la sustancia a secar: Puede ser la sustancia un sólido rígido como la madera, un material flexible como el papel o la tela, un sólido granular tal como la masa de cristales, una pasta espesa o delgada o una solución. Es probable que la forma física de la sustancia y los distintos métodos de manipulación empleados, ejerzan la influencia más grande en el tipo de secadero a utilizar.. 1.4.5. 1 Tipos de secaderos. De acuerdo a la clasificación de la operación de secado encontramos los siguientes tipos de equipos: Secaderos de calentamiento directo. Equipos discontinuos •. Secaderos de bandejas con corriente de aire.. •. Secaderos de cama fluidizada.. •. Secaderos con circulación a través del lecho sólido. Equipos continuos. •. Secaderos de túnel.. •. Secaderos neumáticos.. 28.

(46) Capítulo I: Revisión Bibliográfica •. Secaderos ciclónicos.. •. Secaderos de cama chorreada.. •. Secaderos de cama vibratoria.. •. Secadero de cama fluidizada.. •. Secaderos sprays.. •. Secaderos de tipo turbina.. •. Secaderos rotatorios.. Secaderos de calentamiento indirecto: Equipos discontinuos. •. Secaderos de bandejas a vacío.. •. Secaderos de bandejas a presión atmosférica.. •. Secaderos por congelación. Equipos continuos.. •. Secaderos de tambor.. •. Secaderos con circulación a través del lecho.. •. Secaderos de Túnel. El secador de bandejas, o secador de anaqueles, consiste en un gabinete, de tamaño suficientemente grande para alojar los materiales a secar, en el cual se hace correr suficiente cantidad de aire caliente y seco. En general, el aire es calentado por vapor, pero no saturado, de modo que pueda arrastrar suficiente agua para un secado eficiente. En general, en este tipo de secadores, las variables que pueden fijarse o variarse son los gradientes, he allí la importancia que el aire no entre frío ni húmedo, puesto que esto minimiza el gradiente y elimina la eficiencia del secador.. 29.

(47) Capítulo I: Revisión Bibliográfica Esto último es cierto para todos los tipos de secadores, no obstante, es más marcado en este tipo de secador, puesto que en los siguientes, las otras variables no son tan rigurosamente fijas. Secadores indirectos al vacío con anaqueles Este tipo de secador, es un secador por lotes, que funciona de manera similar al secador de bandejas. Este secador está formado por un gabinete de hierro con puertas herméticas, de modo que se trabaje al vacío. Los anaqueles están vacíos dónde se colocan las bandejas con los materiales húmedos. En términos generales, se trabaja con aire calentado con vapor. Esto no es siempre cierto, pues es posible utilizar agua caliente, para operaciones a temperaturas suficientemente bajas. La conducción de calor en este tipo de secadores es por radiación desde las paredes metálicas del secador. La humedad extraída del material es recogida por un condensador dispuesto en el interior.. 30.

(48) Capítulo I: Revisión Bibliográfica Figura 1.6 Esquemas de secaderos discontinuos Régimen del secado discontinuo Para poder establecer programas de secado y diseñar los equipos es necesario conocer el tiempo de secado, por lo que es necesario hacer pruebas experimentales. Prueba de secado. Se toman las condiciones parecidas a la industria (sup. hum. / sup.seca, propiedades del gas como velocidad, Y y TG) y se traza curva de X vs Ө Con esta prueba figura 1,7 (a) se traza la curva de régimen de secado donde N que es la velocidad o régimen de secado viene dado por :. Ls: flujo de sólido seco,. A: área de secado X: humedad θ: tiempo de secado. En la figura 1.7 (b) aparece esta curva. 31.

(49) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. Figura 1.7 Prueba de secado (a) y Curva de régimen de Secado (b) Secadores continuos de túnel Este tipo de secador está formado por un túnel, por el cual pasan bandejas o carretillas con el material a secar, dentro del túnel, se hace fluir, generalmente a contracorriente, aire caliente, el cual sirve para secar los sólidos. Este tipo de secador es típico de la industria alimenticia. A diferencia de los secadores de bandejas, en este caso, el área superficial, no es tan importante, debido a que la velocidad del aire y el tiempo de estadía dentro del secador pueden variar en un rango muy amplio, por ende, estos secadores son muy utilizados para materiales grandes. Secadores Rotatorios En general, un secador rotatorio consta de un cilindro hueco que gira sobre su eje, con una ligera inclinación, para permitir el desliz de los sólidos a secar hacia la boca de salida. Se alimentan por la boca de entrada y por la boca de salida se alimenta el gas caliente, que habrá de secar a contracorriente el sólido que se desliza despacio hacia la salida, a medida que se va secando. El método de calentamiento es por. 32.

(50) Capítulo I: Revisión Bibliográfica contacto indirecto a través de la pared del cilindro que se calienta por el paso de los gases. Las partículas atraviesan una sección relativamente corta, a medida que se deslizan, mientras su humedad disminuye de la misma manera en que descienden. Secadores de tambor rotatorio Consta de un tambor de metal calentado, como se observa en la figura 3, en las paredes se evapora el líquido, mientras una cuchilla metálica, raspa lentamente el sólido, para que descienda por el tambor, hasta la salida. Este tipo de secadores son típicos del trabajo con pastas, suspensiones, y soluciones. En la figura 1.8 y 1.9 se muestran algunos secaderos continuos típicos. Figura 1.8 Esquemas de algunos secaderos típicos. 33.

(51) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. Figura 1.9 Esquemas de algunos secaderos típicos 1.5 Simulador Profesional Hysysv3.2. En nuestro trabajo se emplea una herramienta de simulación para simular las prácticas de laboratorios de destilación de una mezcla de etanol-agua y desorción de una solución amoniacal con aire. En el campo de la Ingeniería Química existen varios simuladores de procesos, pero destacan sobre todos ellos los Simuladores ASPEN PLUS y el HYSYS, por su potencia y robustez en la simulación compleja de procesos. El simulador HYSYS 3.2, pertenece al grupo de simuladores modulares secuenciales, los cuales se basan en módulos de simulación independientes que siguen aproximadamente la misma filosofía que las operaciones unitarias, es decir, cada equipo: bomba, válvula, intercambiadores, etc.; son modelados a través de modelos específicos para los mismos y además, el sentido de la información coincide. 34.

(52) Capítulo I: Revisión Bibliográfica con el “flujo físico” en la planta. En esta filosofía se tiene como ventaja el hecho que cada sistema de ecuaciones es resuelto con una metodología que resulta adecuada para el mismo, ya que es posible analizar bajo todas las circunstancias posibles, el comportamiento del método de resolución propuesto, esto es sistemas ideales, no ideales, topología diversas del equipo, distintas variantes, etc. (Hyprotech, 1998).. 1.5.1 Características Principales. •. Costo aproximado de 30 000 Euros para una licencia de 5 años.. •. Fabricante: Aspentech.. •. HYSYS es, junto con ASPEN, uno de los dos mayores programas de Simulación en Ingeniería Química. Este programa tan sólo puede compararse con ASPEN.. •. Enorme base de datos de propiedades de sustancias.. •. Enorme base de datos de modelos termodinámicos, incluyendo parámetros para muchas mezclas.. •. Gran cantidad de operaciones disponibles para estudios en estado estacionario y dinámico.. •. Optimizador incorporado.. •. Utilizado en las grandes compañías, sobre todo en la Industria del Petróleo, para la que dispone de potentes módulos. Considerado como un simulador serio (Domínguez, 2007).. 1.6 Conclusiones parciales. 1). El estudio bibliográfico nos permite tener los conocimientos necesarios para llevar a cabo el desarrollo de la remodelación de las prácticas de laboratorio con las alternativas necesarias para mejorar la calidad de las mismas.. 35.

(53)

(54) Capítulo II: Balances de Materiales y Diseño de los Equipos Capítulo 2: Balance de materiales y diseño de los equipos 2.1 Metodología de cálculo de las columnas de destilación Se diseño la columna destiladora y la rectificadora del sistema de destilación y del sistema de absorción solo se diseñaron los equipos auxiliares escogiéndose como columna de absorción la ubicada en el laboratorio de operaciones unitarias. 2.1.1Diseño de la columna destiladora de platos Para el diseño de las columnas de platos, en el cálculo del número de etapas teóricas se emplearon métodos no muy usados tradicionalmente por ejemplo en la destiladora, se aplicó el método de las ecuaciones de Kremser, ya que se tiene que concentrar mucho el alcohol, partiendo de una baja concentración, se comporta como una sección de agotamiento, por lo que el método gráfico de Mc. Cabe Thiele, no resulta. (Ver anexo 1) Para la sección empobrecedora:. ⎡ x − xw ⎤ m α ⎢ (1 − A) + A⎥⎥ log ⎢ xw ⎢⎣ xw − α ⎥⎦ Np − m +1 = log 1 A xm: composición del líquido que abandona el plato m, α es la volatilidad relativa. A=L. αV. ⎡ y * (1 − x ) ⎤ α = ⎢ * ⎥ ⎣ x 1− y ⎦. (. ). Para la sección enriquecedora:. ⎡ (1 − yn ) − (1 − x0 ) / α ⎛ 1 ⎞ 1⎤ log ⎢ ⎜1 − ⎟ + ⎥ A ⎠ A⎦ ⎣ (1 − y1 ) − (1 − x0 ) / α ⎝ n −1 = log A yn : Vapor que abandona el plato n desde la alimentación hasta arriba. Xo: componente del reflujo. 35.

(55) Capítulo II: Balances de Materiales y Diseño de los Equipos A=. αL V. Donde: L y V son los flujos de líquido y vapor en la columna Para la mayoría de los líquidos ideales en donde α es casi constante para todas las concentraciones, las expresiones se pueden aplicar al fraccionador completo 2.1.2 Diseño de las columnas rellenas Para la columna rectificadora se empleó el método de Sorel-Lewis como lo desarrolla El método es una modificación del de Mc. Cabe-Thiele, pero es analítico. Para su aplicación hay que conocer las ecuaciones que relacionan los datos de equilibrio y conocer la línea de operación (LO) de cada sección por balances de materiales. y∗ = f (x ). y n +1 =. Ecuación de la curva de equilibrio. R xD LO de la sección enriquecedora xn + R +1 R +1. Pasos a seguir: 1. Se parte del condensador con y = y D sobre la CE se halla X. 2. Con la X calculada en I.17 se determina y N +1 en I.18 3. Con y N +1 en (1) se determina X, y así sucesivamente. (Ver anexo A1 a) Las ecuaciones utilizadas para el cálculo de los parámetros de diseño son las siguientes: 2.1.3 Determinación de la altura de la columna. Para columnas de platos Cálculo del número de platos reales, NPR.. N PR =. N PT. η. Conociendo el número de etapas teóricas NPT y donde η es la eficiencia de la columna Ecuación de O′ Conell es la eficiencia total del plato.. 36.

(56) Capítulo II: Balances de Materiales y Diseño de los Equipos η= 0.5419 – 0.28531 log (α μ ) La altura de transferencia de masa para la columna viene dada por: H = ( N PR − 1)h. h : distancia entre platos B) Para columnas empacadas Para el cálculo de la altura H de estas columnas se puede partir de la altura de una equivalente a un plato teórico HETP. (Romero M. A.) El método de la HETP se basa en determinar el número de platos teóricos NPT requeridos para una sección dada por cualquiera de los métodos explicados anteriormente. HETP representa una altura de empaque que realiza el mismo efecto de separación que una etapa teórica. Este término generalmente es usado para expresar la eficiencia de las torres empacadas y depende del tamaño y tipo de empaque, de las propiedades del sistema y del diámetro de la torre. H = HETP*NPT Donde: HETP se obtiene por la ecuación descrita por (Guilliland, R. 1950). ⎤ ⎡ Dt ⎢ (44.94G '0.2 + 2.96 10-3 G ' ) ⎥ HETP= ⎥ Mg ⎢ HPD( L )0.75 ( μl )0.5 ⎥ ⎢⎣ μ ρD ⎦. L’, G’ flujos másicos superficiales kg/s m2, D Difusividad del sistema m2/s, Dt diámetro de la torre m, ρ densidad del líquido kg/m3, μ viscosidad del líquido Pa.s, Mg Masa molecular del vapor kg/kmol, H Constante de Henry, P presión atm, HP = 16(α Ml/ρ), α volatilidad relativa, ML masa molar del líquido. Determinación del diámetro de las columnas (Pavlov.K.F. 1981) Para columnas rellenas. (a) Fijando una caída de presión. 1. Determinar la razón de flujos (L/G) en unidades másicas. 2. Calcular el factor siguiente en unidades másicas.. 37.

(57) Capítulo II: Balances de Materiales y Diseño de los Equipos ⎛L⎞ ⎜ ⎟ ⎝G⎠. ρG. ρ L − ρG. 3. Calcular el flujo de gas de inundación por unidad de área.. ⎡ ρ ( ρ − ρ )g ⎤ GF′ = ⎢YF G L 0.1 G c ⎥ CF μ J ⎣ ⎦. 1/ 2. 4. Determinar el flujo de gas de operación como un porcentaje del flujo de gas de inundación G' = (50 %-80 %) Gf 5. Determinar el diámetro. D=. 4G π G′. Para columnas de platos Mediante el método descrito por (Treybal. R.E. 1981) 1. Propiedades físicas de las fases y los flujos. 2. Calcular el valor de. L G. ρG ρL. 3. Asumir el un valor de t = (15.24 - 91.44) cm. 4. Cálculo de a, b,Cf. a = 0.0492t+0.00405 b = 0.0564t+0.0204 Para platos perforados. ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ 1 ⎡ Ao ⎤ ⎢ + b ⎥ ⎢5 + 0.5⎥ Cf= a log ⎢ ⎥ ⎣ Aa ⎦ L ρG ⎢ ⎥ G ρL ⎣⎢ ⎦⎥ 5. Cálculo de Vf. ⎛ ρ − ρG Vf= Cf ⎜⎜ L ⎝ ρG. ⎞ ⎟⎟ ⎠. 0.5. 6. Cálculo de V V=75%Vf. Cuando hay formación de espuma.. 38.

(58) Capítulo II: Balances de Materiales y Diseño de los Equipos V= (80-85) %Vf Cuando no hay formación de espuma. 7. Calculo del valor de An An=. Q V. 8. Cálculo del valor de At At= An + Ad Para el cálculo de Ad se busca el valor de. Ad 100 en la Tabla 6.1 del (Treybal. R.E. At. 1981) suponiendo un valor de W = (0.7d-0.8 d) longitud del bajante -Mediante el método descrito por (Pavlov.K.F. 1981) -Cálculo de la velocidad del vapor w= C. ρ liq − ρ vap ρ vap. Donde: ρL. y ρG son las densidades del líquido y vapor en kg/m3 y C es una. constante que depende del tipo de plato y la distancia entre ellos. Cuando. ρliq > ρvap. w=C. ρ liq ρ vap. -Cálculo del diámetro. D=. V 0.785 w. Donde: V es el flujo de vapor mayor en la columna en m3/s, W es la velocidad ficticia del gas referida a la sección transversal en m/s. 2.2 Metodología de cálculo de los equipos auxiliares 2.2.1Diseño de los calentadores y del condensador Todos los calentadores y condensadores utilizados se diseñaron por el método convencional de cálculo del (Kern, 1999): Los resultados se muestran en las tablas 2.3, 2.4, 2.8 y 2.11. 39.

(59) Capítulo II: Balances de Materiales y Diseño de los Equipos U. D. =. 1 1 + Rdreq Uc. Uc =. hio ⋅ ho hio + ho. ho =. Nu ⋅ K Deq. hio = hi ⋅. DI DE. NoHo =. A AHO. Donde: Q es la cantidad de calor que necesita la mezcla de alimentación ( KJ ),mmezc es la masa de la mezcla de Bioetanol – Agua ( Kg ), Cp es la h h capacidad calorífica a presión constante ( KJ. Kg o C. ), ∆T es la diferencia de. temperatura que experimenta la mezcla de Bioetanol – Agua (oC), UD es el coeficiente de diseño sucio ( KJ. 2o. hm C. ), A es el área de transferencia de calor (m2),. ∆Tverd es la diferencia de temperatura verdadera (oC), Uc es el coeficiente de diseño limpio ( W. 2o. m C. ), Ao es área de cada horquilla (m2), A es el área total (m2), NoHo es. el número de horquillas 2.2.2 Diseño de la caldereta Para el diseño de la caldereta se utilizó la metodología propuesta por (Kern. D. Q. 1999) Los resultados se muestran en la tabla 2.5 Q= F ⋅ ΔH Q ⋅1000 A= Ud ⋅ dT ⋅ 3600 Av= π ⋅ L ⋅ at NoV=. A Av. 40.

(60) Capítulo II: Balances de Materiales y Diseño de los Equipos Dcald=1.5 DV Lc=Ls+0.05 Vcald= 0.785 Dcald 2 Lc 1000 Vc= 0.785 Dv 2 Lc 1000 Donde: Q es la cantidad de calor que necesita el residuo, F es el flujo de residuo que entra a la caldereta, ΔH es la diferencia de entalpía entre el líquido y el vapor, λ es el calor latente de cambio de fase , A es el área de transferencia de calor, UD coeficiente de diseño sucio, dT es la diferencia. de temperatura en entrada y la. salida, Av es el área por vueltas, at es la superficie exterior del tubo, L longitud de una vuelta , Nov es el número de vueltas del serpentín, Dv es el diámetro de una vuelta , Dcald es el diámetro de la caldereta , Ls es la longitud del serpentín, Lc es la longitud de la caldereta ,Vcald es el volumen de la caldereta, Vc es el volumen cubierto en el serpentín.. 2.2.3 Diseño de tuberías y accesorios Para el diseño de las tuberías y accesorios de cada una de las alternativas se utilizaron las ecuaciones referenciadas en (Rosabal.V.J. 1989). Los resultados se muestran en las tablas 2.6,2.9,2.13. Q =V ⋅ A V ⋅π ⋅ D2 Q= 4 H = ΔZ +. (. ). ΔP Δ αV 2 + + hp 2⋅ g ρ⋅g. 2 ⎛ L ⎞V hp = ⎜ f +∑K⎟ ⎝ Di ⎠ 2⋅ g. N = H ⋅ ρ ⋅ g ⋅Q N'=. N η ⋅ 1000. 41.

(61) Capítulo II: Balances de Materiales y Diseño de los Equipos N''= β ⋅ N ' Donde: Q es el flujo de líquido ( m. 3. s. ), V es la velocidad del fluido ( m ), A es el s. área de la tubería , D es el diámetro de la tubería, H es la carga de la bomba (, ∆Z es la altura de la tubería , hp son las pérdidas locales , g es la aceleración de la gravedad , ρ es la densidad del fluido, ΔP es la caída de presión , β es el coeficiente de reserva de potencia de los motores, K coeficientes de resistencia locales, N es la potencia útil , N’ es la potencia consumida , N’’ es la potencia de instalación , η es la eficiencia de la bomba.. 2.2.4 Diseño de los tanques de almacenamiento Para el diseño de los tanques de almacenamiento de alimentación se utilizaron las fórmulas planteadas por (Peters. M.S. 2003) para conocer las dimensiones del mismo. Los resultados se muestran en las tablas 2.7 y 2.12. V TANQUE = π ⋅ r 2 ⋅ h Donde: h es la altura del tanque (m), d es el diámetro del tanque (m), VTANQUE es el volumen del tanque (m). 2.3 Descripción del proceso de destilación de etanol. En el proceso de obtención de etanol por vía fermentativa, al efectuarse la destilación de los vinos fermentados por distintos procedimientos, de acuerdo a la materia prima, se obtienen flemas alcohólicas de 45 a 50 oGL y también de hasta 90 a 95 oGL. Estas flemas se caracterizan por contener todas las impurezas volátiles que tenían los vinos, como alcoholes superiores, aldehídos, ésteres, ácidos, etc, las cuales resultan inadecuadas para la preparación de productos de alta calidad como esencias, perfumes, rones clase A y otros varios usos industriales . Para obtener el alcohol puro exigido para los usos citados es preciso realizar una depuración de las flemas, operación que se denomina rectificación y que en esencia es una destilación. 42.