62 Líquido que sale
3.4. DISEÑO DE UNA TORRE DE BURBUJEO
Un burbujeador es un aparato con el cual una corriente de gas, en forma de pequeñas burbujas es introducida en el líquido.
Fig. 3-8 Burbujeador de una torre de burbujeo
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Líquido
Gas
Líquido Gas
D=1
H=3
REGLA HEURISTICA
D 1
H3
Para asegurar una mejor distribución del gas en la torre de burbujeo es mejor utilizar varios orificios u aspersores. Los orificios pueden ser agujeros de 1.5 a 3 mm. (1 a1 in)
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de diámetro, hechos en una tubería de distribución colocada horizontalmente en el fondo de la torre. Eckenfelder trabajó con diámetro del orificio del burbujeador de 1.5 mm. para torres de volúmenes menores a 10 litros y para torres de volúmenes mayores a 10 litros con diámetro del orificio del burbujeador de 3 mm., obteniendo así buenos resultados en la transferencia de masa.
El propósito del burbujeo es poner en contacto el gas burbujeado con el líquido para que la transferencia de masa sea efectiva, se sugiere que en el diseño de una torre de burbujeo la relación de altura y diámetro debe ser de 3 a1 respectivamente, como se muestra en la figura 3-9.
Fig. 3-9 Diámetro y altura de una torre de burbujeo
Así mismo para una mejor distribución de gas, el diámetro de la torre de burbujeo con el diámetro del burbujeador debe tener una relación aproximadamente de 2 a 1 respectivamente como se muestra en la figura 3-10.[16]
Fig. 3-10 Diámetro de burbujeador y diámetro de torre de burbujeo. DO 1
D2
O
REGLA HEURISTICA
D 1
D 2
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3.4.1. DIÁMETRO DE LAS BURBUJAS DE GAS
El tamaño de las burbujas depende de la rapidez de flujo a través de los orificios, el diámetro del orificio y de las propiedades del fluido. Lo que viene a continuación se refiere a los casos en que la turbulencia en el líquido es únicamente generada por las burbujas que escapan y en que los orificios son horizontales y están lo suficientemente separados para que las burbujas del orificio adyacentes no interfieran entre si (aproximadamente, al menos 3d de separación). P [16]
3.4.1.1. FLUJO DE GAS LENTO:
si : Re
0 2100
El diámetro de la burbuja de gas se halla con la siguiente ecuación.
1/2 1/3
P O o
d =0.0287d Re (3.8)
En donde d y P d están en metros (m). O
3.4.1.2. FLUJO DE GAS INTERMEDIO:
si : 2100 Re
0 10000
Para este caso no hay correlación de datos. Se ha sugerido que d para P aire – agua puede aproximarse mediante una línea recta sobre coordenadas log - log entre los puntos dados por dP en Re =2100 y a o
Re =10000o .
3.4.1.3. FLUJOS GRANDES DE GAS:
si : 10000 Re
0 50000
Los chorros de gas que salen del orificio se rompen en burbujas a cierta distancia del orificio. Las burbujas son mas pequeñas que las descritas antes y no son uniformes en tamaño. Para este caso el diámetro de la burbuja se puede hallar con la siguiente ecuación:
-0.05
P 0
d =0.0071Re (3.9)
Para flujo de gas lento, intermedio y grande el número de Reynolds se halla de la siguiente manera:
0 0
O G
Re = 4W d μ
(3.10)
Donde:
0
o o
W =m
N (3.11)
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3.4.2. ENJAMBRES DE BURBUJAS DE GAS
El comportamiento de grandes cantidades de burbujas agrupadas, es diferente de las burbujas aisladas. Las velocidades de ascensión son menores debido al agrupamiento; el diámetro de la burbuja puede alterarse por la turbulencia del líquido, que causa que la burbuja se rompa y por la coalescencia de burbujas que chocan entre sí. [16]
3.4.3. RETENCIÓN DE GAS
La retención del gas φ , significa la fracción en volumen de la mezcla gas – líquido G en la torre de burbujeo que esta ocupada por el gas. Si la velocidad superficial del gas, definida como el flujo volumétrico del gas dividido entre el área transversal de la torre que es V , entonces G G
G
V φ puede considerarse como la velocidad real del gas en relación con las paredes de la torre de burbujeo. Si el líquido fluye en forma ascendente, a corriente paralela con el gas, a una velocidad relativa a las paredes de la torre L
G
V 1-φ , entonces la velocidad relativa del gas y del líquido, o la velocidad de deslizamiento es:
G L
S
G G
V V
V = -
φ 1-φ (3.12)
La ecuación (3.12) también dará la velocidad de deslizamiento para el flujo a contracorriente del líquido, si a V , el flujo descendente del líquido, se le asigna un L signo negativo.
Donde:
o G
T G
V = m
A ρ (3.13)
L L
T
V =F
A (3.14)
La retención en torres de burbujeo, relacionada mediante la velocidad de deslizamiento, se muestra en la figura 3-11. Esto es muy satisfactorio cuando no hay flujo de líquido (V =0 ) para un flujo de líquido a corriente paralela mayor a L V =0.1m/sL (0.3ft/s) y muy probablemente, también para el flujo lento del líquido a contracorriente. Para velocidades grandes a contracorriente, es mejor tratar la
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retención de otra forma. La retención aumenta al aumentar la viscosidad de líquido, alcanza un máximo en μ =0.003kg/ms (3cP) y después decrece. L [16]
Fig. 3-11 Velocidad de deslizamiento, torre de burbujeo Para la figura 3-11, T es el diámetro de la torre de burbujeo.
3.4.4. ÁREA INTERFACIAL ESPECÍFICA
Si el volumen unitario de una mezcla gas – líquido contiene un volumen φ de gas, G formado de “n” burbujas de diámetro d , entonces P G3
P
n= φ
d /6. Si el área interfacial en el volumen unitario es
a
, entonces 2P
n= a
d igualando las dos expresiones para n, se obtiene el área específica.
G P
a=6φ
d (3.15)
3.4.5. COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE MASA
Prácticamente en todos los sistemas de burbujas de gas-líquido, la resistencia de la fase líquida a la transferencia de masa es la que controla fuertemente y los coeficientes para la fase gaseosa no se necesitan.
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Aproximadamente el 15% de los coeficientes para la fase líquida están relacionados mediante. [16]
0.116 1/3 0.779 0.546
L P P
L G L 2/3
L L
K d d g
Sh = =2+b'Re Sc
CD D
(3.16)
Donde:
b'=0.061 burbujas de gas aisladas b'=0.0187 enjambre de burbujas
El número de Reynolds para gas debe calcularse con la velocidad de deslizamiento:
p s L G
L
d Vρ
Re = μ (3.17)
En la mayoría de los casos, el líquido debe estar lo suficientemente bien agitado, de tal forma que las concentraciones de soluto en el líquido se puede considerar uniformes en toda la torre. [16]
Se debe tener en cuenta que ScL se halla con la siguiente ecuación:
L L
L L
Sc = μ
D (3.18)