Cap. 10 Procesos de separacin gas-lquido por etapas y continuos 619

Ho =G

M, k, aP (10.5-17)

donde HG es la altura de una unidad de transferencia de entalpa gaseosa en metros y el trminointegral recibe el nombre de nmero de unidades de transferencia. El trmino HG se usa confrecuencia puesto que depende menos de las velocidades de flujo que kca.

A veces se usa un coeficiente general de transferencia de masa KGa en kgmol/s * m3 * Pa o kgmol/s . m3 *atm, y la ecuacin (10.5- 15) se transforma en

G'= MA-aP

(10.5-18)

donde Hoc es la altura de una unidad de transferencia general de entalpa gaseosa en metros. El valorde Hy se determina desplazndose verticalmente desde el valor de HY hasta la lnea de equilibrio, talcomo se muestra en la figura 10.5-3. Este mtodo slo se debe usar cuando la lnea de equilibrio escasi recta en el intervalo considerado. Sin embargo, la Hoc se suele usar aun si la lnea de equilibrioes un tanto curva, debido a la falta de datos del coeficiente de transferencia de masa de pelcula.

10.5G Temperatura y humedad de la corriente de aire en la torre

Los procedimientos descritos no proporcionan informacin alguna sobre los cambios de la tempe-ratura y la humedad de la corriente de vapor de agua y aire a travs de la torre. Si fuera de intersesta informacin, se dispone de un mtodo grfico formulado por Mickley (M2). La ecuacin que se utilizapara el mtodo grfico se deduce si primero se hace que la ecuacin (10.5-6) sea igual a Ges dTG y luegose combina con las ecuaciones (10.5-12) y (10.5-g) para generar la ecuacin (10.5-19)

dHY-=Hyi - Hyd TG 4 - To

(10.5-19)

10.5H Torre de deshumidificacin

En la torre de enfriamiento o de humidificacin que se analiz, la lnea operativa queda debajo de lalnea de equilibrio, y el agua se enfra y el aire se humidifica. En una torre de deshumidifcacin, elagua fia se usa para reducir la humedad y la temperatura del aire que entra. En este caso, la lneaoperativa queda arriba de la lnea de equilibrio. Se emplean mtodos de clculo semejantes (Tl).

10.6 ABSORCIN EN TORRES EMPACADAS Y DE PLATOS

10.6A Equipo para absorcin y destilacink

1. Introduccin a Za absorcin. Como se estudi brevemente en la seccin lO.lB, la absorcin esun proceso de transferencia de masa en el cual un soluto vapor A en la mezcla de gases es absorbidopor medio de un lquido en el cual el soluto es ms o menos soluble. La mezcla gaseosa consiste casisiempre de un gas inerte y el soluto. El lquido .es tambin casi inmiscible en la fase gaseosa; estoes, su vaporizacin en la fase gaseosa es poco considerable. Un ejemplo tpico es la absorcin enagua del soluto amoniaco de una mezcla de aire-amoniaco. Posteriormente, el soluto se recupera de

680 10.6 Absorcin en torres empacadas y de platos

la solucin mediante destilacin. En el proceso inverso de desercin o empobrecimiento, se usan losmismos principios y ecuaciones.

En la seccin 10.2 se anahzaron las relaciones de equilibrio para sistemas gas-lquido en la absorcin yste es el tipo de datos que se necesitan para el diseo de torres de absorcin. En el apndice A.3 se incluyenalgunos datos tiles. En la referencia Perry y Green (Pl) se pueden consultar otros datos mas detallados.

2. Diversos tipos de torres de artesas (platos) para absorcin y destilacin. Para que el contactoentre el lquido y el vapor en la absorcin y en la destilacin sea eficiente, muchas veces se usantorres de artesas o platos. El tipo ms comn de dispositivo de contacto es el de platos perforados,que se muestra esquemticamente en la figura 10.6-la y en la seccin 11.4A para la destilacin.

1. Plutoperjkrudo. En la absorcin de gas y en la destilacin se utiliza esencialmente el mismo tipode plato perforado. En ste, el vapor burbujea hacia arriba por los hoyos sencillos del plato a travsdel lquido que fluye. Los hoyos tienen tamafios que fluctuan entre los 3 y los 12 mm de dimetro,y es el de 5 mm un tamao comn. El rea de vapor de los hoyos vara entre el 5 y el 15% delrea del plato. El lquido se conserva sobre la superficie del plato, y no puede fluir de nuevo hacia abajopor los hoyos porque se lo impide la energa cintica del gas o vapor. La profundidad del lquido sobreel plato se mantiene por medio de un vertedero de salida con sobreflujo. El lquido de sobreflujo fluyepor la canilla inferior hacia el siguiente plato, inferior.

2. Plato de vlvulas. Una modificacin del plato perforado es el plato de vlvula que consiste enaberturas en el plato y una cubierta de vlvulas con movimiento vertical para cada abertura, queproporciona un rea abierta variable; sta debe su variabilidad al flujo de vapor que inhibe la fugadel lquido por la abertura abajas tasas de vapor. Por lo tanto, este tipo de plato opera a un intervalomayor de tasas de flujo que el plato perforado, con un costo slo un 20% mayor que el del platoperforado. En la actualidad, el plato de vlvulas se utiliza cada vez ms.

3. Plato de capuchones. Los platos de capuchones, como el de la figura 10.6-lb, se han usado por masde 100 tios, pero desde 1950 generalmente se les remplaza por platos perforados o de vlvula, ya quesu costo es casi el doble que el de los platos perforados. En el plato de capuchones, el vapor o gas seeleva a travs de las aberturas del plato hacia el interior de los capuchones. Despus el gas fluye porlas ranuras & la periferia de cada tapa y las burbujas fluyen hacia arriba por el lquido que fluye. Losdetalles y los procedimientos de disefio de muchos de stos y otros tipos de platos se dan en otras obras(B2, Pl, Tl). Los diferentes tipos de eficiencias de los platos se analizan en la seccin 11.5.

FIGURA 10 .6 - l . Dispositivos para platos de contacto: a) detalle de una torre de platos peflorados, b) detalle deuna torre de platos de capuchones.

Cap. 10 Procesos de separacin gas-lquido por etapas y continuos 6 8 1

Salida del gas4

Distribuidor del lquidoEntrada del liquido

Empaque

Salida del lquido

LEntrada del gas

FIGURA 10 .6 -2 . Flujos y caractersticas de absorcin para torres empacadas.

3. Torres empacadas para absorcin y destilacin. Las torres empacadas se usan para el contactocontinuo a contracorriente de un gas y un lquido en la absorcin y tambin para el contacto de unvapor y un lquido en la destilacin. La torre de la figura 10.6-2 consiste en una columna cilndricaque contiene una entrada de gas y un espacio de distribucin en el fondo, una entrada de lquido yun dispositivo de distribucin en la parte superior, una salida de gas en la parte superior, una salidade lquido en el fondo y el empaque o relleno de la torre. El gas entra en el espacio de distribucinque est debajo de la seccin empacada y se va elevando a travs de las aberturas o intersticios delrelleno, as se pone en contacto con el lquido descendente que fluye a travs de las mismasaberturas. El empaque proporciona una extensa rea de contacto ntimo entre el gas y el lquido.

Se han desarrollado muchos tipos diferentes de rellenos para torres y hoy en da existen variasclases comunes. En la figura 10.6-3 se muestran los tipos de empaque mas usuales, que simplementese introducen en la torre sin ningn orden. Estos empaques y otros rellenos comunes se pueden obtenercomercialmente en tarnafos de 3 mm hasta unos 75 mm. La mayora de los empaques para torres estnconstruidos con materiales inertes y econmicos tales como arcilla, porcelana o grafito. La caracte-

(4 (b) Cc) (4

FIGURA 10 .6 -3 . Empaques de torres tipicos: a) anillo de Raschig, b) anillo de Lessing, c) sillas deBerl, d) anillo de Pali.

682 10.6 Absorcin en forres empacadas y de platos

rstica de un buen empaque es la de tener una gran proporcin de espacios vacos entre el orden del60 y el 90%. El relleno permite que volmenes relativamente grandes del lquido pasen a contracorrientecon respecto al gas que fluye a travs de las aberturas, con cadas de presin del gas relativamente bajas.En los procesos de separacin vapor-lquido de la destilacin se utilizan estos mismos tipos deempaques.

Tambin se usan rellenos de formas geomtricas que se pueden apilar y con tamaos deaproximadamente 75 mm. El relleno se apila verticalmente, y se forman canales abiertos que corrende manera ininterrumpida a travs del lecho del empaque. La ventaja de una menor cada de presin delgas queda cancelada en parte, por el menor contacto gas-lquido que se obtiene en los rellenos apilados.Entre los empaques apilados tpicos estn las rejillas de madera, las de punto de goteo, los anillosespirales de particin, y otros.

En una torre empacada con cierto tipo y tamao de relleno y con un flujo conocido de lquido, existeun lmite mximo para la velocidad del flujo de gas, llamado velocidad de inundacin. La torre no puedeoperar con una velocidad de gas superior a sta. A velocidades gaseosas bajas, el lquido fluye haciaabajo a travs del empaque casi sin influencia por el flujo ascendente de gas. A medida que se aumentael gasto de gas (cuando se trata de velocidades bajas), la cada de presin es proporcional al gasto ala potencia 1.8. Al llegar al gasto de gas llamado punto de carga, ste comienza a impedir el flujodescendente de lquido y al mismo tiempo aparecen acumulaciones o piscinas localizadas en elempaque. La cada de presin del gas comienza a incrementarse a velocidades cada vez mayores; amedida que el gasto del gas aumenta, la acumulacin o retencin de lquido tambin aumenta. En el puntode inundacin el lquido ya no puede seguir fluyendo a travs del empaque y sale expulsado con el gas.

En la operacin real de una torre, la velocidad del gas se mantiene por debajo del punto deinundacin. Entonces la velocidad gaseosa econmica ptima se aproxima a la mitad de la velocidadde inundacin. Esta velocidad depende de un balance econmico entre el costo de la energa y los costosfijos del equipo (S 1). En algunas referencias (Pl, Ll, Tl) se analizan mtodos detallados de diseo parapredecir la cada de presin en diversos tipos de empaques.

10.6B Diseo de torres de absorcin de platos

1. Deduccin de la lnea de operacin. Una torre de absorcin de platos tiene el mismo diagramade flujo de proceso que el sistema de etapas mltiples a contracorriente de la figura 10.3-2 y semuestra como una torre vertical de platos en la figura 10.6-4. En el caso de un soluto A quese difunde a travs de un gas en reposo (B) y despus en un fluido quieto, en la absorcin por aguade acetona (A) en aire (B), las moles de aire inerte o en reposo y de agua inerte permanecenconstantes en toda la extensin de la torre. Si las velocidades son Y kg mol aire inerte/s y L kgmol disolvente o agua inerte/s, o en kg mol inerte/s * m* (Ib mol inerte/h . pie*), el balance generalde material con respecto al componente A en la figura 10.6-4 es P

Un balance con respecto al rea de la lnea punteada sera

(10.6-l)

(10.6-2)