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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

Operaciones de separación Cuestionario de Transferencia de Masa Unidad 1: Equipos para las operaciones gas-líquido.

1. ¿Cuál es el propósito de los equipos para las operaciones gaslíquido? Todas las operaciones en las cuales se lleva a cabo la humidificación y deshumidificación, absorción y desorción de gases y destilación en sus diversas formas, tienen en común la necesidad de que una fase liquida y una gaseosa se pongan en contacto con el fin de que exista in intercambio difusivo entre ellas. Es por ello que el propósito del equipo es dispersar luego de la dispersión se permite el contacto íntimo de los dos fluidos con el fin de que se lleve a cabo la difusión entre los dos componentes en la forma más eficiente y adecuada al costo. 2. ¿Cómo se clasifican estos equipos? De ejemplos para ambos grupos. Se pueden clasificar según su acción principal ya sea de dispersar el gas o el líquido aun cuando en muchos aparatos las dos fases se dispersan. Ejemplo: En aparatos como tanques de burbujeo y agitados mecánicamente y los diferentes tipos de torres de platos, en los cuales la fase gaseosa se dispersa en burbujas o espumas. Ejemplos de contacto entre un gas disuelto y un componente del líquido: Carbonatación de una lechada de cal, la cloración de la pulpa de papel, hidrogenación de aceites vegetales, aereación de caldos de fermentación como en la obtención de penicilina. 3. ¿Qué es un tanque de burbujeo? ¿Cuáles son los propósitos del burbujeo? En qué casos resulta útil este tipo de equipo. Los tanques de burbujeo (columnas de burbuja) o burbujeador es un aparato con el cual una corriente de gas en forma de pequeñas burbujas es introducido en un líquido, cuyo propósito es poner en contacto el gas que ha sido burbujeado con el líquido. En algunos casos puede ser utilizado para agitar, ya que puede proporcionar la agitación más suave como por ejemplo en el lavado de nitroglicerina con agua o la agitación vigorosa.

4. ¿Qué es una torre de platos? ¿Qué tipo de contacto proporciona? Describa brevemente el funcionamiento de estos equipos. Son cilindros verticales en que el líquido y el gas se ponen en contacto en forma de pasos sobre platos o charolas. En dicho equipo el líquido entra en la parte superior y luego fluye en forma descendente por gravedad a través de los platos y de un conducto hacia el plato inferior. El gas pasa hacia arriba a través de orificios de un tipo u otro en el plato, y este burbujea a través del líquido para formar una espuma, se separa de la espuma y pasa al plato superior. 5. ¿Qué es una etapa? ¿Qué es una etapa teórica? Cada plato en la torre es una etapa, puesto que sobre el plato se ponen los fluidos en contacto íntimo para que ocurra la difusión interfacial y los fluidos se separen. La etapa teórica corresponde al número de platos teóricos en el equilibrio en una columna o torre. 6. ¿De qué depende el número de platos teóricos, la eficiencia del plato y el diámetro en una torre de platos? Solo depende de lo complicado de la separación que se va a llevar a cabo y solo está determinado por el balance de materia y las consideraciones acerca del equilibrio. La eficiencia de la etapa y del número de etapas reales se determina por el diseño mecánico utilizado y las condiciones de operación, en cambio el diámetro de la torre depende de las cantidades del líquido y gas que fluyen a través de la torre por unidad de tiempo. 7. ¿Cómo puede lograrse que la eficiencia del plato sea alta? Para que los platos sean de eficiencias elevadas se requieren de lagunas profundas de líquido y velocidades relativamente elevadas del gas 8. ¿Explique cuáles son los aspectos positivos y negativos que causa la velocidad con que se alimenta el gas en una torre de platos? Para las velocidades altas del gas este tiende a arrastrar gotitas del líquido en la corriente de gas que está ascendiendo, reduciéndose así la TM, provocando grandes caídas de presión las cuales afectan el rendimiento de la bandeja, por otro lado, este puede dispersarse completamente en el líquido proporcionando superficies grandes de contacto interfacial dando altos rendimientos de bandejas.

9. ¿Qué valores de la velocidad del gas se recomiendan para operar una torre de platos? Valores apropiadamente pequeños de Velocidad se utilizan en el diseño real ; para líquidos que hacen espuma, es normal un valor del 80 al 85 % valor sujeto a verificación con respecto a las características de arrastre del líquido en el gas y al a caída de presión. 10. Una vez seleccionada la velocidad del gas que otras verificaciones deben realizarse para asegurar una buena operación de la torre. Otro parámetro que se debe de tomar en cuenta es la caída de presión del gas cuando este fluye sobre el plato. Ya que un ascenso o descenso de esto causa un desequilibrio en la operación que se esté realizando. Por ejemplo si tenemos u absorber o humidificador una alta caída de presión eleva la potencia del ventilador causando un mayor costo energético. 11. Enumere los tipos de platos que usan en las torres y explique la forma en que el gas y el líquido fluyen a través de éstos.  Platos de capucha: El líquido entra en la parte superior y fluye en forma descendente por gravedad. En el camino, fluye a través de cada plato y a través de un conducto, al plato inferior. El gas pasa hacia arriba, a través de orificios de un tipo u otro en el plato; entonces burbujea a través del líquido para formar una espuma, se separa de la espuma y pasa al plato superior. El efecto global es un contacto múltiple a contracorriente entre el gas y el líquido, aunque cada plato se caracteriza por el flujo transversal de los dos.  Platos perforados: la parte principal del plato es una hoja horizontal de metal perforado, transversal al cuál fluye el líquido; el gas pasa en forma ascendente a través de las perforaciones. El gas, dispersado por las perforaciones, expande al líquido en una espuma turbulenta, que se caracteriza por una superficie interfacial muy grande con respecto a la transferencia de masa. Los platos están sujetos a inundaciones, debido a la elevación del líquido en los vertederos o a un excesivo arrastre del líquido en el gas por espumado, como se describió antes.  Platos patentados: -Platos de linde: en estos existe una variante en el patrón de perforaciones para que de este modo haya una modificación en el flujo del líquido. -Platos de válvulas: éstos son platos con grandes aberturas las cuales varían entre 35mm-45mm de diámetro, para el flujo de gas.

-Platos de flujo a contracorriente: éstos difieren de los platos tradicionales porque no tienen vertederos ordinarios, es decir el líquido y el gas fluyen por el mismo orificio a contracorriente. -Platos de Kittel: son los más utilizados en Europa, son platos doble ranurados; se fabrican de metal expandido y se colocan de tal forma que el movimiento del líquido sea modificado al pasar el gas. -Platos ondulados: son platos perforados y doblados en forma de onda sinusoidal con platos alternados e instalados con las ondulaciones a ángulo recto. -Platos de leva: son torres de paredes mojadas muy cortas entre platos y cercanos entre sí, en este tipo de plato la caída de presión es baja por lo que son adecuados para la destilación al vacío. -El plato con flujo cruzado: utiliza un conducto descendente o bajante de descarga del líquido. 12. ¿Qué ventaja presentan los platos flujo cruzado con respecto a los platos a contracorriente? Se suele emplear más que el de flujo en contracorriente porque presenta como ventajas mayor eficacia en la transferencia y un intervalo de condiciones de operación más amplio. El patrón de flujo del líquido en un plato con flujo cruzado se puede controlar colocando bajantes para lograr la estabilidad deseada y la eficacia de la transferencia. 13. Enumere los arreglos de platos de flujo de cruzado que se utilizan comúnmente para dirigir el flujo del líquido sobre los platos. ¿Cuál es el arreglo más común? 1) 2) 3) 4) 5)

Flujo invertido Flujo transversal Flujo radial Flujo dividido Platos en cascadas

El flujo inverso puede utilizarse en torres relativamente pequeñas, pero hasta ahora el arreglo más común es el del plato de flujo transversal de un solo paso. Para torres de diámetro grande, puede utilizarse el flujo radial o dividido aunque se debe tratar de utilizar el plato de flujo transversal debido a su menor costo. Para torres con diámetros muy grandes que contienen el tipo de platos de capucha, se han utilizado diseños de cascada con varios niveles, cada uno de los cuales posee su propio derramadero pero su costo es considerable. Se han construido columnas comerciales hasta de 15 m (50 ft) de diámetro. Los platos de doble paso

son comunes para diámetro de 3 a 6 m; hay platos de más pasos para diámetros mayores. 14. Enumere los tipos de platos de flujo de cruzado y de una breve descripción de los mismos. 15. Haga una comparación de los platos de malla y capucha desde el punto de vista económico y operacional. Los platos de capucha ofrecen la ventaja que puede manejar rangos muy amplios de flujos del liquido y del gas. Actualmente, las nuevas instalaciones han abandonado los platos de capucha debido a su costo que es el doble que el de los platos de malla 16. ¿Qué características presentan las torres de paredes mojadas?  Líquido que desciende por el interior del tubo  Gas fluye en contracorriente  La superficie interfacial entre las fases se mantiene fácilmente bajo control y puede medirse  Acido Clorhídrico como absorbedor  Está rodeada por agua fría  Caída de presión baja 17. Mencione las características que deben tener los empaques de las torres de relleno. El empaque de la torre debe ofrecer las siguientes características: 1. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas. La superficie del empaque por unidad de volumen de espacio empacado am debe ser grande, pero no en el sentido microscópico. Los pedazos de coque, por ejemplo, tienen una superficie grande debido a su estructura porosa, pero la mayor parte de la superficie será cubierta por la película del líquido que escurre. De todas maneras, la superficie específica de empaque a., es casi siempre más grande que la superficie interfacial líquido-gas. 2. Poseer las características deseables del flujo de fluidos. Esto generalmente significa que el volumen fraccionario vacio, E, o fracción de espacio vacío, en el lecho empacado debe ser grande. El empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas secciones transversales de la torre, sin recargo o inundación (véase a continuación); debe ser baja la caída de presión del gas. Más aún, la caída de presi6n del gas debe ser principalmente el resultado de la fricción pelicular, si es posible, puesto que es más efectivo que formar arrastres al promover

valores elevados de los coeficientes de transferencia de masa (véase torres de paredes mojadas).

3. Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando. 4. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación. 18. Mencione los tipos de empaques que pueden usarse en las torres de relleno. ¿Qué ventajas y desventajas presentas éstos? Por lo general son dos tipos: Volcados al azar (aleatorios) o de forma regular. -Empaques al azar: los empaques al azar son aquellos que simplemente se arrojan en la torre durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria. Ventajas  Los empaques de hojas delgadas de metal y de plástico ofrecen la ventaja de ser ligeros, pero al fijar los límites de carga se debe prever que la torre puede llenarse inadvertidamente con líquido.  Los tamaños mayores cuestan menos por unidad de volumen. Desventajas  Los tamaños más pequeños de empaques al azar ofrecen superficies específicas mayores (y mayores caídas de presión). -Empaques Regulares: Ventajas:  Existe una gran variedad de éstos.  Una mayor caída de presión para el gas y un flujo mayor.  Los anillos hacinados de Rasching son económicos solo en tamaños muy grandes.  Las rejillas o “vallas” de madera no son caras y se utilizan con frecuencia cuando se requieren volúmenes vacíos grandes.  La malla de lana proporciona una superficie interfacial grande de líquido y gas en contacto y caída de presión muy pequeña. Desventajas:  Generalmente la instalación es más costosa que la necesaria para los empaques aleatorio. 19. ¿Qué relación entre el diámetro del empaque y el de la torre debe usarse para disminuir la cantidad de líquido que escurre por las paredes de la torre?

Generalmente se considera necesario proporcionar al menos cinco puntos de introducción del líquido por cada 0.1 m^2 de sección transversal de la torre para grandes d ≥1,2 m Y un número mayor para diámetros pequeños. 20. ¿Qué factores influyen en la caída de presión del gas en las torres empacadas? El tamaño de los empaques con que es rellenada la Torre. Los tamaños más pequeños de empaques al azar ofrecen superficies específicas mayores. Esto aumenta las caídas de presión. 21. ¿Qué velocidades del gas se recomienda usar en las torres empacadas? La pendiente de la línea para el empaque seco está generalmente en el rango de 1.8 a 2.0; indica flujo turbulento para las velocidades más prácticas del gas. A una velocidad fija del gas, la caída de presión del gas aumenta al aumentar el flujo del líquido, debido principalmente a la sección transversal libre reducida que puede utilizarse para el flujo del gas como resultado de la presencia del líquido. 22. ¿Cuáles son las condiciones favorables y desfavorables de las columnas de relleno frente a las columnas de platos? Explique brevemente. Dependiendo del proceso que se quiere llevar a cabo, se puede seleccionar el equipo más adecuado para un mejor resultado. Dentro de las condiciones o características que poseen cada uno de estos encontramos Columna de Platos     

Relación liquido-gas se trabaja con los valores muy altos Enfriamiento del liquido se construye mas fácilmente en las torres de plato Las corrientes laterales son mejor eliminadas Facilidad de limpieza Mayor resistencia para las fluctuaciones grandes de temperatura

Columna de relleno  Deficiencia cuando hay fluctuaciones grandes de temperatura los empaques tienden a romperse.  Operan con mejor burbujeo del gas con el líquido y son las más adecuadas.  Para la corrosión su mantenimientos es menos costoso  Estas requieren una menor caída de presión.

 Proporcionan una retención de líquido sustancialmente menor.  Relación líquido- gas con valores muy bajos