IQ6441 Taller de diseño de equipos

Diseño de una Torre de Absorción de relleno para Informe de avance 1

SO2

Resumen En el contexto curso Taller de diseño de equipos se busca diseñar una

columna de absorción de relleno para la eliminación de 𝑆𝑂2 reduciendo así

las emisiones de contaminantes a la atmósfera. El proceso se realiza con flujo

a contracorriente entre el gas portador y el líquido eliminador, en este caso

agua. El objetivo del diseño de la torre es conseguir el máximo de

transferencia de componentes con el mínimo consumo de energía y de

tamaño de columna, es decir, el mínimo costo. Algunos parámetros

importantes para el diseño de la torre son: la razón líquido/gas, el pH, la

velocidad del gas y el tiempo de residencia. Por ultimo las dimensiones

características de la columna son la altura del lecho empacado, la altura de la

columna y el diámetro de esta.

Para las próximas entregas se realizarán los balances de masa y energía

además de un diseño detallado de la columna y sus componentes,

posteriormente se incluirá en el diseño el sistema de tuberías.

Contenido

Resumen ......................................................................................................... 1

1. Introducción ............................................................................................ 1

1.1. Contextualización ................................................................................ 1

1.2. Objetivo .............................................................................................. 1

2. Descripción del Equipo ............................................................................ 2

2.1. Torre ................................................................................................... 4

2.2. Relleno ................................................................................................ 4

2.3. Diagrama de Bloques .......................................................................... 5

2.4. Diagrama de Flujos.............................................................................. 6

3. Condiciones de Operación ....................................................................... 6

3.1. Criterios básicos para el diseño ........................................................... 6

3.2. Condiciones básicas de operación ....................................................... 7

3.3. Cálculo dedimensiones características ................................................ 7

3.3.1. Memoria de Cálculo ......................................................................... 7

3.3.1.1. Cálculo altura de la columna ................................................... 7

3.3.1.2. Cálculo diámetro de la columna.............................................. 9

4. Conclusiones ......................................................................................... 10

5. Referencias ............................................................................................ 10

1

1. Introducción

1.1. Contextualización En el contexto del control de emisiones de contaminantes a la atmósfera

existen una serie de equipos encargados de impedir que estos gases sean liberados al ambiente, por ejemplo una columna de absorción para la eliminación de 𝑆𝑂2 de gases de combustión con disoluciones acuosas de hidróxido de sodio.

Este procedimiento consta de la transferencia de un contaminante de la corriente gaseosa con elevada concentración de contaminante, a un líquido que tenga una menor concentración del compuesto, en el que tenga alta solubilidad. La fuerza impulsora que provoca la separación será entonces la diferencia de concentraciones.

Para conseguir la máxima eficiencia se debe buscar la máxima superficie de contacto entre el gas residual y el líquido eliminador, además los materiales de construcción de estos equipos deben ser resistentes a la corrosión debido al carácter ácido de los contaminantes. Hay una amplia gama de equipos que se han diseñado con este fin, entre los que se encuentran las columnas de platos, las columnas de relleno, las cajas de aspersión, los separadores de venturi, etc, éste informe se centrará en las columnas de relleno.

1.2. Objetivo El proyecto propuesto en el contexto del curso Taller de diseño de equipos

consiste en diseñar una columna o torre de absorción de relleno (lecho poroso) para absorber un gas portador de 𝑆𝑂2 al 8% en volumen producido en la combustión de azufre con aire, en contracorriente con agua, para obtener una corriente gaseosa más limpia con un 5% aproximadamente de 𝑆𝑂2. El objetivo del diseño es conseguir el máximo de transferencia de componentes con el mínimo consumo de energía y de tamaño de columna, es decir, el mínimo costo.

2. Descripción del Equipo Las torres de relleno son columnas verticales que poseen un empaque en su

interior. El líquido se distribuye sobre el lecho empacado escurriendo hacia

abajo, de tal forma que expone una superficie amplia de contacto con el gas,

aumentando el área de trabajo lo que permite la transferencia de elementos

de un medio a otro, como se mencionó en la contextualización.

Para que el proceso ocurra no es suficiente tener sólo la torre de absorción, sino que también es necesario contar con equipos auxiliares que ayudan a que el proceso ocurra, como lo son bombas y un ventilador, por lo que su diseño también compete a este estudio. Ambos equipos se encargan de mantener los flujos de las corrientes constantes, para que la absorción ocurra de manera eficiente. Además, es necesario tener en cuenta todo el sistema de tuberías del proceso.

Figura 1: Torre de absorción. [1]

2.1. Torre Como se puede apreciar en la Figura 1, la torre de absorción tiene como

envoltura una coraza, la que puede ser de plástico y/o acero (dependiendo de las corrientes que se traten y de las condiciones de operación). Para absorción que incluye gases ácidos, se requiere una capa interior de ladrillo que sea resistente al ácido para proporcionar una fortaleza adicional a las sustancias químicas y a la temperatura.

En la parte superior de la columna existe un distribuidor de líquido, el que se encarga de esparcirlo uniformemente, resistir el taponamiento y ensuciamiento, proporcionar espacio libre para el paso del gas hacia la salida de la torre y permitir flexibilidad de operación. Al escurrir homogéneamente, genera un contacto estrecho entre las corrientes de líquido y gas. En el centro de la torre existe un redistribuidor de líquido, el que esparce nuevamente el líquido para que llegue de manera uniforme a la superficie inferior de la columna. Como regla general se deben poner redistribuidores por cada 2,5 a 6 metros de profundidad de lecho.

2.2. Relleno Los materiales de empaque o anillos rasching principalmente están

hechos de metal o plástico. Los primeros no pueden utilizarse para contaminantes altamente corrosivos, tales como gas-ácido, mientras que los segundos no son adecuados para aplicaciones a alta temperatura, dado que pueden deformarse.

Estos anillos se categorizan como al azar y estructurados, usualmente los empaques al azar son descargados dentro de la columna de absorción y se dejan asentar, hoy en día consisten de formas diseñadas ingenierilmente con el propósito de maximizar la relación superficie-volumen y minimizar la caída de presión.

En la Figura 2 se pueden apreciar los tipos de relleno más comunes, la variedad de formas se debe a características específicas con respecto al área de superficie, caída de presión, peso, resistencia, corrosión y costo. La vida útil del empaque varía dependiendo del proceso que se utilice y del uso, en circunstancias ideales, la vida del empaque es la de la torre misma.

Figura 2: Tipos de relleno para columnas de absorción

2.3. Diagrama de Bloques

Figura 3: Diagrama de bloques para el proceso de absorción de SO2.

2.4. Diagrama de Flujos

Figura 4: Diagrama de flujos para el proceso de absorción de SO2.

3. Condiciones de Operación 3.1. Criterios básicos para el diseño Los parámetros más importantes en el diseño:

La razón líquido/gas: Cuanto menor sea este número, es necesaria una

menor cantidad de líquido lavador y por tanto se requiere un menor

gasto y dimensionado de las instalaciones.

pH: Dependiendo del sistema empleado, el pH se debe de mantener

dentro de unos límites para asegurar una alta solubilidad del SO2 y la

no formación de costras.

Velocidad del gas: Para minimizar los costes los lavadores se diseñan a

la máxima velocidad del gas posible, minimizando el tamaño de la

vasija.

Tiempo de residencia: El gas debe de permanecer dentro de la vasija

el tiempo suficiente para que la mayor cantidad posible de SO2 sea

absorbida.

3.2. Condiciones básicas de operación

Tabla 1: Condiciones básicas para el diseño de la columna de absorción.

Parámetro Valor Unidad 𝑭𝒂𝒊𝒓𝒆 0,5 [𝑚3 ℎ𝑟⁄ ] 𝑷𝒂𝒊𝒓𝒆 1 [𝑎𝑡𝑚] 𝑻𝒂𝒊𝒓𝒆 20 [°𝐶]

𝑿𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂,𝒂𝒊𝒓𝒆 0,08 𝑑𝑒 𝑆𝑂2 [−] 𝑿𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂,𝒂𝒊𝒓𝒆 0,05 𝑑𝑒 𝑆𝑂2 [−]

𝑿𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂,𝒂𝒈𝒖𝒂 0 𝑑𝑒 𝑆𝑂2 [−]

𝑻𝒂𝒈𝒖𝒂 20 [°𝐶]

3.3. Cálculo dedimensiones características

3.3.1. Memoria de Cálculo En el diseño de una columna de absorción hay dos parámetros que

corresponden a las dimensiones características, estos son la altura y el

diámetro del lecho empacado. En primer lugar la altura depende de la razón

de trasferencia de masa entre ambas corrientes, siendo necesario calcula el

número (NTU) y altura de las unidades de transferencia (HTU). Finalmente el

diámetro depende del comportamiento fluido-dinámico de las corrientes del

proceso, tomando en cuenta también el tipo de relleno y que estas deben ser

las suficientes para que la columna no se inunde.

3.3.1.1. Cálculo altura de la columna

La altura depende de la velocidad del gas a la entrada y a la salida de la

columna:

𝑣𝑖𝑛 =𝐺𝑖𝑛

𝜌𝐺 ∗ 𝑆

𝑣𝑜𝑢𝑡 =𝐺𝑜𝑢𝑡

𝜌𝐺 ∗ 𝑆

A modo de simplificación se calcula un promedio entre ambas velocidades:

𝑣𝑝 =𝑣𝑝𝑟𝑜𝑚

𝜀

También es necesario saber qué tipo de flujo se tiene por lo que es necesario

el cálculo de los adimensionales Reynolds y Schmidt:

𝑅𝑒 =𝜌𝐺 ∗ 𝑣𝑝 ∗ 𝑑

𝜇𝐺

𝑆𝑐 =𝜇𝐺

𝜌𝐺 ∗ 𝐷𝐺

Luego del cálculo de ambos se puede usar la correlación de Carey-Williams

con el objetivo de encontrar la constante de transferencia de masa en la fase

gaseosa:

𝑘𝑐 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇

𝑣𝑝𝑆𝑐

0.5 = 0.04 ∗ 𝑅𝑒−0.25

Ya obtenida la constante de transferencia es necesario encontrar las

presiones parciales del gas, tanto a la entrada como a la salida, mediante la

ley de Dalton:

𝑝𝑖 = 𝑦𝑖 ∗ 𝑝𝑇

Con ambas presiones se puede obtener la fuerza motriz media:

𝐹𝑀 =𝑝𝑖𝑛 − 𝑝𝑜𝑢𝑡

ln (𝑝𝑖𝑛

𝑝𝑜𝑢𝑡)

Despejando la ecuación para 𝐴𝑝:

𝐴𝑝 =𝑛

𝐹𝑀 ∗ 𝑘𝐺

Se despeja la altura del empaque:

𝑍 =𝐴𝑝

𝑆 ∗ 𝑎𝑝

3.3.1.2. Cálculo diámetro de la columna

El cálculo del diámetro se basa en la correlación generalizada para la

inundación y caída de presión en la columna, que se obtiene a partir del

gráfico presente en la Figura 5.

Figura 5 Gráfico para lacorrelación generalizada para la inundación y caída de presión en la columna

Teneniendo el valor de la ordenada es posible despejar 𝐺𝑦, además, se sabe

que el flujo de gas se mide en [lb/s] y se asume que la velocidad real del gas

esta entre 50 y 70% de la velocidad de inundación. Posteriormente se puede

calcular el área de la sección transversal de la columna:

𝐴 =𝐹

(0.5 − 0.7) ∗ 𝐺𝑦

Finalmente se puede obtener el diámetro:

𝑑 = √4 ∗ 𝐴

𝜋

4. Conclusiones Se realizó una aproximación inicial para el diseño de una columna de

absorción de relleno para la eliminación de 𝑆𝑂2. Se presentaron los

parámetros y ecuaciones que rigen este diseño. Para las próximas entregas

se realizarán los balances de masa y energía además de un diseño detallado

de la columna y sus componentes, posteriormente se incluirá en el diseño el

sistema de tuberías.

5. Referencias [1] “Tratamientos de eliminación de SO2 de efluentes gaseosos” [En línea]

<http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Atmosfera/Column

aRelleno.htm> [Fecha de visita: 8 de Octubre 2015]