Articulo Desti Laci on Final

7/24/2019 Articulo Desti Laci on Final

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Descripcin cuantitativa del proceso de recuperacin y purificacin deamoniaco (NH3), a partir de corrientes de aire contaminadas, mediante

absorcin con agua (H2O) y destilacin.

Quantitative description of recuperation and purification process of ammonia (NH3), from

contaminated draughts by means of absorption with water (H2O) and distillation.

Erick Alfredo Cavazos Hernndez a, Abraham Rodolfo Reyna Ayala b, Jos Ricardo Zacaras Rodea c.Facultad de Ciencias Qumicas, Universidad Autnoma de Nuevo Len, Av. Universidad s/n, Cd. Universitaria, C.P.66451, San Nicols de los Garza, Nuevo Len, Mxico.aMatricula: 1477874bMatricula: 1524938cMatricula: 1563594

RESUMEN. El presente trabajo muestra de manera completa los procedimientos y clculos para la descripcin de los requerimientos

de flujos y composiciones, tanto necesarias como obtenidas, en los procesos de obtencin de amoniaco de una corriente de aire

contaminada, realizando absorcin, as como la posterior destilacin para su purificacin. La metodologa fue realizada a partir delos conocimientos de la teora de absorcin de gases, as como el mtodo de Ponchon-Savarit que permiti establecer, en amboscasos, el nmero de etapas necesarias para realizar con xito la operacin dando como resultados finales 10 etapas en la absorciny 4 etapas en la destilacin.

Palabras clave: absorcin, destilacin, etapas, platos, composiciones, entalpias, corrientes.

ABSTRACT. The present work presents a comprehensive manner the procedures and calculations for the description of therequirements of flows and compositions, both necessary and obtained, in the process of obtaining ammonia in a stream ofcontaminated air, making absorption and subsequent distillation purification. The methodology was made from knowledge of the

theory of gas absorption, and the method of Ponchon - Savarit it possible to establish, in both cases, the number of stages necessaryfor successful operation giving as final results 10 and 4 trays in absorption and distillation respectively.

Keywords: absorption, distillation stages, trays, compositions, enthalpies, streams.

1.- INTRODUCCIN.El amoniaco puede encontrarse presente en laatmosfera. Una de las teoras del origen de este en el

medio es que los nitratos del suelo son transportados

por medio de filtracin a ros, que posteriormente

desembocan en el mar y por accin de la vida

submarina estos nitratos son transformados y

desechados como amoniaco (Boussingault y

Schloesign, 1888). Al evaporarse el agua de mar por

efecto del ciclo del agua estos se elevan y forman parte

del aire [1].

El amoniaco (NH3) pertenece al grupo de los

llamados refrigerantes naturales, junto al dixido de

carbono, el agua, el aire y los hidrocarburos (etano,

etileno, propano, propileno, butano e isobutano). Los

refrigerantes naturales destacan porque son eficientes

y tienen bajos costes de mantenimiento, adems, son

baratos y estn disponibles en grandes cantidades [2].

El proceso de obtencin de amoniaco consiste

principalmente en su separacin desde soluciones

acuosas, una manera de complementar esta operacin

es recurrir a corrientes de aire circundante ypurificarlas de la sustancia deseada. Para ello se hace

uso de una columna de absorcin que permita disolver

el amoniaco presente en la corriente de aire hacia una

corriente de agua, esto se lleva a cabo a contra

corriente para una mayor efectividad. Despus, la

solucin acuosa resultante pasa por una separacin

para reducir el contenido de agua en exceso, la

corriente til de salida del separador se mezclara con

una de las corrientes principales, pre-tratada, enviadas

a destilacin en la cual pasara por un proceso de

separacin que produzca una corriente rica en

amoniaco, para su uso como refrigerante y otra rica en

agua que puede ser reaprovechada para una separacin

por flama (Figura 1) [3].

El anlisis de las unidades de operacin para la

absorcin y para la destilacin fue realizado utilizando

la teora de absorcin de gases y el mtodo de diseo

de Ponchon-Savarit. La absorcin de gases es una

operacin en la cual una mezcla gaseosa se pone en

contacto con un lquido, a fin de disolver de manera

selectiva uno o ms componentes del gas y de obtener

una solucin de estos en el lquido. Generalmente estas


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2

operaciones solo se utilizan para la recuperacin o

eliminacin de soluto [4].

Una buena separacin de solutos entre si exige

tcnicas de destilacin fraccionada. La descripcin del

diseo exacto de la columna de destilacin en el

proceso, fue realizada y detallada a partir de la teora

de entalpias en el equilibrio liquido-vapor, concepto

fundamental para la realizacin del mtodo de

Ponchon-Savarit [5].

2.- LISTA DE VARIABLES A USAR.2.1 Para el abasorbedor.

X1 Fraccin de absorcin en la salida dellquido.

x1 Fraccin mol del elemento a absorberen la salida del lquido.

X2 Fraccin de absorcin en la entradadel lquido.

x2 Fraccin mol del elemento a absorberen la entrada del lquido.

Y1 Fraccin de absorcin a la entrada delgas.

y1 Fraccin mol del elemento a absorbera la entrada del gas.

Y2 Fraccin de absorcin en la salida delgas.

y2 Fraccin mol del elemento a absorberen la salida del gas.

L1 Flujo molar de lquido absorbente enla salida.

L2 Flujo molar de lquido absorbente enla entrada.

G1 Flujo molar del gas a limpiar en laentrada.

G2 Flujo molar del gas limpio en la salida.Ls Flujo molar de lquido que no toma

lugar en la absorcinGs Flujo molar del gas que no toma lugar

en la limpieza.Ls min Flujo molar mnimo que no toma lugar

en la absorcin.X1min Fraccin de absorcin mnima en la

salida del lquido.AA rea de seccin transversal del

absorbedor.DA Dimetro del absorbedor.Top Abs Temperatura de operacin del

absorbedor.Pop Abs Presin de operacin del absorbedorPsat NH3 Abs Presin de saturacin del amoniaco en

el absorbedor.Flux Aire Velocidad msica con respecto al aire.

2

1

4

5

3

EL

SL EG

SG

ES

SSR

SSD

CPD

CCD

SD

SA

Figura 1.Diagrama de proceso para obtencin y purificacin de amoniaco. Numeracin: 1. Absorbedor, 2. Separador, 3.Torre de destilacin, 4. Re boiler, 5.Condensador total, 6. Compresor, 7. Intercambiador de calor.

Nomenclatura: EL. Entrada de lquido, EG. Entrada de gas, SL. Salida del lquido, SG. Salida del gas, ES. Entrada alseparador, SSR. Salida del separador recuperada. SSD. Salida del separador al destilador, CPD. Corriente pre-tratada al

destilador, CCD. Corriente combinada al destilador, SD. Salida del destilado, SA. Salida del agotamiento.

6

7


3/9

3

Flux H2O Velocidad msica con respecto alagua.

huA Altura de unidad de transferenciahA Altura de la columna de absorcin.

2.2 Para la columna de destilacin.

F Flujo msica total que entra en lacolumna de destilacin.

FNH3 Flujo msica de amoniaco que entra enla columna de destilacin.

FH2O Flujo msica de agua que entra en lacolumna de destilacin.

xNH3 Fraccin msica de amoniaco a laentrada de la columna de destilacin.

FSD Flujo msica total que sale en eldestilado.

FNH3SD Flujo msica de amoniaco que sale en eldestilado.

FH2OSD Flujo msica de agua que sale en eldestilado.

xNH3SD Fraccin msica de amoniaco en lasalida del destilado.

FSA Flujo msica total que sale en elagotamiento.

FNH3SA Flujo msica de amoniaco que sale en elagotamiento.

FH2OSA Flujo msica de agua que sale en elagotamiento.

xNH3SA Fraccin msica de amoniaco a la salidadel agotamiento.

LD Flujo de lquido de reflujo hacia lacolumna de destilacin.

LDmin Flujo mnimo de lquido de reflujo hacia

la columna de destilacin.RD Relacin de reflujo de la columna dedestilacin.

TOP D Temperatura de operacin de lacolumna de destilacin.

POP D Presin de operacin de la columna dedestilacin.

HFHSDHSAHGHLQQ

Entalpia de la corriente de entrada a lacolumna de destilacin.Entalpia de la corriente de salida deldestiladoEntalpia de la corriente de salida delagotamientoEntalpia GaseosaEntalpia LiquidaCalor perdido en el condensadorCalor perdido en el hervidor

2.3 Para el separador.

WES Flujo msico total en la entrada del

separador.

WNH3ES Flujo msico de amoniaco en la entrada

del separador.

WH2OES Flujo msico del agua en la entrada del

separador.

wNH3ES Fraccin msica de amoniaco en laentrada del separador.

WSS-R Flujo msico total en la salida

recuperada.

WNH3SS-

R

Flujo msico de amoniaco en la salida

recuperada.

WH2OSS-

R

Flujo msico de agua en la salida

recuperada.

wNH3SS-R Fraccin msica de amoniaco en la

salida recuperada.

WSS-D Flujo msico total que se combinara

para la destilacin.

WNH3SS-

D

Flujo msico de amoniaco que se

combinara para la destilacin.WH2OSS-

D

Flujo msico de agua que se combinara

para la destilacin.

wNH3SS-D Fraccin msica de amoniaco en la

combinacin para la destilacin.

3. METODOLOGIA3.1. Absorbedor.

En el clculo del absrobedor se tienen las

condiciones de operacin descritas en la Tabla 1.

Tabla 1. Condiciones de operacinconocidas del absorbedor.

Top Abs 30CPop Abs 760 mmHgFlux Aire 1.15 Kg/m2s

G1 1.92x10-3Kmol/sy1 0.05 Kmol NH3/Kmol totalx2 0.0 Kmol NH3/Kmol totaly2 4x10-4Kmol NH3/Kmol totalhut 35 cm

Tambin se tiene la ecuacin 1, que describe la

relacin entre la corriente liquida que no participa en

la absorcin y la corriente de lquido mnima que no

participa en la absorcin.

=1.4 (1)El procedimiento para encontrar la fraccin

mnima de absorcin a la salida del lquido consisti,

en primer lugar, en trazar la curva de equilibrio para

las fracciones de absorcin Xe Y, tomando en cuentalas ecuaciones 2 y 3.

= 1 (2)


4/9

4

= 1 (3)

Se tom en cuenta que las sustancias siguen un

comportamiento descrito por la ley de Raoult (Raoult,

1882), la cual se describe por la ecuacin 4, en

trminos de las variables correspondientes al proceso.

= (4)

Se realiz un manejo algebraico para despejar de 2

y 3 yeq y xeq respectivamente y las expresionesdespejadas se sustituyeron en la ecuacin 4 para

obtener la ecuacin 5.

(

1 ) = (

1 ) (5)

De la ecuacin 5 se realiz una manipulacin

algebraica que permitiera despejar Y, arrojando comoresultado la ecuacin 6.

=

1 1 1

(6)

Donde:

=

(7)

Para la descripcin de la pendiente m de la recta

obtenida, se obtuvoPsat NH3 Absa partir de la ecuacin deAntoine cuya forma despejada para la presin de

saturacin, est representada por la ecuacin 8[6].

= 10

+ (8)

Donde los valores especficos de las constantes A,

B y C para el amoniaco se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2.Datos de las constantes deAntoine para el amoniaco [6].

A 7.55466

B 1002.711

C 247.885

Al haber obtenido la presin de saturacin delamoniaco a las condiciones de operacin del

absorbedor, y sustituir el valor obtenido en la ecuacin

7 y a su vez sustituir lo obtenido en 7 a 6, la ecuacin

de la curva de equilibrio de las especies, quedo descrita

por la ecuacin 9.

= 11.63

1 111.63 1

(9)

Se dieron valores a 9, para los cuales se cumpliera

que las fracciones Y1, Y2yX2estuvieran contempladas

dentro del comportamiento. Se dieron 236 valores a Xen un intervalo de 0 hasta 0.44, los resultados seobservan de forma truncada en la Tabla 3. Utilizando

los 236 datos obtenidos, se procedi a realizar la

grfica que describe la curva de equilibrio en el

absorbedor (Figura 2).

Tabla 3.Datos de la construccin de la curva deequilibrio para el sistema de absorcin.

DatoX (Kmol

NH3/Kmol H2O)

Y (Kmol NH3/Kmol

Aire)

1 0 0

2 2x10

-5

2.33x10

-4

3 4x10-5 4.65x10-4

4 6x10-5 6.98x10-4

5 8x10-5 9.31x10-4

6 1x10-4 1.16x10-3

7 1.2x10-4 1.4x10-3

8 1.4x10-4 1.63x10-3

9 1.6x10-4 1.86x10-3

234 0.00436 0.0532

235 0.00438 0.0534

236 0.0044 0.0537


5/9

5

Figura 2.Comportamiento de la curva de equilibrio X vs Y para la mezcla agua-amoniaco en el absorbedor.

A partir de aqu se realiz el procedimiento grafico

correspondiente para encontrar el valor de X1min.

Despus se utiliz este valor para calcularLs mina partir

de la ecuacin 10.

=

(10)

Al encontrar la condicin de flujo de lquido

inmiscible mnima se realiz el clculo para encontrar

X1, utilizando una nueva ecuacin, parecida a la

ecuacin 10, pero reemplazando Ls minpor Lsy X1 min

por X1, al terminar se relacionaron los puntos Y2, X2e

Y1, X1, para el trazado de la curva de operacin del

absorbedor, para despus realizar el trazado de los

platos, segn la teora de absorcin de gases [7].

Adems de la forma grfica para el clculo de

etapas, se utiliz la ecuacin 11 para realizarlo de

manera analtica y comparar ambos resultados.

=log[ 1

1

1]

log (11)

Para el entendimiento de 11 se tienen las ecuaciones

12, 13 y 14.

= . (12)

= (13)

= (14)

3.2 Destilador.

Se us el mtodo de Ponchon-Savarit [5], en la

tabla 4 se especifican las condiciones de operacin de

la columna de destilacin.Tabla 4. Condiciones de operacin

conocidas del destilador.TOP D 98CPop D 12.5 atmF 1500 kg/h

wNH 3 20%pHF 75 kcal/kg

LD/ FSD 3

Se tiene conocimiento completo del sistema, ya que

los detalles del proceso arrojan cuales son los datos de

equilibrio liquido-vapor, as como las entalpias y sus

composiciones en el lquido y el vapor, losmencionados primero estn representados en la tabla 5

y los segundos en la tabla 6.

Tabla 5.Datos de EquilibrioLiquido-Vapor.

x y0 0

0.04 0.2360.08 0.4240.1 0.504

0.15 0.6640.2 0.778

0.24 0.8420.3 0.905

0.34 0.9320.38 0.9520.42 0.9650.46 0.9760.5 0.9830.6 0.9930.7 0.997

0.00E+00

1.00E-02

2.00E-02

3.00E-02

4.00E-02

5.00E-02

0.00E+00 1.00E-03 2.00E-03 3.00E-03 4.00E-03

Y(KmolNH

3/KmolAire)

X (Kmol NH3/Kmol H2O)

Curva deequilibrio


6/9

6

0.8 0.9990.9 0.9991 1

Tabla 6. Datos de entalpias de las fases vapor yliquido con sus respectivas fracciones msicas.

x, y h (Kcal/kg) H (Kcal/kg)0 192.5 6660.1 145.2 6400.2 104.3 6140.3 69 5850.4 39 5560.5 17.3 5260.6 6.3 4960.7 5.85 4640.8 12.4 4290.9 22.5 3901 36.4 308

Se realiza la regresin polinomial de la entalpapara la fase liquida y fase vapor, dando como resultado

las ecuaciones 15 y 16.

HS =1810.9 3714.32628.4689.43 321.94666.4 15HSA =383 538.91321.94 194.68 16

3.2.1 Seccin de enriquecimiento.

Para empezar el mtodo grafico se realiz elbalance de materia teniendo en cuenta las siguientes

ecuaciones.

Los balances de materia total para toda la columna,

son:

F = FS FSA (17)Y en este caso para el componente ms voltil que

es el amoniaco.

= (18)Se plantea que el 95% del NH3de la alimentacin

se obtendr de producto de destilado, por lo tanto:

FNS =0.95FN 19Donde se sustituye la ecuacin 18 despejada para

la corriente del destilado en la ecuacin 17 para

obtener la corriente del lquido.

Para la obtencin del reflujo mnimo se utiliza la

siguiente ecuacin con las condiciones dadas del

problema

L D = 3 FS 20Aplicando esta ecuacin para el plato superior en

la columna se obtiene la relacin de reflujo:

R = LDFS =Q HG

HG HO 21

De la ecuacin 21 se obtiene el valor de Q.

Sea Q el calor eliminado en el condensador y el

destilado eliminado permanente, por mol de destilado.

Entonces:

= 22

Despejando para el valor de QCse obtiene el calor

perdido en el condensador.

3.2.2 Seccin de agotamiento.

Se realiza el balance de materia, teniendo en cuenta

el balance que se realiz en la zona de Enriquecimiento

Para el producto de fondo se obtendr el 97% de agua

de alimentacin, por lo tanto:

FOSA =0.97FO 23Obtenido la cantidad en la seccin de fondo de

H2O, se obtiene la cantidad de Agua en el producto

destilado:

FOS = F FOSA 24Un balance de energa global con prdida de calor

despreciable es:

= (25)De esta ecuacin se obtuvo Q

A partir de la ecuacin (26) se encuentra el valor de

QB(calor despreciado en el hervidor):

= 26

Localizando los puntos (Q,xNH3SA), (Q,xNH3SD)y(HF,xNH3)en el grfico, que indican la divisin entrela zona de agotamiento y la zona de enriquecimiento,

a partir de aqu se realiza el procedimiento grafico que

corresponde al clculo del nmero terico de platos.


7/9

7

3.3 Separador.

El procedimiento para el anlisis del separador

consisti solamente en un balance de materia para que

en la salida que va a ser destilada se tuviera la relacin

dada por la ecuacin 27.

= (27)4. RESULTADOS.

Se obtuvieron todas las caracterizaciones

cuantitativas de las corrientes que componen el sistema

de recuperacin as como caractersticas de

dimensiones y etapas para los equipos de absorcin y

destilacin. Empezando por los resultados de los

balances de materia, la tabla 7 representa la

descripcin completa de las corrientes de entrada y

salida del absorbedor. Los resultados del nmero de

platos, obtenidos de forma grfica pueden verse en la

figura 3. Los resultados del absorbedor se

complementan finalmente con la presentacin de la

tabla 8, donde se muestran caractersticas de operacin

y geomtricas de la columna.

Tabla 7.Descripcin de los flujos y composicionesdel absorbedor.

L 2 0.03076 Kmol/s

L 1 0.03085 Kmol/sG2 1.825x10-3 Kmol/sG1 1.92x10-3 Kmol/sL s 0.03076 Kmol/sGs 1.824x10-3 Kmol/s

Flux Aire 1.15 Kg/m2sFlux H2O 12.08 Kg/m2s

Y2 4.002x10-4 Kmol NH3/Kmol AireY1 0.05 Kmol NH3/Kmol AireX2 0.0 Kmol NH3/Kmol H2OX1 2.8x10-3 Kmol NH3/Kmol H2O

Figura 3.Mtodo grafico del clculo de platos en la columna de absorcin.

Tabla 8. Caractersticas de la torre deabsorcin.

AA 0.05 mDA 0.24 mhA 3.5 mNP 10.43

P sat NH3 Abs 8836.8 mmHg

0.00E+00

5.00E-03

1.00E-02

1.50E-02

2.00E-02

2.50E-02

3.00E-02

3.50E-02

4.00E-02

4.50E-02

5.00E-02

5.50E-02

0.00E+00 1.00E-03 2.00E-03 3.00E-03 4.00E-03

Y(Kmol

NH3/KmolAire)

X (Kmol NH3/Kmol H2O)

Curva de equilibrio.

Curva de operacin del absorbedor.


8/9

8

Los resultados del balance de materia en el

separador se presentan en la tabla 9, utilizando las

nomenclaturas aportadas en el punto 2 del presente

artculo.

Tabla 9. Composiciones y flujos del separador.WES 1998.5 Kg/h

WNH3ES 5.27 Kg/hWH2OES 1993.23 Kg/hwNH3ES 2.637x10-3 Kg NH3/Kg TotalWSS-R 1972.15 Kg/h

WNH3SS-R 0.00 Kg/hWH2OSS-R 1972.15 Kg/hwNH3SS-R 0.00 Kg NH3/Kg TotalWSS-D 26.35 Kg/h

WNH3SS-D 5.27 Kg/hWH2OSS-D 21.08 Kg/hwNH3SS-D 0.2 Kg NH3/Kg Total

Para la destilacin los resultados del balance demateria se muestran en la tabla 10.

Tabla 10. Composiciones y flujos en destilador.F 1526.35 Kg/h

FNH3 305.27 Kg/hFH2O 1221.08 Kg/hxNH3 0.20 Kg NH3/Kg TotalFSD 326.64 Kg/h

FNH3SD 290.01 Kg/hFH2OSD 36.63 Kg/hxNH32D 0.89 Kg NH3/Kg TotalFSA 1199.71 Kg/h

FNH3SA 15.26 Kg/hFH2OSA 118.45 Kg/h

xNH32D 0.01 Kg NH3/Kg Total

Las composiciones obtenidas en cada plato se

muestran en la tabla 11.

Tabla 11.Composiciones de cadaplato en destilador.

Plato x y

1 0.28 0.892 0.09 0.483 0.03 0.194 0.009 0.05

En la figura 4 se resumen los resultados obtenidosde composicin en cada plato.

Finalmente, la figura 5 muestra el trazado de las

etapas de intercambio en la torre de destilacin, vistas

desde la grfica de entalpia vs composicin. Para lo

cual se observa que se obtienen 4 etapas de

intercambio totales.

Figura 4. Grafica de comportamiento de la composicin vs Numero de plato.

0.00000

0.10000

0.20000

0.30000

0.40000

0.50000

0.60000

0.70000

0.80000

0.90000

1.00000

1 2 3 4

x,y

Nmero de plato

x

y


9/9

9

Figura 5.Trazado de los platos por el mtodo de Ponchon-Savarit para la columna de destilacin.

5. CONCLUSIONES.El uso de las ecuaciones de descripcin, otorgadas

por la teora de absorcin de gases, es una forma

bastante adecuada de dar una visin detallada de como

modelar unidades de absorcin a partir de balances de

materia sencillos y rpidos.

La utilizacin de mtodos clsicos como el mtodo de

Ponchon-Savarit adems de ser aproximado y/o

limitado puede ayudarnos a mejorar el entendimiento

de las operaciones de separacin.

Aunque este no sea un mtodo simplificado no hace

falta explicarlo de forma simplificada. Con este

mtodo se puede obtener el nmero ptimo de platos,

determinar algunas situaciones especiales como lo son:

reflujo mnimo, alimentaciones en ubicaciones que no

son adecuadas, ubicar la necesidad de condensadores

o calderas.

6. REFERENCIAS.[1].Estrada, H. (2007). Presencia de amoniaco en elaire. Octubre 10, 2015, de Diccionario EnciclopdicoHispano-Americano. Sitio web:

http://enciclopedia.escolar.com/EnciclopediaAntigua/

presencia-de-amoniaco-en-el-aire/

[2].

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de absorcin y destilacin de amoniaco. Octubre 10,

2015, de ABSORSISTEM Sitio web:

http://www.absorsistem.com/tecnologia/absorcion/fu

ncionamiento-del-ciclo-de-absorcion-con-solucion-

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[4]. Treybal, R. (1981). Mass-Transfer Operations.Singapur: McGraw-Hill, pp. 275-276.

[5]. Treybal, R. (1981). Mass-Transfer Operations.Singapur: McGraw-Hill, pp. 374-386.

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[7].Ibarz, A., Barbosa, G. (2002). Unit Operations inFood Engineering. New York: CRC, pp. 723-755.

-400.0

-200.0

0.0

200.0

400.0

600.0

800.0

1000.0

1200.0

1400.0

1600.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Entalpa(kcal/kg)

x , y

Platos teoricos

Linea de Operacin

Entalpa(kcal/kg)

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