Lecho Empacado Rotatorio

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    03-Jan-2016
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LECHOS EMPACADOS ROTATORIOS

GENERALIDADESEn el transcurso de los ltimos aos la intensificacin de procesos ha sido uno de los principales objetivos de en el ejercicio de la ingeniera qumica en la industria, la principal razn ha sido la necesidad de mejorar los equipos y tcnicas involucradas en procesos tpicos como la transferencia de masa y calor. Esto ha enfocado a la comunidad cientfica en buscar y analizar, nuevos mtodos y tcnicas que permitan alcanzar este gran objetivo. Los retos de este desafo consisten principalmente en el diseo de nuevos equipos y su debida implementacin en los diferentes campos de la industria. La motivacin de este cambio no solo obedece a factores econmicos sino tambin al desarrollo de tecnologas confiables, seguras, y ms eficientes, desarrollando una nueva filosofa como la miniaturizacin y descentralizacin de plantas.Unos de los pioneros de la intensificacin de procesos es Colin Ramshaw, cuya filosofa apunta a la reduccin significativa del tamao individual de plantas modelos en un factor de diez o ms, lo cual implica una reduccin en los costos, un alza en la eficiencia y seguridad. Los procesos donde se ven involucradas las transferencias de masa y de calor, la intensificacin de procesos busca mejorar ciertos inconvenientes inherentes tales como: limitaciones en el mezclado, tiempos de reaccin largos y coeficientes de transferencia de calor y de masa desfavorables. Uno de los trabajos ms importantes realizados por Ramshaw es el uso de lechos empacados rotatorios o RPBs a los procesos de absorcin, adsorcin y destilacin.Ramshaw bas su principio en un aumento de la fuerza gravitacional (al agregar una fuerza centrifuga por rotacin) de un sistema, lo cual genera una mayor velocidad en la frontera de la interface y con ello una mejora en los rendimientos de los procesos en los que se fundamentan en los fenmenos de transferencia de masa y de calor. Los RPBs ideados por Ramshaw son una alternativa novedosa y que provee buenos resultados al ser implementados en procesos de adsorcin, destilacin y absorcin. El equipo empleado consiste en una unidad con un lecho empacado montado entre dos discos que rotan coaxialmente con el eje de un rotor, en la unidad, el liquido es alimentado desde el centro del rotor sobre el empaque y fluye externamente bajo la accin de la fuerza centrifuga.

El aire comprimido se introduce en la superficie exterior del disco y se fuerza radialmente hacia el interior, en contracorriente con el lquido La alta aceleracin centrifuga aplicada por la unidad (la cual puede inducir fuerzas centrfugas ms de 1000 veces la de la gravedad), permite un mayor rendimiento en la unidad, puesto que se generan fuerzas de corte en el liquido, dando pelculas muy delgadas de liquido, las cuales pueden cubrir grandes reas superficiales cuando se usa un empaque fino. Adicionalmente la aceleracin centrifuga puede causar la regeneracin continua y rpida del rea superficial. Estos factores en conjunto con la turbulencia generada por el gas ofrecen grandes transferencias de masa y una altura pequea de unidades de transferencia en comparacin d los lechos empacados convencionales.

Aunque se puede usar cualquier tipo de material para el embalaje, el cual se caracteriza por un rea de superficie muy alta a la relacin de volumen y una porosidad baja. Frecuentemente se usa espuma metlica porosa o polmeros, su eleccin debe ser consistente con las caractersticas del sistema puesto que la naturaleza del empaque genera una cada de presin significativa, lo cual es desfavorable para la torre, sin embargo a altas presiones la cada de presin es insignificante.ECUACIONES Y BALANCESPROCESO DE DESTILACION

Los balances involucrados en el proceso de destilacin usando RPBs son los siguientes.Balance de un volumen diferencial de la unidad, teniendo en cuenta la fase liquida y la fase gaseosa:

Definiendo los trminos radiales (los cuales poseen unidades de rea):

Las ecuaciones para los coeficientes volumtricos de transferencia de gas y de lquido son:

La relacin entre el rea hmeda y el rea especfica del empaque:

Tensin superficial del empaque:

PROCESO DE ABSORCION

Coeficiente volumtrico de transferencia de gas se calcula con la expresin:

Coeficiente de transferencia masa de gas tenemos la siguiente correlacion:

Coeficiente de transferencia de masa de liquido:

rea interfacial gas-liquido efectiva:

Donde KLa:

PROCESO DE ADSORCION

Las ecuaciones para un proceso de adsorcin donde se implementen RPBs son las siguientes:Coeficiente externo de transferencia de masa L

Ecuacin general de la distribucin de poros:

Condiciones iniciales para la ecuacin de distribucin de poros:

Modelo propuesto como solucin a la ecuacin de distribucin de poros:

Difusividad de poro:

Ecuacin de difusin superficial

Condiciones iniciales para la ecuacin de difusin superficial:

Modelo propuesto como solucin a la ecuacin de difusin superficial:

VENTAJAS Tamao reducido en los equipos, al reducir del tamao de la unidad se disminuyen los costos de construccin de la planta. Alta transferencia de masa a alturas bajas en unidades de transferencia. Un alto rendimiento del equipo, disminuye los tiempos de residencia del liquido y la cantidad de liquido a la entrada, esto es ventajoso cuando los calores sensibles de especies explosivas estn involucrados. Al tener una aceleracin alta de la fase liquida vapor se genera altos coeficientes volumtricos de transferencia de masa, pelcula de lquidos ms delgadas y burbujas de vapor ms pequeas, esto reduce la probabilidad a la inundacin de la unidad.

DESVENTAJAS

Cada de presin relativamente alta, debido a cada de presin por friccin dada por la aceleracin centrifuga. Al emplear un sello dinmico para prevenir el paso de gas al rotor, se compromete la confiabilidad y longevidad debido al contacto con el fluido que se est tratando. Una sola unidad no es suficientemente competente para realizar destilacin continua debido a la incapacidad de ubicar el rotor en posicin radial, equivalente a un plato intermedio en una columna de destilacin normal, luego se requieren dos unidades para destilacin continua. Existe dificultad para acoplar mltiples rotores debido a la complejidad en la aplicacin de los sellos dinmicos.

APLICACIONES

Absorcin: Gases como SO2, CO2, NH3 son removidos del aire, mientras otras sustancias son separadas entre s como el H2S del CO2. Fabricacin de materiales de gran valor agregado tales como titanio. Separacin en mezclas liquidas: remocin de O2 de agua, monmeros residuales de polmeros, compuestos voltiles orgnicos de aguas subterrneas, NH3 de agua. Adsorcin: intercambios inicos, recuperacin de protenas, produccin de qumicos finos. Destilacin: Separacin de mezclas de alcoholes (methanol/etanol, etanol/propanol, ciclohexano/tolueno, ciclohexano/n-heptano). Extraccin liquido -lquido: recuperacin de penicilina; extraccin de trazas de contaminantes en agua. Crystallization: produccin de nanoparticulas. Reacciones qumicas: generacin de ozono, poli-condensacin; polimerizacin; fermentacin; produccin de HOCl. Electrochemical cell: removal of gas bubbles from the electrodes.

PARMETROS DE DISEO DE RPBS:

2

Para un volumen diferencial tenemos que:Balance general:

Integrando:

En fracciones molares:

Altura del lecho:

Altura unidades de transferencia:

CONSIDERACIONES TERMODINAMICAS:

La relacin de las pendientes entre la lnea de operacin y equilibrio determinar el factor de separacin y por lo tanto las unidades de transferencia requeridas (NTU) para un sistema de separacin dado (xin / xout). Los datos de equilibrio se pueden usar para determinar informacin sobre la fuerza motriz P para el soluto entre la de presin de vapor de la fase lquida, y la presin parcial de la fase gaseosa.

OBSERVACIONES Los RPBs trabajan rangos de relaciones de flujo flexibles, es decir que se pueden conocer los requerimientos del proceso sin cambiar los objetivos en las propiedades de la transferencia de masa. La correlacin de Sherwood no es aplicable para la prediccin de la velocidad en los RPBs. En el punto de inundacin una cantidad significativa de liquido se acumula en la regin central o regin de ojo como resultado del arrastre del liquido por el gas y la incapacidad del lecho de acelerar el liquido. Al aplicar grandes velocidades de inyeccin se producen buenos resultados, aunque se deben realizar estudios acerca de la influencia de la densidad del lecho as como las profundidades radiales como base en la justificacin de los costos de bombeo

.BIBLIOGRAFA

ADSORPTION BEHAVIOR OF PESTICIDE METHOMYL ON ACTIVATED CARBON IN A HIGH GRAVITY ROTATING PACKED BED REACTOR. CHIUNG-FEN CHANG*, SHU-CHI LEE. DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SCIENCE AND ENGINEERING, TUNGHAI UNIVERSITY, P.O. BOX 181, TAICHUNG 407, TAIWAN EUROPEAN ROADMAP OF PROCESS INTENSIFICATION - TECHNOLOGY REPORT. AUTHOR: JIAN-FENG CHEN, BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY, CHINA ABSORPTION OF ETHANOL INTO WATER AND GLYCEROL/WATER SOLUTION IN A ROTATING PACKED BED. CHIA-YING CHIANG, YU-SHAO CHEN, MAO-SHIH LIANG, FANG-YI LIN. CLIFFORD YI-DER TAI, HWAI-SHEN LIU. DEPARTMENT OF CHEMICAL ENGINEERING, NATIONAL TAIWAN UNIVERSITY, TAIPEI 106, TAIWAN DISTILLATION STUDIES IN A ROTATING PACKED BED CONTACTOR (HIGEE) A THESIS SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF MASTER OF CHEMICAL ENGINEERING. ANKUR PRAMANIK, PROF. SIDDHARTHA DATTA &PROF. AVIJIT BHOWAL DEPARTMENT OF CHEMICAL ENGINEERING, JADAVPUR UNIVERSITY, KOLKATA, 2010. PROCESS INTENSIFICATION: MASS TRANSFER AND PRESSURE DROPFOR COUNTERCURRENT ROTATING PACKED BEDS. HAITEM MUSTAFA HASSAN-BECK, A THESIS SUBMITTED FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY, FACULTY OF ENGINEERING, UNIVERSITY OF NEWCASTLE-UPON-TYNE, JULY 1997