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torre de absorcion, torre de absorcion , ejercicio de clase de operaciones unitarias II de la profesroa georgina diaz
Tipo: Apuntes
1 / 41
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CURSO: Operaciones unitarias II
INTEGRANTES: Priscila Barrera.
Francisca Bascuñán.
Daniela Ibarra.
Juan Padilla.
Joaquín Ramos
PROFESOR: Georgina Díaz
Dimensionar una columna de desorción para extraer amoniaco del agua
potable de una matriz contaminada.
Analizar el proceso de desorción y los parámetros involucrados en este.
Establecer corrientes de entrada y salida a tratar en la columna de desorción.
Calcular la altura de transferencia de una película gaseosa y liquida.
Calcular los coeficientes de transferencia de masa del líquido y gas para el
sistema.
Calcular el número de unidades de transferencia de masa.
Estimar diámetro, superficie y altura para una columna empacada para
desorción.
El amoníaco
1
es una sustancia química producida tanto por los seres humanos como por
la naturaleza. Está formado por un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno. Es
una sustancia que se disuelve fácilmente en agua, esta forma se conoce también como
amoníaco líquido, amoníaco acuoso o solución de amoníaco. En agua, la mayor parte
del amoníaco se transforma en su forma iónica, conocida como iones de amonio.
El amoníaco es sumamente importante para los seres vivos. Se encuentra en el agua, el
suelo y el aire, siendo una fuente de nitrógeno que las plantas y los animales necesitan.
La mayor parte del amoníaco en el ambiente se deriva de la descomposición natural de
estiércol, de plantas y animales muertos.
El amoníaco puede entrar al cuerpo humano al respirarlo en su forma gaseosa, o al
ingerir agua y/o alimentos que contengan sales de amonio. Si lo anterior ocurre, esta
sustancia pasará a la corriente sanguínea y será distribuida a través del cuerpo en
segundos. La mayor parte del amoniaco que entra al cuerpo es por los alimentos o en el
agua ingerida, este se transforma rápidamente en otras sustancias que no son dañinas.
El resto del amoníaco abandona el cuerpo en la orina en unos días.
Al ser una sustancia corrosiva, una ingesta de amoniaco en altas concentraciones puede
provocar quemaduras en la boca, la garganta y el estómago
2
. Es por esto que los niveles
de amoniaco (al igual que de otras sustancias químicas) en el agua para consumo
humano, deben estar normados con el fin de resguardar la seguridad y salud de los
consumidores.
En nuestro país la calidad del agua potable debe cumplir con la norma chilena
NCh409/
3
of. 2005, que establece cuales son los requisitos físicos, químicos y
1
Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades. (s. f.). Resumen de Salud Pública: Amoníaco
(Ammonia). ATSDR. Recuperado 26 de agosto de 2020.
2
Registro Estatal de Emisiones y Fuentes Contaminantes. (s. f.). NH3 (Amoniaco). PRTR España. Recuperado 26 de
agosto de 2020.
3
Instituto Nacional de Normalización (INN). 2005. Agua potable - Parte 1 - Requisitos. Pág 7. Norma Chilena oficial
Nch409/1.Of2005. Revisada 26 de agosto 2020.
Se requiere extraer amoniaco del agua potable de una matriz que alimenta una
manzana residencial. Genere un plan de intervención para bajar los niveles de
contaminación utilizando una columna rellena utilizada en desorción. Dado que no
hay datos, incluya en la propuesta cómo evaluar la información necesaria.
La forma de conocer la concentración de amoniaco es a través de la toma y análisis de
muestra, es por esto que, al no contar con datos, ni una muestra como ejemplo a
analizar, se expondrá el caso hipotético:
La matriz de agua estudiada se encuentra ubicada al lado de una planta de amoniaco.
Por problemas técnicos, una matriz subterránea de esta planta sufrió una filtración
afectando las cañerías de agua y por ende provocando una contaminación con amoniaco
en la matriz de agua potable. Dada la aparición de algunos casos de intoxicación de los
habitantes de una manzana residencial de la comuna de Rancagua, se procede a analizar
el agua de la matriz a través de una toma de muestra, la cual comprueba el exceso de
amoniaco presente en el agua potable con una concentración de 3 [ppm], excediendo el
límite permitido por la Norma NCh°409.
Se procede a estudiar la operación unitaria involucrada para la resolución de este
problema.
8
Es un aparato que se utiliza con frecuencia en la absorción de gases y en otras
operaciones. Un ejemplo de dicho aparato se representa en la Figura 3.1. El dispositivo
consiste en una columna cilíndrica, o torre, equipada con una entrada de gas y un
espacio de distribución en la parte inferior; una entrada de líquido y un distribuidor en la
parte superior; salidas para los fluidos por la parte superior e inferior y una masa
soportada de cuerpos sólidos inertes (Relleno de la torre). El soporte del empaque
consiste por lo general en una criba o tamiz corrugado, para darle fuerza, con una gran
fracción de área libre de forma que no se produzca inundación en el soporte. El líquido
entrante, ya sea disolvente puro o una solución diluida del soluto en el solvente, que
recibe el nombre de licor débil o de muy baja concentración, se distribuye sobre la parte
superior del relleno mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja de manera
uniforme la superficie del empaque. En torres grandes, son más comunes las boquillas
rociadoras o los platos distribuidores con un vertedero de desbordamiento. Para torres
muy grandes, se recomienda tener hasta de 9 [m] (30 ft) de diámetro.
Figura 3.2.1: Torre de relleno
8
McCabe, W., Smith, J., & Harriott, P. (2007). Operaciones unitarias en Ingeniería Química (7.
a
ed.). McGraw-Hill
Education. Pág 717.
El Empaque es un factor elemental de la torre, ya que es por este medio donde se
efectúa la transferencia de masa, dado que proporciona una gran área de enlace,
favoreciendo el contacto entre las fases. Estos rellenos pueden ser:
Empaques cargados al azar: Son aquellos que simplemente se arrojan en la torre durante
la instalación. Consisten en unidades de 6 a 75 [mm] (1/4 a 3 [in.]) en su dimensión
mayor; los empaques inferiores a 25 [mm] se utilizan principalmente en columnas de
laboratorio o de plantas piloto.
Empaques ordenados: Estos se utilizan mucho menos, son de tamaños comprendidos
entre unidades de 50 a 200 [mm] (2 a 8 [in.]), donde el empaque se apila en un arreglo
ordenado, cuadriculas interconectadas o mallas de alambre tejido o entrelazado,
evolucionado hasta varios empaques patentados que difieren en el tamaño y distribución
con alta área específica de superficie y una lata porosidad. Usualmente este tipo de
empaques tienen caídas de presión menores, sin embargo, son más costosos de instalar y
puede ser no práctico para torres con dimensiones reducidas.
9
Los principales requerimientos o características del empaque para torres es ser
químicamente inerte frente a los fluidos utilizados, ser resistentes mecánicamente sin
tener un peso excesivo permitiendo el paso de grandes volúmenes de fluidos a través de
pequeñas secciones transversales de la torre, proporcionar un buen contacto, no tener
excesiva retención o caídas de presión, ser de bajo costo.
La mayoría de los empaques de las torres se construyen con materiales baratos e inertes,
tales como arcilla, porcelana o diferentes plásticos. A veces se utilizan anillos metálicos
de pared delgada, de acero o aluminio. Se alcanzan altos espacios vacíos (porosidad del
lecho) y el paso para los fluidos se fuerza haciendo las unidades de rellenos irregulares
o huecas.
10
9
McCabe, W., Smith, J., & Harriott, P. (2007). Operaciones unitarias en Ingeniería Química (7.
a
ed.). McGraw-Hill
Education. Pág 594.
10
McCabe, W., Smith, J., & Harriott, P. (2007). Operaciones unitarias en Ingeniería Química (7.
a
ed.). McGraw-
Hill Education. Pág 718-719.
Figura 3.3.3: Altura de una película de gas en una unidad de transferencia
13
.
Figura 3.3.4: Altura de película líquida en una unidad de transferencia
13
4.1 Caracterización corriente líquida
La corriente líquida a utilizar, será agua que ya ha pasado por el proceso de
potabilización, y se encuentra en una matriz, como indica el caso expuesto.
El sistema de tratamiento de agua potable depende de la calidad del afluente,
especialmente en función de las características de la fuente y del periodo del año en el
caso de aguas superficiales. En consecuencia no es posible establecer a priori el
tratamiento a realizar para una fuente de agua superficial, sin el debido monitoreo
previo. En términos generales, el proceso de potabilización del agua engloba diversos
procesos y tratamientos, la complejidad del tratamiento va a depender de los
contaminantes que el agua contenga y la inclusión o exclusión, de cada una de las
etapas, depende de la calidad del agua.
14
13
Geankoplis, C. J. (1998). Procesos de transporte y operaciones unitarias (3th ed.). Cecsa. Pág 750.
14
Agrosuper alimenta & Gestión Ambiental Consultores. Antecedentes de plantas de potabilización de aguas
(Anexo 9,15). Centro de investigación periodística. Revisado el 31 de agosto 2020.
Se utiliza aire en el fluido gaseoso por un parámetro económico, debido a que el aire
como corriente gaseosa se puede obtener a costo cero, por lo cual se puede usar aire ya
que el amoniaco es soluble en él y permite la purificación de la corriente líquida.
La corriente que sale por la parte superior de la torre, aire-amoniaco, contiene toda la
composición de amoniaco que se absorbió del agua.
Las sustancias que intervienen en el proceso de desorción corresponden al agua potable
(en este caso contaminada con amoniaco), la cual ingresa a la torre por la parte superior
de esta, y aire seco inerte el cual ingresa por la parte inferior de la torre, donde este
último es obtenido a partir de la acción de un compresor.
Figura 5.1: Diagrama de sistema de desorción de agua-amoniaco
Para simplificar el procedimiento de diseño, se han hecho varias suposiciones. Se
supone que la corriente de agua potable contiene una mezcla líquida de dos
componentes (agua/amoniaco), donde el contaminante consiste en un solo compuesto
presente en cantidades diluidas y sin reacción química. Se supone que el gas se
comporta como un gas ideal y que el solvente se comporta como una solución ideal. Se
considera que los efectos asociados al calor con la desorción son mínimos para las
concentraciones de contaminantes encontradas. También se supone que el gas a la
entrada de la columna es puro.
Estas sustancias presentan un contacto directo en la torre que permitirán efectuar el
fenómeno de transferencia de masa, en el cual se obtiene una corriente líquida como
flujo de salida al fondo de la torre, lo que correspondería a agua potable con una
concentración de amoniaco menor a la corriente líquida de entrada, y una corriente
gaseosa de salida en la parte superior de la torre con amoniaco.
Para una separación casi completa del soluto, generalmente se requieren varias etapas y
la desorción o eliminación se lleva a cabo en una columna con flujos de gas y líquido en
En base a los objetivos planteados se desea diseñar una columna de desorción para tratar
el agua contaminada con amoniaco. El diámetro de una torre empacada de absorción
depende de las cantidades de gas y líquido tratadas, de sus propiedades, y de la relación
de una corriente con otra. La altura de la torre, y por lo tanto el volumen total del
empaque, depende de la magnitud de los cambios deseados en la concentración y de la
velocidad de transferencia de masa por unidad de volumen empacado. Por lo tanto, los
cálculos de la altura de la torre se basan en balances de materia y en estimaciones de la
fuerza impulsora y de los coeficientes de transferencia de materia
21
. Por medio de la
Tabla 6.1, propiedades físicas y químicas de los fluidos utilizados a 25 [ºC] y una
presión de 1 [atm].
Tabla 6.1: Propiedades físico-químicas de los componentes
Componente NH
3
2
Peso molecular [kg/kmol] 17,031 18,015 28,
Densidad [kg/m
3
Viscosidad cinemática [m
2
/s] - 8,95*
Viscosidad dinámica [kg/ms]* - 8,92*
Tabla 6.2: Parámetros de operación
Temperatura
Presión [atm] 1
gc [lbft/lbfs**
2
6.1 Definir flujos de corriente líquida y gaseosa.
21
McCabe, W., Smith, J., & Harriott, P. (2007). Operaciones unitarias en Ingeniería Química (7.
a
ed.). McGraw-
Hill Education. Pág 604.
6.1.1 Determinación de la corriente líquida de Entrada (L
2
Según información del SERNAC una familia promedio consume
22
aproximadamente
30.000 L/mes.
Las manzanas residenciales de nuestro país son muy variadas en la cantidad de casas
que podamos encontrar en ellas, dependiendo del sector, consideraremos un ejemplo de
manzana residencial de 26 casas
23
, por lo tanto el flujo que se deberá considerar para
este caso se obtendrá del siguiente cálculo:
mes
1 mes
30 días
1 día
24 hrs.
1 hora
60 min.
1 min
60 seg.
∙ 26 casas =0,3 [
s
]( aprox )
Por otro lado, para conocer la concentración de amoniaco en la salida de la torre de
desorción se basará en la NCh 409/1 of. 2005. Esta determina, en los parámetros
químicos, que el máximo de amoniaco permitido en el agua potable debe ser menor o
igual a 1,5 [mg/L].
24
Agua potable contaminada a tratar corresponde a la corriente liquida (L) de entrada de
la torre, la cual se denotará como corriente 2, esta corriente ingresa con una
concentración de amoniaco promedio de 3,0 [mg/L], con un flujo volumétrico de 0,3 [L/
s], cabe destacar que esta corriente se encuentra a una temperatura de 25 [ºC] y a un pH
alcalino. Dada esta información se puede obtener el flujo másico (
m ´
A
) flujo molar
n
A 2
, fracción másica
A 2
y fracción molar
( x
A 2
. A continuación se procede al cálculo de
las mismas.
Flujo másico:
m ´
2
2
∗ Pm
H
2
O
22
Servicio Nacional del Consumidor. (2003, 12 junio). Consumo de agua. SERNAC. Recuperado el 27 de Agosto
23
Vicuña Del Río, M. (2012). Las formas de la densidad residencial. Universitat Politècnica De Catalunya
Barcelonatech (UPC). Revisado 30 de agosto 2020.
24
Instituto Nacional de Normalización (INN). 2005. Agua potable - Parte 1 - Requisitos. Pág 7. Norma Chilena
oficial Nch409/1.Of2005. Revisada 26 de agosto 2020.
