Industria química. Ingeniería Química

Cuestión de tamaño. La planta piloto

Las transformaciones de la industria química se llevan a cabo en las llamadas plantas de proceso, cuya característica principal es su gran tamaño, ya que se manejan en ellas grandes cantidades de productos. Ello da lugar a problemas específicos, principalmente relacionados con el transporte de los materiales y que influyen de forma muy importante en el proceso de fabricación.

En un laboratorio se manejan gramos de productos, mientras que en una planta de proceso suelen manejarse toneladas de productos. ¡Un millón de veces más!

Nuestra operación: Absorción

El lavado de un gas es una operación que se ha de realizar con cierta frecuencia. En el laboratorio se lleva a cabo haciendo burbujear el gas, mediante un tubo fino, a través del líquido de lavado. Se trata de la separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa mediante su disolución selectiva en un líquido ajeno a la misma. En la industria química se le llama absorción a esta operación de separación.

Cuando se obtiene hidrógeno mediante la reacción de HCl con un metal (Zn, Al), el gas producido arrastra vapores de HCl, que se separan haciendo burbujear el gas a través de agua, donde se disuelve el HCl, pero no el H2. Como la disolución del HCl en agua se produce a través de la superficie de las burbujas, cuanto mayor sea la cantidad de burbujas que se produzca, más efectivo será el proceso.

En las instalaciones industriales la absorción se lleva a cabo en un dispositivo llamado columna de relleno. Se trata de un recipiente cilíndrico, en cuyo interior se encuentra un lecho de partículas sólidas que pueden ser de diferentes tamaños y cuyo objetivo es favorecer el paso selectivo de los componentes del gas al líquido, proporcionando la máxima superficie de contacto con la menor pérdida de presión posible. El líquido fluye sobre el gas sin interrupción; ambas corrientes se mueven en sentidos opuestos a través del equipo, es decir, el líquido entra por la parte superior de la columna ("cabeza"), mientras que el gas entra por su parte inferior ("base"). Se dice que la columna opera en contracorriente.

Las aplicaciones más representativas de la absorción a escala industrial son: Eliminación de gases ácidos (H2S, CO2, SO2) contenidos en los gases de combustión mediante corrientes líquidas (agua, disoluciones de sosa cáustica, etanolaminas). Secado de cloro mediante la absorción del agua con ácido sulfúrico concentrado. Preparación de bebidas gaseosas.

La altura de la columna determinará el grado de separación de los componentes y se puede calcular a partir de los datos de solubilidad del gas en el líquido. El diámetro de la columna y el tipo de relleno determinarán los caudales de ambas fases que podrá tratar la instalación y ha de determinarse a partir de medidas experimentales de las llamadas condiciones de inundación, que son las que limitan el funcionamiento de la columna.

Nuestra planta piloto: Columna de relleno

Se dispone de una columna de relleno de 1,40 m de altura (de relleno) y 7,5 cm de diámetro (interno), equipada con sendos reguladores y medidores de caudal de las fases líquida y gaseosa y un manómetro para medir la pérdida de presión a lo largo de la columna. La inundación de la columna se determina fijando un caudal de líquido y aumentando el caudal de gas hasta obtener una pérdida de presión que aumente con el tiempo (y que coincide con el fenómeno de arrastre de líquido, que puede observarse directamente). Realizando la experiencia a diferentes caudales de líquido puede obtenerse el conjunto de las condiciones de inundación para los diferentes caudales de ambas fases. En la instalación industrial se deberá operar a la mitad del caudal de gas determinado en la planta piloto.

Para obtener el caudal que pasa por un rotámetro es necesario un calibrado previo (relación entre el caudal y las divisiones de la escala del rotámetro [Div]); de esta forma, la altura que alcanza la boya en la escala graduada permite calcular fácilmente el caudal. Para el rotámetro de agua: Para el rotámetro de aire [Nl: litros en condiciones normales]:

En el siguiente cuadro se recopilan las condiciones de funcionamiento de la columna piloto que permitirán obtener el caudal operativo de gas.

Para completar el estudio del comportamiento de la columna es necesario asimismo analizar las características del relleno que contiene. El relleno está formado por anillos helicoidales de vidrio dispuestos en un lecho poroso. Por tanto, será necesario caracterizar tanto el conjunto de las partículas (el lecho) como las partículas individuales.

La principal característica de un lecho es su porosidad (cómo de compacto o macizo es el lecho, en los mismos términos en los que se utiliza en geología para el estudio de los suelos), que se define como la fracción de huecos de un lecho:

Cuanto más poroso sea el lecho, menos pérdida de presión provocará. Se calcula fácilmente enrasando con agua un lecho contenido en un volumen determinado (volumen del lecho). El volumen de agua utilizado en la operación será el volumen de huecos.

Una de las principales características de una partícula individual es su tamaño. Como su forma suele ser irregular, se expresa el tamaño como diámetro equivalente de partícula, diámetro de una esfera que posee el mismo volumen que la partícula, es decir:

Se puede calcular fácilmente con las mismas medidas de volumen utilizadas para obtener la porosidad, siempre que se haya contado el número de partículas que contiene el lecho. La diferencia entre el volumen del lecho y el volumen de huecos es el volumen de todas las partículas; el cociente entre este valor y el número de partículas permitirá obtener el volumen medio de una partícula y, por tanto, el diámetro de partícula.

Pueden obtenerse estas características para lechos constituidos por otros tipos de partículas y así tener diferentes alternativas que mejoren las pérdidas de presión, el peso que debe soportar la instalación o su coste, pero si se desean las condiciones de inundación de otro relleno, hay que cargar la planta piloto con él y realizar las experiencias de flujo.

Bibliografía