Hechos al alcance de su mano: Dispersión de gas en líquidos

1 de septiembre de 2022 | Por Scott Jenkins, revista de ingeniería química

La inyección de gases a través de un difusor en un líquido es un aspecto importante de muchas operaciones en las industrias de procesos químicos (CPI). Las aplicaciones importantes incluyen la disolución de gases reactivos en una fase líquida para una reacción posterior (como en hidrogenación, oxidación, ozonización), así como la carbonatación de bebidas, estimulación de procesos de fermentación (Figura 1), aireación de aguas residuales para tratamiento, extracción de aire o oxígeno de productos químicos, eliminación de compuestos orgánicos volátiles (COV) de productos químicos líquidos, eliminación de humedad de combustibles y otros. Esta referencia de una página proporciona información sobre aspectos clave de la difusión de gases en líquidos, incluida la tasa de transferencia de masa, los efectos de agitación y la selección de equipos.

FIGURA 1. En un ejemplo de una aplicación de aspersión de gas, una barra difusora en el fondo del tanque libera oxígeno para estimular un proceso de fermentación

El objetivo principal de un sistema de rociado es aumentar la eficiencia de transferencia de masa de gas a líquido (una relación entre la cantidad de componente de gas activo disuelto en líquido y la cantidad de gas inyectado). La baja eficiencia del transporte de masa conduce a una elevada tasa de inyección de gas. En este caso, el mayor volumen de gas eleva el costo para lograr los resultados deseados. La eficiencia de transferencia de masa de gas a líquido está controlada principalmente por la resistencia de transferencia de masa de la fase líquida.

La transferencia de masa rápida y eficiente se correlaciona con la propagación de burbujas finas, lo que aumenta el área de superficie del gas en contacto con el líquido.

Los materiales cerámicos o de metal poroso de ingeniería crean burbujas finas de acuerdo con los requisitos de la aplicación. Los materiales porosos permiten el paso de grandes volúmenes de gas con un área específica muy alta. Por ejemplo, con volúmenes iguales de gas, las burbujas de 1 mm tendrían 6,35 veces más superficie de contacto gas-líquido que las burbujas de 6,35 mm (1/4 de pulgada) [2].

La tasa de transferencia de masa de gas a líquido por unidad de volumen se calcula utilizando: KLa(C* – C), donde KL es el coeficiente de transferencia de masa en fase líquida que depende de la difusividad, la viscosidad del líquido, la temperatura y la mezcla ; a es el área interfacial de las burbujas de gas en contacto con el líquido; C* es la concentración saturada del gas en líquido; y C es la concentración en líquido a granel.

Al rociar pequeñas burbujas de gas con una alta relación superficie-volumen en el líquido, se aumenta el área interfacial a y se mejora la velocidad de transferencia de masa del gas. La fuerza impulsora de transferencia de masa (C* – C) también tiene un gran impacto en la velocidad de disolución del gas, ya que se usa gas de alta pureza en lugar de gas de menor pureza. Por ejemplo, la concentración saturada de oxígeno en agua a partir de oxígeno puro es cinco veces mayor que la del aire, lo que da como resultado un gran aumento en la tasa de disolución de oxígeno con oxígeno puro.

Los rociadores se eligen según el diseño y las condiciones operativas del proceso. El tipo y la configuración del rociador utilizado dependen de factores tales como si el proceso es continuo o por lotes, así como el caudal de gas, el tamaño del tanque, la agitación mecánica, el presión y temperatura.

Materiales de construcción. Los rociadores de metal se usan en condiciones de alta temperatura, corrosivas u oxidantes, mientras que los rociadores de cerámica son suficientes para condiciones suaves.

Velocidad de salida del gas. La velocidad de salida del gas en la superficie del rociador es un criterio de diseño importante para la selección del rociador. El caudal volumétrico de gas real para la velocidad de salida se calcula utilizando la presión (P), que es la suma de la presión del espacio superior del tanque (PHeadspace), la presión superior del líquido en el rociador (PLiquid) y la caída de presión en el elemento rociador (ΔP). El área superficial mínima del rociador se basa en el límite de velocidad de salida del gas para el proceso.

El límite de velocidad de salida es más bajo para la operación de rociado estático cuando no hay agitación mecánica de la fase líquida. Para el rociado de tanque agitado y el rociado dinámico, donde el líquido tiene una alta velocidad forzada a lo largo de la superficie del rociador, los límites de velocidad de salida del gas son significativamente más altos, lo que requiere rociadores más pequeños para el mismo flujo de gas. El límite de velocidad de salida para el rociado de tanque agitado y el rociado dinámico depende de la velocidad del impulsor y la velocidad del líquido, respectivamente.

Efectos de agitación. Además de utilizar un rociador diseñado correctamente, es importante concentrarse en la mezcla de gas y líquido. En las aplicaciones de procesos químicos, el recipiente del reactor suele estar cerrado, de modo que los gases de alta pureza que no han reaccionado, como el hidrógeno o el oxígeno, no se ventilan a través del sistema. En estas aplicaciones se utilizan impulsores mezcladores especialmente diseñados, dependiendo de las condiciones de operación del reactor. Por lo general, una turbina impulsora se ubica sobre el rociador para cortar y dispersar las burbujas de gas. También puede ser necesaria la agitación en la superficie del líquido para arrastrar el gas del espacio de cabeza a la fase líquida.

Dimensionamiento del difusor. El tamaño de un rociador depende en gran medida de la velocidad superficial de salida del gas desde la superficie porosa del rociador. Este valor se calcula a partir de los pies cúbicos por minuto (ACFM) reales por pie cuadrado de área de superficie del rociador (ACFM/ft2). El ACFM se calcula a la presión y temperatura del líquido encontradas en el rociador (el ACFM no se basa en la presión del gas)*.

Nota del editor : Partes del texto de esta columna se adaptaron del siguiente artículo: Air Products Inc., Gas Sparging, Chem. Ing., septiembre de 2012, pág. 21

*Una referencia adicional es la siguiente publicación: Mott Corp., Selector de piezas de contacto gas-líquido y guía de diseño, www.mottcorp.com.