Apunte No. 7 Separadores Liquido - Liquido

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA MÓDULO: MANEJO DE MATERIALES, DISEÑO DE EQUIPO

Recipientes (Separadores) 1.

Separadores Líquido – Líquido 

Estos recipientes se emplean para separar por gravedad dos líquidos inmiscibles de densidades diferentes, esencialmente libres de vapor.



Para lograr una buena separación en un asentador, el tiempo de retención para una fase líquida, debe ser mayor que el tiempo requerido para romper la emulsión de ambas fases.



Los recipientes horizontales proporcionan una relación de retención / tiempo de asentamiento, mayor que los recipientes verticales, por lo que los separadores líquido – liquido, generalmente son horizontales.



Las aplicaciones típicas de proceso para los separadores líquido – liquido son:





Sistemas de lavado cáustico de hidrocarburos.



Sistemas de lavado acuso de hidrocarburos.



Sistemas de extracción por solventes.



Sistemas de endulzamiento de líquidos.

Criterios de Diseño. En la separación por asentamiento de dos fases líquidas de densidad marcadamente diferentes, las gotas de la fase pesada tienen una tendencia a caer y separarse de la fase ligera bajo la influencia de la gravedad. El objeto de este recipiente es lograr una separación eficiente y no el dar volumen de residencia. Una vez diseñado el equipo, pueden instalarse ciertos arreglos mecánicos tales como mamparas, para proporcionar volumen de residencia dentro del mismo recipiente. Para los tamaños de particular que se encuentran comúnmente en operaciones industriales se separación líquido – líquido, la ecuación siguiente, se basa en la Ley de Stokes, da la velocidad de asentamiento libre para las gotas de un líquido que abandonan otra fase liquida continua:

V s= K s

( ρh−ρ L ) μc

Donde: Vs = Velocidad de asentamiento (cm/seg) (Sin exceder a 0.42 cm/seg).

h = Densidad de la Fase liquida pesada (g/cm3) L = Densidad de la Fase liquida ligera (g/cm3) c = Viscosidad de la fase continua (cp) Ks = 5.45 x 103 dp2 dp2 = tamaño de partícula (cm) Debido a que el tamaño de particular es una dimensión que no se encuentra fácilmente a continuación se dan algunos ejemplos que se han obtenido de manera experimental

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Recipientes (Separadores) Fase ligera

Fase pesada

Dp (cm)

Ks

Hidrocarburos ligeros (60F < 0.85 g/cm3)

Agua o sol. de sosa

0.0127

0.8790

Agua

Furfural

0.0089

0.4317

MEK

Agua

0.0089

0.4317

Secbutanol

Agua

0.0089

0.4317

MIBK

Agua

0.0089

0.4317

Nonanol

Agua

0.0089

0.4317

El diseño deberá cumplir con el requisito de que, para cada fase líquida continua, el tiempo de residencia, sea mayor que el tiempo de asentamiento que necesitan las gotas del líquido disperso para separarse. El criterio que se seguirá es que el tiempo de residencia sea el doble que el tiempo de asentamiento.

TrL > taL TrH > taH

Aplicando el criterio: TrL > 2taL TrH > 2taH

Con:

t aL=

hL v aL

t aH =

hH v aH

Donde: TrL = Tiempo de residencia de la fase ligera (min) TrH = Tiempo de residencia de la fase pesada (min) taL = Tiempo de asentamiento de la fase ligera (min) taH = Tiempo de asentamiento de la fase pesada (min) hL = Altura de la fase ligera (cm) hH = Altura de la fase pesada (cm) vaL = Velocidad de asentamiento de la fase ligera (cm/min) vaH = Velocidad de sentamiento de la fase pesada (cm/min) Separadores

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Recipientes (Separadores) La altura mínima de asentamiento para cada una de las fases es de 1 ft.

Ejercicio: Una corriente de 22680 kg/hr conteniendo 80 % en peso de aromáticos y el resto de agua, se envía a 38°C y 3 kg/cm2 a un tanque de asentamiento para recuperar los aromáticos. El recipiente será horizontal de acero al carbón SA 283 grado A, con un esfuerzo máximo permisible de 724.4 kg/cm 2, 1/8” de corrosión permisible y 80 % de eficiencia por soldadura y con una presión de diseño de 5 kg/cm 2. A las condiciones de flujo, las propiedades físicas son: Fase aromáticos:

L = 849 kg/cm3 L = 0.55 cp Fase acuosa:

L = 993.16 kg/cm3 L = 0.682 cp Resolución: a)

Tiempos de asentamiento Se calcula el flujo másico de las fases: WL = 0.8 (22680) = 18144 kg/hr WH = 0.2 (22680) = 4536 kg/hr y luego el flujo volumétrico: QL = 18144 / 849 = 21.37 m3/hr = 5936 cm3/seg QH = 4536 / 993.16 = 4.567 m3/hr = 1268.6 cm3/seg Las velocidades de separación por medio de la ecuación

V aL=0.8790

( 0.99316−0.849) cm =0.1856 0.682 seg

V aH =0.8790

(0.99316−0.849) cm =0.2303 0.55 seg

V s= K s

( ρh−ρ L ) μc

Considerando que la altura mínimo de asentamiento es de 1 ft., los tiempos teóricos de asentamiento de cada fase serán:

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t aL=

h L 30.48 cm = =164.22 seg=2.74 min . v aL cm 0.185 seg

t aH =

Recipientes (Separadores) =

hH 30.48 cm = =132.52 seg=2.20 min . v aH cm 0.23 seg

Como los tiempos reales de asentamiento se recomienda establecerse al doble del tiempo teórico para evitar arrastres: TrL = 2 (2.74) = 5.48 min = 328.8 seg. TrH = 2 (2.20) = 4.40 min = 265.0 seg.

b)

Volumen El volumen real del recipiente es: VT = Qi Tri Por lo que VTaromáticos = (5936 cm3/seg)(329 seg) + (1268.6 cm3/seg)(265 seg) = 2,289,123 cm3 = 2.29 m3 = 80.84 ft3

c)

Diámetro y Longitud Se obtiene el diámetro óptimo con la gráfica siguiente:

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Recipientes (Separadores)

C = 1/8” = 0.125” S = 724.4 kg/cm2 = 10300 psi E = 0.80 Pdiseño = 5 kg/cm2 = 71.1 psi.

Por lo que el valor de F es F = 71.1 / (0.8)(10300)(0.125) = 0.069 in-1 Con el volumen total de 80.84 ft3 se tiene un valor de D = 3.25 ft., por lo que se toma: D = 3.5 ft (106.68 cm)

Por la presión de diseño, se seleccionan cabezas toriesféricas, se calcula el volumen de las cabezas, pero primero se determina el valor de b (profundidad de la cabeza): Separadores

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Recipientes (Separadores) b=r− √( BC ) −( AB) 2

2

Ecuaciones:

t=

PD rW SE−0.2 P D

√

r (icr) 1 W= ¿ 4

3+

De tablas se obtiene: r = 40” icr = 2 5/8” = 2.625”

W=

t=

( √

)

1 40 3+ =1.7259 4 2.625

(71.1)(40)(1.7259) =0.2981 pulg. (2)(10300)−0.2(71.1)

El espesor comercial más próximo es: t = 5/16 “ (0.3125”) Posteriormente se evalúa b AB = (D/2) – icr AB = (42/2) – 2.625 = 18.375 BC = r – icr BC = 40 – 2.625 = 37.375

b=40−√ 37.375 2−18.3752=7.4539 Se calcula K = (2)(7.4539) / 42 = 0.3549

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Con la siguiente formula

πK D 6

2V c =

3

=

Recipientes (Separadores) 3 (π)( 0.3549)(3.5) 3 2V c = =7.967 ft (0.226 m3) 6

El volumen del cilindro será: V = VT – 2VC V = 2.29 – 0.226

V = 2.064 m3 Se obtiene el área total AT AT =

π D2 =¿ 4

2

π (1.0668) 4

= 0.8938 m2

Se obtiene entonces la longitud del cilindro: L = 2.064 / 0.8938 = 2.309 m = 7.58 ft

Redondeando L = 8 ft (2.4384 m)

d)

Comprobación de L/D y Tr L/D = 8 / 3.5 = 2.2857, se considera apropiado. Volumen total del recipiente se determina de la siguiente manera: Vi = AiL = (0.8938)(2.4384) = 2.179 m3 Se tiene 2Vc = 0.226 m3 Por lo que:

VT = 2.179 + 0.226 = 2.405 m3 (84.93 ft3) Se calculan los nuevos tiempos de residencia VT = QL TrL + QH TrH Se tiene que guardar la misma relación de tiempos de residencia de las fases ligera y pesada, las cuales se determinaron al principio del problema. TrL / TrH = 329 seg / 265 seg = 1.2415 Por lo tanto: TrL = 1.1215 TrH VT = QL (1.1215 TrH) + QH TrH

Resolviendo el sistema de ecuaciones: Separadores

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Recipientes (Separadores) 2, 405,000 cm3 = (5936 cm3/seg)(1.2415) TrH + (1268.8 cm3/seg) TrH 2, 405,000 cm3 = 7369.544 TrH + 1268.8 TrH 2, 405,000 = 8638.344 TrH

TrH = 278.4 seg y de TrL = 1.1215 TrH TrL = 1.1215 (278.4)

TrL = 345.63 seg Los tiempos de residencia aumentaron en 5 %, por lo que el diseño se considera apropiado.

e)

Espesor del cuerpo Se tiene la siguiente formula

t=

PD r i SE−0.6 PD

=

(71.1)(21) ( 10300 )( 0.80 ) −(0.6)(71.1)

= 0.182 “

Redondeando al espesor comercial más próximo: t = 3/16 “ (0.1875”)

f)

Resultados finales Diámetro

3.5 ft (1.0668 m)

Longitud

8 ft (2.4384 m)

L/D

2.29

TrH

278.4 seg

TrL

345.6 seg

Cabezas

Toriesféricas

Espesor de las cabezas

5/16”

Espesor del cuerpo

3/16”

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