absorción en torre de platos (1)

7/23/2019 Absorción en Torre de Platos (1)

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ABSORCIÓN

Prof. Debora Nabarlatz



• Fundamentos.

• Solubilidad de un gas en un líquido.

• Tipos de absorción.

• Aplicaciones industriales.

• Coeficientes de transferencia de masa.

• Elección del solvente.

• Equipos.

• Trazado de etapas.

• Relación L/G mínimo.

Absorción de gases



•Operación unitaria de transferencia de materia queconsiste en poner un gas en contacto con un líquido no

volátil (solvente), a fin de disolver de manera selectiva

uno o más componentes del gas y obtener una solución

de éstos en el líquido.

•El solvente líquido debe agregarse como

agente de separación.

Fundamentos



Se transfiere el contaminante de la fase gaseosa a la

líquida.

Es un proceso de transferencia de masa en el que el gas se

disuelve en el líquido: puede estar acompañada o no por

reacción en el líquido.

La transferencia de masa es un proceso de difusión en el

que el gas contaminante pasa de puntos de mayor

concentración a puntos de menor concentración

Fundamentos



• La desorción (o stripping) es la operación inversa a la

absorción.

• Es la operación unitaria en la cual uno o más componentes

del líquido se transfieren al gas.

• También puede conseguirse aumentando

la temperatura.

Fundamentos



Fundamentos



Difusión: Transferencia de masa que sigue un principio

basado en gradiente impulsor y una propiedad de transporte

denominada Difusividad (DAB

).

Se calcula con la Ley de Fick:

Fundamentos



Fundamentos



Relaciones de equilibrio (solubilidad)

• La transferencia de un componente de una fase gaseosa a una fase líquida se da

cuando existe una diferencia de concentración.

• El equilibrio se alcanza cuando la presión ejercida por el componente en la fase

gaseosa se iguala a la presión parcial del componente en la fase líquida.

Leyes fundamentales

• Fase gaseosa ideal: y1 = P1 / PT Ley de Dalton

• Fase líquida ideal: P1 = P0

1 x1 Ley de Raoult• Soluciones diluidas: P1 = H x1 Ley de Henry

• Fase gas ideal – fase líquida no ideal: y1 PT = P01 γ1 x1

γ1 Van Laar, Margules

Fundamentos



• Para soluciones diluidas (es el caso gral. en los sistemas de

control de contaminación), se utiliza la ley de Henry:

pg = KH Cequil

Donde

pg = presión parcial del gas en equilibrio con el líquido (kPa)

KH = constante de la ley de Henry (kPa m3 g-1)

C equil = concentración del gas contaminante en la fase

líquida.

EQUILIBRIO LÍQUIDO - GAS



EQUILIBRIO LÍQUIDO - GAS

Gráfica de equilibrio Sistema SO2

– H2

O a 20ºC



Es función de:

• Naturaleza de las sustancias y de su desviación del

equilibrio

• La solubilidad es inversamente proporcional a la T y

directamente proporcional a la P.

• Concentración del compuesto gaseoso disuelto en el

líquido a una P y T dadas (se expresa en forma numérica (tablas) y gráficos de

presiones parciales en función de concentración del componente en el líquido).

Solubilidad de un gas en un líquido



• En general, para que el proceso funcione, la solubilidad del

gas en el líquido debe ser relativamente alta:

Si el solvente es H2O: la absorción se limita a unos

pocos gases como NH3, Cl2 y SO2.

• La cantidad de absorción que puede realizarse con una

solución no reactiva la determina la presión parcial del

contaminante.

Solubilidad de un gas en un líquido



Curvas de solubilidad



• Física: El gas se elimina por tener mayor solubilidad en elsolvente que otros gases.

• Química: El gas que se va eliminar reacciona con el

solvente y queda en solución. Puede ser reversible o

irreversible. En este caso se llama Absorción Reactiva.

TIPOS DE ABSORCIÓN



ABSORCIÓN REACTIVA

• Proceso en el que se combinan las reacciones químicas con una

disolución selectiva de especies gaseosas con un disolvente en fase

líquida.

• No requiere presión elevada y alta solubilidad de los componentes

de absorción: a causa de la reacción química, el estado de equilibrio se

puede cambiar favorablemente.

•La mayoría de los procesos de absorción reactiva implican

reacciones en fase líquida, pero en algunos de ellos se dan reacciones

en fase líquida y gaseosa.



ABSORCIÓN REACTIVA

• Actualmente muy utilizado en protección del medio ambiente.

• Combinación muy compleja de la termodinámica y cinética del

proceso, con esquemas de reacción complejos y un acoplamiento

complejo de transferencia de masa en la reacción.

• Ventajoso sólo en la región de baja concentración de fase gaseosa,

debido a las limitaciones por la estequiometría de la reacción o el

equilibrio.

• Dificultades causadas por el calor de reacción a través de reacciones

exotérmicas y por la relativa dificultad de la regeneración de solventes.



ABSORCIÓN REACTIVA: APLICACIONES

Objetivo del proceso Ejemplos Área de aplicación

Eliminación de sustancias

nocivas

Purificación de gas en un horno de coque. Eliminación de dióxido de carbono por

aminas/ mezclas de aminas/ soluciones

calientes de carbonato de potasio.

Eliminación de Nox.

Purificación de gas

Recuperación/ regeneración

de sustancias valiosas o

reactivos que no reaccionaron

Regeneración de solventes. Separación de gas

Producción/preparación de

productos particulares

Manufactura de ácido sulfúrico y nítrico.

Preparación de formaldehído. Síntesis Química

Eliminación de agua

Eliminación de agua de gas natural.

Secado de aire. Secado de gases

Acondicionamiento de

corrientes de gas

Acondicionamiento de gas de síntesis. Separación de gases/

purificación de gases.

Separación de sustancias Separación de Olefina/ parafina Separación de

componentes orgánicos.



• El agua es el disolvente más comúnmente utilizado.

• Para los compuestos orgánicos que tienen baja solubilidad

en agua, se usan otros disolventes, tales como los aceites de

hidrocarburos.

• Líquidos usados como solventes incluyen también aceites

minerales, aceites de hidrocarburos volátiles y solucionesacuosas.

ELECCIÓN DEL SOLVENTE



Cualidades de un buen disolvente para absorción

• Elevada solubilidad del gas en el solvente

• Baja volatilidad

• Baja viscosidad

• Alta selectividad

• No tóxico

ELECCIÓN DEL SOLVENTE

• Estabilidad química.

• No corrosivo.

• No formar espumas

• Económico y disponible….



• El efluente de la columna puede reciclarse al sistema y

utilizarse de nuevo (solventes caros).

• Inicialmente, la corriente reciclada puede ir a un sistema

de tratamiento de residuos para eliminar en lo posible los

contaminantes o los productos de la reacción.

•La recirculación del solvente requiere de una bomba,

sistema de recuperación de disolvente, tanques de retención

y de mezclado de solvente, etc.

RECUPERACIÓN DEL SOLVENTE



• Eliminación de butano y pentano de una mezcla gaseosa

de refinería utilizando un aceite pesado.

• Eliminación de contaminantes inorgánicos solubles en agua

de corrientes de aire.

• Como dispositivos de recuperación de productos valiosos.

• Eliminación de impurezas en productos de reacción.

• Eliminación de CO2 o de H2S por reacción con NaOH u otros

solventes en una corriente de gases.

APLICACIONES INDUSTRIALES



La eliminación del gas contaminante se hace en 3 etapas:

Difusión del contaminante hasta la superficie del líquido

Transferencia a través de la interfase Gas – Líquido

(disolución)

Difusión del gas disuelto alejándose de la interfase hacia el

líquido

TRANSFERENCIA DE MASA INTERFACIAL



Perfil de

concentraciones en

absorción:el concepto de la

doble resistencia:

- Gas a la interfase

- Interfase al líquido





El flujo del soluto transferido (NA) se calcula como:

Escribiendo NA en función de los distintos gradientes, se

calcula:

[1][2]

[3]

[4]




Igualando 1 y 2:

[5]

[6]

Arreglando la ecuación 6: Cociente de las fuerzas impulsoras

Gas – Líquido (pendiente de la recta)




En un diagrama x – y (análogo a P – C):

Pi y Ci son difíciles de

medir.



• La ecuación nos dice que la presión parcial del gas debe

aumentar cuando el líquido acumula más contaminante,

en caso contrario éste saldrá de la solución.

• Como el líquido elimina contaminante de la fase gaseosa,

la presión parcial disminuye a medida que se limpia el gas.

Tiene que ocurrir lo opuesto para que funcione bien.

ABSORCIÓN PARALELO/CONTRACORR.



Para evitar este problema, se hace pasar el gas y el líquido en

direcciones opuestas, A CONTRACORRIENTE.

• El gas en alta concentración es absorbido en un líquido con

ALTA CONCENTRACIÓN del contaminante.

• El gas con menor concentración lo absorbe el LÍQUIDO SINcontaminantes.

ABSORCIÓN PARALELO/CONTRACORR.



EQUIPOS PARA ABSORCIÓN



• Se introduce en el líquido una corriente de gas en forma de

pequeñas burbujas. Si el diámetro del tanque es pequeño, el

burbujeador localizado en el fondo del tanque puede ser un simple

tubo abierto.

• El propósito del burbujeo es poner en contacto

el gas burbujeado con el líquido.

•Circulación de las dos fases en contracorriente.

• Se utilizan cuando se requiere una caída de presión

muy baja.

COLUMNAS DE BURBUJEO



•El líquido puede atomizarse en una corriente gaseosa por medio deuna boquilla que dispersa al líquido en una aspersión de gotas.

• El flujo puede ser a contracorriente, o en paralelo.

• Baja caída de presión de gas

• Costo de bombeo de líquido elevado, debido a la caída de presión

por la boquilla atomizadora.

• La tendencia del líquido a ser arrastrado por el

gas es considerable.

• Relativamente ineficientes, pero eliminan partículas

contaminantes (Absorción – Arrastre)

COLUMNAS DE ASPERSIÓN



• Alternativa a las torres de platos.

• Variación continua de la concentración en toda la torre.

• Circulación de las dos fases en contracorriente.

•

Contienen un material de soporte (relleno).• Alta eficacia de transferencia de materia (depende de la calidad y

tiempo de contacto)

TORRES RELLENAS



TORRES RELLENAS



• Cada plato constituye una etapa, puesto que sobre el plato se ponen

los fluidos en contacto íntimo, ocurre la difusión interfacial.

• El número de platos teóricos o etapas en equilibrio depende de lo

complicado de la separación.

• El diámetro de la torre depende de las cantidades de líquido y gas

que fluyen a través de la columna por unidad de tiempo.

•Alta eficacia de transferencia de materia (depende de la calidad ytiempo de contacto). El tiempo de contacto depende de la laguna

líquida sobre cada plato, la cual debe ser profunda y de velocidades

relativamente elevadas del gas.

TORRES DE PLATOS



Especificaciones:

1. Flujo de gas y líquido, composición, temperatura y presión.

2. Grado de separación deseada.

3. Selección del absorbedor.4. Presión y temperatura de operación y caída de presión permisible.

5. Mínima cantidad de absorbente.

6. Número de etapas de equilibrio.

7. Efectos del calor.

8. Equipo requerido, altura y diámetro del absorbedor.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA TORRE:



• Se calcula el número de etapas, la altura y el diámetro.

Puede ser por métodos gráficos o algebraicos.

Absorción: línea de

operación por encima

del equilibrio

(hay más soluto en el

gas que en la

interfase).

CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA TORRE:Nº DE ETAPAS




Fuerza impulsora

Fuerza impulsora





Presión y temperatura de

operación:

1. En general la presión debe ser

alta y la temperatura baja en un

absorbedor.

2. La presión debe ser baja y la

temperatura alta en un proceso de

desorción.

Desorción: línea de operación por debajo del equilibrio(hay más soluto en el líquido que en la interfase).




Caudales de fluido:

L ( moles de líquido / h m2)

G (moles de gas / h m2)

Corrientes en base inerte:

L´ (moles de disolvente / h m2) = L * (1 – x)

G´ (moles de inerte / h m2) = G * (1 – y)

Composiciones en base inerte:

X = x / 1 – x (moles de soluto / moles de disolvente)

Y = y / 1 – y (moles de soluto / moles de inerte)

BALANCES EN LA TORRE



Balance de soluto en la torre:

L1 x1 + G2 y2 = L2 x2 + G1 y1

Sustituyendo en función de caudales inertes:

L ‘ ( x1 / 1-x1 ) + G ‘ ( y2 /1-y2 ) = L ‘ ( x2 / 1-x2 ) + G ‘ ( y1 /1-y1 )

Línea de operación:

L ‘ [( x2 / 1-x2 ) - ( x1 / 1-x1 ) ] = G ‘ [( y2 /1-y2 ) - ( y1 /1-y1 ) ]

Línea de operación expresada en base inerte:

L ‘ ( X2 – X1 ) = G ‘ ( Y2 – Y1 )

Pendiente de la línea de operación = L’/G’




Diagrama en fracción molar Diagrama en base inerte


MÉTODO ALGEBRAICO: BALANCES



Para el cálculo del número de etapas mediante el método de Mc

Cabe Thiele (gráfico), o un método analítico sencillo, se debe

considerar:

• Línea de operación recta: Gas portador insoluble y solvente no

volátil.

•El calor de absorción es despreciable.

• La operación es isotérmica.

• Etapas ideales

MÉTODO ALGEBRAICO: BALANCESETAPA POR ETAPA

MÉTODO ALGEBRAICO: BALANCES



MÉTODO ALGEBRAICO: BALANCESETAPA POR ETAPA

Cálculo del

número de

etapas

y6

1

2

3

4

5

y1

y2

y3

y4

y5

xo

x1

x2

x3

x4

x5



BALANCES ETAPA POR ETAPA

1. Arrancar por uno de los extremos de la torre

(conozco Xn-1 y Yn).

2. Si la etapa es ideal, las composiciones Yn

y Xn estarán en equilibrio: Yn = f (Xn)

3. Hacer el balance en la etapa y calcular Yn+1

Ls Xn-1 + Gs Yn+1 = Ls Xn + Gs Yn

4. Continuar con la siguiente etapa, hasta

alcanzar la composición de salida conocida

en la torre.

É Á



MÉTODOS GRÁFICOS: MC CABE THIELE

Cálculo del número de etapas:

É



Cálculo del número de etapas: Desorción

MÉTODO Mc Cabe - Thiele

ó / í



Relación L’/G’ mínimo

La cantidad de solvente mínimo depende de la fracción de soluto aremover, el flujo de gas y el coeficiente K de distribución, es decir

del Equilibrio.

l ió ’/ ’ í i



Relación L’/G’ mínimo

Cál l é d áfi



Cálculo por método gráfico

Ejemplo: Absorción de SO2 en una torre de platos

Se va a diseñar una torre de platos para absorber SO2 de una

corriente de aire, usando agua pura a 293K. El gas que se introduce

contiene 20%mol SO2, saliendo con 2% mol SO2 a una presión total de

101.3 kPa. La velocidad de flujo de aire inerte es 150 kg/h m2 y la

velocidad de flujo del agua pura es de 6000 kg H2O /h /m2. Suponiendoque la eficiencia total de los platos es del 25%, ¿qué número de platos

teóricos y reales se necesitan? Asumir que la torre opera a 293 K (20ºC)

Cál l é d áfi




Cál l é d áfi




Ejemplo: Absorción de NH3 en una torre de platos

Se usa una torre de platos para eliminar el 99% del amoníaco de una

corriente de aire de entrada que contiene 6% mol de NH3 a 293 K y 1

atm. El gasto de agua pura a la entrada es de 188 kg H2O /h m2 y el

flujo de aire inerte es de 128 kg aire / h m2. Calcule el número de platos

teóricos necesarios. Para el extremo diluído de la torre, trazar undiagrama ampliado para aproximar el Número de platos con más

precisión.

Cál l ét d áfi




BIBLIOGRAFIA



[1] WANKAT, P. “Ingenieria de los procesos de separación”. Pearson Prentice Hall. Segunda

edición. 2008.

[2] BIRD; STEWART; LIGHTFOOT. “Fenómenos de transporte”. Reverté. 1998.

[3] TREYBAL, R. “Operaciones de Transferencia de Masa”. Mc Graw Hill. 2da edición.1980.

[4] OCON; TOJO. “Problemas de Ingeniería Química”. Capítulo 6. Aguilar. Madrid. 1974.

[5] SEADER, J; HENLEY E. “Separation process principles”.

[6] Prof. Yoana Castillo. Escuela de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad de

Los Andes. Venezuela.

BIBLIOGRAFIA

Preguntas?



Preguntas?

absorción en torre de platos (1)

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