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Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
TEMA 4. Absorción de gases
1. Introducción
2. Diseño de una columna de relleno
2.1 Cálculo de la altura de relleno
2.1.1 Punto de vista macroscópico
2.1.2 Punto de vista microscópico
2.2 Otros elementos de diseño
3. Otros equipos de absorción
Tema 4. Absorción de gases
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
1. INTRODUCCIÓN
Absorción de gases: operación de transferencia de materia cuyo objetivo es separar uno o más componentes (el soluto) de una fase gaseosa por medio de una fase líquida en la que los componentes a eliminar son solubles (los restantes componentes son insolubles). Se produce una transferencia de materia entre dos fases inmiscibles.
A
Fase Y Fase X
z
xA
yA
yA
yAi
xAi
xA
Interfase
Tema 4. Absorción de gases
A veces un soluto se recupera de un líquido poniendo éste en contacto con un gas inerte. Tal operación, que es inversa de la absorción, recibe el nombre de desorción de gases, desabsorción o stripping.
Ejemplo: eliminación de amoníaco a partir de una mezcla de amoníaco y aire por medio de agua líquida. Posteriormente se recupera el soluto del líquido por destilación u otra técnica y el líquido absorbente se puede desechar o reutilizar.
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
1. INTRODUCCIÓN (cont.)
Aplicaciones de la absorción:
Recuperar productos de corrientes gaseosas con fines de producción
Control de emisiones de contaminantes a la atmósfera, reteniendo las sustancias contaminantes (compuestos de azufre, clorados y fluorados)
Recuperación de gases ácidos como H2S, mercaptanos y CO2 con disoluciones de aminas
Producción industrial de disoluciones ácidas o básicas en agua (ácidos clorhídrico, sulfúrico y nítrico o hidróxido amónico)
Eliminación de SO2 de gases de combustión con disoluciones acuosas de hidróxido de sodio
Eliminación de óxidos de nitrógeno con disoluciones de agentes oxidantes
Tema 4. Absorción de gases
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
1. INTRODUCCIÓN (cont.)
Equipos en los que se produce la absorción/desorción de gases
Columnas de relleno
Columnas de platos
Tema 4. Absorción de gases
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
1. INTRODUCCIÓN (cont.)
Columnas de relleno
Entrada de gas
Salida de gas
Entrada de
líquido
Salida de líquido
Relleno
Tema 4. Absorción de gases
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
1. INTRODUCCIÓN (cont.)
Cuerpos de relleno típicos: a) montura Berl; b) montura Intalox; c) anillo Raschig; d) anillo Pall
Distribución del relleno:
1. Al azar: tamaño < 3 pulgadas (2,54 cm) (< 1” se usan en laboratorio o planta piloto)
2. Ordenados: entre 2 y 8 pulgadas
Columnas de relleno
a b c d
Tema 4. Absorción de gases
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
1. INTRODUCCIÓN (cont.)
Características de los rellenos de columnas de absorción:
1. Químicamente inerte frente a los fluidos de la torre.
2. Resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo.
3. Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin
excesiva retención de líquido o caída de presión.
4. Proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas.
5. Coste razonable.
Materiales:
Baratos, inertes y ligeros: Arcilla, porcelana, plásticos,
acero, aluminio.
Unidades de relleno huecas, que garantizan la
porosidad del lecho y el paso de los fluidos.
Columnas de relleno
Tema 4. Absorción de gases
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2. DISEÑO DE UNA COLUMNA DE RELLENO
Objetivo del diseño
conseguir el máximo de transferencia de componentes con el mínimo consumo de energía y de tamaño de columna, es decir, con el mínimo coste.
Diseñar una columna de absorción
Calcular la altura del relleno necesarios para lograr la separación deseada
Datos de diseño que son conocidos normalmente:
Condiciones de operación de la columna: PT y T
Composición de las corrientes de entrada
Composición del gas a la salida (fin perseguido)
Circulación en contracorriente
Tema 4. Absorción de gases
Diámetro de la columna
Caudales de las dos fases
Tipo de relleno.
Otros parámetros de diseño:
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2. DISEÑO DE UNA COLUMNA DE RELLENO (cont.)
Entrada de gas
Salida de gas
Entrada de líquido
Salida de líquido
Relleno
Caudal volumétrico
composición
Caudal volumétrico
Composición: objetivo
Caudal volumétrico
composición
Caudal volumétrico
¿Composición?
Tema 4. Absorción de gases
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2. DISEÑO DE UNA COLUMNA DE RELLENO (cont.)
SL
L = L (1-x) =1+X S
GG = G (1-y) =
1+Y
X x
x = X =1+X 1-x
T T
Y P y Py = = Y = =
1+Y P 1-y P -P
P1
Y1
y1
G1
G2P2
Y2
y2
X1
x1L1
L2
X2
x2
PT
TLs Gs
1
2
Tema 4. Absorción de gases
L y G: caudales de líquido y gas (mol/s m2)
x e y: fracciones molares de líquido y gas
LS (mol C/s m2)
GS (mol B/s m2)
Y (mol A/mol B)
X (mol A/mol C)
Se va a estudiar el caso de absorción, en estado estacionario, de un soluto A desde una mezcla gaseosa con B mediante un absorbente líquido C
Ecuaciones de transformación
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2.1 Cálculo de la altura de relleno
Altura de relleno
Punto de vista macroscópico: Consiste en determinar el número de etapas o pisos teóricos, NPT, y disponer de la altura equivalente a un piso teórico, AEPT.
h = NPT · AEPT
Punto de vista microscópico: Conjugar Balances de materia y energía con la expresiones cinéticas de densidades de flujo. En caso de absorción isoterma no hay que considerar el balance de energía
Tema 4. Absorción de gases
P1
Y1
y1
G1
G2P2
Y2
y2
X1
x1L1
L2
X2
x2
PT
TLs Gs
1
2
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2.1 Cálculo de la altura de relleno
2.1.1 Punto de vista macroscópico
P1
Y1
P2
Y2
X1
X2
PT
TLs Gs
S 1 S 2 S 2 S 1G ·Y + L ·X = G ·Y + L ·X
Balance de materia (soluto, A)
S S1 2 2 1
S S
L LY = Y - ·X + ·X
G G
1
2
Tema 4. Absorción de gases
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Tema 4. Absorción de gases
Una vez fijada la recta de operación en el diagrama X-Y (LS,óptimo varía entre 1,2 y 1,5 veces el valor de LS,mínimo) el cálculo del número de etapas o pisos teórico, NPT, para la separación deseada es inmediato.
2.1 Cálculo de la altura de relleno
2.1.1 Punto de vista macroscópico
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2.1 Cálculo de la altura de relleno
2.1.2 Punto de vista microscópico
Balance de materia (A)
S S S SL ·X + G ·Y = L · X + dX + G · Y + dY
S SL ·dX = G ·dY
' S SA AA
L ·dX G ·dYdF dFN = = = = = k·a ·FI
dV S·dh dh dh
S SL G
dh= ·dX= ·dYk·a ·FI k·a ·FI
Tema 4. Absorción de gases
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2.1 Cálculo de la altura de relleno
2.1.2 Punto de vista microscópico
S SL G
dh= ·dX= ·dYk·a ·FI k·a ·FI
Caso 1: Coeficiente global volumétrico de la fase gaseosa y la fuerza impulsora en relaciones molares
2 1
1 2
Y YhS S
Y YY Y0 Y Y
G G dYh= dh= ·dY · AUT ·NUT
K ·a · Y Ye K ·a Y
Para disoluciones diluidas (coeficiente global volumétrico constante) se suele cumplir que la relación de equilibrio es lineal
1 2
1 2
d Y Y Ycte.
dY Y Y
1 1
2 2
Y YS S S1 2 1 2
1 2Y Y 1 2 YY Y
1
2
d ΔYG G GY Y Y YdYh= · · ·
ΔY ΔYK ·a Y K ·a ΔY ΔY Y K ·aY
lnY
S 1 2
Y ml
G Y Yh= ·K ·a ΔY
Tema 4. Absorción de gases
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
S 1 2
Y ml
G Y Yh= ·K ·a ΔY
Caso 2: Coeficiente global volumétrico de la fase líquida y la fuerza impulsora en relaciones molares. Para disoluciones diluidas:
1 1
2 2
X XS S 1 2
X X 1 2X X
d ΔXL L X XdXh= · ·K ·a X K ·a ΔX ΔX X
S 1 2
1 2X
1
2
L X Xh= ·
ΔX ΔXK ·aX
lnX
S 1 2
X ml
L X Xh ·
K ·a ΔX
Tema 4. Absorción de gases
2.1 Cálculo de la altura de relleno
2.1.2 Punto de vista microscópico
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
2.2 Otros elementos de diseño
2.2.1 Caudal volumétrico de líquido
Tema 4. Absorción de gases
2.2.2 Caudal de gas
Se define el caudal de mojado como el cociente entre el caudal volumétrico y el perímetro del relleno; y debe ser siempre superior a un cierto valor. El caudal mínimo de mojado para la mayoría de los rellenos vale 0,08 m3/(h·m) y el caudal máximo de mojado suele ser de unos 0,7 m3/(h·m)
2.2.3 Diámetro de la columna
La velocidad del gas a la cual se produce el anegamiento se llama velocidad de inundación. Generalmente se opera a la mitad de la velocidad de inundación
El diámetro de la columna es el segundo parámetro de diseño (el primero es la altura) y su cálculo se realiza a partir de consideraciones fluidodinámicas, es decir, a partir de los datos de caudales de circulación del gas y del líquido.
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
3 OTROS EQUIPOS DE ABSORCIÓN
3.1 Columnas de platos
Tema 4. Absorción de gases
Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
3 OTROS EQUIPOS DE ABSORCIÓN
3.1 Columnas de platos
Condiciones que favorecen a las columnas de relleno:
1.Columnas de pequeño diámetro2.Medios corrosivos3.Bajas retenciones de líquido (si el material es térmicamente inestable)4.Líquidos que forman espuma (debido a que en columnas de relleno la agitación es menor)
Condiciones que favorecen a las columnas de platos:
1.Cargas variables de líquido y/o vapor2.Presiones superiores a la atmosférica3.Bajas velocidades de líquido4.Gran número de etapas y/o diámetro5.Elevados tiempos de residencia del líquido6.Posible ensuciamiento (las columnas de platos son más fáciles de limpiar)7.Esfuerzos térmicos o mecánicos (que pueden provocar la rotura del relleno)
Tema 4. Absorción de gases
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3 OTROS EQUIPOS DE ABSORCIÓN
3.2 Columnas de paredes mojadas
Tema 4. Absorción de gases
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ANEXO: Esquema para la resolución de problemas de absorción
1
2
YS
Y YY Y
G dYh=AUT ·NUT ·
K ·a Y Ye
Caso general: integración gráfica o numérica (problema 1)
(si controla la fase gaseosa)
1
2
XS
X XX eX
L dXh=AUT ·NUT = ·
K ·a X - X
(si controla la fase líquida)
La línea de equilibrio es recta: no hay que usar gráfica (Problema 5 de la relación)
S 1 2
Y ml
G Y Yh= ·K ·a ΔY
S 1 2
X ml
L X Xh ·
K ·a ΔX
(controla la fase gaseosa)
(controla la fase líquida)
Caso habitual: sustituir NUT por NPT (problemas restantes)
1. Representar la curva de equilibrio Y-X a partir de los datos
2. Calcular Y1, Y2 y X2 (razones molares) y representarlos; calcular Ls y Gs (caudales de inerte)
3. Partiendo de Y1, localizar el corte con la curva de equilibrio; en abscisas se lee X1,max
4. Usar el BM(soluto) para determinar (Ls/Gs)min y, con el caudal de Ls superior al mínimo, (Ls/Gs)min y X1. Representar X1 y situar el punto de corte con la línea de equilibrio
5. Trazar la línea de operación uniendo (X2,Y2) y (X1, Y1)
6. Determinar NPT y h
Tema 4. Absorción de gases