ABSORCIÓN

Operación Unitaria de Transferencia de Materia entre fases, utilizada para la separación de uno o más

componentes de la mezcla de gases por absorción (disolución) de los mismos en un líquido adecuado.

Fenómeno físico

Los gases se disuelven en un líquido disolvente; por Ejemplo:El CO2 de una mezcla de gases puede

eliminarse haciendo pasar la mezcla de gas a través de agua, en la que el CO2 se disuelve, obteniéndose agua carbónica.

Reacciones químicas en absorción

Sin embargo existen otros casos además de disolución del gas en el disolvente, tiene lugar una reacción química que influye sobre la velocidad de absorción, aunque en general este no es el fenómeno controlador; por ejemplo: La eliminación de dióxido sulfuroso mediante

absorción en agua, o bien absorción de CO2 en una solución de Hidróxido de sodio.

Desorción (“stripping”)

Operación contraria a la absorción, en la que el soluto pasa de la fase líquida a la fase gaseosa.

En la Industria alimentaria suele aplicarse desorción cuando se desea eliminar los hidrocarburos presentes en aceites que han sido obtenidos por extracción con disolvente.

Ci

Pi

Equilibrio Gas - líquido

Principio: Diferencia de concentraciones del componente, que existe entre las fases, que se transfiere con respecto a la de equilibrio.

“Cuanto más alejado se esté de las condiciones de equilibrio mayor es la transferencia de materia entre las fases”.

Pe

CeC

PA

B

Equilibrio Líquido - Gas

“Todo punto por encima de la curva de equilibrio, representa un sistema en el que se realiza la transferencia de soluto desde la fase gaseosa a la fase líquida: Absorción” el fenómeno inverso es la desorción

De acuerdo con la ley de Van’t Hoff: si se aumenta la temperatura, la solubilidad del gas en

el líquido disminuye.

Componentes en las fases

Si las fases líquido gas se comportan en forma ideal se cumple la Ley de Raoult. Caso contrario no se podría aplicar esta Ley;

sin embargo para concentraciones bajas de soluto en el Líquido (soluciones diluidas) se cumple la Ley de Henry.

En muchos casos, la Ley de Henry es válida cuando la presión parcial es inferior a la Presión total.

La constante de Henry varia mucho con la Temperatura.

ii CHP T

KKH 2

1log

En sistemas ideales se cumple la Ley de Raoult

Fase líquida

Fase gaseosa

Razones Molares (X; Y)

i

i

pP

pY

y

yY

1

Y

Yy

1

iT

i

CC

CX

x

xX

1

X

Xx

1

iii Pxp .Pyp ii .

11

1

i

i

i

i

X

X

PP

Y

P: Presión total

Pi: Presión del componente

x: fracción molar en fase líquida

y: Fracción molar en fase gaseosa

Mecanismo de Absorción

El soluto se mueve desde la fase gaseosa hacia la fase líquida.

Entre las dos fases existe una delgada zona (interfase) donde se lleva a cabo el mecanismo de disolución.

El proceso culmina cuando se ha alcanzado el equilibrio de soluto en las dos fases.

LÍQUIDO

GAS

P

C

Pi

Ci

Pe

Ce

Teoría de la doble película

Se supone que la transferencia de masa en la masa global se realiza por corrientes convectivas, no existiendo gradientes de concentración dentro de cada fase, excepto en las proximidades de la interfase.

Se supone que en ambos lados de la interfase existe una delgada película estática de fluidos (subcapas laminares) a través de la cual la transferencia de masa se realiza únicamente por difusión molecular.

Teoría de la doble película

La dirección de la transferencia de materia a través de la interfase no depende de la diferencia de concentraciones, sino de la relación de equilibrio.

En la interfase la relación de gas y líquido están en equilibrio.

P

Pi

Ci

C

interfase

Fase gas Fase líquida

Película

gaseosa

Película

líquida

iGG

GA CC

L

DN

iGA PP

LTR

PMDN

..

.

iGA PPkN .

Fase Gas

C: Concentración

z: distancia o posición

D: Difusividad

Ni: velocidad de Difusión o densidad de flujo

Ecuaciones de Transferencia de materia

LIQGAS NN z

CDNi

.

Ley de Fick

iLA CC

L

DN

CCkN iLA .

Fase Líquida kL y kG: Coef. Individual de transf. de materia en fase líquida y sólida respectivamente

L: Espesor

TR

PMP

V

mCG

Gas ideal

Velocidad de Absorción

En un proceso de absorción en estado estacionario, la densidad de flujo de materia a través de la película gaseosa será la misma que la transferencia a través de la película de líquido.

En la que “p” es la presión parcial del componente en la fase gaseosa, y ”pi” la correspondiente a la interfase. Mientras que “C” es la concentración del componente en el seno del líquido “Ci” en la interfase.

CCkppkN iLiGA ..

Ci

Pi

Velocidad de Absorción

La pendiente de la línea de unión, que permite determinar las concentraciones de la interfase conocidas las de las fases gaseosa y líquida, será:

Pe

CeC

PF

B

E

n’

n’’

i

i

G

L

CC

pp

k

k

D

Velocidad de Absorción

El punto “F” representa las condiciones en la masa global del gas y del líquido.

El Punto “E” representa una concentración “Ce” en el líquido que esta en equilibrio con la presión parcial “P” en el seno del gas.

El punto “B” representa la concentración “Ci” en la interfase líquida que esta en equilibrio con la presión parcial “Pi” de la interfase gaseosa.

El punto “D” representa una presión “Pe” en la fase gaseosa que esta en equilibrio con una concentración “C” en fase líquida.

Ecuaciones de la velocidad de Absorción

El que el gas sea más o menos soluble hace que la curva de equilibrio varíe, y que la resistencia a la transferencia de materia este localizada en una u otra fase.

CC

ppn

i

ei

'CC

ppn

e

e

''

Pendientes de las rectas: DB y DE

CCKPPKN eLeGA ..

Densidad de flujo en función a coeficientes globales

L

e

G

e

L

i

G

iA

K

CC

K

pp

k

CC

k

ppN

1111

L

e

G

e

L

ei

G

iA

K

npp

K

pp

k

npp

k

ppN

''1'1

LGLGA

e

K

n

Kk

n

kN

pp ''1'1

Gas muy soluble en líquidos

Así, en el caso de gases muy solubles la transferencia de materia esta controlada por la fase gaseosa

y se considera que la concentración de la interfase líquida coincide con la global del líquido (Ci=C) y por tanto: pi=pe

lo que indica que no existe resistencia a la fase líquida (kL es muy elevada) y se obtiene que kG=KG.

Gas poco soluble en líquidos

En el caso que el gas sea muy poco soluble en el líquido, la presión pi coincide con la del seno del gas (pi=p) y por tanto Ci=Ce

lo que indica que no existe resistencia en la fase gaseosa (kG es muy elevada), obteniéndose que kL=KL

Es decir que la transferencia de masa esta controlada por la fase líquida.

Gas puro que se absorbe

Si el gas que se absorbe es un gas puro, la presión en la interfase gaseosa coincide con la presión parcial en el seno del gas (pi=p),

con lo que se está en una situación similar a la anterior (Gas poco soluble en líquidos)

Por lo que, utilizando un gas puro se puede llegar a determinar los coeficientes kL y KG.

Columnas de relleno

Pasos para el diseño de torres de absorción: Selección del disolvente Obtención de datos de equilibrio Balance de materias Balance entálpico Elección de relleno Cálculo del diámetro de la columna Cálculo de la altura del relleno Cálculo de las pérdidas de carga

El disolvente

El disolvente ideal será aquel que: no sea volátil ni corrosivo además de no ser viscoso y espumante así mismo debe ser estable y no inflamable y presentar una solubilidad infinita para el soluto.

En caso de absorción física además de lo anterior se elige al más barato y no reactivo.

Cuando existe reacción química, el disolvente además debe presentar mayor capacidad de absorción.

Datos de Equilibrio

El conocimiento exacto y correcto de los datos de equilibrio es muy importante, pues determinan la velocidad de circulación del líquido para una cierta recuperación específica de soluto.

Los mejores datos son los que se obtienen experimentalmente

Aunque a veces no se obtienen estos datos y se debe recurrir a expresiones generalizadas según el sistema de interés;

la mayoría de los datos de equilibrio se encuentran en bibliografía especializada.

Balance de Materia

Esta ecuación final es una recta en el diagrama de equilibrio con razones molares, que pasa por los puntos (X1;Y1) y (X2;Y2), y tiene la pendiente (L’/G’).

Esta recta recibe el nombre de RECTA DE OPERACIÓN.

Sección 2

Sección 1

L’

L’

G’

G’ X1

X2Y2

Y1

G’: caudal molar de gas inerte (kmol/h)

L’: caudal molar de disolvente (kmol/h)

Y: razón molar en la fase gaseosa (moles de soluto/moles de gas inerte)

X: razón molar en la fase líquida (moles de soluto/moles de disolvente)

2121 '' XXLYYG

2121 '

'XX

G

LYY

Recta de Operación (sistema ideal)

Y2

Y

1

2

1e(L’/G’)

(L’/G’)min

X

Y1

X1X2 (X1)e

RECTA DE OPERACIÓN RECTA DE

OPERACIÓN EN QUE LA RAZÓN DE CAUDALES

ES MÍNIMA

Recta de operación(Sistema no ideal)

Y2

Y1

2

1e

(L’/G’)

(L’/G’)min

X

Y1

X1X2 (X1)e

RECTA DE OPERACIÓN RECTA DE

OPERACIÓN EN QUE LA RAZÓN DE CAUDALES

ES MÍNIMA

Condiciones de la operación

Por regla general, los datos son: G’, Y1, X2, Y2 y las incógnitas L’ y X1.

El proceso en torres de absorción siempre ocurre en contracorriente.

En la absorción la curva de equilibrio se encuentra por debajo de la curva de absorción.

Los procesos de absorción se realizan con relación 25% superior a la mínima: (L’/G’)= 1,25(L’/G’)min.

Sobre el Balance de Energía

Los procesos de absorción por lo general se llevan a cabo de forma isotérmica y en este caso no seria necesario plantear un balance de energía.

En otros caso cuando existe una reacción química, aparece desprendimiento de calor; lo cual da lugar al aumento en la temperatura del

líquido. Este aumento de temperatura afectará a la curva de

equilibrio.

… más sobre el balance de energía

Para absorción de gases en condiciones no isotermas, a veces se supone que el calor desarrollado es captado

por el líquido, y que no afecta a la temperatura del gas. Esta suposición conduce al diseño de una torre con

altura superior a la requerida. El balance entálpico se realiza para calcular el

perfil de temperatura a lo largo de la columna, lo que permite construir la curva de equilibrio, en el

diagrama Y-X correspondiente a la operación.

El Relleno

Influye de forma decisiva en la altura y diámetro de la columna.

El relleno de la columna producirá un aumento de la superficie de contacto entre la fase gaseosa y líquida, lo que provoca una mayor transferencia de materia

entre las dos fases.

Características del relleno

Ser químicamente inerte para los fluidos que circulen en la torre.

Tener suficiente resistencia mecánica sin un peso excesivo.

Permitir un paso adecuado de ambas corrientes sin originar una retención de líquido o una caída de presión excesiva.

Proporcionar un buen contacto entre las fases. Tener un coste relativamente bajo.

Rellenos tipo ANILLO

Existen de diferente medida, saltando de una a otra medida en media pulgada.

Generalmente son de cerámica o acero, también los hay de vidrio y plástico.

Si los anillos son menores a 3 pulg se colocan al azar;

Si fueran mayores a 3 pulg deben ser colocados en forma ordenada.

Rellenos tipo ANILLO

Rasching: es la forma mas sencilla y corriente. Es un trozo de tubería de pequeño espesor, de altura igual al

diámetro. Lessing: son como los anillos Rasching,

pero con un tabique transversal, para aumentar la superficie de contacto.

Su tamaño máximo es de 6 pulgadas. En cruz: un anillo rasching con dos tabiques en cruz. En espiral: El tabique intermedio esta constituido por

un espiral simple, doble o triple. Pall: Como los anillos Rasching, pero con aperturas

laterales.

Rellenos tipo SILLAS o MONTURAS

Berl: con forma de sillas de equitación, generalmente son de plástico o cerámica, de ½ pulg a

3 pulg. Caben mas por unidad de volumen que de anillos; presentan el inconveniente de que pueden encajar

unas encima de otras, disminuyendo el área de transferencia.

Intalox: parecidas en forma a las anteriores, pero sin posibilidad de superponerse unas con otras.

Otros Tipos

También se utilizan como rellenos madejas de níquel, rejas de madera o metálicas, piedras troceadas, entre otros.

El uso de estos tipos de rellenos se halla muy restringido a ciertos procesos.

ANILLOS y SILLAS

1) Sillas Berl

2) Sillas intalox

3) Anillos Rasching

4) Anillos Pall

5) Anillos Lessing

6) Anillos en Cruz

Características estáticas de un relleno

rellenodelechodem

erficiedemaS ...

sup.3

2

rellenodem

vacíorellenodem

.

..3

3

3SaF

ocupadoVolumen

rellenoPesoa .

.

1S

P

aa

aS: Superficie específica del lecho

ε: Fracción de huecos

F: factor de relleno

a: Densidad aparente

aP: Superficie específica de cada partícula

Características dinámicas de un relleno

ms

m

mojadoPerímetro

ovolumétricCaudalLm

3

.

.

SS aS

z

azS

mojadaAltura

mojadaSuperficiemojadoPerímetro .

..

.

..

SL

V

S

L

v

m aS

L

aS

L

L...

Lm: caudal de humectación

S: sección transversal de la columna (m2)

z: altura de la columna (m)

aS: Superficie específica del relleno (m2/m3)

LV: Caudal volumétrico del líquido

Columnas de Platos Además de rellenos se utilizan también columnas de platos,

solamente para determinadas absorciones.

En los casos en que la pérdida de carga hiciese necesario utilizar torres de relleno de diámetro superior a un metro. Se emplearían torres de platos.

También se usan cuando pueda existir alguna deposición de sólidos que obstruye el paso de los fluidos a través del relleno.

Asimismo se utiliza este tipo de columnas cuando el flujo del líquido es suficiente para inundar la columna de relleno.

Las columnas de platos en absorción son similares a las de destilación. Aunque las eficacias en la destilación son superiores. En casos de usar fluidos corrosivos es preferible utilizar las columnas de relleno.

Plato “n”

Plato “1”

Plato “N”

Balance de materia para platos

“n+1”

“n-1”

G’, Y1

G’, YN+1L’, XN

L’, X0

Yn

Yn+1

Xn

Xn-1

011 '' XXLYYG nn

011 .

'

'.

'

'X

G

LYX

G

LY nn

MÉTODO GRÁFICO

Al representar en el diagrama Y-X la recta de Operación y la curva de equilibrio, se puede obtener el número de platos teóricos para efectuar una absorción determinada, mediante el trazado de escalones según el método gráfico de McCabe-Thiele.

Método gráfico

Y

1

2

1e

(L’/G’)

X(X1)e

1

2

0,6

Nº platos=2,6

GRACIAS