Absorción de gases

La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que consiste en poner en

contacto un gas con un líquido, para que este se disuelva determinados componentes del gas,

dejándolo libre de los mismos. La absorción puede ser física o química, según que el gas se

disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico. La

desorción es la operación unitaria contraria a la absorción, en ella, un gas disuelto en un líquido

es arrastrado por un gas inerte, siendo eliminado del líquido.

Estas operaciones se pueden llevar a cabo en columnas de platos y de relleno y también en

torres de pulverización, que son columnas vacías en las que el líquido entra a presión por un

sistema de ducha, circulando al gas en sentido contrario. La absorción se emplea en la industria

para la eliminación de gases ácidos (CO2, SO2) en corrientes gaseosas, mediante distintas

corrientes líquidas (agua, disolución de sosa, aminas).

Figura 1.1 descripción del proceso de transferencia de masa en absorción y desorción.

Un aparato que se utiliza con frecuencia en la absorción de gases y en otras operaciones es la

torre empacada. El dispositivo consiste en una columna cilíndrica, o torre, equipada con una

entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior; una entrada de líquido y un

distribuidor en la parte superior; salidas para el gas y el líquido por la parte superior e inferior,

respectivamente; y una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que recibe el nombre de

torre empacada. El soporte del empaque consiste por lo general en una criba o tamiz corrugado,

para darle fuerza, con una gran fracción de área libre de forma que no se produzca inundación

en el soporte. El líquido entrante, ya sea disolvente puro o una solución diluida del soluto en el

solvente, y que recibe el nombre de licor débil o de muy baja concentración, se distribuye sobre

la parte superior del empaque mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja de manera

uniforme la superficie del empaque.

El gas que contiene el soluto, o gas rico, entra en el espacio de distribución situado debajo del

empaque y asciende a través de los intersticios del empaque en contracorriente con el flujo del

líquido. El empaque proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas,

favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases. El soluto contenido en el gas rico es

absorbido por el líquido fresco que entra en la torre, y el gas diluido o agotado sale de la torre

por la parte superior. El líquido se enriquece en soluto a medida que desciende por la torre y el

líquido concentrado, llamado licor concentrado, sale por el fondo de la torre a través de la salida

de líquido.

Los empaques de la torre se dividen en tres principales tipos: aquellos que son cargados de

forma aleatoria en la torre, los que son colocados a mano, y aquellos que se conocen como

empaques ordenados o estructurados.

Figura 1.2 Columna típica de absorción

Las torres empacadas, o torres de relleno, utilizadas para el contacto continuo del líquido y del

gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son columnas verticales que se

han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande. El líquido se distribuye sobre

éstos y escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran

superficie al contacto con el gas.

Empaques de torres de absorción

El empaque de la torre debe ofrecer las siguientes características:

1. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas. La superficie del

empaque por unidad de volumen de espacio empacado am debe ser grande, pero no en el

sentido microscópico.

2. Poseer las características deseables del flujo de fluidos. Esto generalmente significa que el

volumen fraccionario vacío, o fracción de espacio vacío, en el lecho empacado debe ser grande.

El empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas

secciones transversales de la torre, sin recargo o inundación; debe ser baja la caída de presión

del gas.

3. Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando.

4. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación.

5. Tener bajo precio.

Elección del disolvente para la absorción

Si el propósito principal de la operación de absorción es producir una solución específica, el

disolvente es especificado por la naturaleza del producto. Si el propósito principal es eliminar

algún componente del gas, casi siempre existe la posibilidad de elección. Por supuesto, el agua

es el disolvente más barato y más completo, pero debe darse considerable importancia a las

siguientes propiedades:

1. Solubilidad del gas. La solubilidad del gas debe ser elevada, a fin de aumentar la rapidez de la

absorción y disminuir la cantidad requerida de disolvente. En general, los disolventes de

naturaleza química similar a la del soluto que se va a absorber proporcionan una buena

solubilidad. Para los casos en que son ideales las soluciones formadas, la solubilidad del gas es

la misma, en fracciones mol, para todos los disolventes. Sin embargo, es mayor, en fracciones

peso, para los disolventes de bajo peso molecular y deben utilizarse pesos menores de estos

disolventes. Con frecuencia, la reacción química del disolvente con el soluto produce una

solubilidad elevada del gas; empero, si se quiere recuperar el disolvente para volverlo a utilizar,

la reacción debe ser reversible.

2. Volatilidad. El disolvente debe tener una presión baja de vapor, puesto que el gas saliente en

una operación de absorción generalmente está saturado con el disolvente y en consecuencia,

puede perderse una gran cantidad. Si es necesario, puede utilizarse un líquido menos volátil para

recuperar la parte evaporada del primer disolvente.

3. Corrosión. Los materiales de construcción que se necesitan para el equipo no deben ser raros

o costosos.

4. Costo. El disolvente debe ser barato, de forma que las pérdidas no sean costosas, y debe

obtenerse fácilmente.

5. Viscosidad. Se prefiere la viscosidad baja debido a la rapidez en la absorción, mejores

características en la inundación de las torres de absorción, bajas caídas de presión en el bombeo

y buenas características de transferencia de calor.

6. Otros. Si es posible, el disolvente no debe ser tóxico, ni inflamable, debe ser estable

químicamente y tener un punto bajo de congelamiento.

Efecto de las condiciones de operación

Realizando un balance del componente transferible A

𝐺𝑣1𝑃

𝑅𝑇∗ 𝑦𝐴1 + 𝐿2 ∗ 𝑥𝐴2 =

𝐺𝑣2𝑃

𝑅𝑇∗ 𝑦𝐴2 + 𝐿1 ∗ 𝑥𝐴1

Agrupando términos semejantes

𝐺𝑣1𝑃

𝑅𝑇∗ 𝑦𝐴1 −

𝐺𝑣2𝑃

𝑅𝑇∗ 𝑦𝐴2 = 𝐿1 ∗ 𝑥𝐴1 − 𝐿2 ∗ 𝑥𝐴2

Reagrupando y suponiendo que L1 = L2 = L

(𝐺𝑣1 − 𝐺𝑣2)𝑃

𝑅𝑇∗ (𝑦𝐴1 − 𝑦𝐴2) = 𝐿 (𝑥𝐴1 − 𝑥𝐴2)

Despejando yA1

𝑦𝐴1 = 𝐿𝑅𝑇

(𝐺𝑣1 − 𝐺𝑣2)𝑃 (𝑥𝐴1 − 𝑥𝐴2) + 𝑦𝐴2

Esta ecuación representa la ecuación de la línea de operación, en esta ecuación se observa que

a medida que aumenta el valor de P la pendiente se hace más pequeña, lo cual implica que la

altura de la torre disminuirá.

En cuanto al caudal del líquido alimentado, entre más grande sea el caudal que se alimenta a la

torre existirá mayor área de contacto entre la fase liquida y la fase gas lo cual se traduce en una

mayor transferencia del componente que se desea absorber del gas, dicho esto en palabras más

simples, un mayor caudal de fase liquida alimentada implica una altura menor de la torre de

absorción.

Aumentar el caudal de líquido significa también incrementar los costes de bombeo, (mayor

tamaño de bomba y mayor consumo energético), y, obviamente, los costes asociados al

consumo del propio disolvente. Existirá, pues, un caudal de líquido óptimo que ofrezca el mejor

balance económico.

En cuanto a la presión, el aumentar ésta también implica aumentar las fuerzas impulsoras

individual y global, con lo que la altura de contacto necesaria se reduce. Para incrementar la

presión sería necesario aumentar la energía mecánica cedida al gas aguas arriba de la torre de

absorción. Generalmente no resulta rentable incrementar la presión para reducir la altura de la

torre.

Efecto de la temperatura

La solubilidad de cualquier gas depende de la temperatura, y depende en la forma descrita por

la ley de van ‘t Hoff para el equilibrio móvil: “si se aumenta la temperatura de un sistema en

equilibrio, ocurrirá un cambio durante el cual se absorberá calor”. Generalmente, pero no

siempre, la disolución de un gas tiene como resultado la evolución de calor; por ello, en la

mayoría de los casos, la solubilidad de un gas decrece al aumentar la temperatura. Al disminuir

la solubilidad del gas en la corriente liquida la transferencia de masa disminuye lo cual tiene

como consecuencia un aumento en la altura de la torre con el fin de compensar la disminución

de la solubilidad del gas con un tiempo mayor de contacto entre las fases con la finalidad de

lograr la transferencia deseada.