absorcion de gases mario calle

7/22/2019 Absorcion de Gases Mario Calle

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ABSORCION DE GASES

1. INTRODUCCION

Se trata de una operacin con transporte de masa que tiene por objeto poner

en intimo contacto, una fase gaseosa constituida por dos o mas componentescon un liquido en el que se disuelve. El propsito de la absorcin es separar uno o mas componentes de la mezcla gaseosa mediante un liquido, estoimplica que debe haber afinidad de solubilidad. El soluto puede ser recuperadomediante destilacin y el lquido absorbente puede reutilizarse.

El mecanismo de paso de este componente de una a otra fase comprende, deuna parte, las relaciones de equilibrio, y de otro, la velocidad con la que sedesarrolla el proceso.

La importancia del equilibrio es obvia, ya que mediante su conocimiento sepuede calcular el limite o conseguir en mas condiciones determinadas. Lavelocidad del proceso indica el tiempo que tardaremos en alcanzar el resultadoque deseamos, en ambos datos se llega al conocimiento completo de laoperacin.

Como ejemplos de absorcin se pueden citar los siguientes:

1. De los gases producidos en hornos de coque se puede separar elamoniaco, absorbiendo en agua.

2. De mezclas gaseosas que contienen H 2S se lo puede separar utilizandosoluciones alcalinas (NaOH) solucinHay H2S en : Gases provenientes de refinacin del petrleo

Gases de la tostacin de piritasMEA: Mono etanol aminaMercaptano

3. De los gases de combustin se puede separar CO2 absorbiendo ensoluciones de NaOH, KOH, y monoetanolamina.

| Si nos interesa el CO entonces lo adsorbemos en ensolucin y se pone barra de Cu para captar el que da el (Reaccin apoyada)

4. En la produccin de H2SO4 se puede absorber el gas (SO 2) con aguapara dar H2SO4 diluido.

5. A partir de los gases hmedos de petrleo, entendindose por gashmedo al contenido de HC lquidos presentes en el gas (C5, C6, C7) sepuede separar a los componentes lquidos mediante un aceite (diesel)yque por destilacin se obtendr la llamada gasolina natural.En forma opuesta a la absorcin existe la desorcin, la cual consiste enponer en contacto un a fase liquida constituida por 2 o ms


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componentes con un gas, el propsito de la absorcin es separar uno omas componentes de la fase liquida con la ayuda de un gas.Sise analiza el fenmeno de la absorcin y de la desorcin desde elpunto de vista del equilibrio se puede afirmar lo siguiente:

a. Inversin de las fuerzas impulsoras X y Y, es decir:

= Composicin en la interfase del lquido= Composicin en la interfase del gas =Composicion en el seno de las fases lquido y gas.b. Las rectas de trabajo para absorcin se encuentran por encimade la curva de equilibrio en tanto que para la desorcin las rectasde trabajo estn bajo la curva de equilibrio.

2. EQUILIBRIO2.1. Regla de las fases

Si se analiza la absorcin mediante la ley de Gibbs se tiene:

El fenmeno es bifacial se tiene: F=2Si se supone que se transfiere inicialmente un componenteentre las fases y adems si se desprecia la solubilidad del gasinerte e la fase liquida y se desprecia tambin la fase gaseosadel vapor procedente del liquido, nos permite simplificar laaplicacin de la regla de fases:

G=2-2+3 { G=3 Tenemos tres grados de libertad, las variables que intervieneen la absorcin son:

Pasan a


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TemperaturaPresinConcentracin del componente A (soluto) tanto en lafase liquida como en la fase gas.

Por ejemplo si se fija la presin y la temperatura queda una de lasconcentraciones como variable independiente que puede tomar valores en forma arbitraria.

2.2. Curvas de EquilibrioUna solucin de un gas en un lquido ejerce, a una temperatura yconcentracin definidas, una presin parcial del gas disuelto tambindeterminada. La solubilidad de un gas varia con la presin total, siesta es grande. Este efecto es pequeo a presiones menores de masde 5 atm, y se desprecia siempre, excepto en los trabajos a altapresin.Cuando para una concentracin da en el liquido la presin parcial delgas es muy baja, se dice que este es muy soluble y lo contrariocuando dicha presin es muy elevada. As, haciendo uso de estecriterio existen gases muy solubles, moderadamente solubles y otrosligeramente solubles. Por ejemplo la solubilidad de NH3, SO2 y O2en agua es ejemplo de estos 3 tipos de solubilidad, respectivamente.No hay una norma definida para expresar la solubilidad. Muchasveces se da en forma numrica por medio de tablas en unidadescualesquiera; otras veces, como es conveniente en ingeniera, losdatos se ofrecen grficamente poniendo presiones parciales enfuncin de concentracin o bien relaciones (molares o en peso) degas disuelto/ gas inerte en la fase gaseosa en funcin de relacionesde gas disuelto/disolvente en la fase liquida. Sin embargo,frecuentemente se suele expresar por el coeficiente de la ley deHenry que establece que, en equilibrio, la concentracin de uncomponente en una fase es proporcional a su concentracin en laotra. En trminos de presiones parciales para la fase gaseosa y de

concentracin para la fase liquida, se tiene: = constante de la ley de Henry, con dimensiones, que depende de

las unidades de p y x.Las graficas que cumplen esta ley son lneas rectas.


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T4


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vapor o liquida a la otra fase. Cada pelcula proporciona unaresistencia a la transferencia de masa.La resistencia total al transporte de masa de una fase a otra se tomacomo igual a la misma de las 2 resistencias de las 2 pelculas.Para explicar esta teora se puede ayudar de un sistema decoordenadas y localizar en esta o en las 2 pelculas, como se indicaen la figura a continuacin.

Perfil de concentracin para la absorcin del componente A

El reciproco de la resistencia total, es decir el reciproco de la sumade los inversos de los coeficientes individuales se la denominacoeficiente total de transporte de masa.

4. SOLVENTES PARA ABSORCINLos solventes utilizados para absorcin deben presentar afinidadqumica es decir existir concentracin en la naturaleza de la sustancia.Dentro de las caractersticas que se deben tener presentes paraseleccionar un solvente tenemos:

1. Solubilidad Gaseosa


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La solubilidad debe ser elevada la cual favorece el fenmenoporque aumenta el rgimen de absorcin y por otro ladodisminuye el requerimiento de solvente. Por regla general lossolventes de naturaleza qumica similar al soluto que se va aabsorber, presenta gran afinidad de solubilidad, as por ejemplo sise desea absorber benceno de los gases procedentes de unacoquera deber utilizar aceites de carcter hidrocarburfero.

2. VolatilidadLos solventes debern tener una presin de vapor baja, ya que elgas residual de una operacin de absorcin se encuentrageneralmente saturado con el solvente lo implicara que se originemuchas perdidas.

3. Corrosividad

Los equipos para absorcin emplean materiales de preciosmoderados lo cual hace que sean susceptibles de inversin, estodeber tomarse en consideracin para elegir un solvente que noorigine corrosin al ponerse en contacto con dichos materiales.

4. ViscosidadEs recomendable que los solventes posean bajas viscosidades,

ya que favorece a la velocidad de absorcin y por otro ladomejora las caractersticas de inundacin de la torre respectiva. Adems las cadas de presin del gas tambin disminuyen.

5. CostoEl solvente deber tener precios moderados, con ello las perdidasde solvente no tendra un costo significativo.

6. OtrasCaractersticas que debern tomarse en consideracin son:

o No toxicoo No inflamableo Estabilidad qumicao Tener bajo punto de congelacin

5. CALCULO DE UNA TORRE DE ABSORCION DE RELLENOEn primer lugar vamos abordar lo concerniente al dimetro de la torre; yluego los argumentos necesarios para llegar a la determinacin de laaltura de relleno.

5.1. Dimetro de una Columna de Relleno


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Para determinar el dimetro adecuado de una torre de relleno,tenemos que analizar la cada de presin sufrida por el gas que se veinfluenciado por los regmenes de flujo de gas y del lquido. Estacada de presin se indica en el siguiente diagrama:

Para una velocidad dada de gas, la cada de presin aumenta con el

aumento del flujo de lquido, debido principalmente a la reducidaseccin libre, disponible para el flujo de gas, a razn de la presenciadel lquido.En la zona que se halla por debajo de la lnea A, la cantidad delquido contenida e el relleno es razonablemente constante en elcambio de la velocidad de gas. Al llegar a la lnea A, que sedenomino punto de carga corresponde a una velocidad del gas qu ees lo suficientemente elevada como para originar el aumento dellquido retenido por el relleno. Este punto de carga nunca queda tan

rigurosamente definido.En la regin entre Ay B, la retencin liquida aumenta rpidamente enel flujo de gas y la cada de presin se acelera, y el punto donde laslneas se hacen verticales (lnea A) se denomina punto deinundacin, el mismo que representa en que la friccin del gas y delliquido es lo suficientemente grande como para que ocurra uno entreciertos cambios.

1. Puede aparecer en la porcin superior del relleno una capa delquido, a travs de la cual burbujea el gas.


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2. El liquido puede llenar la torre, comenzado en el fondo o enuna restriccin intermedia, tal como un soporte del relleno, yaque se produce all un cambio gas-liquido.

3. A travs del relleno pueden elevarse rpidamente burbujas deespuma.

No es practico operar en una torre en condiciones de inundada, lamayor parte de las torres operan justo por debajo, a la parte masbaja de la zona de carga.El punto de inundacin depende del tipo de relleno utilizado, y lacada de presin a la cual aparece, disminuye a medida que esmayos al tamao de la unidad del relleno. El punto de inundacintambin es afectado por la viscosidad del liquido, y ocurre que laperdida de presin disminuye a medida que la viscosidad del liquidoaumenta.La curva del siguiente diagrama, se ha establecido para relacionar los datos de un gran nmero de investigaciones. Es un grafico de 2funciones como se indica:


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Recomendaciones: Usar grafico de R. Treyball, en el factor (3600) deunidades de Badger.

Donde: Gv= caudal de gas en g = aceleracin de la gravedad 9.8 a= superficie especifica del relleno

= densidad del gas y liquido L, G= Caudal del liquido y gas Datos en Badger, pg. 440

Determinacin del dimetro de la Columna :1. Asumir el relleno a utilizar y ver el valor 2. Calcula el valor con las propiedades del lquido y gas a

las condiciones medias de la columna.3. Con este valor ver en el grafico a que ordenadas corresponde

utilizando la curva de inundacin.

4. Calcular el valor Gv de :

5. Calcular el cociente y de aquobtenemos el dimetro mnimo.

6. Como en la practica una torre no puede operar en lascondiciones correspondientes al punto de inundacin, esterazonamiento da el dimetro mnimo de la torre.Prcticamente se consideran como seguras las velocidades

prximas al 50% del punto de inundacin, por lo que laseccin real de la torre ser aproximadamente al doble de lacalculada, sea y de aqu determinamos el dimetroreal.

7. Comprobar los parmetros de diseo, que se cumpla que eldimetro del relleno sea 6.6 al 10% del dimetro de la torre, delo contrario repetir el procedimiento asumiendo otro relleno yas sucesivamente hasta que se cumpla esta condicin.


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5.2. Balance de Masa

G,G2,Y2,y2

L,L2,X2,x2

G,G1,Y1,y1

L,L1,X1,x1

1

2

Donde:L= liquido puro, expresado como flujo msico,*+ L2= liquido mas gas a la entradaL1= liquido mas gas a la entradaG= gas puro (inerte) expresado como flujo msico,*+ G1= fase gas con soluto a la entrada (+ concentracin)G2= fase gas con soluto a la salida (- concentracin)y= fraccin molar de la fase vapor x= fraccin molar de la fase liquida

Y= cociente molar de la fase vapor X= cociente molar de la fase liquida G' y L' = flujo de gas y de liquido en el interior de la torre

La relacin entre las fracciones molares y los cocientes molaresviene dado por las ecuaciones:

En la fase gas:


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p= presin parcial del solutoP= presin total

Por balance de masa, se establece tambin la relacin que existeentre: la fase vapor, fase liquida a la entrada y salida (G

1, G

2, L

2, L

1)

y el gas inerte G y el liquido puro L.Mediante las siguientes ecuaciones:

Balance de masa en a columna:En funcin de fracciones molares:

En funcin de cocientes molares:

Ecuacin que define la recta de trabajo, la cual puede ser trazada conociendo las condiciones de entrada y salida,adems los flujos L y G

5.3. Balance de Masa en una Seccin de la Columna

Sea ahora una seccin de la columna, y uno de los puntos en que lasconcentraciones de liquido y gas son X y Y. En otra seccin situada a


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una altura dZ sobre la primera; la concentracin de liquido es X+dX yla del gas Y+dY. Al lquido de caudal molar L, a pasado una cierta cantidad de gas,que se ha absorbido, dado por la expresin: LdX, por otra parte esigual ala cantidad de componente que ha perdido gas dado por laexpresin GdY, sea:

5.4. Transporte de Masa en torres de Absorcin de RellenoEstudiemos ahora el problema desde el punto de vista de la difusin.

En el contacto lquido gas se ha demostrado la existencia de 2 capasde difusin separadas por una interfase en la que el lquido y el gastienen composiciones de equilibrio.

Balance:


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La ley de difusin establece la proporcionalidad que existe entre lacantidad de sustancia transportada en la unidad de tiempo y unidadde rea, y la gradiente de concentraciones responsables deltransporte, sea:

El subndice indica las concentraciones en la interfase, pi y Ci estnpor tanto en equilibrio. As, pues la absorcin de un componente por unidad de superficie yunidad de tiempo, es proporcional a la diferencia de concentracionesentre el cuerpo principal de la fase y la interfase. De tal manera quekG y kL son los coeficientes de transporte en las fases gas y liquido,respectivamente.El valor NA tiene que ser el mismo en las 2 ecuaciones, pues no sepuede admitir la acumulacin del componente A(soluto) en lainterfase sea:

Ante la imposibilidad de aplicar esta ecuacin, por no conocer lasconcentraciones de la interfase, se recurre a un mtodo aproximado,sustituyendo lo potenciales reales de difusin por otros ficticios quese determinan fcilmente. La ecuacin de transporte se escribe as:

Donde:p* es la presin de equilibrio con el liquido de concentracin C.C* es la concentracin de equilibrio con la presin de vapor p delgas.Los coeficientes globales pueden relacionarse con los coeficientesindividuales de transporte mediante expresiones sencillas. Bastapara ello suponer que la curva de equilibrio es recta dentro de unpequeo intervalo de concentraciones.Relacin entre KG, KL y kG, kL, imaginemos una curva de equilibriodado por el grafico a continuacin, suponemos en esta recta elsegmento P1P2. El punto P cuyas coordenadas en (c, p) representaun estado global del sistema bifsico, y es un punto cualquiera de larecta de operacin.El punto Pi tiene por coordenadas (Ci, pi) y esta sobre la curva deequilibrio.


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Pendiente:

Tenemos que:

(A)

y: (B)Comparando las 2 ecuaciones:

De aqu se obtiene:

Segn el grafico: Remplazando:

Adems de (B):


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Remplazando en (C):

Siguiendo una marcha anloga se establece:

Adems se establece que:

5.5. Ecuacin General para el Clculo de Torre de Relleno

En las 2 secciones anteriores se llego a establecer:1. Mediante un balance de masa:

GdY=LdX2. Mediante el transporte de masa

Adems sabemos que:

Si, GdY es la cantidad de gas que se disuelve en la fase liquida y N A es la cantidad de gas que se transfiere de la fase gas a la fase

liquida, se concluye fcilmente que:


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Siendo dA el rea de contacto o de transferencia.Como normalmente no se conoce al rea de transferencia, sea alrea de contacto liquido gas; se recurre al siguiente artificio:

Si a representa el rea interfacial de relleno por unidad devolumen; el rea contenida en el volumen dV de la torre ser:dA=adV, y si S representa la seccin de la torre SdZ=dV siendo dZuna altura del relleno, sea:

Con lo que obtenemos:

Segn la ley de Dalton: y P= presin total de la fase gas

Como:

Tambin podemos definir:

Siendo: G= flujo de la fase gas (inerte + soluto) en el interior de latorre (variable).y= fraccin molar de G' (variable)

Remplazando:

sea:

Nota: Integracin desde y2 o y1 porque la salida del gas y2 es menos

concentrado que a la entrada y 1.


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En forma anloga para la fase liquida:

Poniendo la correccin de concentracin:

Donde: L'= flujo fase liquido en el interior de la torre (variable)

=fraccin molar de L' (variable)

NOTA los parametros p y c que aparecen como de correcion decocentraciones, se usan o no, ya que todo depende de las unidadesque se quiera dar a los coefcientes KG o KL, respectivamente.En este analisis hemos hecho uno de p y c, solo para hacer caer encuenta de esta circunstancia.

5.6. Concepto de Unidad de TransferenciaExaminando las formas integradas de las ecuaciones de velocidadde transferencia de masa (5.4-1) y (5.4-2), se ve que el valor

numrico de las integrales es una medida de la dificultad de laoperacin.En cualquiera de estas 2 ecuacions, cuanto mayor sea elvalor de la integral, mayor altura necesitara la torre. Si una unidad detransferencia se define de forma que cuanto mayor sea la dificultadde la separacin; mayor numero de unidades sern necesarias, esdecir:

o

Donde:NOG= numero de transferencia referido fase gas


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NOL= numero de transferencia referido fase liquido= altura de la unidad de transferencia fase gas= altura de la unidad de transferencia fase liquida

El primer trmino de las ecuaciones anteriores puede definirse enfuncin de las integrales

y

Puede encontrarse la relacin entre el numero de unidades detransferencia y los coeficientes de transferencia de masa,comparando los segundos trminos de las ecuaciones anteriores:

5.7. Casos Particulares

a. Cuando para un proceso de absorcin se trabaja consoluciones diluidas, los cocientes molares son prcticamenteiguales a las fracciones molares. Para esta situacin se puedeutilizar las ecuaciones generales de calculo, de la formasiguiente:

b. El clculo del nmero de unidades de transferencia puedesimplificarse para aquellos casos en la que la recta de trabajoes casi paralela a la curva de equilibrio en el sector queinteresa efectuar las separaciones. Utilizando la siguienteecuacin:


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= diferencia de concentracin media logartmica

referida la fase gas.

Los subndices e, s representan entrada y salidrespectivamente.

El clculo tambin se lo puede hacer e forma anloga referidaa la fase liquida.

5.8. Resumen del Clculo1. Trazar la curva de equilibrio en funcin de fracciones molares

2. Trazar la recta de trabajo a partir de las condiciones deentrada o de salida y de la pendiente. Para esto es necesarioestablecer la pendiente de la recta de operacin

[ ].Entonces, en la ecuacin de balance total de materiaquedan 2 incgnitas, la cantidad de lquido absorbente L y suconcentracin final . Porque normalmente se conoce G flujo

de gas, concentraciones de entrada y salida de gas.


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Si fijamos L se conoce o se procede al revs. La cantidad delquido absorbente L a fijar se puede hacerlo por consideraciones econmicas ya que generalmente de esteflujo depende el costo de la operacin. Para esto se puede

primero hallarse el valor mnimo de la relacin grficamente.

Condiciones de la parte superior.Luego despus se estima la relacin ( ) tomandovalores ligeramente superior al ( ) .Criterios

a. El valor ( ) esta alrededor de un (20-30%) masque la ( ) .

b. Segn Colburn* para observacin recomiendo losvalores de: Absorcin: Desorcin: m= pendiente de la curva de equilibrio

3. Calcular el nmero de unidades de transferencia


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4. Calcular el dimetro de la columna.5. Calcular el coeficiente total de transferencia de masa KG

mediante la correlaciones de Chilton y Colburn 6. Calcular la altura de la unidad de transferencia,

7. Determinar la altura Z de relleno

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