absorción en torre de platos (1)
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ABSORCIÓN
Prof. Debora Nabarlatz
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• 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
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•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
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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
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• 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
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Fundamentos
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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
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Fundamentos
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Fundamentos
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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
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• 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
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EQUILIBRIO LÍQUIDO - GAS
Gráfica de equilibrio Sistema SO2
– H2
O a 20ºC
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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
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• 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
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Curvas de solubilidad
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• 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
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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.
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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.
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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.
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• 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
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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….
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• 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
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• 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
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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
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Perfil de
concentraciones en
absorción:el concepto de la
doble resistencia:
- Gas a la interfase
- Interfase al líquido
TRANSFERENCIA DE MASA INTERFACIAL
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TRANSFERENCIA DE MASA INTERFACIAL
El flujo del soluto transferido (NA) se calcula como:
Escribiendo NA en función de los distintos gradientes, se
calcula:
[1][2]
[3]
[4]
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TRANSFERENCIA DE MASA INTERFACIAL
Igualando 1 y 2:
[5]
[6]
Arreglando la ecuación 6: Cociente de las fuerzas impulsoras
Gas – Líquido (pendiente de la recta)
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TRANSFERENCIA DE MASA INTERFACIAL
En un diagrama x – y (análogo a P – C):
Pi y Ci son difíciles de
medir.
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• 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.
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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.
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EQUIPOS PARA ABSORCIÓN
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• 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
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•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
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• 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
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TORRES RELLENAS
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• 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
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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:
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• 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
CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA TORRE:
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Fuerza impulsora
Fuerza impulsora
CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA TORRE:Nº DE ETAPAS
CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA TORRE:
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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).
CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA TORRE:Nº DE ETAPAS
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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
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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’
BALANCES EN LA TORRE
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BALANCES EN LA TORRE
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Diagrama en fracción molar Diagrama en base inerte
BALANCES EN LA TORRE
MÉTODO ALGEBRAICO: BALANCES
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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
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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
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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
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MÉTODOS GRÁFICOS: MC CABE THIELE
Cálculo del número de etapas:
É
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Cálculo del número de etapas: Desorción
MÉTODO Mc Cabe - Thiele
ó / í
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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
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Relación L’/G’ mínimo
Cál l é d áfi
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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
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Cálculo por método gráfico
Cál l é d áfi
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Cálculo por método gráfico
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
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Cálculo por método gráfico
BIBLIOGRAFIA
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[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?