Tema 4 psia

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


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


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.


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




Equipos en los que se produce la absorción/desorción de gases

Columnas de relleno

Columnas de platos




Columnas de relleno

Entrada de gas

Salida de gas

Entrada de

líquido

Salida de líquido

Relleno




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




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



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


Diámetro de la columna

Caudales de las dos fases

Tipo de relleno.

Otros parámetros de diseño:


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?



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


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



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


P1

Y1

y1

G1

G2P2

Y2

y2

X1

x1L1

L2

X2

x2

PT

TLs Gs

1

2




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




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.






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

−





( ) ( )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

dΔYG G GY Y Y YdYh= · · ·

ΔY ΔYK ·a Y K ·aΔY ΔY Y K ·aY

lnY

∆

∆

− −= = −∆ − ∆ ∆ ÷∆

∫ ∫

S 1 2

Y ml

G Y Yh= ·K ·aΔY

−



S 1 2

Y ml

G Y Yh= ·K ·aΔY

−

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

dΔXL L X XdXh= · ·K ·a X K ·aΔX 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 ·aΔX

−=





2.2 Otros elementos de diseño

2.2.1 Caudal volumétrico de líquido


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.


3 OTROS EQUIPOS DE ABSORCIÓN

3.1 Columnas de platos




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)




3.2 Columnas de paredes mojadas



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 ·aΔY

− S 1 2

X ml

L X Xh ·

K ·aΔX

−=

(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


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