Absorcion gaseosa

ABSORCIร N

DE GASES

Operaciones Unitarias III

Prof. Ing. Yolimar Fernรกndez

ABSORCIÓN DE GASES Es una operación unitaria que consiste en poner en contacto una mezcla gaseosa con un líquido (disolvente), para disolver selectivamente uno o más componentes.

El soluto se transfiere del gas al líquido.

Esquemáticamente un proceso de este tipo es: Gas portador

Mezcla gaseosa (componente a separar + gas portador)

Operaciones Unitarias III

Líquido absorbente

Cuando la transferencia de masa ocurre en sentido inverso (el soluto pasa de la corriente líquida a la gaseosa), la operación se conoce como DESORCIÓN.

Líquido (Componente gaseoso separado)

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APLICACIONES DEL PROCESO 1

Separación de líquidos contenidos en gas natural.

2

Eliminación de gases tóxicos en los procesos.

3

Absorción del oxígeno del aire en procesos de fermentación.

4

Producción industrial de disoluciones ácidas o básicas en agua (ácidos clorhídrico, sulfúrico y nítrico o hidróxido amónico.

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TIPOS DE TORRES DE ABOSRCIÓN Vapor

 Torres de platos perforados.

Vapor burbujea hacia arriba por las aberturas del plato y pasa a través del líquido.

• Diámetro de las aberturas: 3 - 12 mm.

Canilla inferior Líquido

• Área de vapor en el plato: 5 - 15 % del plato.

• El líquido se conserva sobre la superficie del plato y no puede fluir hacia abajo a través de las aberturas, porque se lo impide la energía cinética del vapor o gas.

• La profundidad del líquido sobre el plato se mantiene mediante un vertedero de salida.

• El líquido fluye hacia el plato inferior a través de la canilla.

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TIPOS DE TORRES DE ABOSRCIÓN  Torres de plato de válvula.

Consiste en un plato con aberturas y una cubierta de válvulas con movimiento vertical para cada abertura que proporcionan área abierta variable.

 Torres de plato de capuchones.

El vapor o gas se eleva por aberturas del plato hacia el interior de los capuchones.

Fluye por las ranuras de la periferia de cada tapa y las burbujas fluyen a través del liquido que desciende.

Vapor

Líquido

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TIPOS DE TORRES DE ABOSRCIÓN  Torres empacadas.

Estas disponen de: • Entrada de gas y espacio de distribución al fondo.

• Entrada de líquido y dispositivo de distribución en la parte superior.

Salida de gas

• Salida de gas en parte superior.

• Salida de líquido en el fondo.

• Empaque o relleno

Entrada de líquido

•El empaque proporciona una extensa área de contacto íntimo entre las fases.

Relleno

Salida de líquido

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Entrada de gas

EMPAQUES O RELLENO Tipos de rellenos

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

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EMPAQUES O RELLENO Características de los rellenos Son de material inerte: arcilla, porcelana, grafito, PVC.  Deben ser económicos.  Los buenos empaques deben proporcionar espacios vacíos del orden del 60 a 90%.  El relleno permite volúmenes relativamente grandes de líquido, con caídas de presión relativamente baja.  Químicamente inerte frente a los fluidos de la torre.  Resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo.  Proporcionan un buen contacto entre el líquido y el gas.

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SELECCIÓN DEL DISOLVENTE

Solubilidad

Viscosidad

Selección del disolvente

Corrosividad y costos

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Volatilidad

Otras consideraciones

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SELECCIÓN DEL DISOLVENTE

Solubilidad

 Debe ser elevada, aumentando así la efectividad de absorción y por lo tanto disminuye la cantidad necesaria del solvente.  Cuanto más baja es la presión parcial del gas disuelto en la solución de concentración dada, se dice que es más soluble.

 El solvente debe tener una presión de vapor baja, debido a que el gas saliente en la operación de absorción generalmente esta saturado con el disolvente y puede perderse una gran cantidad.

Viscosidad

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Volatilidad

 Debe ser baja para favorecer la absorción y además mejorar las características de inundación en las torres de absorción y mejora las características de transferencia de calor.

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SELECCIÓN DEL DISOLVENTE

Corrosividad y costos

 Debe ser poco corrosivo para evitar desgastes y permitir mejor economía.  Económico, así las perdidas no resultan costosas.

 El solvente en lo posible deberá ser no tóxico, no inflamable, químicamente estable y deberá tener un alto punto de congelación.

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Otras consideraciones

PÉRDIDAS DE PRESIÓN Y CAPACIDAD DE UNA TORRE EMPACADA

 A flujos de gas bajos, el líquido fluye hacia abajo a través del empaque casi sin influencia del flujo ascendente de gas. Si el flujo de gas aumenta llega a un punto llamado PUNTO DE CARGA, en donde comienza a impedir el flujo descendente de líquido y producirse acumulaciones o piscinas localizadas en el empaque.

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D’ D

Log de la caída de presión

 En una torre empacada, con cierto tipo y tamaño de relleno y con un flujo conocido de líquido, existe un límite máximo para el flujo de gas, llamado VELOCIDAD DE INUNDACIÓN. La torre no puede operar a un flujo superior al indicado.

C’

C Zona de carga

B’ B

A’

A

Log del flujo de gas

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PÉRDIDAS DE PRESIÓN Y CAPACIDAD DE UNA TORRE EMPACADA  En el punto de inundación, el líquido ya no puede seguir fluyendo a través del empaque y sale expulsado con el gas. En una operación real de una torre, el flujo de gas debe mantenerse por debajo del punto de inundación.

Salida de gas

Entrada de líquido

Relleno La velocidad óptima económica de flujo de gas es aproximadamente la mitad de la velocidad de inundación.  Las torres empacadas permiten incrementar el tiempo de contacto, aumentando así la eficiencia de la separación.

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Salida de líquido

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Entrada de gas

VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA EN LA TORRE DE RELLENO

Cuando el gas que contiene el soluto que se desea recuperar entra a la torre, la temperatura dentro de la ella varía, y este gradiente de temperatura afecta a la forma de la línea de equilibrio.

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La velocidad de absorción es mayor a la entrada del gas a la torre, y el calor de condensación y disolución del componente absorbido es suficiente para provocar un aumento considerable de la temperatura del líquido.. Este calor que líquido se desprende es denominado CALOR DE DISOLUCIÓN..

DISOLUCIÓN

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En la mayor parte de las torres alimentadas con una corriente de gas diluida, el gradiente de temperatura en la columna es pequeño y la línea de equilibrio es aproximadamente recta.

EFECTO DE LA SOLUBILIDAD DE GASES EN LÍQUIDOS EN FUNCIÓN DE LA PRESIÓN Y TEMPERATURA

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EQUILIBRIO GAS - LÍQUIDO

Soluciones Líquidas Ideales • Cuando la mezcla gaseosa en equilibrio con una solución líquida ideal sigue también la ley de los gases ideales, La presión parcial (p*) de un soluto gaseoso A es igual al producto de su presión de vapor (po) a la misma temperatura por su fracción molar de la solución (x). Ley de Raoult. * *  p o .xo p p  p .x

• Se aplicar Raoult en los siguientes casos: • Presión total baja y solución líquida son considerada ideales • A presión total alta, se trabaja con la ecuación de fugacidades en vez de las presiones y cuando la solución líquida resultante no es ideal.

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EQUILIBRIO GAS - LÍQUIDO

Soluciones Liquidas No Ideales • Ley de Raoult reporta resultados muy incorrectos.

Entonces se utiliza la ecuación de la LEY DE HENRY * p Y *  o  m.x p • Donde: m es una constante. La Ley de Henry no es aplicable en un rango amplio de concentraciones.

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BALANCE DE MASA EN UNA COLUMNA DE RELLENO 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.

L2

X2 x2

Ls

2 P

P2 Y2 y2

G2

Gs

T

L1

X1 x1

Ecuaciones de transformación

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1

P1 Y1 G 1 y1

L LS =L (1-x) = 1+X

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)

x=

X 1+X

Y P G y= = GS =G(1-y) = 1+Y PT 1+Y

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

X=

 Y=

x 1-x

y P = 1-y PT -P