UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS

UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS

Camarillo García J. Pablo RamónLuévano Rivas O. AbelRegalado Oliva OrlandoTavizón Pozos J. Andrés

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ABSORCIÓN

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INTRODUCCIÓN

La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla gaseosa se pone en contacto con un líquido, a fin de disolver de manera selectiva uno o más componentes del gas y de obtener una solución de éstos en el líquido.

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FORMAS DE ABSORCIÓN

Absorción física. No existe reacción química entre el adsorbente y el soluto, sucede frecuentemente cuando se utilizan hidrocarburos o agua como disolvente.

Absorción química. Se da una reacción química en la fase liquida, lo que ayuda a que aumente la velocidad de la absorción. Útil para transformar los componente nocivos presentes en el gas de entrada en productos inocuos.

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CARACTERÍSTICAS

Todas las absorciones básicas visualizadas en un proceso intermitente:

El gas y el liquido se ponen en contacto en un aparato adecuado.

Las dos fases se aproximan en el equilibrio.

Las fases gas-líquido se separan.

La trasferencia depende de:

Concentraciones en el gas y en el líquido.

Los coeficientes de transferencia de masa en cada fase.

La solubilidad del material en el liquido.

Área interfasial provista por el dispositivo de contacto.

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Factores generales de diseño

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DISEÑO DE TORRES DE RELLENO

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TORRES DE RELLENO Consiste en:Entrada y distribuidor de gas

en la parte inferior.Entrada de líquido y un

distribuidor en la parte superior.

Salidas para el gas por cabeza Salida de Líquido por cola.Masa soportada de cuerpos

sólidos inertes (relleno de la torre).

Soporte, ha de tener una gran fracción de área libre de forma que no se produzca inundación en el plato de soporte.

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ETAPAS EN TORRES DE RELLENO

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REQUERIMIENTOS DEL RELLENO.

Químicamente inerte frente a los fluidos de la torre. Resistencia mecánica sin tener un peso excesivo. Pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva

retención de líquido o caída de presión. Proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas. Coste razonable.

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CONTACTO ENTRE LÍQUIDO Y GAS Las películas tienden a hacerse más gruesas en unas zonas

y más delgadas en otras. Forman pequeños arroyuelos. Para bajas velocidades una gran parte de la superficie del

relleno puede estar seca o recubierta de una película estancada del líquido.

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VELOCIDADES DE FLUJO LIMITE: CARGA E INUNDACIÓN.

Velocidad de inundación es el limite de velocidad de flujo del gas. Puede encontrarse por medio de:

La relación entre la caída de presión del lecho de relleno y la velocidad de flujo del gas.

A partir del líquido retenido en el relleno

Observación visual del relleno

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La caída de presión por unidad de altura de relleno se debe a la fricción del fluido

Se representa en coordenadas logarítmicas frente a la velocidad del flujo del gas Gy (Kg de gas/m2hr) de sección transversal de columna supuestamente vacía.

Cuando el relleno está seco:

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Velocidades Cada de presión

Bajas o moderada

Proporcional a 1.8

Velocidad elevada

La presión aumentarápidamente para un incremento de la velocidad.

Lacantidad de líquido retenido por el relleno permanece constante

“Punto de carga", el flujo del gas comienza a impedir el movimiento descendente del líquido. Aparecen acumulaciones locales de líquido puntos del relleno

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La velocidad óptima es del orden del 50% de la velocidad de inundación. Se presentan correlaciones para estimar las velocidades de carga e inundación.

EC. 1

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FUNDAMENTOS DE LA ABSORCIÓNLos cálculos de la altura de torre se

basan en balances de materia, balances de entalpía y en estimaciones de la fuerza impulsora y de los coeficientes de transferencia de materia.

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BALANCES DE MATERIA.

La torre de absorción es un aparato de contacto diferencial, y como tal no hay variaciones bruscas de composición sino que la composición varía de forma continua de un extremo a otro de la columna.

Balance total:

Balance del componente extraído:

EC. 2

EC. 3

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V= velocidad de flujo molar de la fase gaseosa L=la de la fase líquida en el mismo punto de la torre. Las concentraciones x e y corresponden a las fases Las ecuaciones de los balances globales de materia,

basadas en las corrientes externas, son: Balance total.

Balance de las corrientes de salida

La ecuación de la línea de operación para una planta de contacto diferencial.

EC.4

EC. 5

EC. 6

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RELACIÓN GAS LIQUIDO LIMITANTE

La EC. 6 indica que la pendiente media de la línea de operación es igual a L/V, la relación entre los flujos molares de líquido y gas. Así, para un determinado flujo del gas, una reducción del flujo de líquido provoca una disminución en la pendiente de la línea de operación.

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La máxima concentración del líquido y la mínima velocidad de flujo del líquido posible se obtienen cuando la línea de operación toca a la línea de equilibrio, tal como corresponde a la línea ab’.

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VARIACIONES DE TEMPERATURA EN TORRES DE RELLENO

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VARIACIONES DE TEMPERATURA EN TORRES DE RELLENO

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VELOCIDAD DE ABSORCIÓN La altura de relleno depende de la velocidad, que

por otra parte, depende de la velocidad de transferencia de materia a través de las fases de líquido y gas.

1. - No se considera la posibilidad de reacciones químicas entre el componente absorbido y el líquido.

2. - Se desprecia el calor de disolución.

La velocidad se puede expresar de cuatro formas diferentes utilizando coeficientes individuales o globales basados en las fases gaseosa o líquida.

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VELOCIDAD DE ABSORCIÓN

Velocidad de absorción por unidad de volumen de la columna de relleno.

Donde y y x son la fracción molar del componente que se absorbe.

EC. 7

EC. 10

EC. 9

EC. 8

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VELOCIDAD DE ABSORCIÓN La composición de la interfase (yi, xi) se puede obtener a

partir del diagrama de la línea de operación utilizando las EC’S 7 y 8.

No es preciso conocer las composiciones en la interfase, pero estos valores se utilizan para los cálculos cuando intervienen gases ricos o cuando la línea presenta una fuerte curvatura.

Los coeficientes globales se obtienen a partir de kya y kxa utilizando la pendiente local de la curva de equilibrio:

EC. 11

EC. 12

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CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA TORRE

La elección de un coeficiente de película gaseosa no requiere ninguna suposición acerca de la resistencia controlada. Aun cuando la película de líquido sea controlante, un diseño basado en Kya resulta tan sencillo y exacto como si se basase en Kxa o en kxa.

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La sección transversal es S y el volumen diferencial correspondiente a la altura dZ es SdZ.

Si se desprecia la variación del flujo molar V, la cantidad absorbida en laaltura dZ es - Vdy, que es igual a la velocidad de absorción multiplicada por el volumen diferencial.

EC. 13

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Integrando analíticamente porque Y y y* varían linealmente con x.

Donde:

Para líneas de operación y equilibrio rectas, el número de unidades de transferencia es igual a la variación de concentración dividida por la fuerza impulsora media logarítmica:

EC. 14

EC. 15

EC. 16

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La altura global de una unidad de transferencia es la altura de una sección de relleno que se requiere para conseguir una variación de concentración igual a la fuerza impulsora media existente en la sección. Hay cuatro tipos de unidades de transferencia,

basados en fuerzas impulsoras individuales o globales para las fases gaseosa y líquida:

EC. 17

EC. 18

EC. 19

EC. 20

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FORMAS ALTERNATIVAS DE LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA.

Los datos experimentales para el coeficiente de película de gases en mezclas diluidas puede correlacionarse en términos de:

El efecto de la temperatura, está número de Schmidt. Tanto k'y como Hy son independientesde la presión.

EC. 21

EC. 22

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Se utiliza para corregir los datos disponibles de absorción del soluto A en un gas para empaque específico, a absorción del soluto E en el mismo sistema y con idénticas velocidades de flujo de masa.

Las correlaciones para los coeficientes de película de líquidos en mezclas diluidas señalan que Hx es independiente de la velocidad del gas dentro de ciertos límites:

EC. 23

EC. 24

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HEURÍSTICAS DE LA ABSORCIÓN

Operar a la presión de alimentación (normalmente mayor que la presión atmosférica) y a temperatura ambiente).

En torres altas (presentan mayor canalización), deben reincorporar redistribuidores.

La suposición de equilibrio en la interfase no puede aplicarse si las velocidades de transferencia de materia son muy elevadas o si se acumulan espumas en esta.

En la desorción se debe operar a presión ligeramente superior a la atmosférica y a una temperatura que de inicio a reacciones químicas.

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APLICACIONES

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APLICACIONES

Retirar contaminantes de una corriente producto que pueden afectar a la especificación final o grado de pureza.

La presencia de ciertas sustancias puede afectar a las propiedades globales de un producto.

Se utiliza para eliminar:1. Olores, humos y otros componentes tóxicos. 2. SO2, H2S, H2SO4, HCl, NOx, Cl, CO2, NH3, HF, 3. Aminas, mercaptanos, óxido de etileno, alcoholes,

fenol, formaldehido, ácido acético.

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CONCLUSIONES La absorción es fundamental para la purificación

de las sustancias útiles en el proceso. Tipos variados para distintos procesos. Paso preliminar para la destilación. Se debe de controlar principalmente la presión. Proceso muy utilizado. Columnas para experimentación y para

producción. El diseño de una torre de absorción, involucra

una serie de condiciones basadas en la velocidad de absorción, los flujos volumétricos de gas, las variaciones de temperatura englobados en coeficientes de trasferencia

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REFERENCIAS

McCabe, W.L., J.C. Smith y P Harriot; “Unit Operations of Chemical Engineers”; 5a. edición; McGraw-Hill; New York (1995).

Sherwood, T.K., R.L. Pigford, y C.R. Wilke; “Mass Transfer”; McGraw-Hill; Tokyo (1975).

Treybal, R.E.; “Mass Transfer Operations”; 3a. edición; McGraw-Hill; New York (1980).

Seader, J. D.; “Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería química”; 2ª. edición; Reverte; España (1990).

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