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Tecnologas avanzadas de tratamiento de efluentes gaseosos

TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN

1. Introduccin.1.1. Tipos de contaminantes atmosfricos.

1.2. Mtodos de depuracin de efluentes gaseosos (intrnsecos y extrnsecos).

2. Procesos de sorcin.2.1. Equilibrio entre fases.

2.2. Difusin molecular y transporte turbulento.

2.3. Coeficientes de transferencia de materia.

3. Absorcin.3.1. Conceptos generales.

3.2. Equilibrio en absorcin.

3.3. Equipos para el contacto gas-lquido.

3.4. Diseo de torres de absorcin.

3.5. Absorcin con reaccin qumica.

4. Adsorcin.4.1. Conceptos generales.

4.2. Equilibrio en adsorcin.

4.3. Isotermas de adsorcin.

4.4. Equipos para el contacto gas-slido.


Atendiendo a su estado fsico:

- Partculas en suspensin

- Vapores (gases condensables)

- Gases (gases permanentes)

1. 1. IntroduccinIntroduccin

Contaminante Estado Fsico %

CO Gas 54

Hidrocarburos Vapor 13

Materia en suspensin Slido 12

SO2 Gas 12

NOx Gas 9

Mtodos de depuracin de contaminantes gaseososMtodos de depuracin de contaminantes gaseosos

Mtodos Intrnsecos:

- Mejoras de proceso

- Cambio de materias primas

Tipos de contaminantes gaseososTipos de contaminantes gaseosos

Mtodos Extrnsecos:

- Captacin de partculas

- Absorcin con lquidos

- Adsorcin en slidos

- Combustin ordinaria o cataltica

Fase Gas

Fase Lquida

Absorcin

FASE I

FASE II

Adsorcin


2. 2. Procesos de Procesos de sorcinsorcin

Fase Gas

Fase Slida

Aire

Agua

NH3


1 Equilibrio

2 Absorcin

3 Desorcin


Equilibrio entre fasesEquilibrio entre fases

NH3NH3

Conc. soluto

en fase G

Conc. soluto

en fase L

y

x

s m

A mol2dx

dCDN AABA =

Rgimen Laminar: Ley de Fick ( )AAA CCkN 0 =Rgimen Turbulento:

iLC

LC

GC

iGC



Difusin molecular y transporte turbulentoDifusin molecular y transporte turbulento

i iA G G G L L LN k (C - C ) k (C - C )= =

Conc. soluto

Z

Fase G Fase L

Conc. soluto

en fase G

Conc. soluto

en fase L



CG

CL

CGi

CLi


Coeficientes de Coeficientes de tranferenciatranferencia de materiade materia

iLC

LC

GC

iGC


Conc. soluto

Z

Fase G Fase L

1

2

A y i x iN k (y - y ) k (x - x)= =

Intermitente Continuo

3. Absorcin3. Absorcin

Contacto en contracorriente


L

G

Conceptos generalesConceptos generales

1

2

y1x1

y2x2

Aspectos que afectan al diseo:

- Seleccin del disolvente

- Datos de equilibrio

- Seleccin del equipo de contacto

- Dimensionado del equipo (altura y

dimetro)



Equilibrio en absorcinEquilibrio en absorcin

A A AP H x=

Ley de Henry:

PA: Presin parcial

HA: Constante de Henry

xA: Fraccin molar lquido Ley de Henry

Curvas de equilibrio en absorcin

PA

xA

T = 10C

T = 20C

T = 30C1/HA

T

NH3

SO2

CO2

H2

Equilibrio en absorcin de acuerdo con la ley de Henry

i iA G A A L L LN k (P - P ) k (C - C )= =

iLC

LC

AP

iAP

Conc. soluto

Z

Fase G Fase L



Equipos para el contacto gasEquipos para el contacto gas--lquidolquido

Dispersin del gas. Torres de platos Dispersin del lquido. Torres de relleno



Equipos para el contacto gasEquipos para el contacto gas--lquidolquido

Intermitente Continuo



Diseo de torres de absorcinDiseo de torres de absorcin

Soluto perdido por el gas = soluto absorbido por la fase lquidaL

G

y+dy x

y x+dx

A y i x iN k (y - y ) k (x - x)= =

- d(Gy) = - d(Lx)

dz

G (Y+dY) - GY = GdY L (X+dX) - LX = LdX

G: caudal molar de inerte

L: caudal molar de disolvente

yY

1 y=

x

X1 x

=

Y: moles de soluto/moles de inerte

X: moles de soluto/ moles de disolvente

G 'Y Gy=

A y e x eN dA k aS(y - y )dh k aS(x - x)dh= =

A y e 2

dyN dA k aS(y - y )dh G 'dY G '

(1 y)= = =

G ' G(1 y)= L ' L(1 x)=

L'X Lx=

2

1dY dy

(1 y)=

2

1dX dx

(1 x)=

2

1

h Y

0 Yy e

G ' dYdh

k a S y y=

1

2

y

2yy e

G ' dyh

k a S (y y )(1 y)=

1

2

x

2xx e

L ' dxh

k a S (x x)(1 x)=

1

2

- GdY = - LdX




L

G

y+dy x

y x+dx

dz

A y e 2

dyN dA k aS(y - y )dh G 'dY G '

(1 y)= = =

2

1

h Y

0 Yy e

G ' dYdh

k a S y y=

1

2

y

2yy e

G ' dyh

k a S (y y )(1 y)=

yY

1 y=

x

X1 x

=

Yy

1 Y=

+X

x1 X

=+

1

2

Y

Yey

e

G ' dYh

YYk a S

Y 1 Y 1

=

+ +

A A AP H x=

Ley de Henry:

AP Hy xP P

= =

AP Hx=

1

2

X

Xex

e

L ' dXh

X Xk a S

X 1 X 1

=

+ +

Px y

H=

1

2

x

2xx e

L ' dxh

k a S (x x)(1 x)=

XY

P P1 X

H H

= +

PY

HXP

1 Y 1H

= +

1

2

h = HGNG = HLNL




G, y1

Y2 X2

1

2

y

2yy e

G ' dyh

k a S (y y )(1 y)=

yY

1 y=

x

X1 x

=

Ley de Henry:

Ae

P Hy x

P P= =

2 2G '(Y Y ) L '(X X ) =

2 2

L ' L 'Y X (Y X )

G ' G '= +

e

Px y

H=

1

2

x

2xx e

L ' dxh

k a S (x x)(1 x)=

x L tk k C=

Y1 X1

1 2 1 2G '(Y Y ) L '(X X ) =

A G A Ae L eN dA k aS(P - P )dh k aS(C - C)dh= =

A y e x eN dA k aS(y - y )dh k aS(x - x)dh= =

y Gk k P=

L, X2

Y X

Y2

1 1 2 2

G 'X (Y Y ) X

L '= +

X Y x y xe Term x

X2

.

.

.

X1

1

2

Yy

1 Y=

+X

x1 X

=+


Gas A Reactivo B

SO2 Ca(OH)2, CaCO3, MgO, MnO, MnO2, Na2CO3,

NaHSO3, NH3, citrato, formiato

SO3 H2SO4NOx NaOH, Na2CO3, Na2SO3, FeSO4, H2SO4, Urea

CO Complejos cuprosos

CO2 CO3=, OH-, etanolaminas

SH2 Etanolaminas, Fe(OH)3, Na2CO3Cl2 FeCl2C2H4 Fosfatos trialqulicos, KOH

Absorcin con reaccin qumicaAbsorcin con reaccin qumica

Regmenes cinticos:

a) Reacciones rpidas

b) Reacciones intermedias

c) Reacciones lentas


Gas

Lquido

A

A + B C

Conc. soluto

Z

iLC

GC

iGC

Masa

global

de gas

Pelcula

gaseosa

lmite

Pelcula

lquida

lmite

Masa

global de

lquido

FASE I

Fase fluida

Adsorcin


4. 4. AdsorcinAdsorcin

Fase Gas

Fase SlidaFASE II

Adsorbente

Adsorbato

Adsorbentes ms utilizados:

-Arcillas naturales, arcillas activadas

-Diatomita, dolomita

-Bauxita, almina, almina alcalinizada

-xidos de hierro, zinc

-Carbn de huesos, carbn vegetal, carbn activado

-Polmeros sintticos

-Gel de slice

-Tamices moleculares (zeolitas sintticas)


Aplicaciones industriales:

-Deshumidificacin

-Eliminacin de olores, colores y sabores

-Eliminacin de gases contaminantes (SH2)

-Suavizamiento y desionizacin de agua

- Fraccionamiento de hidrocarburos

- Purificacin de frmacos




Equilibrium

Early

Later

Adsorbed Molecule

Diffusing Molecule

Pore

GAC Particle

LaminarBoundaryLayer



Modelos para describir el equilibrio de adsorcin:

-Modelo de Langmuir

-Modelo de Freundlich

-Modelo BET

Equilibrio en adsorcinEquilibrio en adsorcin

Adsorcin

Fase Gas

Fase Slida

Adsorbato

Curvas de equilibrio en adsorcin

PA

kg adsorbidos/kg slido

T = 30C

T = 100C

T = 160C



Isotermas de adsorcinIsotermas de adsorcin

( ) ( )( )

0 mg/Lmg/g

g/L

= ee

adsorbente

c cq

c

Una isoterma de adsorcin es unarelacin entre q y c en el equilibrio

q: miligramos de soluto adsorbidos

por gramo de adsorbente




( ) ( )( )

0 mg/Lmg/g

g/L

= ee

adsorbente

c cq

c

Una isoterma de adsorcin es unarelacin entre q y c en el equilibrio

lin=e eq k cLineal:

max1

=+L e

e

L e

K cq q

K cLangmuir:

= ne f eq k cFreundlich:

BET:

( ) ( )max 1 ( 1) /=

+

B ee

s e B e s

K cq q

c c K c c

( )mg/geq




max1

=+L e

e

L e

K cq q

K c

Forma de la Isoterma de Langmuir

max1

=+

Le

L

K pq q

K p

Forma de la Isoterma de Langmuir

max max

1 1 1 1

= +

e Lq q K q p

max

1

L

qK

1

e

q

max

1

q

1

e

c

max1

=+

Le

L

K pq q

K p

Forma de la Isoterma de Freundlich

= ne f eq k c =n

e fq k p

log log log= +e fq k n p

Forma de la Isoterma de Freundlich

= ne fq k p

Forma de la Isoterma BET

( ) ( )max 1 ( 1) /=

+

B ee

s e B e s

K cq q

c c K c c

(Brunauer, Emmett y Teller)

( ) max max11

= +

e B

e

s e e B B s

c Kc

c c q K q K q c

max1

=+L e

e

L e

K cq q

K c

4. Adsorcin4. Adsorcin


Equipos para el contacto gasEquipos para el contacto gas--slidoslido

Adsorcin por etapas Adsorcin por contacto continuo



Equipos para el contacto gasEquipos para el contacto gas--slidoslido

Adsorcin por contacto continuo

ZZTM

tR



Clculo de la capacidad y el tiempo de ruptura de un lecho de caClculo de la capacidad y el tiempo de ruptura de un lecho de carbn activorbn activo

S S

(Z ZTM) ZTMCR C 0,5 C

Z Z

= +

Capacidad de ruptura (CR):

Tiempo de ruptura (tR):

CR

A

CR Mt

m

=

tR

Ejemplo: Calcular la capacidad de ruptura (CR) de un lecho de carbn activo usado para la adsorcin de tolueno del aire que

presenta una concentracin de saturacin del 24% (0,24 g tolueno/g

carbn), si la altura del lecho es de 60 cm y la zona de adsorcin

permanece constante en 15 cm.

Cul sera la capacidad de ruptura si el lecho fuera el doble de alto.

(gAds / gC) (gC)

(gAds / h)