Adsorción y AbsorcióN
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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.
-
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
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
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
2. 2. Procesos de Procesos de sorcinsorcin
Fase Gas
Fase Slida
-
Aire
Agua
NH3
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
1 Equilibrio
2 Absorcin
3 Desorcin
2. 2. Procesos de Procesos de sorcinsorcin
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
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
2. 2. Procesos de Procesos de sorcinsorcin
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
i iA G G G L L LN k (C - C ) k (C - C )= =
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
CG
CL
CGi
CLi
2. 2. Procesos de Procesos de sorcinsorcin
Coeficientes de Coeficientes de tranferenciatranferencia de materiade materia
iLC
LC
GC
iGC
i iA G G G L L LN k (C - C ) k (C - C )= =
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
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
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)
-
3. Absorcin3. Absorcin
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
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
-
3. Absorcin3. Absorcin
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
Equipos para el contacto gasEquipos para el contacto gas--lquidolquido
Dispersin del gas. Torres de platos Dispersin del lquido. Torres de relleno
-
3. Absorcin3. Absorcin
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
Equipos para el contacto gasEquipos para el contacto gas--lquidolquido
Intermitente Continuo
-
3. Absorcin3. Absorcin
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
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
-
3. Absorcin3. Absorcin
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
Diseo de torres de absorcinDiseo de torres de absorcin
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
-
3. Absorcin3. Absorcin
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
Diseo de torres de absorcinDiseo de torres de absorcin
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
=+
-
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
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
3. Absorcin3. Absorcin
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
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y 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)
Conceptos generalesConceptos generales
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
-
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
4. 4. AdsorcinAdsorcin
Conceptos generalesConceptos generales
Equilibrium
Early
Later
Adsorbed Molecule
Diffusing Molecule
Pore
GAC Particle
LaminarBoundaryLayer
-
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
4. 4. AdsorcinAdsorcin
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
-
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
4. 4. AdsorcinAdsorcin
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
-
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
4. 4. AdsorcinAdsorcin
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
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
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
4. 4. AdsorcinAdsorcin
Isotermas de adsorcinIsotermas de adsorcin
-
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
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
Equipos para el contacto gasEquipos para el contacto gas--slidoslido
Adsorcin por etapas Adsorcin por contacto continuo
-
4. Adsorcin4. Adsorcin
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
Equipos para el contacto gasEquipos para el contacto gas--slidoslido
Adsorcin por contacto continuo
ZZTM
tR
-
4. Adsorcin4. Adsorcin
TEMA 3. MTODOS DE DEPURACIN DE GASES. ABSORCIN Y ADSORCIN
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)