Procesos III Unidad II

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Procesos de Separacin III Unidad II: Absorcin

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Unidad II: Absorcin

Dr. Javier Gerson Zapiain Salinas Semestre: Enero -Junio 2015

Procesos de Separacin III


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Contenido 2.1. Torres de absorcin, importancia y

funcionamiento 2.2. Dimensionamiento de columnas

empacadas 2.2.1. Mezclas binarias 2.2.2. Mezclas multicomponentes

2.3. Dimensionamiento de columnas de platos 2.4. Nuevas tecnologas

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2.1. Torres de absorcin, importancia y funcionamiento

Absorcin. Cuando las dos fases en contacto son un gas y un lquido, la operacin unitaria se llama absorcin. Un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la lquida. Este proceso implica una difusin molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto A a travs del gas B, que no se difunde y est en reposo, hacia un lquido C, tambin en reposo.



gradientedeconcentraciones

Proceso de adsorcion. Liquido

Gas

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Un ejemplo es la absorcin de amoniaco A del

aire B por medio de agua lquida C. En general, la solucin amoniaco-agua que sale se destila para obtener amoniaco relativamente puro.



Otro ejemplo es la absorcin de SO2 de gases de combustin en soluciones alcalinas. En la

hidrogenacin de aceites comestibles en la industria alimenticia, se hace burbujear hidrgeno gaseoso en el aceite para absorberlo en el mismo; entonces, el hidrgeno en solucin reacciona con el aceite en presencia de un catalizador.

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Al proceso inverso de la absorcin se le llama

desorcin, ya l se aplican las mismas teoras y principios bsicos.

Un ejemplo es la desorcin con vapor de aceites no voltiles, en la cual el vapor se pone en contacto con el aceite y pequeas cantidades de componentes voltiles del mismo pasan a la corriente de vapor.



En las separaciones que se acaban de mencionar se utilizan dos mtodos de proceso.

1. Las dos fases, se mezclan entre si en un recipiente para despus separarlas. Este es un proceso de una sola etapa.

2. La mayora de la veces, las fases se mezclan en una etapa, se separan y despus se ponen otra vez en contacto en un proceso de etapas mltiples.

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Etapadeseparacin

Liquidofresco Liquidosaturado

GascrudoGasagotado

Procesodeetapasencilla

Etapadeseparacin1

Liquidofresco

Gasagotado

Etapadeseparacin2

Liquidosaturado

Gascrudo

Procesodemltipleetapa



En otro mtodo mas, las dos fases se ponen en contacto en forma continua en una torre empacada.

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Diseo de torres de relleno. Un aparato

frecuentemente utilizado en absorcin de gases y en algunas otras operaciones es la torre de relleno, un ejemplo de sta se representa en la figura.



El dispositivo consiste en una columna cilndrica, o torre, equipada con una entrada de gas y un espacio de distribucin en la parte inferior; una entrada de lquido y un distribuidor en la parte superior; salidas para el gas y el lquido por cabeza y cola, respectivamente; y una masa soportada de cuerpos slidos inertes que recibe el nombre de relleno de la torre.

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El soporte ha de tener una gran fraccin de rea libre de forma que no se produzca inundacin en el plato de soporte. El lquido se distribuye sobre la parte superior del relleno mediante un distribuidor y, en la operacin ideal, moja uniformemente la superficie del relleno.

El gas que contiene el soluto, entra en el espacio de distribucin situado debajo del relleno y asciende a travs de los intersticios del relleno en contracorriente con el flujo de lquidos.



El relleno proporciona un gran rea de contacto entre el lquido y el gas, favoreciendo as un ntimo contacto entre las fases.

El relleno puede ser cargado al azar en la torre o bien ser colocado ordenadamente a mano. Los rellenos al azar consisten en unidades de 1/4 a 3 in en su dimensin mayor; los rellenos inferiores a 1 in se utilizan fundamentalmente en columnas de laboratorio o de planta piloto. Las unidades de relleno ordenado son de tamaos comprendidos entre 2 y 8 in.

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Monturas Berl

Monturas Intalox

Anillos Raschig

Anillos Pall



Los principales requerimientos de un relleno de torre son: 1 . Ha de ser qumicamente inerte frente a los

fluidos de la torre. 2 . Ha de ser resistente mecnicamente sin tener un

peso excesivo. 3. Ha de tener pasos adecuados para ambas

corrientes sin excesiva retencin de lquido o cada de presin.

4 . Ha de proporcionar un buen contacto entre el lquido y el gas.

5 . Ha de tener un costo razonable.

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La mayora de los rellenos de torre se construyen con materiales baratos, inertes y relativamente ligeros, tales como arcilla, porcelana o diferentes plsticos. A veces se utilizan anillos metlicos de pared delgada, de acero o aluminio. La porosidad del lecho y el paso para los fluidos se fuerzan haciendo las unidades de relleno irregulares o huecas, de forma que se entrelazan para dar lugar a estructuras abiertas con una porosidad de 60 a 95 por 100.



Caractersticas de rellenos para torres Tipo Material Tamao

Nominal in Densidad global1,

lb/ft3 rea total

ft2/ft3 Porosidad Factores de relleno2

FP fP Anillos Raschig

Cermica 1

1 2

55 42 43 41

112 58 37 28

0.64 0.74 0.73 0.74

580 155 95 65

1.52(3) 1.36(3)

1.0 0.92(3)

Anillos Pall Acero Plstico

1 1 2 1

1

30 24 22 5.5 4.8

63 39 31 63 39

0.94 0.95 0.96 0.90 0.91

56 40 27 55 40

1.54 1.36 1.09 1.36 1.18

Monturas Berl

Cermica 1

1 54 45 40

142 76 46

0.62 0.68 0.71

240 110 65

1.58(3) 1.36(3) 1.07(3)

Monturas Intalox

Cermica 1

1 2 3

46 42 39 38 36

190 78 59 36 28

0.71 0.73 0.76 0.76 0.79

200 92 52 40 22

2.27 1.54 1.18 1.0 0.64

1Ladensidadglobalyelreatotalestnreferidasalaunidaddevolumendelacolumna.2ElfactorF,esunfactordecadadepresin,yelfactorf,esuncoeficienterelativodetransferenciademateria.3BasadosendatosNH3H2O;losdemsfactoresbasadosendatosCO2NaOH.

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Rellenos estructurados Los empaques estructurados

son dispositivos internos o contactores lquido-gas para columnas de separacin.

Estos materiales han demostrado su efectividad en los procesos de separacin, debido a sus caractersticas geomtricas lo que permite obtener mayor eficiencia en los procesos de transferencia de masa.



Contacto entre el lquido y el gas. El requisito de un buen contacto entre el

lquido y el gas es la condicin ms difcil de cumplir, especialmente en torres grandes. Idealmente, el lquido, una vez distribuido en la parte superior del relleno, fluye en forma de una pelcula sobre la superficie del relleno durante todo el recorrido de descenso a travs de la torre.

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En la realidad las pelculas tienden a crecer de espesor en algunos lugares y a disminuir en otros, de forma que el lquido se agrupa en pequeas corrientes y desciende a travs de caminos preferentes localizados en el relleno.

Este efecto se conoce con el nombre de canalizacin y es la principal razn del mal funcionamiento de las grandes torres de relleno.



La canalizacin es ms severa en torres con relleno ordenado, menos severa en relleno formado por slidos triturados y todava menos en rellenos al azar de unidades de forma regular tales como anillos.

En torres de tamao moderado la canalizacin puede minimizarse haciendo que el dimetro de la torre sea por lo menos 8 veces el dimetro del relleno.

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Velocidades limite de flujo; carga e inundacin.

En una torre que contiene un determinado relleno y que est irrigada con un flujo definido de lquido, existe un lmite superior para la velocidad de flujo del gas. La velocidad correspondiente a este punto recibe el nombre de velocidad de inundacin.



Puede encontrarse observando la relacin entre la cada de presin a travs del lecho de relleno y la velocidad de flujo del gas, a partir de la observacin de la retencin de lquido, y tambin a partir de la apariencia visual del relleno.

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La figura muestra datos tpicos de la cada de presin en una torre de relleno.

P/h,in

deH 2

O/ft

Gy(velocidadmsicadelaire),lbm/ft2hr

Gx(velocidadmsicadellquido),lbm/ft2hr

u0,velocidadsuperficialdelgas)ft/hr0,densidaddelgas,lbm/ft3

CadadepresinenunatorrederellenoparaelsistemaaireaguaconmonturasIntaloxde1in.

CadadepresinenunatorrederellenoparaelsistemaaireaguaconmonturasIntaloxde1in.



Las columnas de relleno tambin se disean frecuentemente basndose en una determinada cada de presin por unidad de altura de relleno.

Para torres de absorcin el valor de diseo generalmente est comprendido entre 0.25 y 0.50 in de H2O por ft de relleno.

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En la mayora de las torres rellenas con anillos o monturas, la carga suele comenzar para una cada de presin del orden de 0.5 in de H2O por ft, y la velocidad de inundacin se presenta para una cada de presin comprendida entre 2 y 3 in de H2O por ft.



La Figura muestra una correlacin para estimar velocidades de inundacin y cadas de presin en torres de relleno.

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Consiste en una representacin logartmica de

.

Donde: Gx = velocidad msica del lquido, lb/pie2-s Gy = velocidad msica del gas, lb/pie2-s Fp = factor de relleno, ft = densidad del lquido, lb/pie3 = densidad del gas, lb/pie3 x = viscosidad del lquido, CP gc = 32,. 74 ft-lb/lbf-s2

Laordenadadelafiguranoesadimensionalyesprecisoutilizarlasunidadesindicadas.Lasvelocidadesmsicasestnbasadasenlaseccintransversaldelatorre.

Laordenadadelafiguranoesadimensionalyesprecisoutilizarlasunidadesindicadas.Lasvelocidadesmsicasestnbasadasenlaseccintransversaldelatorre.



Equilibrio gas-lquido Datos de equilibrio gas-lquido. Para ilustrar

la obtencin de datos de equilibrio experimentales de un sistema gas-lquido, consideraremos el sistema dixido de azufre-aire-agua. Una cierta cantidad de SO2, aire y agua, se introduce en un recipiente cerrado y se agita varias veces a una temperatura dada hasta lograr el equilibrio.

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Equilibrio gas-lquido Se analizan entonces muestras del gas y del

lquido para obtener la presin parcial en atm del SO2 (A) en el gas y la fraccin mol . La figura muestra una grfica de los datos reportados en la bibliografa de del SO2 en el vapor en equilibrio con del SO2 en el lquido, a 293 K (20 C).



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Ley de Henry. Con frecuencia la relacin de equilibrio entre en la fase gaseosa y se puede expresar por medio de la ecuacin de la ley de Henry, que es una recta a concentraciones bajas:

donde H es la constante de la ley de Henry en

atm/fraccin mol para el sistema dado.



Si se dividen los dos lados de la ecuacin entre la presin total P en atm,

donde H es la constante de la ley de Henry en

fraccin mol de gas/fraccin mol de lquido y es igual a H/P. Ntese que H depende de la presin total, mientras que H no.

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Diseo de una columna empacada El dimetro de una torre de absorcin de

relleno depende de las cantidades de gas y lquido tratadas, sus propiedades, y la relacin de una corriente a otra.

La altura de la torre, y por tanto el volumen total de relleno, depende de la magnitud de las variaciones de concentracin que se desean y de la velocidad de transferencia de materia por unidad de volumen de relleno.



En una planta de contacto diferencial, tal como la torre de absorcin que se muestra en la figura, no hay cambios discretos bruscos de composicin como en el caso de una planta de etapas de contacto.

SalidadegasCaudalvolumtricoComposicin(objetivo)

EntradadeliquidoCaudalvolumtricoComposicin

SalidadelquidoCaudalvolumtricoComposicin

EntradadegasCaudalvolumtricoComposicin

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Las variaciones de composicin son continuas de un extremo a otro del equipo. Los balances de materia para la porcin de la columna por encima de una seccin arbitraria, tal como se representa por la lnea de discontinua en la figura, son los siguientes:

Vaya

Lbxb

Laxa

Vbyb

Vy

Lx



Balance global:

Balance para el componente A:

de donde:

El trmino L/V representa la pendiente de la recta de operacin para la seccin analizada.

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Las ecuaciones de los balances globales de materia, basadas en las corrientes extremas, son, total:

, por componente:

Por lo que:



En la ecuacin de la recta de operacin x e y representan las composiciones globales del lquido y el gas, respectivamente, en contacto entre s en cualquier seccin dada de la columna.

Se supone que las composiciones para una altura dada son independientes de la posicin en el relleno.

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La absorcin de un componente soluble desde una mezcla gaseosa da lugar a una disminucin de la velocidad total del gas V a medida que el gas pasa a travs de la columna mientras que el flujo de lquido L aumenta. Estos cambios provocan una ligera curvatura de la lnea de equilibrio.



Para mezclas diluidas, que contienen menos del 10 % de gas soluble, el efecto de las variaciones del flujo total generalmente se ignora y el diseo se basa en valores medios de las velocidades de flujo.

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Relacin gas-liquido limitante La Ecuacin de la recta de operacin indica

que la pendiente media de la lnea de operacin es L/V, relacin entre los flujos molares del lquido y el gas. Por tanto, para un flujo de gas dado, una reduccin del flujo de lquido da lugar a una disminucin de la pendiente de la lnea de operacin.



Relacin gas-liquido limitante Considrese la lnea de

operacin a-b de la figura.

Supngase que tanto la velocidad del gas como las concentraciones extremas xa, yb e ya se mantienen constantes mientras que el flujo de lquido L va disminuyendo.

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El extremo superior de la lnea de operacin se desplaza en la direccin de la lnea de equilibrio, y xb, la concentracin del lquido concentrado, aumenta. La mxima concentracin del lquido concentrado y la mnima velocidad de flujo del lquido posible se obtienen cuando la lnea de operacin justamente toca a la lnea de equilibrio, tal como corresponde a la lnea ab de la figura



Para esta condicin se necesita una altura infinita de la seccin de relleno, toda vez que la diferencia de concentracin para la transferencia de materia se hace cero en el fondo de la torre. En cualquier torre real la velocidad del lquido tiene que ser mayor que este mnimo para conseguir la variacin especificada en la composicin del gas.

En general, el flujo de lquido para un absorbedor deber estar comprendido en el intervalo de 1.1 a 1.5 veces el flujo mnimo.

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Velocidad de absorcin. La velocidad de absorcin se puede expresar de

cuatro formas diferentes utilizando coeficientes individuales o globales basados en las fases gaseosa o lquida.

Para la mayor parte de los clculos se utilizan coeficientes volumtricos debido a que es ms difcil determinar los coeficientes por unidad de rea, ya que para los fines de diseo el clculo se centra generalmente en la determinacin del volumen total del absorbedor



La velocidad de absorcin (r) se puede expresar de cuatro formas diferentes utilizando coeficientes individuales o globales basados en las fases gaseosa o lquida.

La velocidad de absorcin por unidad de volumen de la columna de relleno viene dada por cualquiera de las siguientes ecuaciones, donde y y x se refieren a la fraccin molar del componente que se absorbe:

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Donde: xi y yi concentraciones interfaciales kya, kxa coeficientes globales de transferencia de masa x

y

y

yi

y*

x*xix

Lneadeoperacin

Lneadeequilibrio

Identificacindelascomposicionesenlainterfase.



Clculo de la altura de la torre Un absorbedor puede

disearse utilizando cualquiera de las cuatro ecuaciones bsicas de velocidad, pero son ms frecuentes los coeficientes de pelculas del gas.

Considrese la columna de relleno que se muestra en la figura.

Z

dZ ZT

La,xa

Va,ya

Lb,xbVb,yb

y

x

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La seccin transversal es y el volumen diferencial correspondiente a la altura es . Si se desprecia la variacin del flujo molar , la cantidad absorbida en la altura es , que es igual a la velocidad de absorcin multiplicada por el volumen diferencial:

Esta ecuacin se reordena para su integracin:



El segundo miembro de la ecuacin puede integrarse directamente para ciertos casos o bien determinarse numricamente. Se examinarn algunos de estos casos.

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Nmero de unidades de transferencia

La ecuacin para la altura de la columna puede escribirse as:

La integral de la ecuacin representa la variacin de la concentracin del vapor dividida por la fuerza impulsora media y recibe el nombre de nmero de unidades de transferencia (NTU) .



Nmero de unidades de transferencia La otra parte de la ecuacin tiene las

dimensiones de longitud y recibe el nombre de altura de una unidad de transferencia (HTU) .

Por tanto, un mtodo sencillo de diseo consiste en: Determinar a partir del diagrama x-y.

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Calcular a partir de la bibliografa o calculado a partir de correlaciones de transferencia de materia.

Multiplicar estos valores para encontrar la altura de la columna.

El nmero de unidades de transferencia es en

cierto modo anlogo al nmero de etapas tericas en las columnas de absorcin de platos.



La altura global de una unidad de transferencia (UT) puede definirse como la altura de una seccin de relleno que se requiere para conseguir una variacin de concentracin igual a la fuerza impulsora media existente en la seccin.

Lo mismo que hay cuatro tipos bsicos de coeficientes de transferencia de materia, hay tambin cuatro tipos de unidades de transferencia, basados en fuerzas impulsoras individuales o globales para las fases gaseosa y lquida. Estos cuatro tipos son:

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Pelcula de gas:

Pelcula de lquido:

Global para el gas:

Global para el lquido:



Formas alternativas de los coeficientes de transferencia.

Los coeficientes de pelcula gaseosa publicados en la bibliografa con frecuencia estn basados en una presin parcial como fuerza impulsora en vez de una diferencia de fraccin molar, y se representan por o

Sus relaciones con los coeficientes utilizados hasta ahora aqu son sencillamente y , siendo la presin total.

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Las unidades de y son habitualmente mol/pie3-hr-atm. Anlogamente, los coeficientes de pelcula lquida pueden expresarse como y ,donde la fuerza impulsora es una diferencia de concentracin volumtrica, las unidades para estos coeficientes son habitualmente mol/ft3-h-(mol/pie3) h-1.



Si , se sustituye por en las ecuaciones para el calculo de HTU, y por en las para el clculo de HTU, las ecuaciones para la altura de una unidad de transferencia pueden escribirse como:

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2.3. Dimensionamiento de columnas de platos

Las torres de absorcin de platos son dispositivos que permiten el contacto discontinuo entre el lquido y el gas. Constan de una serie de platos o etapas y en cada una de ellas se ponen en contacto las fases, separndose despus para entrar a una etapa nueva.



En la etapa llamada ideal o terica las fases se ponen en contacto ntimo y salen de ella en equilibrio. En las etapas reales las corrientes salientes no estn en equilibrio.

Las torres de platos se utilizan para grandes flujos de lquido y de gas y para dimetros mayores de 1 metro tambin si se presenta acanalamiento. Las torres de platos se utilizan tambin cuando en la absorcin se produce una gran generacin de calor por la disolucin del gas en el lquido.

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Un balance en una torre de absorcin de platos dara:

Se puede establecer una relacin para la cantidad absorbida, dada por:

L0x0

V1y1

V2y2

L2x2

L1x1

V3y3

Etapa1Etapa2

Etapa3

Vn2Yn2

Vn1Yn1

Ln1Xn1

Ln2Xn2

Vnyn

Vn+1yn+1

Etapan

Etapan1

Etapan2

Lnxn



El clculo del nmero de etapas ideales se efecta mediante el empleo del mtodo de Mc Cabe -Thiele. Por ejemplo para el caso de la absorcin.

En donde el nmero de etapas ideales o tericas es igual al nmero de escalones

y

x

Yn+1

x0

1

2

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Clculo analtico del nmero de etapas ideales

Cuando la lnea de equilibrio y la de operacin son rectas, el nmero de etapas ideales se pueden tambin obtener en forma analtica. Este caso se presenta con mezcla diluidas de gases y lquidos que siguen la ley de Henry, ya que el L /V es constante y si la lnea de equilibrio es recta si se expresa en fracciones mol.



Para el caso de absorcin.

1

1

log Donde :

A este trmino se le llama factor de

absorcin.

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En el caso de que hubieran pequeas variaciones del L/V de un extremo a otro de la columna, se pueden tomar las medias logartmicas de esos valores para el clculo del nmero de etapas tericas. Por lo general el valor de A debe estar comprendido entre 1.25 y 2.0 siendo 1.4 un valor frecuentemente recomendado.



Altura equivalente de un plato terico

Es la comparacin entre la torre de platos y la empacada. La altura equivalente a un plato terico HETP est definida como la altura necesaria de empaque que verifica la misma funcin que un plato terico. Esta magnitud se determina experimentalmente y es funcin del tamao y tipo del relleno, de los flujos de gas y lquido y de la composicin de las corrientes.

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Eficiencia Debido a los cortos tiempos de contacto, las etapas de una torre de platos no trabajan idealmente por lo que es necesario evaluar el rendimiento o eficiencia. Entre las eficiencias ms empleadas estn:

Eficiencia total Est definida por la relacin siguiente:

Eficiencia de etapa La eficiencia de etapa o eficiencia Murphree se define por :

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