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Procesos de Separacin en Ingeniera Ambiental
TEMA 4. Absorcin de gases
1. Introduccin
2. Diseo de una columna de relleno
2.1 Clculo de la altura de relleno
2.1.1 Punto de vista macroscpico
2.1.2 Punto de vista microscpico
2.2 Otros elementos de diseo
3. Otros equipos de absorcin
Tema 4. Absorcin de gases
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1. INTRODUCCIN
Absorcin de gases: operacin de transferencia demateria cuyo objetivo es separar uno o mscomponentes (el soluto) de una fase gaseosa pormedio de una fase lquida en la que los componentes
a eliminar son solubles (los restantes componentes
son insolubles). Se produce una transferencia de
materia entre dos fases inmiscibles.
A
Fase Y Fase Xz
xAyA
yA
yAixAi
xA
Interfase
Tema 4. Absorcin de gases
A veces un soluto se recupera de un lquido poniendo
ste en contacto con un gas inerte. Tal operacin, que
es inversa de la absorcin, recibe el nombre de
desorcin de gases, desabsorcin o stripping.
Ejemplo: eliminacin de amonaco a partir de una
mezcla de amonaco y aire por medio de agua lquida.
Posteriormente se recupera el soluto del lquido por
destilacin u otra tcnica y el lquido absorbente sepuede desechar o reutilizar.
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1. INTRODUCCIN (cont.)
Aplicaciones de la absorcin:
Recuperar productos de corrientes gaseosas confines de produccin
Control de emisiones de contaminantes a la atmsfera,reteniendo las sustancias contaminantes (compuestosde azufre, clorados y fluorados)
Recuperacin de gases cidos como H2S,
mercaptanos y CO2 con disoluciones de aminas
Produccin industrial de disoluciones cidas obsicas en agua (cidos clorhdrico, sulfrico y
ntrico o hidrxido amnico)
Eliminacin de SO2 de gases de combustin con
disoluciones acuosas de hidrxido de sodio
Eliminacin de xidos de nitrgeno con
disoluciones de agentes oxidantes
Tema 4. Absorcin de gases
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1. INTRODUCCIN (cont.)
Equipos en los que se produce la absorcin/desorcin
de gases
Columnas de relleno
Columnas de platos
Tema 4. Absorcin de gases
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1. INTRODUCCIN (cont.)
Columnas de relleno
Entradade gas
Salidade gas
Entradade
lquido
Salida delquido
Relleno
Tema 4. Absorcin de gases
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1. INTRODUCCIN (cont.)
Cuerpos de relleno tpicos: a) montura Berl; b) montura
Intalox; c) anillo Raschig; d) anillo Pall
Distribucin del relleno:
1. Al azar: tamao < 3 pulgadas (2,54 cm) (< 1 se usan
en laboratorio o planta piloto)
2. Ordenados: entre 2 y 8 pulgadas
Columnas de relleno
a b c d
Tema 4. Absorcin de gases
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1. INTRODUCCIN (cont.)
Caractersticas de los rellenos de columnas de absorcin:
1. Qumicamente inerte frente a los fluidos de la torre.
2. Resistente mecnicamente sin tener un peso excesivo.
3. Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin
excesiva retencin de lquido o cada de presin.
4. Proporcionar un buen contacto entre el lquido y el gas.
5. Coste razonable.
Materiales:
Baratos, inertes y ligeros: Arcilla, porcelana, plsticos,
acero, aluminio.
Unidades de relleno huecas, que garantizan la
porosidad del lecho y el paso de los fluidos.
Columnas de relleno
Tema 4. Absorcin de gases
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2. DISEO DE UNA COLUMNA DE RELLENO
Objetivo del diseo
conseguir el mximo de transferencia de componentescon el mnimo consumo de energa y de tamao decolumna, es decir, con el mnimo coste.
Disear una
columna de
absorcin
Calcular la altura del relleno
necesarios para lograr la
separacin deseada
Datos de diseo que son conocidos normalmente:
Condiciones de operacin de la columna: PT y T
Composicin de las corrientes de entrada
Composicin del gas a la salida (fin perseguido)
Circulacin en contracorriente
Tema 4. Absorcin de gases
Dimetro de la columna
Caudales de las dos fases
Tipo de relleno.
Otros parmetros de diseo:
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2. DISEO DE UNA COLUMNA DE RELLENO (cont.)
Entradade gas
Salida
de gas
Entrada de
lquido
Salida delquido
Relleno
Caudal volumtricocomposicin
Caudal volumtrico
Composicin: objetivo
audal volumtricoomposicin
Caudal volumtricoComposicin?
Tema 4. Absorcin de gases
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2. DISEO DE UNA COLUMNA DE RELLENO (cont.)
S
LL = L (1-x) =
1+XS
GG = G (1-y) =
1+Y
X x
x = X =1+X 1-x
T T
Y P y Py = = Y = =
1+Y P 1-y P -P
P1Y1y1
G1
G2P2Y2y2
X1x1L1
L2X2x2
PTT
Ls Gs
1
2
Tema 4. Absorcin de gases
L y G: caudales de lquido ygas (mol/s m2)
x e y: fracciones molares delquido y gas
LS (mol C/s m2)
GS (mol B/s m2)
Y (mol A/mol B)
X (mol A/mol C)
Se va a estudiar el caso de absorcin, en estado estacionario, de un
soluto A desde una mezcla gaseosa con B mediante un absorbente
lquido C
Ecuaciones de transformacin
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2.1 Clculo de la altura de relleno
Altura de relleno
Punto de vista macroscpico: Consiste en determinar elnmero de etapas o pisos tericos, NPT, y disponer de laaltura equivalente a un piso terico, AEPT.
h = NPT AEPT
Punto de vista microscpico: Conjugar Balances demateria y energa con la expresiones cinticas de
densidades de flujo. En caso de absorcin isoterma no hay
que considerar el balance de energa
Tema 4. Absorcin de gases
P1Y1y1
G1
G2P2Y2y2
X1x1L1
L2 X2
x2
PT
TLs Gs
1
2
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2.1 Clculo de la altura de relleno
2.1.1 Punto de vista macroscpico
P1Y1
P2Y2
X1
X2
PT
T
Ls Gs
S 1 S 2 S 2 S 1G Y + L X = G Y + L X
Balance de materia (soluto, A)
S S1 2 2 1
S S
L LY = Y - X + X
G G
1
2
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Tema 4. Absorcin de gases
Una vez fijada la recta de operacin en el diagrama X-Y (LS,ptimo
vara entre 1,2 y 1,5 veces el valor de LS,mnimo) el clculo del
nmero de etapas o pisos terico, NPT, para la separacin
deseada es inmediato.
2.1 Clculo de la altura de relleno
2.1.1 Punto de vista macroscpico
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2.1 Clculo de la altura de relleno
2.1.2 Punto de vista microscpico
Balance de materia (A)
S S S SL X + G Y = L X + dX + G Y + dY
S SL dX = G dY
' S SA AAL dX G dYdF dF
N = = = = = k a FIdV Sdh dh dh
S SL G
dh= dX= dYk a FI k a FI
Tema 4. Absorcin de gases
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Procesos de Separacin en Ingeniera Ambiental
2.1 Clculo de la altura de relleno
2.1.2 Punto de vista microscpico
S SL G
dh= dX= dYk a FI k a FI
aso 1: Coeficiente global volumtrico de la fase gaseosa y lafuerza impulsora en relaciones molares
2 1
1 2
Y Yh
S S
Y Y Y0 Y Y
G G dY
h= dh= dY AUT NUTK a Y Ye K a Y
Para disoluciones diluidas
coeficiente global volumtrico
onstante) se suele cumplir que la
elacin de equilibrio es lineal
1 2
1 2
d Y Y Ycte.
dY Y Y
1 1
2 2
Y Y
S S S1 2 1 2
1 2Y Y 1 2 YY Y
1
2
d YG G GY Y Y YdYh= Y YK a Y K a Y Y Y K a
Yln
Y
S 1 2
Y ml
G Y Yh=
K a Y
Tema 4. Absorcin de gases
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Procesos de Separacin en Ingeniera Ambiental
S 1 2
Y ml
G Y Yh=
K a Y
Caso 2: Coeficiente global volumtrico de la fase lquida y lafuerza impulsora en relaciones molares. Para
disoluciones diluidas:
1 1
2 2
X X
S S 1 2
X X 1 2X X
d XL L X XdXh= K a X K a X X X
S 1 2
1 2X
1
2
L X Xh=
X XK a
XlnX
S 1 2
X ml
L X Xh
K a X
Tema 4. Absorcin de gases
2.1 Clculo de la altura de relleno
2.1.2 Punto de vista microscpico
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Procesos de Separacin en Ingeniera Ambiental
2.2 Otros elementos de diseo
2.2.1 Caudal volumtrico de lquido
Tema 4. Absorcin de gases
2.2.2 Caudal de gas
Se define el caudal de mojado como el cociente entre el
caudal volumtrico y el permetro del relleno; y debe ser
siempre superior a un cierto valor. El caudal mnimo de
mojado para la mayora de los rellenos vale 0,08 m3/(hm) y
el caudal mximo de mojado suele ser de unos 0,7 m3/(hm)
2.2.3 Dimetro de la columna
La velocidad del gas a la cual se produce el anegamiento se
llama velocidad de inundacin. Generalmente se opera a la
mitad de la velocidad de inundacin
El dimetro de la columna es el segundo parmetro de
diseo (el primero es la altura) y su clculo se realiza a partir
de consideraciones fluidodinmicas, es decir, a partir de los
datos de caudales de circulacin del gas y del lquido.
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Procesos de Separacin en Ingeniera Ambiental
3 OTROS EQUIPOS DE ABSORCIN
3.1 Columnas de platos
Tema 4. Absorcin de gases
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Procesos de Separacin en Ingeniera Ambiental
3 OTROS EQUIPOS DE ABSORCIN
3.1 Columnas de platos
Condiciones que favorecen a las columnas de relleno:
1. Columnas de pequeo dimetro
2. Medios corrosivos3. Bajas retenciones de lquido (si el material es trmicamente
inestable)
4. Lquidos que forman espuma (debido a que en columnas de
relleno la agitacin es menor)
Condiciones que favorecen a las columnas de platos:
1. Cargas variables de lquido y/o vapor
2. Presiones superiores a la atmosfrica
3. Bajas velocidades de lquido
4. Gran nmero de etapas y/o dimetro
5. Elevados tiempos de residencia del lquido
6. Posible ensuciamiento (las columnas de platos son ms fciles delimpiar)
7. Esfuerzos trmicos o mecnicos (que pueden provocar la rotura
del relleno)
Tema 4. Absorcin de gases
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Procesos de Separacin en Ingeniera Ambiental
3 OTROS EQUIPOS DE ABSORCIN
3.2 Columnas de paredes mojadas
Tema 4. Absorcin de gases
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ANEXO: Esquema para la resolucin de problemas de absorcin
1
2
Y
SY Y
Y Y
G dYh=AUT NUT
K a Y Ye
Caso general: integracin grfica o numrica (problema 1)
(si controla la fase
gaseosa)
1
2
X
SX X
X eX
L dXh=AUT NUT =
K a X - X
(si controla la fase
lquida)
La lnea de equilibrio es recta: no hay que usar grfica(Problema 5 de la relacin)
S 1 2
Y ml
G Y Yh=
K a Y
S 1 2
X ml
L X Xh
K a X
(controla la fase gaseosa) (controla la fase lquida)
Caso habitual: sustituir NUT por NPT (problemas restantes)
1. Representar la curva de equilibrio Y-X a partir de los datos
2. Calcular Y1, Y2 y X2 (razones molares) y representarlos; calcular Ls y Gs
(caudales de inerte)
3. Partiendo de Y1
, localizar el corte con la curva de equilibrio; en abscisas
se lee X1,max
4. Usar el BM(soluto) para determinar (Ls/Gs)min y, con el caudal de Ls
superior al mnimo, (Ls/Gs)min y X1. Representar X1 y situar el punto de
corte con la lnea de equilibrio
5. Trazar la lnea de operacin uniendo (X2,Y2) y (X1, Y1)
6. Determinar NPT y h
Tema 4. Absorcin de gases