Expo Absorción

ABSORCIÓN Jesús García Mármol

Omar Moreno BustamanteDiana Romero Peña

Keity Romero Violeth

ABSORCIÓNLa absorción es una operación unitaria de transferencia de materia entre fases, utilizada para la separación de uno o mas componentes de una mezcla de gases por absorción (disolución) de los mismos en un liquido adecuado. Esta operación, basada en la transferencia de materia en una interface, esta controlada en gran parte por las velocidades de difusión.

EQUILIBRIO LÍQUIDO - GAS

El principio en el que se fundamentan los procesos de absorción y desorción es la diferencia de concentración que existe entre las fases, del componente que se transfiere, respecto de la de equilibrio. Cuanto mas alejado se este de las condiciones de equilibrio mayor es la transferencia de materia entre las fases.De cualquier forma, la presión

parcial del componente Pi en fase gas es función de la concentración del mismo componente en fase liquida Ci (figura). La curva resultante de representar Pi frente a Ci es la curva de equilibrio a la temperatura fijada. El punto A representa las condiciones de un componente i que se desea recuperar por absorción.

Si las fases liquida y gaseosa se comportan de forma ideal se cumple la ley de Raoult. En el caso que la solución liquida no se comporte de forma ideal, no se puede aplicar esta ley; sin embargo, para concentraciones bajas de soluto en el liquido (soluciones diluidas) se cumple la ley de Henry:

En muchos casos, la ley de Henry es valida cuando la presión parcial es inferior a una atmosfera. Pero, para presiones superiores, la ley de Henry es solo aplicable en un intervalo restringido de concentraciones. La constante de Henry varia mucho con la temperatura, y en general, dicha variación se puede aproximar a una relación del tipo:

EQUILIBRIO LÍQUIDO – GAS…

Fase gaseosa:

Fase liquida:

EQUILIBRIO LÍQUIDO – GAS…

MECANISMO DE ABSORCIÓNSe supone una mezcla de gases, en el que uno de sus

componentes es absorbido por un liquido, tal como se muestra en la figura. La presión parcial del gas es algo superior a la del liquido con el que esta en equilibrio. Si P es la presión parcial del gas, la concentración del liquido en equilibrio es Ce.

Para explicar la transferencia de materia entre fases se han propuesto diferentes modelos, aunque la teoría de la doble película, dada por Whitman en 1923, es la mas simple y la que proporciona los conceptos mas claros.

Teoría de la Doble Película

El modelo de la doble película supone que la transferencia de materia en la masa global de cada fase se realiza por corrientes conectivas, no existiendo gradientes de concentración dentro de cada fase, excepto en las proximidades de la interface..

En cada una de estas capas laminares el gradiente de concentración disminuye, siendo nulo fuera de ellas. En este modelo se considera la transferencia como un proceso estacionario.

MECANISMO DE ABSORCIÓN…

Difusión en Fase GaseosaEn el seno de la fase gaseosa, si se supone una mezcla de dos componentes A y B, en la que A se difunde a través de B, estando B estacionario, al integrar la ecuación, si la difusividad es constante, la velocidad de difusión (NA) es:

Siendo L el espesor de la capa a través de la que difunde el componente A; DV la difusividad de A través de B, CG la concentración en el seno del gas (para L = 0), y CiG es la concentración en la interfase.

MECANISMO DE ABSORCIÓN…

Si se define un coeficiente individual de transferencia de materia en fase gas:

se obtiene que la velocidad de difusión de transferencia de materia (densidad de flujo de materia) a través de la masa gaseosa es:

Difusión en Fase Gaseosa…

Difusión en Fase Liquida MECANISMO DE ABSORCIÓN…

Velocidad de Absorción

MECANISMO DE ABSORCIÓN…

Velocidad de Absorción…

Velocidad de Absorción…

COLUMNAS DE RELLENO

El aparato que es más utilizado en los procesos de absorción de gases, es la columna de relleno. Consta esencialmente de una torre o columna cilíndrica, con salidas superiores e inferiores para el gas y el líquido, y un lecho de partículas sólidas inertes que rellenan la columna, y que reciben el nombre de relleno.

COLUMNAS DE RELLENO…

En el diseño de las torres de absorción los pasos que se siguen son:

Selección del Disolvente

El disolvente ideal será aquel que no sea volátil ni corrosivo, además de no ser viscoso y espumante. Asimismo, debe ser estable y no inflamable, y presentar una solubilidad infinita para el soluto.

Se dará preferencia por:Líquidos que presenten mayor solubilidad por el soluto. En absorción física se elige el más barato y no corrosivo. La absorción con reacción química, el disolvente debe presentar mayor capacidad de absorción.

COLUMNAS DE RELLENO…

Obtención de Datos de Equilibrio

El conocimiento exacto y correcto de los datos de equilibrio es muy importante, pues determinan la velocidad de circulación del líquido para una cierta recuperación especificada de soluto.Estos datos de equilibrio se encuentran en muchos casos en la bibliografía, como puede ser en enciclopedias técnicas y Handbooks, en tablas (International Critical Tables), y en algunos casos en revistas científicas, especializadas en el tema.

COLUMNAS DE RELLENO…

Balance de Materias

COLUMNAS DE RELLENO…

Balance de Materias…

Balance de Materias…

Balance EntálpicoCOLUMNAS DE RELLENO…

Balance Entálpico…Con lo que el balance de energía quedara:

Por tanto:

SI consideramos que:la columna trabaja adiabáticamente.Las capacidades caloríficas son iguales y corresponden a la del disolvente.Las entalpías de la fase gaseosa se toman como análogas a la del aire húmedo saturado.La temperatura en las secciones (1) y (2) es constante a lo largo de toda la sección.Los valores de la corriente líquida son aproximadamente iguales en las dos secciones.Obteniendo:

donde:

Balance Entálpico…Por lo que la temperatura Ti es función de la composición del líquido en la sección i (Xi) y de la sección (2) (X2). La ecuación de Ti relaciona la temperatura con la composición del líquido, por lo que la curva de equilibrio real se debe construir a partir de dicha expresión.

Para construir la curva real de equilibrio se van dando valores a Xi y mediante la ecuación se obtiene su correspondiente temperatura Ti, con esta temperatura, se busca en el conjunto de isotermas T el punto de dicha curva que tiene de abscisa Xi, y se obtiene su Y de equilibrio.

Elección del Tipo de RellenoLas características que debe cumplir un relleno son:

COLUMNAS DE RELLENO…

Tipos de rellenos Anillos:

Raschig: Es la forma más sencilla y corriente. Es un trozo de tubería de pequeño espesor, de altura igual al diámetro.Lessing: Son como los anillos Raschig, pero con un tabique transversal, para aumentar la superficie de contacto. Su tamaño máximo es de 6’’.En cruz: Con dos tabiques en cruz.En espiral: El tabique intermedio está constituido por una espiral simple, doble o triple.Pall: Como los anillos Raschig, pero con aperturas laterales.

Elección del Tipo de Relleno…

Sillas o monturas:

Berl: Con forma de sillas de montar. Generalmente son de plástico o cerámica de ½’’ a 3’’. Caben más por unidad de volumen que de anillos. Presentan el inconveniente de que pueden encajar unas encima de las otras, disminuyendo el área de transferencia.Intalox: De forma parecida a las anteriores, pero sin posibilidad de superponerse unas con otras.

Tipos de rellenos…

Otros tipos:

También se utilizan como rellenos madejas de níquel, rejas de madera o metálicas, piedras troceadas, entre otros. El uso de estos tipos de relleno se halla muy restringido a ciertos procesos.Cada relleno tiene su dimensión característica dP. La canalización de la pared es mínima cuando: dP < D\8 , siendo D el diámetro de la columna. Cuando dP es menor de este valor se evitan las canalizaciones de líquido en la pared de la torre.Para evitar las canalizaciones se deben colocar redistribuidores a lo largo de la columna.

Tipos de rellenos…

Características estáticas de un rellenoEl conjunto de partículas que forman un relleno queda

caracterizado por medio del área de la superficie específica o superficie unitaria (a), y de la fracción de huecos (ε). A continuación se incluyen algunas definiciones:Superficie unitaria o superficie específica del lecho as: Es el área presentada al fluido por todo el relleno, por unidad de volumen del lecho. Sus unidades son de (longitud)–1.

Tipos de rellenos…

Fracción de huecos (ε): Es la fracción del volumen de lecho no ocupada por el relleno. También se denomina porosidad, y es adimensional. La fracción de volumen ocupada por el material es 1–ε.

Factor de relleno: Está definido como el cociente entre la superficie específica y la fracción de huecos al cubo:

Características estáticas de un relleno…

Densidad aparente: Es el cociente entre el peso total del relleno y el volumen que ocupa:

Superficie específica de cada partícula (aP) ≡ as0: Es el área presentada por cada partícula de relleno al fluido por volumen de partícula.

Características dinámicasExiste un factor muy importante en la circulación de las

dos fases a través del relleno, y es la pérdida de presión que experimenta la fase gaseosa a lo largo de la columna. Esta pérdida de presión, además de la velocidad del gas, depende del caudal de la fase líquida, pues hay distinta pérdida de presión según el relleno esté más o menos mojado. Por lo que se define el caudal de mojado o caudal de humectación (Lm o Lh), del siguiente modo:

Tipos de rellenos…

Siendo el perímetro mojado la relación entre la superficie mojada y la altura mojada:

Siendo: •S = sección transversal de la columna (m2).•z = altura de la columna (m).•a = superficie específica del relleno (m2/m3).Con lo que el caudal de mojado será:

Siendo LV el caudal volumétrico del líquido

Características dinámicas…

Determinación de la Velocidad de AnegamientoSe ha comprobado que para un buen funcionamiento debe trabajarse

a puntos cercanos a la velocidad de carga, pero sin sobrepasarla. Lo que hace que sea interesante calcular el valor de la velocidad del punto de carga. Sin embargo, el cálculo del punto de carga es difícil, pero no el de anegamiento. Se ha visto experimentalmente que la velocidad en el punto de carga es 2/3 de la de anegamiento:

GCARGA ≈ 0,6 GANEGAMIENTO

en la que la densidad de flujo másica se define como: G = vG ρG.

Para el cálculo de la velocidad de anegamiento existen dos métodos, o bien con el gráfico de Lobo, o mediante la ecuación de Sawistowsky.

Características dinámicas…

Gráfico de LoboEl gráfico relaciona la velocidad de anegamiento con las

distintas propiedades físicas de las fases y relleno, así como los caudales de gas y líquido, para distintos tipos de relleno. Se utilizan coordenadas doble-logarítmicas, en las que en abscisas se representa:

mientras que en ordenadas se representa una función de la velocidad de anegamiento ψ (VG), definida según la expresión:

Determinación de la velocidad de anegamiento…

En la que las diferentes variables que aparecen son:•a/ε3 = factor de relleno (m2/m3).•ηL = viscosidad del líquido (Pa·s).•ηagua = viscosidad del agua a 20 °C (Pa·s).•ρG = densidad del gas (kg/m3).•ρL = densidad del líquido (kg/m3).•G = densidad de flujo másica del gas (kg/s·m2).

Determinación de la velocidad de anegamiento…

Ecuación de Sawistowsky

Esta ecuación es empírica y se utiliza en el cálculo de la velocidad de anegamiento.

en la que: G = Densidad de flujo másica (kg/s·m2).L = Densidad de flujo másica del líquido (kg/s·m2).

Determinación de la velocidad de anegamiento…

Cálculo de la altura de la columna

Mezclas concentradasPara la resolución del modelo matemático que se pueda presentar se supondrá que se cumplen las siguientes hipótesis:La columna trabaja en régimen adiabático e isotermo.Se transfiere un solo soluto.Es una mezcla concentrada, con una concentración superior al 20%.La presión total es constante y las pérdidas de carga despreciables.

COLUMNAS DE RELLENO…

Cálculo de la altura de la columna…

Cálculo de la altura de la columna…

Al efectuar un balance de materias entre dos secciones transversales separadas por dz:

Si el balance se realiza entre la sección 1 y entre una altura cualquiera:

que es la ecuación de la recta de operación.

Si la sección de la columna es S, la cantidad o densidad de flujo transferida en una altura dZ será:

Caudal de materia transferida = N S a dz

Teniendo en cuenta la ecuación G’dY=L’dX se obtiene:

N S a dz = G’ dY = L’ dX

Cálculo de la altura de la columna…

Pero como la densidad de flujo de materia (N) se puede expresar de distintos modos:

Entonces: