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ABSORCIÓN GASEOSA 1. DEFINICIÓN DEL PROCESO La absorción gaseosa constituye una operación de transferencia de masa desde la fase gaseosa a una fase líquida al ponerse estas en contacto; con el propósito de disolver los componentes del gas soluble en el líquido y lograr la separación de la fase líquida y los demás componentes del gas no solubles, esta operación es básica en Ingeniería Química ya que en el campo de las separaciones gaseosas se utiliza para: Deshumidificar el aire y otros gases, Para eliminar de los gases industriales los olores e impurezas objetables tales como el dióxido de carbono. Para recuperar vapores de valiosos solventes de las mezclas diluidas con aire, y otros gases Para fraccionar mezclas de gases de hidrocarburos que contienen sustancias tales como metanos, etanos, propileno, etileno, y propano Página 1 de 39

ABSORCIÓN GASEOSA_1

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ABSORCIN GASEASA

ABSORCIN GASEOSA

1. DEFINICIN DEL PROCESO

La absorcin gaseosa constituye una operacin de transferencia de masa desde la fase gaseosa a una fase lquida al ponerse estas en contacto; con el propsito de disolver los componentes del gas soluble en el lquido y lograr la separacin de la fase lquida y los dems componentes del gas no solubles, esta operacin es bsica en Ingeniera Qumica ya que en el campo de las separaciones gaseosas se utiliza para:

Deshumidificar el aire y otros gases,

Para eliminar de los gases industriales los olores e impurezas objetables tales como el dixido de carbono.

Para recuperar vapores de valiosos solventes de las mezclas diluidas con aire, y otros gases

Para fraccionar mezclas de gases de hidrocarburos que contienen sustancias tales como metanos, etanos, propileno, etileno, y propanoDESCRIPCIN DEL PROCESO:

Como ya se dijo el proceso de absorcin es una operacin de transferencia de masa entre la fase gaseosa y la fase lquida, donde se debe reunir las siguientes condiciones:

Condiciones de desigualdad en las concentraciones de cada fase, y que las concentraciones en la fase gaseosa sean mayores que las concentraciones en la fase lquida, para permitir que el flujo de materia se realice de la fase gaseosa a la fase lquida, el lquido disolver las sustancias solubles formando una solucin con estas y por ende una separacin entre esta nueva solucin y los gases restantes

Cuando un vapor absorbido por el lquido se separa de l por medio de un gas no soluble en el lquido la operacin se denomina Desorcin, siendo opuesta a la absorcin en cuanto a que representa transporte de materias desde la fase lquida a la fase gaseosa, en virtud que la concentracin del lquido es mayor que la del gas.

En el caso ms sencillo de Absorcin ninguno de los absorbente lquidos vaporizaran y el gas contiene solamente un constituyente

Por ejemplo el amonaco presente en una mezcla aire amonaco, se disuelve en H2O lquida, a temperatura ambiente, puesto que el amonaco es soluble en H2O y el aire es casi insoluble; el H2O lquida no vaporizar en forma apreciable a temperatura ambiente por lo tanto solo se transferir el amonaco de la fase gaseosa al H2O lquida, en vista que el amonaco se transferir a la fase lquida, su concentracin aumentar hasta que el amonaco disuelto con aquel presente en la fase gaseosa; cuando este equilibrio se alcance ya no se transferir mas amoniaco puesto que ya no hay potencial ( concentracin) necesario para la transferencia de masa

El proceso de Absorcin puede realizarse en forma puramente fsico o puede envolver solucin del material en el lquido, seguido por reaccin qumica con uno o varios sustituyentes en la solucin

Este proceso se puede llevar a cabo de diferentes maneras, como en el caso de Difusin a travs de membranas porosas o en la superficie de cuerpos slidos utilizados como rellenos de torres

SUGERENCIAS EN LA ELECCIN DEL SOLVENTE

1. SOLUBILIDAD La solubilidad gaseosa en lneas generales es indispensable para producir la absorcin por parte del lquido del solvente y por ende la separacin del soluto gaseoso.

Esta solubilidad debe ser elevada, aumentando as la efectividad de absorcin y por lo tanto disminuye la cantidad necesaria del solvente

Una solucin de un gas en un lquido ejerce, a una temperatura y concentracin definida, una presin parcial del gas disuelto tambin determinada. La solubilidad de un gas vara con la presin total, si sta es grande. Este efecto es pequeo a presiones menores de una 5 atmsfera y se desprecia siempre excepto en los trabajos a alta presin.

Gases diferentes presentan grandes diferencias en la presin parcial que ejercen sus soluciones en el equilibrio. Por ejemplo, si el gas forma un compuesto qumico estable con el lquido absorbente, su presin parcial ser nula en amplias zonas de concentracin, a condiciones que quede algo de disolvente libre.

En general cuanto ms baja es la presin parcial del gas disuelto en una solucin de concentracin dada, se dice que es ms soluble

Una cantidad dada de un lquido disolver cualquier cantidad de cualquier gas, tanto si es muy soluble o ligeramente soluble de acuerdo a la presin parcial del gas disuelto en la fase en contacto con el lquido.

Un caso especialmente importante de solubilidad gaseosa es cuando la curva de solubilidad es una lnea recta. En tal caso, el gas sigue la ley de Henry y la curva de solubilidad est representada por la ecuacin

En la que: P = presin parcial del gas soluto, atm.

H = constante de la Ley de Henry

X = Fraccin molar del soluto de la fase gaseosa.

2. VOLATILIDAD:El solvente deber tener una presin de vapor baja, ya que el gas residual de una operacin de Absorcin se halla generalmente saturado con el solvente y puede ocasionar mucha prdida Si es necesario para recuperar la parte evaporada en la primera operacin puede utilizarse un segundo lquido menos voltil

Esto se hace por ejemplo en el caso del absorbente hidrocarburado, cuando se utiliza un solvente relativamente voltil en seccin principal del absorbedor, a causa de las caractersticas superiores de solubilidad y el solvente volatilizado se recupera del gas con un aceite no voltil.

3. CORROSIVIDAD:Debe ser poco corrosivo para evitar desgastes y permitir mayor economa

4. COSTO:

Debe ser econmico, as las prdidas no resultan costosas.

5. VISCOSIDAD:Se requiere una viscosidad baja para lograr una absorcin rpida y adems mejorar las caractersticas de inundacin en las torres de Absorcin, da cadas de presin en el bombeo y buena caracterstica de transferencia calorfica.

6. OTRAS CONDICIONES:El solvente en lo posible deber ser no toxico, no inflamable, Qumicamente estable y deber tener un alto punto de congelacin

PRINCIPALES TIPOS DE TORRES DE ABSORCIN:

TORRES DE RELLENO

Consta esencialmente de una columna cilndrica o torre provista de una cmara de distribucin del gas en la parte inferior; una entrada y un sistema de distribucin de lquido en la parte superior; salida para el gas y el lquido en el tope y en el fondo respectivamente. Un lecho de unidades slidas inertes que rellenan la columna y que reciben el nombre de relleno. Este puede ser distribuido al azar o tambin puede ser colocado ordenadamente en la torre. El relleno colocado ordenadamente en la torre presenta canales interrumpidos a travs del lecho y originan menores cadas de presin que el colocado al azar en donde el gas se ve obligado a cambiar frecuentemente de velocidad y direccin.

El gas que contiene el soluto, gas rico, entra a la torre mediante un distribuidor situado debajo y asciende a travs de ste circulando en contracorriente con el lquido

El funcionamiento del relleno establece una gran superficie de contacto entre el gas y el lquido, favoreciendo el ntimo contacto entre las fases. El soluto contenido en el gas es absorbido por el lquido que entra a la torre, saliendo aqul pobre en soluto por la parte superior.

El rea de relleno por unidad de volumen del mismo, es expresada mediante el factor a y es definida como m2 de superficie hmeda activa por m3 de volumen relleno. Las variables que controlan este factor son las velocidades msica de cada fase, la viscosidad, la densidad, forma, y tamao del mismo relleno y las caractersticas de mojado de ste. El valor del factor a es necesariamente un valor promedio dado que el grado de hmeda del relleno vara a punto dentro de la torre. Esto no quiere decir que sea proporcional a la superficie especfica total del relleno seco, expresada mediante el factor av, aunque las unidades de menor tamao tendern naturalmente a dar ms superficie hmeda por unidad de volumen. Esta falta de proporcionalidad es debida principalmente a tres causas:

Desigualdad de distribucin de lquido sobre La seccin transversal de la torre.

Falla del lquido en mojar toda la superficie de cada partcula individual del relleno.

Superficie inactiva en los puntos de contacto entre las partculas de relleno en las cuales el lquido permanece estancado y se satura de soluto muy rpidamente.

MATERIAL DE RELLENO

El relleno representa la parte ms importante de estos equipos, Su propia seleccin envuelve un claro entendimiento de caractersticas operacionales y efecto sobre el funcionamiento, debido a diferencias fsicas significantes entre varios tipos de relleno

Un relleno debe cumplir los siguientes requisitos:

Ser qumicamente inerte para dos fluidos que circulan por la torre

Tener gran resistencia mecnica sin un peso excesivo

Permitir un paso adecuado de ambas corrientes sin originar una retencin de lquido, o cada de presin excesiva

Proporcionar una superficie interfacial grande entre las fases (lquido gas).

Tener un costo relativamente bajo, por consiguiente, la mayor parte de los rellenos se construyen con materiales baratos, inertes y relativamente ligeros, tales como arcilla, porcelana, grafito, etc. O tambin anillos metlicos de pared delgada construida en acero y aluminio.

Mediante unidades de relleno de forma irregulares o huecas se consiguen grandes espacios vacos, con una porosidad del 60 % o superior que permiten flujos elevados de la fase en operaciones donde la corrosin es factor muy importante, los rellenos de cermicas generalmente resultan menos costosos y ms apropiados, donde existe alta alcalinidad o donde exista la presencia de fluor los rellenos apropiados son los plsticos o carbn

TIPOS DE RELLENO: TABLILLAS DE MADERA Se utilizan cuando la solucin de pasar sobre ella sea neutra o dbilmente cido o alcalino, el enfriamiento del agua de los condensadores es una construccin tpica de torres de relleno de este tipo. COQUE: El coque tiene la ventaja de su peso ligero y gran superficie por unidad de peso. Sus desventajas son: pequeas secciones transversales libre ANILLOS RASCHING: Es la forma mas comnmente usada en las torres de absorcin, esta formado por anillos cilndricos de igual altura de dimetro, con espesores de paredes tan delgadas como permita el material.Los anillos Rasching, se cargan casi siempre en la torre al azar y no se colocan regularmente en formas ordenadas, lo que ofrece la mejor combinacin de bajo peso por unidad de volumen, seccin transversal, volumen libre y superficie total de cualquier tipo de relleno.

MONTURAS BERL: Esta formado por unidades de porcelana en forma de monturas que se colocan al azar, tienen mayor eficiencia que los anillos de Rasching en todas sus aplicaciones pero mayor costo.

MONTURAS INTALOX: Es uno de los rellenos mas eficiente pero mas costoso tienen alto punto de inundacin y baja cada de presin en comparacin con los anteriores, tienen bajo H.T.U., tienen menor resistencia mecnica que M.B. y A.R.

ANILOS TESRING: Presenta una cada de presin ligeramente alta en comparacin con los otros tipos de rellenos, presentan un elevado empuje sobre las paredes de la torre.

ANILLOS PALL: Este tipo de relleno puede ser de metal, plstico o cermica, presentan bajo cada de presin con valores inferiores a los A.R. y bajo H.T.U.

Los aparatos para absorcin de gas o desorcin usualmente se clasifican en cuatros tipos diferentes, teniendo cada uno de ellos como objetivo primordial promover el contacto con la interfase entre el gas y el lquido. Existen tambin, o son posible, muchas variedades y combinaciones de estos tipos.

LOS EMPAQUE GENERALMENTE SE DIVIDEN EN: Empaques al azar: son piezas discretas de una forma geometra especfica, los cuales son empacados al azar dentro de la coraza de la columna

Empaques estructurados: son piezas colocadas en forma ordenada dentro de la columna.

Rejillas: su uso es limitado a la transferencia de calor y los servicios de lavado y / o donde se requiera una alta resistencia al ensuciamiento.

CARACTERSTICAS DE LOS EMPAQUES.

Debe suministrar una superficie interfacial grande para el contacto entre las fases de lquido y vapor.

Debe permitir el paso de grandes volmenes de fluido a travs de pequeas secciones transversales de la torre, sin ocasionar inundacin

Ser qumicamente inerte con respecto a los fluidos que se procesan.

Deber tener una estructura fuerte que permita el fcil manejo e instalacin.

Debe ser de bajo costo.

Las columnas de relleno presentan ciertas ventajas y desventajas que determinan su escogencia sobre las columnas de platos, entre las que se mencionan:

Tienen una cada de presin menor por unidad de altura. Esto es importante en las destilaciones al vaco

Se utilizan en columnas de dimetros pequeos

Se utilizan en operaciones altamente corrosivas

La cantidad de lquido retenido por la columna es muy pequea, si existe un buen diseo

Tienen mayor efectividad pero no operan sobre amplias zonas de cargas de vapor o lquido por unidad de seccin recta de la torre.

Resulta difcil la distribucin del lquido

La limpieza es ms fcil realizarla en una columna de platos.

tabla No. 2. Caractersticas de algunos de los Empaques ms usados.

EmpaqueAnillos RashigSillas de Montar IntaloxSillas de Montar BerlAnillos Pall

CaractersticasBajo Costo

Baja Eficiencia

Disminuye la resistencia a medida que disminuye el espesor de la pared

A mayor espesor mayor cada de presin, menor espacio libre y un rea de superficie reducida

Dimetro y altura son igualesMejor caractersiticas de humedecimiento

Ms costoso que los anillos RashigSon costosos

Pueden empacarse dando configuraciones complejas

Son resistentes

Dan mayor rea por unidad de volumenTienen secciones de pared cortadas y dobladas para dar una mejor circulacin

MaterialPorcelana

Arcillas

Carbn

Metales

TORRE TIPO SPRAY:

Consiste en una gran cmara por la cual pasa el gas y en donde el lquido se introduce en forma de gotas por medios de rociadores o mediante otro tipo de atomizador, la fase gaseosa es continua, mientras que la fase lquida es discontinua.

En este equipo el lquido entra en la cmara generalmente por la parte superior de una torre habitualmente cilndrica, y el gas hace lo mismo por el fondo, La conversin de la corriente lquida en un gran nmero de pequeas gotas provee una superficie interfacial a travs de la cual se lleva a cabo una transferencia por difusin.

Dentro de las gotas ms pequeas, el lquido estacionario y el movimiento del soluto se lleva a cabo por difusin molecular. El principal problema en el diseo de este tipo de equipos es la dificultad de mantener las finas gotas suspendidas individualmente en la corriente ascendente de gas, el cual tiende a llevarlas consigo y sacarlas de la cmara.

Se presenta tambin con frecuencia en este tipo de equipos el fenmeno de coalescencia, las gotas a medida que caen van creciendo en tamao, ya que la coalescen, lo que trae como consecuencia una disminucin en el rea total de transferencia de materia

TORRE DE PLATO POROSO:

Este tipo de equipo es opuesto al anterior en el principio que la fase gaseosa es discontinua mientras que la fase lquida es continua. En estas unidades el gas se dispersa en el lquido hacindolo burbujear a travs de l. La subdivisin de la corriente gaseosa puede ser efectuada forzando el gas a travs de un plato poroso. Las pequeas burbujas presentan una gran superficie de contacto entre las fase; la difusin interfacial se lleva a cabo en el momento en que las burbujas se forman y asciende a traves del lquido. Tambin se presenta en este caso el fenmeno de coalescencia entre las burbujas, por lo que disminuye el rea total de transferencia de materia al aumentar aquella de tamao, con la siguiente prdida de efectividad del equipo. La resistencia mecnica que opone la fase lquida es reducida por el movimiento de las burbujas hacia arriba, pero el mismo tipo de resistencia que opone la fase gaseosa puede llegar a ser relativamente grande debido a la falta de mezclado turbulento entre las burbujas.

Este tipo de equipo es utilizado para la absorcin de gases relativamente insoluble, donde la resistencia de la fase lquida controla la transferencia de materia.

TORRE DE PLACAS PERFORADAS:Consiste en una torre generalmente cilndrica provista de varias secciones, en las cuales se hallan ajustadas unas placas perforadas con bastante huecos distribuidos uniformemente. Las placas se colocan una seguida de la otra guardando siempre entre ellas una misma distancia. En algunos casos especficos se utilizan las placas con cpsulas de metal acampanadas y con ranuras en lugar de huecos.

Sobre cada una de las placas se forman un pequeo depsito de lquido y las burbujas ascienden desde el fondo de ste por el paso forzado del gas a travs de las perforaciones. Una gran parte de la transferencia de masa en la interfase transcurre al mismo tiempo que las burbujas se forman y comienzan a subir. En las torres de este tipo existe un constante cambio en la forma de las fases lquidas y gaseosas debido a la colocacin sucesiva de las placas a lo largo de la seccin de la torre. En cada placa ocurre un cambio, la fase lquida pasa de continua a discontinua y se vuelve a hacer continua al reposas un poco sobre la placa siguiente, de la misma manera sucede con el gas al ascender pasando a travs de cada placa.

VARIACIONES DE TEMPERATURAS EN LA TORRE DE RELLENO:

Cuando en una torre de relleno se introduce como alimentacin, un gas que contiene el soluto que se quiere recuperar, la temperatura dentro de la torre vara, y este gradiente de temperatura afecta a la forma de la lnea de equilibrio. La velocidad de absorcin es mayor a la entrada del gas a la torre, y el calor de condensacin y disolucin del componente absorbido es suficiente para provocar un aumento considerable de la temperatura del lquido.

Por consiguiente, al disolverse acetona a una temperatura dada, en una cantidad limitada de agua, a la misma temperatura, se comprueba que se desprende una gran cantidad de calor. Este calor es denominado CALOR DE DISOLUCIN. La cantidad de calor desprendido vara con la cantidad de agua utilizada en la disolucin.

Algunas veces se instala un sistema de refrigeracin en la torre, con el fin de reducir este efecto.

En la mayor parte de las torres alimentadas con una corriente de gas diluida o moderadamente, el gradiente de temperatura en la columna es pequeo y la lnea de equilibrio es aproximadamente recta.

SOLUBILIDAD DE GASES EN LIQUIDOS EN EL EQUILIBRIO:La rapidez con la cual se disolver un componente gaseosa de una mezcla en un lquido Absorbente depende de la desviacin del equilibrio que existe. Entonces en un SISTEMA DE DOS COMPONENTES la concentracin resultante del gas disuelto en el lquido recibe el nombre de solubilidad del gas a la temperatura y presin predominante (sistema)

A una temperatura dada, la solubilidad aumentar con la presin, como aumenta por ejemplo en la curva A, que muestra la solubilidad de NH3 en agua a 30 ( C.

Gases y lquidos diferentes presentan curvas de solubilidad distintas, las cuales en general se deben determinar experimentalmente para cada sistema.

Si a una concentracin dada de lquido la presin en el equilibrio es alta, como en el caso de la curva B, se dice que el gas es relativamente insoluble en el lquido.

Por el contrario, si es baja como la curva C, se dice que la solubilidad es elevada.

Sin embargo, esto es meramente relativo, ya que es posible obtener cualquier concentracin final del gas en el lquido si se aplica la presin suficiente, siempre y cuando la forma licuada del gas sea completamente soluble en el lquido

. La solubilidad de cualquier gas depende de la temperatura, y depende en la forma descrita por LEY DE VANT OFF para el equilibrio mvil

Si se aumenta la temperatura del sistema de equilibrio, ocurrir un cambio durante el cual se absorber calor Pero no siempre la disolucin de un gas tiene como resultado la evolucin de calor; por ello, en la mayora de los casos, la solubilidad de un gas decrece al aumentar la temperatura. Ejemplo: La curva A NH3 a 30 ( C. esta arriba de la curva correspondiente a 10 ( C.. Sin Embargo siempre y cuando su presin de vapor sea menor que la del gas o la del soluto vaporizado, la solubilidad del gas ser cero en el punto de ebullicin del disolvente En sistema de multicomponentes si una mezcla de gases se pone en contacto con un lquido, la solubilidad en el equilibrio de cada gas ser., en ciertas condiciones, independiente de la de los dems, siempre y cuando el equilibrio se describa en funcin de las presiones parciales en las mezclas gaseosa

EQUILIBRIO GAS LIQUIDO:

SOLUCIONES LIQUIDAS IDEALES

Cuando la mezcla gaseosa en equilibrio con una solucin lquida ideal sigue tambin la ley de los gases ideales, La presin parcial (p*) de un soluto gaseoso A es igual al producto de su presin de vapor (po) a la misma temperatura por su fraccin molar de la solucin (x). Esta es la ley de Raoult

P* = presin parcial en el equilibrio

P= presin de vapor o saturacin

X = fraccin molar de la solucin lquida

La naturaleza del lquido disolvente no se toma en cuenta, excepto cuando se establece la condicin ideal de la solucin

La solubilidad de un gas particular en una solucin ideal en cualquier disolvente es siempre la misma

Se puede aplicar Raoult en los siguientes casos:

Presin total baja y solucin lquida son considerada ideales

Presin total alta y se trabaja con la ecuacin de fugacidades en vez de las presiones y cuando la solucin lquida resultante no es ideal.

SOLUCION LIQUIDAS NO IDEALES:

Para las soluciones lquidas que no son ideales, la ecuacin de la Ley de Raoult dar resultados muy incorrectos. Entonces se utilizan la ecuacin de la ley de Henry

donde: m = es una constante

La Ley de Henry no es aplicable en un rango amplio de concentraciones

FLUJO DE FLUIDOS EN LOS RELLENOS:PERDIDAS DE CARGA Y CAPACIDAD El estudio del flujo de dos fluidos, en contracorriente, a travs de un lecho de partculas slida ha sido, y es todava, objeto de numeroso trabajos.

Si en una torre de relleno se aumenta progresivamente el caudal de gas, dejando constante el flujo de lquido, La Prdidas de carga aumenta igualmente

Para un caudal de lquido nulo, la variacin de la prdida de carga p en funcin del caudal de gas G , se puede representar por una recta, en coordenadas Logartmicas ( VER FIGURA)

Para caudales de gas bastante bajo: p es sensiblemente proporcional al cuadrado de la velocidad del gas. Se observa que en estas condiciones LA RETENCIN DE LQUIDOS en el relleno es, casi, independiente de G y depende del caudal de lquido L

Para un cierto valor de G, se observa un cambio en la forme de la curva que representa la evolucin de p

La friccin del gas es, entonces, suficiente para frenar el descenso del lquido provocando un aumento de LA RETENCIN DEL LQUIDO, que a su vez, disminuye el espacio libre ofrecido al flujo de gas.

Esta discontinuidad, a veces difcil de observar, en la evolucin de p corresponde a lo que se llama PUNTO DE CARGA de la torre

Cuando contina aumentando G. La prdida de carga aumenta ms rpidamente, hasta un segundo punto de discontinuidad B, llamando PUNTO DE INUNDACIN

Distribuidor de lquido de escalera de Orificios

Distribuidor de lquido de boquillas de aspersin

Koch Plastc Flexing

Anillo Pall de Plstico

Anillo Pall Metlico

Hy Pak metlico

Empaquetadura para torre intalox

Variacin de la Prdidas de carga en funcin de los caudales de gas y lquido en una torre de relleno

Log G

Log EMBED Equation.3 p

Punto de Inundacin

Punto de Carga

EMBED Equation.3

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