ABSORCIÓN I.
INTRODUCCIÓN La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que consiste en poner en contacto un gas con un líquido, para que este se disuelva determinados componentes del gas, dejándolo libre de los mismos.
La absorción puede ser física o química, según que el gas se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico La desorción es la operación unitaria contraria a la absorción, en ella, un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte, siendo eliminado del líquido.
Estas operaciones se pueden llevar a cabo en columnas de platos y de relleno y también en torres de pulverización, que son columnas vacías en las que el líquido entra a presión por un sistema de ducha, circulando al gas en sentido contrario.
La absorción se emplea en la industria para la eliminación de gases ácidos (CO2, SO2) en corrientes gaseosas, mediante distintas corrientes líquidas (agua, disolución de sosa, aminas).
II. MARCO TEÓRICO 2.1. ABSORCIÓN EN TORRES EMPACADAS La absorción de gases es una operación unitaria en la cual se disuelve en un líquido uno o más componentes solubles de una mezcla gaseosa (Barderas, 2010).
La operación opuesta se conoce con el nombre de desorción y se emplea cuando se desea transferir un componente volátil de una mezcla líquida a un gas. Esta operación se lleva a cabo de manera continua en equipos llamados torres o
columnas. Son equipos cilíndricos y suelen ser de gran altura. Las torres pueden ser empacadas o de platos.
Generalmente la corriente de gas y la corriente de líquido fluyen a contracorriente dentro de la torre.
La corriente gaseosa se se introduce por la base de la columna y sale sale por el domo. La corriente líquida se alimenta por el domo y se descarga por la base. Entre ambas corrientes se crea una interface muy grande por la subdivisión de la corriente líquida al mojar y salpicar los empaques. El efecto que se tienen dentro de una torre es similar al de una cascada, en donde el agua choca contra las piedras, las salpica y se desmenuza en pequeñas gotas.
La operación unitaria de absorción se puede esquematizar de la siguiente manera:
2.1.1. Equilibrio Para la operación unitaria de absorción el equilibrio está determinado por la regla de las fases de Gibbs. GL = C - F +2
En donde GL son los grados de libertad o número de variables intensivas que pueden ser variadas independientemente. C son los componentes que intervienen en el sistema y F las fases presentes.
En el caso de la absorción, se tienen dos fases presentes; la líquida y la gaseosa y el número de componentes en el caso más sencillo son tres que son: el soluto, el gas inerte y el líquido absorbente; por lo que los grados de libertad son:
GL =3 Las variables termodinámicas intensivas del sistema son P, T, yA, y I, xA, xI. Pero hay que recordar que:
yA + yI = 1
y que
xA + xI = 1
Si fijamos P y T queda una concentración como variable independiente y las otras quedarán fijas.
Los diagramas
de
equilibrio
reproducen
esta situación
y
generalmente presentan la relación entre y, x a una temperatura y presión fijas.
Y P , T Ctes.
x Los datos de equilibrio se obtienen de forma experimental y se encuentran reportados en libros de ingeniería o de fisicoquímica. Los datos de equilibrio para algunos sistemas se presentan en los apéndices.
En general se tiene que, a menor temperatura aumenta la absorción y a mayor presión también.
A bajas concentraciones muchos sistemas siguen la le y de Henry p = H x
Los datos de equilibrio pueden darse en fracción masa (xA), fracción mol (~ x A), relación masa (XA), relación mol ( X X ~ A), concentración másica (CA), o concentración molar (C (C
A),
por lo que se debe poner especial
atención al tratamiento de los datos para que todos estén en el mismo sistema de unidades.
2.1.2. Equipo utilizado en la absorción Los equipos más utilizados en absorción absorción son las torres de absorción, llamadas también absorbedores, torres lavadores, strippers, etc. Las torres de absorción se dividen en dos grandes grupos: aquellas rellenas con empaques o aquellas en cuyo interior existen platos, bandejas o etapas.
2.1.3. Torres de absorción empacadas En las torres de absorción empacadas mediante el uso de empaques o rellenos se busca principalmente el establecimiento de una gran interface, a fin, de poner en contacto íntimo las fases gaseosa y líquida. La cantidad de transferencia de materia, (de soluto en este caso), depende directamente de la superficie interfacial y de la naturaleza de los componentes.
Las torres empacadas se usan en contacto continuo a contracorriente. Son columnas verticales y están rellenas con empaque. El líquido se distribuye en el empaque y desciende a través del él exponiendo una gran superficie de contacto con el gas.
Reciben el nombre de empaques, empaques, las piezas que se colocan dentro del equipo y que se utilizan para aumentar el área interfacial. En general un buen empaque debe cubrir las especificaciones siguientes:
Proporcionar una gran superficie interfacial entre el líquido y el gas. La superficie de empaque por unidad de volumen de espacio empacado debe ser grande, pero no en un sentido microscópico. Los pedazos de coque por ejemplo, tienen una gran superficie debido a su estructura porosa.
Debe poseer buenas características de flujo. Esto es, que el empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de flujo a través de pequeñas secciones de la torre, sin provocar grandes caídas de presiones en la fase gaseosa.
Debe ser químicamente inerte a los fluidos del proceso.
Su estructura debe permitir el fácil manejo e instalación. El empaque se puede acomodar de dos formas: al azar y en forma
regular: En el empaque al azar, este se coloca en el interior de la torre sin ningún arreglo en particular, por el contrario, el empaque regular se coloca siguiendo un patrón determinado.
En un principio como como empaque se
usaban materiales tales como: trozos de vidrio, grava, pedazos de coque. Posteriormente se emplearon los empaques geométricos manufacturados, tales como los anillos Raschig, Pall y Lessing o las sillas Berl, Intalox y los Telleretes. Hoy en día, se emplean frecuentemente los empaques estructurados, de alta alta eficiencia ya ya sea tejidos tejidos o no tales como los de mallas segmentada o en forma de espiral, que reciben nombres de acuerdo a los fabricantes. Estos Estos empaques son de gran tamaño y ocupan totalmente el área interna de la torre. Los empaques geométricos pequeños se fabrican fabrican de arcilla, cuarzo o porcelana. Los más usados industrialmente son los Raschig. Durante la instalación, el empaque se arroja dentro de la torre, que está llena de agua y se acomoda al azar. Los Los empaques distribuidos en forma forma regular ofrecen menor caída de presión pero menor área de contacto. Los empaques empleados tales como los anillos Raschig de 3 pulgadas deben irse apilando cuidadosamente.
El gas
entra por debajo
de la torre y también a través de un
distribuidor llega al empaque y fluye hacia arriba entre los intersticios y a contracorriente con el líquido. El empaque provoca una gran área de contacto y fomenta el contacto íntimo entre las fases haciendo que el soluto que viene con el gas se disuelva en el líquido. Por el fondo de la torre se Obtiene un líquido rico rico en soluto y por el domo un gas empobrecido . Un factor de diseño de primera importancia es el valor de
m G /L o
factor de absorción. absorción. El factor de absorción se define como:
= = = 1 = íí ó íí ó = = = 1 = =
Factor de desorción:
Para valores de A o S mayores que la unidad es posible obtener cualquier grado de separación si se utilizan suficientes platos o altura de empaque. Al aumentar A o S, el número de platos o la altura del empaque disminuyen, de manera que el costo del equipo decrece, pero los costos de operación aumentan. Hay un valor óptimo de A o S que fluctúa usualmente entre 1.25 y 2, siendo 1.4 un valor frecuentemente recomendado. Este factor es necesario para determinar la altura de la unidad de transferencia y el número de unidades de transferencia. La relación líquido gas afecta también al diámetro de la torre. Para muchos casos el valor de L/G está entre 1.2 y 2.5 del valor de L/G mínimo siendo 1.5 un buen valor.
En las torres empacadas para evitar el fenómeno de acanalamiento (flujo de líquido hacia las paredes) se suelen colocar redistribuidores de líquido cada 2 metros metros de empaque. La velocidad del gas se selecciona considerando primeramente la velocidad óptima con respecto a la inundación, generalmente el diseño se hace para no más del 60 % de esta.
2.1.3.1. Altura del empaque La altura que debe tener el empaque para lograr la transferencia de masa deseada se calcula por medio de ecuaciones semejantes a:
̃ ̃ = ∫̃ ̃−̃
ó
=
En donde HOG en la altura total de la unidad de transferencia del lado gas y es igual a:
y
=
NOG es el número de unidades de transferencia de masa
basada en el lado gas y en la diferencia de potencial total, o sea:
̃ ̃ = ̃ ̃ ̃
La evaluación de esa integral se efectúa mediante los procedimientos comunes utilizados en transferencia de masa. Estas ecuaciones pueden resolverse analíticamente graficando o numéricamente. La última opción se usa sobre todo para soluciones concentradas y/o cuando la operación no es isotérmica. Para soluciones soluciones diluidas y a temperatura constante, la solución
analítica la proveen proveen las ecuaciones de Kremser Kremser y Colburn para absorbedores de platos o para absorbedores con torres empacadas.
NOG para absorbedores empacados
[ 1 ] = 1
NOG para desorbedores empacados
1 = 1
2.1.3.2. Diámetro de la torre Las velocidades másicas del gas y del líquido influyen en la altura del empaque o relleno, de tal manera que al aumentar estas velocidades disminuye la altura necesaria del empaque requerido para lograr una separación dada y por ello, se debe operar a velocidades tan altas como sea posible, a no ser que, la pérdida de presión a través del relleno sea un factor económico significativo.
2.1.3.3. Caídas de presión En las torres empacadas se producen caídas de presión en el gas que son debidas al empaque mismo, al roce contra las paredes del recipiente y al flujo del líquido que pasa por la torre. En general, si graficamos contra contra el caudal del gas tendremos para un gasto dado de líquido el siguiente comportamiento:
Del punto A al B las caídas de presión se pueden calcular por medio de gráficas o por ecuaciones tales como:
∆ = 10
En donde , son propiedades del empaque y L/A y G/A son masa velocidades. El punto B se conoce como el punto de carga. carga. En él, una parte de la energía del gas se usa para frenar el flujo de líquido en la torre, por lo que se reduce la sección efectiva de flujo de gas. En el punto C se produce el fenómeno llamado de de inundación, inundación, en el cual la torre se se vuelve inestable, ya que el líquido es retenido por el gas y no desciende, inundándose la torre y deteniéndose la transferencia de masa.
Este punto de inundación presenta el límite superior de la velocidad posible del gas para un flujo dado de líquido. En otras palabras, se presenta la inundación cuando la pérdida de presión del gas es tan alta, que el peso del líquido no es suficiente para que este circule a contracorriente con el gas. La velocidad de inundación se puede calcular mediante la gráfica de Lobos.
En donde y a son propiedades del empaque llamadas porosidad y superficie específica. Los datos de algunos de los empaques más comunes se presentan en el apéndice. La velocidad de inundación puede también calcularse por medio de:
. = 4
Los absorvedores se diseñan para caídas de presión de 200 a 400 Pa/m.
La caída de presión en la inundación puede obtenerse mediante la ecuación
∆ (= 93.9../).).
valor que se obtiene de tablas
.
en Pa/m, siento
∆∆ = ℎ ℎ, 200 ∆ ∆ = Ψ 2 1
un
también es igual
La caída de presión en las torres puede también obtenerse por
Siendo líquido)
la caída de presión en una columna seca (sin
= 1 = 1 23 1 1 = 6 1 = = [ 64 221.8 ] = −− = = = /= / ℎ = ℎ = [12 ] [ℎℎ ] = ℎ = .. .. < 5 ℎ = 0.85 .. .. ≥ 5 = En donde Z = altura de empaque;
factor de pared.
dp= diámetro efectivo del empaque
El coeficiente de resistencia de empaque seco
y
el Reynolds del líquido.
Fracción de huecos y a = área específica Velocidad superficial del líquido en m/s, velocidad superficial del gas. La retención del líquido en la columna en
Siendo
el Froude del líquido
ah = área efectiva del empaque, área hidráulica.
Característica del empaque.
.
.
2.1.3.4. Coeficientes y alturas de las unidades de transferencia Los coeficientes de transferencia de masa en la absorción se predicen a través de correlaciones. Para emplear las correlaciones, uno de los primeros requerimientos es indicar cuál es la película controlante en el sistema. En el caso de que sea una sola la película que controla la transferencia de masa, el coeficiente parcial se hace igual al total. La mayoría de las correlaciones que se encuentran en absorción se refieren a las llamadas alturas de unidades de transferencia en vez de como coeficientes de transferencia de masa.
La mayoría de los trabajos sobre la estimación d el HG o altura de la la unidad de transferencia transferencia del lado gas se basan
en la
vaporización de líquidos en aire y en la absorción absorción del amoníaco,
ya que en esos casos, la mayor parte de la resistencia se encuentra en la fase gaseosa. Una de las correlaciones más utilizadas por su sencillez es la de Fellinger.
= .
En donde , y son constantes que dependen del empaque y
L/A y G/A son las masas velocidades velocidades del líquido y del gas
respectivamente. Los valores de HL de HL o altura de la unidad de transferencia del lado del líquido, líquido, se determinan ordinariamente a partir de experimentos sobre la desorción del oxígeno, bióxido de carbono e hidrógeno disueltos en agua; puesto que en esos casos la resistencia a la transferencia
reside casi por entero en la fase
líquida. Para la fase líquida una de las ecuaciones más empleadas es la de Sherwood y Holloway.
= 1 .. En donde: y
n son características del empaque. Ver
apéndice. Si se desea obtener la altura total de la unidad de transferencia se deberá emplear la ecuación siguiente:
=
En donde H OG es la altura total de la unidad de transferencia
del lado gas, gas,
m es la pendiente de la línea de
equilibrio y G/L la pendiente la pendiente de la línea de operación. operación. El Número de unidades de transferencia transferencia es una medida de la dificultad de la separación. La altura de la unidad depende de la eficiencia del empaque. Un bajo valor de la altura es signo de alta eficiencia y de un buen empaque, implicando una gran área superficial. La predicción de los coeficientes individuales de transferencia de masa y del área interfacial efectiva, o de los coeficientes volumétricos de transferencia de masa, o directamente los valores de HOG, pueden ser realizados de diferentes maneras.
2.1.3.5. Correlación de Pavlov Para la absorción en torres empacadas se puede disponer de algunas correlaciones que nos dan el valor del coeficiente. Aquí presentamos la correlación propuesta en el libro de K.F. Pavlov Para la película gaseosa
En donde
= 0.0407 407... =
K G= coeficiente de transferencia de masa del lado gaseoso en m /s Deq= diámetro equivalente =
= volumen de huecos del empaque aP= superficie específica del empaque m2/m3 DG difusividad del gas en m2 / h
= 4
=
Velocidad del gas referida a la sección total de la columna (ficticia) en m/s.
= = 0.0021 .. .. = =/ . = = 4Ψ
Para la película líquida
= =
Es el coeficiente de transferencia de masa mas a del lado del líquido en m/s Difusividad del líquido en Espesor de la película líquida
L es el gasto de líquido en kg / s A es el área transversal, es el coeficiente de mojado (generalmente con valores entre 0.7 y 1).
= Ψ
La es el coeficiente volumétrico de transferencia de masa d el lado k La
del líquido Se debe recordar que:
= 1 1 1
Siendo K G el coeficiente total de transferencia de masa del lado del líquido.
2.1.3.6. Correlación de Billet y Schultes En investigaciones amplias, Billet y Schultes (1991) midieron y correlacionaron los coeficientes de transferencia de masa para 31 mezclas binarias y ternarias con 67 tipos diferentes de empaques en columnas de diámetros que ivan de 6 cm a 1.4 m.
Los sistemas incluyen a algunos cuya resistencia reside principalmente en la fase líquida y otros en los
cuales la
resistencia en la fase gas predomina.
Para la resistencia en la fase líquida, la correlación propuesta es:
. = 0.757 en
en donde DL difusividad del líquido. Y C
L
una constante
empírica que se muestra en la tabla. Para la fase gaseosa la correlación es:
= 0.1304 −−.. en
En donde Cv es una constante empírica del empaque que se encuentra en tablas.
Fuente: Seader and Henley 1998
2.1.3.7. Datos prácticos
Para flujos de gases de
14 m 3/minuto se suelen usar
empaques de 1 pulgada, para flujos de 56 m3/min o más se usan empaques de 2 pulgadas. La relación de diámetro de la torre a diámetro del empaque deberá ser de al menos 15. Debido a las posibilidades de deformación los empaques de plástico deben limitarse a 3 o 4 m de altura mientras que los metálicos pueden soportar hasta 7.5 m de altura de empaque. Los distribuidores de líquido deben colocarse cada 5 a 10 diámetros de altura. Las torres empacadas deberían trabajar al 70 % de la inundación. La alturas equivalente de un plato teórico para equipos de contacto vapor – líquido son de 0.4 a 0.6 m para empaques Pall de 1 pulgada y de 0.75 a 0.9 m para anillos Pall de 2 pulgadas.
Las velocidades de líquido deben ser superiores 1.2 mm /s., /s., la velocidad del gas deberá ser tal que no ocurra la inundación.
2.1.3.8. Correlaciones para empaques estructurados. Durante los últimos 25 años se desarrollaron nuevos tipos de empaque que en contraste con las piezas de empaque utilizadas al azar se acoplan a las dimensiones de la columna en una forma ordenada y estructurada.
Estos empaques estructurados tienen un comportamiento muy atractivo principalmente debido a las bajas caídas de presión y su alta eficiencia, sin embargo su costo por unidad de volumen es relativamente alto.
Los empaques estructurados estructurados se presentan en forma de mallas de fibras o como laminillas orientadas. En esos empaques el líquido se mueve a través de los canales o intersticios en contracorriente con los vapores.
Los coeficientes de transferencia de masa para estos empaques están dados por:
ℎ = 0.0328328 .. ℎ = = ( ) =
= á 1 = 41 = 4 áí = ℎ[ℎ [ 2 2 2]
En donde:
=
El flujo efectivo del gas está dado por: en donde es el ángulo de inclinación del
canal.
El flujo efectivo del líquido está dado por:
. 3 = 2 3 = en
=
Sección transversal de la torre en
= í = 2
= + = . = 2 [ ] = =
El coeficiente del lado del líquido se calcula mediante:
La altura de la unidad de transferencia se calcula por:
;
= / = / 92. 7 1 ∆ = [0.0.171 ] [1 .] = = Superficie efectiva del empaque en
en este
caso los autores sugieren que: en donde
es el área de empaque por unidad de
volumen en
Caídas de presión en empaques estructurados.
En donde los valores de
III. BIBLIOGRAFÍA
se obtienen de la tabla siguiente:
Barderas, D. A. (2010). Absorción. (2010). Absorción. México México D.F: Ed. Limusa.
