INGENIERÍA PETROQUÍMICA
TRANSFERENCIA DE MASA II INTEGRANTES: Javier Sayavedra Francisco Malavé
DOCENTE: PhD. Julio César Pino
NIVEL Sexto
PERIODO ACADÉMICO Octubre 2014 – Febrero Febrero 2015
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ÍNDICE
TÍTULO: Absorción y Desorción .......................................................................................................
2
CONCEPTO DEL PROCESO ............................................................................................................
2
DESCRIPCIÓN ...................................................................................................................................
2
ESPECIFICACIONES ........................................................................................................................
4
IMPORTANCIA DEL PROCESO ...................................................................................................
20
APLICACIÓN INDUSTRIAL ..........................................................................................................
20
APLICACIÓN INDUSTRIA PETROQUÍMICA ............................................................................. 21 UTILIZACIÓN EN EL ECUADOR ................................................................................................. 21 CONCLUSIÓN .................................................................................................................................
22
Bibliografía ........................................................................................................................................ 22
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TÍTULO: Absorción y Desorción CONCEPTO DEL PROCESO Absorción El proceso donde ocurre una transferencia de masa desde la fase gaseosa hasta líquida se denomina absorción, en el cual uno o más de los componentes de una mezcla gaseosa pasa a un líquido en el que es soluble. G
L
La absorción puede ser química o física, según exista o no interacción química entre el soluto y el absorbente. La absorción es reversible, comúnmente, lo que permite combinar en una misma planta procesos de absorción y desorción, con vistas a regenerar el absorbedor para reutilizarlo y poder recuperar el componente absorbido, muchas veces con elevada pureza. Generalmente, estas operaciones solo se utilizan para la recuperación o eliminación del soluto. Una buena separación de solutos entre si, exige técnicas de destilación fraccionada.
Desorción El proceso inverso, donde ocurre la separación de uno de los componentes de una mezcla líquida por medio de un gas recibe el nombre de desorción (arrastre). G
L
DESCRIPCIÓN Absorción En el caso de absorción física, el gas se elimina por tener mayor solubilidad en el solvente que otros gases. Un ejemple es la eliminación, con un aceite pesado, de butano y pentano
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En la absorción química, el gas que se va a eliminar reacciona con el solvente y queda en solución. Un ejemplo es la eliminación del
en el gas natural y en los gases de
combustión, para que el no entre a la la atmosfera y contribuya al calentamiento global.
Desorción Existen tres procedimientos para realizar esta operación que son:
Hacer pasar un gas inerte o vapor de agua por el líquido
Suministrar calor al absorbente líquido
Disminuir la presión sobre el líquido
Entre los requisitos que debe cumplir el agente de despojamiento están el de ser fácil de separar del gas y que no se produzcan reacciones con peligro de envenenamiento. Los agentes despojadores más corrientes son el aire, el nitrógeno y el vapor de agua. En muchos procesos industriales se combinan en una misma instalación las operaciones de absorción y de desorción, con el objetivo de recuperar el disolvente. Por ejemplo en los sistemas de absorción que utilizan aminas, donde éstas se regeneran (desorción) para su reutilización.
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ESPECIFICACIONES Los procesos que de Absorción y Desorción se fundamentan en parámetros descritos a continuación:
Difusión. La transferencia de masa sigue un principio basado en gradiente impulsor y una propiedad de transporte denominada difusividad. En este caso en que la transferencia de la sustancia que se está difundiendo puede ser descrita, por lo general, mediante la ley de Fick.
Relaciones de equilibrio (solubilidad) La transferencia de un componente de una fase gaseosa a una fase líquida se da cuando existe una diferencia de concentración. El equilibrio se alcanza cuando la presión ejercida por el componente en la fase gaseosa se iguala a la presión parcial del componente en la fase líquida. Dicho equilibrio se puede describir con las siguientes leyes fundamentales: Ley de Dalton
Fase gaseosa ideal: Donde:
: fracción molar
: presión parcial del gas
Ley de Raoult
: presión total Fase liquida ideal:
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: presión del vapor
: fracción molar en la solución
Ley de Henry
Soluciones diluidas:
Donde:
: presión parcial del gas
: constante de Henry : fracción molar
Tabla 1. Leyes fundamentales de equilibrio La solubilidad de un gas en un líquido es función de:
Naturaleza de las sustancias y de su desviación del equilibrio.
Temperatura: La solubilidad es inversamente proporcional a la temperatura.
Presión: La solubilidad es directamente proporcional a la presión.
La concentración del compuesto gaseoso disuelto en el líquido a una P y T dadas. Se expresan en:
Forma numérica(tablas)
Gráficos: presiones parciales en función de concentración del componente en el líquido.
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Figura 1. Solubilidades de gases en el agua Equilibrios de absorción y desorción En los sistemas de absorción y desorción con tres componentes con frecuencia se supondría que:
El gas de arrastre, o portador, es insoluble.
El solvente es no volátil
El sistema es isotérmico e isobárico
La regla de las fases de Gibbs en este caso es:
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Los datos de equilibrio se deben representar en una gráfica de concentración del soluto en el vapor en función de la concentración del soluto en el líquido, o indicando una constante de ley de Henry.
La ley de Henry sólo es válida a bajas concentraciones de gas. Como la presión parcial se define como:
Se puede expresar la Ley de Henry de esta manera:
Las constantes de la ley de Henry dependen de la temperatura y suelen apegarse a la ecuación de Arrhenius.
Una gráfica de log H en función de 1/T produce con frecuencia una línea recta.
Líneas de Operación para absorción El diagrama de McCabe-Thiele es muy útil cuando la línea de operación es una recta. Para eso se requiere que se satisfagan los balances de energía y que la relación de flujo de líquido/flujo de vapor sea constante. Para que los balances de energía queden satisfechos,
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El gas portador es insoluble
El balance de masa para el solvente es:
El balance de masa para el gas portador es:
Finalmente la forma correcta de definir la composición es como relaciones molares, asi:
y
Las relaciones molares Y y X se relacionan con las fracciones molares ya conocidas:
y
Y y X pueden ser mayores que 1. Con las unidades de relaciones molares
] [ ] [ [ ] [ ] Se puede escribir el balance de masa en estado estable:
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Esta ecuación corresponde a una recta con pendiente L/G y ordenada en el origen (
). Ésta es la línea de operación para absorción. De esta manera, si graficamos las
relaciones de Y en función de X, obtenemos una gráfica de McCabe-Thiele. Para realizar dicha gráfica se sugieren los siguientes pasos: 1. Graficar los datos de equilibrio de Y en función de X 2. Se conocen los valores de
y L/G. El punto ( ,
operación, porque representa corrientes en contacto)
está en la línea de
3. La pendiente L/G. Trazar la línea de operación. 4. Comenzar en la etapa 1 y escalonar las etapas alternando entre la curva de equilibrio y la línea de operación.
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Sabiendo que:
Entonces:
( )
Finalmente el diámetro de la columna viene expresada por:
√ Donde:
̂
: área transversal requerida:
: densidad molar del gas
: velocidad superficial del gas : volumen
Coeficiente de transporte de materia
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Peculiares
De relleno
De burbujeo (de platos)
Pulverizadores
Los equipos más comunes en las operaciones de absorción son las torres rellena (empacada) rellena con material de empaque solido regular o irregular que se usan con más preferencia por presentar menor caída de presión, una columna de platos que contiene varios platos perforados o de burbuja y tapón, una torre o cámara vacía, donde se rocía el líquido, una columna de paredes húmedas o un recipiente con agitación o roció. Por lo general, las corrientes de gas y liquido se hacen pasara a contracorriente a través del equipo para obtener la máxima velocidad de absorción. Las torres rellenas usadas como absorbedores no son equipos estandarizados, se diseñan con diámetros desde 20 hasta 600 cm y con 1 a 24 m de altura. En general, las torres muy altas son poco eficientes. Las superficiales son poco usadas debido a su baja eficiencia y grandes dimensiones. Son específicos para gases muy solubles en el absorbente como es el
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TORRES RELLENAS El equipo consiste esencialmente en una columna
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Generalmente el equipo no se llena por una capa de empaquetadura continua, sino que se divide el relleno en bloques de aproximadamente 1,5 a 3 m, con el propósito de evitar que el líquido se mueva preferentemente cerca de la pared y deje de mojar la zona central de la capa de empaquetaduras. Este fenómeno, perjudicial para la transferencia de masa, se denomina efecto pared y está motivado porque al existir una mayor densidad del relleno en la parte central que en la zona próxima a las paredes del aparato, la resistencia hidráulica cerca de las paredes es menor por lo que el líquido se desplazará preferentemente hacia esa región. En la figura puede observase un relleno en dos secciones. Para redistribuir el líquido entre las capas de empaquetadura, se colocan los conos de redistribución. Las torres muy altas o de gran diámetro se dividen en varias secciones. Durante el trabajo de la torre empacada el líquido corre por la superficie de la empaquetadura en forma de película película fina, por lo cual la superficie de contacto entre las fases es, en lo fundamental, la superficie mojada del relleno. Al pasar el líquido de uno a otro elemento del empaque la película mencionada se quiebra y se forma una nueva en el elemento inferior.
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Los diámetros varian desde 20 a 500 cm. El aumento de la velocidad del gas permite disminuir el diámetro de la torre y con ello el costo inicial del aparato. El valor de la velocidad se establece por la relación: vo = (0,85 – 0.95) 0.95) vinund La resistencia hidráulica se determina a partir de valores experimentales, tanto para el relleno seco como para el húmedo, ésta última es mayor que la primera.
TORRES DE ABSORCIÓN DE PLATOS (TORRES DE BURBUJEO O BORBOTEO) En estos equipos, el gas burbujea dentro de una capa de líquido, de modo que la superficie de contacto entre las fases es la superficie de todas las burbujas formadas. Las torres de platos son columnas dentro de las cuales están instalados platos igualmente espaciados. Los platos poseen perforaciones, a través de las cuales pueden ascender los
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gas burbujee en el líquido, es preciso que las ranuras de la campana estén cubiertas por el líquido. Las torres de platos con cazoletas pueden manipular gastos de líquidos grandes y pequeños y resultan las más eficientes en torres de grandes dimensiones. La campana mostrada en la siguiente figura se compone del tubo central, que está fijado en el agujero del plato, la campana está unida al tubo central mediante un tornillo que atraviesa un listón transversal soldado en el extremo superior del tubo, o también puede estar soldada al tubo
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Los platos de válvula son platos perforados cuyas aberturas para el flujo de gas poseen un área variable. Las perforaciones tienen diámetro de 3 a 4 cm, si son circulares y están cubiertas con casquetes movibles, que se elevan a medida que aumenta el régimen del gas. Los platos válvula mantienen un equilibrio, acorde a la presión del gas con relación a la de la columna del líquido, a través del libre desplazamiento de la válvula según la altura de los fijadores o retenedores, de forma tal que el recorrido va desde la altura mayor, que deja pasar mayor cantidad de gases, hasta el cierre completo.
EQUIPOS DE ABSORCIÓN DE PULVERIZACIÓN En los absorbedores de pulverización (atomización), la superficie de contacto entre las
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El contacto gas-líquido es relativamente pequeño y se produce una pequeña caída de presión en la corriente gaseosa.
Procedimientos de diseño Los tres pasos principales incluidos en el diseño de una torre de absorción o separación son: 1. Los datos de las relaciones de equilibrio vapor-liquido del sistema se utilizan para determinar: a. La cantidad de líquido necesaria para absorber la cantidad requerida de los componentes solubles del gas, o b. La cantidad de gas, necesaria para separar la cantidad requerida de los
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bastante solubles en agua, aceites para los hidrocarburos ligeros y disolventes químicos especiales para los gases ácidos, tales como CO2, SO2 H2S. Las siguientes propiedades también deben considerarse: 1. Solubilidad del gas. La solubilidad del gas debe ser elevada, a fin de aumentar la rapidez de absorción y reducir al mínimo la cantidad de disolvente. En general, los disolventes de naturaleza química similar a la del soluto que se va a absorber proporciona una buena solubilidad. Con frecuencia, la reacción química del soluto con el disolvente produce una solubilidad elevada del gas. Sin embargo, si se desea recuperar el disolvente la reacción debe ser reversible.
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IMPORTANCIA DEL PROCESO El proceso de Absorción es sumamente importante, ya que es empleado en un sinfín de aplicaciones del diario vivir e incluso dentro del organismo humano (por ejemplo la absorción de hidratos de carbono en el sistema digestivo). Conocer de este proceso es muy necesario debido a que es usado industrialmente.
APLICACIÓN INDUSTRIAL La absorción se utiliza con diferentes propósitos en la industria, tales como la separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa y la purificación de gases tecnológicos.
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APLICACIÓN INDUSTRIA PETROQUÍMICA Actualmente se destacan tres tipos de procesos de separación por absorción en la industria:
Gas de síntesis
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tratamiento. Este es un proceso que se puede observar en la empresa NOVACERO en la Provincia Cotopaxi.