Diseño de torres de absorción en columnas de platos. Generalmente la operación de absorción de gases, igual que en otras operaciones básicas, como pueden ser la desorción y la rectificación, se realizan en columnas que son iguales que en el caso de una torre o columna de absorción con relleno. Son cuerpos cilíndricos dispuestos en posición vertical. En su interior se pueden encontrar unos dispositivos (bandejas, platos) El objetivo principal de estos platos es proporcionar una gran superficie de contacto entre las dos fases: la fase gaseosa y la fase líquida. Los platos o bandejas se ponen en contacto con la fase líquida y el gas en contracorriente. Lo que transcurre es una transferencia de materia a causa del gradiente de concentración. El diseño de las columnas de platos se basa en los principios de los cálculos para la determinación del número de platos teóricos, para conseguir una concentración determinada a partir de la técnica de absorción de gases. La utilización de las columnas de platos se realiza básicamente en operaciones a gran escala. Las características de aplicación son: Tienen un contacto discontinuo con el gas. Gran diámetro del gas. Se utilizan cuando hay sólidos en suspensión. Se aplica en los casos que puedan haber cambios bruscos de temperatura. temperat ura. Se utilizan cuando de debe trabajar con presiones elevadas.
Para realizar el cálculo del número de platos teóricos gráficamente se tiene que realizar una representación gráfica a partir de los diagramas de equilibrios, donde el diseño debe de ser una parte integrada que incluya una distribución de un solo suelto entre el disolvente y la fase gas inerte. El número de platos teóricos se puede encontrar escalonando el diagrama de equilibrio siempre y cuando los datos de equilibrio sean las correctas y estén bien representadas en el diagrama.
Figura 2.8: Ejemplo del cálculo gráfico del número de platos teóricos.
Fuente: www.plantasquimicas.iespana.es
En la figura anterior, se muestra un ejemplo de cálculo del número de platos teóricos que hacen falta, mediante una representación gráfica. En este ejemplo se tiene un sistema de 5 platos teóricos donde se puede observar el proceso de escalonamiento a partir del diagrama de equilibrio. El punto inicial viene expresado por P0, que representa las composiciones del líquido de entrada y del gas que sale por la parte superior de la columna. Al hacer el quinto escalonamiento, se llega al punto PF, que representa las composiciones del gas de alimentación, donde es rico en soluto, y las composiciones del líquido, el cual también es rico en soluto. Una vez se tienen fijados el número de platos, para encontrar la composición del gas que sale y la temperatura de la parte superior de la columna, se encuentra por tanteo. Este procedimiento es válido tanto si se tiene un gas insoluble inerte en la fase gaseosa o un disolvente inerte no volátil en la fase líquida. El cálculo analítico nos permite determinar las cantidades de platos teóricos que necesitamos para obtener una separación determinada. Los cálculos se empiezan por la parte inferior de la columna hasta llegar a la parte superior. Se utiliza el principio de plato ideal, en el cual los corrientes líquido y gas se encuentran en equilibrio respecto la temperatura y la composición.
Figura 2.9: Esquema de una columna de platos de absorción de gases. A continuación se muestran los balances de materia total y parcial en el soluto hasta el plato n:
BALANCE TOTAL:
BALANCE EN EL SOLUTO:
A partir de un balance de entalpía se pueden encontrar Ln i xn : BALANCE EN EL SOLUTO:
Dónde: Ln: moles totales/tiempo del corriente líquido en el plato n. GNp+1: moles totales/tiempo en el plato Np+1. LNp: corriente líquido de moles totales/tiempo en el plato n. Gn+1: corriente gaseoso en moles totales/tiempo en el plato n+1. xn: composición molar del soluto (líquido) en el plato n. yNp+1: composición molar en el componente gaseoso (soluto) en el plato Np+1. xNp: composición molar del soluto (líquido) en el plato Np +1. yn+1: composición molar en el componente gaseoso (soluto) en el plato n+1. HL,n: entalpía del líquido en el plato n (energía /mol). HG,Np+1: entalpía en el corriente gaseosos en el plato Np+1 (energía/mol). HL,Np: entalpía del líquido en el plato Np (energía /mol). HG,n+1: entalpía en el corriente gaseoso en el plato n+1 (energía/mol). Mediante el corriente líquido en el plato n, (Ln) se puede determinar cuál es la temperatura de trabajo, de modo que el corriente gaseoso en el plato n (Gn) se encuentra a la misma temperatura, que el corriente líquido en el mismo plato. Al mismo tiempo las composiciones de estos se encuentran en equilibrio. Por esta razón el balance de materia y el de entalpía se aplican desde plato n-1 hasta el alto de la columna. Inicialmente los datos que se suelen tener son las temperaturas de los corrientes L 0 yGNp+1, de modo que es necesario calcular la temperatura t 1 del corriente gas G 1. Esta temperatura será la misma que tendrá el plato de la zona superior. Con la ayuda del balance de entalpía total, se puede calcular la temperatura del líquido que sale por el fondo de la columna. La estimación de los cálculos se verifica cuando se llega al plato de la parte superior de la columna. Para determinar el número de platos teóricos se puede realizar a partir de dos ecuaciones diferentes. Según los datos iniciales que es conozcan se utilizará una o la otra. La primera opción es la que es presenta a continuación:
Dónde: y1 * y y0 *; son las concentraciones en el equilibrio, con una concentración del líquido saliente, xn. y1 y y0‟: son las concentracion es del gas. La segunda opción que hay para encontrar el número teórico de platos es a partir de la ecuación de Kremser-Brown-Souders y es la siguiente:
Dónde: A: es el factor de absorción. Hx: es la constante de Henry. Esta sólo se puede utilizar en el cas que se tengan mezclas de gases y líquidos que cumplan la ley de Henry. La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que se utiliza para eliminar uno o varios componentes de una corriente gaseosa utilizando un disolvente. La absorción puede perseguir diversos objetivos: -Recuperar un componente gaseoso deseado. -Eliminar un componente gaseoso no deseado. Se puede tratar, por ejemplo, de la eliminación de una sustancia nociva de una corriente de gases residuales. -Obtención de un líquido; un ejemplo sería la de ácido clorhídrico por absorción de HCl gaseoso en agua. En la absorción participan por lo menos tres sustancias: el componente gaseoso a separar (absorbato), el gas portador y el disolvente (absorbente).
Según la naturaleza del componente gaseoso a separar, tiene que emplearse un disolvente que disuelva selectivamente dicho componente. En este caso, selectivamente significa que el disolvente absorbe principalmente el o los componentes a separar, y no el gas portador. Presiones elevadas y temperaturas bajas favorecen la absorción. Dependiendo del tipo del disolvente, el gas se absorbe por disolución física (absorción física) o por reacción química (absorción química). Para separar los componentes gaseosos del disolvente, la etapa de absorción va seguida, en la mayoría de los casos, de una etapa de desorción para regenerar el disolvente. En la etapa de desorción se reduce, por efecto de temperaturas elevadas o presiones bajas, la solubilidad de los gases en el disolvente, eliminándolos del mismo. Por tanto, se puede reutilizar el disolvente, que se devuelve al circuito. La absorción puede ser física o química, según el gas que se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico (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. Uno de los fenómenos que predominan es el denominado proceso de difusión molecular (paso de más del soluto) a través de la interfaz líquido-gas, este puede verse facilitado por la agitación del fluido. Según la naturaleza del componente gaseoso a separar, tiene que emplearse un disolvente selectivo para dicho componente. En este caso, un disolvente selectivo significa que el mismo, absorbe principalmente el o los componentes a separar, y no el gas portador. Presiones elevadas y temperaturas bajas favorecen la absorción. Dependiendo del tipo de disolvente, el gas se absorbe por disolución física (absorción física) o por reacción química (absorción química). Se diferencia tres partes importantes en el proceso de absorción: el gas portador, el cual va a ser limpiado o purificado, el líquido lavador, que va a disolver las impurezas y el componente gaseoso a separar. La absorción puede ser física o
química, según el gas que se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico Para la absorción, pueden utilizarse los mismos tipos de aparatos descritos en la destilación, pues las fases en contacto serán también un líquido y un gas. Se usan normalmente columnas de platos –contacto discontinuo o por etapas – o de relleno –contacto continuo –. En ambos métodos van en contra de la fuerza gravitatoria para la circulación del líquido. Pues en el primer caso, el líquido pasa por medio de diferentes platos y en ellos se va condensando el líquido nuevamente; y en el segundo caso, el líquido sube a través del relleno y se va condensando en cada elemento, éste es un método más efectivo pues existe mayor contacto entre las fases. 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. Ejemplos donde se emplea como etapa principal un proceso de absorción están las de obtención de ácido sulfúrico (absorción de SO3), la fabricación de ácido clorhídrico, la producción de ácido nítrico (absorción de óxido de nitrógeno), procesos de absorción de NH3, CO2, H2S y otros gases industriales. La transferencia de masa de un proceso de absorción se realiza a través de la superficie de contacto entre las fases. La velocidad de la transferencia de masa depende directamente de esta superficie interfacial, por lo tanto, los equipos utilizados en tales operaciones deberán garantizar la dispersión de un fluido en el otro, estableciendo una superficie de contacto desarrollada, para posibilitar una contacto intenso entre las fases. Sistemas de dos componentes Si cierta cantidad de un gas simple y un líquido relativamente no volátil se llevan al equilibrio la concentración resultante del gas disuelto en el líquido recibe el nombre de solubilidad del gas a la temperatura y presión predominantes. A una temperatura dada, la solubilidad aumentará con la presión La solubilidad de cualquier gas depende de la temperatura, y depende en la forma descrita por la ley de van „t Hoff para el equilibrio móvil: “si se aumenta la temperatura de un sistema en equilibrio, ocurrirá un cambio durante el cual se absorberá calor” Sistemas de multicomponentes Si una mezcla de gases se pone en contacto común líquido, la solubilidad en el equilibrio de cada gas será, en ciertas condiciones, independiente de la de los demás, siempre y cuando el equilibrio se describa en función de las presiones parciales en la mezcla gaseosa. Si todos los componentes delgas, excepto uno, son básicamente insolubles, sus concentraciones en el líquido serán tan pequeñas que no podrán modificar la solubilidad del componente relativamente soluble; entonces se puede aplicar la generalización Si varios componentes de la mezcla son apreciablemente solubles, la generalización será aplicable únicamente si los gases que se van a disolver son indiferentes ante la naturaleza del líquido; esto sucederá en el caso de las soluciones ideales. Por ejemplo, el propano y butano gaseosos de una mezcla se disolverán por separado en un aceite de parafina no volátil, puesto que las soluciones que se obtienen son básicamente ideales
Soluciones líquidas ideales Cuando una fase líquida se puede considerar ideal, la presión parcial en el equilibrio de un gas en la solución puede ser calculada sin necesidad de determinaciones experimentales. Reglas de las fases y el equilibrio perfecto Las variables que son de importancia y que afectan al equilibrio en un soluto son la temperatura, concentración y también la presión. El equilibrio que tiene lugar entre dos fases se rige por la regla de fases, dada por la igualdad: F= C – P + 2 Donde; P: número de fases que se encuentran en equilibrio, C: número de componentes que hay en las dos fases en total, F: número de variantes del sistema. Objetivos de la Absorción Recuperar un componente gaseoso deseado. Eliminar un componente gaseoso no deseado. Se puede tratar, por ejemplo, de la eliminación de una sustancia nociva de una corriente de gases residuales. Obtención de un líquido; un ejemplo sería la producción de ácido clorhídrico por absorción de HCl gaseoso en agua.
En la absorción participan por lo menos tres sustancias: el componente gaseoso a separar (absorbato), el gas portador y el disolvente (absorbente). Hay que distinguir entre los procesos de adsorción y absorción. La absorción es un proceso por el cual un material (absorbente) es retenido por otro (absorbato); puede ser la disolución de un gas o líquido en un líquido o sólido; o en la retención mediante fuerzas físicas de las moléculas de un gas, líquido o sustancia disuelta a la superficie o a la masa de un sólido.
