Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

1. Tema 4. Absorción de gases TEMA 4. Absorción de gases • Introducción • 2. Diseño de una columna de relleno • 2.1 Cálculo de la altura de relleno • 2.1.1 Punto de vista macroscópico • 2.1.2 Punto de vista microscópico • 2.2 Otros elementos de diseño • 3. Otros equipos de absorción Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

2. Interfase yA xA yA yAi xAi xA A Fase Y Fase X z Tema 4. Absorción de gases • INTRODUCCIÓN Absorción de gases: operación de transferencia de materia cuyo objetivo es separar uno o más componentes (el soluto) de una fase gaseosa por medio de una fase líquida en la que los componentes a eliminar son solubles (los restantes componentes son insolubles). Se produce una transferencia de materia entre dos fases inmiscibles. Ejemplo: eliminación de amoníaco a partir de una mezcla de amoníaco y aire por medio de agua líquida. Posteriormente se recupera el soluto del líquido por destilación u otra técnica y el líquido absorbente se puede desechar o reutilizar. A veces un soluto se recupera de un líquido poniendo éste en contacto con un gas inerte. Tal operación, que es inversa de la absorción, recibe el nombre de desorción de gases, desabsorción o stripping. Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

3. Tema 4. Absorción de gases • INTRODUCCIÓN (cont.) Aplicaciones de la absorción: Recuperar productos de corrientes gaseosas con fines de producción Producción industrial de disoluciones ácidas o básicas en agua (ácidos clorhídrico, sulfúrico y nítrico o hidróxido amónico) Recuperación de gases ácidos como H2S, mercaptanos y CO2 con disoluciones de aminas Control de emisiones de contaminantes a la atmósfera, reteniendo las sustancias contaminantes (compuestos de azufre, clorados y fluorados) Eliminación de SO2 de gases de combustión con disoluciones acuosas de hidróxido de sodio Eliminación de óxidos de nitrógeno con disoluciones de agentes oxidantes Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

4. Columnas de relleno Columnas de platos Tema 4. Absorción de gases • INTRODUCCIÓN (cont.) Equipos en los que se produce la absorción/desorción de gases Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

5. Salida de gas Columnas de relleno Entrada de líquido Relleno Entrada de gas Salida de líquido Tema 4. Absorción de gases • INTRODUCCIÓN (cont.) Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

6. Columnas de relleno Tema 4. Absorción de gases • INTRODUCCIÓN (cont.) a b c d Cuerpos de relleno típicos: a) montura Berl; b) montura Intalox; c) anillo Raschig; d) anillo Pall • Distribución del relleno: • Al azar: tamaño < 3 pulgadas (2,54 cm) (< 1” se usan en laboratorio o planta piloto) • Ordenados: entre 2 y 8 pulgadas Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

7. Columnas de relleno Tema 4. Absorción de gases • INTRODUCCIÓN (cont.) Características de los rellenos de columnas de absorción: 1. Químicamente inerte frente a los fluidos de la torre. 2. Resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo. 3. Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retención de líquido o caída de presión. 4. Proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas. 5. Coste razonable. • Materiales: • Baratos, inertes y ligeros: Arcilla, porcelana, plásticos, acero, aluminio. • Unidades de relleno huecas, que garantizan la porosidad del lecho y el paso de los fluidos. Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

8. Otros parámetros de diseño: Diámetro de la columna Caudales de las dos fases Tipo de relleno. Condiciones de operación de la columna: PT y T Composición del gas a la salida (fin perseguido) Circulación en contracorriente Tema 4. Absorción de gases 2. DISEÑO DE UNA COLUMNA DE RELLENO Objetivo del diseño conseguir el máximo de transferencia de componentes con el mínimo consumo de energía y de tamaño de columna, es decir, con el mínimo coste. Diseñar una columna de absorción Calcular la altura del relleno necesarios para lograr la separación deseada Datos de diseño que son conocidos normalmente: Composición de las corrientes de entrada Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

9. Relleno Tema 4. Absorción de gases 2. DISEÑO DE UNA COLUMNA DE RELLENO (cont.) Salida de gas Caudal volumétrico Composición: objetivo Entrada de líquido Caudal volumétrico composición Salida de líquido Entrada de gas Caudal volumétrico ¿Composición? Caudal volumétrico composición Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

10. Tema 4. Absorción de gases 2. DISEÑO DE UNA COLUMNA DE RELLENO (cont.) Se va a estudiar el caso de absorción, en estado estacionario, de un soluto A desde una mezcla gaseosa con B mediante un absorbente líquido C X2 x2 P2 Y2 y2 G2 L2 2 L y G: caudales de líquido y gas (mol/s m2) x e y: fracciones molares de líquido y gas LS (mol C/s m2) GS (mol B/s m2) Y (mol A/mol B) X (mol A/mol C) PT T Ls Gs P1 Y1 y1 X1 x1 1 L1 G1 Ecuaciones de transformación Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

11. Tema 4. Absorción de gases 2.1 Cálculo de la altura de relleno X2 x2 P2 Y2 y2 G2 L2 2 PT T Ls Gs P1 Y1 y1 X1 x1 1 L1 G1 Altura de relleno Punto de vista macroscópico: Consiste en determinar el número de etapas o pisos teóricos, NPT, y disponer de la altura equivalente a un piso teórico, AEPT. h = NPT · AEPT Punto de vista microscópico: Conjugar Balances de materia y energía con la expresiones cinéticas de densidades de flujo. En caso de absorción isoterma no hay que considerar el balance de energía Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

12. Tema 4. Absorción de gases 2.1 Cálculo de la altura de relleno 2.1.1 Punto de vista macroscópico X2 P2 Y2 Balance de materia (soluto, A) 2 PT T Ls Gs P1 Y1 X1 1 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

13. Tema 4. Absorción de gases 2.1 Cálculo de la altura de relleno 2.1.1 Punto de vista macroscópico Una vez fijada la recta de operación en el diagrama X-Y (LS,óptimo varía entre 1,2 y 1,5 veces el valor de LS,mínimo) el cálculo del número de etapas o pisos teórico, NPT, para la separación deseada es inmediato. Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

14. Tema 4. Absorción de gases 2.1 Cálculo de la altura de relleno 2.1.2 Punto de vista microscópico Balance de materia (A) Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

15. Tema 4. Absorción de gases 2.1 Cálculo de la altura de relleno 2.1.2 Punto de vista microscópico Caso 1: Coeficiente global volumétrico de la fase gaseosa y la fuerza impulsora en relaciones molares Para disoluciones diluidas (coeficiente global volumétrico constante) se suele cumplir que la relación de equilibrio es lineal Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

16. Tema 4. Absorción de gases 2.1 Cálculo de la altura de relleno 2.1.2 Punto de vista microscópico Caso 2: Coeficiente global volumétrico de la fase líquida y la fuerza impulsora en relaciones molares. Para disoluciones diluidas: Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

17. Tema 4. Absorción de gases 2.2 Otros elementos de diseño 2.2.1 Caudal volumétrico de líquido Se define el caudal de mojado como el cociente entre el caudal volumétrico y el perímetro del relleno; y debe ser siempre superior a un cierto valor. El caudal mínimo de mojado para la mayoría de los rellenos vale 0,08 m3/(h·m) y el caudal máximo de mojado suele ser de unos 0,7 m3/(h·m) 2.2.2 Caudal de gas La velocidad del gas a la cual se produce el anegamiento se llama velocidad de inundación. Generalmente se opera a la mitad de la velocidad de inundación 2.2.3 Diámetro de la columna El diámetro de la columna es el segundo parámetro de diseño (el primero es la altura) y su cálculo se realiza a partir de consideraciones fluidodinámicas, es decir, a partir de los datos de caudales de circulación del gas y del líquido. Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

18. Tema 4. Absorción de gases 3 OTROS EQUIPOS DE ABSORCIÓN 3.1 Columnas de platos Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

19. Tema 4. Absorción de gases 3 OTROS EQUIPOS DE ABSORCIÓN 3.1 Columnas de platos Condiciones que favorecen a las columnas de relleno: Columnas de pequeño diámetro Medios corrosivos Bajas retenciones de líquido (si el material es térmicamente inestable) Líquidos que forman espuma (debido a que en columnas de relleno la agitación es menor) Condiciones que favorecen a las columnas de platos: Cargas variables de líquido y/o vapor Presiones superiores a la atmosférica Bajas velocidades de líquido Gran número de etapas y/o diámetro Elevados tiempos de residencia del líquido Posible ensuciamiento (las columnas de platos son más fáciles de limpiar) Esfuerzos térmicos o mecánicos (que pueden provocar la rotura del relleno) Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

20. Tema 4. Absorción de gases 3 OTROS EQUIPOS DE ABSORCIÓN 3.2 Columnas de paredes mojadas Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

21. Tema 4. Absorción de gases ANEXO: Esquema para la resolución de problemas de absorción Caso general: integración gráfica o numérica (problema 1) (si controla la fase gaseosa) (si controla la fase líquida) La línea de equilibrio es recta: no hay que usar gráfica(Problema 5 de la relación) (controla la fase gaseosa) (controla la fase líquida) Caso habitual: sustituir NUT por NPT (problemas restantes) Representar la curva de equilibrio Y-X a partir de los datos Calcular Y1, Y2 y X2 (razones molares) y representarlos; calcular Ls y Gs (caudales de inerte) Partiendo de Y1, localizar el corte con la curva de equilibrio; en abscisas se lee X1,max Usar el BM(soluto) para determinar (Ls/Gs)min y, con el caudal de Ls superior al mínimo, (Ls/Gs)min y X1. Representar X1 y situar el punto de corte con la línea de equilibrio Trazar la línea de operación uniendo (X2,Y2) y (X1, Y1) Determinar NPT y h Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental