absorción

7/21/2019 absorción

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Transferencia de Masa

Fundamentos de la AbsorciónProf. MSc. Sergio Álvarez

Kenner A. Rugama Alemáneniel Andr!s Talavera"landón

Ma. #arolina $rbina #.



%b&etivos

'ar a conocer la información obtenida acercaFundamentos de la absorción( gases

enri)uecidos * un sin n+mero de ,arámetros.

'ar a conocer el funcionamiento * el diseo)ue se dan en algunas torres de absorción



Temas a tratar.Fundamentos de la absorciónAbsorción desde gases enri)uecidos#orrelaciones de transferencia de masa/)uilibrios de absorción * arrastre01neas de o,eración ,ara absorciónAnálisis del arrastre'iseo de em,a)ues * torres em,acadas'iámetro de la columnaSolución anal1tica2 0a ecuación de KremserAbsorbedores * se,aradores de arrastre con varios solutos diluidosSolución matricial ,ara absorbedores * se,aradores de arrastre con

soluciones concentradasAbsorción irreversibleAbsorción en columnas de ,latosAbsorción con reacción )u1mica



3ntroducción

0a absorción en transferencia de masa( tienecomo ob&etivo se,arar uno o máscom,onentes 4el soluto5 de una fase gaseosa,or medio de una fase li)uida en la )ue loscom,onentes a eliminar son solubles en ell1)uido4los com,onentes restantes soninsolubles5. Se ,roduce una transferencia demasa entre dos fases inmiscibles.



Fundamentos de la absorción



Relación del as * li)uido limitanteSeg+n algunasecuaciones la,endiente media dela l1nea de o,eraciónes 067( la relaciónentre los 8u&os

molares del l1)uido *el gas. Por tanto( ,araun 8u&o de gasdeterminado( unareducción del 8u&o del1)uido da lugar a una

disminución de la,endiente de la l1neade o,eración./n una columna de absorción en contracorriente( la relación067 es im,ortante desde el ,unto de vista económico. 0afuerza im,ulsora ,ara la transferencia de materia es * 9 *:()ue es ,ro,orcionaldistancia vertical entre la l1nea dee)uilibrio * la l1nea de o,eración en un diagrama como el de



7elocidad de arrastrePara la ma*or ,arte de los cálculos se utilizancoe;cientes volum!tricos debido a )ue esmás dif1cil determinar los coe;cientes ,orunidad de área( *a )ue el ,ro,ósito del cálculodel diseo consiste ,or lo general endeterminar el volumen total del absorbedor



0os coe;cientes globales se obtienen a ,artirde k y a * k x a utilizando la ,endiente local de la

curva de e)uilibrio m.

#uando los coe;cientes k y a * k x a son del mismo orden demagnitud(< * m es muc=o ma*or )ue >.?( se dice )ue laresistencia de la ,el1cula l1)uida está controlada. /sto )uieredecir )ue cual)uier cambio en kxa tiene un cercano efecto

,ro,orcional tanto en K y a * K x a como en la velocidad deabsorción( mientras )ue un cambio en k y a sólo tiene un ,e)ueoefecto.



Absorción desde gases enri)uecidos#uando el soluto se absorbe en ,resencia de

concentraciones moderadas o elevadas en el gas( es,reciso considerar diversos factores adicionales en loscálculos de diseo. /n el balance de materia es ,recisotener en cuenta la disminución del 8u&o total de gas *el aumento 8u&o de l1)uido( a la vez )ue deberá

incluirse el factor de corrección ,ara la difusión en unsolo sentido. Por otra ,arte( los coe;cientes detransferencia de masa no serán constantes debido alas variaciones de las velocidades de 8u&o * de ungradiente de tem,eratura a,reciable en la columna( lo)ue dará lugar a un cambio en la l1nea de e)uilibrio.



#%RR/0A#3%@/S '/

TRA@SF/R/@#3A '/ MASAPara ,redecir el coe;ciente global de

transferencia de masa( o la altura de una unidadde transferencia( se necesitan correlaciones

se,aradas ,ara la fase gaseosa * ,ara la fasel1)uida.Tales correlaciones se basan ,or lo general en

datos eB,erimentales ,ara sistemas en los )ue

una de las fases ofrece la resistencia )ue controlaSi la solubilidad de los gases es ba&a entonces la

resistencia de la ,el1cula gaseosa se vuelvedes,reciable.



Resistencia )ue controla



/)uilibrio de absorción * arrastre/n los sistemas de absorción * arrastre con

tres com,onentes con frecuencia se su,ondrá)ue2 >. /l gas de arrastre( o ,ortador( esinsoluble.C. /l solvente es no volátil.D. /l sistema es isot!rmico e isobárico



Si =acemos )ue T * , sean constantes )uedaun grado de libertad. /n general( los datos dee)uilibrio se re,resentan con una grá;ca de laconcentración del soluto en el va,or enfunción de la concentración del soluto en ell1)uido.



01nea de o,eración0a l1nea de o,eración re,resenta la relaciónde las com,osiciones globales de l1)uido * gasen contacto en cual)uier ,unto de la columna2



0a l1nea de o,eración es recta sólo cuandose gra;ca en unidades de relación mol. /nfracciones mol o ,resiones ,arciales( lal1nea es curva.



Arrastre.#omo el arrastre es mu* ,arecido a laabsorción( es,eramos )ue el m!todo seasimilar.

/n el arrastre( conocemos E?( En( @G> * 06. #omo 4E@( @G>5

es un ,unto de la l1nea de o,eración( esa l1nea se gra;ca *se escalonan las eta,as.



válida ,ara 4H,6Ii5 J ?.???D>( 0a constante de le* deHenr*( H( está en lbmol64atm L ,ieD5( la ,resión , enatm( * la viscosidad del li)uido en centi,oises 4cP5.

Efciencia



'iseo de em,a)ues * torres

em,acadas$n a,arato )ue se utiliza con frecuencia en la

absorción de gases * en otras o,eraciones esla torre em,acada./l dis,ositivo consiste en una columna

cil1ndrica o torre( e)ui,ada con una entradade gas * un es,acio de distribución en la ,arteinferior una entrada de l1)uido * un distribuidor en la ,arte su,erior



/l li)uido se distribu*e sobre la ,arte su,eriordel em,a)ue mediante un distribuidor *( en lao,eración ideal( mo&a de manera uniforme lasu,er;cie del em,a)ue.

/l distribuidor ,uede ser una ,laca ,erforada

con tubos instalados en cada ,erforación



/n torres grandes( son más comunes lasbo)uillas rociadoras o los ,latos distribuidorescon un vertedero de desbordamiento. Paratorres mu* grandes( =asta de N m 4D? ft5 dediámetro( @utter /ngineering anuncia un ,latodistribuidor con tubos goteadoresindividuales.



/l gas )ue contiene el soluto( o gas rico(entra en el es,acio de distribución situado

deba&o del em,a)ue * asciende a trav!sde los intersticios del em,a)ue encontracorriente con el 8u&o del l1)uido. /lem,a)ue ,ro,orciona una gran área decontacto entre el l1)uido * el gas(favoreciendo as1 un 1ntimo contacto entrelas fases.



0os em,a)ues de la torre se dividen

en tres ,rinci,ales ti,os2A)uellos )ue son cargados de forma aleatoria

en la torre0os colocados a mano* a)uellos )ue se conocen como em,a)ues

ordenados o estructurados



/m,a)ues aleatorios0os em,a)ues aleatorios consisten en unidadesde a O mm 4> Q 9 o D in.5los em,a)ues inferiores a C mm se utilizan

,rinci,almente en columnas de laboratorio o de,lantas ,iloto.0as unidades de em,a)ue ordenado son de

tamaos com,rendidos entre unidades de ? a

C?? mm

stos se ocu,an muc=o menos )ue los em,a)uesaleatorios



0a ma*or1a de los em,a)ues aleatorios de lastorres se constru*en con materiales baratos e

inertes( tales como arcilla( ,orcelana odiferentes ,lásticos.

A veces se utilizan anillos metálicos de ,areddelgada( de acero o aluminio. Se alcanzanaltos es,acios vac1os 4,orosidad del lec=o5 *,asa&es o ,asos grandes ,ara los 8uidos=aciendo las unidades de em,a)ue irregulareso =uecas( de forma )ue se entrelazan ,aradar lugar a estructuras abiertas con una,orosidad de ? a N?.



/m,a)ues estructurados

0os ,rimeros em,a)ues estructurados sefabricaron de gasa alambre los modelos

más recientes están =ec=os de láminas,erforadas de metal corrugado(con láminas ad*acentes acomodadas detal forma )ue el l1)uido se distribu*e

sobre sus su,er;cies mientras )ue elva,or 8u*e a trav!s de los canalesformados ,or los corrugados



0os em,a)ues estructurados con ordengeom!trico =an evolucionado desde losem,a)ues Stedman a ;nales de la d!cada de

>ND?( ,ero se encontraron mu* ,ocos usosindustriales =asta )ue se desarrollaron losem,a)ues de Sulzer alrededor de >N.



Caída de presión y velocidades

límites de ujos



7elocidad de inundación0a velocidad de inundación de,ende en forma

im,ortante del ti,o * tamao del em,a)ue *la velocidad másica de l1)uido.



'iámetro de columna/l diámetro de la torre * en consecuencia lasección transversal( debe ser su;cientementegrande ,ara mane&ar el gas * el li)uido a

velocidades )ue no va*an a causarinundación.



"ande&as de burbu&eoSe sabe )ue el diámetro se determinamediante el em,leo de una velocidad de gasadecuadamente mas ,e)uea )ue a)uella

)ue causa inundación.



/cuaciones de Kremser.

'el mismo modo( realizando el mismo análisis ,ara ladesorción * cambiando la constante m760S 'onde A>6S(obtenemos las siguientes eB,resiones



Absorbedores * se,aradores de

arrastre con varios solutos diluidos0a regal de las fases de ibbs ,ara un sistemacon tres solutos( un solvente * un gas ,ortadores2

F #P GC 9 C G C Anteriormente se necesitaba )ue los sistemas>5 fueran isot!rmicos( C5 fueran isobáricos( D5tuvieran un calor de absorción des,reciable * Q5tuvieran 8u&os constantes( a=ora se necesita)ue 5 los solutos son inde,endientes entre s1en otras ,alabras( )ue ,ara cual)uier soluto( ele)uilibrio no de,ende de las cantidades deotros solutos ue =a a resentes.



/l efecto ,ráctico de la )uinta =i,ótesis es)ue se ,uede resolver el ,roblema de variossolutos una vez ,ara cada uno( considerando

a cada ,roblema como de un solocom,onente. #ada soluto adicional aumentaen dos los grados de libertad ,ara elabsorbedor. Se re)uieren esos dos grados de

libertad ,ara es,eci;car las com,osiciones delgas en la entrada * del l1)uido en la entrada.



#on la tem,eratura * la ,resión es,eci;cadas( )uedaun grado de libertad( )ue se suele usar ,araes,eci;car una de las concentraciones de soluto a la

salida( como *".0a ecuación de o,eración es2

*"&2 concetración de soluto en el gas en la eta,a &.

B"&2 concetración de soluto en el l1)uido en la eta,a &.

0uego se traza en el diagrama * se escalonan laseta,as.



$na vez determinada la cantidad de eta,ascon el cálculo del soluto "( es ,osibledeterminar las concentraciones de los solutosA * # resolviendo dos ,roblemas desimulación totalmente es,eci;cados. $naforma de =acer este cálculo ,ara el

com,onente A es2>. Trace la curva de e)uilibrio de A( *A

fA4BA5.

C. Pro,onga *A> ,ara el soluto A.D. Trace la l1nea de o,eración de A

/scalone las eta,as =acia arriba =asta *



. /scalone las eta,as =acia arriba( =asta *A@.

. #om,robación2 UFue la cantidad de eta,asla misma )ue se calculóV Si as1 fue( se cuenta

con el resultado. Si no( regresar al ,aso C.Se re,ite la o,eración ,ara el com,onente #.



/n las soluciones más concentradas( las tasasde 8u&o no son constantes( ,uede ser )ue lose)uilibrios de los solutos no sean

inde,endientes * los efectos t!rmicos sevuelvan im,ortantes.

#uando eso sucede( se re)uiere el uso dem!todos com,utarizados donde intervienenbalances simultáneos de masa * energ1a *además los datos de e)uilibrio.



Absorcion 3rreversibles#on frecuencia( en instalaciones ,e)ueas seusa la absorción con una reacción )u1micairreversible ,ara eliminar materiales

,er&udiciales.. Sin embargo( el costo del reactivo ,uede

=acer costosa la o,eración. Además( la salformada debe desec=arse de manerares,onsable./n sistemas a gran escala( en general es

menos costoso usar un solvente )ue se ,uedaregenerar



'esafortunadamente( la e;ciencia de la eta,a es mu*ba&a( debido a las ba&as velocidades de transferenciade masa del soluto al l1)uido

Wue no se ,uede inundar( de modo)ue es ,osible usar columnas demenor diámetro con ma*ores

velocidades de va,or. A ma*orvelocidad de va,or ma*or tasa detransferencia de masa * se re)uerirámenos em,a)ue. /l balance de masa,ara el sistema concurrente( usandola envolvente de balance.



Absorción en columnas de ,latos0a absorción de gases ,uede realizarse en

una columna e)ui,ada con ,latos ,erforadosu otro ti,o de ,latos )ue normalmente se

utilizan en destilación. /n ocasiones se eligeuna columna de ,latos ,erforados en vez deuna columna em,acada ,ara evitar el,roblema de la distribución del l1)uido en una

torre de un gran diámetro * disminuir laincertidumbre en el escalamiento.



0as torres de ,latos son cilindrosverticales en )ue el l1)uido * elgas se ,onen en contacto en

forma de ,asos sobre ,latos oc=arolas. /l efecto global es uncontacto m+lti,le acontracorriente entre el gas * ell1)uido( aun)ue cada ,lato secaracteriza ,or el 8u&o transversal

de los dos.



0as torres de ,latos con cas)uetes o ca,uc=as( ,ueden mane&ar 8u&os del1)uido grandes * resultan las más e;cientes en torres de grandes

dimensiones.0os ,latos de válvula son ,latos ,erforados cu*as aberturas ,ara el 8u&o de

gas ,oseen un área variable. 0os ,latos válvula mantienen un e)uilibrio(acorde a la ,resión del gas con relación a la de la columna del l1)uido( a trav!sdel libre des,lazamiento de la válvula seg+n la altura de los ;&adores./l funcionamiento de los ,latos cribados o ,erforados es similar al descrito

,ara la torre de ,latos con cazoletas./n este caso( el ,lato es una ,laca con ,erforaciones de C a mm de

diámetro. /l gas entra ,or la ,arte inferior de la torre( ,asa a trav!s de losagu&eros * se distribu*e en el l1)uido en forma de burbu&as * c=orros ;nos.#uando la torre o,era normalmente( la ,resión del gas será lo su;cientementeelevada como ,ara im,edir el ,aso de l1)uido a trav!s de los ori;cios *mantener abiertos los mismos( de modo )ue se a,rovec=e toda el área de los

ori;cios ,ara el ,aso del gas =acia la ca,a l1)uida( originando burbu&as *es,uma.



0os ,latos generalmente están =ec=os de =o&asmetálicas *( si es necesario( de aleacioneses,eciales./l n+mero de ,latos teóricos o eta,as en ele)uilibrio en una columna o torre sólo de,ende delo com,licado de la se,aración )ue se va a llevar a

cabo * sólo está determinado ,or el balance demateria * las consideraciones acerca del e)uilibrio.0a e;ciencia de la eta,a o ,lato * ,or lo tanto( eln+mero de ,latos reales se determina ,or el diseo

mecánico utilizado * las condiciones de o,eración.Por otra ,arte( el diámetro de la torre de,ende delas cantidades de l1)uido * gas )ue 8u*en a trav!sde la torre ,or unidad de tiem,o.



Para )ue la e;ciencia de las eta,as seaelevada( se necesita un tiem,o de contactolargo 4,ara ,ermitir la difusión de las fases5 * lasu,er;cie interfacial debe ser grande( tambi!nse re)uiere )ue la velocidad del gas searelativamente alta.Para esto la laguna l1)uida debe ser ,rofunda,ara )ue las burbu&as del gas tarden un tiem,o

relativamente largo ,ara ascender a trav!s dell1)uido



#a1das de Presión Tanto las ,rofundidades elevadas del l1)uidocomo las velocidades elevadas del gas,roducen una ca1da elevada de ,resión del gas

cuando !ste 8u*e a trav!s del ,lato esto a suvez acarrea varias di;cultades.0a ca1da alta de ,resión ,uede llevardirectamente a inundaciones. #on una

diferencia elevada de ,resión en el es,acioentre los ,latos( el nivel del l1)uido )ueabandona un ,lato a ,resión relativamente ba&a* entra a otro ,lato con ,resión alta(

necesariamente debe ocu,ar una ,osición



ó ó



Absorción con reacción

)u1micaMuc=os ,rocesos industriales de absorción vanacom,aados de una reacción )u1mica. /ses,ecialmente com+n la reacción en el l1)uido del

com,onente absorbido * de un reactivo en el l1)uidoabsorbente. Algunas veces( tanto el reactivo como el,roducto de la reacción son solubles( como en laabsorción del dióBido de carbono en una soluciónacuosa de etanolaminas u otras soluciones alcalinas.

Por el contrario( los gases de las calderas )uecontienen dióBido de azufre ,ueden ,onerse encontacto con lec=adas de ,iedra caliza en agua( ,araformar sul;to de calcio insoluble



0a absorción seguida de reacción )u1mica en lafase l1)uida se utiliza con frecuencia ,ara lograruna se,aración más com,leta de un soluto a ,artirde una mezcla gaseosa. Por e&em,lo( a menudo seutiliza una solución ácida diluida ,ara retirar @HDde corrientes gaseosas( * se em,lean soluciones

básicas ,ara se,arar #%C * otros gases ácidos.$na venta&a adicional de la absorción con reacciónes el aumento del coe;ciente de transferencia demasa. Parte de este incremento viene dado ,or la

ma*or área de la su,er;cie de contacto efectiva(*a )ue la absorción ,uede a=ora tener lugar en lasregiones ,rácticamente estancadas



Por e&em,lo el K ia de @HD en HCS%Q se =a com,robado )uees de >. a C veces ma*or )ue en agua( ,uesto )ue laresistencia de la ,el1cula gaseosa está controlando( esteefecto se deberá esencialmente a un aumento del áreaefectiva. 0os factores K gava, 6K gaabs * K gareac 6K gaabs disminu*en al aumentar el 8u&o de l1)uido * tienden =aciala unidad cuando la retención total es muc=o ma*or )ue laretención estática.

#uando la resistencia de la ,el1cula l1)uida es dominante(como en la absorción de #%C o HCS en soluciones acuosas(una reacción )u1mica rá,ida en el l1)uido ,uede conducir aun aumento mu* grande del coe;ciente de transferenciade masa.



0os ,rocesos en los cuales la absorción gaseosava acom,aada ,or una reacción )u1mica

normalmente se llevan a cabo en tan)ues dondelas burbu&as del gas se dis,ersan en la fasel1)uida. /l l1)uido se mezcla con un agitador o,or medio de las mismas burbu&as del gas *tambi!n ,uede eBistir una a,reciable mezcla del,ro,io gas. /sto tiende a disminuir laconversión. Sin embargo( cuando el gas )ue no=a reaccionado se ,uede reciclar o casi no tienecosto 4como el aire5( no se re)uiere una alta

conversión del gas. $n im,ortante e&em,lo se daen el uso del aire ,ara oBidar materia orgánicaen aguas negras o lodo residual de alcantarillas.

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