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Capítulo 4: Validación del modelo 59

4.1. Absorción del H2S

El proceso simulado se ha validado con los resultados publicados en el artículo de Chen et al

(Figura 4.1) (8). Aquí se trata de comprobar el funcionamiento del sistema H2S-NaOH-NaOCl en

una variedad de condiciones de pH, ORP y relación de caudales L/G en un absorbedor a pH

básico con un relleno y una altura dados. Las variables del proceso son el pH de la solución

básica, el potencial de oxidación reducción de la solución, el caudal de gas, el caudal de líquido

y la concentración de partida de sulfuro de hidrógeno en la mezcla gaseosa. Los datos utilizados

en este experimento están presentados en la Tabla 4.1.

Parámetros del equipoDiámetro de columnaAltura de la columnaTamaño del relleno

Superficie del rellenoPorosidad

Tensión superficial crítica del material

mmin

m2/m3

-N/m

0.451.83.2591,860,95

0,0305Parámetros del gas

Caudal másico de gasTemperatura

Composición (H2S/Air)

kg/m2·sºC

ppm

2,0325200

Parámetros del líquido

Caudal másico de líquidoAlcalinidad (NaOH)

ORP (potencial oxidación reducción, NaOCl)

kg/m2·spHmV

3,0711450

Tabla 4.1. Datos utilizados en el trabajo de laboratorio de Chen.

Figura 4.1. Esquema del proceso de absorción en contracorriente y los compuestos presentes en cada fase

60 Absorción de contaminantes inorgánicos de un gas de gasificación de RDF mediante sosa caustica

El equipamiento que se utilizó durante el experimento consiste en un inyector de gases de

hasta 45 m3/min y una torre de relleno de 5 metros de alto y 0,45 m de diámetro hecha de

polipropileno con una altura de relleno de 1,8 metros de relleno Tellerete tipo 2K. A la salida de

la columna se mide la concentración de NaOH y NaOCl mediante un pHmetro y un medidor de

potencial de oxidación-reducción. Además, existen bombas de recirculación y de dosificación

del NaOCl y NaOH.

Figura 4.2. Esquema de planta utilizado en el experimento basado (8).

4.1.1. Efecto del pH

La Figura 4.3 y Figura 4.4 representan los resultados obtenidos mediante el modelo

anteriormente explicado (EES), mediante el modelo en Aspen Plus y los resultados

experimentales. En primer lugar se puede observar que el pH tiene un efecto mayúsculo en la

absorción, ya que a pH de entrada mayor a 11,5 la absorción es completa en las condiciones de

operación anteriormente indicadas. También se puede ver que los modelos se adecúan bien al

resultado experimental en el efecto del pH de entrada, pero no prevén bien el pH de salida

obtenido. Esto puede deberse a que los modelos utilizados en los programas no adecúan el

rendimiento del relleno de forma correcta, estimándolo por exceso en estos casos.


Figura 4.3. Comparativa del pH de entrada entre el modelo y los resultados experimentales

Figura 4.4. Comparación entre los resultados experimentales y los obtenido mediante el modelo en EES y AspenPlus adistintas velocidades del caudal de gas evaluando el pH de salida en lugar de entrada

0

20

40

60

80

100

120

7 8 9 10 11 12 13

Ren

dim

ient

o de

elim

inac

ión

(%)

pH entrada

Comparación entre modelos y experimental variando el caudal degas

η Chen at 2,1 m/s

η Chen at 1,5 m/s

η EES at 1,5 m/s

η EES at 2,1 m/s

η ASPEN at 1,5 m/s

0

20

40

60

80

100

120

7 8 9 10 11 12 13

Ren

dim

ient

o de

elim

inac

ión

(%)

pH de salida

Comparación entre modelos y experimental variando el caudal de gas

η Chen at 2,1 m/s

η Chen at 1,5 m/s

η EES at 1,5 m/s

η EES at 2,1 m/s

η ASPEN at 1,5 m/s


4.1.2. Efecto del caudal de gas

La Figura 4.4 explica, a su vez, el efecto que tiene un aumento del caudal de gas en el

rendimiento de absorción desde los 850 a 1190 m3/h. Se puede observar que, al aumentar el

caudal de gas, el tiempo de residencia de los gases se reduce, y por tanto esto afecta al

rendimiento perjudicándolo. El efecto negativo se puede observar tanto experimentalmente como

en el modelo desarrollado, por lo que se puede considerar que el modelo predice correctamente

el efecto del caudal de gas.

4.1.3. Efecto del caudal de líquido o la relación gas/líquido

El efecto contrario al de aumentar el caudal de gas se puede observar si se aumentase el

caudal de líquido, ya que aumentaría el rendimiento de absorción al disminuir la relación

gas/líquido.

Figura 4.5. Comparativa entre el modelo realizado en EES y los datos experimentales para un un caudal de líquido de 3,1kg/m2s y 1,5 veces el mismo

Como en el caso anterior, los resultados experimentales distan mucho de los calculados por el

modelo. En cuanto al efecto del caudal de líquido, se puede apreciar que es parecido en ambos

casos, siendo beneficioso para aumentar el rendimiento de la eliminación del contaminante para

0

20

40

60

80

100

120

7 8 9 10 11 12 13

Ren

dim

ient

o de

elim

inac

ión

(%)

pH de salida

Comparación variando el caudal de líquido

η Chen at 3,1 kg/m2s

η Chen at 4,6 kg/m2s

η EES at 3,1 kg/m2s

η EES at 4,6 kg/m2s

η ASPEN at 3,1 kg/m2s


cualquier pH de salida. En Aspen, el resultado difiere de la realidad y del modelo, siendo más

brusco el cambio.

4.1.4. Efecto de la concentración de H2S

Para realizar esta comparativa es necesario tener en cuenta la relación molar NaOH/H2S con

la que estemos trabajando, es decir, si operamos con una composición de 200 ppm de H2S en el

gas, no es lo mismo operar a una relación menor o mayor, ya que dará un rendimiento muy

distinto al haber menor cantidad de NaOH en el medio por cantidad de gas ácido que exista.

Manteniendo las condiciones de trabajo en una relación de caudales de G/L = 0,66 y los datos

presentes en la Tabla 4.1, salvo el que concierne a la alcalinidad y a la relación NaOH/H2S, se

pueden obtener los resultados que se presentan en la Figura 4.6.

En la figura puede observarse que, cuando se varía la concentración de H2S, si se mantiene la

relación NaOH/H2S, se consigue un perfil prácticamente plano, sin variación. Estos resultados

son coherentes y se corresponden a los resultados que aparecen en los resultados experimentales.

Figura 4.6. Comparativa entre la concentración de H2S, el rendimiento de eliminación y la relación NaOH/H2S

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

0 200 400 600 800 1000 1200

Ren

dim

ient

o de

elim

inac

ión

(%)

ppm H2S en el gas

Comparación variando la conc de H2S y la relación NaOH/H2S

NaOH/H2S at 1

NaOH/H2S at 0,5


4.1.5. Efecto de la relación molar NaOH/H2S

En la Figura 4.6 se puede observar también el efecto de la relación molar NaOH/H2S. A

mayor relación se incrementa el rendimiento de eliminación, puesto que, cuando la relación

supera la unidad, se puede asumir que el rendimiento es el máximo en estas condiciones de

operación.

Para comparar de una forma más esclarecedora, en la Figura 4.7 se observa cómo varía el

rendimiento de la operación en función de la relación NaOH/H2S utilizada. El modelo en EES y

en Aspen explican que se necesita aproximadamente 1 mol de NaOH para abatir 1 mol de H2S.

Esto tiene sentido, ya que la absorción física corresponde a un 3% del porcentaje abatido de H2S,

siendo la reacción 2 ( 2

2 2 3

KH O H S HS H O− +→+ +← ) la única que puede abatir este

contaminante a rangos bajos de pH. Esta reacción produce 1 mol de protones por cada mol de

H2S, lo que consumirá 1 mol de OH- en el equilibrio iónico del agua.

Figura 4.7. Comportamiento respecto a la relación NaOH/H2S

Por otra parte, los resultados experimentales dan un resultado más suavizado, es decir, se

necesita un exceso de NaOH para alcanzar un rendimiento de absorción máximo, lo que tiene

sentido en la realidad. El ajuste de ambos resultados es aceptable, presentando un error pequeño,

siendo máximo a relación igual a 1.

0

20

40

60

80

100

120

0 0,5 1 1,5 2 2,5

% E

limin

ado

de H

2S

NaOH/H2S

Comparativa entre los datos experimentales y el modelo para elcomportamiento con la relación NaOH/H2S

NaOH/H2S exp

NaOH/H2S EES

NaOH/H2S Aspen


A partir de los datos del experimento de Chen se puede extraer que se necesitarían ~0,5 g de

NaOH/m3 de gas a tratar para abatir los 200 ppm de H2S que contiene el gas.

4.2. Absorción de NH3

El amoníaco es un gas cuya baja constante de Henry hace que su resistencia a la transferencia

de materia en la fase líquida sea baja comparada con la del gas. Gracias a esto, aunque el pH de

la solución sea básico, la absorción de NH3 se va a llevar a cabo sin problemas, salvo que la

solución esté saturada de amoníaco. Esta solubilidad es de 89,9 g/100 ml de agua a 25ºC y se

apoda amoníaco 0,880, debido a que es una solución con densidad 880 kg/m3.

Si bien es cierto que el amoníaco se absorbe fácilmente, también tiene un gran riesgo de

desorción en caso de estar en contacto con un gas libre de amoníaco. Al estar disuelto en forma

de amoníaco acuoso (NH3 (aq)), siempre presenta una gran presión parcial de amoníaco gaseoso

alrededor de la interfase gas-líquido y, por ello, siempre hay que tener cuidado con el pH de una

solución de amoníaco para evitar su evaporación en caso de subir su pH.

La única reacción que gobierna la absorción de NH3 en la fase líquida es la formación de

iones amonio NH4+ o, lo que es lo mismo, la reacción 5 ( 5

3 2 4

KNH H O NH OH+ −→+ +← ). Esta

reacción tiene un pKb de 4,75 (pKa = 9,3), por lo tanto se sitúa en la zona básica.

No existe ningún trabajo de investigación o planta piloto reciente dedicado a la absorción de

amoníaco con agua, ya que es un ejemplo muy conocido de reacción instantánea en agua, donde

se sabe que se absorbe con facilidad. Por tanto, no se pueden comparar los datos como en el caso

del sulfuro de hidrógeno.

Para comprobar el funcionamiento del modelo presentado para el amoníaco se han utilizado

los datos presentes en el manual del Ingeniero Químico. Estos datos están comprobados

mediante disposiciones experimentales en los que se informa del KG obtenido mediante distintos

experimentos para distintos compuestos, indicando si la resistencia está en la fase gaseosa,

líquida o en ambas. (14)


Parámetros del equipo

Diámetro de columnaAltura de la columna

Tamaño del relleno (sillas intalox)Superficie del relleno

PorosidadTensión superficial crítica del material (metal)

mmin

m2/m3

-N/m

0.763,0511/2”1950,780,075

Parámetros del gas


Composición (NH3/Air)

kg/m2·sºC

ppm

1,320

5000


Caudal másico de líquidoAlcalinidad de entrada

kg/m2·spH

3,47

Tabla 4.2. Datos de operación en Perry (14)

En los resultados experimentales de Perry se obtiene una KG o coeficiente de transferencia de

materia global de 337 kmol/m3h. Con el modelo realizado en EES para la absorción de amoníaco

en agua se obtiene 291,7 kmol/m3h, lo que permite decir que los resultados se aproximan a la

realidad.

Figura 4.8. Representación del rendimiento de absorción del amoníaco frente al pH de la solución.

Se puede observar en la Figura 4.8 como el rendimiento se ve poco afectado por el pH de la

solución absorbente de entrada y este se mantiene alto como se preveía aún a pH altos.

98,098,298,498,698,899,099,299,499,699,8

100,0

6 8 10 12 14 16

% e

limin

ació

n N

H3

pH

Rendimiento de absorción vs pH

η EES

η ASPEN


En la Figura 4.9 se puede observar otro fenómeno interesante de analizar; en qué zona de la

columna se concentra la absorción, indicando, además, su velocidad. En esta figura está

representado el rendimiento de absorción frente a la altura de la columna (hay que recordar que

la altura está definida desde la base hasta la cabeza en dirección del gas). Se puede ver que en

alrededor de 1 m de la columna ocurre un 80% de la absorción frente al 20% que sucede en los 2

metros restantes.

Figura 4.9. Rendimiento de absorción frente a la altura en la columna

El segundo trabajo con el que se comprobó es un ejemplo que aparece en un libro

especializado en transferencia de materia, donde se calcula KGa a partir de datos de relleno.

Estos datos están en la Tabla 4.3:



Tamaño del relleno (anillos raschig)Superficie del relleno

PorosidadTensión superficial crítica del material (metal)

mmin

m2/m3

-N/m

12,31”

1900,780,075

Parámetros del gas


Composición (NH3/Air)

kg/m2·sºC

ppm

0,33930100


Caudal másico de líquidoAlcalinidad de entrada

kg/m2·spH

2,5437

Tabla 4.3. Datos de operación en el ejemplo (37)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 20 40 60 80 100 120

Alt

ura

de la

col

umna

z(m

)

% eliminación NH3

Rendimiento de absorción vs altura en la columna


En los resultados del ejemplo se obtiene una KGa o coeficiente de transferencia de materia

global de 187,92 kmol/m3h. Con el modelo realizado en EES para la absorción de amoníaco en

agua se obtiene 237,6 kmol/m3h, lo que permite decir que los resultados se aproximan a la

realidad en el orden de magnitud.

4.3. Absorción del HCl

El cloruro de hidrógeno es un gas que se sitúa entre el NH3 y el H2S en dificultad de

absorción en relación con la absorción física, aunque sigue siendo dominante la fase gaseosa. Es

destacable que, una vez absorbido, queda disociado en la solución permanentemente y no vuelve

a la fase gaseosa, ya que la constante de equilibrio de la reacción 6

( 6

2 3

KHCl H O Cl H O− +→+ +← ) se sitúa a pH = -6 según la bibliografía (36).

La configuración utilizada en esta ocasión se encuentra en un artículo (38) donde el medio de

absorción es una columna de relleno de bajo tiempo de residencia para la absorción con un

cáustico de HCl en una mezcla HCl + N2 a distintas composiciones. La configuración se presenta

en la Tabla 4.4.




PorosidadTensión superficial crítica del material (cerámica)

mmin

m2/m3

-N/m

0.0580,1521/4”9850,620,061

Parámetros del gas

Caudal molar de gasTemperatura

Composición (HCl/Air)

kmol/sºC

ppm

1,94e-525

5000


Caudal volumétrico de líquidoAlcalinidad de entrada

m3/spH

9,17e-613,7

Tabla 4.4. Datos de operación (38)


Durante el experimento se indica que siempre había NaOH disponible en solución para

reaccionar con el HCl entrante, por lo que en el modelo se ha asumido una relación NaOH/HCl

de 2:1. Con este dato y la tabla de resultados presentada en la Tabla 4.5 se puede comprobar si el

modelo se acerca o no a la realidad.

HCl concin feedgas, %

HCl concin ventgas, %

Gas Feed Rate Liquid feed rate PercentAbsorption

%

PercentAbsorption,% modelo

PercentAbsorption% Aspenstd cm3/min kmol/s ml/min m3/s

5 0,0429 26463 1,97e-5 550 9,17e-6 99,1 94,75 72

10 0,0138 26068 1,94e-5 550 9,17e-6 98,6 94,19 73

25 0,3593 25680 1,91e-5 550 9,17e-6 98,6 92,01 74

50 0,8857 27840 2,07e-5 550 9,17e-6 98,2 - 75

75 0,6560 24090 1,79e-5 550 9,17e-6 99,1 - 77

90 1,4088 23640 1,76e-5 550 9,17e-6 98,4 - 78Tabla 4.5. Comparativa entre los resultados experimentales y los resultados del modelo

El modelo no puede utilizarse a concentraciones altas, ya que una de las suposiciones que se

realizaron es que no iba a haber concentraciones excesivamente altas, por lo que no se ha

utilizado para concentraciones mayores del 25%, estableciendo aquí un límite de operación.

Puede observarse que los resultados de los modelos no alcanzan los resultados

experimentales. Esto puede ser debido a una mala selección de la correlación para calcular el

coeficiente de transferencia en la fase gaseosa, que es la dominante en este rango de pH, o al

pequeño tamaño de la columna. De los dos métodos que se tenían se escogió como más

adecuado el método de Onda. Aun así existe un error frente a los datos experimentales que hay

que tener en cuenta.

4.4. Comprobación Aspen Plus para HCl y NH3

Ya que el funcionamiento de Aspen en estas condiciones no es adecuado, se ha decidido

comparar el modelado en Aspen Plus con otro experimento. Se seleccionó un ensayo

perteneciente a la tesis doctoral de Adriano Guarnieri , en la que se estudia un lavador con lecho

de anillos raschig y las condiciones de operación que aparecen en la tabla.





PorosidadTensión superficial crítica del material (cerámica)

mmin

m2/m3

-N/m

0,1642

1/4”3200,7

0,036

Parámetros del gas

Caudal molar de gasTemperatura

Composición (NH3/Air)Composición (HCl/Air)

Nm3/hºC

ppmppm

1251204000100


Caudal volumétrico de líquidoAlcalinidad de entrada

L/spH

0,6147

Tabla 4.6. Datos de operación (39)

Las condiciones de salida se presentan en la Tabla 4.7.

Propiedades Ejemplo Aspen Plus Aspen Hysys

Tgas,out (ºC) 30 30 29,99xHCl,in (ppm) 100 100 100xHCl,out (ppm) 0,6 0,001 1e-30xNH3,in (ppm) 4000 4000 4000xNH3,out (ppm) 130 0,00006 1e-6

Tabla 4.7. Comparativa entre Aspen y el ejemplo

Se puede ver que en Aspen los resultados esta vez son más optimistas que los que se

obtuvieron en el ejemplo. Es necesario añadir que el ejemplo no especificaba que estas

composiciones se obtuvieran exactamente, sino que eran un límite máximo que se cubría en las

condiciones del ejercicio. Por lo tanto, no se pueden descartar los resultados, y viendo que

efectivamente se cumplen estas condiciones, el modelo utilizado en Aspen Plus parece ser más

robusto que el de Hysys al aproximarse más a los resultados indicados.

4.5. Fiabilidad del modelo

Para poder valorar si es razonable o no los resultados obtenidos, se va a realizar un resumen

de la fiabilidad de cada uno de los modelos desarrollados para cada una de las especies en

función de los experimentos utilizados.


La fiabilidad se va a evaluar en función del rendimiento obtenido con el modelo (EES, Aspen

y Hysys) frente a los datos experimentales.

En caso del H2S se evaluará basándose en los datos obtenidos en la Figura 4.10 para la

comparativa de rendimientos obtenidos frente a relaciones NaOH/H2S alimentadas ya que es una

variable más escalable a condiciones fuera de las del experimento que el pH. Se puede ver que el

error cometido al calcular el rendimiento de absorción de H2S es relativamente pequeño en todo

el rango de pH (relación NaOH/H2S mayor conduce a un mayor pH de entrada).

Figura 4.10. Error cometido al utilizar el modelo de H2S frente a la relación NaOH/H2S utilizada

El caso del HCl y el NH3 se va a evaluar en la Tabla 4.8. El error es mucho más bajo que el

que presenta el caso del H2S y también puede considerarse suficientemente fiable el resultado

para los objetivos del proyecto.

Propiedades Error EES (%) Error Aspen Plus (%) Error Aspen Hysys (%)

NH3 0,15 0,63 3,36

HCl 4,39 0,60 0,60

Tabla 4.8. Fiabilidad o error (%) cometido al utilizar los modelos para el cálculo del rendimiento de absorción de NH3 yHCl

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,10 0,17 0,34 0,60 0,82 1,18

% e

rror

com

etid

o

NaOH/H2S

Error cometido al usar el modelo de H2S frente a la relaciónNaOH/H2S utilizada

EES error

Aspen Error

capítulo 4: validación del modelo 59 -...

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