2.1. Introducción a la Absorción La absorción de gases es una

Capítulo 2: Absorción Química como sistema de abatimiento
23
2.1. Introducción a la Absorción
La absorción de gases es una operación unitaria por la que los componentes solubles
absorbatos, de una mezcla gaseosa se disuelven en un líquido, el absorbente. La operación
inversa, denominada desorción, consiste en la transferencia a la fase gaseosa de los componentes
(solutos) volátiles de una mezcla líquida. Para conseguir el contacto íntimo de las fases, líquido y
gas, ambas operaciones utilizan el mismo tipo de equipo empleado en la destilación, es decir,
torres de platos, torres de relleno, torres de pulverización y columnas de burbujeo. (14)
Las torres o columnas son recipientes cilíndricos esbeltos donde se coloca un relleno o platos
y se hace circular, normalmente en contracorriente, el gas y el líquido por el interior de la torre.
Los dispositivos internos colocados promueven el contacto entre las fases, aumentando así el
área interfacial por el cual se producirá la transferencia de materia.
Los mecanismos más utilizados para conseguir este fin son: (1) Dividir el gas en pequeñas
burbujas en una superficie líquida continua (torres de burbujeo), (2) separar el líquido en
películas que fluyan a través de una fase gaseosa continua (torre de relleno), (3) convertir el
líquido en gotas de pequeño tamaño que caigan a través de una fase gaseosa continua (torre de
pulverización). Cada uno de estos mecanismos favorece un tipo de transferencia, y según los
requisitos que deseemos alcanzar será más recomendable utilizar un tipo de columna u otro.
Los equipos de contacto pueden ser categorizados como equipos de contacto por etapas
(torres de platos), que utilizan un número de etapas separadas para realizar el contacto gaslíquido o equipos de contacto continuo-diferencial (torres de relleno), que utilizan toda la
columna como un sistema continuo de contacto gas-líquido. (15)
La Tabla 2.1 es un resumen presentado en el libro Gas Purification de Kohl et al. (15) que
muestra un criterio de selección para elegir el medio de contacto más adecuado. Puede verse que
para sistemas parecidos al nuestro, no es conveniente el uso de platos y tendría más sentido el
uso de rellenos debido a la escala con la que trabajamos y a los grandes caudales de líquido
manejados.
24
Absorción de contaminantes inorgánicos de un gas de gasificación de RDF mediante sosa caustica
Condition of
Application
Low pressure
Moderate pressure
High pressure
High turndown
ratio
Low liquid rates
Foaming systems
Internal tower
cooling
Solids present
Dirty or
polymerized
solution
Multiple feeds and
sidestreams
High liquid rates
(scrubbing)
Small diameter
columns
Columns with
diameter 3-10 ft
Large diameter
columns
Corrosive fluids
Viscous fluids
Low ∆P
Expanded column
capacity
Low cost
Available design
procedures
Platos perforados
o válvulas
2
3
3
Bubble cap or
Tunner Trays
1
2
2
2
2
2
Systematically
Packed
3
1
0
2
3
1
2
1
2
3
1
1
3
2
0
2
3
1
0
2
1
1
0
2
1
1
0
3
3
1
0
2
1
3
0
1
1
3
2
3
2
2
2
3
1
2
1
2
2
1
1
1
0
3
3
2
1
0
2
2
0
2
3
2
1
2
1
3
2
2
1
Randomly Packed
Tabla 2.1. Tabla de recomendaciones según condiciones para usar tipos de columnas. 0 - no usar, 1 - Evaluar
cuidadosamente, 2 - Aplicable, 3 - Mejor elección (15)
2.2. La absorción aplicada a la purificación de gases
La absorción aplicada a la purificación de gases puede dividirse en tres tipos; dependiendo de
la naturaleza de la interacción entre absorbato y el absorbente: (15)
-
Absorción física: el compuesto absorbido es más soluble en el líquido que otros
compuestos presentes en la corriente gaseosa y no reacciona químicamente con el
absorbente. La concentración de equilibrio en la fase líquida depende fuertemente de la
presión parcial del gas objetivo. Por lo que, no suele ser viable si la concentración del
compuesto es muy baja en la fase gas. Un ejemplo de este tipo de absorciones es el
proceso Selexol para absorber H2S y CO2 en polietilenglicol.
Capítulo 2: Absorción Química como sistema de abatimiento
-
25
Reacciones reversibles: existe una reacción química entre el compuesto gaseoso objetivo
y un compuesto de la fase líquida que es reversible en función de las condiciones de
operación. El compuesto, por tanto, presentará una fracción en forma acuosa que tendrá
una fracción en forma vapor será proporcional a la temperatura. Este tipo de reacciones es
difícil de modelar por su naturaleza no lineal, pero permiten la regeneración del
compuesto absorbente en una etapa de stripping o desorción mediante temperatura. Un
ejemplo de este tipo de absorción es la absorción de CO2 en una solución de
monoetanolamina (MEA).
-
Reacciones irreversibles: el compuesto absorbido reacciona con un componente de la fase
líquida para formar un producto que no se descompone por acción de la temperatura. Un
ejemplo de este caso es la absorción de H2S en soluciones de hierro para formar un fango
de partículas de azufre.
En líneas generales, la reacción química permite una mayor capacidad para disolver el soluto
en la fase líquida. Según el régimen de reacción o su velocidad, se puede realizar otra
clasificación:
-
Régimen de reacción lenta: la reacción ocurre en el seno de la fase líquida. En este tipo de
reacciones no se observa una mejora sustancial en la transferencia del gas al líquido. Este
régimen es indeseado para propósitos industriales si es el gas que se desea absorber el que
presenta un comportamiento de absorción lento. En cambio, es el ideal para compuestos
que no se desea absorber. En este caso, la resistencia en la fase gaseosa puede
despreciarse y se puede suponer que la velocidad de reacción tiene un efecto
predominante en la velocidad de reacción.
-
Régimen de reacción rápido: en muchos tipos de procesos de tratamiento de gases, la
absorción está en el régimen rápido de reacción. El régimen rápido ocurre cuando no está
en el régimen instantáneo pero la reacción ocurre en la película de líquido. Por lo que el
factor de mejora de la reacción química es lejana a 1. La reacción que ocurre entre el CO 2
y las soluciones alcalinas acuosas suelen estar incluidas en este régimen de reacción, ya
que no son extremadamente rápidas al ser un ácido de Lewis y necesitar un primer paso
de hidratación antes de reaccionar con el álcalis.
26
Absorción de contaminantes inorgánicos de un gas de gasificación de RDF mediante sosa caustica
-
Régimen de reacción instantáneo: Este régimen es particularmente interesante para
analizar la eliminación de H2S de corrientes de gases, ya que el H2S presenta reacciones
virtualmente instantáneas de transferencia de protones en líquidos alcalinos. El factor de
mejora de reacción es cercana a la unidad y la reacción ocurre en la película cercana la
interfase gas-líquido. Durante este régimen de reacción, la resistencia en la fase líquida es
mucho menor a la de la resistencia gaseosa.
En el proyecto tratamos con una mezcla de gases que presentan un régimen de reacción
instantáneo en el caso del H2S y HCl y un régimen de reacción rápido en el caso del CO2. Todas
estas reacciones son reversibles en función de cómo se mueva el pH de la solución en la columna.
2.3. Propiedades químicas de los compuestos presentes en la mezcla de gases para la
absorción en distintos solventes
Las propiedades de la mezcla entrante son necesarias para saber qué proceso sería el más
indicado para abatir los contaminantes presentes en la corriente de syngas con el mínimo coste.
En este proyecto se ha especificado como necesario el uso de cáustico como absorbente, pero
uno de los objetivos es la búsqueda de la idoneidad del absorbente.
En la Tabla 2.2 se adjuntan las solubilidades de los compuestos contaminantes y propiedades
de los solventes interesantes que limitan su aplicación.
Solvente
CO2
solubilidad
H2S
solubilidad
HCl
solubilidad
NH3
solubilidad
Temp
ebullición (ºC)
Agua
0,169
0,385
72
52.9
100
NaOH (aq) –
pH 11 (0,001M)
2,026
2,411
~73
~50
~100
MDEA (aq)
20%p
1,665
27,53
-
-
247,1
Tabla 2.2. Propiedades de los solventes. Solubilidad en g de gas/100 g de solvente a 25ºC (14) (16) (17) (18)
En la tabla puede observarse la selectividad de cada uno de los absorbentes debatidos en el
proceso. Es notable la mayor selectividad de equilibrio que posee la metildietanolamina frente la
sosa cáustica que implicará una menor necesidad de absorción de CO2 para absorber la misma
cantidad de H2S.
Capítulo 2: Absorción Química como sistema de abatimiento
27
2.4. Separación de H2S y su problemática
2.4.1. Opciones de separación utilizando una mezcla cáustica como absorbente
Cuando se trata un gas ácido que contiene H2S y se opera con una solución de NaOH como
absorbente es necesario evaluar la mezcla entrante y su composición. Si el único gas presente en
la corriente es H2S, no es necesario utilizar un diseño complejo y se puede escoger entre el
diseño simple utilizando NaOH en exceso o un diseño en doble etapa que optimice el uso de
NaOH. Generalmente, si existe un compuesto que se absorbe en simultáneo, se debe diseñar un
proceso especial que sea selectivo. Entre los compuestos presentes usualmente están el CO2 o el
NH3.
Figura 2.1. Configuración típica de un scrubber de un solo lazo.
Cada uno de los sistemas siguientes están enfocados a ofrecer como ventaja una mayor
simplicidad, producir un producto de mayor calidad (NaHS frente a Na2S ya que el primero tiene
valor comercial), conseguir un menor consumo de NaOH en el proceso o ser un proceso más
selectivo.
28
Absorción de contaminantes inorgánicos de un gas de gasificación de RDF mediante sosa caustica

Lavadores cáusticos de un solo lazo con exceso de NaOH
En este proceso simple, el gas pasa a través de una torre (normalmente de relleno) en
contracorriente a una corriente de líquido de cáustico recirculado. Este tipo de unidades necesita
una bomba para impulsar el reciclo de líquido, intercambiadores de calor para eliminar el calor
producido en la absorción y los controladores necesarios para garantizar su correcto
funcionamiento. Además, se necesita un aporte de NaOH para compensar el cáustico consumido
en el proceso (Figura 2.1).
Este tipo de configuración es ideal para plantas de pequeña capacidad que no tienen espacio
para equipos o cuando el coste de los equipos sea significativo, pero, si se desea alcanzar un gran
rendimiento, es necesario operar en gran exceso de NaOH respecto al azufre absorbido
(NaOH:H2S = 2:1). Este exceso es el principal factor en el rendimiento de absorción de sulfuro
de hidrógeno. Debido a este gran consumo de caustico, la operación con este tipo de
configuraciones se limita a concentraciones bajas de H2S con bajo contenido en CO2.
Uno de los usos más comunes en la industria de este tipo de configuraciones es como backup de una unidad Claus durante las paradas.

Lavadores cáusticos con doble lazo
En un lavador cáustico de doble lazo (Figura 2.2) se opera con dos zonas en una columna. La
primera y superior, que opera a un pH elevado, es una zona donde se purifica la corriente a
límites muy bajos de H2S; y, la segunda e inferior, que opera a un pH menor y ofrece la
separación de la mayoría de H2S de la corriente de entrada.
Esta configuración permite alcanzar una concentración muy pequeña de H2S a la salida del
gas, minimizando el consumo de NaOH en la operación a costa de tener una mayor complejidad
y coste de equipamiento. Además, permite obtener un producto de mayor calidad (mayor
cantidad de NaHS) gracias a que opera a un pH menor en la zona baja.
Capítulo 2: Absorción Química como sistema de abatimiento
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Figura 2.2. Configuración típica de un lavador cáustico de doble lazo.

Lavador selectivo de H2S en presencia de CO2 (Lavadores de tiempo de contacto
pequeño)
Presente en la Figura 2.3, los sistemas de lavado de poco tiempo de contacto (Short-contact
time en inglés) son diseñados para sistemas donde se desee una gran selectividad por la presencia
de CO2 en la corriente de H2S. Típicamente, la relación CO2/H2S es menor a 5:1, aunque puede
ser una relación superior utilizando más de una etapa de absorción a distintos pH.
Como la absorción de H2S puede ser realizada más rápidamente que la del CO2 a pH altos, la
máxima selectividad se alcanza diseñando un mezclador estático de pequeño tamaño que permita
el contacto entre las fases gas y líquida durante poco tiempo (0,01 – 0,2 segundos), para después
separarse rápidamente en un depósito y evitar la absorción de CO2.
30
Absorción de contaminantes inorgánicos de un gas de gasificación de RDF mediante sosa caustica
La operación con este tipo de sistemas es muy flexible y el diseño del contactor puede ser
realizado de distintas formas, siendo algunas de ellas la operación con venturis o la operación
con una torre de lavado de pequeño tamaño operando en isocorriente.
Además, el control de pH a la entrada es muy importante, ya que de su valor depende que la
absorción de H2S se lleve a cabo satisfactoriamente.
Figura 2.3. Configuración selectiva de absorción de H2S con un corto tiempo de contacto

Otras configuraciones posibles
Existen numerosos procesos que muestran la flexibilidad de operación que tiene trabajar con
cáusticos a la hora de tratar mezclas de gases ácidos. Uno de ellos, Figura 2.4, es el proceso de
absorción de una corriente de gases que contiene NH3 y H2S y se desea abatir solamente H2S,
permaneciendo el amoníaco en la corriente gaseosa. Una solución es utilizar un esquema de dos
columnas. La primera columna operaría a un pH alto, como en el caso del lazo simple,
absorbiendo ambos compuestos. Esto es debido a que el NH3 se absorbe fácilmente en agua a
cualquier pH, pero, al operar a pH alto, su forma en el líquido será no iónica. Este hecho permite
el uso de una segunda columna de stripping o desorción que opere a una temperatura mayor,
Capítulo 2: Absorción Química como sistema de abatimiento
31
liberando el NH3 del líquido al bajar su solubilidad en el agua. El H2S permanecerá en el líquido
ya que está en estado iónico, al igual que otros compuestos en el líquido a pH mayor. Este
esquema permite la separación de ambos gases de una forma ingeniosa utilizando la temperatura
y cáusticos.
Figura 2.4. Configuración diseñada para la separación de H2S y NH3
2.5. Esquema de operación elegido en el proyecto
En el proyecto se ha escogido operar con una columna de relleno como medio de contacto
gas-líquido. Se ha escogido frente a las otras alternativas porque es la más indicada para plantas
de pequeño-mediano tamaño, permite la operación de lavado con un gran caudal de líquido
frente al gaseoso, y permite la operación con fluidos corrosivos, ya que operamos a pH básicos y
tratamos gases ácidos.
Ya que se desea separar compuestos con presiones parciales muy bajas en el gas, se ha
descartado operar con absorción física y se ha preferido utilizar absorción química. A pesar de la
falta de recomendaciones generales, se ha decidido operar con sosa cáustica como líquido
absorbente, ya que permite la separación a concentraciones razonables de los compuestos que
32
Absorción de contaminantes inorgánicos de un gas de gasificación de RDF mediante sosa caustica
contaminan la corriente de syngas con este absorbente. Es un proceso apto para operar en plantas
de pequeño tamaño y es un esquema que puede ser optimizado para operar en situaciones no
deseables.
Finalmente, como esquema de operación se ha realizado el modelo como una primera etapa
utilizando el esquema simple de un solo lazo. Este es el esquema más apto para plantas de
pequeño tamaño como la que se opera en el proyecto, pero puede dar resultados indeseados a la
hora de contar la absorción de CO2. No obstante, si finalmente fuera imposible la absorción en
presencia de CO2, el modelado puede tener validez para diseñar el contactor de pequeño tamaño
utilizado en los esquemas SCT (Short-contact time o bajo tiempo de contacto) si fuera necesario,
utilizando una columna de pequeño tamaño y un esquema de operación en isocorriente.
2.6. Problemas de seguridad ambiental y tratamientos necesarios para prevenirlos
En este proyecto, al utilizarse la vía húmeda para la eliminación de gases contaminantes, se
convierte un problema; inicialmente de contaminación del gas, en otro de contaminación de
aguas. El agua efluente de un lavadero es recirculada después de un tratamiento adecuado o
vertida a un sistema de alcantarillado municipal, suponiendo que la planta de tratamiento
municipal tuviera capacidad suficiente para tratar los caudales adicionales generados por el
lavadero.
El primer tratamiento realizado en la planta in situ es el uso de NaOCl para la oxidación del
Na2S producido a Na2SO4. Esta sal es mucho más estable y no produce malos olores ya que
produce un desplazamiento del equilibrio al H2S, es neutro y es una sal que no produce
problemas de deposición.
Más adelante se puede hacer un tratamiento básico que consiste en la neutralización o ajuste
del pH y la eliminación de los sólidos que quedaran atrapados en el sistema, en caso de que los
hubiera antes de la recirculación al sistema, mediante sedimentación o empleando un filtro.
Finalmente, al tratar con gases tan peligrosos, antes de su emisión al ambiente se requiere un
análisis riguroso, ya que en esta planta pueden aparecer trazas de alquitranes, benceno o tolueno,
que requerirían un tratamiento específico si sobrepasasen los límites medioambientales. (2)