Absorción - Web del Profesor

14/07/2011
Universidad de Los Andes
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Química
Dpto. de Operaciones Unitarias y Proyectos
Absorción
Prof. Yoana Castillo
[email protected]
CONTENIDO
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Absorción: Definición.
Fundamentos.
Solubilidad de un gas en un líquido.
Tipos de Absorción.
Aplicaciones Industriales.
Coeficientes de transferencia de masa.
Elección del Solvente.
Equipos.
Trazado de etapas.
Relación L/G mínimo.
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ABSORCIÓN.
ƒ
Definición
Operación unitaria en la que se eliminan
uno ó más componentes de una corriente
gaseosa al ser absorbidos por un líquido no
volátil (solvente).
El solvente líquido debe agregarse como
agente de separación [1].
Compuestos de punto de licuefacción muy bajo
y pensiones
p
de vapor
p muy
y parecidas.
p
i
G (i,j)
LIQIN
GASIN
GASOUT
LIQOUT
L (solvente)
Desorción: Operación inversa G
i
L
ABSORCIÓN: FUNDAMENTOS.
• Difusión:
Transferencia de masa que sigue un
principio basado en gradiente impulsor y
una propiedad de transporte denominada
Difusividad (DAB).
Ley de Fick establece:[2]
J A = − D AB .∇C A
JA= vector densidad de flujo con respecto a
un observador en movimiento (mol/m2s)
DAB= Difusividad de A en B (cm2/s)
CA= Concentración de A (mol/m3)
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ABSORCIÓN: FUNDAMENTOS.
Difusión molecular
Rápido
Lento
¿Equilibrio?
Muy Lento
Turbulencia mejora la difusión
ABSORCIÓN: FUNDAMENTOS.
• Relaciones de equilibrio (solubilidad)
La transferencia de un componente de una fase
gaseosa a una fase líquida se da cuando existe una
diferencia de concentración.
El equilibrio se alcanza cuando la presión ejercida por el
componente en la fase gaseosa se iguala a la presión
parcial del componente en la fase líquida.
Leyes fundamentales
Fase gaseosa ideal: y1 = P1 / PT
Fase líquida ideal:
P1 = P01 x1
Soluciones diluidas:
P1 = H x1
Fase gas ideal – fase líquida no ideal:
γ1 Van Laar, Margules
Ley de Dalton
Ley de Raoult
Ley de Henry
y1 PT = P01 γ1 x1
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SOLUBILIDAD DE UN GAS EN UN LÍQUIDO.
La solubilidad de un gas en un líquido es función de:
• Naturaleza de las sustancias y de su desviación del equilibrio.
equilibrio
• Temperatura: La solubilidad es inversamente proporcional a
la temperatura.
• Presión: La solubilidad es directamente proporcional a la
presión.[3]
Concentración del compuesto gaseoso disuelto en el líquido a
una P y T dadas.
Se expresan en:
Forma numérica (Tablas.)
Gráficos: Presiones parciales en función de concentración del
componente en el líquido
•
•
CURVAS DE SOLUBILIDAD
Gases poco solubles
300
Presión parciall del soluto en el gas ,
mmHg
SO2 a 10 ºC
NH3 a 30 ºC
Menor T mayor x
NH3 a 10 ºC
HCl a 10 ºC
0
Gases muy solubles
0.2
Fracción molar de soluto en el
líquido, x
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TIPOS DE ABSORCIÓN.
ƒ
Física:
El gas se elimina por tener
mayor solubilidad en el
solvente que otros gases.
ƒ
Química:
l
Ell gas que se va eliminar
reacciona con el solvente y
queda en solución.
Puede ser reversible o
irreversible.[1]
ALGUNAS APLICACIONES INDUSTRIALES:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Eliminación de butano y pentano
p
de una mezcla gaseosa
g
de refinería
utilizando un aceite pesado.
Eliminación de contaminantes inorgánicos solubles en agua de corrientes
de aire.
Como dispositivos de recuperación de productos valiosos.
Eliminación de impurezas en productos de reacción.
Eliminación de CO2 o de H2S por reacción con NaOH en una corriente de
gases. [1,3]
Coeficientes de transporte de materia.
Teoría de la doble capa.[4]
ƒ
ƒ
Resistencia reside en las 2 capas hipotéticas IG é IL.
El flujo del soluto transferido será: NA
sustancia transportada
tiempo * área de contacto
N A = K * ∆Conc
NA =
Coeficiente de transferencia de materia
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Coeficientes de transporte de materia.
Teoría de la doble capa.
Escribiendo NA en función de los gradientes:
ƒ
N A = kG * (PG − Pi )
[1]
N A = k L * (Ci − C L )
[2]
N A = k y * ( y − yi )
[3]
N A = k x * ( xi − x )
[4]
Para compensar las diferencias de unidades, usamos la Ley
de Henry P=m*C , entonces, igualando 1 y 2:
ƒ
N A = kG * (PG − Pi ) = k L * (Ci − C L )
[5]
k L (PG − Pi )
=
kG (Ci − C L )
[6]
Arreglando la ecuación 6, da:
ƒ
−
ƒ
k L (PG − Pi )
=
kG (C L − Ci )
[7]
En un diagrama P vs C, será:
Pi y Ci son difíciles
de medir.
Solución ingenieril:
ƒ
Se calcula la
transferencia en
base a la fase
GLOBAL, usando
CG* y PL*
ƒ
ƒ
Planteando en función de los coeficientes GLOBALES KG y KL
N A = K G * (PG − PL )
(
N A = KL * C
*
G
− CL
)
[8]
[9]
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Relación de los coeficientes de transferencia de
materia individuales y globales
Igualando la ecuación 2 y 9 y recordando que “m” es la pendiente
de la recta de equilibrio, se obtiene:
1
1
1
=
+
kL
K L kG * m
[10]
1
1
m
=
+
kL
K G kG
[11]
Coeficiente de
transferencia de
materia GLOBAL:
KL, KG
Coeficiente de transferencia de
materia individuales (kL,kG )
ELECCIÓN DEL SOLVENTE
[3-4].
• El agua es el disolvente más comúnmente utilizado.
• Para los compuestos orgánicos que tienen baja solubilidad
en agua, se usan otros disolventes, tales como los aceites de
hidrocarburos.
• Líquidos usados como solventes incluyen también aceites
minerales, aceites de hidrocarburos volátiles y soluciones
acuosas.
Cualidades de un buen disolvente para absorción
• Elevada solubilidad
• Baja volatilidad
• Baja viscosidad
• Alta selectividad
• Requerimientos básicos
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Toxicidad.
Estabilidad química.
No corrosivo.
No formar espumas
Económico y disponible….
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Recuperación y reciclaje del Solvente.
• El efluente de la columna puede
reciclarse al sistema y utilizarse de
nuevo.
Solventes caros,, como
aceites de hidrocarburos,
soluciones cáusticas…).
•Inicialmente, la corriente reciclada
puede ir a un sistema de tratamiento de
residuos para eliminar en lo posible los
contaminantes o los productos de la
reacción.
• La recirculación del solvente requiere
de una bomba, sistema de recuperación
de disolvente, tanques de retención y de
mezclado de solvente, etc. [3]
n-octano
Comp.
C1
0.285
C2
0.158
C3
0.240
n-C4 0.169
n-C5 0.148
100 mol/h
LIQIN
GASOUT
GASIN
LIQOUT
EQUIPOS [3,5]
Torre de platos
Torre Empacada
Vapor
sale
Liquido entra
Liquido entra
Vapor
sale
Torre de Spray
Vapor
sale
Liquido entra
1
2
N–1
N
Vapor entra
Liquid salida
Vapor entra
Liquid salida
Vapor entra
Columna de Burbujeo
Liquido entra
Vapor
sale
Contactor Centrifugo
Vapor
sale
Liquido entra
Vapor
entra
Liquid salida
Liquid salida
Vapor
entra
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INTERNOS DE EQUIPOS DE ABSORCIÓN
1.
Platos.
2.
E
Empaques.
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Características adecuadas de
flujo.
Elevada superficie por unidad de
volumen.
Químicamente inerte.
Resistencia estructural.
Bajo peso por unidad de
volumen.
Pequeña
ñ retención
ó de líquido.
í
Bajo costo.
Tipo de empaques:
Estructurados
Aleatorios
Características de rellenos comerciales secos
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Comparación torres de relleno frente a platos
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Platos
Menor caída de presión del
sistema.
Menor obstrucción y
ensuciamiento.
Menor coste de instalación y
operación.
Menor potencia de bomba y
ventilador.
Soportan mayores fluctuaciones
de T.
Empaques
Mayor eficiencia de separación.
Manejan mayores caudales de
líquido y gas.
Mayor costo de mantenimiento
debido al relleno.
Se usan con ácidos y otros
materiales corrosivos.
Son más cortas
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Internos de la columna
CÁLCULO DE LA TORRE
Altura, N etapas
Diámetro
Concentración en el gas
Métodos gráficos:
Grafico
Algebraico
Línea de operación
Curva de
equilibrio
La línea de operación está
por encima de la línea de
equilibrio porque en cada
etapa hay más soluto en el
gas que en la interfase.
Concentración en el líquido
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Métodos gráficos, Nomenclatura
Caudales de fluido:
LIQIN
(moles de líquido
q
/ h m2)
L (
G (moles de gas / h m2)
GASOUT
1
Tope
2
Fondo
Corrientes exentas :
L´ (moles de disolvente / h m2)
G´ (moles de inerte / h m2)
Composiciones exentas:
X = x / 1 – x (moles de soluto / moles de disolvente)
Y = y / 1 – y (moles de soluto / moles de inerte
GASIN
LIQOUT
)
Métodos gráficos, Nomenclatura
•
Balance de soluto en la torre:
LIQIN
L1 x1 + G2 y2 = L2 x2 + G1 y1
•
GASOUT
1
Tope
2
Fondo
Sustituyendo en función de caudales exentos:
L ‘ ( x1 / 1-x1 ) + G ‘ ( y2 /1-y2 ) = L ‘ ( x2 / 1-x2 ) + G ‘ ( y1 /1-y1 )
•
Línea de operación:
L ‘ [( x2 / 1-x2 ) - ( x1 / 1-x1 ) ] = G ‘ [( y2 /1-y2 ) - ( y1 /1-y1 ) ]
•
GASIN
LIQOUT
En concentraciones exentas:
L
‘
( X2 – X1 ) = G
‘
( Y2 – Y1 )
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Métodos gráficos, Nomenclatura
Diagrama en fracción molar
2
y2
2`
Diagrama en exentos
Y2
2
2`
X2
X*2
Y1
y1
x1
x2
x*2
Y1
TRAZADO DE ETAPAS “N” EN COLUMNAS
CON PLATOS
Método grafico análogo a Mc Cabe Thiele, considerar:
Lí
Línea
d
de operación
ió recta:
t G
Gas portador
t d iinsoluble
l bl y
solvente no volátil.
ƒ
ƒ
El calor de absorción es despreciable.
ƒ
La operación es isotérmica.
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TRAZADO DE ETAPAS: ABSORCIÓN CON
PLATOS
Xn-1
Xn-1
Yn
Yn
n
n
Xn
Xn
Yn+1
Yn+1
Y
Fondo
YN+1
Equilibrio
YN
Etapa 2
Corrientes que pasan
Corrientes de salida de la etapa
Tope
Y1 (gas sale)
Etapa 1
Y1-X0(L’/G’)
XN
X0 (liquido entra)
X
TRAZADO DE ETAPAS: DESORCIÓN
Desorción (Stripping)
Y1, G’
X0, L’
1
2
n
Y
Etapa 1
Tope
Y1
Equilibrio
N
XN, L’
YN+1, G’
Etapa 2
Linea de Operación
Etapa 3
YN+1
Pendiente L’/G’
Fondo
X0
XN
X
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RELACIÓN L´/G´ MÍNIMO ABSORCIÓN
Absorbente Infinito
Fondo
Absorbente mínimo
⎛ L' min ⎞
⎛L '⎞
Yn+1 = Xn ⎜⎜ min' ⎟⎟ + Y1 − X0 ⎜⎜ ' ⎟⎟
G
⎝
⎠
⎝ G ⎠
Y
Pendiente L’/G’
Y1 (gas sale)
Top
Y1-X0(L’/G’)
X0 (líquido entra)
Equilibrio
X
La cantidad de solvente mínimo depende de la fracción de soluto a remover, el
flujo de gas y el coeficiente K de distribución, es decir del Equilibrio.
RELACIÓN L´/G´ MÍNIMO
Lmin y Gmáx
Lmax y Gmin
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TRAZADO DE ETAPAS EN COLUMNAS
EMPACADAS
Deducción de la ecuación de diseño por
balance de materia en un diferencial de la
columna y luego se intregra a lo largo de la
torre.
SE REALIZARA DEDUCCION EN CLASES…
Se obtienen expresiones del tipo:
L x dx
z=
∫
k L aS x x − xi
b
a
z = HL NL
V
z=
kV aS
yb
∫y
ya
dy
i − y
z = HG NG
REFERENCIAS
[1] WANKAT, P. “Ingenieria de los procesos de separación”. Pearson
Prentice Hall
Hall. Segunda edición
edición. 2008.
2008
[2] BIRD; STEWART; LIGHTFOOT. “Fenómenos de transporte”.
Reverté. 1998.
[3] TREYBAL, R. “Operaciones de Transferencia de Masa”. Mc Graw
Hill. 2da edición.1980.
[4] OCON; TOJO. “Problemas de Ingeniería Química”.
Capítulo 6. Aguilar. Madrid. 1974.
[5] SEADER, J; HENLEY E. “Separation process principles”.
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