Figura 6.7: Diagrama de una columna de absorción 32

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1 39 Ua vez calculados los fraccioaietos se chequea la codició (6.6). Para el flujo de vapores, se obtuvo que y, 997, ietras que para el flujo de líquido se obtuvo que i x i 1,. 6.3 La absorció La absorció de gases es ua operació uitaria de trasferecia de ateria e la cual ua ezcla gaseosa se poe e cotacto co u líquido a fi de disolver, de aera selectiva, uo o ás copoetes del gas y obteer ua solució de éstos e el líquido. El gas que queda libre del (de los) copoete(s) se deoia gas lipio o gas agotado. Se diferecia tres partes iportates e el proceso de absorció: el gas portador, el cual va a ser lipiado o purificado, el líquido lavador, que sirve a disolver las ipurezas, y el copoete gaseoso a separar. La absorció puede ser física o quíica, segú el gas que se disuelva e el líquido absorbete o reaccioe co él dado u uevo copuesto quíico. Supógase que se tiee ua corriete de gas liviao, coo el gas atural que cotega pricipalete etao y pequeñas catidades de etao hasta -petao. Se puede reover la catidad deseada del copoete ás pesado que el etao, colocado e cotacto y e cotracorriete el gas atural co ua corriete de aceite pesado (e.g. el - octao) e ua colua de etapas últiples coo la ilustrada e la figura 6.7. Puesto que la absorció es u proceso de liberació de calor, el aceite lipio geeralete etra a ua teperatura por debajo de la teperatura proedio a la cual se espera que opere la colua. La velocidad de flujo del aceite lipio es L y etra por la parte superior de la colua. El gas rico o gas húedo (el cual cotiee las ipurezas) etra por el fodo de la colua a ua teperatura igual o por ecia de su puto de rocío y a la presió de la colua, pero geeralete por debajo de la teperatura proedio de operació de ésta. El flujo de gas rico es represetado por la variable N+1 y el flujo de gas lipio es 1. El aceite absorbete, ás el aterial que ha sido absorbido, es retirado por el fodo de la colua. El iso recibe el obre aceite rico y está represetado por la variable L N e la figura 6.7. Las coluas de absorció o ecesita i codesador i caldera. U diseño uy utilizado cosiste e eplear coluas vacías e las que el líquido etra a presió por u sistea de ducha ubicado e la parte superior, haciedo que el iso se pulverice, ietras que el gas rico circula e setido cotrario. Este diseño se cooce coo torre de pulverizació.

2 4 Gas lipio Aceite lipio Gas rico Aceite rico Figura 6.7: Diagraa de ua colua de absorció 3 E la idustria, se utiliza torres de absorció pricipalete para la reoció de gases ácidos (e.g. H S, CO, SO ) que so eitidos por procesos de cobustió o que so geerados e el procesaieto de hidrocarburos líquidos y gaseosos. Para lipiar los gases de u horo de coque, por ejeplo, se eplea coo líquido absorbete agua para eliiar vapores de aoíaco y se utiliza aceites para reover vapores de beceo y tolueo. La resolució de probleas efocados e este tipo de proceso evuelve el cojuto de ecuacioes de balace de ateria y eergía para cada etapa de la colua, así coo las codicioes de equilibrio, de aera siilar a los plateados e la destilació. Se requiere el uso de étodos uéricos para resolver las ecuacioes plateadas por etapa para llegar a ua solució coveiete. Si ebargo, para fies de este texto se cosidera solo probleas secillos que hace uso de los balaces de ateria. éase los ejeplos siguietes. Ejeplo 6.7: Ua corriete de vapores procedete de u proceso de trataieto de hidrocarburos cotiee 1,1%ol de H S. El sulfuro de hidrógeo es u gas uy cotaiate e irritate. Para cuplir co las oras abietales, es ecesario retirar al eos el 99,% de dicho copuesto utilizado ua torre de absorció. El líquido absorbete es capaz de retirar,1 ol de H S por cada litro de líquido utilizado. El flujo de gases ricos e cotaiates es de 9, ol/h. Deteriar la catidad de líquido absorbete 3 Iage toada de Hollad y López, Fudaetos y odelos de procesos de separació, 1º Ed., 1981, p. 113.

3 41 ecesaria para retirar la catidad requerida de H S y la cocetració de H S e los vapores tratados. Solució: El problea puede ilustrarse co u diagraa coo el de la figura 6.8. Se tiee dos flujos idepedietes, el vapor cotaiado, que etra a razó de 9 ol/h, y el absorbete, del cual o se cooce el valor de la corriete. Etre estos dos flujos ocurre ua trasferecia de ateria, pues ua buea parte del H S coteido e los vapores a tratar se trasfiere al líquido absorbete. Gas tratado S =? Líquido absorbete L =? Torre de absorció Gas rico = 9ol/h 1,1%ol H S Líquido absorbete + H S L S =? Figura 6.8: Diagraa de ua torre de absorció (Ej. 6.7) Tóese coo base de tiepo ua (1) hora. El balace de ateria e estos copoetes se platea y se resuelve a cotiuació. H S coteido e : 9, ol,11 ol/ol 3,393 ol H S. H S a ser retirado: 3,393 ol H S,99 3,39 ol. El líquido absorbete es capaz de retirar,1 ol H S por cada litro utilizado de líquido. Etoces, el flujo de absorbete requerido es: 3,39 ol H S L 33,9 L.,1 ol H S/L La corriete L S está copuesta de la isa catidad de líquido absorbete que etra ás la porció de H S que fue trasferida desde los vapores cotaiados. 33,9 L/h de líquido absorbete 3,39 ol H S retirado. L S : La corriete de vapores tratados resulta ser la catidad que etra eos la catidad de ateria trasferida desde la isa hacia el líquido absorbete: S 9, ol 3,39 ol 91,6 ol.

4 4 La cocetració de H S e el flujo de vapores tratados S es: (3,393 3,39) ol H S,34 ol H S H S 1% 1% 91,6 ol 91,6 ol %,1166%. Ejeplo 6.8: Se eplea ua colua de absorció a fi de reducir el coteido de dióxido de azufre, SO, e ua corriete gaseosa. El gas a lipiar etra por el fodo de la colua a 4ºC y 1 at de presió, co u caudal de 1 kgol/h y coposició expresada coo porcetaje e volue de 8,6% e CO,,6% e SO y el resto e itrógeo. El líquido absorbete está forado por ua suspesió acuosa de carboato de calcio ( g de CaCO 3 e 1 g de H O, cuya desidad es 1,14 g/l ) que se itroduce por la parte superior de la colua. Deteriar el caudal de suspesió de carboato de calcio ecesario para que la cocetració de SO e el gas de salida (gas lipio) sea iferior a,%v, sabiedo que la capacidad de arrastre de esta suspesió es de,8 g de SO por litro de la isa. Solució: aos a asuir ua base de tiepo de ua (1) hora. E prier lugar, hay que covertir los oles de gas que etra e su volue equivalete, a fi de poder calcular los respectivos porcetajes de cada uo de los copoetes del iso. Utilizado la ecuació de los gases ideales, dode R=,8 at.l.ol -1.K -1, se tiee que el volue de gas rico es: R T ( 1 kol1 ol/kol),8 (4 73,1) 8,9431 P 1at Ahora se calcula la coposició del gas, a partir de los porcetajes e volue: 8,6% 8 7, CO,9431 L,9491 L, 1%,6% 8, SO,67831 L 1,461 L, 1% ( 1 8,6,6)% 8 8, N,67831 L, L. 1% El gas tratado deber coteer,%v o eos de SO. Esto sigifica que a la salida debe haber, e volue, ua catidad de SO igual a:,% 1,461 L 3,88861 L. 1% Por lo tato, el líquido absorbete debe extraer, por hora, la siguiete catidad de cotaiate: L.

5 43 SO extraido ( 1,)% 1,461 1% L 1, Es preciso obteer la asa de dióxido de azufre coteidos e el volue de gas que debe ser extraído, a fi de relacioar esta catidad co la capacidad de arrastre del absorbete: P 1at1, L -1-1,8 at.l.gol.k (4 73,1) K SO extraido SO SO RT 96,88 gol (13,7 16) g/gol 3,841 L. 96,88 gol, Coo la capacidad de arrastre de la suspesió de carboato de calcio es de,8 g de SO por litro, se requiere el siguiete volue de absorbete: 3,841 g SO L 6,8681 L.,8 g SO /L A partir de la desidad de la suspesió, 1,14 g/l, se obtiee la asa equivalete de absorbete: 1 L 1,14 g 8 g Absorbete 6,8681 L 6, g 6, kg. 1L 1L El caudal ásico de alietació de líquido absorbete es, etoces, de 6, kg por hora. g. 6.4 La extracció líquido-líquido La extracció líquido-líquido o extracció co solvetes es ua de las operacioes uitarias ás coues e la igeiería quíica para separar ezclas hoogéeas líquidas. Cosiste e poer e cotacto dos líquidos iiscibles, a uo de los cuales se le desea extraer uo (o varios) copoete(s). Si las sustacias que copoe la solució origial se distribuye de aera distita etre las dos fases líquidas, se puede lograr cierto grado de separació, y esta separació se podrá ejorar haciedo que el área de cotacto etre los dos líquidos sea la ás extesa posible. Para que la trasferecia de ateria se lleve a cabo debe existir ua afiidad particular etre el solvete y el copuesto a ser extraído. E ua operació de extracció líquido-líquido se deoia alieto o alietació a la solució cuyos copoetes se desea separar, disolvete de extracció al líquido que se va a utilizar para separar el copoete deseado, refiado a la alietació ya tratada y extracto a la solució co el soluto (copuesto retirado) recuperado (Figura 6.9).

6 44 Figura 6.9: Diagraa ideal de ua operació extracció líquido-líquido El equipo que se utiliza e este tipo de operació uitaria tiee coo objetivo crear el área de cotacto ás extesa posible etre las dos fases. La razó para proover la foració del área iterfacial se debe a que la trasferecia de asa etre las dos fases líquidas es proporcioal al área iterfacial. Geeralete, para icreetar el área iterfacial se utiliza epaques, bafles, platos perforados, ezcladores ecáicos fuerza cetrífuga. El esquea de la figura 6.1 uestra u extractor epacado co el cojuto de cotroladores de flujo, presió, ivel y teperatura. El disolvete etra por la parte superior de la colua y se dispersa co u aillo rociador. El alieto etra cerca del fodo de la colua, supoiedo que este sea ás liviao que el disolvete, y fluye a través de los epaques e cotracorriete co la fase extracto, saliedo por la parte superior coo refiado. Coercialete, es posible ecotrar ua variedad de diseños de coluas de extracció, la gra ayoría agitados ecáicaete. El uso de u diseño e particular depede de las características del proceso a realizar y de la dificultad de la extracció. El uso ás secillo de la extracció líquido-líquido es la reoció de ipurezas coteidas e el alieto ediate u (o varios) solvete(s) afí(es) a dichas ipurezas. Alguas aplicacioes de esta fora de extracció so: la eliiació de ipurezas e el agua de desperdicio (e.g. etales pesados coo Ni, Cu, Z) ediate u disolvete orgáico, la extracció de uraio e la cadea de producció del H 3 PO 4, la separació de hidrocarburos aroáticos de los hidrocarburos saturados utilizado SO líquido, etileglicol o sulfolao, coo disolvetes, o e la idustria alietaria para extraer, por ejeplo, ácidos grasos de cadeas largas de aceites vegetales a través de propao líquido.

7 4 Disolvete Extracto Figura 6.1: Diagraa siplificado de u extractor 33 El esquea de la figura 6.11 uestra u ejeplo coercial de la extracció líquidolíquido e etapas últiples coocido coo descarboizació por disolvete, utilizado para recuperar hidrocarburos parafíicos (aceite descarboizado) del residuo que queda después de la destilació al vacío del crudo de petróleo. E el iso se utiliza flujos e cotracorriete y el disolvete se alieta por el fodo de las torres para luego asceder por la isa. Adeás de la operació de extracció, este proceso icorpora otras operacioes coo por ejeplo la codesació parcial y la evaporació e equilibrio líquido-vapor. El pricipio de separació de la extracció líquido-líquido se basa e el equilibrio de las fases líquidas iiscibles, a deteriada presió de vapor y teperatura del proceso. E la práctica, se utiliza datos de solubilidades etre las fases líquidas y el copoete distribuido etre las dos fases líquidas, que se represeta por curvas de equilibrio. Para establecer las relacioes ateáticas que perite resolver este tipo de probleas hay que cosiderar los balaces de ateria (para cada etapa y por copoete) y las relacioes de equilibrio. 33 Iage toada de Hollad y López, Fudaetos y odelos de procesos de separació, 1º Ed., 1981, p. 18.

8 46 Figura 6.11: Diagraa de u proceso de descarboizació por disolvete 34 El caso ás siple que se puede cosiderar para hacer el aálisis de las ecuacioes se preseta cuado ua alietació cotiee dos copoetes: el solvete y el soluto que iteresa separar, y el disolvete, que perite hacer la extracció. Este últio es u líquido puro iiscible co el solvete de la alietació. Se deoia coeficiete de distribució característico o tabié coeficiete de reparto de u copoete i etre las dos fases líquidas separadas (extracto y refiado) a la relació: CE D i, (6.14) CR dode CE y CR so las cocetracioes del copoete i e las fase extracto y e la fase refiado, respectivaete. El coeficiete de reparto depede de diversos factores, etre estos, de la aturaleza de los copoetes de la alietació, de la aturaleza del disolvete, de la coposició de la alietació y de la teperatura de operació del proceso. E cabio, la ifluecia de la presió e el proceso puede cosiderarse despreciable. La cocetració e la fase extracto (CE), para u proceso de extracció e ua etapa, se defie coo: 1 CE, (6.1) l 34 Iage toada de Kig, C.J., Procesos de Separació, 1º Ed., 1979, p. 186.

9 47 dode represeta la catidad de soluto e el alieto al iicio de la operació, 1 represeta la catidad de soluto que peraece e el alieto después de la priera etapa de extracció y l es el volue de disolvete utilizado e la etapa para hacer la extracció. La cocetració e la fase refiado (CR), después de ua extracció e ua etapa, se defie coo: CR 1, (6.16) e la cual es el volue de alieto tratado. Sustituyedo las expresioes (6.1)-(6.16) e la ecuació (6.14), se tiee que para cada copoete i el coeficiete de distribució característico se expresa coo: 1 l D i. (6.17) 1 Ahora bie, si se despeja 1 de la ecuació aterior, se tiee que: 1. (6.18) Dl Para últiples etapas, e las cuales se atiee las características de operació, se puede escribir que: 1 Dl Dl 3 1 Dl Dl Dl Dl, (6.19) dode es el úero de etapas de extracció y es la catidad de soluto que queda e el alieto después de etapas de extracció. Si las características de la operació de extracció cabia durate el proceso (e.g. el volue de disolvete es odificado etre las etapas sucesivas), será ecesario aalizar el problea e tatas partes coo sea ecesarias que tega las isas características de operació. 3

10 48 El ídice de extracció o porcetaje de extracció se calcula a través de la expresió (6.): % Extracció 1%. (6.) Ejeplo 6.9: Se desea separar el yodo presete e L de ua disolució acuosa cuya cocetració es,m. Para ello se utiliza coo disolvete el disulfuro de carboo, CS, líquido volátil, icoloro y uy iflaable, que tabié disuelve el fósforo blaco y el azufre eleetal, etre otras sustacias. A ºC el coeficiete de reparto del I e CS y H O vale 4,76. (a) Calcular la cocetració fial de soluto, I, e el refiado después de ua etapa de extracció utilizado L de disolvete. (b) Calcular la cocetració fial de soluto e el refiado, así coo el porcetaje de extracció, e dos etapas co u volue de fase orgáica igual a L para cada etapa. Solució: Parte (a). Es preciso recoocer cada uo de los datos proporcioados e el euciado, ates de proceder a resolver el problea. L, L D 4,76 l L, L 1 Los oles iiciales de soluto (yodo) e la fase acuosa se deteria por: ol 1 L 3, L,1 ol. L 1 L Sustituyedo los valores ateriores e la ecuació (6.19), se tiee que: 1 3, L 4 1,1 ol 8,611 ol. Dl 4,76, L, L La cocetració de soluto e la fase acuosa, después de ua extracció, es: 4 8,611 ol 3 M1 1,71 M., L Parte (b). Los datos para resolver esta parte so los siguietes: L, L D 4,76 l L, L Ahora, se procede a calcular los oles de soluto restates e la fase acuosa, después de dos etapas:

11 49 3, L,1 ol,191 Dl 4,76, L, L La cocetració de soluto e fase acuosa, después de dos etapas, es: 4,191 ol M 4,381, L El porcetaje de extracció se deteria coo sigue: 3,1,191 % Extracció 1% 3,1 4 M. 4 ol 1% 1% ol 4 ol. 91,%. Ejeplo 6.1: E cierto proceso de extracció se desea reover al eos el 98,% de u cotaiate presete e cierto copuesto B, utilizado etapas sucesivas. Se ecesita tratar L de alieto. El volue de disolvete que se desea utilizar, por etapa, es de L. A ºC el coeficiete de extracció vale,9. Cuátas etapas so ecesarias para lograr el porcetaje de extracció requerido? Solució: Los datos que provee el euciado del problea so los siguietes: L, L D,9 l L, L %Extracció 98,%? Auque o se tiee iforació acerca de la catidad de cotaiate presete iicialete e el alieto, es posible resolver el problea toado e cueta la proporció etre las catidades iicial y fial de soluto idicada por el ídice de extracció. 98,%,98 (1,98), 1. 1% Ahora, se procede a sustituir los valores ateriores e la expresió (6.19):, L,1 (,6786),9, L, L,1 l(,1) l l(,6786) 1,83 11etapas. l(,6786) Este resultado idica que se requiere de al eos 11 etapas para extraer por lo eos el 98,% de soluto e el alieto.

12 Ejeplo 6.11: Se tiee ua corriete acuosa cotaiada co u ieral, el cual se puede extraer usado cierto tipo de extractate. E tres etapas se logró extraer,61 g de ieral. El volue de la fase refiado es de 6 L y se está utilizado u volue para la fase orgáica de,3 L. El coeficiete de reparto D, para las codicioes de operació del proceso, vale,4. (a) Calcular la cocetració iicial de ieral e la fase refiado. (b) Deteriar el porcetaje de extracció después de tres etapas. (c) Si se desea extraer el 99,% de ieral presete iicialete e la alietació, cuátas extraccioes so ecesarias? Solució: Parte (a). Es recoedable idetificar priero la iforació dispoible, a saber: 6 L,6 L D, 4 l,3 L 3 Adeás, se sabe que se extrajo e tres etapas,61 g de ieral. Esto es:,61g. 3 Sustituyedo los datos e la ecuació (6.19), se obtiee que: 3,6 L 3, 734,4,3 L,6 L. Estas dos últias expresioes fora u sistea de dos ecuacioes co dos icógitas, dode la solució es úica: 3,734,9766,61g 6, ,734,734(6,771 g) 4,7691 g. 3 La cocetració iicial de ieral e la fase refiado es: 3 6,771 g 1,961 g/l.,6 L Parte (b). Para deteriar el porcetaje de extracció e tres etapas se utiliza directaete la expresió (6.): (6,771 4,7691 ) g % Extracció 1% 1% 9,766%. 3 6,771 g Parte (c). El porcetaje de extracció deseado es del 99,%. Si ecesidad de toar e cueta el valor previaete obteido para, se puede platear que: 99,%,99 (1,99),. 1% 3 g,

13 1 Al hacer la sustitució de esta últia expresió y de los deás datos e la ecuació (6.19), se tiee fialete que:, l,6 L, (,41667),4,3 L,6 L l(,41667) l(,) 6, l(,41667) 7 etapas. 6. Resue del capítulo E este capítulo se ha presetado varios procesos cuya operació reposa e los fudaetos de la trasferecia de ateria y el equilibrio de fases. E la priera parte del capítulo, se explicó e qué cosiste el equilibrio de fases, los tipos de equilibrio y las aplicacioes ás coues e la idustria. Luego, se presetaro, por separado, las operacioes uitarias de destilació, absorció y extracció líquido-líquido, ostrado los fudaetos teóricos y varios ejeplos ilustrativos que uestra cóo resolver probleas secillos para cada ua de estos procesos. A partir de estos coociietos se asegura que el estudiate es capaz de eteder cóo fucioa los procesos de separació, y capaz de seguir los procediietos aalíticos secillos que lleva a la resolució de probleas de trasferecia de asa e equilibrio de fases. 6.6 Lecturas recoedadas Se recoieda al lector leer los capítulos ecioados de los siguietes libros, así coo revisar ciertos probleas resueltos y propuestos e dichos capítulos a fi de ejercitarse e los teas estudiados: Maha, B. M. y Myers R. J. (199). Quíica: Curso Uiversitario, 4º Edició, Addiso- Wesley, E.U.A. Capítulo: 3 (especialete las seccioes 3., 3. y 3.6). Felder R, y Rousseau R.W. (4). Pricipios eleetales de los procesos quíicos, 3º Edició, Liusa Wiley, México. Capítulo 6, seccioes de capítulos: 6.1 a 6.4. Hielblau D.M. (1997). Pricipios básicos y cálculos e Igeiería Quíica, 6º Edició, Pretice Hall Hispaoaericaa, México. Capítulo 4, particularete las seccioes: 4.3, 4.4 y 4..

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