Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Dpto. de Operaciones Unitarias y Proyectos.

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1 Universidad de os ndes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Dpto. de Operaciones Unitarias y Proyectos bsorción Prof. Yoana Castillo yoanacastillo@ula.ve COTEIDO bsorción: Definición. Fundamentos. Solubilidad de un gas en un líquido. Tipos de bsorción. plicaciones Industriales. Coeficientes de transferencia de masa. Elección del Solvente. Equipos. Trazado de etapas. Relación /G mínimo. 1

2 BSORCIÓ. 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 ypensiones de vapor muy yparecidas. IQI GSI GSOUT IQOUT G (i,j) i (solvente) Desorción: Operación inversa G i BSORCIÓ: FUDMETOS. Difusión: Transferencia de masa que sigue un principio basado en gradiente impulsor y una propiedad de transporte denominada Difusividad (D B ). ey de Fick establece:[2] J = D. C B J = vector densidad de flujo con respecto a un observador en movimiento (mol/m 2 s) D B = Difusividad de en B (cm 2 /s) C = Concentración de (mol/m 3 ) 2

3 BSORCIÓ: FUDMETOS. Difusión molecular Rápido ento Muy ento Equilibrio? Turbulencia mejora la difusión BSORCIÓ: FUDMETOS. Relaciones de equilibrio (solubilidad) a 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. eyes fundamentales Fase gaseosa ideal: y 1 = P 1 / P T ey de Dalton Fase líquida ideal: P 1 =P 0 1 x 1 ey de Raoult Soluciones diluidas: P 1 =Hx 1 ey de Henry Fase gas ideal fase líquida no ideal: y 1 P T =P 0 1 γ 1 x 1 γ 1 Van aar, Margules 3

4 SOUBIIDD DE U GS E U ÍQUIDO. a solubilidad de un gas en un líquido es función de: aturaleza de las sustancias y de su desviación del equilibrio. Temperatura: a solubilidad es inversamente proporcional a la temperatura. Presión: a 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 CURVS DE SOUBIIDD Gases poco solubles l del soluto en el gas, 300 Presión parcial mmhg SO 2 a 10 ºC H 3 a 30 ºC H 3 a 10 ºC HCl a 10 ºC Fracción molar de soluto en el líquido, x Menor T mayor x Gases muy solubles 4

5 TIPOS DE BSORCIÓ. Física: El gas se elimina por tener mayor solubilidad en el solvente que otros gases. Química: El gas que se va eliminar reacciona con el solvente y queda en solución. Puede ser reversible o irreversible.[1] GUS PICCIOES IDUSTRIES: Eliminación de butano ypentano de una mezcla gaseosa 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 CO 2 o de H 2 S por reacción con aoh en una corriente de gases. [1,3] Coeficientes de transporte de materia. Teoría de la doble capa.[4] Resistencia reside en las 2 capas hipotéticas IG é I. El flujo del soluto transferido será: sustancia transportada = tiempo*área de contacto = K * Conc Coeficiente de transferencia de materia 5

6 Coeficientes de transporte de materia. Teoría de la doble capa. Escribiendo en función de los gradientes: = k = k = k = k G y x *( PG Pi ) [1] *( Ci C ) [2] *( y yi ) [3] *( x x) [4] i Para compensar las diferencias de unidades, usamos la ey de Henry P=m*C, entonces, igualando 1 y 2: = k * P P = k * C C [5] G ( G i ) ( i ) [5] k ( PG Pi ) = [6] k ( C C ) G i rreglando la ecuación 6, da: k k G = ( PG Pi ) ( C C ) i [7] En un diagrama P vs C, será: Pi y Ci son difíciles de medir. Solución ingenieril: Se calcula la transferencia en base a la fase GOB, usando CG* y P* Planteando en función de los coeficientes GOBES KG y K = K = K G * ( P P ) G [8] * *( C G C ) [9] 6

7 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 = K kg 1 1 = K k G 1 * G m m + k 1 + k [10] [11] Coeficiente de transferencia de materia GOB: K, KG Coeficiente de transferencia de materia individuales (k,kg ) EECCIÓ DE SOVETE [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. íquidos 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 lta selectividad Requerimientos básicos Toxicidad. Estabilidad química. o corrosivo. o formar espumas Económico y disponible. 7

8 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. n-octano IQI GSOUT a recirculación del solvente requiere Comp. de una bomba, sistema de recuperación C C de disolvente, tanques de retención y de C n-c mezclado de solvente, etc. [3] GSI IQOUT n-c mol/h EQUIPOS [3,5] Torre de platos iquido entra Vapor sale 1 2 Torre Empacada iquido entra Vapor sale Torre de Spray iquido entra Vapor sale 1 Vapor entra iquid salida Vapor entra iquid salida Vapor entra Columna de Burbujeo iquido entra Vapor sale Vapor sale Contactor Centrifugo iquido entra Vapor entra iquid salida Vapor entra iquid salida 8

9 ITEROS DE EQUIPOS DE BSORCIÓ 1. Platos. 2. Empaques. Características adecuadas de flujo. Elevada superficie por unidad de volumen. Químicamente inerte. Resistencia estructural. Bajo peso por unidad de volumen. Pequeña retención de líquido. Bajo costo. Tipo de empaques: Estructurados leatorios Características de rellenos comerciales secos 9

10 Comparación torres de relleno frente a platos 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 Internos de la columna CÁCUO DE TORRE ltura, etapas Diámetro Grafico lgebraico Métodos gráficos: ínea de operación el gas Concentración en Curva de equilibrio a 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 10

11 Métodos gráficos, omenclatura Caudales de fluido: (moles de líquido / h m 2) G (moles de gas / h m 2) Corrientes exentas : (moles de disolvente / h m 2) G (moles de inerte / h m 2) Composiciones exentas: X = x / 1 x (moles de soluto / moles de disolvente) Y = y / 1 y (moles de soluto / moles de inerte) ) IQI GSI GSOUT 1 Tope 2 Fondo IQOUT Métodos gráficos, omenclatura Balance de soluto en la torre: 1 x 1 + G 2 y 2 = 2 x 2 + G 1 y 1 Sustituyendo en función de caudales exentos: ( x 1 / 1-x 1 ) + G ( y 2 /1-y 2 ) = ( x 2 / 1-x 2 ) + G ( y 1 /1-y 1 ) IQI GSOUT 1 Tope ínea de operación: [( x 2 / 1-x 2 ) - ( x 1 / 1-x 1 ) ] = G [( y 2 /1-y 2 ) - ( y 1 /1-y 1 ) ] GSI 2 Fondo IQOUT En concentraciones exentas: ( X 2 X 1 ) = G ( Y 2 Y 1 ) 11

12 Métodos gráficos, omenclatura Diagrama en fracción molar Diagrama en exentos y 2 2 2` Y 2 2 2` y 1 Y 1 x 1 x 2 x * 2 Y 1 X 2 X * 2 TRZDO DE ETPS E COUMS CO PTOS Método grafico análogo a Mc Cabe Thiele, considerar: ínea de operación recta: Gas portador insoluble y solvente no volátil. El calor de absorción es despreciable. a operación es isotérmica. 12

13 TRZDO DE ETPS: BSORCIÓ CO PTOS X n-1 Y n X n-1 Y n n n X n Y X n n+1 Y n+1 Y Fondo Y +1 Equilibrio Y Etapa 2 Corrientes que pasan Tope Corrientes de salida de la etapa Y 1 (gas sale) Y 1 -X 0 ( /G ) Etapa 1 X 0 (liquido entra) X X TRZDO DE ETPS: DESORCIÓ Desorción (Stripping) X 0, Y 1, G 1 2 n Y Y 1 Etapa 1 Tope X, Equilibrio Y +1, G Etapa 2 Etapa 3 inea de Operación Pendiente /G Y +1 Fondo X X 0 X 13

14 RECIÓ /G MÍIMO BSORCIÓ bsorbente Infinito Y Fondo bsorbente mínimo ' Y n+1 = X min n G ' + Y 1 X ' min 0 G ' Pendiente /G Y 1 (gas sale) Y 1 -X 0 ( /G ) Top Equilibrio X 0 (líquido entra) X a 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. RECIÓ /G MÍIMO min y Gmáx max y Gmin 14

15 TRZDO DE ETPS E COUMS EMPCDS 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 REIZR DEDUCCIO E CSES Se obtienen expresiones del tipo: xb yb dx V dy z = z = k as x x x a i kv as y ya i y z = H z = H G G REFERECIS [1] WKT, P. Ingenieria de los procesos de separación. Pearson Prentice Hall Segunda edición 2008 Prentice Hall. Segunda edición [2] BIRD; STEWRT; IGHTFOOT. Fenómenos de transporte. Reverté [3] TREYB, R. Operaciones de Transferencia de Masa. Mc Graw Hill. 2da edición [4] OCO; TOJO. Problemas de Ingeniería Química. Capítulo 6. guilar. Madrid [5] SEDER, J; HEEY E. Separation process principles. 15