Absorción (desorción) de Gases. Transferencia de Materia 2 Semestre 2010 Alonso Jaques
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- Teresa Gómez Revuelta
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1 Absorción (desorción) de Gases Transferencia de Materia 2 Semestre 2010 Alonso Jaques
2 Laboratorio: Ver aviso. Quiz Lab. 3. Zwietering correlation: n JS = Sν 0.1 g ρ S ρ L /ρ L 0.45 X 0.13 d P 0.2 D 0.85
3 Introduccion
4 Contacto Gas-Liquido: Líneas de Operación Considerando una operación bajo condiciones isobáricas, isotérmicas, continuas, y estado estacionario, se puede representar el contacto gas-liquido como una línea de operación en el diagrama X-Y. L = flujo molar de absorbente libre de soluto. G =flujo molar de gas libre de soluto. X=razón molar de solución en base solvente libre (de soluto) Y=razón molar de soluto a soluto libre en el gas. Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
5 Contacto Gas-Liquido: Equipos y/do010406u001.jpg Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
6 Contacto Gas-Liquido: Tipo de contacto Diferentes tipos de unidades pueden ser ocupados para contacto gas-liquido. (Notar interfase gas-liquido) Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
7 Contacto Gas-Liquido: Platos El gas es distribuido en contacto con un nivel de liquido. El nivel de liquido esta dado por la altura del vertedero. Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
8 Contacto Gas-Liquido: Platos Los platos pueden ser: Perforados; de Válvula y de Campana. Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
9 Contacto Gas-Liquido: Relleno En el caso de columnas de relleno el contacto esta dado por la distribución de gas/liquido sobre un área de contacto (superficie de relleno). Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
10 Contacto Gas-Liquido: Relleno Tipos de relleno. No estructurados. Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
11 Contacto Gas-Liquido: Relleno Tipos de relleno. Estructurados. Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
12 Contacto Gas-Liquido: Líneas de Operación Considerando una operación bajo condiciones isobáricas, isotérmicas, continuas, y estado estacionario, se puede representar el contacto gas-liquido como una línea de operación en el diagrama X-Y. L = flujo molar de absorbente libre de soluto. G =flujo molar de gas libre de soluto. X=razón molar de solución en base solvente libre (de soluto) Y=razón molar de soluto a soluto libre en el gas. Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
13 Contacto Gas-Liquido: Líneas de Operación Si no hay vaporización del solvente, L, y G permanecen constantes. Considerando el equilibrio Gas-Liquido: K n = y n 1 + Yn = x n X n 1 + Xn El equilibrio gas liquido para soluciones diluidas puede ser descrito por: K i = P sat i P K i = γ il P sat i P K i = H i P K i = P sat i x i P Y n Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
14 Contacto Gas-Liquido: Líneas de Operación Si no hay vaporización del solvente, L, y G permanecen constantes. Considerando el equilibrio Gas-Liquido: K n = y n 1 + Yn = x n X n 1 + Xn El equilibrio gas liquido para soluciones diluidas puede ser descrito por: K i = P sat i P (Ley de Raoult) K i = γ il P sat i P (Ley de Raoult modificada) K i = H i P (Ley de Henry) K i = P sat i x i P (Solubilidad) Y n Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
15 Contacto Gas-Liquido: Equilibrio Equilibrio x-y & X-Y: Notar cuando x,y <<1 En caso de efecto de temperatura en equilibrio la curva de equilibrio gas liquido cambia. Recordar la ecuación de van t Hoff: ln K T 2 K T1 = H R 1 T 1 1 T 2 Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
16 Contacto Gas-Liquido: Líneas de Operación El contacto gas líquido se puede presentar como un líneas de operación en el diagrama Y-X Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
17 Contacto Gas-Liquido: Líneas de Operación El contacto gas líquido se puede presentar como un líneas de operación en el diagrama Y-X Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
18 Contacto Gas-Liquido: Líneas de Operación Realizando el balance de materia en el absorbedor: X 0 L + Y n+1 G = X n L + Y 1 G L Y n+1 = X n G + Y L 1 X 0 G Generalizando: Y = X L G + Y 1 X 0 L G Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
19 Contacto Gas-Liquido: Líneas de Operación Realizando el balance de materia en el desorbedor: X n+1 L + Y 0 G = X 1 L + Y n G L Y n+1 = X n G + Y L 1 X 0 G Generalizando: Y = X L G + Y 0 X 1 L G Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
20 Contacto Gas-Liquido: Líneas de Operación Relación entre flujos entrado/saliendo de una etapa: G N L N 1 G N L N 1 G N+1 L N L N G N+1 Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
21 Contacto Gas-Liquido: Flujo mínimo Reconociendo que la razón flujo de liquido y flujo de gas define la pendiente de la línea de operación se puede determinar el flujo mínimo de absorbente: La línea de operación no puede atravesar la línea de equilibrio.
22 Contacto Gas-Liquido: Flujo mínimo Combinado las expresiones de equilibrio y balance d e materia se puede obtener una expresión para el flujo mínimo de absorbente. G Y N+1 Y 1 L min = Y N+1 X Y N+1 K N 1 + K 0 N Considerando soluciones diluidas Y y, X x : L min = G y N+1 y 1 y N+1 K N x 0 Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
23 Contacto Gas-Liquido: Flujo mínimo Si el liquido se considera sin soluto, X 0 0, se obtiene la siguiente expresión para el flujo mínimo de absorbente: L min = G K N fracción soluto absorbida Realizando un análisis similar para el desorbedor: G min = L K N fracción soluto desorbida Usualmente el flujo mínimo se considera un factor (1,1 a 2,0) del estimado para el flujo mínimo. Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
24 Contacto Gas-Liquido: Calculo de etapas El numero de etapas se puede realizar obteniendo resolviendo los balance de materia y equilibrio de forma gráfica : Y = X L G + Y 1 X 0 L G Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
25 Contacto Gas-Liquido: Calculo de etapas El numero de etapas se puede realizar obteniendo resolviendo los balance de materia y equilibrio de forma gráfica : Y = X L G + Y 1 X 0 L G Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
26 Contacto Gas-Liquido: Método de Kremser El método de Kremser puede ser ocupado cuando la línea de operación es una línea recta. Este se puede generalizar para multicomponentes si la interacción entre ellos es despreciable. Adaptado de Seader & Henley, Ch.6,
27 Método de Kremser: Ejemplo Ejemplo 5.3 Seader and Henley: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
28 Método de Kremser: Ejemplo Ejemplo 5.3 Seader and Henley: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
29 COLUMAS DE EMPAQUE METODOS DE CALCULO
30 Columnas de empaque En columnas de platos el numero de etapas se puede visualizar inmeaditamente. En columnas de empaque, solo se tienen las characteriticas (longitud, diametro, tipo de relleno) del relleno.
31 Columnas de empaque
32 Columnas de empaque Para absorcion/desorcion las columnas de empaque (relleno) se prefieren sobre las de platos, especialmente cuando: El diametro de columan es menor a 2 ft. La caida de presion debe ser baja, especialmente en el caso de operaciones a vacio. Materiales ceramicos o polimeros deben ser usados (especialmente por consideraciones de corrosion). Bajo volumen de inventario (holdup) de liquido es preferido. Relleno de empaque (preferencialmente estructurado) es usado para aumentar la capacidad (revamp) de unidades.
33 Columnas de empaque A fin de analizar la eficiencia una columna empacada se utiliza la altura equivalente a una etapa teorica (Height Equivalent to a Theoretical Plate, o HETP). El HETP representa la relacion entre el concepto de etapa y con una cierta altura de empaque. El calculo para columnas empacadas se divide entre obtener el numero de etapas y altura de etapas.
34 Columnas de empaque Tal como el caso de columnas de platos un balance puede ser efectuado para cualquier seccion de la columna. Adaptado de Seader and Henely, Ch 6
35 Columnas de empaque El balance de materia es efectuado a través de la interface. Adaptado de Seader and Henely, Ch 6
36 Columnas de empaque A fin de conocer la razon de transferencia de materia en la columna, se puede realizar un balance en la interfase. De este modo se relacion entre los valores de la composicion de la fase y las corrientes de flujo estan relacionados: Adaptado de Seader and Henely, Ch 6
37 Columnas de empaque La estimacion de la razon de transferencia puede ser simplificada tomando un coeficiente global de transferencia de materia: This can be expressed as: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
38 Columnas de empaque Para soluciones diluidas el balance en la interfase: se puede simplificar como: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
39 Columnas de empaque Ahora se puede realizar un balance diferencial de la interfase: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
40 Columnas de empaque: Soluciones Diluidas Ahora se puede realizar un balance diferencial de la interfase: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
41 Columnas de empaque Chilton & Colburn sugiere reconocer los siguientes terminos : Correspondiendo: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
42 Columnas de empaque Los terminos H OG y N OG correspoden a la Altura de Unidad de Transferencia (Height of a Transfer Unit, HTU); y Numero de Unidades de Transferencia (Number of Transfer Units, NTU). Notar: De hecho si las lineas de operación y equilibrio son rectas se obtiene: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
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44 Columnas de empaque La relacion entre NTU y el numero de etpas teoricas varia con respecto a sus pendientes: a. NTU=Nt; b. NTU>Nt; c. NTU<Nt
45 Columnas de empaque: Soluciones Diluidas Chilton & Colburn sugiere reconocer los siguientes terminos : Correspondiendo: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
46 Columnas de empaque: Soluciones Diluidas Para soluciones diluidas, se pueden combinar las ecuaciones de operación y equilibrio. El numero de etapas de transferencias se puede estimar combinando ambas expressiones: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
47 Columnas de empaque: : Soluciones Diluidas El numero de etapas de transferencias se puede estimar combinando ambas expressiones: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
48 Columnas de empaque Los terminos H OG y N OG correspoden a la Altura de Unidad de Transferencia (Height of a Transfer Unit, HTU); y Numero de Unidades de Transferencia (Number of Transfer Units, NTU). Notar: De hecho si las lineas de operación y equilibrio son rectas se obtiene: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
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50 Columnas de empaque La relacion entre NTU y el numero de etpas teoricas varia con respecto a sus pendientes: a. NTU=Nt; b. NTU>Nt; c. NTU<Nt
51 Columnas de empaque: Relleno Ejemplos de tipos de relleno al azar (random packing).
52 Columnas de empaque: Relleno Ejemplos de tipos de relleno estruturado (estructured packing).
53 Absorcion/Desorcion: Configuraciones Como cambian condiciones de operacion entre Absorcion/Desorcion?
54 Absorcion/Desorcion: Configuraciones
55 Absorcion/Desorcion: Configuraciones
56 Absorcion/Desorcion: Configuraciones
57 Columnas de empaque: Ejemplo (Adap. 6.1) Gas de entrada: 180 kmol/h; 98% CO2; 2% alcohol etilico; 30 C, 110 kpa. Absorbente de entrada: 100 agua; 30 C, 110 kpa Objetivo: Recuperar 97% alcohol etilico. Numero de etapas?
58 Columnas de empaque: Ejemplo (Adap. 6.1) Gas de entrada: 180 kmol/h; 98% CO2; 2% alcohol etilico; 30 C, 110 kpa. Absorbente de entrada: 100 agua; 30 C, 110 kpa Objetivo: Recuperar 97% alcohol etilico. Usando un relleno de anillos Pall (Pall rings) se tiene un H OG de 2 [ft]. Cual seria la altura de la columna?
59 Colum. de empaque:soluciones Concentradas En el caso de soluciones concentradas obtener una expression intregada para NTU no es posible. Derivando una expression para diffusion unimolecular, en vez de diffusion equimolar, requiere realizar una modificacion de la integracion del balance diferencial. Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
60 Colum. de empaque:soluciones Concentradas Las siguientes expressiones differenciales: Se pueden usar para obtener expressiones para la altura de una columna empacada: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
61 Colum. de empaque:soluciones Concentradas Las siguientes expressiones differenciales: Se pueden usar para obtener expressiones para la altura de una columna empacada: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
62 Colum. de empaque:soluciones Concentradas Las curvas de operación en soluciones concentradas estan dadas por el balance de materia a lo largo d ella columna: Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
63 Colum. de empaque:soluciones Concentradas Usando composiciones, flujos en base libre, junto con sus respectivos coeficientes de transferencia de materia se puede obtener expresiones para la altura de la columna: En caso que el factor sea invariante con respecto a composicion Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
64 Colum. de empaque:soluciones Concentradas La línea de operación puede no ser una línea recta. El numero de etapas se puede obtener por integración. (ej. 6.15) Adaptado de Seader and Henely, Ch 5
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