ABSORCIÓN Y DESORCIÓN

Transcripción

1 Operaciones Unitarias de Transferencia de Masa ABSORCIÓN Y DESORCIÓN Facultad de Ingeniería - UBA

2 ÍNDICE Qué es la Absorción/Desorción? Diseño de equipos con varias etapas Absorción Efecto de la Temperatura y la Presión Eficiencia Equipos de Absorción/Desorción por etapas Diseño de equipos de contactado continuo Equipos de Absorción/Desorción de contactado continuo Absorción No Isotérmica Facultad de Ingeniería - UBA

3 Qué es la absorción/desorción? La absorción es una operación que consiste en la transferencia selectiva de uno o más componentes presentes en una fase gaseosa hacia la fase líquida con la que se pone en contacto. La desorción es la operación inversa donde uno o más componentes de la fase líquida se transfieren selectivamente a la fase gaseosa. Caso más simple Facultad de Ingeniería - UBA

4 Qué es la absorción/desorción? La fase gaseosa y la fase líquida no suelen contener los mismo componentes (agente separador). Los efectos caloríficos se deben a los calores de disolución. Operación isotérmica Operación no isotérmica Agente separador: Liquido (Absorción) o Gas (Desorción) Temperatura por encima de la de rocío Temperatura por debajo de la de burbuja Facultad de Ingeniería - UBA

5 Qué es la absorción/desorción? Características a tener en cuenta de un agente separador: Solubilidad Cuál es más soluble: El SO 2 o el NH 3? NH 3 Selectividad Facultad de Ingeniería - UBA

6 Qué es la absorción/desorción? Características a tener en cuenta de un agente separador: Volatilidad Pérdidas ($$$$) Inflamabilidad Características del producto final Toxicidad Características contaminantes (GEI, por ejemplo) Corrosividad Costo Viscosidad Recuperación $$$$ Facultad de Ingeniería - UBA

7 Qué es la absorción/desorción? El compuesto a separar requiere, al menos, una etapa posterior de separación, en caso de necesitarlo puro. Contraejemplo: Producción de ácido clorhídrico. Facultad de Ingeniería - UBA

8 Diseño de equipos con varias etapas - Absorción En qué consiste el contacto por etapas? Ambas fases se mezclan Íntimo contacto Se separan Fluyen a otra etapa hasta alcanzar especificación Etapas reales Facutad de Ingenieria - UBA 8

9 Diseño de equipos con varias etapas - Absorción Tipos de contactado Corrientes cruzadas Cocorriente Contracorriente Corrientes cruzadas Cocorriente L,x 0 L,x 0 L,x 0 G,y G,y 0 G,y 1 G,y 2 G,y 0 G,y 1 G,y 2 G,y L,x 0 L,x 1 L,x 2 L,x 3 L,x 1 L,x 2 L,x 3 Facultad de Ingeniería - UBA

10 Diseño de equipos con varias etapas - Absorción Contracorriente G,y 0 G,y 1 G,y 2 G,y L,x 1 L,x 2 L,x 3 L,x 0 Datos (típicos en el diseño): Concentración de entrada de ambas corrientes Concentración deseada de salida Caudal de gas Equilibrio (@T y P de operación) υ gas =υ liq P. i y i =γ i. P v,i. x i P. y i =P v,i. x i y i = P v,i P x i = m (T,P). x i Lineal a T y P cte Facultad de Ingeniería - UBA

11 Diseño de equipos con varias etapas - Absorción La ecuación de equilibrio anterior está expresada en fracciones molares. Es conveniente trabajar SIEMPRE con fracciones? Base libre de soluto (relaciones molares) cuando la transferencia de masa es lo suficientemente grande como para modificar el caudal circulante Y = X = y 1 y x 1 x Y = mm 1 m 1 X y i = m (T,P) x i Facultad de Ingeniería - UBA

12 Diseño de equipos con varias etapas - Absorción Balance de Masa - Contracorriente G,y t L,x t Entradas = Salidas Hipótesis: Estado estacionario No hay reacción química Temperatura y presión ctes Selectividad = 1 (para el soluto) Etapas ideales (eficiencia =1) Gy b + Lx t = Gy t + Lx b G y b y t = L x b x t y b y t x b x t = L G Recta de operación G,y b L,x b Facultad de Ingeniería - UBA

13 Diseño de equipos con varias etapas - Absorción Solvente mínimo y y b y = mm y b = L G x b + ccc y t (y b ccc) G L = x b L > L > L > L x t x b x b x b x Caudal mínimo de solvente L oo = αl mmm Cierro balance de masa en Facultad todo de el Ingeniería equipo - UBA (x b )

14 Diseño de equipos con varias etapas - Absorción Solvente mínimo y y b L mmm y t x t x Facultad de Ingeniería - UBA

15 Diseño de equipos con varias etapas - Absorción Conteo de etapas método analítico o de Lewis G,y k G,y k-1 k L,x k+1 L,x k Gy k 1 + Lx k+1 = Gy k + Lx k y k 1 y k x k x k+1 = L G Suponiendo que k es la etapa 1, definida como la base de la torre y b y 1 x b x 2 = L G Al ser una etapa ideal, salida en equilibrio y 1 = m (T,P) x k = m (T,P) x b = m (T,P) x 1 Facultad de Ingeniería - UBA y 1 x 2 Paso a la siguiente etapa (k=2)

16 Diseño de equipos con varias etapas - Absorción Conteo de etapas Método gráfico y y b y y b Cuantas etapas necesito a L min?? y y t y t x t x 2 x b = x 1 x x t x b x Facultad de Ingeniería - UBA

17 Diseño de equipos con varias etapas - Absorción Conteo de etapas Método de Kremser Hipótesis: Equilibrio lineal (y = mm) Recta de operación lineal (y = a. x + b) Eficiencia = 1 Define al factor de absorción A (factor de desorción S=A -1 ) A = L GG Define el grado de absorción 1 = y t mm t y b mx t Facultad de Ingeniería - UBA

18 Diseño de equipos con varias etapas - Absorción Conteo de etapas Método de Kremser Si A=1 Si A<1 Si A>1 L G = m L G < m L G > m y x Facultad de Ingeniería - UBA

19 Efecto de la Temperatura y la Presión y y i = P v,i P x i +T aumenta P v,i -P +T,-P -T,+P Aumenta m (T,P) El aumento/disminución de la Temperatura y la Presión tienen un efecto inverso sobre el equilibrio Disminuir la Presión y/o aumentar la Temperatura favorecen la desorción. Aumentar la Presión y/o disminuir la Temperatura favorecen la absorción. x Facultad de Ingeniería - UBA

20 Eficiencia 2 tipos Global Puntual Murphree Eficiencia Global E g = #eeeeee tttttttt (N T) #eeeeee rrrrrr (N R ) N R = N T E g Se puede utilizar con Kremser!! Facultad de Ingeniería - UBA

21 Eficiencia Eficiencia de Murphree Lado gas Lado líquido Lado gas G,y j L,x j-1 Lado Líquido E MM = y j+1 y j y j+1 y j = y j+1 y j y j+1 mx j j E MM = x j x j 1 x j x j 1 = x j x j 1 y j /m x j 1 y j+1 G,y j+1 L,x j y y j y j Suma una ecuación al método de Lewis!! y j+1 y j x j 1 x j x Facultad de Ingeniería - UBA x j 1 x j x j x

22 Eficiencia Eficiencia de Murphree Pseudo-curva de equilibrio y 2 1 La eficiencia afecta a la cantidad de solvente mínimo? x Facultad de Ingeniería - UBA

23 Equipos de Absorción/Desorción por etapas Torre de platos Facutad de Ingenieria - UBA 23

24 Equipos de Absorción/Desorción por etapas Plato de válvulas Plato de orificios Plato de capuchas Facutad de Ingenieria - UBA 24

25 Equipos de Absorción/Desorción por etapas Tanque de burbujeo Facutad de Ingenieria - UBA 25

26 Diseño de equipos de contactado continuo Balance de masa global G,y t L,x t Balance diferencial lado gas Hipótesis: Estado estacionario No hay reacción química Temperatura y presión ctes Selectividad = 1 (para el soluto) Etapas ideales (eficiencia =1) z + z z z Divido por Lado gas Lado líquido y y i x i x G,y b L,x b Facutad de Ingenieria - UBA 27

27 Diseño de equipos de contactado continuo Qué es a? a = m2 dd ttttttttttttt m 3 dd rrrrrrr Facutad de Ingenieria - UBA 28

28 Diseño de equipos de contactado continuo G,y t L,x t z + z z z Si G es constante, entonces G,y b L,x b Facutad de Ingenieria - UBA 29

29 Diseño de equipos de contactado continuo Altura de una unidad de transferencia. Es la altura de relleno que requiero para realizar una separación de una unidad de transferencia. Depende de las condiciones operativas y las características del relleno, por lo que suele ser un dato del proveedor del mismo o correlaciones. Número de unidades de transferencia. Es un adimensional que representa la dificultad de la separación, ya que depende de cuanto se desea separar (yt, yb) y de la fuerza impulsora (y-yi). Dado que las condiciones de interface rara vez se conocen se hace uso de los coeficientes globales Facutad de Ingenieria - UBA 30

30 Diseño de equipos de contactado continuo Cálculo de N OG Método gráfico y 1 y y y y n A = y y y i i=1 x x y Facutad de Ingenieria - UBA 31

31 Diseño de equipos de contactado continuo Cálculo de N OG Método de Colburn Hipótesis: Equilibrio lineal (y = mm) Recta de operación lineal (y = a. x + b) Eficiencia = 1 Define al factor de absorción A (factor de desorción S=A -1 ) A = L GG Orrrrrrr = y t mm t y b mx t Facutad de Ingenieria - UBA 32

32 Diseño de equipos de contactado continuo Cálculo de N OG Sistemas concentrados Los caudales dejan de ser constantes, por lo que no pueden salir de la integral, entonces: 1 B B n A = GG B i i=1 Facutad de Ingenieria - UBA 33 GG

33 Diseño de equipos de contactado continuo Método alternativo Altura Equivalente de Plato Teórico (HETP) z = nnnnnn dd eeeeee tttttttt HHHH Suministrado por el fabricante z = N OO H OO = N t HHHH N OO N t H OO HHHH Facutad de Ingenieria - UBA 34

34 Equipos de Absorción/Desorción de contactado continuo Absorbedor de película Pared Líquido Gas Baja caída de P Superficie interfasial controlada (estudios teóricos) Facutad de Ingenieria - UBA 35

35 Equipos de Absorción/Desorción de contactado continuo Columna Spray Líquido disperso Baja caída de P Altos costos de bombeo Gran arrastre de líquido (demister) Facutad de Ingenieria - UBA 36

36 Equipos de Absorción/Desorción de contactado continuo Torres rellenas Facutad de Ingenieria - UBA 37

37 Equipos de Absorción/Desorción de contactado continuo Torres rellenas Contacto continuo de líquido y gas Relleno con gran superficie (a) Gran volumen vacío (bajo ΔP) Rellenos baratos Rellenos resistentes a corrosión (+$) Dos tipos: al azar o regulares Facutad de Ingenieria - UBA 38

38 Absorción No Isotérmcia Efectos caloríficos por disolución no son despreciables Cambia la Temperatura a lo largo del equipo Hipótesis: Caudales constantes Propiedades constantes Temperatura del gas constante Solo se transfiere 1 componente Líquido se lleva el calor (C P lll C P ggg ) Método Simplificado!! Conservador, resulta en torres más altas Facutad de Ingenieria - UBA 39

39 Absorción No Isotérmcia G,y t Balance entre tope y etapa j tope L,x t Balance de masa G y j+1 y t = L(x j x t ) Balance de energía LH L G t + GH j+1 Calor de disolución = LH j L + GH t G H L = C P L T T rrr + H s x H G = C P g t trrr + λy j 1 y C P gaa t trrr + yc P ssssss (t t rrr ) G,y j+1 L,x j L C P L T t T j + H s x t x j = G C P g tt t j+1 + λ y t y j+1 G y t y j+1 = L x t x j Facutad de Ingenieria - UBA 40

40 Absorción No Isotérmcia Balance entre tope y etapa j G,y t tope L,x t T t T j = λ ΔH s C P L (x t x j ) T j = T t + λ ΔH s C P L (x j x t ) Calor de absorción q aaa j G,y j+1 L,x j Facutad de Ingenieria - UBA 41

41 Absorción No Isotérmcia Resolución gráfica Grafico equilibrio a diferentes temperaturas (curva de equilibrio) Resuelvo como siempre x T m y* y x 1 T 1 m 1 y* 1 x 2 T 2 m 2 y* 2 x 3 T 3 m 3 y* 3 y 3 y 2 y 1 x 1 x 2 x 3 x Facutad de Ingenieria - UBA 42

42 GRACIAS! Facutad de Ingenieria - UBA 43