Programa inprocess de Formación de Operadores

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1 2016 Programa inprocess de Formación de Operadores COLUMNA DE ABSORCIÓN Ejercicios enfocados a entender el funcionamiento de las columnas de absorción y los principios fundamentales por los cuales ejercen la eliminación de contaminantes

2 COLUMNA ABSORCIÓN Página by inprocess

3 COLUMNA ABSORCIÓN COLUMNA ABSORCIÓN INTRODUCCIÓN El proceso de absorción está basado en la transferencia de un contaminante desde una corriente gaseosa, en la que se encuentra en elevada concentración, hasta un líquido, con baja presión de vapor y menor concentración del compuesto, en el que tenga alta solubilidad. La fuerza impulsora que provoca la separación será entonces la diferencia de concentraciones. La absorción puede ser física, si la separación es por disolución, o química, si el compuesto que se quiere eliminar reacciona con el solvente seleccionado. Para conseguir la máxima eficiencia se debe buscar la máxima superficie de contacto entre el gas residual y el líquido eliminador. Además, los materiales de construcción de estos equipos deben ser resistentes a la corrosión debido al carácter ácido de los contaminantes. Hay una amplia gama de equipos que se han diseñado con este fin, entre los que se encuentran las columnas de platos, las columnas de relleno, las cajas de aspersión, los separadores de venturi, etc. En este caso en particular, el estudio se lleva a cabo en una columna de relleno, que cuenta con un plato en la parte inferior de la columna (Sump) que permite controlar el nivel de líquido que actúa como sello hidráulico. Las columnas de relleno a contracorriente son equipos cilíndricos que contienen en su interior un relleno cuyo objetivo es maximizar el área de contacto entre gas y líquido. Las torres empacadas tienen eficiencias de absorción de gases más altas que otros equipos y pueden manejar caudales de gas residual más altos y menores cantidades de líquido de limpieza; no obstante, las pérdidas de presión son altas y tanto los costos del equipo como los de operación y mantenimiento pueden ser bastante altos. Figura 1. Estructura de una columna de relleno, y tipos de relleno 2016 by inprocess Página 3

4 COLUMNA ABSORCIÓN OBJETIVOS DE LOS EJERCICIOS El objetivo principal de los ejercicios programados tiene como finalidad observar y analizar cómo afectan las variaciones de las diferentes variables operacionales en este tipo de equipos, tanto las ocasionadas por una variación realizada por el operador (por ejemplo: el caso de una hipotética optimización en las necesidades de líquido absorbente), así como las ocasionadas por una variación no deseada provocadas por el propio proceso (por ejemplo: un incremento de la concentración del gas contaminante en la corriente gaseosa). Página by inprocess

5 COLUMNA ABSORCIÓN DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO Para poder llevar a cabo este estudio se presenta el siguiente caso. Uno de los productos obtenidos durante un proceso químico es una corriente de aire que contiene una cierta cantidad de ácido clorhídrico. El objetivo final es poder eliminar o emitir dicha corriente a la atmósfera. En las condiciones actuales dicha emisión no es factible ya que la concentración de ácido clorhídrico supera el límite establecido por la normativa de emisiones de agentes contaminantes. En este punto se decide eliminar este contaminante de la corriente gaseosa, para ello se utiliza una columna de absorción utilizando agua como agente absorbente. El proceso se realiza en una columna de relleno a contracorriente, en la cual la entrada del líquido se realiza por la parte superior de la columna, mientras que la mezcla gaseosa entra por la inferior. La salida de ambas corrientes se producirá por el lado opuesto a la entrada, por lo tanto, el agua que arrastra el contaminante saldrá por la parte inferior de la columna, y el aire libre de éste por la superior. Además, la presencia de un plato en la parte inferior de la columna permite controlar el nivel de líquido del fondo de la columna que actúa como sello hidráulico. Previamente a la entrada del agua en la columna existe un aerorefrigerante, el cual permite enfriar el agua, sustancia que posteriormente actuará como agente separador. Abrir el caso base: En el menú Modules ir al submenú Runtime y, dentro de éste, seleccionar Open. Abrir el caso Columna de Absorción. La imagen que se debe observar es la siguiente: Figura 2. Caso base mostrando los valores iniciales 2016 by inprocess Página 5

6 COLUMNA ABSORCIÓN Una vez el caso se ha cargado, aparecerá el caso base con los diferentes valores de las diferentes variables: Presión, temperatura y caudal, tanto de la corriente líquida como de la gaseosa, en la entrada y salida de éstas Presión en la parte superior e inferior de la columna Apertura de las válvulas Composiciones en las diferentes corrientes Consumo total, en función del precio del agua y del kw h Consumo del aerorefrigerante en función de la temperatura deseada a su salida Los botones situados en la parte inferior izquierda de la pantalla abren los gráficos que permiten la visualización gráfica de los diferentes caudales y de la composición de HCl en cada corriente. Figura 3. Ejemplo gráfico de la variación de los diferentes caudales Página by inprocess

7 COLUMNA ABSORCIÓN Modificación de variables de operación: Una vez abierto el caso, el usuario puede modificar diferentes variables y así poder llevar a cabo el estudio deseado. Estas variables son: Temperatura de los fluidos en la entrada de la operación Caudal de agua que entra en la columna Temperatura deseada a la salida del aerorefrigerante Composición de la corriente gaseosa Presión en la cabeza de columna (parte superior) Nivel de líquido en la columna CONTROL MANUAL / CONTROL AUTOMÁTICO Para poder realizar modificaciones en el modo y set point de los controladores se debe clicar encima del controlador de interés. En la pestaña Properties situada a la derecha de la pantalla se observa que aparecen los datos del controlador de acuerdo a la siguiente figura: Figura 4. Datos del controlador de caudal Se observa que el modo de operación está en Automático (Auto), de manera que el controlador ajustará la apertura de la válvula de acuerdo al Set Point especificado en la celda correspondiente. Si se desea cambiar a modo Manual, se debe seleccionar en el desplegable de Mode la opción Manual, permitiendo la modificación de la apertura de la válvula (OP del controlador) by inprocess Página 7

8 COLUMNA ABSORCIÓN Página by inprocess

9 COLUMNA ABSORCIÓN EJERCICIO 1. ESTADO ESTACIONARIO (CASO BASE) Una vez se ha iniciado la simulación con el botón Run, situado en la pestaña Runtime Module, el estado estacionario mostrado en el caso base corresponde al tratamiento de 1124 kg/h de gas, con una composición del 19% de HCl y un 81% de aire, a una temperatura de 32º C. Para el caso base, se procesan kg/h de agua, la cual llega a 37º C y es enfriada a 31º C gracias al aerorefrigerante situado antes de la entrada de la columna. La presión de operación es de 1,5 bar en la cabeza de la columna y el nivel de líquido en su interior no es superior al 50%. Dadas estas condiciones base, se observa que en la salida superior, la que corresponde al aire con menos concentración de contaminante respecto la entrada, todavía se encuentra HCl en una concentración de ppmwt, aproximadamente. En los ejercicios posteriores se podrá observar como modificando variables de operación, esta concentración también lo hace. Estas variables son las mostradas en la Figura 5. Figura 5. Caso base con las variables que van a ser objeto de estudio y análisis P1.1: Cuántos kg/h de HCl se recuperan en la fase acuosa? 2016 by inprocess Página 9

10 COLUMNA ABSORCIÓN P1.2: Si en la corriente de entrada de gas, de los kg/h totales, 213,56 kg/h son HCl, qué porcentaje se recupera? Utilice el valor obtenido en la pregunta anterior. Cómo calificaría la eficiencia de la columna en base al resultado obtenido? P1.3: Si solo se dispusiera de los datos de la salida gaseosa y no de los datos de la corriente acuosa, se podría calcular igualmente la recuperación? Cómo? Página by inprocess

11 COLUMNA ABSORCIÓN EJERCICIO 2. VARIACIÓN DEL CAUDAL DE ABSORBENTE Dado el caso base, se ha podido observar que, con las condiciones dadas al simulador como valores iniciales, en la corriente de salida del gas (parte superior de la columna) todavía se encuentra un pequeño porcentaje de HCl, el cual se deseaba separar de la corriente de aire. En cierto modo, se observa que gran parte de este contaminante ha sido arrastrado por la corriente acuosa, por lo que se podría dar el objetivo inicial como cumplido. En la gran mayoría de casos, este hecho no es suficiente. Un claro ejemplo podría ser si la emisión de esta corriente se deseara enviar a la atmósfera. Este hecho se encuentra regulado por la legislación, por lo que requeriría un límite máximo en la concentración de salida. En el presente ejercicio se supondrá que para el caso del HCl su emisión está permitida por debajo de las 500 ppm. P2.1: Cómo cree que va a cambiar la composición en HCl de la corriente gaseosa a la salida si aumenta el caudal de absorbente? Se debe aumentar o disminuir el caudal de agua para llevar el contenido en HCl en la corriente de salida de gas hasta los límites permitidos? 1. Abra el caso base. Arránquelo con el botón Run. Abra todas las tablas existentes para poder ver los valores iniciales en estado estacionario así como los gráficos que muestran la evolución temporal de las variables con los correspondientes botones. 2. Modifique el valor de caudal de agua con el Set point del controlador FIC 001 según los valores propuestos en la tabla Anote los resultados observados en la tabla una vez el sistema llegue al estado estacionario (todas las variable se mantengan constantes). Tabla 2.1. Resultados de la variación del caudal de absorbente Caudal de absorbente (kg/h) [HCl] (fracción másica) Entrada gas Caudal (kg/h) [HCl] (ppmwt) Salida gas Caudal (kg/h) Recuperación HCl (%) by inprocess Página 11

12 COLUMNA ABSORCIÓN P2.2: Cuál es el caudal de agua requerido para eliminar el HCl hasta los límites permitidos por la hipotética legislación? Qué coste tiene? Pista: Utilice los resultados obtenidos en el ejercicio para tener una idea aproximada del caudal de agua necesario. Página by inprocess

13 COLUMNA ABSORCIÓN EJERCICIO 3. VARIACIÓN DE LA PRESIÓN EN LA CABEZA DE LA COLUMNA En el caso base, la columna opera a una presión de 1,5 bar en la parte superior. Como se ha explicado, existe una relación entre la presión de operación y la solubilidad de un soluto en un absorbente. El objetivo de este ejercicio es comprobar experimentalmente esta relación cambiando la presión a la que opera la columna. 1. Abra el caso base. Arránquelo con el botón Run. Abra todas las tablas existentes para poder ver los valores iniciales en estado estacionario. 2. Modifique el valor del SP del controlador FIC 001, que corresponde al caudal másico de agua, para que su nuevo punto de consigna sea el valor de base, kg/h. Deje que se estabilice el caso. 3. Modifique el valor de la presión en la cabeza de la columna (ver Figura 5) con el primer valor de la tabla siguiente cambiando el valor del Set Point (SP) del controlador de presión. 4. Espere una respuesta estable y anote la concentración de salida de HCl. 5. Repita los pasos 3 y 4 para la siguiente presión. Tabla 3.1. Resultados de la variación de la presión en la cabeza de la columna Caso [HCl] (fracción másica) Entrada gas Caudal (kg/h) [HCl] (ppmwt) Salida gas Caudal (kg/h) Recuperación HCl (%) Disminución P (1,45 bar) Caso Base (1,5 bar) Aumento P (1,55 bar) P3.1: Cómo ha afectado el aumento de presión a la eficacia de la columna? Por qué? 6. Dejad el valor de la presión que menor concentración de HCl haya dado. P3.2: Cuál es ahora el caudal de agua requerido para eliminar el HCl por debajo de las 500 ppm? Qué coste tiene? Qué ahorro económico supone trabajar a la nueva presión? 2016 by inprocess Página 13

14 COLUMNA ABSORCIÓN EJERCICIO 4. VARIACIÓN DEL NIVEL DE FONDO DE LA COLUMNA Se ha visto que en el caso base en estado estacionario los valores mostrados se mantienen invariables con el tiempo. Para realizar el siguiente escenario, se supone el hipotético caso de que el nivel de fondo de la columna haya aumentado o disminuido, y después se verá qué efectos conlleva este cambio respecto la concentración de HCl en la salida. 1. Abra el caso base. Arránquelo con el botón Run. Abra todas las tablas existentes para poder ver los valores iniciales en estado estacionario, así como los gráficos para seguir la evolución temporal de las variables. 2. Aumente el Set Point del controlador de nivel de la columna (ver Figura 5) hasta un 70%. P4.1: Qué ocurre en la concentración de HCl en la salida del gas nada más producirse al cambio? 3. Deje que el sistema llegue a un nuevo estado estacionario (el valor de la concentración de la salida debe quedar fijo e invariable) y anote el valor de la concentración de HCl a la salida en la tabla 4.1 más abajo. 4. Disminuya el Set Point del controlador de nivel de la columna (ver Figura 5) hasta un 30% y anote también el valor obtenido en estado estacionario. P4.2: Qué ocurre en la concentración de HCl en la salida del gas en este caso? Página by inprocess

15 COLUMNA ABSORCIÓN Tabla 4.1. Resultados de la variación del nivel de líquido en la columna Caso Aumento nivel (70%) Concentración (ppmwt) Caso base (50%) Disminución nivel (30%) P4.3: Qué se puede concluir sobre el efecto del cambio de nivel en la columna de absorción? 2016 by inprocess Página 15

16 COLUMNA ABSORCIÓN EJERCICIO 5. VARIACIÓN DE LA COMPOSICIÓN EN LA CORRIENTE DE ENTRADA DE GAS En el caso base, el caudal de gas contaminado que llegaba a la columna de absorción tenía una composición del 19% en HCl y 81% en aire. Para realizar este ejercicio, se provocará un cambio en la composición de entrada del gas para ver qué efectos tiene si el resto de variables de operación se mantienen constantes. Los cambios en la composición se deben llevar a cabo desplazando la Track Bar situada en la parte inferior de la tabla de composiciones de la corriente de entrada. 1. Abra el caso base. Arránquelo con el botón Run. Abra todas las tablas existentes para poder ver los valores iniciales en estado estacionario. P5.1: Antes de comenzar este estudio, responda a esta pregunta: si se tiene menos HCl en el gas de entrada y la misma cantidad de agua que en el caso base para la absorción, cree que la eficiencia en la absorción será mayor? 2. Modifique el valor de la composición de entrada hasta que la composición de HCl sea del 30% 3. Anote en la tabla siguiente los valores del caudal del gas de salida y la concentración de HCl en esta corriente una vez estos valores sean constantes. 4. Modifique el valor de la composición de entrada hasta que las composiciones del clorhídrico sea del 10%. 5. Anote en la tabla siguiente los valores del caudal del gas de salida y la concentración de HCl en esta corriente una vez éstos sean invariables. Calcule y anote también la recuperación de HCl y los kg de agua empleados por kg de HCl recuperado Tabla 5.1. Resultados de la variación de la composición en la corriente de entrada Composición gas entrada Caudal gas entrada (kg/h) [HCl] (ppmwt) Salida gas Caudal (kg/h) Recup. HCl (%) kg H2O / kg HCl rec. 10% HCl % HCl % HCl 1139 Página by inprocess

17 COLUMNA ABSORCIÓN P5.2: En qué caso de los tres anteriores se encuentra una mayor recuperación de HCl en la salida del gas, y por lo tanto una mejor eficiencia de absorción? 2016 by inprocess Página 17

18 COLUMNA ABSORCIÓN EJERCICIO 6. CAMBIO EN LAS TEMPERATURAS DE ENTRADA AL EQUIPO Como se ha visto en los casos anteriores, el caudal de gas que llegaba a la entrada de la columna lo hacía a 32º C. En este ejercicio se va a poder analizar qué efecto tiene la variación de las temperaturas de las corrientes de entrada, tanto en la de gas como en la de líquido. De antemano, se observa que hay mucha diferencia entre los caudales en la entrada de la columna, ya que el caudal de agua es unas 15 veces mayor al de gas. 1. Abra el caso base. Arránquelo con el botón Run o devuelva el caso a sus valores iniciales para el caso base. Complete todas la tabla existente para poder comparar los valores iniciales en estado estacionario. 2. Aumente la temperatura de la corriente de entrada del gas hasta los 38 ºC. 3. Rellene la siguiente tabla para observar los cambios. Tabla 6.1. Resultados del aumento de temperatura de la mezcla gaseosa Caudal aire (kg/h) Temp. Gas (C) SP Aéreo (C) [HCl] (ppmwt) Potencia Aéreo (kw) Consumo total ( /día) Temp. Salida líquido (C) Temp. Salida gas (C) P6.1: Qué ha ocurrido con la concentración de HCl en la salida del gas?.. 4. Devuelva la temperatura de la mezcla gaseosa a su valor en el caso base, 32 ºC. 5. Disminuya la temperatura del Set Point del aerorefrigerante hasta los 25º C. 6. Complete la siguiente tabla para observar los cambios. Página by inprocess

19 COLUMNA ABSORCIÓN Tabla 6.2. Resultados de la disminución de temperatura de la entrada de agua Caudal aire (kg/h) Temp. Gas (C) SP Aéreo (C) [HCl] (ppmwt) Potencia Aéreo (kw) Consumo total ( /día) Temp. Salida líquido (C) Temp. Salida gas (C) P6.2: Tiene el mismo efecto modificar la temperatura del agua en la entrada de la columna de absorción, que modificar la del gas? A qué cree que se debe que en un caso sí que afecte considerablemente y en el otro no? Observe la introducción inicial del Ejercicio 5. Como se ha podido comprobar, un pequeño cambio en la temperatura del agua en la entrada de la columna favorece la absorción del HCl en el agua. P6.3: Cuál es el caudal de agua requerido para eliminar el HCl hasta los límites permitidos por la hipotética legislación (menor de 500 ppm) con la nueva temperatura del agua? Como se ha comentado en la introducción del ejercicio, se tendría que realizar un balance entre las ventajas y las desventajas del último caso. La ventaja ya se ha visto que era la disminución del contaminante en la corriente gaseosa de salida, pero: P6.4: Qué desventaja ha provocado realizar este cambio de temperatura? Cómo se podría reducir esta desventaja? 2016 by inprocess Página 19