ABSORCIÓN Y DESORCIÓN ISOTÉRMICA La Absorción consiste en poner un gas en contacto con un líquido, a fin de disolver de manera selectiva uno o mas componentes del gas y obtener una solución de éstos en el líquido. La Desorción es la operación inversa. Industrialmente se utiliza para: separación y purificación de corrientes de gas; eliminación de contaminantes inorgánicos solubles en agua de corrientes de aire; recuperación de productos valiosos y eliminación de impurezas en productos de reacción. 1
Equilibrio De la combinación las leyes de Dalton y Rault para soluciones ideales podemos obtener la dependencia de la fracción de cualquiera componente en el vapor en equilibrio en función de la concentración de ese mismo componente en la mezcla liquida. P P P A A = ya* PT = xa* P A ya = * xa = T K A * x Para sistemas que no se comportan idealmente tendremos otras expresiones o eventualmente obtendremos la información de equilibrio de otro forma. (tablas, correlaciones, gráficas, etc) A 2
ABSORCIÓN Y DESORCIÓN ISOTÉRMICA 3
PLATOS VS RELLENO 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 temperatura. Relleno 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 4
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Flujo de gas y líquido, composición Presión y temperatura de operación y caída de presión permisible Grado de separación deseada Selección del agente de separación Mínima cantidad de absorbente Efectos del calor Número de etapas de equilibrio 5
DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE ETAPAS PARA TORRES DE PLATOS Disponemos de varios métodos para determinar Np Método de McCabe-Thiele 6
DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE ETAPAS PARA TORRES DE PLATOS Método Analítico de Lewis Método de Kremser Balance Global L x 0 + V y N+1 =L x N + V y 1 Balance en etapa 1 L x 0 + V y 2 =L x 1 + V y 1 y 2 Equilibrio Etapa 1 y 1 =K x 1 Continuo hasta? 7
DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE ETAPAS PARA TORRES DE PLATOS Método de Kremser y 1 =m x 1 ccc m = ccccccccc Solución diluida, L/V= constante Relación de Operación Equilibrio Factor de Absorción Balance Global y N+1 = L V x N + y T L V x T y = m x A = L m V V (y B y T )=L (x B x T ) A económicamente optima = 1.25 y 2 GGGGG dd aaaaaaaaa = (y B y T ) y B m x T N = = AN+1 A A N+1 1 Ecuación de Kremser ln[ (y B m x T ) y T m x T 1 1 A + 1 A ] ln A 8
DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE ETAPAS PARA TORRES DE PLATOS Una vez que tenemos determinado Np necesitamos establecer un espaciado entre platos para determinar Z. Valores recomendados Diámetro, ft Espaciado entre platos, in 4 o menos 6 (min) 4-10 24 10-12 30 12-24 36 La altura total de la torre no es sólo la altura de platos Plano 9
DETERMINACIÓN DE LA ALTURA PARA TORRES EMPACADAS Ecuación General de diseño G, y T L, x T d GG = d LL = N A dd da =a Sdz a = área interfacial por unidad de volumen de empaque dz d(gy) d(lx) Z D dz d(gy) = K y a y y S dd yy d(gg) = K y a y y S dd yt Gy Lx H G K y aa dd (y y) N z = dd 0 Para soluciones diluidas y contradifusión equimolar G, y B L, x B B G dd K y aa (1 y)(y y) T z = dd 0 Para soluciones Concentradas 10
DETERMINACIÓN DE LA ALTURA PARA TORRES EMPACADAS N= Es el número de unidad de transferencia y expresa la dificultad para lograr la separación. Aumenta con el aumento de la separación deseada y disminuye con el aumento de la fuerza impulsora. N OG =1 cuando el y=(y-y*) prom H= es la altura de una unidad de transferencia, o sea la altura de relleno necesario para producir la separación de una unidad de transferencia. Depende del sistema, del relleno y de los caudales. Cuanto más eficiente es el relleno menor es su valor. 11
DETERMINACIÓN DE LA ALTURA PARA TORRES EMPACADAS z = H G N G = H OG N OG = H L N L = H OL N OL =HETP*N P 1. Integración directa 2. Integración gráfica 3. Integración numérica 4. Método de Baker 5. Método de Colburn 12
DETERMINACIÓN DE LA ALTURA PARA TORRES EMPACADAS 1. Integración directa y = mm + r y = L/G(x x 2 ) + y 2 y y = q x + s N OO = y 1 y 2 dd (y y ) = L G x 1 dd = L x qq + s G q ln y y 1 y y 2 2 N OO = y 1 y 2 y y mmm 13
DETERMINACIÓN DE LA ALTURA PARA TORRES EMPACADAS 2. Integración Gráfica y 1 dd N OO = (y y ) y 2 14
DETERMINACIÓN DE LA ALTURA PARA TORRES EMPACADAS 3. Integración Numérica N OO = y y y pppp Se aplica algún método numérico como por ejemplo la regla de Simpson 15
DETERMINACIÓN DE LA ALTURA PARA TORRES EMPACADAS 4. Método de Baker A partir de la definición de que N OG =1 cuando y=(y-y*) prom, un procedimiento gráfico simple es el propuesto por Baker que se basa en el uso de un promedio aritmético de las fuerzas impulsoras y la suposición de que, en la longitud de una unidad de transferencia, tanto la línea de operación como la de equilibrio son escencialmente rectas. Se localiza una línea de construcción AB a la mitad (en sentido vertical) entre la línea de operación y la de equilibrio. Comenzando en el punto F se traza una línea horizontal hasta la línea central (ÁB) en el punto G y se prolonga a una distancia igual a FG después de H. Desde H, se traza una línea vertical hasta M en la línea de operación. FHM es una unidad de transferencia, puesto que genera un cambio de la composición de la fase gaseosa de y M - y F, que es igual a la fuerza impulsora promedio KP. El procedimiento se continúa de manera que MN = NO, etc. 16
DETERMINACIÓN DE LA ALTURA PARA TORRES EMPACADAS 5. Método de Colburn Cuando se cumple la Ley de Henry y = mm + r y la curva de operación es recta y = L/G(x x B ) + y B L y se introduce el Factor de absorción A = m G Se obtiene la expresión N OO = ln[ (y B m x T ) y T m x T 1 1 A + 1 A ] 1 1 A Comparación entre Kremser y Colburn 17
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Aún nos falta determinar la altura de la unidad de transferencia Tenemos diversas formas de definir la altura de una unidad de transferencia (H). Todas estas definiciones requieren conocer la velocidad de transferencia de masa. En general, no es posible predecir de manera teórica los coeficientes de transferencia de masa para torres empacadas. Los datos para alturas de unidades de transferencia en cualquier fase existen típicamente para sistemas específicos en los que la resistencia a la transferencia de masa está predominante en una fase. ALTURA EQUIVALENTE DE PLATO TEÓRICO (HETP) Es la altura de relleno necesaria para producir un cambio de concentraciones igual al de un plato teórico (Np). N OO N P = HHHH H OO ln A = 1 1 A 19
Absorción no isotérmica En algunos procesos de absorción, especialmente en aquellos donde hay reacción química, hay liberación de calor, lo cual se traduce en un incremento de la temperatura del líquido, con la consecuencia de un desplazamiento adverso de la curva de equilibrio (disminuye la solubilidad). Ell método simplificado asume que el calor de disolución solo afecta la temperatura del liquido y no hay vaporización del solvente. G j, y j G j+1, y j+1 Etapa j @T j, y*=f(t j ) L j-1, x j-1 Balance de Masa (Etapa j) L j-1 x j-1 +G j+1 y j+1 =L j x j +G j y j L s (X j-1 -X j )=G s (Y j+1 -Y j )=N A Propongo: c G despreciable frente a c L c L c Ls T j = T j-1 + (X j-1 -X j ) q abs /c Ls Balance de Energía (Etapa j) N A q abs = L s c Ls (T j-1 -T j ) (X j-1 -X j ) q abs = c Ls (T j -T j-1 ) 20
Absorción no isotérmica 21