Universidad Nacional de Ingeniera Facultad de Ingeniera
Industrial y de Sistemas
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ABSORCIN Y DESORCIN DE GASES
Curso : Fsico Qumica y Operaciones UnitariasIntegrantes : Sime
Snchez, Diego Isaac (20132560H) Torres Eguilas, Bryan Robert
(20131019A) Vilca Vilca, Jimmy Roberto (20132587C) Profesor : Ing.
Carlos Chafloque Elas Lima, 16 de Junio del 2015
NDICE
1INTRODUCCIN22FUNDAMENTO TERICO32.1Absorcin de gases32.2Desorcin
de gases 32.2.1Clases de gases4 2.2.1 Desorcin Trmica4 2.2.2
Desorcin gaseosa52.3Definiciones basicas73EQUIPOS DE ABSORCIN Y
DESORCIN GASEOSA103.1Torres rellenas113.2Torres de absorcin de
platos133.3Otros equipos213.3.1Equipos de Absocin de
Pulverizacin213.3.2Columnas de paredes mojadas223.3.3Tanques con
agitacin mcanica234EQUIPO PROTOTIPO: TORRES DE
RELLENO245APLICACIONES INDUSTRIALES335.1Aplicaciones de la absocin
335.2Aplicaciones de la desorcin335.2.1Formas de realizacin de la
desorcin y su relacin con las variables345.2.2Factores que
favorecen el stripping356CASO ESPECIFIC: STRIPPING DEL
AMONIACO377CONCLUSIONES478REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS49
I. INTRODUCCIN
En el presente trabajo trataremos sobre las operaciones
unitarias de Absorcin y Desorcin de gases, el primero que es una
operacin unitaria de transferencia de materia que consiste en poner
un gas en contacto con un lquido, a fin de disolver de manera
selectiva uno o ms componentes del gas y obtener una solucin de
stos en el lquido y la segunda operacin que es de gran utilidad
para separar gases de lquido tratando de llegar a la mayor pureza
posible gas tanto como del lquido.
Analizaremos los diferentes equipos que se utilizan en los
laboratorios e industrias, estos equipos se destacan por presentar
las denominadas torres o columnas, que son recipientes cilndricos
esbeltos, en posicin vertical y en cuyo interior se incluyen
dispositivos como bandejas o lechos de relleno (anillos Rasching,
el ms utilizado). Generalmente, el gas y el lquido fluyen en
contracorriente por el interior de la torre, cuyos dispositivos
promueven el contacto entre las fases y el desarrollo de la
superficie de interfaz a travs de la cual se producir la
transferencia de materia.
Posteriormente se realizar un anlisis a un equipo prototipo, el
cul ser las denominadas torres de relleno, en este captulo se
describir los pasos para disear el equipo, las variables que se
utilizan, la descripcin de las partes del equipo, las ventajas y
desventajas que brinda las torres de relleno.
Por ltimo se hablar sobre las aplicaciones industriales que se
realizan mediante la operacin de absorcin y desorcin de gases,
haciendo nfasis en la aplicacin del stripping de amoniaco.
II. FUNDAMENTO TERICO
2.1 ABSORCIN DE GASESOperacin de transferencia de materia cuyo
objetivo es separar uno o ms componentes (el soluto) de una fase
gaseosa por medio de una fase lquida en la que los componentes a
eliminar son solubles (los restantes componentes son insolubles).
Se produce una transferencia de materia entre dos fases
inmiscibles.Ejemplo:
Eliminacin de amonaco a partir de una mezcla de amonaco y aire
por medio de agua lquida. Posteriormente se recupera el soluto del
lquido por destilacin u otra tcnica y el lquido absorbente se puede
desechar o reutilizar.
2.2 DESORCIN (STRIPPING)Es una operacin unitaria en la cual se
pone en contacto una corriente lquida con una corriente gaseosa,
con el fin de realizar la transferencia de uno de los componentes
de la corriente lquida a la corriente gaseosa. Por definicin la
desorcin es lo contrario a la adsorcin; la eliminacin de materia
desde un medio adsorbente, usualmente para recuperar material.
2.2.1 CLASES DE DESORCINExisten dos tipos de desorcin: trmica y
gaseosa, a continuacin explicaremos en forma breve de lo que trata
la desorcin trmica, ya que a lo largo de este informe
profundizaremos ms sobre la desorcin gaseosa.
2.2.1.1 DESORCIN TRMICA
La desorcin trmica elimina las sustancias qumicas dainas del
suelo y otros materiales, como lodo y sedimentos, utilizando calor
para transformar dichas sustancias qumicas en gases. Esos gases se
recolectan empleando un equipo especial. El polvo y las sustancias
qumicas dainas se separan de los gases y se eliminan con seguridad
y el suelo limpio se regresa al sitio. La desorcin trmica no es
igual a la incineracin, que se emplea para destruir las sustancia
qumicas. Es un tratamiento ex-situ que consiste en calentar el
suelo a temperaturas intermedias.Es usada para tratar la tierra
contaminada con desechos peligrosos calentndola a una temperatura
de entre 90C a 540C a fin de que los contaminantes con un punto de
ebullicin bajo se vaporicen (se conviertan en gases) y, por
consiguiente, se separen de la tierra. Los contaminantes
vaporizados se recogen y se tratan, generalmente con un sistema de
tratamiento de emisiones. La desorcin trmica emplea un equipo
denominado desorbedor para limpiar los suelos contaminados. El
desorbedor es similar a un horno grande (Quintero, 2009), que
cuando los suelos se calientan lo suficiente, las sustancias
qumicas dainas como compuestos voltiles o metales voltiles como el
mercurio (Hg) se evaporan a una temperatura de entre los 250 - 600
C (Milarium, 2008).
2.2.1.2 DESORCIN GASEOSA
La desorcin gaseosa es la operacin, inversa de la absorcin, en
la cual se produce la extraccin de la fraccin voltil de una
disolucin mediante el contacto del lquido con un gas; la
transferencia de masa ocurre desde el lquido al gas.
Es una operacin continua a la absorcin y en ella un gas disuelto
en un lquido es arrastrado por un gas inerte quedando eliminado del
lquido inicial. En algunas ocasiones la desorcin tambin se emplea
para determinar la destilacin sbita.
Entre los procesos industriales en los que se aplica la desorcin
estn el despojamiento (stripping) de fracciones del petrleo
(derivados), por medio de vapor recalentado que no se condensa en
el despojador.Existen tres procedimientos para realizar esta
operacin que son: Hacer pasar un gas inerte o vapor de agua por el
lquido Suministrar calor al absorbente lquido Disminuir la presin
sobre el lquidoEntre los requisitos que debe cumplir el agente de
despojamiento estn el de ser fcil de separar del gas y que no se
produzcan reacciones con peligro de envenenamiento.Los agentes
despojadores ms corrientes son el aire, el nitrgeno y el vapor de
agua.En muchos procesos industriales se combinan en una misma
instalacin las operaciones de absorcin y de desorcin, con el
objetivo de recuperar el disolvente. Por ejemplo en los sistemas de
absorcin que utilizan aminas, donde stas se regeneran (desorcin)
para su reutilizacin.XY
En la representacin grfica del proceso la curva de trabajo debe
caer por debajo de la lnea de equilibrio, puesto que y* > Y en
todo el intervalo normal de operacin.Normalmente, las operaciones
de absorcin, desabsorcin y rectificacin se realizan en las
denominadas torres o columnas, que son recipientes cilndricos
esbeltos, en posicin vertical y en cuyo interior se incluyen
dispositivos como bandejas o lechos de relleno. Generalmente, el
gas y el lquido fluyen en contracorriente por el interior de la
torre, cuyos dispositivos promueven el contacto entre las fases y
el desarrollo de la superficie interfacial a travs de la cual se
producir la transferencia de materia.
2.3 DEFINICIONES BSICAS
Cada de presin en una columna empacada: Carga e Inundacin.En
cualquier tipo de torre empacada funcionando en contracorriente,
con flujo de lquido constante y flujo de gas variable, la cada de
presin es proporcional a la raz cuadrada del flujo msico del gas.
En la fig. 1 se grafica el flujo de gas vs la cada de presin con el
flujo de lquido como parmetro.CargaBAInundacinLs L2Fig. 1CAIDA DE
PRESION vs VELOCIDAD DEL GASLog Q Flujo msico del gasLog r / z
Notar que el flujo constante del gas, un incremento en el lquido
va acompaado por un incremento en la cada de presin. De manera
semejante, a flujo constante de lquido, un incremento en el flujo
de gas, es tambin acompaado por aumento en la cada de presin hasta
que se alcanza la inundacin. La forma de la curvas de la fig. 1 es
idntica para todos los empaques y sistemas. Algunos investigadores
tratan tales curvas como dos distintas rectas, interpretando el
punto de cambio en pendiente como punto de carga.
En la fig. 1 se observa la existencia de tres zonas: (1) Zona
donde no se presenta interferencia entre gas y lquido, lo cual
ocurre a flujos bajos; (2) Zona de carga (interferencia media), a
flujos superiores; (3) Zona de inundacin (violenta interferencia),
a muy altos flujos.
Cada de presin con una sola fase circulante.Cuando solo en el
lecho, la cada de presin debido a un nico fluido que circula a
travs de un lecho de slidos empacados est razonablemente bien
correlacionada mediante la bien conocida ecuacin de Ergun, la cual
se puede aplicar con igual xito al flujo de gases y lquidos. Para
un tipo y tamao especfico de empaque, la mencionada ecuacin puede
simplificarse a:
Cada de presin con las dos fases circulantes.Para el flujo
simultneo de lquido y gas, correlaciones generalizadas de cada de
presin han sido publicadas por LEVA, ECKERT y un sinnmero de
fabricantes de empaque. Para este caso se debe usar la Fig.
2.InundacinFig. 2 Inundacin y cada de presin en torres con empaques
al azar.I X IY
Altura global de una unidad de transferencia de la fase lquida
(NTOT).La altura global de una unidad de transferencia de la fase
lquida, se puede calcular mediante:
Ecuacin desde la cual se puede calcular el coeficiente global de
transferencia de masa, de la fase lquida KLa, si se conociera la
altura global de una unidad de transferencia.
Altura individual de una unidad de transferencia de la fase gas
(HTG).Esta se puede evaluar, empleando algunas correlaciones, por
ejemplo la correlacin de FELLINGER:
Donde el nmero de Schmid (Sc) se debe utilizar solo cuando se
trabaje con sistemas distintos al aire amoniaco. Las constantes , ,
, dependen del tipo de relleno y de la velocidad del gas y del
lquido.El coeficiente individual de la fase gaseosa (kGa) se puede
calcular con la ecuacin:
Altura de una unidad de transferencia de la fase lquida
Vivian y Whitney sugirieron que:
Donde:
Nmero de unidades de transferencia de la fase lquida
(NTOT).Puesto que en desorcin el lquido es el fluido sometido a
proceso, es ms sencillo basar los clculos en la fase lquida. Una
razn adicional para ello es cuando la desorcin es un proceso
controlado por la fase lquida (es decir casi toda la resistencia a
la transferencia est en la fase lquida), por lo que los valores
globales (nmero y altura) de la unidad de transferencia referida a
la fase lquida son iguales a los individuales de la fase lquida.Por
definicin:
III. EQUIPOS DE ABSORCIN Y DESORCIN GASEOSA
Los equipos ms corrientes en las operaciones de absorcin y
desorcin son las torres rellenas y las columnas de platos,
preferentemente las primeras, por presentar menor cada de presin.
Las torres rellenas usadas como absorbedores no son equipos
estandarizados, se disean con dimetros desde 20 hasta 600 cm y con
1 a 24 m de altura. En general, las torres muy altas son poco
eficientes.Atendiendo al mtodo de creacin de la superficie de
contacto desarrollada en las torres de absorcin pueden clasificarse
del modo siguiente superficiales peliculares de relleno de burbujeo
(de platos) pulverizadores
Las superficiales son poco utilizadas debido a su baja
eficiencia y grandes dimensiones. Son especficos para gases muy
solubles en el absorbente como es el caso del HCl en agua.Las
peliculares son equipos en los cuales la superficie de contacto
entre las fases se establece en la superficie de la pelcula de
lquido, que se escurre sobre una pared plana o cilndrica. Los
equipos de este tipo permiten realizar la extraccin del calor
liberado en la absorcin.Los equipos ms utilizados en la industria
qumica son las torres rellenas y las de burbujeo.
3.1 TORRES RELLENAS
En las torres de relleno la operacin de transferencia de masa se
lleva a cabo de manera continua. La funcin principal del relleno
consiste en aumentar la superficie de contacto entre el lquido y el
vapor, aumentar la turbulencia y por tanto mejorar la eficacia. A
medida que aumenta el tamao del relleno disminuye la eficiencia de
la transferencia de materia y aumenta la prdida de carga, por tanto
para determinar el tamao ptimo de relleno habr que llegar a un
compromiso entre estos dos factores.La seleccin del material de
relleno se basa en criterios como resistencia a la corrosin,
resistencia mecnica, resistencia trmica y caractersticas de mojado.
Adems, es necesario disponer un distribuidor de lquido en la parte
superior de la columna para asegurar que el lquido moje de manera
uniforme todo el relleno y no se desplace hacia las paredes.Salida
del lquidoEntrada del Gas BSalida de GasesA + BEntrada de Liquida +
Gas ARellenoRelleno
Torre de relleno
Se tienen varios tipos de relleno:a. Rellenos Desordenados: Son
aquellos que se descargan simplemente dentro de la torre durante la
instalacin y se dejan caer al azar. Los rellenos irregulares ms
empleados en el presente son de fbrica, los tipos ms comunes son:
Los anillos Rasching son cilindros huecos, con una gama de dimetros
de entre y 4 pulgadas, o ms; pueden fabricarse de barros cermicos o
de porcelana, materiales tiles para el contacto con muchos lquidos,
excepto lcalis y cido fluorhdrico; es til excepto en atmsferas
fuertemente oxidantes, de metales y de plsticos Los anillos
metlicos de paredes finas ofrecen la ventaja de ser livianos. Los
rellenos en forma de silla de montar, tales como los Berl y los
Intalox, se encuentran en tamaos de a 3 pulgadas, hechos de base
cermico, aunque pueden fabricarse de con cualquier material que se
le da forma mediante estampado.b. Rellenos Ordenados:Estos pueden
ser del tipo: Rellenos Raschig, apilados al tresbolillo. Anillos
doble espiral. Rejas de madera. Grillas con orificios
vertederos.Ofrecen las ventajas de una ms baja cada de presin con
un mayor caudal de los fluidos, usualmente a expensa de un costo de
instalacin ms elevado.Tipos de Relleno
Cuerpos de relleno tpicos:a) montura Berlb) montura Intaloxc)
anillo Raschigd) anillo Pall
Caractersticas de los rellenos de columnas de absorcin:
Qumicamente inerte frente a los fluidos de la torre. Resistente
mecnicamente sin tener un peso excesivo. Tener pasos adecuados para
ambas corrientes sin excesiva retencin de lquido o cada de presin.
Proporcionar un buen contacto entre el lquido y el gas. Coste
razonable.
3.2 TORRES DE ABSORCIN DE PLATOS (TORRES DE BURBUJEO O
BORBOTEO)
En estos equipos, el gas burbujea dentro de una capa de lquido,
de modo que la superficie de contacto entre las fases es la
superficie de todas las burbujas formadas.Las torres de platos son
columnas dentro de las cuales estn instalados platos igualmente
espaciados. Los platos poseen perforaciones, a travs de las cuales
pueden ascender los vapores procedentes de los platillos
inferiores, lo que posibilita la interaccin gas-lquido.Segn sea el
diseo del plato, en lo que respecta a la configuracin del orificio
y a la existencia o no de tubos bajantes para el descenso de
lquido, las torres de platos se clasifican en: Platos con
sombrerete o campana (cazoleta) Platos cribados o perforados Platos
de vlvulas.Las caractersticas comunes de los diferentes tipos de
platos son el gran contacto entre las fases, la facilidad de
limpieza y la posibilidad de evacuacin del calor, evolucionado en
el proceso, con la introduccin de serpentines en el espacio
interplatos.
La figura muestra el esquema de una torre de platos, en la
misma, la transferencia de masa se efecta de forma escalonada, segn
asciende el gas de uno a otro plato a contracorriente con el flujo
de lquido, que se desplaza con una trayectoria con zigzag en el
interior de la torre.El elemento fundamental de los dos primeros
platos son las cazoletas, el gas burbujea en el lquido al salir de
las cazoletas. Las cazoletas se distribuyen de forma regular en el
plato, dejando una zona libre de las mismas en las proximidades de
los dos tubos de bajada. Cuando la separacin entre los tapacetes es
pequea, es mejor el contacto entre las fases.El tapacete de la
cazoleta puede ser semejante a una campana con agujeros o con
dientes puntiagudos.Las cazoletas con campana con agujeros tienen
un tubo central cuya altura debe ser mayor que la altura deseada
para la capa de lquido en el plato, con lo cual se garantiza que el
lquido se desplace solamente a travs de los tubos de bajada del
plato. Para asegurar que el gas burbujee en el lquido, es preciso
que las ranuras de la campana estn cubiertas por el lquido.
Las torres de platos con cazoletas pueden manipular gastos de
lquidos grandes y pequeos y resultan las ms eficientes en torres de
grandes dimensiones.La campana mostrada en la siguiente figura se
compone del tubo central, que est fijado en el agujero del plato,
la campana est unida al tubo central mediante un tornillo que
atraviesa un listn transversal soldado en el extremo superior del
tubo, o tambin puede estar soldada al tubo.Plato perforado
Plato de vlvulas
Plato de casquete de burbujeo
Los platos de vlvula son platos perforados cuyas aberturas para
el flujo de gas poseen un rea variable. Las perforaciones tienen
dimetro de 3 a 4 cm, si son circulares y estn cubiertas con
casquetes movibles, que se elevan a medida que aumenta el rgimen
del gas.
Los platos vlvula mantienen un equilibrio, acorde a la presin
del gas con relacin a la de la columna del lquido, a travs del
libre desplazamiento de la vlvula segn la altura de los fijadores o
retenedores, de forma tal que el recorrido va desde la altura
mayor, que deja pasar mayor cantidad de gases, hasta el cierre
completo.
MODELOS DE PLATOS (PLATO PERFORADO)
MODELOS DE PLATOS (PLATO DE CAPUCHA Y TIPOS DE CAPUCHA)
COLUMNAS DE CONTACTO DISCONTINUO
COLUMNA DE CONTACTO CONTINUO
FUNCIONAMIENTO DE UNA COLUMNA DE CONTACTO DISCONTINUO
COLUMNA DE ABSORCIN CONTACTO DISCONTINUO (LNEAS DE EQUILIBRIO Y
OPERACIN ETAPAS IDEALES)
Condiciones que favorecen a las columnas:
COLUMNAS DE RELLENOCOLUMNAS DE PLATOS
Columnas de pequeo dimetroCargas variables de lquido y/o
vapor
Medios corrosivosPresiones superiores a la atmosfrica
Bajas retenciones de lquido (si el material es trmicamente
inestable)
Bajas velocidades de lquido
Lquidos que forman espuma (debido a que en columnas de relleno
la agitacin es menor)
Gran nmero de etapas y/o dimetro
------------------------------------------Elevados tiempos de
residencia del lquido
------------------------------------------Posible ensuciamiento
(las columnas de platos son ms fciles de limpiar)
------------------------------------------Esfuerzos trmicos o
mecnicos (que pueden provocar la rotura del relleno)
3.3 OTROS EQUIPOS
3.3.1 EQUIPOS DE ABSORCIN DE PULVERIZACIN
En los absorbedores de pulverizacin (atomizacin), la superficie
de contacto entre las fases se crea por lapulverizacin del lquido
en la masa del gas en forma de gotas pequeas.
En la figura se muestra un absorbedor de pulverizacin, puede
observarse el cuerpo de la torre (1) y los inyectores de lquidos
(2) situados en la parte superior. Existen diferentes estructuras
para estos absorbedores, las ms corrientes son cmaras huecas en las
cualeslos fluidos se mueven a contracorriente.
Los ms recientes emplean un tubo de Venturi, en el cual los
fluidos se mueven en la misma direccin, con gran intensidad en la
formacin de burbujas, que luego se descomponen al descargar la
mezcla en una cmara.
Estos equipos tienen una construccin simple, pero sus gastos
operacionales son elevados debido al consumo grande de energa en la
pulverizacin del lquido. Son relativamente poco eficaces, se les
emplea solamente con gases que se disuelven bien.
El contacto gas-lquido es relativamente pequeo y se produce una
pequea cada de presin en la corriente gaseosa.
3.3.2 COLUMNAS DE PAREDES MOJADAS
Se analiza la absorcin del oxgeno del aire en una columna hmeda
con agua a la que que se ha quitado el oxgeno al burbujear
nitrgeno.
Este es un ejemplo de control de absorcin por film lquido. El
coeficiente de transferencia de masa se puede estudiar para varios
caudales de lquido.
3.3.3 TANQUES CON AGITACIN MECNICA
IV. EQUIPO PROTOTIPO: TORRES DE RELLENO
En la absorcin de gases se absorbe un gas, contenido en una
mezcla con otro gas inerte, mediante un lquido en el que el soluto
gaseoso es ms o menos soluble. Este proceso se utiliza cuandono es
posible la separacin por destilacin, por Ej.: Cuando las presiones
de vapor de los componentes son muy parecidas.Utilizamos la
absorcin gaseosa a travs de un lquido, en el cual uno de los
componentes gaseosos sea miscible. Este tiene que ser soluble en el
lquido.El aparato ms frecuentemente utilizado en la absorcin de
gases, y tambin en otras operaciones, es la torre de relleno,
provista de una (cmara) entrada y una cmara de distribucin de
lquido en la parte superior, salidas para el gas y el lquido en la
cima y en el fondo respectivamente, un lecho de partculas slidas
inertes que reciben el nombre de relleno.La solubilidad del gas en
el lquido es funcin de la naturaleza de ambos componentes,de la
temperatura, de la presin parcial del gas en la fase gaseosa y de
la concentracin del gas disuelto en el lquido.Al elevarse la
temperatura del sistema se verifica que el proceso va acompaado de
un desprendimiento de calor, la solubilidad del gas disminuir. Por
otra parte, la solubilidad aumenta con la presin parcial del gas,
siendo independiente de la presin total.
Otra definicin:En la absorcin de gases un vapor soluble se
absorbe desde su mezcla con un gas inerte por medio de un lquido en
el que el gas (soluto) es ms o menos soluble.Un aparato
frecuentemente utilizado en absorcin de gases y en algunas otras
operaciones de transferencia de materia es la columna o torre de
relleno. El dispositivo consiste en una columna cilndrica, o torre,
equipada con una entrada de gas y un espacio de distribucin en la
parte inferior; una entrada de lquido y un distribuidor en la parte
superior; salidas para el gas y el lquido por cabeza y cola,
respectivamente; y una masa soportada de cuerpos slidos inertes que
recibe el nombre de relleno de la torre. El soporte ha de tener una
gran fraccin de rea libre de forma que no se produzca inundacin en
el plato de soporte. La entrada del lquido, que puede ser
disolvente puro o una disolucin diluida del soluto en el
disolvente, y que recibe el nombre de lquido agotado, se distribuye
sobre la parte superior del relleno mediante un distribuidor y en
la operacin ideal, moja uniformemente la superficie del
relleno.
El gas que contiene el soluto, o gas rico, entra en el espacio
de distribucin situado debajo del relleno y asciende a travs de los
intersticios del relleno en contracorriente con el flujo de
lquidos. El relleno proporciona una gran rea de contacto ntimo
entre el lquido y el gas, favoreciendo as el contacto entre las
fases. El relleno permite que volmenes relativamente grandes del
lquido pasen a contracorriente con respecto al gas que fluye a
travs de las aberturas, con cadas de presin del gas relativamente
bajas. El soluto contenido en el gas rico es absorbido por el
lquido fresco que entra en la torre y el gas diluido o agotado
abandona la torre. El lquido se enriquece en soluto a medida que
desciende por la torre y el lquido concentrado sale por el fondo de
la torre.Etapas en el diseo
Las etapas en el diseo de una columna de relleno de absorcin,
pasa por los siguientes puntos o etapas:1) Seleccin del
disolvente.2) Obtencin de datos de equilibrio.3) Balance de
materias.4) Balance entlpico (excepto para absorcin isoterma).5)
Eleccin del relleno y clculo del dimetro de la columna.6) Clculo de
la altura de la columna.
En la absorcin de gas dependiendo del diseo se puede dar el caso
de que tan slo sirva un disolvente especfico, por el contrario
cuando es posible seleccionar entre unos cuantos se da preferencia
a los lquidos con altas solubilidades del soluto. La alta
solubilidad reduce la cantidad de disolvente a recircular. El
disolvente debe ser relativamente no voltil, econmico, no
corrosivo, estable, no viscoso, no espumante y de preferencia no
inflamable. Ya que, por lo general, el gas que sale est saturado
con disolvente, la prdida de ste puede ser costosa. Por lo tanto,
se pueden escoger disolventes de bajo costo entre los ms costosos
de elevada solubilidad o baja volatilidad. En la absorcin de gases,
la nueva fase consta del disolvente inerte no voltil (absorcin) o
el gas inerte no soluble (separacin) y por lo general no se
requiere reflujo.
Efecto de la PresinLas columnas de absorcin con frecuencia son
operadas bajo presin para incrementar la capacidad y elevar las
velocidades de transferencia de masa. La presin parcial de
equilibrio del soluto depende slo de la composicin del lquido y de
la temperatura, as que la fraccin mol de equilibrio en el gas vara
inversamente con la presin total.yA= PA / PSi las velocidades de
gas y lquido se mantienen constantes de modo que la lnea de
operacin no cambie hacia una presin mayor, se incrementa la fraccin
mol de la fuerza impulsora, tal como se muestra en la figura, y se
reduce el nmero de unidades de transferencia. A mayor presin, la
velocidad mnima del lquido es ms pequea, as que la lnea de operacin
podra cambiar para dar un producto ms rico, como se indica con la
lnea de trazos discontinuos en la figura, y alrededor del mismo
nmero de unidades de transferencia que antes.
Efectos de TemperaturaCuando una torre de absorcin se alimenta
con un gas rico, la temperatura de la torre vara en forma
apreciable desde el fondo hasta la parte superior de la misma. El
calor de absorcin del soluto aumenta la temperatura de la solucin,
mientras que la evaporacin del disolvente tiende a disminuir la
temperatura. Es comn que el efecto global es un aumento de
temperatura del lquido, pero a veces la temperatura pasa por un
mximo cerca del fondo de la columna. La forma del perfil de
temperatura depende de las velocidades de absorcin de los solutos,
de la evaporacin o condensacin del solvente y de la transferencia
de calor entre las fases. Cuando la temperatura del gas a la
entrada es similar a la de salida del lquido, y el gas que entra
est saturado, hay poco efecto en la evaporacin del solvente, y el
aumento de la temperatura del lquido es aproximadamente
proporcional a la cantidad de soluto absorbido. En este caso, la
lnea de equilibrio se curva gradualmente hacia arriba.Cuando un gas
rico se introduce como alimentacin en una torre de absorcin, la
temperatura vara a lo largo de la torre, y este gradiente de
temperatura afecta a la forma de la lnea de operacin equilibrio. La
velocidad de absorcin es grande a la entrada del gas, y el calor de
disolucin del componente absorbido puede ser suficiente para
provocar un aumento considerable de la temperatura del lquido.
Puesto que la presin parcial del componente absorbido aumenta con
la temperatura, la concentracin del vapor en equilibrio con un
lquido de una composicin definida aumenta tambin con esta, la lnea
de equilibrio puede cortar a la lnea de operacin, y en el fondo de
la torre el proceso se detiene.
Velocidad de Inundacin
Una torre que contiene un determinado relleno, regara con un
flujo definido de lquido, la velocidad del flujo del gas tiene un
lmite superior, que se conoce como "VELOCIDAD DE INUNDACIN. Esta
velocidad puede obtenerse a partir de la relacin entre la cada de
presin a travs del lecho de relleno y la velocidad del flujo del
gas; a partir del lquido retenido por el relleno.En una torre
empacada con cierto tipo y tamao de relleno y con un flujo conocido
de lquido, existe un lmite mximo para la velocidad del flujo de
gas, llamado velocidad de inundacin. La torre no puede operar con
una velocidad de gas superior a sta. A velocidades gaseosas bajas,
el lquido fluye hacia abajo a travs del empaque casi sin influencia
por el flujo ascendente de gas. A medida que se aumenta el gasto de
gas (cuando se trata de velocidades bajas), la cada de presin es
proporcional al gasto a la potencia 1.8. Al llegar al gasto de gas
llamado punto de carga, ste comienza a impedir el flujo descendente
de lquido y al mismo tiempo aparecen acumulaciones o piscinas
localizadas en el empaque. La cada de presin del gas comienza a
incrementarse a velocidades cada vez mayores; a medida que el gasto
del gas aumenta, la acumulacin o retencin de lquido tambin aumenta.
En el punto de inundacin el lquido ya no puede seguir fluyendo a
travs del empaque y sale expulsado con el gas. En la operacin real
de una torre, la velocidad del gas se mantiene por debajo del punto
de inundacin. Entonces la velocidad gaseosa econmica ptima se
aproxima a la mitad de la velocidad de inundacin. Esta velocidad
depende de un balance econmico entre el costo de la energa y los
costos fijos del equipo.
Balances de materiaTal como se ha visto, el dimetro de una torre
empacada de absorcin depende de las cantidades de gas y lquido
tratadas, de sus propiedades, y de la relacin de una corriente con
otra. La altura de la torre, y por tanto el volumen total del
empaque, depende de la magnitud de los cambios deseados en la
concentracin y de la velocidad de transferencia de masa por unidad
de volumen empacado. Por tanto, los clculos de la altura de la
torre se basan en balances de materia, balances de entalpa y en
estimaciones de la fuerza impulsora y de los coeficientes de
transferencia de materia.En una planta de contacto diferencial, tal
como la torre empacada de absorcin que se ilustra en la figura I,
las variaciones de composicin son continuas de un extremo a otro
del equipo. Los balances de materia para la porcin de la columna
por encima de una seccin arbitraria son los siguientes:DONDE:G:
Cantidad total de gas que pasa a travs de la torre.L: Cantidad
total de lquido que baja por la torre.G: Moles de gas que no se
difunde en la torre.L': Moles de lquido que no se difunde en la
torre.G; L: Son constantes a lo largo de la torre.y: Fraccin molar.
Y: Relacin molar. Pa: Presin parcial. x: Fraccin molar. X: Relacin
molar.
Parte Gaseosa
Parte Lquida
Haciendo un balance de material referido al componente a
separar, entre una seccin de la torre y la seccin inferior
tenemos.G = (Y(n-1) Y) = L`(Xn X)
Esta ltima, en el diagrama X-Y representa una lnea que pasa por
el punto (Xn; Yn+1) y tiene como pendiente L/G.Aplicando el mismo
balance entre la seccin anterior y la parte superior de la torre
tenemos:G = (Y1 Y) = L`(X0 X)
PLANTA DE ABSORCIN GASEOSA
V. APLICACIONES INDUSTRIALES
5.1 APLICACIONES DE LA ABSORCIN
Recuperar productos de corrientes gaseosas con fines de
produccin Produccin industrial de disoluciones cidas o bsicas en
agua (cidos clorhdrico, sulfrico y ntrico o hidrxido amnico).
Recuperacin de gases cidos como H2S, mercaptanos y CO2 con
disoluciones de aminas. Control de emisiones de contaminantes a la
atmsfera, reteniendo las sustancias contaminantes (compuestos de
azufre, clorados y fluorados) Eliminacin de SO2 de gases de
combustin con disoluciones acuosas de hidrxido de sodio. Eliminacin
de xidos de nitrgeno con disoluciones de agentes oxidantes.
5.2 APLICACIONES DEL STRIPPING O DESORCIN
El "stripping" o desorcin es un mtodo de tratamiento de aguas
empleable en el caso de que los compuestos a eliminar del agua
tengan tendencia a pasar a un gas. En el caso, y slo en el caso,
que se d esta condicin la tcnica del stripping es viable. El gas
puede ser cualquiera, siendo en tratamiento de aguas los ms comunes
vapor o aire.El stripping supone, por tanto, el trasvase de la
contaminacin de un medio (agua) a otro (gas). En una aplicacin
medioambiental slo tiene sentido cuando la eliminacin, o
desactivacin de su potencial contaminante, es ms fcil en la fase
gas que en el agua.Tecnolgicamente, el stripping no es ms que una
instalacin en la que se favorece el intercambio de compuestos entre
la fase lquida y la fase gas, de manera que la cintica del proceso
permita unas velocidades suficientes para la aplicacin prctica.
Ello se logra en columnas de stripping, en las que mediante un
relleno adecuado se maximiza la superficie de contacto entre lquido
y gas. El agua desciende por dicho relleno, mientras que el gas
circula en sentido contrario.Algunos ejemplos de la utilizacin de
stripping son: Stripping por aire para separar compuestos orgnicos
halogenados en potabilizacin de aguas o descontaminacin de aguas
subterrneas.
Stripping por vapor para separar compuestos poco voltiles y
solubles.
Stripping por aire caliente para separar compuestos muy
solubles, en los que el stripping por vapor no sea aplicable ya que
dichos compuestos no pueden separarse de la fase acuosa una vez
condensado el vapor. Tratamiento del aire del stripping, por
ejemplo, por oxidacin cataltica.
5.2.1 Formas de realizacin de la desorcin o stripping y su
relacin con las variables
Bsicamente, el stripping puede realizarse a temperatura y presin
ambiente o a diferentes temperaturas y presiones. Tambin puede
modificarse el gas del stripping, aunque normalmente se utiliza
aire o vapor.
Modificacin de la presin:El rendimiento del stripping se ve
favorecido por la disminucin de la presin. En general, el coste
energtico y de aparataje que supone trabajar a presiones reducidas
no compensa los beneficios obtenidos.Excepciones son por ejemplo
casos en los que existe vaco disponible, por ejemplo en tcnicas de
descontaminacin de suelos, cuando se trata simultneamente gases del
suelo aspirados y aguas subterrneas.
Modificacin de la temperatura:A temperatura ambiente,
normalmente slo se produce la desorcin de compuestos bastante
voltiles y a concentraciones reducidas. (Aproximadamente
volatilidad mayor a la del naftaleno)La temperatura se modifica
bien mediante la utilizacin de vapor en lugar de aire, o bien
mediante la utilizacin de aire caliente. En este caso, el aire debe
suministrarse Su presencia en la fase gas.
Un aumento del caudal del gas.
Stripping con aire caliente o vapor:El stripping con aire
caliente o vapor es una variante del saturado de humedad, para
evitar la evaporacin de agua y por tanto el enfriamiento del
sistema.La utilizacin de aire o vapor viene condicionada por la
temperatura de trabajo del sistema (a presin atmosfrica slo puede
trabajarse con vapor a temperaturas de 100 C), del coste del aire
caliente y/o vapor y de la gestin ulterior del gas y/o
condensados.
5.2.2 Parmetros que favorecen el Stripping
Un aumento de la temperatura favorece la desorcin de los
compuestos (aumenta la presin de vapor y por tanto su pase a la
fase gas).Una disminucin de la presin del sistema, ya que a la
misma presin del vapor de determinado compuesto, aumenta stripping
que aprovecha el aumento de la temperatura, para aumentar la presin
parcial del vapor y por tanto la volatilidad de la sustancia a
desorber.
Stripping al vapor con separacin de fases del residuo
orgnico
Este proceso presenta sus ventajas y desventajas:VENTAJAS:
Empleable para concentraciones mayores o compuestos menos voltiles.
Puede prescindirse del tratamiento posterior de gases, en el caso
de condensacin del vapor. El stripping por aire caliente puede ser
empleado tambin para compuestos solubles (no separables de la fase
acuosa en el caso del stripping por vapor. La energa para calentar
el aire puede obtenerse reaprovechando la energa residual de la
oxidacin cataltica del gas del stripping.
DESVENTAJAS: Mayor coste de inversin. Aumentan los problemas de
corrosin del material. Materiales plsticos pueden ser no
utilizables. En el caso del stripping por vapor, la fase orgnica
debe ser fcilmente extrable (al menos uno de los compuestos
significativos debe ser poco soluble, normalmente). En el caso del
vapor, elevado consumo de energa, o instalacin complicada y en el
caso de reutilizacin de la energa de condensacin. Aumentan los
problemas de formacin de espumas y la disminucin del rendimiento
asociada a ellas. Aumentan los problemas de precipitacin y de
atascamiento de los rellenos.
VI. CASO ESPECFICO: STRIPPING DEL AMONIACO
El stripping del amoniaco puede realizarse de 3 maneras
diferentes: Stripping con vapor y condensacin (con agua de
refrigeracin o bomba de calor) de ste para formar un concentrado de
20-25% p.p. NH3, utilizable para el tratamiento de gases en
incineradoras de residuos o centrales trmicas.
Stripping del amoniaco con aire caliente y absorcin del gas del
stripping en medio cido, para formar sales como sulfato amnico o
fosfato amnico. Utilizacin del sulfato amnico como abono
agrcola.
Stripping por aire caliente y oxidacin del gas del stripping,
por ejemplo oxidacin cataltica y proceso Denox para eliminar xidos
de nitrgeno (proceso AmonCat), a una temperatura de unos 300 C.
Proceso AmonOx
.
El mtodo ms apropiado vendr dado fundamentalmente por la
concentracin de amonaco, el caudal de la instalacin y la
posibilidad de comercializacin de las sales amnicas que se
produzcan.
PROCESO AmonOx
STRIPPING DEL AMONIACO Y LAVADO ACIDO
EXTRACCIN O DESORCIN DE AMONACO POR ARRASTRE CON
AIREDESCRIPCIN
La extraccin del amonaco por arrastre con aire es un proceso
simple de desorcin que se utiliza para reducir el contenido de
amonaco en una corriente de agua residual. Algunas aguas residuales
contienen grandes cantidades de amonaco y/o de compuestos de
nitrgeno que generan fcilmente nitrgeno amoniacal. A menudo es ms
fcil y menos costoso el remover el nitrgeno del agua residual en
forma de amonaco que el convertirlo a nitratos antes de su remocin
(Culp et al., 1978).
El amonaco (una base dbil) reacciona con el agua (un cido dbil)
para formar hidrxido de amonio. Para la extraccin del amonaco por
arrastre con aire se aade cal viva o soda custica hasta cuando el
agua residual llega a un pH de 10.8 a 11.5 unidades estndar,
logrndose la conversin de los iones de amonio a amonaco gaseoso
segn la siguiente reaccin(es):NH4+ + OH H2O + NH3
La Figura 1 ilustra dos variantes de torres de extraccin de
amonaco, las de flujo transversal y las de flujo a contracorriente.
En las torres de flujo transversal el gas de disolucin (el aire)
entra a travs de toda la capa de relleno y fluye por el material de
empaque a medida que el agua alcalina cae al fondo de la torre. En
las torres de flujo a contracorriente el aire entra a travs de
orificios en el fondo de la misma, mientras que el agua residual se
bombea a la parte superior de la torre para ser distribuda por el
material de empaque. A medida que las pequeas gotas de agua van
cayendo, el amonaco libre (NH3) es arrastrado de estas a la
corriente de aire y liberado a la atmsfera.
FIGURA 1: DOS VARIANTES DE TORRES DE EXTRACCIN POR ARRASTRE CON
AIRE
APLICABILIDADLa extraccin del amonaco por arrastre con aire es
efectiva para aguas residuales con concentraciones de amonaco entre
10 y 100 mg/l. Para un mayor contenido de amonaco (ms de 100 mg/l)
puede ser ms econmico el uso de tcnicas alternas de remocin tales
como la extraccin con vapor o los mtodos biolgicos. La extraccin
por arrastre con aire puede ser utilizada tambin para la remocin de
muchas molculas orgnicas hidrofbicas (Nutrient Control, 1983).
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Las siguientes ventajas y desventajas deben ser consideradas
cuando se compara la extraccin por arrastre con aire con otros
sistemas de remocin de amonaco.
Ventajas
La operacin es relativamente sencilla y no se ve afectada por la
fluctuacin del agua residual si el pH y la temperatura del aire se
mantienen estables. La extraccin de amonaco por arrastre con aire
es un procedimiento mecnico y no produce retrolavados o materiales
regenerados. La extraccin por arrastre con aire no se ve afectada
por compuestos txicos que puedan alterar el desempeo de un sistema
biolgico. La extraccin por arrastre con aire es un proceso
controlado para la remocin selectiva del amonaco.
Desventajas
El agua debe ser re-bombeada a la torre de extraccin. El bombeo
requiere un mayor mantenimiento y consumo de energa. La formacin de
incrustaciones puede ser removida hidrulicamente en la mayora de
los casos pero no en todos, lo cual requiere que se hagan estudios
piloto en la mayora de las localidades. La extraccin de amonaco por
arrastre con aire no puede hacerse en condiciones de helada (a
menos que se cuente con suficiente aire caliente). La niebla y la
deposicin de hielo tienen como resultado una reduccin significativa
en la remocin del amonaco. Mientras que el amonaco normalmente se
libera a la atmsfera a bajas concentraciones ( 6 mg/m3), esto puede
ser inaceptable en ciertas localidades debido a normas existentes o
problemas potenciales de la calidad del aire. La extraccin de
amonaco por arrastre con aire no remueve nitratos ni nitrgeno
orgnico. Problemas de contaminacin atmosfrica pueden resultar de la
reaccin entre el amonaco y el dixido de azufre. La extraccin por
arrastre con aire a menudo requiere la adicin de cal viva para
control del pH, lo cual puede causar problemas de operacin y
mantenimiento. El ruido puede ser problemtico. El pH elevado del
agua residual puede degradar las empaquetaduras de madera de la
torre de extraccin.
CRITERIOS DE DISEO
Los siguientes criterios deben ser considerados cuando se disea
un sistema de extraccin de amonaco por arrastre con aire. Las
condiciones ptimas se sealan en parntesis.
Carga hidrulica de agua residual (0.1 a 0.2 l/min/m3 o 1 a 2
gal/min/pie2). Tasa de flujo del aire de arrastre (32 a 54 l/min/m3
o 300 a 500 pie3/min/gal). Profundidad del relleno (6.1 a 7.6
metros o 20 a 25 pies). pH del agua residual (10.8 a 11.5).
Reduccin de la presin de aire (0.015 a 0.019 pulgadas de agua por
pie). Tipo de soplador de aire. Requerimientos del sitio y del
terreno. Material de empaque (plstico o madera). Espacio del
empaque (aproximadamente 5 cm o 2 pulgadas en direccin horizontal y
vertical). Temperatura del agua. Capacidad de la planta.
Concentracin de amonaco en el agua residual. Uniformidad en la
distribucin del agua. Remocin de incrustaciones y facilidad de
limpieza.
La introduccin de aire en el sistema es una diferencia principal
entre las dos variantes de torres de extraccin. En la torre de
flujo transversal el aire entra lateralmente, lo cual es mucho
menos eficiente que la torre de flujo a contracorriente en donde el
aire entra por el fondo.
DESEMPEO
La extraccin de amonaco por arrastre con aire depende altamente
de la temperatura del aire y de la razn aire/agua. La eficiencia se
reduce significativamente a medida que disminuye la temperatura del
aire. A 20C (68oF) se tiene una eficiencia de remocin del amonaco
del 90 al 95 por ciento, mientras que a 10C (50F) la eficiencia
disminuye al 75 por ciento.
OPERACIN Y MANTENIMIENTO (O/M)
Una programacin rutinaria de O/M debe ser desarrollada y
aplicada para cualquier sistema de extraccin del amonaco por
arrastre con aire. Actividades rutinarias de O/M incluyen:
Seguimiento de todas las recomendaciones del fabricante. Evaluacin
y calibracin de equipos. Mantenimiento de bombas y sopladores.
Inspeccin peridica de la torre para determinar deposicin de
incrustaciones. Mantenimiento de tasas apropiadas de flujo de aire
y agua. El ajuste apropiado del pH con cal requiere un manejo
cuidadoso de esta. Clarificacin del afluente antes de la extraccin
por arrastre con aire. Monitoreo y control de ruido de los equipos
de extraccin.La Tabla siguiente enumera las fuentes y soluciones a
problemas de ruido.
TABLA: FUENTES DE RUIDO Y SOLUCIONES A PROBLEMAS POTENCIALES
Fuente de ruidoPosible solucin
MotoresInstalacin apropiada, mantenimiento y aislamiento
VentiladoresReduccin de la velocidad de punta e instalacin de
silenciadores de escapes
Salpicado del aguaCobertor de agua para el relleno de la torre y
la entrada de aire
Fuente: Culp, et. al, 1978.
COSTOS
Los costos de la extraccin de amonaco por arrastre con aire
dependen del fabricante de los equipos, la ubicacin de la planta y
su capacidad, la concentracin de amonaco en el agua residual, el
caudal deseado, los tipos de sopladores, y la temperatura del agua
(esta ltima afecta el diseo, y por ello los costos). Las
comparaciones de costo son posibles para un grupo especfico de
criterios de diseo. Los costos de O/M incluyen la energa elctrica,
los materiales, los compuestos qumicos y los costos laborales.
CONCLUSIONES
Tanto la absorcin como la desorcin son operaciones unitarias muy
importantes a nivel industrial debido a la gran variedad de usos y
aplicaciones que tiene en las diversas actividades industriales,
sobre todo en la de purificacin ecolgica del agua de procesos, o en
el proceso de destilacin del petrleo, etc.
Segn lo visto en el desarrollo del equipo prototipo, el proceso
de alimentacin de la torre empaquetada de desorcin es generalmente
llevado a contracorriente, es decir la solucin liquida entra por la
parte superior de la torre, y el gas que absorber al elemento a
separar entrar por la parte inferior de la torre y as la solucin
viene de arriba a abajo y el gas se mueve de abajo a arriba,
absorbiendo o desorbiendo el gas deseado.
La forma y el tipo del relleno dependen del lquido y gas a
utilizar. Hay que recalcar que el relleno tiene como caracterstica
fundamental la no reactividad (son inertes).
Los anillos Rasching son los generadores de la cada de presin
que se observa durante un proceso con torres empacadas, ya que el
contacto con las sustancias las hace perder energa y esta energa
prdida es la generadora de la cada de presin; a su vez este tipo de
relleno es el ms usado comnmente en los procesos con torres
empacadas por su gran alcance de rea superficial y su precio
econmico.
En conclusin ambos procesos tanto el de absorcin como el de
desorcin, presentan variadas formas de uso; diferenciando estas por
las variables a medirse, las condiciones, los materiales a usarse y
los resultados a esperarse.
Tanto la absorcin como la desorcin son operaciones de
transferencia de materia cuyo objetivo es separar uno o ms
componentes de una fase con ayuda de otra fase, para la
transferencia de masa (la gradiente de concentracin) se toman en
cuenta las siguientes condiciones: Polaridad, densidad y
viscosidad.
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
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Video:1. https://www.youtube.com/watch?v=II37AQaXj2Q
Fisicoqumica y Operaciones Unitarias Pgina 2