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ABSORCION La absorción se define como el proceso donde ocurre una trasferencia de masa desde la fase gaseosa hasta la fase liquida uno o más de los componentes de una mezcla gaseosa pasa a un líquido en el que es soluble. El proceso inverso, donde ocurre la separación de uno de los componentes de una mezcla líquida por medio de un gas recibe el nombre de desorción. Absorción: G Desorción: L

L G

La absorción puede ser química o física, según exista o no interacción química entre el soluto y el absorbente. La absorción es reversible, comúnmente, lo que permite combinar en una misma planta procesos de absorción y desorción, con vistas a regenerar el absorbedor para reutilizarlo y poder recuperar el componente absorbido, muchas veces con elevada pureza. La absorción se utiliza con diferentes propósitos en la industria, tales como la separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa y la purificación de gases tecnológicos. Ejemplos donde se emplea como etapa principal un proceso de absorción están las de obtención de ácido sulfúrico (absorción de SO3), la fabricación de ácido clorhídrico, la producción de ácido nítrico (absorción de óxido de nitrógeno), procesos de absorción de NH3, CO2, H2S y otros gases industriales. La transferencia de masa de un proceso de absorción se realiza a través de la superficie de contacto entre las fases. La velocidad de la transferencia de masa depende directamente de esta superficie interfacial, por lo tanto, los equipos utilizados en tales operaciones deberán garantizar la dispersión de un fluido en el otro, estableciendo una superficie de contacto desarrollada, para posibilitar un contacto intenso entre las fases

Equipo Los aparatos utilizados para poner en contacto una corriente gaseosa con una liquida en forma continua puede ser una torre empacada, rellena con material de empaque solido regula o irregular, una columna de platos que contiene varios platos perforados o de burbuja y tapón, una torre o cámara vacía, donde se rocía el líquido, una columna de paredes húmedas o un recipiente con agitación o rocío. Por lo general, las corrientes de gas y líquido se hacen pasar a contracorriente a través del equipo para obtener la máxima velocidad de absorción

Procedimiento de Diseño Los tres pasos principales en el diseño de una torre de absorción o separación son: 1. Los datos de la relaciones de equilibrio vapor-liquido del sistema se utilizan para determinar : a) La cantidad de líquido necesario para absorber la cantidad requerida de los componentes solubles del gas, o b) La cantidad de gas necesario para separar la cantidad requerida de los componentes volátiles de un liquido 2. Los datos sobre la capacidad de manejo de vapor y liquido del equipo considerado se utilizan para determinar el área de sección transversal requerida y el diámetro del equipo a través del cual van a fluir las corrientes de gas y líquido. La consideración de los factores económicos incluidos muestran que es deseable fijar las velocidades de los fluidos muy por debajo de los valores máximos que se pueden utilizar. 3. Los datos de equilibrio y los balances de materia se utilizan para determinar el número de etapas de equilibrio (platos teóricos o unidades de transferencia) requeridas para la separación deseada. La dificultad de la separación depende del nivel de recuperación que sea más deseable desde el punto de vista económico. El tiempo de contacto requerido entre las corrientes que fluyen o la altura necesaria de la torre se pueden calcular si se cuenta con datos para la velocidad especifica de transferencia de materia entre las fases liquida y gaseosa, expresada en términos de eficiencia del plato o como altura de una unidad de transferencia.

EQUIPOS DE ABSORCIÓN Los equipos más corrientes en las operaciones de absorción son las torres rellenas y las columnas de platos, preferentemente las primeras, por presentar menor caída de presión. Las torres rellenas usadas como absorbedores no son equipos estandarizados, se diseñan con diámetros desde 20 hasta 600 cm y con 1 a 24 m de altura. En general, las torres muy altas son poco eficientes. Atendiendo al método de creación de la superficie de contacto desarrollada en las torres de absorción 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 específicos 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 película de líquido, que se escurre sobre una pared plana o cilíndrica. Los equipos de este tipo permiten realizar la extracción del calor liberado en la absorción. Los equipos más utilizados en la industria química son las torres rellenas y las de Burbujeo.

Selección del Equipo En la selección de un tipo de columna se consideran los siguientes criterios: Caída de presión de gas, retención del líquido, retención del líquido-gas, enfriamiento del líquido, corrientes laterales, sistemas espumantes, corrosión, presencia de sólidos, limpieza, fluctuaciones de temperatura, carga sobre la base y costos, entre otros. El diseño técnico del equipo de absorción de gas debe basarse en la aplicación adecuada de los principios de difusión, equilibrio y transferencia de masa. La finalidad del diseño del equipo es lograr un contacto íntimo del gas con el líquido, proporcionando un área grande de intercambio y reduciendo al mínimo la resistencia. Este contacto de fases se realiza en diferentes tipos de equipos, los más importantes de los cuales son las columnas de platos y las torres empacadas.

FUNDAMENTOS DE LA ABSORCIÓN Tal como se ha visto en la selección precedente, el diámetro de la torre empacada de absorción de las cantidades de gas y liquido tratadas, de sus propiedades, y de la relación de una corriente con otra. La altura de la torre, y por lo tanto el volumen total del empaque, depende de la magnitud de los cambios deseados en la concentración y de la velocidad de trasferencia de masa por unidad de volumen empacado. Por lo tanto, los cálculos de la altura de la torre se basan en balances de materia, balances de entalpia y en estimaciones de la fuerza impulsora y de los coeficientes de trasferencia de materia.

BALANCES DE MATERIA En una planta de contacto diferente, tal como la torre empacada de absorción que se ilustra en la figura 18.9 las variaciones de composición son continuas por un extremo a otro del equipo. Los balances de materia para la porción de la columna por encima de una selección arbitraria, tal como se representa con la línea de trazos discontinuos en la figura 18.9, son los siguientes: Balance total de material:

Para el componente A:

donde V es la velocidad del flujo ,olal de la fase gaseosa y L la de fase liquida en el mismo punto de la torre. Las concentraciones x y y correspondientes a las fases L Y V, Las ecuaciones de los balances globales de materia, con base en las corrientes extremas, son Balance total de material:

Para el componente A:

La relacion x y y en cualquier punto de la columna, que se obtiene reordenando la ecuancion(18.3), se llama ecuaciones de linea de operación

Transferencia de masa y sus aplicaciones

Es posible graficar la línea de operación sobre una gráfica aritmética a lo largo de la curva de equilibrio, tal como se muestra en la figura 18.10. La línea de operación debe estar por arriba de la línea de equilibrio para que la absorción.

Pág. 683 EJEMPLO 10.6-1 Absorción de SO2 en una torre de platos Se desea diseñar una torre de platos para absorber SO2 de una corriente de aire mediante agua pura a 293 K (68 “F). El gas de entrada contiene 20% de moles de SO2 y el de salida 2% de moles a una presión total de 101.3 kPa. El gasto del aire inerte es de 150 kg de aire/h* m2 y la velocidad de flujo del agua de entrada es 6000 kg de agua/h * m2. Suponiendo una eficiencia total de los platos de 25%, ¿cuántos platos teóricos y cuántos reales se necesitan? Suponga que la torre opera a 293 K (20 °C).

Solución Datos de equilibrio del sistema Xa 0 0.0000562 0.0001403 0.00028 0.000422 0.000564 0.000842 0.001403 0.001965 0.00279 0.0042 0.00698

Ya 0.000658 0.00079 0.00158 0.00421 0.00763 0.0112 0.01855 0.0342 0.0513 0.0775 0.121 0.212

Se calcula primero las velocidades molares de flujo

⁄

⁄

Despejando Xn con:

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

Yn+1 : 0.20 Y1: 0.02 X0: 0

(

)

( (

) )

( (

(

)

(

(

)

)

(

)

) )

Para graficar la línea de operación es necesario calcular varios puntos intermedios.

Para Yn+1: 0.07 y sustituyendo en la ecuación obtenemos:

(

) (

( )

( (

)

(

)

(

) ( (

)

)

) )

Trazado de la curva de equilibrio y ubicación de puntos encontrados de línea de operación. 0.24 0.22 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

De acuerdo a la gráfica se observa que el número de platos reales es de 2.4, por lo tanto el número de platos teóricos va a ser igual al número de platos reales entre el valor de la eficiencia de los mismos, que es de 25 %.