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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CÁLCULOS BÁSICOS 1

TEMA: OPERACIÓN UNITARIA DE ABSORCIÓN

TRABAJO GRUPAL

INTEGRANTES: JENNIFER NARANJO JUDITH RIVAS

TERCER SEMESTRE

DOCENTE: ING. ANDRÉS DE LA ROSA

QUITO-ECUADOR 2018

1. OBJETIVOS 1.1. Conocer el propósito principal de la operación unitaria de absorción. 1.2. Conocer la influencia de las variables en el proceso de absorción.

2. MARCO TEÓRICO 2.1 Explicación de la Operación Unitaria 2.1.1 Definición. – “La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla gaseosa se pone en contacto con un líquido, a fin de disolver de manera selectiva uno o más componentes del gas y de obtener una solución de éstos en el líquido.” (Treybal, 1980, pág. 306) Por ejemplo, el gas obtenido como subproducto en los hornos de coque, se lava con agua para eliminar el amoniaco; después se lava con un aceite para eliminar los vapores de benceno y de tolueno. Para que el molesto sulfuro de hidrógeno sea eliminado de un gas de este tipo o de hidrocarburos gaseosos naturales, el gas o los hidrocarburos se lavan con diferentes soluciones alcalinas que absorben a dicho sulfuro. (Treybal, 1980) Los valiosos vapores de un disolvente, acarreados por una corriente gaseosa pueden recuperarse y luego ser reutilizados; basta lavar el gas con un disolvente adecuado a los vapores. Estas operaciones requieren la transferencia de masa de una sustancia en la corriente gaseosa al líquido. Cuando la transferencia de masa sucede en la dirección opuesta, es decir, del líquido al gas, la operación se conoce como desorción. (Treybal, 1980) Generalmente, estas operaciones sólo se utilizan para la recuperación o eliminación del soluto. Una buena separación de solutos entre sí exige técnicas de destilación fraccionada.

2.1.2 Solubilidad de gases en líquidos en el equilibrio La rapidez con la cual se disolverá un componente gaseoso de una mezcla en un líquido absorbente depende de la desviación del equilibrio que existe; por lo tanto, es necesario considerar las características en el equilibrio de los sistemas gas-líquido. (Treybal, 1980) Sistemas de dos componentes Si cierta cantidad de un gas simple y un líquido relativamente no volátil se llevan al equilibrio, la concentración resultante del gas disuelto en el líquido recibe el nombre de solubilidad del gas a la temperatura y presiones predominantes. (Treybal, 1980)

Figura 1. Diagrama de solubilidad de gases en agua

Fuente: Treybal, R. (1980). Operaciones de Transferencia de Masa. Rhode Island: McGraw-Hill. A una temperatura dada, la solubilidad aumentará con la presión, como aumenta por ejemplo en la curva A, figura 8.1, que muestra la solubilidad de amoniaco en agua a 30 “C. Gases y líquidos diferentes presentan curvas de solubilidad distintas, las cuales en general se deben determinar experimentalmente para cada sistema. Si a una concentración dada de líquido la presión en el equilibrio es alta, como en el caso de la curva B (figura 8. l), se dice que el gas es relativamente insoluble en el líquido; por el contrario, si es baja como en la curva C, se dice que la solubilidad es elevada. Sin embargo, esto es meramente relativo, ya que es posible obtener cualquier concentración final del gas en el líquido si se aplica la presión suficiente, siempre y cuando la forma licuada del gas sea completamente soluble en el líquido. Soluciones líquidas ideales Cuando una fase líquida se puede considerar ideal, la presión parcial en el equilibrio de un gas en la solución puede ser calculada sin necesidad de determinaciones experimentales. Hay cuatro características significativas de las soluciones ideales; todas se relacionan entre sí: 1. Las fuerzas intermoleculares promedio de atracción y repulsión en la solución no cambian al mezclar los componentes. 2. El volumen de la solución varia linealmente con la composición. 3. No hay absorción ni evolución de calor al mezclar los componentes. Sin embargo, en el caso de gases que se disuelven en líquidos, este criterio no incluye el calor de condensación del gas al estado líquido. 4. La presión total de vapor de la solución varía linealmente con la composición expresada en fracción mol.

Elección del disolvente para la absorción considerando diferentes variables Si el propósito principal de la operación de absorción es producir una solución específica (como ocurre, por ejemplo, en la fabricación de ácido clorhídrico), el disolvente es especificado por la naturaleza del producto. Si el propósito principal es eliminar algún componente del gas, casi siempre existe la posibilidad de elección. Por supuesto, el agua es el disolvente más barato y más completo, pero debe darse considerable importancia a las siguientes propiedades: 1. Solubilidad del gas. La solubilidad del gas debe ser elevada, a fin de aumentar la rapidez de la absorción y disminuir la cantidad requerida de disolvente. En general, los disolventes de naturaleza química similar a la del soluto que se va a absorber proporcionan una buena solubilidad. 2. Volatilidad. El disolvente debe tener una presión baja de vapor, puesto que el gas saliente en una operación de absorción generalmente está saturado con el disolvente y en consecuencia, puede perderse una gran cantidad. 3. Corrosión. Los materiales de construcción que se necesitan para el equipo no deben ser raros o costosos. 4. Costo. El disolvente debe ser barato, de forma que las pérdidas no sean costosas, y debe obtenerse fácilmente. 5. Viscosidad. Se prefiere la viscosidad baja debido a la rapidez en la absorción, mejores características en la inundación de las torres de absorción, bajas caídas de presión en el bombeo y buenas características de transferencia de calor. 6. Misceláneos. Si es posible, el disolvente no debe ser tóxico, ni inflamable, debe ser estable químicamente y tener un punto bajo de congelamiento. Mecanismo de acción: El proceso de absorción que consiste en eliminar un componente de interés presente en una corriente gaseosa mediante la utilización de un disolvente líquido que arrastra consigo dicho compuesto de interés. Este proceso suele llevarse a cabo en contracorriente, es decir, introduciendo la corriente gaseosa por la parte inferior del recipiente, que ascenderá por diferencia de presión, y la corriente de disolvente líquido por la parte superior, que caerá por gravedad. Los dispositivos empleados para la absorción son denominados columnas de absorción, y para mejorar el contacto entre las fases líquida y gaseosa estos suelen contener platos o elementos de relleno en su interior, dependiendo del tipo de absorción. La absorción química se caracteriza por la presencia de reacción química entre el compuesto a eliminar y el disolvente empleado. Dependiendo del tipo de disolvente, de las condiciones de circulación de ambas fases y de la velocidad a la que se den tanto la transferencia de materia entre las fases como la reacción química, la columna de absorción adoptará un tipo y otro de configuración. Es necesario señalar que la reacción química existente suele ser de tipo reversible, por lo que será posible la posterior recuperación del disolvente empleado.

2.2 Equipos que utiliza la Operación Unitaria 2.2.1 Lavadores Venturi En estos aparatos, que son similares a eyectores, el gas se lleva hasta el cuello de un Venturi por una corriente de líquido absorbente atomizado en la sección convergente del dueto, como se muestra en la figura 6.26. El aparato se usa especialmente en los casos en que el líquido contiene un sólido suspendido que taparía el plato utilizado más comúnmente en las torres de platos y empacadas; se usa también cuando se requiere una caída de presión del gas más pequeña. Figura 2. Lavador Venturi

Fuente: Treybal, R. (1980). Operaciones de Transferencia de Masa. Rhode Island: McGraw-Hill. 2.2.2 Torres empacadas. - Las torres empacadas, utilizadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son columnas verticales que se han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande, como en la figura 6.27. El líquido se distribuye sobre éstos y escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas. Figura 3. Torre empacada

2.2.3 Torres de plato. - Las torres de platos son cilindros verticales en que el líquido y el gas se ponen en contacto en forma de pasos sobre platos o charolas, tal como lo muestra esquemáticamente la figura 6.8. para un tipo (platos de capucha). El líquido entra en la parte superior y fluye en forma descendente por gravedad. En el camino, fluye a través de cada plato y a través de un conducto, al plato inferior. El gas pasa hacia arriba, a través de orificios de un tipo u otro en el plato; entonces burbujea a través del líquido para formar una espuma, se separa de la espuma y pasa al plato superior. El efecto global es un contacto múltiple a contracorriente entre el gas y el líquido, aunque cada plato se caracteriza por el flujo transversal de los dos. Cada plato en la torre es una etapa, puesto que sobre el plato se ponen los fluidos en contacto íntimo, ocurre la difusión interfacial y los fluidos se separan. (Treybal, 1980, pág. 179) Figura 4. Torre de platos

Fuente: Treybal, R. (1980). Operaciones de Transferencia de Masa. Rhode Island: McGraw-Hill. 2.2.4 Tanques de agitación. - Los agitadores pueden producir intensidades de turbulencia muy elevadas, dichas intensidades no solo producen buenos coeficientes de transferencia de masa, sino que también son necesarios para obtener una dispersión efectiva de líquidos y gases. Velocidades elevadas para los líquidos, particularmente deseables cuando se tienen sólidos en suspensión, pueden obtenerse con facilidad. (Treybal, 1980, pág. 165)

Figura 5. Tanque de agitación

Fuente: Treybal, R. (1980). Operaciones de Transferencia de Masa. Rhode Island: McGraw-Hill. 2.2.5 Columnas de paredes mojadas. - Una película delgada de líquido que desciende por el interior de un tubo vertical, con el gas que fluye a contracorriente o a corriente paralela, constituye una torre de paredes mojadas. (Treybal, 1980, pág. 120) Figura 6. Columna de pared mojada

Fuente: Treybal, R. (1980). Operaciones de Transferencia de Masa. Rhode Island: McGraw-Hill.

Industrialmente se han utilizado como absorbedores para ácido clorhídrico, en donde la absorción va acompañada por una gran evolución de calor. En este caso, la torre de paredes mojadas está rodeada por agua fría que fluye rápidamente. Los aparatos de varios tubos también se han utilizado para la destilación, en aquellos casos en que la película del líquido se genera en la parte superior por condensación parcial del vapor. La caída de presión del gas en estas torres es probablemente menor que en cualquier otro aparato de contacto gas-líquido, para un conjunto dado de condiciones de operación. 3. EJERCICIO DE BALANCE DE MATERIA PARA LA OPERACIÓN UNITARIA Se requiere recuperar el 96% de amoniaco de un flujo de 1400m3/h de una mezcla aireamoniaco. Mediante un proceso de absorción con agua pura, operando a 1 atm de presión y 30ºC. El amoniaco tiene una presión parcial de 155 mmHg en la mezcla con el aire. Si se emplea una torre de absorción operando 1.2 veces el gasto mínimo del líquido. Calcule el gasto de agua requerido para la operación y la composición del amoniaco en la solución a la salida de la torre. Análisis del problema

L1*=1308.19𝒎𝟑 /𝒉 2 Componentes Agua

agua

xi 1

Mezcla aire-amoníaco

3

G2*= 1230.01𝒎𝟑 /𝒉

mi 1308.19

Componentes Aire NH3

xi 0.91 0.09

mi 1120.00 110.70

ABSORBEDOR

Componentes Agua NH3

4

xi 0.885 0.115

mi 1308.19 169.99

Componentes Aire NH3

xi 0.80 0.20

mi 1120.00 280.00

Mezcla aire-amoníaco

Mezcla agua-amoníaco

1 𝟑

L2*=1478.18𝒎 /𝒉

3

G1*= 1400𝑚 /ℎ

Balance general: L1* + G1* = L2* + G2* Balance en las corrientes de gases G1* = 𝑚(𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜) + 𝑚(𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜) × 𝑦1 G2* = 𝑚(𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜) + 𝑚(𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜) × 𝑦2

Balance en las corrientes de líquidos L1* =𝑀(𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜) + 𝑀(𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜) *(𝑥1 ) L2* = 𝑀(𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜) +𝑀(𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜) *(𝑥2 ) Primero, calcular la humedad en la corriente que entra de la mezcla aire-amoniaco, haciendo uso de la siguiente ecuación: 𝑦1 =

𝑃.𝑀(𝑁𝐻3 ) 𝑃.𝑀(𝑎𝑖𝑟𝑒)

𝑝̅

(𝑝 −𝑝̅ ) 𝑡

Donde: 𝑷. 𝑴(𝑵𝑯𝟑 ) =17g/mol

𝑦1 =0.15

𝑷. 𝑴(𝒂𝒊𝒓𝒆) =28.84g/mol ̅=155mmHg = 0.20atm 𝒑 𝒑𝒕 = 1atm Al obtener la humedad de la corriente 1, se podrá obtener la humedad de la corriente de salida de la misma mezcla de aire-amoniaco. 𝑦2 = 𝑦1 × (1 − 𝑛) Donde n será el valor de la eficiencia. El problema nos dice que la eficiencia es del 96% por lo que n= 0.96

𝑦2 =0.006

Ahora se procede a calcular la fracción de amoniaco en la corriente 1, utilizando la ecuación de Dalton. 𝑝̅ 𝑦(𝑁𝐻3 ) = ( ) 𝑝𝑡

𝑦(𝑁𝐻3 ) =0.20 Por lo tanto, la fracción volumétrica del aire será:

𝑦(𝑎𝑖𝑟𝑒) =1- 0.20 = 0.80

Ahora calcularemos el volumen de humedad, con la siguiente ecuación:

𝑣ℎ = 𝑣𝑎 + (

(𝑣𝑠−𝑣𝑎) 𝑦𝑠

) × 𝑦1

Utilizaremos la carta de humedad para determinar los valores del volumen de aire seco (va), volumen de saturación (vs) y la humedad de saturación (ys), a las condiciones dada es decir 1 atm y 30ºc. Donde: va=0.85 vs=0.90

𝑣ℎ =1.123

𝒚𝒔 =0.0275 𝑉

Luego calcular la masa de aire seco: 𝑚(𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜) = 𝑣

ℎ

Donde:

𝒎(𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒔𝒆𝒄𝒐) =997.33

V= 1120 𝑚3 /ℎ Ahora se calcula el flujo volumétrico para las corrientes líquidas: 𝒎(𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒔𝒆𝒄𝒐)×(𝒚𝟏 −𝒚𝟑 ) 𝑀(𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜) = 𝑥 1.2 𝑥4 Pero para esta ecuación nos hace falta 𝑥 4 (el valor de la fracción volumétrica de la corriente 4). Para determinar su valor, utilizaremos un diagrama entre aire-amoniaco y agua-amoniaco. Figura 8. Diagrama de equilibrio entre aire-amoniaco y agua-amoniaco

Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=e8XAHuRu_mE Donde: 𝑥 4 =0.13

𝑀(𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜) =1325.72𝑚3 /ℎ

Sólo nos faltaría un dato (la fracción volumétrica del amoniaco de la corriente 4), para aplicar las fórmulas de los balances y completar el diagrama del balance; 𝑥4 =

𝒎(𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒔𝒆𝒄𝒐)×(𝒚𝟏 −𝒚𝟑 ) 𝑥 1.2 𝑀(𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜)

𝑥 4 =0.115

Por último, aplicamos nuestros resultados en las ecuaciones de los balances: Calculo de la velocidad de flujo volumétrico de la corriente 4: L2* = 𝑀(𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜) +𝑀(𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜) *(𝑥4 ) L2* = 1325.72 + 135.72 * 0.115 = 1478.18𝒎𝟑 /𝒉 𝒇𝒍𝒖𝒋𝒐(𝒂𝒈𝒖𝒂) =0.885 x 1478.18 = 1308.19𝒎𝟑 /𝒉

Por lo tanto, el flujo de agua en la corriente 2 va a ser igual a la corriente 4, debido a que sólo en estas dos hay dicho componente. Teniendo 3 de las 4 corrientes despejamos L1* + G1* = L2* + G2* 1308.18𝒎𝟑 /𝒉 + 1400𝒎𝟑 /𝒉 = 1478.18𝒎𝟑 /𝒉 + G2* G2*= 1230.01𝒎𝟑 /𝒉 Como se conoce la velocidad volumétrica del aire en la corriente 1 por ende, va a ser la misma en la corriente 3. Teniendo el valor de la corriente y de la masa volumétrica de aire se calcula la fracción de este. y2* = 𝒎(𝑎𝑖𝑟𝑒) / G2* y2*= 0.91

Por ende, la fracción del amoniaco en la corriente 3 es: 1-0.91= 0.09

4. APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA OPERACIÓN UNITARIA 4.1 Explicar 3 aplicaciones 4.1.1. Aplicaciones generales  

 

Recuperación de productos de corrientes gaseosas con fines de producción Método de control de emisiones de contaminantes a la atmósfera, reteniendo las sustancias contaminantes (compuestos de azufre, compuestos clorados y fluorados, etc.) Eliminación de amoníaco a partir de una mezcla de amoníaco y aire por medio de agua líquida Eliminación de SO2 de gases de combustión con disoluciones acuosas de hidróxido de sodio (Castillo, 2011)

4.1.2. La absorción aplicada a la absorción de gases La absorción aplicada a la purificación de gases puede dividirse en tres tipos; dependiendo de la naturaleza de la interacción entre absorbato y el absorbente:  Absorción física: el compuesto absorbido es más soluble en el líquido que otros compuestos presentes en la corriente gaseosa y no reacciona químicamente con el absorbente. La concentración de equilibrio en la fase líquida depende fuertemente de la presión parcial del gas objetivo. Por lo que, no suele ser viable si la concentración del compuesto es muy baja en la fase gas. Un ejemplo de este tipo de absorciones es el proceso Selexol para absorber H2S y CO2 en polietilenglicol.  Reacciones reversibles: existe una reacción química entre el compuesto gaseoso objetivo y un compuesto de la fase líquida que es reversible en función de las condiciones de operación. El compuesto, por tanto, presentará una fracción en forma acuosa que tendrá una fracción en forma vapor será proporcional a la temperatura. Este tipo de reacciones es difícil de modelar por su naturaleza no lineal, pero permiten la regeneración del compuesto absorbente en una etapa de stripping o desorción mediante temperatura. Un ejemplo de este tipo de absorción es la absorción de CO2 en una solución de monoetanolamina (MEA).  Reacciones irreversibles: el compuesto absorbido reacciona con un componente de la fase líquida para formar un producto que no se descompone por acción de la temperatura. Un ejemplo de este caso es la absorción de H2S en soluciones de hierro para formar un fango de partículas de azufre. En líneas generales, la reacción química permite una mayor capacidad para disolver el soluto en la fase líquida. Según el régimen de reacción o su velocidad, se puede realizar otra clasificación:  Régimen de reacción lenta: la reacción ocurre en el seno de la fase líquida. En este tipo de reacciones no se observa una mejora sustancial en la transferencia del gas al líquido. Este régimen es indeseado para propósitos industriales si es el gas que se desea absorber el que presenta un comportamiento de absorción lento. En cambio, es el ideal para compuestos que no se desea absorber. En este caso, la resistencia en la fase gaseosa puede despreciarse y se puede suponer que la velocidad de reacción tiene un efecto predominante en la velocidad de reacción.  Régimen de reacción rápido: en muchos tipos de procesos de tratamiento de gases, la absorción está en el régimen rápido de reacción. El régimen rápido ocurre cuando no está en el régimen instantáneo pero la reacción ocurre en la película de líquido. Por lo que el factor de mejora de la reacción química es lejano a 1. La reacción que ocurre

entre el CO2 y las soluciones alcalinas acuosas suelen estar incluidas en este régimen de reacción, ya que no son extremadamente rápidas al ser un ácido de Lewis y necesitar un primer paso de hidratación antes de reaccionar con el álcali.  Régimen de reacción instantáneo: Este régimen es particularmente interesante para analizar la eliminación de H2S de corrientes de gases, ya que el H2S presenta reacciones virtualmente instantáneas de transferencia de protones en líquidos alcalinos. El factor de mejora de reacción es cercano a la unidad y la reacción ocurre en la película cercana la interfase gas-líquido. Durante este régimen de reacción, la resistencia en la fase líquida es mucho menor a la de la resistencia gaseosa. En el proyecto tratamos con una mezcla de gases que presentan un régimen de reacción instantáneo en el caso del H2S y HCl y un régimen de reacción rápido en el caso del CO2. Todas estas reacciones son reversibles en función de cómo se mueva el pH de la solución en la columna.

4.2 Realizar y explicar un diagrama de flujo de un proceso industrial en donde se muestre la Operación Unitaria.  Separación de H2S Cuando se trata un gas ácido que contiene H2S y se opera con una solución de NaOH como absorbente es necesario evaluar la mezcla entrante y su composición. Si el único gas presente en la corriente es H2S, no es necesario utilizar un diseño complejo y se puede escoger entre el diseño simple utilizando NaOH en exceso o un diseño en doble etapa que optimice el uso de NaOH. Generalmente, si existe un compuesto que se absorbe en simultáneo, se debe diseñar un proceso especial que sea selectivo. Entre los compuestos presentes usualmente están el CO2 o el NH3.

Figura 1: Configuración típica de un scrubber de un solo lazo. Cada uno de los sistemas siguientes están enfocados a ofrecer como ventaja una mayor simplicidad, producir un producto de mayor calidad (NaHS frente a Na2S ya que el primero tiene valor comercial), conseguir un menor consumo de NaOH en el proceso o ser un proceso más selectivo. (ARMIJOS, 2008) 5. CONCLUSIONES Se cumplieron los objetivos para este trabajo, ya que se logró estudiar e investigar sobre la operación unitaria de la absorción. Se logró llevar a cabo todas las indicaciones y temas dados por el ingeniero. Por el contrario, no se encontraron muchas aplicaciones explicitas sobre la absorción. Se observó que el tema a investigar no fue complejo y es muy necesario para diferentes procesos industriales. 6.

BIBLIOGRAFÍA

ARMIJOS. (2008). Absorción, distribución y eliminación de los fármacos. Castillo, Y. (2011). Absorcion fundamentos . Treybal, R. (1980). Operaciones de Transferencia de Masa. Rhode Island: McGraw-Hill.