Tema 4 psia

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental
TEMA 4. Absorción de gases
1. Introducción
2. Diseño de una columna de relleno
2.1 Cálculo de la altura de relleno
2.1.1 Punto de vista macroscópico
2.1.2 Punto de vista microscópico
2.2 Otros elementos de diseño
3. Otros equipos de absorción
Tema 4. Absorción de gases

1. INTRODUCCIÓN
Absorción de gases: operación de transferencia de
materia cuyo objetivo es separar uno o más
componentes (el soluto) de una fase gaseosa por
medio de una fase líquida en la que los componentes
a eliminar son solubles (los restantes componentes
son insolubles). Se produce una transferencia de
materia entre dos fases inmiscibles.
A
Fase Y Fase X
z
xA
yA
yA
yAi
xAi
xA
Interfase
A veces un soluto se recupera de un líquido poniendo
éste en contacto con un gas inerte. Tal operación, que
es inversa de la absorción, recibe el nombre de
desorción de gases, desabsorción o stripping.
Ejemplo: eliminación de amoníaco a partir de una
mezcla de amoníaco y aire por medio de agua líquida.
Posteriormente se recupera el soluto del líquido por
destilación u otra técnica y el líquido absorbente se
puede desechar o reutilizar.

1. INTRODUCCIÓN (cont.)
Aplicaciones de la absorción:
Recuperar productos de corrientes gaseosas con
fines de producción
Control de emisiones de contaminantes a la atmósfera,
reteniendo las sustancias contaminantes (compuestos
de azufre, clorados y fluorados)
Recuperación de gases ácidos como H2S,
mercaptanos y CO2 con disoluciones de aminas
Producción industrial de disoluciones ácidas o
básicas en agua (ácidos clorhídrico, sulfúrico y
nítrico o hidróxido amónico)
Eliminación de SO2 de gases de combustión con
disoluciones acuosas de hidróxido de sodio
Eliminación de óxidos de nitrógeno con
disoluciones de agentes oxidantes

Equipos en los que se produce la absorción/desorción
de gases
Columnas de relleno
Columnas de platos

Columnas de relleno
Entrada
de gas
Salida
de gas
Entrada
de
líquido
Salida de
líquido
Relleno

Cuerpos de relleno típicos: a) montura Berl; b) montura
Intalox; c) anillo Raschig; d) anillo Pall
Distribución del relleno:
1. Al azar: tamaño < 3 pulgadas (2,54 cm) (< 1” se usan
en laboratorio o planta piloto)
2. Ordenados: entre 2 y 8 pulgadas
Columnas de relleno
a b c d

Características de los rellenos de columnas de absorción:
1. Químicamente inerte frente a los fluidos de la torre.
2. Resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo.
3. Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin
excesiva retención de líquido o caída de presión.
4. Proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas.
5. Coste razonable.
Materiales:
 Baratos, inertes y ligeros: Arcilla, porcelana, plásticos,
acero, aluminio.
 Unidades de relleno huecas, que garantizan la
porosidad del lecho y el paso de los fluidos.
Columnas de relleno

2. DISEÑO DE UNA COLUMNA DE RELLENO
Objetivo del diseño
conseguir el máximo de transferencia de componentes
con el mínimo consumo de energía y de tamaño de
columna, es decir, con el mínimo coste.
Diseñar una
columna de
absorción
Calcular la altura del relleno
necesarios para lograr la
separación deseada
Datos de diseño que son conocidos normalmente:
Condiciones de operación de la columna: PT y T
Composición de las corrientes de entrada
Composición del gas a la salida (fin perseguido)
Circulación en contracorriente
Diámetro de la columna
Caudales de las dos fases
Tipo de relleno.
Otros parámetros de diseño:

2. DISEÑO DE UNA COLUMNA DE RELLENO (cont.)
Entrada
de gas
Salida
de gas
Entrada de
líquido
Salida de
líquido
Relleno
Caudal volumétrico
composición
Caudal volumétrico
Composición: objetivo
Caudal volumétrico
composición
Caudal volumétrico
¿Composición?

2. DISEÑO DE UNA COLUMNA DE RELLENO (cont.)
S
L
L = L (1-x) =
1+X
S
G
G = G (1-y) =
1+Y
⇒
X x
x = X =
1+X 1-x
⇒
T T
Y P y P
y = = Y = =
1+Y P 1-y P -P
P1
Y1
y1
G1
G2
P2
Y2
y2
X1
x1
L1
L2
X2
x2
PT
T
Ls Gs
1
2
L y G: caudales de líquido y
gas (mol/s m2
)
x e y: fracciones molares de
líquido y gas
LS (mol C/s m2
)
GS (mol B/s m2
)
Y (mol A/mol B)
X (mol A/mol C)
Se va a estudiar el caso de absorción, en estado estacionario, de un
soluto A desde una mezcla gaseosa con B mediante un absorbente
líquido C
Ecuaciones de transformación

Altura de relleno
Punto de vista macroscópico: Consiste en determinar el
número de etapas o pisos teóricos, NPT, y disponer de la
altura equivalente a un piso teórico, AEPT.
h = NPT · AEPT
Punto de vista microscópico: Conjugar Balances de
materia y energía con la expresiones cinéticas de
densidades de flujo. En caso de absorción isoterma no hay
que considerar el balance de energía
P1
Y1
y1
G1
G2
P2
Y2
y2
X1
x1
L1
L2
X2
x2
PT
T
Ls Gs
1
2

P1
Y1
P2
Y2
X1
X2
PT
T
Ls Gs
S 1 S 2 S 2 S 1G ·Y + L ·X = G ·Y + L ·X
Balance de materia (soluto, A)
 
 ÷
 
S S
1 2 2 1
S S
L L
Y = Y - ·X + ·X
G G
1
2

Una vez fijada la recta de operación en el diagrama X-Y (LS,óptimo
varía entre 1,2 y 1,5 veces el valor de LS,mínimo) el cálculo del
número de etapas o pisos teórico, NPT, para la separación
deseada es inmediato.

Balance de materia (A)
( ) ( )S S S SL ·X + G ·Y = L · X + dX + G · Y + dY
S SL ·dX = G ·dY−
( )' S SA A
A
L ·dX G ·dYdF dF
N = = = = = k·a ·FI
dV S·dh dh dh
−
( ) ( )
S SL G
dh= ·dX= ·dY
k·a ·FI k·a ·FI
−

( ) ( )
S SL G
dh= ·dX= ·dY
k·a ·FI k·a ·FI
−
Caso 1: Coeficiente global volumétrico de la fase gaseosa y la
fuerza impulsora en relaciones molares
( ) ( )
2 1
1 2
Y Yh
S S
Y Y
Y Y0 Y Y
G G dY
h= dh= ·dY · AUT ·NUT
K ·a · Y Ye K ·a Y
  −
 = = 
− ∆    
∫ ∫ ∫
Para disoluciones diluidas
(coeficiente global volumétrico
constante) se suele cumplir que la
relación de equilibrio es lineal
( ) 1 2
1 2
d Y Y Y
cte.
dY Y Y
∆ ∆ − ∆
= =
−
( )1 1
2 2
Y Y
S S S1 2 1 2
1 2Y Y 1 2 YY Y
1
2
dΔYG G GY Y Y YdY
h= · · ·
ΔY ΔYK ·a Y K ·aΔY ΔY Y K ·a
Y
ln
Y
∆
∆
− −
= =
−∆ − ∆
 ∆
 ÷
∆ 
∫ ∫
S 1 2
Y ml
G Y Y
h= ·
K ·aΔY
−

S 1 2
Y ml
G Y Y
h= ·
K ·aΔY
−
Caso 2: Coeficiente global volumétrico de la fase líquida y la
fuerza impulsora en relaciones molares. Para
disoluciones diluidas:
( )1 1
2 2
X X
S S 1 2
X X 1 2X X
dΔXL L X XdX
h= · ·
K ·a X K ·aΔX ΔX X
∆
∆
−
=
∆ − ∆∫ ∫
S 1 2
1 2X
1
2
L X X
h= ·
ΔX ΔXK ·a
X
ln
X
−
−
 ∆
 ÷
∆ 
S 1 2
X ml
L X X
h ·
K ·aΔX
−
=

2.2 Otros elementos de diseño
2.2.1 Caudal volumétrico de líquido
2.2.2 Caudal de gas
Se define el caudal de mojado como el cociente entre el
caudal volumétrico y el perímetro del relleno; y debe ser
siempre superior a un cierto valor. El caudal mínimo de
mojado para la mayoría de los rellenos vale 0,08 m3
/(h·m) y
el caudal máximo de mojado suele ser de unos 0,7 m3
/(h·m)
2.2.3 Diámetro de la columna
La velocidad del gas a la cual se produce el anegamiento se
llama velocidad de inundación. Generalmente se opera a la
mitad de la velocidad de inundación
El diámetro de la columna es el segundo parámetro de
diseño (el primero es la altura) y su cálculo se realiza a partir
de consideraciones fluidodinámicas, es decir, a partir de los
datos de caudales de circulación del gas y del líquido.

3 OTROS EQUIPOS DE ABSORCIÓN
3.1 Columnas de platos

3.1 Columnas de platos
Condiciones que favorecen a las columnas de relleno:
1.Columnas de pequeño diámetro
2.Medios corrosivos
3.Bajas retenciones de líquido (si el material es térmicamente
inestable)
4.Líquidos que forman espuma (debido a que en columnas de relleno
la agitación es menor)
Condiciones que favorecen a las columnas de platos:
1.Cargas variables de líquido y/o vapor
2.Presiones superiores a la atmosférica
3.Bajas velocidades de líquido
4.Gran número de etapas y/o diámetro
5.Elevados tiempos de residencia del líquido
6.Posible ensuciamiento (las columnas de platos son más fáciles de
limpiar)
7.Esfuerzos térmicos o mecánicos (que pueden provocar la rotura del
relleno)

3.2 Columnas de paredes mojadas

ANEXO: Esquema para la resolución de problemas de absorción
( )
1
2
Y
S
Y Y
Y Y
G dY
h=AUT ·NUT ·
K ·a Y Ye
  
 =  
−    
∫
Caso general: integración gráfica o numérica (problema 1)
(si controla la fase
gaseosa)
( )
1
2
X
S
X X
X eX
L dX
h=AUT ·NUT = ·
K ·a X - X
  
  
    
∫
(si controla la fase
líquida)
La línea de equilibrio es recta: no hay que usar gráfica
(Problema 5 de la relación)
S 1 2
Y ml
G Y Y
h= ·
K ·aΔY
− S 1 2
X ml
L X X
h ·
K ·aΔX
−
=
(controla la fase
gaseosa)
(controla la fase líquida)
Caso habitual: sustituir NUT por NPT (problemas restantes)
1. Representar la curva de equilibrio Y-X a partir de los datos
2. Calcular Y1, Y2 y X2 (razones molares) y representarlos; calcular Ls y Gs
(caudales de inerte)
3. Partiendo de Y1, localizar el corte con la curva de equilibrio; en
abscisas se lee X1,max
4. Usar el BM(soluto) para determinar (Ls/Gs)min y, con el caudal de Ls
superior al mínimo, (Ls/Gs)min y X1. Representar X1 y situar el punto de
corte con la línea de equilibrio
5. Trazar la línea de operación uniendo (X2,Y2) y (X1, Y1)
6. Determinar NPT y h

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