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Absorción y decapado de mezclas diluidas
La absorción se suele utilizar para separar mezclas de gases, eliminar impurezas,
contaminantes como venenos catalíticos de gases y recuperar productos
químicos valiosos. Por esta razón las especies de interés de la mezcla de gases
pueden ser solo los componentes no transferidos, o los componentes
transferidos. Le podemos llamar solutos a las especies transferidas al liquido
absorbente, en la desorción, se contacta con una mezcla liquida con un gas para
poder eliminar los componentes selectivamente mediante transferencia de masa
de la fase liquida a la gaseosa, esta nos permite la regeneración y el reciclaje del
absorbente, este contiene especies presentes en el vapor cuando entra en el
absorbedor, cuando se usa agua como absorbente es común separar el
absorbente del soluto por destilación en lugar de por extracción, cuando
utilizamos la extracción de bioproductos del caldo es atractivo cuando este
contiene una pequeña concentración de bioproductos que son más volátiles que
el agua.
Ejemplo industrial
En la operación de la Figura 6.1, que se acompaña de mediciones de la planta, el
gas de alimentacion, que contiene aire, agua, vapor de acetona, provene de un
secado en el que se secan fibras de acetato de celulosa, humedecidas con agua
y acetona. Su finalidad del absorbedor de 30 bandejas es recuperar la acetona
poniendo en contacto el gas con un absorvente adecuado , agua. Al utilizar un
flijo de liquido y gas a contracorriente en un dispositivo de multiples etapas, un
balance de magteriales muestra una absorcion de acetona del 99.5%. El gas que
sale contiene solo 143 ppm por peso de acetona, que se puede reciclar al
secador, aunque la acetona es la principal especie absorbida.
El balance de materiales indica que cantidadesde
O
2
y N
2
tambien son absorbidos
por el agua. Por que el agua esta presente en el gas de alimentacion y el
absorbente, puede ser absorbido y despojado. Como se muestra en la figura, el
efecto neto es que el agua se extrae por que aparece mas agua en el gas de
salida del gas de alimentacion. La temperatura del absorbente disminuye en 3ºC
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para suministrar energia de vaporizacion para quitar el agua, en este ejemplo es
mayor que la energia de condensacion liberada de la absorcion de acetona.
En la absorcion de gas, los efectos del calor pueden ser significativos, la cantidad
de cada especie que es absorbida va ha depender del numero de etapas de
equilibrio y absorcion de el factor del componente,
A =
L
KV
, para la Figura 6.1 los
valores de K y absorcion son los factores basados en los caudales de entrada
son:
Cuando se utiliza agua y aceites de hidrocarburos como absorbentes, no se
producen reacciones quimicas significativas entre el absorbente y el soluto, el
proceso se conoce como absorcion fisica. Cuanso se utiliza NaOH acuoso como
absorbente de un gas acido, la absorcion va acompañada de una reaccion rapida
e irreversible en el liquido. Esto es absorcion quimica o absorcion reactiva.
6.1 EQUIPO PARA SEPARACIONES DE VAPOR-LIQUIDO
Los metodos para diseñar y analizar la absorcion, la estraccion y la destilacion
dependen del tipo de equipo utilizado para poner en contacto las fase liquida y de
vapor. Cuando se requieren mutiplis etapas, el contacto de fases se lleva acabo
mas comunmente en columnas verticales cilindricas que contienen bandejas o
empaquetaduras del tipo que se describe a continuacion:
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a. Perforaciones
b. Valvulas
c. Tapas de burbujas
La mas simple son las perforaciones generalmente a pulgada de diametro,
utilizando el tamiz perforado.
En la tabla 6.2, los tipos de bandejas se comparan sobre la base del costo, la
caida de presion, la eficiencia de transferencia de masa, la capacidad de vapor y
la flexibilidad en terminos de relacion de reduccion. En el limite de velocidad de
vapor, el arrastre de gotas de liquido se vuelve excesivo, lo que hace arriba por la
columna. A una tasa de vapor se vuelve excesivo. Debido a que tiene un costo
muy bajp, se prefieren las bandejas de tamices a menos que se requiera
flexibilidad en el rendimiento, en cuyo caso las bandejas de valvulas son las
mejores. Las bandejas con tampon de burbuja, predominantes en las
instalaciones anteriores a 1950, ahora rara vez se especifican cuando la
retencion de liquido debe controlarse para proporcionar tiempo para una reaccion
quimica o cuandi se debe de evitar el goteo.
6.1.2 Columnas empaquetadas
En la figura 6.6 se muestra una columna empaquetada, esta es un recipiente que
contiene una o mas secciones, sobre su superficie el liquido fluye hacia abajo
como una pelicula o como gotas entre elementos de empaque, el vapor fluye
hacia arriba a través del empaque humedo, en contacto con el liquido. Las
secciones empaquetadas estan contenidas entre una placa de soporte de
inyección de gas, que sostiene el empaque, y una placa de sujeción superior, que
evita el empaque de movimiento.
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Si la altura del empaque es mas de aproximadamente 20 ft, puede ocurrir una
canalizacion de liquido, lo que hace que el liquido fluya hacia abajo cerca de la
pared y el gas fluya hacia el centro de la columna, reduciendo asi en gran medida
la estraccion del contacto vapor-liquido. En este caso, liquido redistribuidores
necesita ser instalado.
Los materiales de embalaje comerciales incluye algunos de los cuales se
muestran en la figura 6.7ª.
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6.1.3 Contactores de pulverización, burbujas y centrifugación
En la figura 6.2 se muestran otros tres contactores. Solo se requiere de una o dos
etapas y una caída de presión muy baja, y el soluto es muy soluble en el líquido.
La caída de presión de vapor es alta debido a la alta carga de absorbente de
líquidos, y sólo una o dos etapas teóricas pueden ser logrado. Este dispositivo
tiene un rendimiento de vapor bajo y es impráctico a menos que el soluto tenga
baja solubilidad en el líquido y / o una reacción química lenta que requiere un
largo tiempo de residencia.
Un dispositivo novedoso es el contactor centrífugo, que consta de una carcasa
anillada estacionaria, entrelazada con una sección giratoria anillada. La fase
líquida se alimenta cerca del centro del empaque, desde donde se lanza hacia
afuera. El vapor fluye hacia adentro. Según se informa, se pueden lograr altas
tasas de transferencia de masa. Es posible obtener el equivalente de varias
etapas de equilibrio en una unidad muy compacta. Este tipo de dispositivos de
tiempo de contacto corto práctico solo cuando hay limitaciones de espacio, en
cuyo caso son útiles para la destilación.
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6.3 Método grafico para torres en bandejas
Para el flujo en contracorriente, la torre con bandejas para absorción que se
muestra en la Figura 6.8, las etapas están numeradas desde la parte superior
hasta la parte inferior para el absorbedor, y desde abajo hacia arriba para el
decapante, se asume el equilibrio de fase entre el vapor y el liquido que salen de
cada bandeja. Supongamos que para un absorbente solo transfiere soluto de una
fase a la otra dejar:
L’= caudal molar de absorbente libre de solutos
V’= caudal molar de gas libre de solutos (gas portador)
X = relación molar de soluto a absorbente sin soluto en el líquido
Y = relación molar de soluto a gas libre de soluto en el vapor
Los valores de L’ y V’ permanecen constantes a través de la torre, asumiendo
que no hay vaporización del absorbente en gas portador o absorción de gas
portador por líquido.
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6.3.1 Curvas de equilibrio
Para el soluto en cualquier etapa n, el valor de K es:
K n =
y
n
x
n
y
n
1 + y
n
x
n
1 + x
n
Donde:
Y=y/(1-y) y x=x/(1-x)
En general, esta curva no será una línea recta, sino pasará por el origen. Si el
soluto sufre, en la fase líquida, una conversión completa irreversible por
química reacción a un soluto no volátil, la curva de equilibrio será una recta de
pendiente cero que pasa por el origen.
6.3.2 Líneas de operación
En ambos extremos de las torres, entrando y saliendo las transmisiones están
emparejadas. Para el absorbedor, los pares en la parte superior son (𝑋 0
′
1
′
) y (𝑌 𝑛+
′
𝑛
′
) en el fondo; para el stripper, (𝑋 𝑛+
𝐿 y 𝑌 𝑛
′
) en la
parte superior y (𝑌 0
′
y 𝑋 1
′
) en el fondo. Estos pares de terminales pueden
estar relacionados con pares intermedios de corrientes que pasan entre etapas
por balance de material de soluto para las envolventes. Los saldos se escriben
alrededor de un extremo de la torre y una etapa de equilibrio intermedia
arbitraria, n.
Para el absorbedor:
0
′
𝑛+
′
𝑛
′
1
′
Los puntos terminales representan condiciones en la parte inferior y superior de la
torre.
6.3.3 Caudal minimo de absorbente
En la figura 6.9 se obserban las lineas de operación para cuatro tasas de flujo de
absorbentes.
La concentración del soluto en el líquido de salida,
X
N
, depende de L’ por un
balance de materia en el soluto para n=N.
X
0
L
'
+ Y
N + 1
V
'
= X
N
L
'
+ Y
1
V '
L
'
V ' ( Y
N + 1
− Y
1
x
N
− xo
Hay que tener en cuenta que la línea de operación puede terminar en el
equilibrio línea, pero no puede cruzarla porque eso sería una violación de la
segunda ley de la termodinámica. El caudal de absorbente mínimo, L’ min,
corresponde a un valor de 𝑋 𝑁
(dejando la parte inferior de la torre) en equilibrio
con 𝑌 𝑵+𝟏
, la concentración de soluto en el gas de alimentación. Tenga en cuenta
que se necesitan un número infinito de etapas para que este equilibrio ser
logrado. Una expresión para L’ min de un absorbedor puede ser derivado como
sigue. Para la etapa N, para la tasa mínima de absorción es:
K
N
Y
N + 1
( 1 + Y
N + 1
x
N
/( 1 + x
N
Resolviendo𝑋 𝑁
y sustituyendo:
L '
MIN
Y
N
( Y
N + 1
− Y
1
Y
N + 1
[
Y
N + 1
( K
N
− 1 ) + K
N
]
− X
o
Para solutos diluidos, donde Y ≈ y X ≈x=
L '
MIN
= V '
Y
N + 1
− Y
1
Y
N + 1
K
N
− X
0
Si, para el líquido que entra, 𝑋
0
= 0 se aproxima:
′
𝑚𝑖𝑛
′𝐾
𝑁
F𝑟𝑎𝑐𝑐ó𝑛 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎
Una derivación similar de V'min, para el stripper, da como resultado una
expresión análoga:
L
'
MIN
L
'
K
N
( Fraccion del soluto rayado )
6.3.4 Numero de etapas de equilibrio
Como muestra la figura 6.10ª la línea de operación relaciona la concentración de
soluto en vapor que pasa hacia arriba entre dos etapas a la concentración de
soluto en el liquido que pasa hacia abajo entre las mismas 2 etapas, mientras que
la Figura 6.10 b ilustra que la curva de equilibrio relaciona la concentración de
soluto en vapor de una etapa de equilibrio a la concentración ce soluto en el
liquido que sale de la misma etapa.
Para este caso la línea de operación relaciona la concentración de soluto en el
vapor que pasa hacia arriba entre dos etapas a la concentración de soluto en el
líquido que pasa hacia abajo entre las mismas dos etapas. Comenzando desde
la parte superior de la torre (en la parte inferior de la Y – X diagrama) y
L
min
´
=97.5 kmol / h
La tasa de absorbente libre de solutos al 50% por encima del mínimo es:
L
´
=1.5 ( 97.5) =146.2 kmol / h
La recuperación de alcohol del 97% corresponde a:
( 0.97 ) ( 0.02) ( 180 )=3.49 kmol / h
Para cubrir toda la columna, el rango necesario de X para una gráfica de Y versus
X es de 0 a casi 0.025. De la ecuación Y – X, (2), se obtienen los siguientes
valores:
Para este sistema diluido en alcohol etílico, el error máximo en Y es 1.0%, si Y se
toma simplemente como Y ¼ KX ¼ 0: 57X. El equilibrio curvo, que es casi recta, y
una línea de operación recta trazada a través de los puntos terminales (Y1, X0) y
(YN + 1, XN) se muestran en Figura 6.12. Las etapas teóricas se escalonan como
se muestra, comenzando desde el escenario superior (Y1, X0) ubicado cerca de la
esquina inferior izquierda. El número requerido de etapas, N, para una absorción
del 97% de alcohol etílico es un poco más de seis. En consecuencia, es mejor
proporcionar siete etapas teóricas.
