TEMA 4. ABSORCIÓN ÍNDICE

4.1. Fundamento

TEMA 4. ABSORCIÓN

ÍNDICE

4.2. Equipos

4.3. Transferencia de materia G-L con contacto continuo 4.4. Absorción y desabsorción de un solo componente

4.1. Fundamento

ABSORCIÓN:

• Operación de separación en la que una o más sustancias de una mezcla gaseosa se eliminan por contacto con un líquido adecuado.

eliminan por contacto con un líquido adecuado.

• Segunda operación de separación más frecuente (tras rectificación)

• Operación controlada por la difusión

• Ejemplos:

Lavado de gases de coquización con agua (absorción de NH₃) Lavado de HCs gaseosos con soluciones alcalinas (absorción de H₂S) Eliminación de acetona en mezclas acetona/aire por absorción en agua Eliminación de acetona en mezclas acetona/aire por absorción en agua

• Transferencia de materia desde la fase L a G: desabsorción o stripping

• Tipos:

o Con Reacción Química: SH₂-gas natural con soluciones alcalinas o Sin Reacción Química: Acetona-aire con agua

REQUISITOS DEL DISOLVENTE:

• Elevada solubilidad del soluto/s a separar.

• Baja volatilidad

4.1. Fundamento

TEMA 4. ABSORCIÓN

• Baja volatilidad

• Bajo coste

• Baja viscosidad

• No corrosivo Baja toxicidad

• Baja reactividad

• Bajo punto de congelación

• Torres de relleno

4.2. Equipos

• Torres de relleno

Requisitos del relleno

• Proporcionar un gran área superficial

4.2. Equipos

TEMA 4. ABSORCIÓN

• Facilitar la distribución uniforme del líquido sobre su superficie

• Tener una estructura abierta

• Facilitar el paso uniforme del vapor a través de toda la sección de la columna

• Ser químicamente inerte frente a los fluidos de la torre

• Ser mecánicamente resistente, sin tener un peso excesivo

• Tener un coste razonable

4.2. Equipos

4.2. Equipos

TEMA 4. ABSORCIÓN

Imagen de dos distribuidores

• Torres de pisos

4.2. Equipos

- Condiciones que favorecen las columnas de relleno:

1. Columnas de pequeño diámetro (D <0,6 m el relleno es más económico) 2. Medios corrosivos

4.2. Equipos

TEMA 4. ABSORCIÓN

3. Destilaciones críticas a vacío, donde son imprescindibles caídas de presión bajas 4. Bajas retenciones de líquido (si el material es térmicamente inestable)

5. Líquidos que forman espuma (debido a que en columnas de relleno la agitación es menor)

- Condiciones que favorecen las columnas de pisos:

1. Cargas variables de líquido y/o vapor 2. Presiones superiores a la atmosférica 3. Bajas velocidades de líquido

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) 8. Es más fácil colocar serpentines de refrigeración (en caso necesario)

4.3. Transferencia de materia G-L con contacto continuo

4.3. Transferencia de materia G-L con contacto continuo

TEMA 4. ABSORCIÓN

La dirección de la transferencia de materia a través de la interfase NO depende de la diferencia de concentraciones entre las fases

Depende de:

4.3. Transferencia de materia G-L con contacto continuo

• Relaciones de equilibrio

• Diferencia de concentraciones de las fases respecto al equilibrio Depende de:

4.3. Transferencia de materia G-L con contacto continuo

TEMA 4. ABSORCIÓN

4.3. Transferencia de materia G-L con contacto continuo

Gases como O₂, SH₂, CO₂, NH₃ a presiones moderadas cumplen la Ley de Henry

Caso A: Solutos muy solubles en la fase líquida ⇒⇒⇒⇒ Resistencia de la fase gaseosa controlante

gas dA líquido

∞

l →

l K

k , − ^l →∞

k

l k

io i

k k c

c p

p =−

−

−

4.3. Transferencia de materia G-L con contacto continuo

TEMA 4. ABSORCIÓN

c_e

c_o = c p_o = p_e

p ^{k ,l Kl →∞}

∞

→

− kg g

io

i c k

c =−

−

Caso B: Solutos poco solubles en la fase líquida ⇒⇒⇒⇒ Resistencia de la fase líquida controlante

gas dA líquido

∞

g →

g K

k , − ^l ≈0

k

l k

io

i p k

p =−

−

−

4.3. Transferencia de materia G-L con contacto continuo

c c_e = c_o

p = p_o

p_e

∞

g →

g K

k , − ≈0

kg g

io

i c k

c =−

−

c

V’, L’: Caudales molares de las corrientes gas y líquido, respectivamente, en base libre de

4.4. Absorción y desabsorción de un solo componente

TEMA 4. ABSORCIÓN

líquido, respectivamente, en base libre de soluto

Y, X: Razones molares de soluto de las corrientes gas y líquido, respectivamente, en base libre de soluto

x

c₋ ⁼ ₋ ^{∴  c }

( )

=

i i i

t i

i x

x c

c X c

1

− ∴

− =

= Π

i i i

i

i y

y p

Y p

1

(

i

)

i t

i L X

c c L c

L = ⋅ +







 + −

⋅

= ' 1 ' 1

(

i

)

i

i V Y

c V p

V = ⋅ +









− + Π

⋅

= ' 1 ' 1

[4.7]

[4.8]

[4.9]

[4.10]

4.4. Absorción y desabsorción de un solo componente

Balance de soluto en dh:

(

^{X dX}

)

L Y V X L dY y

V'⋅(^y+^dY)+^L'⋅^X =^V'⋅^Y +^L'⋅

(

^X +^dX

)

V'⋅( + )+ '⋅ = '⋅ + '⋅ +

dX L dY

V ⋅ =− ⋅

− ' ' [4.11]

[4.12]

(

^p

)

^{dp L}

(

^{c c c}

)

^dc

V

t t

2

2 '

' =− −

− Π

− Π

[4.7] [4.8]

(

Π− ^p

) (

^ct −^c

)

4.4. Absorción y desabsorción de un solo componente

TEMA 4. ABSORCIÓN

Integrando entre los límites que abarque el relleno:

( )

^



 



 −

+

=

∴

−

⋅

=

−

⋅ 2 2 2 2

' ' '

' '

) (

' X

V Y L V X

Y L X X L Y Y

[4.11] V [4.13]

'

) (

'

2 2 2

2 









− −

⋅ −

− =

−Π

−

⋅ Π

c c

c c c L c p p p V p

t t

[4.12] [4.14]

4.4. Absorción y desabsorción de un solo componente

A partir de [4.1] y [4.12], y teniendo en cuenta que : [4.15]

dh S a dA= ⋅ ⋅

Siendo “a” la superficie de contacto entre las dos fases por unidad de volumen de relleno

( ) ( )

∫

_{⋅ Π−}^Π⋅ ₋

= ¹

2

2

'^p

p g i i io

i

p p p a

k

dp S

h V

Siendo “a” la superficie de contacto entre las dos fases por unidad de volumen de relleno

Mediante integración entre los límites de la columna:

[4.16]

( )

∫

 −







 −

⋅

⋅

= ¹

2

2

1 '^c

c

i io t i t l

i

c c c

c c a k

dc S

h L _[4.18]

( ) ( )

∫

_{⋅ Π}^Π₋^⋅ ₋

= ¹

2

2

'^p

p G i i ie

i

p p p a

K

dp S

h V _[4.17]

( )

∫

 −







 −

⋅

⋅

= ¹

2

2

1 '^c

c

i ie t i t L

i

c c c

c c a K

dc S

h L

[4.19]

NOTA: los coeficientes no salen de las integrales porque no son constantes

4.4. Absorción y desabsorción de un solo componente

TEMA 4. ABSORCIÓN

Simplificaciones:

• Coeficientes individuales: suelen considerarse constantes

• Coeficientes globales: dependen de la composición Simplificaciones:

• Una de las dos fases es controlante

• Se cumple la ley de Henry

Coeficientes globales K_L y K_Gconstantes:

Teniendo en cuenta las expresiones [4.7] y [4.8], las ecuaciones [4.16] a [4.19] en función de las razones molares:

( )( )

'

( )( )

L

( )

∫

⁺ ₋⁺

Π

⋅

= ⋅ ¹

2

1 ' ^Y 1

Y o

o

g Y Y

dY Y Y a

k V S h

( )( )

( )

∫

⁺ ₋⁺

Π

⋅

= ⋅ ¹

2

1 ' ^Y 1

Y e

e

G Y Y

dY Y Y a

K V S h

( )( )

∫

⁺ ₋⁺

⋅

= ⋅ ¹

2

1 ' ^X 1

X o

o

t

l X X

dX X X

c a k

L S h

( )( )

∫

⁺ ₋⁺

⋅

= ⋅ ¹

2

1

' ^X 1

X e

e

t

L X X

dX X X

c a K

L S h

[4.20]

[4.21]

[4.22]

[4.23]

4.4. Absorción y desabsorción de un solo componente

Mezclas diluidas:

• Concentraciones de soluto < 15%

• La presión parcial del gas portador permanece constante y casi coincidente con

p y p

Y p =

≅ Π

−

= Π [4.24] [4.26]

• La presión parcial del gas portador permanece constante y casi coincidente con la presión total.

• Los coeficientes individuales de transferencia de material son casi constantes a lo largo de la columna.

• La concentración de soluto es suficientemente reducida para que se cumpla:

(

¹

)

^'

' Y V

V

V = + ≅

p Π

− Π

[4.25] [4.27]

c x c c c X c

t t

=

− ≅

= ^{L= L'}

(

^1+X

)

^{≅ L'}

4.4. Absorción y desabsorción de un solo componente

TEMA 4. ABSORCIÓN

[4.29]

Mezclas diluidas:

∫

= ' ^Y1 S dY V

h ^{= '}

∫

¹

X dX

L S

[4.28] h [4.29]

∫

₋

Π

⋅

= ⋅

Y2 o

g a Y Y

k

h S ⁼ _{⋅ ⋅}

∫

₋

X2 O

t

l a c X X

k h S [4.28]

Simplificaciones (I):

• Una de las dos fases es controlante

• Se cumple la ley de Henry

∫

₋

Π

⋅

= ⋅ ¹

2

' ^Y

Y e

G Y Y

dY a

K V S

h ⁼ _{⋅ ⋅}

∫

¹ ₋

2

' ^X

X e

t

L X X

dX c

a K

L S

[4.30] h [4.31]

4.4. Absorción y desabsorción de un solo componente

Mezclas diluidas:

Simplificaciones (II):

• Los datos de equilibrio se ajustan a una recta

• Los datos de equilibrio se ajustan a una recta

[4.29]

∫

₋

Π

⋅

= ⋅ ¹

2

' ^Y

Y o

g Y Y

dY a

k V S h

∫

= ' ^X1 S dX L h

[4.28]

(

o

)

ml Y

Y o Y Y

Y Y Y

Y dY

−

= −

∫

¹ − ^{1 2}

2

( )

X

X X

X X X

X dX

−

= −

∫

¹ − ^{1 2}

[4.29]

∫

₋

⋅

= ⋅

X2 O

t

l X X

dX c

a k

h S X X Xo =

(

X −Xo

)

ml

∫

−

2

( ) ( ) ( )









−

−

−

−

= −

−

02 2

01 1

02 2 01

1

X X

X Ln X

X X X

X X X _{o ml}

( ) ( ) ( )









−

−

−

−

= −

−

02 2

01 1

02 2 01 1

Y Y

Y Ln Y

Y Y Y

Y Y Y _{o ml}

Bibliografía

TEMA 4. ABSORCIÓN

• Operaciones de Separación por Etapas de Equilibrio en Ingeniería Química. E.J.

Henley y J.D. Seader. Editorial Reverté. Barcelona, 1988. ISBN: 8429179089

• Mass-Transfer Operations. R.E. Treybal. Editorial McGraw-Hill. 1981.ISBN:

• Mass-Transfer Operations. R.E. Treybal. Editorial McGraw-Hill. 1981.ISBN:

0070666156

• Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McCabe, Warren L. McGraw Hill.

2007. ISBN: 9789701061749.

• Operaciones de Separación en Ingeniería Química. Métodos de Cálculo. P. J.

Martínez de la Cuesta, E. Rus Martínez. Editorial Pearson Educación. España 2004. ISBN: 8420542504

2004. ISBN: 8420542504