Tema III: Absorción

Question 1

Absorción

Answer 1

Operación unitaria controlada por transferencia de materia, consiste en eliminar un compuesto presente en una corriente mediante la utilización de un solvente liquido que arrastra consigo el compuesto de interés.

Question 2

Absorción de gases

Answer 2

*Una mezcla gaseosa se pone en contacto con un líquido a fin de disolver de manera selectiva uno o dos compuestos del gas (soluto) y obtener una solución de estos en el líquido (solvente).
*La absorción puede ser puramente física o involucrar una reacción química.
*Es una operación de TM
*Gas portador –> El componente insoluble presente en la corriente gaseosa no absorbida.

(contiene el compuesto que será removido y absorbido en el líquido).

Question 3

Métodos de operación

Answer 3

1. Operación a contracorriente:
   *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.
2. Operación paralela:
   
   • (-) eficiente.
   • Se puede usar un flujo de gas elevado, el cual reduce el diámetro de la columna requerida.

Question 4

Tipos de torres

Answer 4

Para conseguir el contacto entre las fases, líquido y gas, ambas operaciones utilizan el mismo tipo de equipo empleado en la destilación:
1. Torres de burbujeo –> Dividir el gas en pequeñas burbujas en una superficie líquida continua
2. Torre de relleno –> Separar el líquido en películas que fluyan a través de una fase gaseosa continua
3. Torre de pulverización –> Convertir el líquido en gotas de pequeño tamaño que caigan a través de una fase gaseosa continua
4. Torre de platos –> Pasar el líquido por diferentes niveles o platos por donde pasará la fase gaseosa.

Question 5

¿Qué son las Torres de platos?

Answer 5

*Cilindros verticales en que el líquido y el gas se ponen en contacto sobre platos o charolas.
*Cada plato es una etapa, en cada plato entran en contacto los fluidos, ocurre la difusión interfacial y se separa el compuesto de interés.

Question 6

¿Cómo funciona la torres de platos?

Answer 6

• El líquido fluye de arriba hacia abajo por gravedad.
• El gas pasa hacia arriba, a través de cada plato; entonces burbujea a través del líquido para formar una espuma, se separa de la espuma y pasa al plato superior.
• Un contacto múltiple a contracorriente entre el gas y el líquido, aunque cada plato se caracteriza por el flujo transversal de los dos.
• El número de platos reales se determina por el diseño mecánico utilizado y las condiciones de operación.
• Para una eficiencia de etapas –> El tiempo de contacto debe ser largo de tal forma que se permita que suceda la difusión y la superficie interfacial entre las fases sea grande.

Question 7

Aplicación de las torres de platos

Answer 7

*Industria petroquímica, química y ambiental.
*Recuperación de productos de corrientes gaseosas, en la producción de ácido clorhídrico, sulfúrico y nítrico, azufre o hidróxido de amonio.
*Recuperación de gases tales como amoniaco, sulfuro de hidrógeno,
mercaptanos y dióxido de carbono con soluciones de amina.
*Control de emisiones de contaminantes a la atmósfera, reteniendo sustancias contaminantes
como azufre, compuestos clorados y fluorados.
*Eliminación del dióxido de azufre de los gases de combustión con soluciones acuosas de hidróxido de sodio
*Eliminación de óxido
nitrogenado con soluciones de agentes oxidantes.

Question 8

Solubilidad gas-liquido

Answer 8

Depende de la naturaleza de ambos componentes, de la temperatura, de la presión parcial de gas en la fase gaseosa (Ley de Henry) y la concentración del gas disuelto en el líquido.

Question 9

Ley de Van’t hoff del equilibrio móvil.

Answer 9

*Se refiere a la influencia que presenta la T° sobre la solubilidad de un gas en un líquido.
*“Al elevarse la T° del sistema en equilibrio se verifica el proceso que va acompañado de absorción de calor”,
*Disminuyendo la solubilidad del gas al aumentar la temperatura
*La solubilidad aumenta con la presión parcial del gas siendo esta independiente de la presión total para presiones inferiores a 5 atm.

Question 10

Elección del disolvente: Fase líquida

Answer 10

*Cuando la elección es posible, se prefiere los líquidos en los que la solubilidad del soluto es elevada lo que reduce la cantidad de disolvente en circulación.
Propiedades a considerar en un disolvente:
*Se debe disolver el compuesto a separar, no volátil, de ser posible de bajo precio, no corrosivo, químicamente estable, no tóxico/contaminante, no viscoso y no inflamable de preferencia.
* El gas tratado normalmente sale saturado con disolvente por tanto los disolventes de bajo costo pueden resultar preferibles en comparación con los de mayor solubilidad o menor volatilidad pero más caros.

Question 11

La eficiencia de absorción para la separación
de un compuesto va a depender de:

Answer 11

• número de platos de la columna,
• solubilidad en el líquido,
• temperatura,
• presión y
• flujos de las dos fases.

Question 12

Industria del petróleo 🛢️
Se pueden realizar los siguientes procesos de separación por medio de absorción:

Answer 12

1.Gas de síntesis
*Una mezcla de gases de hidrógeno y monóxido de carbono que son utilizados para la producción de amoniaco.
CO2 contaminante.
* CO2 = contaminante = afecta los catalizadores, = pérdidas económicas, pq NO regenera catalizador.
*Es necesario retirar el CO2 del gas.
2.Gases de refinería:
*Se elimina compuestos orgánicos de azufre.
*Evitar la corrosión en las plantas –> purificación de las corrientes (g) .
3.Procesamiento de gas natural:
*Remoción de los gases ácidos CO2 h2s endulzamiento de gases.
*En torres de absorción con solventes de soluciones acuosas de alcanolaminas.

Question 13

Tipos de platos en una torre

Answer 13

1.Plato perforado –> *Placas con perforaciones de diferentes tamaños
*Pueden ser continuos
*+ Sencillos
2. Platos de válvulas –>
*Agujero donde encima hay una válvula, la cual se eleva con el paso del corriente líquido
*Muy similar a la campana de borboteo.

Question 14

Torres empacadas

Answer 14

*Columna cilíndrica, o torre
Partes de una torre
*Entrada de
(l) y un distribuidor –> superior
*Entrada de (g) y
un espacio de distribución –> inferior
*Salidas:
(g) –> superior
(l) –> inferior
*Tiene una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que
recibe el nombre de torre empacada (cama de empaque).
*El soporte del empaque consiste por lo general en una criba o tamiz corrugado, para darle fuerza, con una gran fracción de área libre de forma que no se produzca inundación en el soporte.

Question 15

Empaques en Torres empacadas

Answer 15

*Formas sólidas de estructura definida que rellenan las columnas
*Función –> propiciar un contacto entre las fases gaseosa y líquida
*+ área de contacto con - resistencia al flujo = + %e de TM.
*Los empaques de la torre se dividen en 2 tipos:
1.Aleatorio
2.Ordenados/ estructurados aluminio para no ser oxidados

Question 16

Empaques aleatorios

Answer 16

*Cargados aleatoriamente
* Consisten en unidades de 6 a 75 mm –>
Empaques < 25 mm –> columnas de laboratorio o plantas piloto.
* Materiales baratos e inertes, tales como arcilla, porcelana o diferentes plásticos.O anillos metálicos de pared delgada, de acero o Al.
*Porosidad de lecho –> Espacios vacíos entre los materiales, estructuras abiertas o empaque irregular.

Question 17

Empaques ordenados o estructurados:

Answer 17

*Tamaño –> unidades de 50 a 200 mm (2 a 8 in.).
* Láminas perforadas de metal corrugado, con láminas adyacentes acomodadas de tal forma que el líquido se distribuye sobre sus superficies mientras que el vapor fluye a través de los canales formados por los corrugados.
* Corrugaciones variables –> Triangulares tienen de 25 a 40 mm a lo largo de la base, de 17 a 25 mm de lado, y de 10 a 15 mm de altura.

Question 18

Canalización

Answer 18

• Parte de la superficie del
  empaque puede estar seca o con una película estacionaria del líquido.
• Principal razón del mal funcionamiento de las torres empacadas.
• En ocasiones ocurre cuando se registran bajas velocidades del líquido.

Question 19

Distribución del líquido

Answer 19

• En torres grandes, la distribución inicial de la fase líquida es especialmente importante.
• Se incluyen redistribuidores para el líquido cada cierta longitud de la torre.
• El empaque en seco no es efectivo para la T M;
• Dispositivos para la distribución del líquido –> desde un anillo de un tubo perforado para columnas pequeñas hasta
  otros dispositivos más eficientes para torres grandes.
• Al menos cinco puntos de introducción del líquido por cada 0.1 m2 (1 ft2) de sección transversal de la torre para torres grandes (d 1 1.2 m = 4 ft) y un número mayor para diámetros pequeños.

Question 20

Otros Empaques ordenados o
estructurados:

Answer 20

*Ventajas: - caída de
presión para el gas y un flujo mayor
*Desventaja: Instalación + costosa que la necesaria para los empaques aleatorios.

Question 21

Propiedades a considerar para un empaque:

Answer 21

a. Baja perdida de presión.
b. Alta capacidad.
c. Bajo peso y baja retención de líquido.
d. Gran superficie activa por unidad de volumen.
e. Gran volumen libre por unidad de volumen.
f. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el
líquido y el gas.
f. Alta durabilidad, resistencia a la corrosión, bajo costo.

Question 22

Otras características a considerar:

Answer 22

• La superficie por unidad de volumen de espacio empacado debe ser
  grande en forma macroscópica.
  *Buenas características de flujo, deben permitir el paso de grandes volúmenes de flujo a través de pequeñas secciones de la columna, evitando la caída de presión para la fase gas.
• Deben ser químicamente inertes a los fluidos del proceso.
• Su estructura debe permitir el manejo fácil e instalación de los empaques de absorción.
• Los rellenos que se construyen y diseñan son baratos, inertes y ligeros
  y de materiales tales como arcilla, porcelana, plásticos, aceros, aluminio
  *Son unidades de relleno huecas, para garantizar la porosidad del lecho y el paso de los fluidos.

Question 23

Soporte de empaque

Answer 23

¿Qué es?
*Para sostener el empaque sobre el espacio abierto en el fondo
de la torre (asegura la buena distribución del gas en el empaque)
Características:
* Fuerte para sostener el peso de una altura razonable de empaque
* Tener un área libre suficientemente amplia para permitir el flujo del líquido y del gas con un mínimo de restricción.
* Se puede usar una rejilla de barras, pero se prefieren los soportes especialmente diseñados
ej. Multibeam

Question 24

Caída de presión

Answer 24

¿Qué es?
Disminución de la presión en la columna, cuando el
interior de ésta se cubre con la fase líquida y entra el flujo de gas.
En una columna:
*NO es deseable perder presión en el interior.
*Opera a contracorriente a flujo constante de líquido generada por el empaque
*A mayor flujo de gas mayor caída de presión.
*+ flujo ascendente del gas = el flujo del líquido “frenado” = - área libre de flujo = + caída de presión que si el empaque estuviera seco
*Incrementa en función directa al flujo líquido.
*+ flujo de gas = el líquido se acumula = llena con líquido. (está inundada) y se le llama velocidad de inundación a esta velocidad del gas.
*Velocidad del gas < velocidad de inundación.
*Baja velocidad del gas = decremento de la caída de presión.
*Dependiendo del proceso, velocidad del gas de 70 a 95% de la velocidad de inundación.
*Velocidad del gas llega a una velocidad de inundación o muy cerca = mayor caída de presión = - eficiencia.

Question 25

Características de diseño

Answer 25

Eficiencia elevada:
–> El tiempo de contacto debe ser suficiente de tal forma que se permita que suceda la difusión, y la
superficie entre las fases debe ser grande.
–> La turbulencia sea de intensidad relativamente alta para obtener elevados coeficientes de TM y se pueda separar el
compuesto de interés a partir de la fase gaseosa.
–> Para que el tiempo de contacto sea prolongado la capa líquida:
*Debe ser profunda
*El empaque en su totalidad debe estar en contacto con el líquido
–> Las burbujas de gas tarden un tiempo relativamente largo para ascender a través del líquido.
–> Si el flujo de gas es muy bajo puede ser que no haya suficiente interacción con el líquido, hay una - interfase y - TM.
–> Capas elevadas o profundas del líquido =
velocidades elevadas del gas = caída elevada de P
(baja en la presión).
–> Una caída alta de presión = + potencia del ventilador para empujar o arrastrar el gas a través de la torre = + costo de operación.
–> La profundidad elevada del líquido en los platos = eficiencias de platos elevadas mediante tiempos largos de contacto,= caída de presión alta por plato.
–>Las velocidades elevadas del gas =
buen contacto vapor-líquido mediante dispersión excelente= excesiva entrada del líquido al gas y una caída alta de presión.

Question 26

Factores para la operación de una columna

Answer 26

*Según ha demostrado la experiencia, establecen un término medio adecuado.
* flujo del gas menor a la velocidad de inundación.
* composición y temperatura del gas y líquido entrante
* velocidad de líquido, depende de la velocidad de inundación.
* una presión adecuada dentro de la columna.
* Seguido de una medición de la caída de presión.
* Tiempo de contacto entre fases suficiente para una T M del compuesto de interés.
* Turbulencia necesaria para que haya T M.
* Ganancia o pérdida de calor.

Question 27

Flujo del líquido

Answer 27

• Torres pequeñas: El flujo inverso y plato de flujo transversal
• Torres de diámetro grande: el flujo radial o dividido, o el plato de flujo transversal - $.
• Torres con diámetros muy grandes: platos
  con capucha o válvula, se han utilizado diseños de cascada con varios niveles. (c/u con derramadero)

Question 28

Platos de capucha

Answer 28

*Ya no son muy utilizados, fueron reemplazados por los platos perforados, los cuales son más baratos.
*Pueden manejar rangos muy amplios de flujos
del líquido y del gas.

Question 29

Platos perforados

Answer 29

El gas pasa en forma ascendente a través de las
perforaciones, y el líquido fluye de forma paralela
al plato.
* Diámetro: 3 a 12 mm (4.5mm más común) también resultan útiles orificios tan grandes como 25 mm.
*Espesor : es un medio del diámetro del orificio para acero inoxidable y menor en un diámetro para otras aleaciones.
*Profundidad del líquido o espesor de la capa líquida: 5 a 15 cm.
*Los orificios se colocan en los vértices de
triángulos equiláteros a distancias entre los
centros de 2.5 a 5 diámetros de los orificios.

Question 30

Torres de paredes mojadas

Answer 30

• Constituida por 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 por el centro.
• La caída de presión del gas en estas torres es probablemente menor que en cualquier
  otro aparato de contacto gas-líquido.
  USOS
  *Estudios teóricos de TM , –> la superficie interfacial entre las fases se mantiene fácilmente bajo control y puede
  medirse.
  *Industrialmente absorbedores para ácido clorhídrico.

Question 31

Torres y cámaras de aspersión

Answer 31

• El líquido puede a atomizarse en una corriente gaseosa por medio de una boquilla que dispersa al líquido en una aspersión de gotas.
  El flujo puede ser:
• Contracorriente –> con el líquido atomizado hacia abajo
  *Paralelo –> cámaras horizontales de aspersión.
• Estos aparatos tienen la ventaja de una baja caída en la presión del gas.

Question 32

Sistemas de dos componentes:
Operación no isotérmica

Answer 32

*Mezclas gaseosas y líquidos diluidos
*Suponer isotérmica, reales exotérmicas, y
cuando se absorben grandes cantidades los efectos de la T° no pueden ignorarse.
*+ T° del líquido mediante la absorción = la solubilidad del soluto en el equilibrio se reducirá y la capacidad del equipo se reducirá .
*Calor es excesivo –> espirales de enfriamiento o a ciertos intervalos el líquido puede ser eliminado, enfriado y regresado la columna.

Question 33

Sistemas de dos componentes: Solubilidad de gases en líquidos

Answer 33

*La solubilidad de un gas en un líquido es inversamente
proporcional a la T°.
* - T° = - presión para que el gas sea soluble en un líquido.
A [] dada de líquido
*P en el equilibrio
es alta = gas es relativamente insoluble en el líquido
*P es baja = la solubilidad es elevada.

Question 34

Sistemas de multicomponentes

Answer 34

Mezcla de gases en contacto con un líquido:
*La solubilidad en el equilibrio de cada gas será independiente de la de los demás, ( si eq se describa en función de las presiones parciales)
*Si todos los componentes del gas, excepto uno, son básicamente insolubles, sus concentraciones en el líquido serán tan pequeñas que no podrán modificar la solubilidad del componente relativamente soluble; entonces se puede aplicar
la generalización.
*Si varios componentes de la mezcla son solubles en el líquido, la generalización será aplicable únicamente si los gases que se van a disolver son indiferentes (no reaccionan) ante la
naturaleza del líquido; esto sucederá en el caso de las soluciones ideales
*La solubilidad de un gas también se verá afectada por la presencia de un soluto no volátil en
el líquido (tal como sal en una solución acuosa) cuando dichas soluciones no sean ideales.

Question 35

Características de soluciones ideales

Answer 35

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. (gases en líquidos, no incluye el calor de condensación)
4. La presión total de vapor de la solución varía linealmente con la composición expresada en fracción mol.

Question 36

En realidad

Answer 36

*No existen soluciones ideales y las mezclas reales sólo tienden a ser
ideales como límite.
*Requiere que las moléculas sean: similares en tamaño, estructura y naturaleza química (isómeros tal vez)
*Muchas soluciones se encuentran tan cerca de ser ideales que para fines de Ingeniería se pueden considerar como tales.
*Consideraciones como ideales:
*Miembros adyacentes o casi adyacentes de una serie homóloga de compuestos orgánicos:
Benceno en tolueno
Propano y butano
Alcohol etílico y
propílico
Soluciones de gases de hidrocarburos parafínicos en aceites de parafina.