Absorción

Realice un esquema de operación de las siguientes torres, indicando claramente en un diagrama de equilibrio, como sería su línea de operación, además se deben indicar claramente las composiciones de entrada y salida de líquido y gas tanto en el diagrama como en el esquema de la torre:

Torre de absorción contracorriente.

Ilustración 1: Informa tanto el esquema y como el diagrama con las curvas de operación y la curva de equilibrio de una torre de absorción a contracorriente.

Torre de absorción cocorriente.

Ilustración 2: Expone tanto el esquema y como el diagrama con las curvas de operación y la curva de equilibrio de una torre de absorción a co corriente.

Torre de desorción contracorriente.

Ilustración 3: Presenta tanto el esquema como el diagrama con las curvas de operación y la curva de equilibrio de una torre de desorción a contracorriente.

Torre de desorción cocorriente.

Ilustración 4: Muestra tanto el esquema como el diagrama con las curvas de operación y la curva de equilibrio de una torre de desorción a co corriente.

Indique que problemas puede causar el SO2 en contacto con la piel, ojos y una eventual inhalación.

El Dióxido de azufre es un gas corrosivo y tóxico, para los ojos, piel y el sistema respiratorio.

A continuación se presentan los problemas que pueden generar el contacto o la inhalación de este gas:

Inhalación: si el gas se encuentra en bajas concentraciones puede causar irritación en los ojos y nariz. Si se está expuesto por largos periodos de tiempo al gas puede causar tos severa con descarga de sangre o vómitos. Puede llegar a ser mortal.

Contacto con la piel: Corrosivo e irritante a la piel y a todo tejido viviente. Exposición de tejido dérmico a nivel toxico, causa quemaduras tipo acido y lesiones a la piel, resultando en necrosis y cicatrices.

Contacto con los Ojos: Contacto con el líquido o vapor causa quemaduras y ulceraciones dolorosas. Quemaduras a los ojos resultan en lesiones y posible pérdida de la visión.

Es por esto, que las medidas de seguridad para llevar a cabo la experiencia son:

Máscara facial completa

Gafas de seguridad

Zapatos de seguridad

Guantes de plástico o goma

Explique cómo influyen los efectos térmicos en las variables de operación de un sistema de absorción de gases. ¿Qué técnicas se utilizan para controlar esta situación? ¿Es esto un “problema”? Opine.

En la absorción gas-líquido, la temperatura es un parámetro importantísimo a la hora de operar una torre, puesto que la solubilidad del gas que se absorberá depende principalmente de ella (temperatura), influyendo directamente tanto la curva de operación como la curva de equilibrio. Esto, se debe a que al cambiar la solubilidad, también cambia la fracción molar (o concentración). Por lo general, al subir la temperatura, la solubilidad del gas aumenta en líquidos orgánicos y disminuye en agua.

Si la solubilidad aumenta, el gradiente de transferencia aumenta y con ello, los flujos que salen de la operación (líquido y gas) tienen más concentración, variando así la curva de equilibrio y de operación. Por el contrario, si la solubilidad disminuye, los flujos que salen de la torre contienen menos concentración y, como se dijo anteriormente, cambia las curvas (operación y equilibrio).

Para el caso de la absorción, si se aumenta la temperatura en el líquido en el proceso, la solubilidad del gas disminuirá notablemente y por consiguiente, la capacidad de absorber también lo hará y se necesitará más disolvente.

Los efectos térmicos que se pueden dar en la absorción son:

Calor de disolución del soluto, que dependiendo de su naturaleza (exotérmica o endotérmica) puede elevar o disminuir la temperatura dentro de la torre. Estos calores pueden ser de condensación, de mezclado y de reacción.

El calor latente del solvente (vaporización o condensación).

Intercambio de calor sensible entre las dos fases.

Pérdida de calor sensible. Los flujos entregan calor a la atmósfera por medio de las paredes y/o dispositivo de enfriamiento interior o exterior.

El modo de controlar estos efectos térmicos es tratar los flujos por un proceso previo. Algunos de ellos son:

Recuperar el calor que se produce, como en el calor de disolución exotérmico, por medio de un intercambiador de calor (rehervidor, caldera, evaporador).

Enfriamiento de las corrientes de entrada o salida.

Mezclado con aire.

Este tipo de efectos son un problema, debido a que cambian las condiciones de operación, vale decir, las fracciones molares (líquido y/o gas), el flujo de disolvente, el momento que ocurre la inundación y por supuesto, la pérdida de carga. En conclusión, si se llega a producir un cambio de temperatura que no se prevé, el proceso de absorción puede cambiar de forma abrupta, inundándose, teniendo una alta caída de presión y/o que la cantidad de disolvente sea insuficiente (o sentido opuesto, que sobre).

Nombre al menos 4 características que se deben tener en cuenta al momento de elegir qué tipo de solvente será utilizado para la absorción, además explique brevemente el porqué de su importancia.

Como primer criterio, es necesario que el solvente a utilizar para la absorción sea químicamente compatible con el gas, es decir que la elección de este dependerá de la naturaleza del gas a tratar.

El agua es el solvente más común que se utiliza para absorber contaminantes inorgánicos, también puede usarse para absorber contaminantes orgánicos, pero estos deben presentar una solubilidad relativamente alta en agua.

Para los compuestos orgánicos que tienen baja solubilidad en agua, se usan otros disolventes, tales como los aceites de hidrocarburos.

A continuación se presentan algunos criterios que hay que tener en consideración a la hora de la elección del disolvente apropiado.

Solubilidad del gas. Debe ser elevada ya que esto significa una velocidad mayor de absorción y por otra parte disminuye la cantidad de solvente a utilizar.

Volatilidad. El disolvente debe tener una presión de vapor baja, puesto que el gas saliente generalmente está saturado con el disolvente y en consecuencia, puede perderse una gran cantidad de disolvente.

Corrosión. No debe ser corrosivo o lo menos corrosivo posible, con esto se evita que el equipo no tenga que ser construido con materiales especiales ni costosos y se alarga la vida útil de la máquina.

Costo. El disolvente debe ser barato de forma que la pérdidas no sean costosas y debe obtenerse fácilmente. En caso de no poder adquirir un solvente de bajo costo, es necesario disponer de un sistema de tratamiento de residuos para recircular el solvente, retirando los contaminantes.

Viscosidad. Se prefiere una baja viscosidad debido a la rapidez de absorción, bajas caídas de presión en el bombeo, facilidad para la transferencia de calor, etc.

Indique y explique de qué factores depende el cálculo de la altura de lecho empacado de una torre de absorción.

La altura de lecho de empacado de una torre de absorción viene determinada por:

Z=H_G*N_G

Donde:

H_G: Altura de una unidad de transferencia.

N_G: Número de unidades de transferencia.

H_G=(G⁄S)/(k_ya^´ )

De lo cual:

G: Flujo molar de gas.

S: Área de interfacial por unidad de volumen.

k_ya^´: Coeficiente de transferencia de materia local.

N_G= ∫_(y_2)^(y_1)▒((1-y)_(i,ML) dy)/[(1-y)(y-y_i ] =∫_(y_2)^(y_1)▒〖dy/((y-y_i ) )+1/2 ln⁡〖[((1-y_2 ))/((y-y_1 ) )] ∨ 〗 〗 ∫_(y_2)^(y_1)▒〖dy/((y-y_i ) ) (soluc.diluidas)〗

De manera análoga, se tiene que para el flujo de líquido:

H_L=(L⁄S)/(k_xa^´ )

N_L= ∫_(x_2)^(x_1)▒((1-x)_(i,ML) dy)/[(1-x)(x-x_i ] =∫_(y_2)^(y_1)▒〖dx/((x-x_i ) )+1/2 ln⁡〖[((1-x_2 ))/((x-x_1 ) )] ∨ 〗 〗 ∫_(y_2)^(y_1)▒〖dx/((x-x_i ) ) (soluc.diluidas)〗

Asimismo,

H_OG=H_G+m*G/L*H_L

H_OL=H_L+1/m*L/G*H_G

Donde:

H_L,H_G:Alturas de las unidades de películas de líquido y gas.

m: Pendiente de la curva de equilibrio.

L/G:Pendiente de la curva de operación.

Se puede observar con claridad que la altura de la torre depende, principalmente de las concentraciones de entrada y salida de la torre (tope y fondo), de los flujos de entrada a la torre y de la resistencia a la transferencia de materia.

Si se aumenta el flujo másico de líquido, disminuye la concentración del soluto a absorber, por lo que la pendiente de la curva de operación es mayor. Con ello, crecen los gradientes de transferencia de materia (o lo que es equivalente la resistencia a la transferencia), tanto locales como globales. Por lo tanto, la altura de la torre es menor. En cambio, si se reduce el flujo másico de líquido, se incrementa la altura de la torre.

Si crece la presión a la que opera la torre de absorción, entonces hay también un aumento de los gradientes locales y globales, por lo que la altura es menor.

Se tiene una corriente de aire que contiene SO2, 1,6% en volumen, el cual es tratado en una columna de absorción empacada con agua pura. La columna tiene 1,5 [m2] de área basal y 3,5 [m] de altura de relleno. El flujo de gas (aire+SO2) es 0,062 [kmol/s] y el de agua es de 2,2 [kmol/s]. En la salida de la columna, la corriente gaseosa tiene una composición molar de 0,004 y opera a temperatura ambiente, donde el KSO2 es 40. Determine:

NOG

HOG

Kya

Datos entregados por el problema:

G=0,062[kmol/s]

L=2,2[kmol/s]

y_1=Y_1=0.016 (solucion diluida)

y_2=Y_2=0.004(solucion diluida)

Debido a que las soluciones son diluidas, el G y el L, pueden ser considerados como inertes.

SO_2 contenido en la entrada: 0,062∙0,016=0,001 [Kmol]

SO_2 contenido en la salida: 0,062∙0,004=0,00025 [Kmol]

Lo anterior implica una absorción del 75%, lo que significa que en la corriente de salida del agua contiene 0,00075 [kmol] de SO_2

A partir de esta información se pueden encontrar las composiciones de las corrientes de entrada y salida del agua:

X_1=0

X_1=0,00075/2,2=3,4∙〖10〗^(-4)

Luego, con el dato de K_(SO_2 )=40 se construye la curva de equilibrio para el sistema:

y=40x

Con esta curva es posible encontrar los valores de y que están en equilibrio con la salida y la entrada de agua:

Y_1^*=0

Y_2^*=0,0136

Con estos datos, es posible calcular el N_OG de acuerdo a la siguiente ecuación:

N_OG=(y_1-y_2)/(y-y^* )_ml

Reemplazando datos:

N_OG=(0,016-0,004)/(((0,016-0,0136)-(0,004-0))/(ln⁡((0,016-0,0136)/(0,004-0))))=3,8

Adicionalmente, se tiene que la altura del empaque está definida de la siguiente manera:

Z=H_OG∙N_OG

Por lo que se puede despejar al tener el valor de N_OG y el valor de la altura de empaque (3,5 [m])

N_OG=0,92[m]

Finalmente, el coeficiente global de transferencia de materia en la fase gas se puede calcular de acuerdo a la definición de H_OG.

H_OG=(G/S)/K_ya →K_ya=(0,062/1,5)/0,92

K_ya=0,044[kmol/(s∙m^2∙atm)]

Donde S es el área transversal de la torre (1,5[m^2]).

Referencias.

Geankopolis C.J, Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias, 3° edición, Compañía Editorial Continental S.A de C.V, México (1998).

Treybal, R., Operaciones de transferencia de masa, 2° Edición, Editorial MCGraw-Hill, México (1995).

Seader, J. D., Henley, Ernest J, Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería química, New York; John Wiley & Sons, Inc (1998).

Absorción (edición preliminar) (2007) Valparaíso, Universidad Técnica Federico Santa María.

Indura. Medidas de Seguridad. (25 de Octubre, 2012) http://www.indura.cl/_file/file_1777_di%C3%B3xido%20de%20azufre%20-%20hdst.pdf

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