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Programa inprocess de Formación de Operadores

COLUMNA DE ABSORCIÓN Ejercicios enfocados a entender el funcionamiento de las columnas de absorción y los principios fundamentales por los cuales ejercen la eliminación de contaminantes

COLUMNA ABSORCIÓN

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INTRODUCCIÓN El proceso de absorción está basado en la transferencia de un contaminante desde una corriente

gaseosa, en la que se encuentra en elevada concentración, hasta un líquido, con baja presión de vapor

y menor concentración del compuesto, en el que tenga alta solubilidad. La fuerza impulsora que

provoca la separación será entonces la diferencia de concentraciones. La absorción puede ser física, si

la separación es por disolución, o química, si el compuesto que se quiere eliminar reacciona con el

solvente seleccionado.

Para conseguir la máxima eficiencia se debe buscar la máxima superficie de contacto entre el gas

residual y el líquido eliminador. Además, los materiales de construcción de estos equipos deben ser

resistentes a la corrosión debido al carácter ácido de los contaminantes. Hay una amplia gama de

equipos que se han diseñado con este fin, entre los que se encuentran las columnas de platos, las

columnas de relleno, las cajas de aspersión, los separadores de venturi, etc. En este caso en particular,

el estudio se lleva a cabo en una columna de relleno, que cuenta con un plato en la parte inferior de la

columna (Sump) que permite controlar el nivel de líquido que actúa como sello hidráulico.

Las columnas de relleno a contracorriente son equipos cilíndricos que contienen en su interior un relleno

cuyo objetivo es maximizar el área de contacto entre gas y líquido. Las torres empacadas tienen

eficiencias de absorción de gases más altas que otros equipos y pueden manejar caudales de gas residual

más altos y menores cantidades de líquido de limpieza; no obstante, las pérdidas de presión son altas y

tanto los costos del equipo como los de operación y mantenimiento pueden ser bastante altos.

Figura 1. Estructura de una columna de relleno, y tipos de relleno

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OBJETIVOS DE LOS EJERCICIOS El objetivo principal de los ejercicios programados tiene como finalidad observar y analizar cómo afectan

las variaciones de las diferentes variables operacionales en este tipo de equipos, tanto las ocasionadas

por una variación realizada por el operador (por ejemplo: el caso de una hipotética optimización en las

necesidades de líquido absorbente), así como las ocasionadas por una variación no deseada provocadas

por el propio proceso (por ejemplo: un incremento de la concentración del gas contaminante en la

corriente gaseosa).



DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO Para poder llevar a cabo este estudio se presenta el siguiente caso. Uno de los productos obtenidos

durante un proceso químico es una corriente de aire que contiene una cierta cantidad de ácido

clorhídrico. El objetivo final es poder eliminar o emitir dicha corriente a la atmósfera. En las condiciones

actuales dicha emisión no es factible ya que la concentración de ácido clorhídrico supera el límite

establecido por la normativa de emisiones de agentes contaminantes. En este punto se decide eliminar

este contaminante de la corriente gaseosa, para ello se utiliza una columna de absorción utilizando agua

como agente absorbente. El proceso se realiza en una columna de relleno a contracorriente, en la cual

la entrada del líquido se realiza por la parte superior de la columna, mientras que la mezcla gaseosa

entra por la inferior. La salida de ambas corrientes se producirá por el lado opuesto a la entrada, por lo

tanto, el agua que arrastra el contaminante saldrá por la parte inferior de la columna, y el aire libre de

éste por la superior. Además, la presencia de un plato en la parte inferior de la columna permite

controlar el nivel de líquido del fondo de la columna que actúa como sello hidráulico.

Previamente a la entrada del agua en la columna existe un aerorefrigerante, el cual permite enfriar el

agua, sustancia que posteriormente actuará como agente separador.

Abrir el caso base: En el menú Modules ir al submenú Runtime y, dentro de éste, seleccionar Open.

Abrir el caso Columna de Absorción. La imagen que se debe observar es la siguiente:

Figura 2. Caso base mostrando los valores iniciales

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Una vez el caso se ha cargado, aparecerá el caso base con los diferentes valores de las diferentes

variables:

Presión, temperatura y caudal, tanto de la corriente líquida como de la gaseosa, en la entrada

y salida de éstas

Presión en la parte superior e inferior de la columna

Apertura de las válvulas

Composiciones en las diferentes corrientes

Consumo total, en función del precio del agua y del kW∙h

Consumo del aerorefrigerante en función de la temperatura deseada a su salida

Los botones situados en la parte inferior izquierda de la pantalla abren los gráficos que permiten la

visualización gráfica de los diferentes caudales y de la composición de HCl en cada corriente.

Figura 3. Ejemplo gráfico de la variación de los diferentes caudales



Modificación de variables de operación: Una vez abierto el caso, el usuario puede modificar diferentes

variables y así poder llevar a cabo el estudio deseado. Estas variables son:

Temperatura de los fluidos en la entrada de la operación

Caudal de agua que entra en la columna

Temperatura deseada a la salida del aerorefrigerante

Composición de la corriente gaseosa

Presión en la cabeza de columna (parte superior)

Nivel de líquido en la columna

CONTROL MANUAL / CONTROL AUTOMÁTICO

Para poder realizar modificaciones en el modo y set point de los controladores se debe clicar encima del

controlador de interés. En la pestaña Properties situada a la derecha de la pantalla se observa que

aparecen los datos del controlador de acuerdo a la siguiente figura:

Figura 4. Datos del controlador de caudal

Se observa que el modo de operación está en Automático (Auto), de manera que el controlador ajustará

la apertura de la válvula de acuerdo al Set Point especificado en la celda correspondiente. Si se desea

cambiar a modo Manual, se debe seleccionar en el desplegable de Mode la opción Manual, permitiendo

la modificación de la apertura de la válvula (OP del controlador).

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EJERCICIO 1. ESTADO ESTACIONARIO (CASO BASE) Una vez se ha iniciado la simulación con el botón Run, situado en la pestaña Runtime Module, el estado

estacionario mostrado en el caso base corresponde al tratamiento de 1124 kg/h de gas, con una

composición del 19% de HCl y un 81% de aire, a una temperatura de 32º C. Para el caso base, se procesan

15000 kg/h de agua, la cual llega a 37º C y es enfriada a 31º C gracias al aerorefrigerante situado antes

de la entrada de la columna. La presión de operación es de 1,5 bar en la cabeza de la columna y el nivel

de líquido en su interior no es superior al 50%. Dadas estas condiciones base, se observa que en la salida

superior, la que corresponde al aire con menos concentración de contaminante respecto la entrada,

todavía se encuentra HCl en una concentración de 83500 ppmwt, aproximadamente.

En los ejercicios posteriores se podrá observar como modificando variables de operación, esta

concentración también lo hace. Estas variables son las mostradas en la Figura 5.

Figura 5. Caso base con las variables que van a ser objeto de estudio y análisis

P1.1: ¿Cuántos kg/h de HCl se recuperan en la fase acuosa?

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P1.2: Si en la corriente de entrada de gas, de los 1.124 kg/h totales, 213,56 kg/h son HCl, ¿qué

porcentaje se recupera? Utilice el valor obtenido en la pregunta anterior.

¿Cómo calificaría la eficiencia de la columna en base al resultado obtenido?

P1.3: Si solo se dispusiera de los datos de la salida gaseosa y no de los datos de la corriente acuosa,

¿se podría calcular igualmente la recuperación? ¿Cómo?



EJERCICIO 2. VARIACIÓN DEL CAUDAL DE ABSORBENTE Dado el caso base, se ha podido observar que, con las condiciones dadas al simulador como valores

iniciales, en la corriente de salida del gas (parte superior de la columna) todavía se encuentra un

pequeño porcentaje de HCl, el cual se deseaba separar de la corriente de aire. En cierto modo, se

observa que gran parte de este contaminante ha sido arrastrado por la corriente acuosa, por lo que se

podría dar el objetivo inicial como cumplido. En la gran mayoría de casos, este hecho no es suficiente.

Un claro ejemplo podría ser si la emisión de esta corriente se deseara enviar a la atmósfera. Este hecho

se encuentra regulado por la legislación, por lo que requeriría un límite máximo en la concentración de

salida. En el presente ejercicio se supondrá que para el caso del HCl su emisión está permitida por debajo

de las 500 ppm.

P2.1: ¿Cómo cree que va a cambiar la composición en HCl de la corriente gaseosa a la salida si aumenta el caudal de absorbente? ¿Se debe aumentar o disminuir el caudal de agua para llevar el contenido en HCl en la corriente de salida de gas hasta los límites permitidos?

1. Abra el caso base. Arránquelo con el botón Run. Abra todas las tablas existentes para poder

ver los valores iniciales en estado estacionario así como los gráficos que muestran la evolución

temporal de las variables con los correspondientes botones.

2. Modifique el valor de caudal de agua con el Set point del controlador FIC‐001 según los valores

propuestos en la tabla 2.1.

3. Anote los resultados observados en la tabla una vez el sistema llegue al estado estacionario

(todas las variable se mantengan constantes).

Tabla 2.1. Resultados de la variación del caudal de absorbente

Caudal de absorbente

(kg/h)

Entrada gas Salida gas Recuperación

HCl (%) [HCl] (fracción másica)

Caudal (kg/h)

[HCl] (ppmwt)

Caudal (kg/h)

13000

15000

17000

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P2.2: ¿Cuál es el caudal de agua requerido para eliminar el HCl hasta los límites permitidos por la hipotética legislación? ¿Qué coste tiene?

Pista: Utilice los resultados obtenidos en el ejercicio para tener una idea aproximada del caudal de agua necesario.



EJERCICIO 3. VARIACIÓN DE LA PRESIÓN EN LA CABEZA DE LA COLUMNA En el caso base, la columna opera a una presión de 1,5 bar en la parte superior. Como se ha explicado,

existe una relación entre la presión de operación y la solubilidad de un soluto en un absorbente. El

objetivo de este ejercicio es comprobar experimentalmente esta relación cambiando la presión a la que

opera la columna.

1. Abra el caso base. Arránquelo con el botón Run. Abra todas las tablas existentes para poder

ver los valores iniciales en estado estacionario.

2. Modifique el valor del SP del controlador FIC‐001, que corresponde al caudal másico de agua,

para que su nuevo punto de consigna sea el valor de base, 15000 kg/h. Deje que se estabilice

el caso.

3. Modifique el valor de la presión en la cabeza de la columna (ver Figura 5) con el primer valor

de la tabla siguiente cambiando el valor del Set Point (SP) del controlador de presión.

4. Espere una respuesta estable y anote la concentración de salida de HCl.

5. Repita los pasos 3 y 4 para la siguiente presión.

Tabla 3.1. Resultados de la variación de la presión en la cabeza de la columna

Caso

Entrada gas Salida gas Recuperación

HCl (%) [HCl]

(fracción másica)

Caudal (kg/h)

[HCl] (ppmwt)

Caudal (kg/h)

Disminución P (1,45 bar)

Caso Base (1,5 bar)

Aumento P (1,55 bar)

P3.1: ¿Cómo ha afectado el aumento de presión a la eficacia de la columna? ¿Por qué?

6. Dejad el valor de la presión que menor concentración de HCl haya dado.

P3.2: ¿Cuál es ahora el caudal de agua requerido para eliminar el HCl por debajo de las 500 ppm? ¿Qué coste tiene? ¿Qué ahorro económico supone trabajar a la nueva presión?

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EJERCICIO 4. VARIACIÓN DEL NIVEL DE FONDO DE LA COLUMNA Se ha visto que en el caso base en estado estacionario los valores mostrados se mantienen invariables

con el tiempo.

Para realizar el siguiente escenario, se supone el hipotético caso de que el nivel de fondo de la columna

haya aumentado o disminuido, y después se verá qué efectos conlleva este cambio respecto la

concentración de HCl en la salida.

1. Abra el caso base. Arránquelo con el botón Run. Abra todas las tablas existentes para poder ver

los valores iniciales en estado estacionario, así como los gráficos para seguir la evolución

temporal de las variables.

2. Aumente el Set Point del controlador de nivel de la columna (ver Figura 5) hasta un 70%.

3. Deje que el sistema llegue a un nuevo estado estacionario (el valor de la concentración de la

salida debe quedar fijo e invariable) y anote el valor de la concentración de HCl a la salida en la

tabla 4.1 más abajo.

4. Disminuya el Set Point del controlador de nivel de la columna (ver Figura 5) hasta un 30% y

anote también el valor obtenido en estado estacionario.

P4.1: ¿Qué ocurre en la concentración de HCl en la salida del gas nada más producirse al cambio?

P4.2: ¿Qué ocurre en la concentración de HCl en la salida del gas en este caso?



Tabla 4.1. Resultados de la variación del nivel de líquido en la columna

Caso Concentración (ppmwt)

Aumento nivel (70%)

Caso base (50%)

Disminución nivel (30%)

P4.3: ¿Qué se puede concluir sobre el efecto del cambio de nivel en la columna de absorción?

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EJERCICIO 5. VARIACIÓN DE LA COMPOSICIÓN EN LA CORRIENTE DE

ENTRADA DE GAS

En el caso base, el caudal de gas contaminado que llegaba a la columna de absorción tenía una

composición del 19% en HCl y 81% en aire. Para realizar este ejercicio, se provocará un cambio en la

composición de entrada del gas para ver qué efectos tiene si el resto de variables de operación se

mantienen constantes. Los cambios en la composición se deben llevar a cabo desplazando la Track Bar

situada en la parte inferior de la tabla de composiciones de la corriente de entrada.

1. Abra el caso base. Arránquelo con el botón Run. Abra todas las tablas existentes para poder ver

los valores iniciales en estado estacionario.

2. Modifique el valor de la composición de entrada hasta que la composición de HCl sea del 30%

3. Anote en la tabla siguiente los valores del caudal del gas de salida y la concentración de HCl en

esta corriente una vez estos valores sean constantes.

4. Modifique el valor de la composición de entrada hasta que las composiciones del clorhídrico sea

del 10%.

5. Anote en la tabla siguiente los valores del caudal del gas de salida y la concentración de HCl en

esta corriente una vez éstos sean invariables. Calcule y anote también la recuperación de HCl y

los kg de agua empleados por kg de HCl recuperado

Tabla 5.1. Resultados de la variación de la composición en la corriente de entrada

Composición gas entrada

Caudal gas entrada

(kg/h)

Salida gas Recup. HCl

(%)

kg H2O /

kg HCl rec. [HCl]

(ppmwt)

Caudal

(kg/h)

10% HCl 1112

19% HCl 1124

30% HCl 1139

P5.1: Antes de comenzar este estudio, responda a esta pregunta: ¿si se tiene menos HCl en el gas de entrada y la misma cantidad de agua que en el caso base para la absorción, cree que la eficiencia en la absorción será mayor?



P5.2: ¿En qué caso de los tres anteriores se encuentra una mayor recuperación de HCl en la salida del gas, y por lo tanto una mejor eficiencia de absorción?

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EJERCICIO 6. CAMBIO EN LAS TEMPERATURAS DE ENTRADA AL EQUIPO Como se ha visto en los casos anteriores, el caudal de gas que llegaba a la entrada de la columna lo hacía

a 32º C. En este ejercicio se va a poder analizar qué efecto tiene la variación de las temperaturas de las

corrientes de entrada, tanto en la de gas como en la de líquido.

De antemano, se observa que hay mucha diferencia entre los caudales en la entrada de la columna, ya

que el caudal de agua es unas 15 veces mayor al de gas.

1. Abra el caso base. Arránquelo con el botón Run o devuelva el caso a sus valores iniciales para el

caso base. Complete todas la tabla existente para poder comparar los valores iniciales en estado

estacionario.

2. Aumente la temperatura de la corriente de entrada del gas hasta los 38 ºC.

3. Rellene la siguiente tabla para observar los cambios.

Tabla 6.1. Resultados del aumento de temperatura de la mezcla gaseosa

Caudal

aire

(kg/h)

Temp. Gas

(C)

SP Aéreo

(C)

[HCl]

(ppmwt)

Potencia Aéreo

(kW)

Consumo total

(€/día)

Temp. Salida líquido

(C)

Temp. Salida gas

(C)

1124 32 31

38 31

4. Devuelva la temperatura de la mezcla gaseosa a su valor en el caso base, 32 ºC.

5. Disminuya la temperatura del Set Point del aerorefrigerante hasta los 25º C.

6. Complete la siguiente tabla para observar los cambios.

P6.1: ¿Qué ha ocurrido con la concentración de HCl en la salida del gas?

..



Tabla 6.2. Resultados de la disminución de temperatura de la entrada de agua

Caudal

aire

(kg/h)

Temp. Gas

(C)

SP Aéreo

(C)

[HCl]

(ppmwt)

Potencia Aéreo

(kW)

Consumo total

(€/día)

Temp. Salida líquido

(C)

Temp. Salida gas

(C)

32 25

Como se ha podido comprobar, un pequeño cambio en la temperatura del agua en la entrada de la

columna favorece la absorción del HCl en el agua.

Como se ha comentado en la introducción del ejercicio, se tendría que realizar un balance entre las

ventajas y las desventajas del último caso. La ventaja ya se ha visto que era la disminución del

contaminante en la corriente gaseosa de salida, pero:

P6.2: ¿Tiene el mismo efecto modificar la temperatura del agua en la entrada de la columna de absorción, que modificar la del gas?

¿A qué cree que se debe que en un caso sí que afecte considerablemente y en el otro no? Observe la introducción inicial del Ejercicio 5.

P6.3: ¿Cuál es el caudal de agua requerido para eliminar el HCl hasta los límites permitidos por la hipotética legislación (menor de 500 ppm) con la nueva temperatura del agua?

P6.4: ¿Qué desventaja ha provocado realizar este cambio de temperatura? ¿Cómo se podría reducir esta desventaja?

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