Universidad Nacional de Ingeniera Facultad de Ingeniera Industrial y de Sistemas

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ABSORCIN Y DESORCIN DE GASES

Curso : Fsico Qumica y Operaciones UnitariasIntegrantes : Sime Snchez, Diego Isaac (20132560H) Torres Eguilas, Bryan Robert (20131019A) Vilca Vilca, Jimmy Roberto (20132587C) Profesor : Ing. Carlos Chafloque Elas Lima, 16 de Junio del 2015

NDICE

1INTRODUCCIN22FUNDAMENTO TERICO32.1Absorcin de gases32.2Desorcin de gases 32.2.1Clases de gases4 2.2.1 Desorcin Trmica4 2.2.2 Desorcin gaseosa52.3Definiciones basicas73EQUIPOS DE ABSORCIN Y DESORCIN GASEOSA103.1Torres rellenas113.2Torres de absorcin de platos133.3Otros equipos213.3.1Equipos de Absocin de Pulverizacin213.3.2Columnas de paredes mojadas223.3.3Tanques con agitacin mcanica234EQUIPO PROTOTIPO: TORRES DE RELLENO245APLICACIONES INDUSTRIALES335.1Aplicaciones de la absocin 335.2Aplicaciones de la desorcin335.2.1Formas de realizacin de la desorcin y su relacin con las variables345.2.2Factores que favorecen el stripping356CASO ESPECIFIC: STRIPPING DEL AMONIACO377CONCLUSIONES478REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS49

I. INTRODUCCIN

En el presente trabajo trataremos sobre las operaciones unitarias de Absorcin y Desorcin de gases, el primero que es una operacin unitaria de transferencia de materia que consiste en poner un gas en contacto con un lquido, a fin de disolver de manera selectiva uno o ms componentes del gas y obtener una solucin de stos en el lquido y la segunda operacin que es de gran utilidad para separar gases de lquido tratando de llegar a la mayor pureza posible gas tanto como del lquido.

Analizaremos los diferentes equipos que se utilizan en los laboratorios e industrias, estos equipos se destacan por presentar las denominadas torres o columnas, que son recipientes cilndricos esbeltos, en posicin vertical y en cuyo interior se incluyen dispositivos como bandejas o lechos de relleno (anillos Rasching, el ms utilizado). Generalmente, el gas y el lquido fluyen en contracorriente por el interior de la torre, cuyos dispositivos promueven el contacto entre las fases y el desarrollo de la superficie de interfaz a travs de la cual se producir la transferencia de materia.

Posteriormente se realizar un anlisis a un equipo prototipo, el cul ser las denominadas torres de relleno, en este captulo se describir los pasos para disear el equipo, las variables que se utilizan, la descripcin de las partes del equipo, las ventajas y desventajas que brinda las torres de relleno.

Por ltimo se hablar sobre las aplicaciones industriales que se realizan mediante la operacin de absorcin y desorcin de gases, haciendo nfasis en la aplicacin del stripping de amoniaco.

II. FUNDAMENTO TERICO

2.1 ABSORCIN DE GASESOperacin de transferencia de materia cuyo objetivo es separar uno o ms componentes (el soluto) de una fase gaseosa por medio de una fase lquida en la que los componentes a eliminar son solubles (los restantes componentes son insolubles). Se produce una transferencia de materia entre dos fases inmiscibles.Ejemplo:

Eliminacin de amonaco a partir de una mezcla de amonaco y aire por medio de agua lquida. Posteriormente se recupera el soluto del lquido por destilacin u otra tcnica y el lquido absorbente se puede desechar o reutilizar.

2.2 DESORCIN (STRIPPING)Es una operacin unitaria en la cual se pone en contacto una corriente lquida con una corriente gaseosa, con el fin de realizar la transferencia de uno de los componentes de la corriente lquida a la corriente gaseosa. Por definicin la desorcin es lo contrario a la adsorcin; la eliminacin de materia desde un medio adsorbente, usualmente para recuperar material.

2.2.1 CLASES DE DESORCINExisten dos tipos de desorcin: trmica y gaseosa, a continuacin explicaremos en forma breve de lo que trata la desorcin trmica, ya que a lo largo de este informe profundizaremos ms sobre la desorcin gaseosa.

2.2.1.1 DESORCIN TRMICA

La desorcin trmica elimina las sustancias qumicas dainas del suelo y otros materiales, como lodo y sedimentos, utilizando calor para transformar dichas sustancias qumicas en gases. Esos gases se recolectan empleando un equipo especial. El polvo y las sustancias qumicas dainas se separan de los gases y se eliminan con seguridad y el suelo limpio se regresa al sitio. La desorcin trmica no es igual a la incineracin, que se emplea para destruir las sustancia qumicas. Es un tratamiento ex-situ que consiste en calentar el suelo a temperaturas intermedias.Es usada para tratar la tierra contaminada con desechos peligrosos calentndola a una temperatura de entre 90C a 540C a fin de que los contaminantes con un punto de ebullicin bajo se vaporicen (se conviertan en gases) y, por consiguiente, se separen de la tierra. Los contaminantes vaporizados se recogen y se tratan, generalmente con un sistema de tratamiento de emisiones. La desorcin trmica emplea un equipo denominado desorbedor para limpiar los suelos contaminados. El desorbedor es similar a un horno grande (Quintero, 2009), que cuando los suelos se calientan lo suficiente, las sustancias qumicas dainas como compuestos voltiles o metales voltiles como el mercurio (Hg) se evaporan a una temperatura de entre los 250 - 600 C (Milarium, 2008).

2.2.1.2 DESORCIN GASEOSA

La desorcin gaseosa es la operacin, inversa de la absorcin, en la cual se produce la extraccin de la fraccin voltil de una disolucin mediante el contacto del lquido con un gas; la transferencia de masa ocurre desde el lquido al gas.

Es una operacin continua a la absorcin y en ella un gas disuelto en un lquido es arrastrado por un gas inerte quedando eliminado del lquido inicial. En algunas ocasiones la desorcin tambin se emplea para determinar la destilacin sbita.

Entre los procesos industriales en los que se aplica la desorcin estn el despojamiento (stripping) de fracciones del petrleo (derivados), por medio de vapor recalentado que no se condensa en el despojador.Existen tres procedimientos para realizar esta operacin que son: Hacer pasar un gas inerte o vapor de agua por el lquido Suministrar calor al absorbente lquido Disminuir la presin sobre el lquidoEntre los requisitos que debe cumplir el agente de despojamiento estn el de ser fcil de separar del gas y que no se produzcan reacciones con peligro de envenenamiento.Los agentes despojadores ms corrientes son el aire, el nitrgeno y el vapor de agua.En muchos procesos industriales se combinan en una misma instalacin las operaciones de absorcin y de desorcin, con el objetivo de recuperar el disolvente. Por ejemplo en los sistemas de absorcin que utilizan aminas, donde stas se regeneran (desorcin) para su reutilizacin.XY

En la representacin grfica del proceso la curva de trabajo debe caer por debajo de la lnea de equilibrio, puesto que y* > Y en todo el intervalo normal de operacin.Normalmente, las operaciones de absorcin, desabsorcin y rectificacin se realizan en las denominadas torres o columnas, que son recipientes cilndricos esbeltos, en posicin vertical y en cuyo interior se incluyen dispositivos como bandejas o lechos de relleno. Generalmente, el gas y el lquido fluyen en contracorriente por el interior de la torre, cuyos dispositivos promueven el contacto entre las fases y el desarrollo de la superficie interfacial a travs de la cual se producir la transferencia de materia.

2.3 DEFINICIONES BSICAS

Cada de presin en una columna empacada: Carga e Inundacin.En cualquier tipo de torre empacada funcionando en contracorriente, con flujo de lquido constante y flujo de gas variable, la cada de presin es proporcional a la raz cuadrada del flujo msico del gas. En la fig. 1 se grafica el flujo de gas vs la cada de presin con el flujo de lquido como parmetro.CargaBAInundacinLs L2Fig. 1CAIDA DE PRESION vs VELOCIDAD DEL GASLog Q Flujo msico del gasLog r / z

Notar que el flujo constante del gas, un incremento en el lquido va acompaado por un incremento en la cada de presin. De manera semejante, a flujo constante de lquido, un incremento en el flujo de gas, es tambin acompaado por aumento en la cada de presin hasta que se alcanza la inundacin. La forma de la curvas de la fig. 1 es idntica para todos los empaques y sistemas. Algunos investigadores tratan tales curvas como dos distintas rectas, interpretando el punto de cambio en pendiente como punto de carga.

En la fig. 1 se observa la existencia de tres zonas: (1) Zona donde no se presenta interferencia entre gas y lquido, lo cual ocurre a flujos bajos; (2) Zona de carga (interferencia media), a flujos superiores; (3) Zona de inundacin (violenta interferencia), a muy altos flujos.

Cada de presin con una sola fase circulante.Cuando solo en el lecho, la cada de presin debido a un nico fluido que circula a travs de un lecho de slidos empacados est razonablemente bien correlacionada mediante la bien conocida ecuacin de Ergun, la cual se puede aplicar con igual xito al flujo de gases y lquidos. Para un tipo y tamao especfico de empaque, la mencionada ecuacin puede simplificarse a:

Cada de presin con las dos fases circulantes.Para el flujo simultneo de lquido y gas, correlaciones generalizadas de cada de presin han sido publicadas por LEVA, ECKERT y un sinnmero de fabricantes de empaque. Para este caso se debe usar la Fig. 2.InundacinFig. 2 Inundacin y cada de presin en torres con empaques al azar.I X IY

Altura global de una unidad de transferencia de la fase lquida (NTOT).La altura global de una unidad de transferencia de la fase lquida, se puede calcular mediante:

Ecuacin desde la cual se puede calcular el coeficiente global de transferencia de masa, de la fase lquida KLa, si se conociera la altura global de una unidad de transferencia.

Altura individual de una unidad de transferencia de la fase gas (HTG).Esta se puede evaluar, empleando algunas correlaciones, por ejemplo la correlacin de FELLINGER:

Donde el nmero de Schmid (Sc) se debe utilizar solo cuando se trabaje con sistemas distintos al aire amoniaco. Las constantes , , , dependen del tipo de relleno y de la velocidad del gas y del lquido.El coeficiente individual de la fase gaseosa (kGa) se puede calcular con la ecuacin:

Altura de una unidad de transferencia de la fase lquida

Vivian y Whitney sugirieron que:

Donde:

Nmero de unidades de transferencia de la fase lquida (NTOT).Puesto que en desorcin el lquido es el fluido sometido a proceso, es ms sencillo basar los clculos en la fase lquida. Una razn adicional para ello es cuando la desorcin es un proceso controlado por la fase lquida (es decir casi toda la resistencia a la transferencia est en la fase lquida), por lo que los valores globales (nmero y altura) de la unidad de transferencia referida a la fase lquida son iguales a los individuales de la fase lquida.Por definicin:

III. EQUIPOS DE ABSORCIN Y DESORCIN GASEOSA

Los equipos ms corrientes en las operaciones de absorcin y desorcin son las torres rellenas y las columnas de platos, preferentemente las primeras, por presentar menor cada de presin. Las torres rellenas usadas como absorbedores no son equipos estandarizados, se disean con dimetros desde 20 hasta 600 cm y con 1 a 24 m de altura. En general, las torres muy altas son poco eficientes.Atendiendo al mtodo de creacin de la superficie de contacto desarrollada en las torres de absorcin pueden clasificarse del modo siguiente superficiales peliculares de relleno de burbujeo (de platos) pulverizadores

Las superficiales son poco utilizadas debido a su baja eficiencia y grandes dimensiones. Son especficos para gases muy solubles en el absorbente como es el caso del HCl en agua.Las peliculares son equipos en los cuales la superficie de contacto entre las fases se establece en la superficie de la pelcula de lquido, que se escurre sobre una pared plana o cilndrica. Los equipos de este tipo permiten realizar la extraccin del calor liberado en la absorcin.Los equipos ms utilizados en la industria qumica son las torres rellenas y las de burbujeo.

3.1 TORRES RELLENAS

En las torres de relleno la operacin de transferencia de masa se lleva a cabo de manera continua. La funcin principal del relleno consiste en aumentar la superficie de contacto entre el lquido y el vapor, aumentar la turbulencia y por tanto mejorar la eficacia. A medida que aumenta el tamao del relleno disminuye la eficiencia de la transferencia de materia y aumenta la prdida de carga, por tanto para determinar el tamao ptimo de relleno habr que llegar a un compromiso entre estos dos factores.La seleccin del material de relleno se basa en criterios como resistencia a la corrosin, resistencia mecnica, resistencia trmica y caractersticas de mojado. Adems, es necesario disponer un distribuidor de lquido en la parte superior de la columna para asegurar que el lquido moje de manera uniforme todo el relleno y no se desplace hacia las paredes.Salida del lquidoEntrada del Gas BSalida de GasesA + BEntrada de Liquida + Gas ARellenoRelleno

Torre de relleno

Se tienen varios tipos de relleno:a. Rellenos Desordenados: Son aquellos que se descargan simplemente dentro de la torre durante la instalacin y se dejan caer al azar. Los rellenos irregulares ms empleados en el presente son de fbrica, los tipos ms comunes son: Los anillos Rasching son cilindros huecos, con una gama de dimetros de entre y 4 pulgadas, o ms; pueden fabricarse de barros cermicos o de porcelana, materiales tiles para el contacto con muchos lquidos, excepto lcalis y cido fluorhdrico; es til excepto en atmsferas fuertemente oxidantes, de metales y de plsticos Los anillos metlicos de paredes finas ofrecen la ventaja de ser livianos. Los rellenos en forma de silla de montar, tales como los Berl y los Intalox, se encuentran en tamaos de a 3 pulgadas, hechos de base cermico, aunque pueden fabricarse de con cualquier material que se le da forma mediante estampado.b. Rellenos Ordenados:Estos pueden ser del tipo: Rellenos Raschig, apilados al tresbolillo. Anillos doble espiral. Rejas de madera. Grillas con orificios vertederos.Ofrecen las ventajas de una ms baja cada de presin con un mayor caudal de los fluidos, usualmente a expensa de un costo de instalacin ms elevado.Tipos de Relleno

Cuerpos de relleno tpicos:a) montura Berlb) montura Intaloxc) anillo Raschigd) anillo Pall

Caractersticas de los rellenos de columnas de absorcin: Qumicamente inerte frente a los fluidos de la torre. Resistente mecnicamente sin tener un peso excesivo. Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retencin de lquido o cada de presin. Proporcionar un buen contacto entre el lquido y el gas. Coste razonable.

3.2 TORRES DE ABSORCIN DE PLATOS (TORRES DE BURBUJEO O BORBOTEO)

En estos equipos, el gas burbujea dentro de una capa de lquido, de modo que la superficie de contacto entre las fases es la superficie de todas las burbujas formadas.Las torres de platos son columnas dentro de las cuales estn instalados platos igualmente espaciados. Los platos poseen perforaciones, a travs de las cuales pueden ascender los vapores procedentes de los platillos inferiores, lo que posibilita la interaccin gas-lquido.Segn sea el diseo del plato, en lo que respecta a la configuracin del orificio y a la existencia o no de tubos bajantes para el descenso de lquido, las torres de platos se clasifican en: Platos con sombrerete o campana (cazoleta) Platos cribados o perforados Platos de vlvulas.Las caractersticas comunes de los diferentes tipos de platos son el gran contacto entre las fases, la facilidad de limpieza y la posibilidad de evacuacin del calor, evolucionado en el proceso, con la introduccin de serpentines en el espacio interplatos.

La figura muestra el esquema de una torre de platos, en la misma, la transferencia de masa se efecta de forma escalonada, segn asciende el gas de uno a otro plato a contracorriente con el flujo de lquido, que se desplaza con una trayectoria con zigzag en el interior de la torre.El elemento fundamental de los dos primeros platos son las cazoletas, el gas burbujea en el lquido al salir de las cazoletas. Las cazoletas se distribuyen de forma regular en el plato, dejando una zona libre de las mismas en las proximidades de los dos tubos de bajada. Cuando la separacin entre los tapacetes es pequea, es mejor el contacto entre las fases.El tapacete de la cazoleta puede ser semejante a una campana con agujeros o con dientes puntiagudos.Las cazoletas con campana con agujeros tienen un tubo central cuya altura debe ser mayor que la altura deseada para la capa de lquido en el plato, con lo cual se garantiza que el lquido se desplace solamente a travs de los tubos de bajada del plato. Para asegurar que el gas burbujee en el lquido, es preciso que las ranuras de la campana estn cubiertas por el lquido.

Las torres de platos con cazoletas pueden manipular gastos de lquidos grandes y pequeos y resultan las ms eficientes en torres de grandes dimensiones.La campana mostrada en la siguiente figura se compone del tubo central, que est fijado en el agujero del plato, la campana est unida al tubo central mediante un tornillo que atraviesa un listn transversal soldado en el extremo superior del tubo, o tambin puede estar soldada al tubo.Plato perforado

Plato de vlvulas

Plato de casquete de burbujeo

Los platos de vlvula son platos perforados cuyas aberturas para el flujo de gas poseen un rea variable. Las perforaciones tienen dimetro de 3 a 4 cm, si son circulares y estn cubiertas con casquetes movibles, que se elevan a medida que aumenta el rgimen del gas.

Los platos vlvula mantienen un equilibrio, acorde a la presin del gas con relacin a la de la columna del lquido, a travs del libre desplazamiento de la vlvula segn la altura de los fijadores o retenedores, de forma tal que el recorrido va desde la altura mayor, que deja pasar mayor cantidad de gases, hasta el cierre completo.

MODELOS DE PLATOS (PLATO PERFORADO)

MODELOS DE PLATOS (PLATO DE CAPUCHA Y TIPOS DE CAPUCHA)

COLUMNAS DE CONTACTO DISCONTINUO

COLUMNA DE CONTACTO CONTINUO

FUNCIONAMIENTO DE UNA COLUMNA DE CONTACTO DISCONTINUO

COLUMNA DE ABSORCIN CONTACTO DISCONTINUO (LNEAS DE EQUILIBRIO Y OPERACIN ETAPAS IDEALES)

Condiciones que favorecen a las columnas:

COLUMNAS DE RELLENOCOLUMNAS DE PLATOS

Columnas de pequeo dimetroCargas variables de lquido y/o vapor

Medios corrosivosPresiones superiores a la atmosfrica

Bajas retenciones de lquido (si el material es trmicamente inestable)

Bajas velocidades de lquido

Lquidos que forman espuma (debido a que en columnas de relleno la agitacin es menor)

Gran nmero de etapas y/o dimetro

------------------------------------------Elevados tiempos de residencia del lquido

------------------------------------------Posible ensuciamiento (las columnas de platos son ms fciles de limpiar)

------------------------------------------Esfuerzos trmicos o mecnicos (que pueden provocar la rotura del relleno)

3.3 OTROS EQUIPOS

3.3.1 EQUIPOS DE ABSORCIN DE PULVERIZACIN

En los absorbedores de pulverizacin (atomizacin), la superficie de contacto entre las fases se crea por lapulverizacin del lquido en la masa del gas en forma de gotas pequeas.

En la figura se muestra un absorbedor de pulverizacin, puede observarse el cuerpo de la torre (1) y los inyectores de lquidos (2) situados en la parte superior. Existen diferentes estructuras para estos absorbedores, las ms corrientes son cmaras huecas en las cualeslos fluidos se mueven a contracorriente.

Los ms recientes emplean un tubo de Venturi, en el cual los fluidos se mueven en la misma direccin, con gran intensidad en la formacin de burbujas, que luego se descomponen al descargar la mezcla en una cmara.

Estos equipos tienen una construccin simple, pero sus gastos operacionales son elevados debido al consumo grande de energa en la pulverizacin del lquido. Son relativamente poco eficaces, se les emplea solamente con gases que se disuelven bien.

El contacto gas-lquido es relativamente pequeo y se produce una pequea cada de presin en la corriente gaseosa.

3.3.2 COLUMNAS DE PAREDES MOJADAS

Se analiza la absorcin del oxgeno del aire en una columna hmeda con agua a la que que se ha quitado el oxgeno al burbujear nitrgeno.

Este es un ejemplo de control de absorcin por film lquido. El coeficiente de transferencia de masa se puede estudiar para varios caudales de lquido.

3.3.3 TANQUES CON AGITACIN MECNICA

IV. EQUIPO PROTOTIPO: TORRES DE RELLENO

En la absorcin de gases se absorbe un gas, contenido en una mezcla con otro gas inerte, mediante un lquido en el que el soluto gaseoso es ms o menos soluble. Este proceso se utiliza cuandono es posible la separacin por destilacin, por Ej.: Cuando las presiones de vapor de los componentes son muy parecidas.Utilizamos la absorcin gaseosa a travs de un lquido, en el cual uno de los componentes gaseosos sea miscible. Este tiene que ser soluble en el lquido.El aparato ms frecuentemente utilizado en la absorcin de gases, y tambin en otras operaciones, es la torre de relleno, provista de una (cmara) entrada y una cmara de distribucin de lquido en la parte superior, salidas para el gas y el lquido en la cima y en el fondo respectivamente, un lecho de partculas slidas inertes que reciben el nombre de relleno.La solubilidad del gas en el lquido es funcin de la naturaleza de ambos componentes,de la temperatura, de la presin parcial del gas en la fase gaseosa y de la concentracin del gas disuelto en el lquido.Al elevarse la temperatura del sistema se verifica que el proceso va acompaado de un desprendimiento de calor, la solubilidad del gas disminuir. Por otra parte, la solubilidad aumenta con la presin parcial del gas, siendo independiente de la presin total.

Otra definicin:En la absorcin de gases un vapor soluble se absorbe desde su mezcla con un gas inerte por medio de un lquido en el que el gas (soluto) es ms o menos soluble.Un aparato frecuentemente utilizado en absorcin de gases y en algunas otras operaciones de transferencia de materia es la columna o torre de relleno. El dispositivo consiste en una columna cilndrica, o torre, equipada con una entrada de gas y un espacio de distribucin en la parte inferior; una entrada de lquido y un distribuidor en la parte superior; salidas para el gas y el lquido por cabeza y cola, respectivamente; y una masa soportada de cuerpos slidos inertes que recibe el nombre de relleno de la torre. El soporte ha de tener una gran fraccin de rea libre de forma que no se produzca inundacin en el plato de soporte. La entrada del lquido, que puede ser disolvente puro o una disolucin diluida del soluto en el disolvente, y que recibe el nombre de lquido agotado, se distribuye sobre la parte superior del relleno mediante un distribuidor y en la operacin ideal, moja uniformemente la superficie del relleno.

El gas que contiene el soluto, o gas rico, entra en el espacio de distribucin situado debajo del relleno y asciende a travs de los intersticios del relleno en contracorriente con el flujo de lquidos. El relleno proporciona una gran rea de contacto ntimo entre el lquido y el gas, favoreciendo as el contacto entre las fases. El relleno permite que volmenes relativamente grandes del lquido pasen a contracorriente con respecto al gas que fluye a travs de las aberturas, con cadas de presin del gas relativamente bajas. El soluto contenido en el gas rico es absorbido por el lquido fresco que entra en la torre y el gas diluido o agotado abandona la torre. El lquido se enriquece en soluto a medida que desciende por la torre y el lquido concentrado sale por el fondo de la torre.Etapas en el diseo

Las etapas en el diseo de una columna de relleno de absorcin, pasa por los siguientes puntos o etapas:1) Seleccin del disolvente.2) Obtencin de datos de equilibrio.3) Balance de materias.4) Balance entlpico (excepto para absorcin isoterma).5) Eleccin del relleno y clculo del dimetro de la columna.6) Clculo de la altura de la columna.

En la absorcin de gas dependiendo del diseo se puede dar el caso de que tan slo sirva un disolvente especfico, por el contrario cuando es posible seleccionar entre unos cuantos se da preferencia a los lquidos con altas solubilidades del soluto. La alta solubilidad reduce la cantidad de disolvente a recircular. El disolvente debe ser relativamente no voltil, econmico, no corrosivo, estable, no viscoso, no espumante y de preferencia no inflamable. Ya que, por lo general, el gas que sale est saturado con disolvente, la prdida de ste puede ser costosa. Por lo tanto, se pueden escoger disolventes de bajo costo entre los ms costosos de elevada solubilidad o baja volatilidad. En la absorcin de gases, la nueva fase consta del disolvente inerte no voltil (absorcin) o el gas inerte no soluble (separacin) y por lo general no se requiere reflujo.

Efecto de la PresinLas columnas de absorcin con frecuencia son operadas bajo presin para incrementar la capacidad y elevar las velocidades de transferencia de masa. La presin parcial de equilibrio del soluto depende slo de la composicin del lquido y de la temperatura, as que la fraccin mol de equilibrio en el gas vara inversamente con la presin total.yA= PA / PSi las velocidades de gas y lquido se mantienen constantes de modo que la lnea de operacin no cambie hacia una presin mayor, se incrementa la fraccin mol de la fuerza impulsora, tal como se muestra en la figura, y se reduce el nmero de unidades de transferencia. A mayor presin, la velocidad mnima del lquido es ms pequea, as que la lnea de operacin podra cambiar para dar un producto ms rico, como se indica con la lnea de trazos discontinuos en la figura, y alrededor del mismo nmero de unidades de transferencia que antes.

Efectos de TemperaturaCuando una torre de absorcin se alimenta con un gas rico, la temperatura de la torre vara en forma apreciable desde el fondo hasta la parte superior de la misma. El calor de absorcin del soluto aumenta la temperatura de la solucin, mientras que la evaporacin del disolvente tiende a disminuir la temperatura. Es comn que el efecto global es un aumento de temperatura del lquido, pero a veces la temperatura pasa por un mximo cerca del fondo de la columna. La forma del perfil de temperatura depende de las velocidades de absorcin de los solutos, de la evaporacin o condensacin del solvente y de la transferencia de calor entre las fases. Cuando la temperatura del gas a la entrada es similar a la de salida del lquido, y el gas que entra est saturado, hay poco efecto en la evaporacin del solvente, y el aumento de la temperatura del lquido es aproximadamente proporcional a la cantidad de soluto absorbido. En este caso, la lnea de equilibrio se curva gradualmente hacia arriba.Cuando un gas rico se introduce como alimentacin en una torre de absorcin, la temperatura vara a lo largo de la torre, y este gradiente de temperatura afecta a la forma de la lnea de operacin equilibrio. La velocidad de absorcin es grande a la entrada del gas, y el calor de disolucin del componente absorbido puede ser suficiente para provocar un aumento considerable de la temperatura del lquido. Puesto que la presin parcial del componente absorbido aumenta con la temperatura, la concentracin del vapor en equilibrio con un lquido de una composicin definida aumenta tambin con esta, la lnea de equilibrio puede cortar a la lnea de operacin, y en el fondo de la torre el proceso se detiene.

Velocidad de Inundacin

Una torre que contiene un determinado relleno, regara con un flujo definido de lquido, la velocidad del flujo del gas tiene un lmite superior, que se conoce como "VELOCIDAD DE INUNDACIN. Esta velocidad puede obtenerse a partir de la relacin entre la cada de presin a travs del lecho de relleno y la velocidad del flujo del gas; a partir del lquido retenido por el relleno.En una torre empacada con cierto tipo y tamao de relleno y con un flujo conocido de lquido, existe un lmite mximo para la velocidad del flujo de gas, llamado velocidad de inundacin. La torre no puede operar con una velocidad de gas superior a sta. A velocidades gaseosas bajas, el lquido fluye hacia abajo a travs del empaque casi sin influencia por el flujo ascendente de gas. A medida que se aumenta el gasto de gas (cuando se trata de velocidades bajas), la cada de presin es proporcional al gasto a la potencia 1.8. Al llegar al gasto de gas llamado punto de carga, ste comienza a impedir el flujo descendente de lquido y al mismo tiempo aparecen acumulaciones o piscinas localizadas en el empaque. La cada de presin del gas comienza a incrementarse a velocidades cada vez mayores; a medida que el gasto del gas aumenta, la acumulacin o retencin de lquido tambin aumenta. En el punto de inundacin el lquido ya no puede seguir fluyendo a travs del empaque y sale expulsado con el gas. En la operacin real de una torre, la velocidad del gas se mantiene por debajo del punto de inundacin. Entonces la velocidad gaseosa econmica ptima se aproxima a la mitad de la velocidad de inundacin. Esta velocidad depende de un balance econmico entre el costo de la energa y los costos fijos del equipo.

Balances de materiaTal como se ha visto, el dimetro de una torre empacada de absorcin depende de las cantidades de gas y lquido tratadas, de sus propiedades, y de la relacin de una corriente con otra. La altura de la torre, y por tanto el volumen total del empaque, depende de la magnitud de los cambios deseados en la concentracin y de la velocidad de transferencia de masa por unidad de volumen empacado. Por tanto, los clculos de la altura de la torre se basan en balances de materia, balances de entalpa y en estimaciones de la fuerza impulsora y de los coeficientes de transferencia de materia.En una planta de contacto diferencial, tal como la torre empacada de absorcin que se ilustra en la figura I, las variaciones de composicin son continuas de un extremo a otro del equipo. Los balances de materia para la porcin de la columna por encima de una seccin arbitraria son los siguientes:DONDE:G: Cantidad total de gas que pasa a travs de la torre.L: Cantidad total de lquido que baja por la torre.G: Moles de gas que no se difunde en la torre.L': Moles de lquido que no se difunde en la torre.G; L: Son constantes a lo largo de la torre.y: Fraccin molar. Y: Relacin molar. Pa: Presin parcial. x: Fraccin molar. X: Relacin molar.

Parte Gaseosa

Parte Lquida

Haciendo un balance de material referido al componente a separar, entre una seccin de la torre y la seccin inferior tenemos.G = (Y(n-1) Y) = L`(Xn X)

Esta ltima, en el diagrama X-Y representa una lnea que pasa por el punto (Xn; Yn+1) y tiene como pendiente L/G.Aplicando el mismo balance entre la seccin anterior y la parte superior de la torre tenemos:G = (Y1 Y) = L`(X0 X)

PLANTA DE ABSORCIN GASEOSA

V. APLICACIONES INDUSTRIALES

5.1 APLICACIONES DE LA ABSORCIN

Recuperar productos de corrientes gaseosas con fines de produccin Produccin industrial de disoluciones cidas o bsicas en agua (cidos clorhdrico, sulfrico y ntrico o hidrxido amnico). Recuperacin de gases cidos como H2S, mercaptanos y CO2 con disoluciones de aminas. Control de emisiones de contaminantes a la atmsfera, reteniendo las sustancias contaminantes (compuestos de azufre, clorados y fluorados) Eliminacin de SO2 de gases de combustin con disoluciones acuosas de hidrxido de sodio. Eliminacin de xidos de nitrgeno con disoluciones de agentes oxidantes.

5.2 APLICACIONES DEL STRIPPING O DESORCIN

El "stripping" o desorcin es un mtodo de tratamiento de aguas empleable en el caso de que los compuestos a eliminar del agua tengan tendencia a pasar a un gas. En el caso, y slo en el caso, que se d esta condicin la tcnica del stripping es viable. El gas puede ser cualquiera, siendo en tratamiento de aguas los ms comunes vapor o aire.El stripping supone, por tanto, el trasvase de la contaminacin de un medio (agua) a otro (gas). En una aplicacin medioambiental slo tiene sentido cuando la eliminacin, o desactivacin de su potencial contaminante, es ms fcil en la fase gas que en el agua.Tecnolgicamente, el stripping no es ms que una instalacin en la que se favorece el intercambio de compuestos entre la fase lquida y la fase gas, de manera que la cintica del proceso permita unas velocidades suficientes para la aplicacin prctica. Ello se logra en columnas de stripping, en las que mediante un relleno adecuado se maximiza la superficie de contacto entre lquido y gas. El agua desciende por dicho relleno, mientras que el gas circula en sentido contrario.Algunos ejemplos de la utilizacin de stripping son: Stripping por aire para separar compuestos orgnicos halogenados en potabilizacin de aguas o descontaminacin de aguas subterrneas.

Stripping por vapor para separar compuestos poco voltiles y solubles.

Stripping por aire caliente para separar compuestos muy solubles, en los que el stripping por vapor no sea aplicable ya que dichos compuestos no pueden separarse de la fase acuosa una vez condensado el vapor. Tratamiento del aire del stripping, por ejemplo, por oxidacin cataltica.

5.2.1 Formas de realizacin de la desorcin o stripping y su relacin con las variables

Bsicamente, el stripping puede realizarse a temperatura y presin ambiente o a diferentes temperaturas y presiones. Tambin puede modificarse el gas del stripping, aunque normalmente se utiliza aire o vapor.

Modificacin de la presin:El rendimiento del stripping se ve favorecido por la disminucin de la presin. En general, el coste energtico y de aparataje que supone trabajar a presiones reducidas no compensa los beneficios obtenidos.Excepciones son por ejemplo casos en los que existe vaco disponible, por ejemplo en tcnicas de descontaminacin de suelos, cuando se trata simultneamente gases del suelo aspirados y aguas subterrneas.

Modificacin de la temperatura:A temperatura ambiente, normalmente slo se produce la desorcin de compuestos bastante voltiles y a concentraciones reducidas. (Aproximadamente volatilidad mayor a la del naftaleno)La temperatura se modifica bien mediante la utilizacin de vapor en lugar de aire, o bien mediante la utilizacin de aire caliente. En este caso, el aire debe suministrarse Su presencia en la fase gas.

Un aumento del caudal del gas.

Stripping con aire caliente o vapor:El stripping con aire caliente o vapor es una variante del saturado de humedad, para evitar la evaporacin de agua y por tanto el enfriamiento del sistema.La utilizacin de aire o vapor viene condicionada por la temperatura de trabajo del sistema (a presin atmosfrica slo puede trabajarse con vapor a temperaturas de 100 C), del coste del aire caliente y/o vapor y de la gestin ulterior del gas y/o condensados.

5.2.2 Parmetros que favorecen el Stripping

Un aumento de la temperatura favorece la desorcin de los compuestos (aumenta la presin de vapor y por tanto su pase a la fase gas).Una disminucin de la presin del sistema, ya que a la misma presin del vapor de determinado compuesto, aumenta stripping que aprovecha el aumento de la temperatura, para aumentar la presin parcial del vapor y por tanto la volatilidad de la sustancia a desorber.

Stripping al vapor con separacin de fases del residuo orgnico

Este proceso presenta sus ventajas y desventajas:VENTAJAS: Empleable para concentraciones mayores o compuestos menos voltiles. Puede prescindirse del tratamiento posterior de gases, en el caso de condensacin del vapor. El stripping por aire caliente puede ser empleado tambin para compuestos solubles (no separables de la fase acuosa en el caso del stripping por vapor. La energa para calentar el aire puede obtenerse reaprovechando la energa residual de la oxidacin cataltica del gas del stripping.

DESVENTAJAS: Mayor coste de inversin. Aumentan los problemas de corrosin del material. Materiales plsticos pueden ser no utilizables. En el caso del stripping por vapor, la fase orgnica debe ser fcilmente extrable (al menos uno de los compuestos significativos debe ser poco soluble, normalmente). En el caso del vapor, elevado consumo de energa, o instalacin complicada y en el caso de reutilizacin de la energa de condensacin. Aumentan los problemas de formacin de espumas y la disminucin del rendimiento asociada a ellas. Aumentan los problemas de precipitacin y de atascamiento de los rellenos.

VI. CASO ESPECFICO: STRIPPING DEL AMONIACO

El stripping del amoniaco puede realizarse de 3 maneras diferentes: Stripping con vapor y condensacin (con agua de refrigeracin o bomba de calor) de ste para formar un concentrado de 20-25% p.p. NH3, utilizable para el tratamiento de gases en incineradoras de residuos o centrales trmicas.

Stripping del amoniaco con aire caliente y absorcin del gas del stripping en medio cido, para formar sales como sulfato amnico o fosfato amnico. Utilizacin del sulfato amnico como abono agrcola.

Stripping por aire caliente y oxidacin del gas del stripping, por ejemplo oxidacin cataltica y proceso Denox para eliminar xidos de nitrgeno (proceso AmonCat), a una temperatura de unos 300 C. Proceso AmonOx

.

El mtodo ms apropiado vendr dado fundamentalmente por la concentracin de amonaco, el caudal de la instalacin y la posibilidad de comercializacin de las sales amnicas que se produzcan.

PROCESO AmonOx

STRIPPING DEL AMONIACO Y LAVADO ACIDO

EXTRACCIN O DESORCIN DE AMONACO POR ARRASTRE CON AIREDESCRIPCIN

La extraccin del amonaco por arrastre con aire es un proceso simple de desorcin que se utiliza para reducir el contenido de amonaco en una corriente de agua residual. Algunas aguas residuales contienen grandes cantidades de amonaco y/o de compuestos de nitrgeno que generan fcilmente nitrgeno amoniacal. A menudo es ms fcil y menos costoso el remover el nitrgeno del agua residual en forma de amonaco que el convertirlo a nitratos antes de su remocin (Culp et al., 1978).

El amonaco (una base dbil) reacciona con el agua (un cido dbil) para formar hidrxido de amonio. Para la extraccin del amonaco por arrastre con aire se aade cal viva o soda custica hasta cuando el agua residual llega a un pH de 10.8 a 11.5 unidades estndar, logrndose la conversin de los iones de amonio a amonaco gaseoso segn la siguiente reaccin(es):NH4+ + OH H2O + NH3

La Figura 1 ilustra dos variantes de torres de extraccin de amonaco, las de flujo transversal y las de flujo a contracorriente. En las torres de flujo transversal el gas de disolucin (el aire) entra a travs de toda la capa de relleno y fluye por el material de empaque a medida que el agua alcalina cae al fondo de la torre. En las torres de flujo a contracorriente el aire entra a travs de orificios en el fondo de la misma, mientras que el agua residual se bombea a la parte superior de la torre para ser distribuda por el material de empaque. A medida que las pequeas gotas de agua van cayendo, el amonaco libre (NH3) es arrastrado de estas a la corriente de aire y liberado a la atmsfera.

FIGURA 1: DOS VARIANTES DE TORRES DE EXTRACCIN POR ARRASTRE CON AIRE

APLICABILIDADLa extraccin del amonaco por arrastre con aire es efectiva para aguas residuales con concentraciones de amonaco entre 10 y 100 mg/l. Para un mayor contenido de amonaco (ms de 100 mg/l) puede ser ms econmico el uso de tcnicas alternas de remocin tales como la extraccin con vapor o los mtodos biolgicos. La extraccin por arrastre con aire puede ser utilizada tambin para la remocin de muchas molculas orgnicas hidrofbicas (Nutrient Control, 1983).

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Las siguientes ventajas y desventajas deben ser consideradas cuando se compara la extraccin por arrastre con aire con otros sistemas de remocin de amonaco.

Ventajas

La operacin es relativamente sencilla y no se ve afectada por la fluctuacin del agua residual si el pH y la temperatura del aire se mantienen estables. La extraccin de amonaco por arrastre con aire es un procedimiento mecnico y no produce retrolavados o materiales regenerados. La extraccin por arrastre con aire no se ve afectada por compuestos txicos que puedan alterar el desempeo de un sistema biolgico. La extraccin por arrastre con aire es un proceso controlado para la remocin selectiva del amonaco.

Desventajas

El agua debe ser re-bombeada a la torre de extraccin. El bombeo requiere un mayor mantenimiento y consumo de energa. La formacin de incrustaciones puede ser removida hidrulicamente en la mayora de los casos pero no en todos, lo cual requiere que se hagan estudios piloto en la mayora de las localidades. La extraccin de amonaco por arrastre con aire no puede hacerse en condiciones de helada (a menos que se cuente con suficiente aire caliente). La niebla y la deposicin de hielo tienen como resultado una reduccin significativa en la remocin del amonaco. Mientras que el amonaco normalmente se libera a la atmsfera a bajas concentraciones ( 6 mg/m3), esto puede ser inaceptable en ciertas localidades debido a normas existentes o problemas potenciales de la calidad del aire. La extraccin de amonaco por arrastre con aire no remueve nitratos ni nitrgeno orgnico. Problemas de contaminacin atmosfrica pueden resultar de la reaccin entre el amonaco y el dixido de azufre. La extraccin por arrastre con aire a menudo requiere la adicin de cal viva para control del pH, lo cual puede causar problemas de operacin y mantenimiento. El ruido puede ser problemtico. El pH elevado del agua residual puede degradar las empaquetaduras de madera de la torre de extraccin.

CRITERIOS DE DISEO

Los siguientes criterios deben ser considerados cuando se disea un sistema de extraccin de amonaco por arrastre con aire. Las condiciones ptimas se sealan en parntesis.

Carga hidrulica de agua residual (0.1 a 0.2 l/min/m3 o 1 a 2 gal/min/pie2). Tasa de flujo del aire de arrastre (32 a 54 l/min/m3 o 300 a 500 pie3/min/gal). Profundidad del relleno (6.1 a 7.6 metros o 20 a 25 pies). pH del agua residual (10.8 a 11.5). Reduccin de la presin de aire (0.015 a 0.019 pulgadas de agua por pie). Tipo de soplador de aire. Requerimientos del sitio y del terreno. Material de empaque (plstico o madera). Espacio del empaque (aproximadamente 5 cm o 2 pulgadas en direccin horizontal y vertical). Temperatura del agua. Capacidad de la planta. Concentracin de amonaco en el agua residual. Uniformidad en la distribucin del agua. Remocin de incrustaciones y facilidad de limpieza.

La introduccin de aire en el sistema es una diferencia principal entre las dos variantes de torres de extraccin. En la torre de flujo transversal el aire entra lateralmente, lo cual es mucho menos eficiente que la torre de flujo a contracorriente en donde el aire entra por el fondo.

DESEMPEO

La extraccin de amonaco por arrastre con aire depende altamente de la temperatura del aire y de la razn aire/agua. La eficiencia se reduce significativamente a medida que disminuye la temperatura del aire. A 20C (68oF) se tiene una eficiencia de remocin del amonaco del 90 al 95 por ciento, mientras que a 10C (50F) la eficiencia disminuye al 75 por ciento.

OPERACIN Y MANTENIMIENTO (O/M)

Una programacin rutinaria de O/M debe ser desarrollada y aplicada para cualquier sistema de extraccin del amonaco por arrastre con aire. Actividades rutinarias de O/M incluyen: Seguimiento de todas las recomendaciones del fabricante. Evaluacin y calibracin de equipos. Mantenimiento de bombas y sopladores. Inspeccin peridica de la torre para determinar deposicin de incrustaciones. Mantenimiento de tasas apropiadas de flujo de aire y agua. El ajuste apropiado del pH con cal requiere un manejo cuidadoso de esta. Clarificacin del afluente antes de la extraccin por arrastre con aire. Monitoreo y control de ruido de los equipos de extraccin.La Tabla siguiente enumera las fuentes y soluciones a problemas de ruido.

TABLA: FUENTES DE RUIDO Y SOLUCIONES A PROBLEMAS POTENCIALES

Fuente de ruidoPosible solucin

MotoresInstalacin apropiada, mantenimiento y aislamiento

VentiladoresReduccin de la velocidad de punta e instalacin de silenciadores de escapes

Salpicado del aguaCobertor de agua para el relleno de la torre y la entrada de aire

Fuente: Culp, et. al, 1978.

COSTOS

Los costos de la extraccin de amonaco por arrastre con aire dependen del fabricante de los equipos, la ubicacin de la planta y su capacidad, la concentracin de amonaco en el agua residual, el caudal deseado, los tipos de sopladores, y la temperatura del agua (esta ltima afecta el diseo, y por ello los costos). Las comparaciones de costo son posibles para un grupo especfico de criterios de diseo. Los costos de O/M incluyen la energa elctrica, los materiales, los compuestos qumicos y los costos laborales.

CONCLUSIONES

Tanto la absorcin como la desorcin son operaciones unitarias muy importantes a nivel industrial debido a la gran variedad de usos y aplicaciones que tiene en las diversas actividades industriales, sobre todo en la de purificacin ecolgica del agua de procesos, o en el proceso de destilacin del petrleo, etc.

Segn lo visto en el desarrollo del equipo prototipo, el proceso de alimentacin de la torre empaquetada de desorcin es generalmente llevado a contracorriente, es decir la solucin liquida entra por la parte superior de la torre, y el gas que absorber al elemento a separar entrar por la parte inferior de la torre y as la solucin viene de arriba a abajo y el gas se mueve de abajo a arriba, absorbiendo o desorbiendo el gas deseado.

La forma y el tipo del relleno dependen del lquido y gas a utilizar. Hay que recalcar que el relleno tiene como caracterstica fundamental la no reactividad (son inertes).

Los anillos Rasching son los generadores de la cada de presin que se observa durante un proceso con torres empacadas, ya que el contacto con las sustancias las hace perder energa y esta energa prdida es la generadora de la cada de presin; a su vez este tipo de relleno es el ms usado comnmente en los procesos con torres empacadas por su gran alcance de rea superficial y su precio econmico.

En conclusin ambos procesos tanto el de absorcin como el de desorcin, presentan variadas formas de uso; diferenciando estas por las variables a medirse, las condiciones, los materiales a usarse y los resultados a esperarse.

Tanto la absorcin como la desorcin son operaciones de transferencia de materia cuyo objetivo es separar uno o ms componentes de una fase con ayuda de otra fase, para la transferencia de masa (la gradiente de concentracin) se toman en cuenta las siguientes condiciones: Polaridad, densidad y viscosidad.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Pginas web:

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Video:1. https://www.youtube.com/watch?v=II37AQaXj2Q

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