Operaciones de transferencia de materia entre fases por contacto continuo. Absorción gas-líquido
En este video se hace una breve introducción a la absorción gas-líquido y se describen algunas de las consideraciones generales a tener en cuenta en este tema.
En este video se describen los distintos tipos de columna de absorción, así como, las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.
Debemos recordar que:
En los aparatos que se emplean para llevar a cabo operaciones de transferencia de materia entre fases, se trata de armonizar los siguientes cuatro requisitos:
- Máxima superficie de contacto gas líquido y máxima renovación de la misma.
- Mínimo consumo energético.
- Mínimo coste.
- Mínimo espacio ocupado.
Esto puede llevarse a cabo mediante tres técnicas básicas:
- Disgregando el gas en pequeñas burbujas que fluyen por una fase líquida continua (p. ej. columnas de platos, columna de burbujeo).
- Dividiendo la corriente líquida en numerosas películas delgadas que fluyen a través de una fase gaseosa continua (p. ej. columnas de relleno).
- Dispersando el líquido como una multitud de gotas discretas en una fase gaseosa continua (p. ej. cámaras de pulverización)
De los distintos tipos de columnas de absorción estudiaremos en más profundidad la columna de relleno, que se desarrollará en el siguiente punto.
Llegado a este punto, es interesante comentar brevemente algunas cuestiones sobre la elección del disolvente adecuado para la absorción.
Si el propósito principal de la operación es producir una disolución específica, como por ejemplo ácido clorhídrico, el disolvente viene especificado por la naturaleza del producto.
Si el propósito es eliminar algún componente del gas, casi siempre existe la posibilidad de elección.
El agua es el disolvente más común utilizado para absorber contaminantes inorgánicos, también se usa para absorber compuestos orgánicos que tienen solubilidades en el agua relativamente altas.
Para los compuestos orgánicos que tienen baja solubilidad en agua, se usan otros disolventes, tales como los aceites de hidrocarburos, aunque solamente en industrias donde están disponibles grandes volúmenes de estos aceites (p. ej., refinerías de petróleo y plantas petroquímicas).
Por supuesto el agua es el disolvente más barato y más completo, pero debe darse considerable importancia a las siguientes propiedades:
1.- Solubilidad del gas.
Debe ser elevada a fin de aumentar la velocidad de absorción y disminuir la cantidad de disolvente necesaria.
2.- 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.
3.- Corrosión.
No debe ser corrosivo, de modo que los materiales de construcción del equipo no deben ser raros o costosos.
4.- Costo.
El disolvente debe ser barato de forma que la pérdidas no sean costosas y debe obtenerse fácilmente.
5.- 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.
6.- Otras características.
Es además deseable que el disolvente no sea tóxico, ni inflamable, debe ser estable químicamente y tener un punto de congelación bajo.
Para entender el equilibrio gas-líquido debemos conocer:
SOLUBILIDAD DEL GAS EN EL LÍQUIDO: Concentración del gas disuelto en el líquido cuando al ponerse ambos en contacto alcanzan el equilibrio.
Para una concentración de soluto dada en el líquido:
- El gas es poco soluble si su presión parcial es alta en la fase gaseosa.
- El gas es soluble si su presión parcial es baja en la fase gaseosa.
También podemos observar en el gráfico que:
Si una mezcla de gases se pone en contacto con un líquido, la solubilidad en el equilibrio de cada gas será independiente de la de los demás, siempre y cuando el equilibrio se describa en función de las presiones parciales en la mezcla gaseosa. Si todos los componentes del gas, excepto uno, son básicamente insolubles, sus concentraciones en el equilibrio serán tan pequeñas que no podrán afectar la solubilidad del componente soluble. Si varios componentes del gas son solubles, entonces sólo cuando la disolución sea ideal, las relaciones de equilibrio para estos componentes serán independientes entre sí.
Para disoluciones ideales y gases perfectos: ley de Raoult: PA = PVA.x
Para disoluciones no ideales: Ley de Henry, PA = H xA.
Esta ley se aplica en aquellos casos en que el gas posee la misma forma molecular en ambas fases. Si esto no ocurre, por presentarse fenómenos de asociación o disociación, las desviaciones suelen ser muy grandes. Puede esperarse que muchos gases sigan la ley de Henry hasta presiones en el equilibrio de aproximadamente 5 atm.
Otra forma de expresar el equilibrio gas-líquido es representando la inversa de la constante de la ley de Henry en función de la temperatura, como se muestra en la figura para distintos gases disueltos en agua.
En una columna de absorción gas-líquido genérica, los flujos de ambas fases pueden describirse de la siguiente manera:
Los objetivos principales de los procedimientos de diseño son determinar el área de intercambio de la columna y la caída de presión a través de la columna. Para determinar estos parámetros, deben realizarse los siguientes pasos:
- Determinar las condiciones de la corriente de gas y de líquido que entra y salen de la columna.
- Determinar el diámetro de la columna.
- Determinar la altura de la torre.
- Determinar la caída de presión de la columna de relleno.
Como punto de partida realizamos las siguientes suposiciones: pinche en los siguientes iconos para connocerlas.
Como hemos podido observar los caudales de gas y líquido inertes no cambian cuando pasan a través de la torre, por tanto, conviene expresar el balance de materia en función de éstos, utilizando relaciones molares para expresar la concentración.
Un balance de soluto en la parte inferior de la torre (entorno la línea verde ) se realiza como se muestra a continuación
:
Reordenando esta ecuación, se puede expresar la relación de soluto en el gas (Y) en función de su relación molar en el líquido (X) :
Como podemos ver esta ecuación se ajusta a la ecuación de una recta en las coordenadas X e Y.
Esta lína representa las concentraciones del líquido y el gas a cualquier altura de la torre.
Cada punto sobre la curva de equilibrio representa la composición del gas en equilibrio con el líquido correspondiente, a la concentración y temperatura locales.
La distancia de la línea operativa a la curva de equilibrio representa la fuerza impulsora para la transferencia de materia.
Dado que la composición de ambas fases cambia continuamente a lo largo de su recorrido por la columna, es necesario aplicar un balance microscópico de soluto y combinarlo con la ecuación cinética de la transferencia de materia.
Para ello, considérese una columna de relleno de sección transversal S (m2). La superficie interfacial efectiva total para la transferencia de masa es A (m2). Esta superficie se describe convenientemente como el producto de la superficie interfacial específica, a (superficie interfacial por unidad de volumen de empaque, m2 m-3) por el volumen empacado V (m3).
Por otro lado, la densidad de flujo de soluto entre ambas fases puede expresarse por el producto del coeficiente global de transferencia de materia con la fuerza impulsora, expresada en función de las composiciones de equilibrio:
El flujo de soluto a través del área interfacial dA comprendida en la sección de columna de altura dZ será NdA:
Por otro lado, también puede expresarse este flujo por:
Para utilizar estas expresiones hay que determinar experimentalmente los coeficientes de transferencia de materia y el área interfacial específica, función de la naturaleza y forma del relleno y de las condiciones fluidodinámicas de ambas fases. Para la mayor parte de los cálculos se utilizan los coeficientes volumétricos (Ka) que engloban ambos parámetros.
Altura de una unidad de transferencia. Número de unidades de transferencia. Altura de relleno.
Considerando el caso de que la transferencia de materia estuviera controlada por la fase gaseosa, del balance de soluto se tiene:
luego:
CRÉDITOS
QUÍMICA. Grupo UAL
RED PARA LA ELABORACIÓN DE MATERIALES DOCENTES INTERACTIVOS DEL ÁREA DE INGENIERÍA QUÍMICA.
ABSORCIÓN GAS-LÍQUIDO: Grupo UAL
José Antonio Sánchez Pérez (Coordinador)
José María Fernández Sevilla
Francisco Gabriel Acién Fernández
José Luis García Sánchez
José Luis Casas López
Luis Alcázar Pérez
Elaboración web:
Elisabet Ortega Gómez
Alejandro Villegas Gázquez
