5.4. Absorción de gases

Torre de absorción de gases

Flujo en contracorriente

La figura presenta el esquema de una torre que puede ser rellena o de platos.

La corriente gaseosa en cualquier punto de la torre es G moles totales / h de superficie transversal de la torre; esto difundiendo un soluto A de fracción molar y , presión parcial P, o razón molar Y un inerte gaseoso moles (h / ) .

Luego

análogamente! la corriente líquida es de L moles /h y contiene x fracción molar de gas soluble, o razón molar X y existe un solvente no volátil mol / h .

Ya ,que los solventes gas y líquido no cambian a lo largo de la torre se puede escribir

( - Y) = ( - X )

Esta es la ecuación de la línea de operación de pendiente / que pasa por el punto (, ), Cambiando X, Y por , es la situación representando por la siguiente figura, que representa un absorbedor.

A su vez la curva MN es la curva de equilibrio obtenida de los datos de solubilidad de equilibrio.

Para un stripper o desorbedor la línea de operación queda por debajo de la línea de equilibrio, según se presenta en la figura siguiente:

Stripper o Desorbedor

 

Las líneas de operación son curvas al construir los gráficos en otras unidades (fracción molar o presión parcial).

Razón mínima gas-liquido para absorbedores.

En el diseño de absorbedores, la cantidad de gas a ser tratada G ó las concentraciones de los extremos , , las composiciones del liquido de entrada son fijadas por las condiciones del proceso. Pero la cantidad de líquido a usar; se puede elegir la más adecuada.

En la figura siguiente, la línea de operación pasa por D y debe terminar en la ordenada . Si se emplea una cantidad de liquido tal que dé la línea DE , la composición de salida será . Si se emplea menos liquido, la composición de salida será mayor tal como el punto F pero al disminuir la fuerza directriz, la absorción es más difícil. El tiempo de contacto entre gas y liquido. Debe ser mayor y el absorbedor será más alto. La cantidad mínima de liquido a utilizar corresponde a la línea de operación DM, que es la de mayor pendiente y es tangente a la curva en P.

En P la fuerza directriz es nula, el tiempo de contacto es infinito y la torre es de altura infinita. Este es el valor limite de la razón gas-líquido.

Ejemplo:

Se desea purificar gas de carbón de hidrocarburos livianos, lavándolos con aceite liviano y los hidrocarburos livianos se recuperan por desorción con vapor.

Las condiciones del proceso son:

a) absorbedor :

gas de entrada 30.000 / h a 800 mm de Hg 80º F y contiene 2 % en volumen de hidrocarburos livianos.

El hidrocarburo liviano es benceno, y se desea una recuperación del 95 %. El aceite de lavado entra al absorbedor a 80'F, contiene 0,005 fracción molar de benceno y con un peso molecular promedio de 260. Una velocidad de circulación de aceite de 1,5 veces el mínimo se va a utilizar y las soluciones aceite liviano-benceno son ideales y la temperatura es de 80º F.

b) Stripper

la solución del absorbedor se calienta a 250º F y entra al stripper a 1 atm de presión. El vapor de strípping está a presión atmosférica y sobrecalentado a 250º F. El aceite sin benceno, tiene 0,005 fracción molar de benceno, se enfría a 80º F y se devuelve al absorbedor un caudal de vapor de 1,5 veces el mínimo que se emplea en el equipo. La temperatura es 250º F. Calcular caudal de aceite y de vapor.

Solución:

A 80 º F la presión de vapor del benceno es:

Para solución ideal

luego

que es la curva de equilibrio para el absorbedor y está dibujada en la Fig. 6. Las líneas de operación parten del punto D de la figura.

Para un caudal mínimo de aceite, la línea DE está con la pendiente máxima y es tangente a la curva de equilibrio.

La línea de operación es DF

b) Stripper

a 250'F, la presión de vapor del benceno es 2.400 mm Hg o 3,16 atm. La curva de equilibrio para el stripper es:

Esta curva está en la figura 7

Para establecer el caudal mínimo de vapor, se dibuja la línea MN tangente a la curva de equilibrio y en el punto N (Figura7).

este valor corresponde a la línea MP.

Figura 7.

Altura equivalente á un plato teórico

Absorción de un componente:

El área interfase que cubre la película de liquido es: S /( de sección de torre).

Si se denomina a los de área interfase por pie 3 de relleno de la torre y, es / de superficie de sección de torres luego, en un elemento dZ de volumen de la torre.

 

La masa de soluto en el gas es: Gy mol / h el caudal es d (Gy)

el gas solvente no varia a lo largo de la torre

reemplazando (ii) en (i), e integrando

Los valores de se encuentran con los métodos ya vistos y con

/N = 1

Se dibuja una curva de operación , vs de la ecuación (iv) para determinar la intersección con la curva de equilibrio.
Esto da valores de y e para emplearlos en la ecuación (iii) , ésta última puede ser integrada en forma gráfica o numérica.

También, se acostumbra trabajar en la siguiente forma:

ya que: Y – = ( 1- ) - (1- Y)

multiplicando este valor en la ecuación (iii) se tiene:

(1 - y) ím es la media logarítmica de (1- i) y (1 - y)

Definiendo la altura de la unidad de transferencia

Ejemplo:

el absorbedor de benceno para limpiar gas de carbón es una torre rellena, 1,5 pie de diámetro, rellena con monturas Berl de 1,5 pulg.

Las condiciones de operación son:

Gas:

Contenido de benceno
entrada
= 0,02 fracción molar
= 0,0204 mol / mol gas seco
Salida
= 0,00102 fracción molar salida
= 0,00102 mol / mol gas seco

Gas no absorbido : peso molecular promedio : 11

Caudal de entrada 80,8 lb mol total/h
79,1 mol/h (no es benceno)
temperatura 80 º F
presión 800 mm Hg
viscosidad 0,01 cp
0,504 / h

Liquido

Contenido benceno  
entrada
= 0,005 fracción molar
= 0,00502 moles vapor moles gas seco
salida
= 091065 fracción molar
= 0,1192 mol vapor / mol gas

Aceite libre de benceno:

peso molecular 260
viscosidad 2,0 cp
gravedad especifica 0,84
caudal 13943 lb mol/h
temperatura 80 º F

tensión superficial : 30 dinas /cm

m = y* / x = 0,1250

Calcular el relleno necesario

solución:

para calcular la línea de operación, se usa: ( - Y) = ( - X)

para calcular los valores de X, Y, y se convierten

luego con

79,1 (0,0204 - Y) 13,43 (0,1192 - X)

se construye la Tabla

X
x
Y
y
0,00502
0,00500
0,00102
0,00102
0,02
0,01961
0,00356
0,00355
0,04
0,0385
0,00695
0,00690
0,06
0,0566
0,01035
0,01024
0,08
0,0741
0,01374
0,01355
0,10
0,0909
0,101714
0,01685
0,1192
0,1065
0,0204
0,0200

Los valores de y, x se dibujan versus la línea de equilibrio:

y 0,1250 x en la figura 8.

La línea de operación no es recta en este sistema de coordenadas (fracción molar).

El área transversal del absorbedor es en, el fondo:

Análogamente, en la cabeza

Los cambios de flujo entre el fondo y la cabeza son tan pequeños que pueden emplearse los valores medios para calcular los coeficientes de transferencia de masa.

= 26,1 lb mol/h

= 5,0 lb mol / h

Para cada punto de la línea de operación

se pueden determinar las composiciones de la interfase

Así por ejemplo:

se lleva al gráfico (Fig. 8) y de la curva AB que corta a la curva de equilibrio en B, = 0, 01580

Nota: ya que las concentraciones son bajas se puede emplear el siguiente método:

En el punto A, de la línea de operación:

1 - y = 1 - 0,02 = 0,98

1 - x = 1 - 0,1065 = 0,8935

Aproximando, se tiene

Al dibujar la recta con esta pendiente corta a la línea de equilibrio en = 0,01585.

La curva AB es casi una recta de pendiente -0,210 B1 error que se produce es cada vez menor a medida que las concentraciones de soluto bajan.

Si se emplean los F hay que hacer lo siguiente:

Se dibuja la vertical AC hasta la intersección con la horizontal CB, y se localiza el punto de corte C. Se repite el cálculo en otros puntos tales como D y E, y se dibuja la línea EDC. Concentraciones de la ínter fase G que corresponden a los puntos F en la línea de operación se obtienen con la construcción indicada para G.

De forma análoga se determinan los valores que están en:

y
Y
y –

log y
0,00102
0,000784
4,32
-.2,9999 = log
0,00355
0,00285
5,03
- 2,4498
0,00690
0,00562
5,39
- 2,1612
0, 01024
0, 00830
5, 39
- 1, 9897
0,01355
0,01090
5,11
- 1,8681
0,01685
0,01337
4,84
- 1,7734
0,0200
0,01580
4,76
- 1,6990 = log

ya que los coeficientes de transferencia de masa son constantes.

El área bajo la curva (hasta la ordenada cero) es 6,556.

De los datos tabulados se puede realizar la integración gráfica ver Fig. 8.

luego,

El caudal medio gaseoso es:

luego,

Figura 7

Figura 8