ABSORCIÓN DE GASES Yarinacocha, julio, 2016 “UNIVERSIDAD NACIONAL INTERCULTURAL DE LA AMAZONÍA” FACULTAD DE INGENIERIA Y CIENCIAS AMBIENTALES ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL DEPARTAMENTO ACADEMICO DE AGROINDUSTRIA

INTRODUCCIÓN En la absorción de gases un vapor soluble se absorbe desde su mezcla con un gas inerte por medio de un líquido en el que el gas (soluto) es más o menos soluble. Una aplicación primordial de la tecnología de absorción es la eliminación de CO 2 y H 2 S a partir del gas natural o del gas de síntesis por absorción en disoluciones de sales de aminas o alcalinas. El lavado de amoniaco a partir de una mezcla de amoniaco y aire por medio de agua líquida es un ejemplo típico. El soluto se recupera después del líquido por destilación, y el líquido absorbente se desecha o se reutiliza. En ocasiones un soluto se remueve de un líquido poniendo este último en contacto con un gas inerte; tal operación, que es inversa a la absorción, recibe el nombre de desorción de gases o eliminación. El objetivo de esta investigación es conocer el fundamento de absorción de gases, para así identificar las aplicaciones tecnologías y llevar los conocimientos a casos prácticos para ser evaluados.

ABSORCIÓN DE GASES La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla gaseosa se pone en contacto con un líquido, a fin de disolver de manera selectiva uno o más componentes del gas y de obtener una solución de éstos en el líquido. Estas operaciones requieren la transferencia de masa de una sustancia en la corriente gaseosa al líquido. Cuando la transferencia de masa sucede en la dirección opuesta, es decir, del líquido al gas, la operación se conoce como desorción. Los principios de la absorción y la deserción son básicamente los mismos, así que las dos operaciones pueden estudiarse al mismo tiempo. Generalmente, estas operaciones sólo se utilizan para la recuperación o eliminación del soluto. Una buena separación de solutos entre sí, exige técnicas de destilación fraccionada (E. Treybal, 1988). CONDICIONES DE EQUILIBRIO ENTRE LIQUIDO Y GAS Cuando dos fases entran en contacto, tienden a alcanzar el equilibrio. Así, el agua en contacto con aire se evapora hasta que el aire está saturado con vapor de agua, y el aire se absorbe en el agua hasta que se alcanza la saturación. En cualquier mezcla de gases, el grado hasta el que se absorbe cada gas está determinado por su presión parcial. A una temperatura y concentración dadas, cada gas disuelto ejerce una presión parcial establecida. Desde este punto de vista podemos considerar tres tipos de gases: Gas muy solubles (amoniaco), gas moderadamente solubles (dióxido de azufre), y gas ligeramente soluble (oxigeno) (J. M. Coulson et al., 1981).

Presión parcial de soluto en la fase gaseosa, (kN/m 2 ) Concentración de soluto en agua kg/1000 kg de agua AmoniacoDióxido de azufreOxigeno Tabla 1. Presiones parciales y concentraciones de soluciones acuosas de gases a 303 K Fuente: J. M. Coulson et al., Para concentraciones diluidas de la mayoría de gases, y en algunos de ellos para una amplia gama de concentraciones, la relación de equilibrio está dada por la ley de Henry. Esta ley, puede escribirse de la forma: P A = H C A (1) Siendo: P A = la presión parcial del componente A en la fase gaseosa. C A = la concentración del componente en el líquido. H= la constantes de Henry.

BALANCE DE MATERIA En una planta de contacto diferencial, tal como la torre empacada de absorción que se ilustra en la figura 1, las variaciones de composición son continuas de un extremo a otro del equipo. Los balances de materia para la porción de la columna por encima de una sección arbitraria, tal como se representa con la línea de trazos discontinuos en la figura 1, son los siguientes: Figura 1. Diagrama de balance de materia para una columna empacada. Fuente: McCabe et al., 2002.

Es posible graficar la línea de operación sobre una gráfica aritmética a lo largo de la curva de equilibrio, tal como se muestra en la figura 2. La línea de operación debe estar por arriba de la línea de equilibrio para que la absorción tenga lugar, puesto que esto proporciona una fuerza impulsora positiva y – y 0 para la absorción.

Relación gas-líquido limitante (o mínima) La ecuación (5) indica que la pendiente media de la línea de operación es L / V, la relación entre los flujos molales del líquido el gas. Por tanto, para un flujo de gas determinado, una reducción del flujo de líquido da lugar a una disminución de la pendiente de la línea de operación. Considere la línea de operación ab de la figura 2. Suponga que tanto la velocidad del gas como las concentraciones extremas Xa, Ya Y Yb se mantienen constantes mientras que el flujo de líquido L disminuye. El extremo superior de la línea de operación se desplaza en la dirección de la línea de equilibrio, y Xb, la concentración del líquido concentrado, aumenta. La máxima concentración del líquido concentrado y la mínima velocidad de flujo del líquido posible se obtienen cuando la línea de operación toca la línea de equilibrio, tal como corresponde a la línea ab' de la figura 2. Figura 2. Relación gas-líquido limitante (o mínima) Fuente: McCabe et al., 2002.

Velocidad de absorción La velocidad de absorción por unidad de volumen de la columna empacada se determina por cualquiera de las siguientes ecuaciones, donde y y x se refieren a la fracción molar del componente que se absorbe: r = k y a (y - y i ) (6) r = k x a (x i - x) (7) r = k y a (y – y*) (8) r = k x a (x* - x) (9) Figura 3. Identificación de las composiciones en la superficie de contacto Fuente: McCabe et al., 2002.

Calculo de la altura de la torre Es factible diseñar un absorbedor utilizando cualquiera de las cuatro ecuaciones básicas de velocidad, pero a menudo se emplean los coeficientes de la película gaseosa, y aquí se enfatizará el uso de K y a. Si se elige el coeficiente de la película gaseosa no se requiere hacer ninguna suposición acerca de la resistencia controlada. Aun si la película gaseosa es la que controla, un diseño basado en K y a es más simple y exacto que uno basado en K x a o k x a. Considere la columna empacada que se muestra en la figura 4 (McCabe et al., 2002). Figura 4. Diagrama de una torre de absorción empacada. Fuente: McCabe et al., 2002.

Elección del disolvente para la solución Si el propósito principal de la operación de absorción es producir una solución específica (como ocurre, por ejemplo, en la fabricación de ácido clorhídrico), el disolvente es especificado por la naturaleza del producto. Si el propósito principal es eliminar algún componente del gas, casi siempre existe la posibilidad de elección. Por supuesto, el agua es el disolvente más barato y más completo, pero debe darse considerable importancia a las siguientes propiedades (E. Treybal, 1988): Solubilidad del gas. La solubilidad del gas debe ser elevada, a fin de aumentar la rapidez de la absorción y disminuir la cantidad requerida de disolvente. En general, los disolventes de naturaleza química similar a la del soluto que se va a absorber proporcionan una buena solubilidad. Así, se utilizan aceites hidrocarbonados, y no agua, para eliminar el benceno del gas producido en los hornos de coque. Para los casos en que son ideales las soluciones formadas, la solubilidad del gas es la misma, en fracciones mol, para todos los disolventes. Sin embargo, es mayor, en fracciones peso, para los disolventes de bajo peso molecular y deben utilizarse pesos menores de estos disolventes, medidos en libras. Con frecuencia, la reacción química del disolvente con el soluto produce una solubilidad elevada del gas; empero, si se quiere recuperar el disolvente para volverlo a utilizar, la reacción debe ser reversible. Por ejemplo, el sulfuro de hidrógeno puede eliminarse de mezclas gaseosas utilizando soluciones de etanolamina, puesto que el sulfuro se absorbe fácilmente a temperaturas bajas y se desorbe a temperaturas elevadas. La sosa cáustica absorbe perfectamente al sulfuro de hidrógeno, pero no lo elimina durante una operación de desorción (E. Treybal, 1988).

Volatilidad. El disolvente debe tener una presión baja de vapor, puesto que el gas saliente en una operación de absorción generalmente está saturado con el disolvente y en consecuencia, puede perderse una gran cantidad. Si es necesario, puede utilizarse un líquido menos volátil para recuperar la parte evaporada del primer disolvente, como en la figura 8.3. Esto se hace algunas veces, por ejemplo, en el caso de absorbedores de hidrocarburos, en donde un aceite disolvente relativamente volátil se utiliza en la parte principal del absorbedor debido a las características superiores de solubilidad y donde el disolvente volatilizado se recobra del gas mediante un aceite no volátil. En la misma forma, se puede absorber el sulfuro de hidrógeno en una solución acuosa de fenolato de sodio; el gas desulfurado se lava posteriormente con agua para recuperar el fenol evaporado (E. Treybal, 1988). Figura 4. Absorbedor de platos con una sección de recuperación del disolvente volátil. Fuente: E. Treybal, 1988.

Corrosión. Los materiales de construcción que se necesitan para el equipo no deben ser raros o costosos (E. Treybal, 1988). Costo. El disolvente debe ser barato, de forma que las pérdidas no sean costosas, y debe obtenerse fácilmente (E. Treybal, 1988). Viscosidad. Se prefiere la viscosidad baja debido a la rapidez en la absorción, mejores características en la inundación de las torres de absorción, bajas caídas de presión en el bombeo y buenas características de transferencia de calor (E. Treybal, 1988). Miscekíneos. Si es posible, el disolvente no debe ser tóxico, ni inflamable, debe ser estable químicamente y tener un punto bajo de congelamiento (E. Treybal, 1988).