ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN OPERACIONES UNITARIAS EQUIPO 6: - FLORES PICHARDO VICTORIA NOHEMÍ - OROPEZA CARRANZA CECILIA DEL ROCIO - PRIETO GALLEGOS JACQUELINE.

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1 ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN OPERACIONES UNITARIAS EQUIPO 6: - FLORES PICHARDO VICTORIA NOHEMÍ - OROPEZA CARRANZA CECILIA DEL ROCIO - PRIETO GALLEGOS JACQUELINE - RODRÍGUEZ MORENO ANTONIO INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA JULIO 2018.

2 ABSORCIÓN: La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia entre fases, utilizada para la separación de uno o mas componentes de una mezcla de gases por absorción (disolución) de los mismos en un liquido adecuado.

3 En la absorción participan por lo menos tres sustancias: el componente gaseoso a separar (absorbato), el gas portador y el disolvente (absorbente).

4 Esta operación, basada en la transferencia de materia en una interfase, esta controlada en gran parte por las velocidades de difusión.

5 La absorción puede ser un fenómeno puramente físico, en la que los gases se disuelven en el liquido disolvente, así, por ejemplo el dióxido de carbono de una mezcla de gases puede eliminarse haciendo pasar la mezcla de gas a través de agua, en la que el anhídrido carbónico se disuelve, obteniéndose agua carbónica

6 Sin embargo, existen otros casos en los que además de la disolución del gas o gases en el disolvente, tiene lugar una reacción química que influye sobre la velocidad de absorción, aunque en general esta no es la etapa controlante.

7 Algunos ejemplos de reacción química son la eliminación de dióxido sulfuroso mediante absorción del mismo en agua, o bien la absorcion de dióxido de carbono en una solución de hidróxido sódico.

8 OBJETIVOS DE LA ABSORCIÓN Recuperar un componente gaseoso deseado. Eliminar un componente gaseoso no deseado. se puede tratar, por ejemplo, de la eliminación de una sustancia nociva de una corriente de gases residuales. Obtención de un líquido; un ejemplo sería la producción de ácido clorhídrico por absorción de HCl gaseoso en agua.

9 La operación contraria, en la que un soluto pasa de la fase liquida a la gaseosa, se le denomina DESORCIÓN.

10 En la industria alimentaria suelen utilizarse procesos de desorción cuando se desea eliminar los hidrocarburos presentes en aceites que han sido obtenidos por extracción con disolventes.

11 La absorción, generalmente, se realiza en columnas de platos o de relleno En columnas de platos la transferencia de materia se realiza en cada plato, llegándose al equilibrio, siempre y cuando se suponga que la eficiencia del plato sea total En columnas de relleno, la transferencia de materia se realiza a lo largo de toda la columna de forma continua. el modo más frecuente de operar es haciendo circular las corrientes de gas y liquido en contracorriente, ya que así se obtiene un mayor gradiente de concentración, lo que facilita que la absorción sea mas rápida

12 A veces la absorción puede llevarse a cabo en columnas de pulverización, de borboteo, de paredes mojadas, aunque también se utilizan tanques agitados y otros tipos de equipos, a pesar de la gran variedad de aparatos que se pueden utilizar en los procesos de absorción.

13 APLICACIONES Eliminación de butano y pentano de una mezcla gaseosa de refinería utilizando aceite pesado. Eliminación de contaminantes inorgánicos solubles en agua de corrientes de aire. Eliminación de impurezas en productos de reacción. Eliminación de CO2 o de H2S por reacción de NAOH en una corriente de gases

14 EQUILIBRIO LIQUIDO-GAS El principio en el que se fundamentan los procesos de absorción y desorción es la diferencia de concentración que existe entre las fases, del componente que se transfiere, respecto de la de equilibrio. cuando mas alejado se esté de las condiciones de equilibrio mayor es la transferencia de materia entre las fases.

15 Se supone una mezcla de gases en la que uno de sus componentes es soluble en un liquido. para una presión y temperatura determinadas, al poner en contacto la mezcla de gases con dicho liquido, el componente se disuelve en el liquido hasta que se llega a un punto en que no existe transferencia neta del componente. Este punto determina el equilibrio para las condiciones fijadas. Si se varían las condiciones de concentración del componente en el liquido, se obtienen nuevas condiciones de equilibrio.

16 De cualquier forma, la presión parcial del componente pi, en fase gas es función de la concentración del mismo componente en fase liquida ci

17 Si las fases liquida y gaseosa se comportan de forma ideal se cumple la LEY DE RAOULT. En el caso que la solución liquida no se comporte de forma ideal, no se puede aplicar esta ley; sin embargo, para concentraciones bajas de soluto en el liquido (soluciones diluidas) se cumple la LEY DE HENRY:

18 En los cálculos de procesos de absorcion y desorción, resulta muy útil representar los datos de equilibrio en razones molares, definidas según ecuaciones :

19 MECANISMO DE ABSORCIÓN Se supone una mezcla de gases, en el que uno de sus componentes es absorbido por un liquido, tal como se muestra en la siguiente figura: ver explicación del libro de esta grafica:

20 TEORÍA DE LA DOBLE PELÍCULA El modelo de la doble película supone que la transferencia de materia en la masa global de cada fase se realiza por corrientes convectivas, no existiendo gradientes de concentración dentro de cada fase, excepto en las proximidades de la interfase. se supone que en ambos lados de la interfase existe una delgada película estática de fluido (subcapas laminares), a través de la cual la transferencia de materia a través de la interfase no depende de la diferencia de concentraciones, sino de la relación de equilibrio.

21 En la interfase las composiciones de gas y del liquido están en equilibrio

22 OBTENCIÓN DE DATOS DE EQUILIBRIO El conocimiento exacto y correcto de los datos de equilibrio es muy importante, pues determinan la velocidad de circulación del liquido para una cierra recuperación especificada de soluto. Los mejores datos para un sistema determinado son los obtenidos experimentalmente. aunque a veces no, se obtienen estos datos, y se debe recurrir a expresiones generalizadas para el sistema que interese.

23 BALANCE DE MATERIAS Al aplicar los balances de materia en la columna de absorción se utilizan razones molares, por lo que se definen g´ y l´ como los caudales de gas inerte y de disolvente en la columna:

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26 CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA COLUMNA Una vez seleccionado el tipo de disolvente, el tipo de relleno y obtenidos los datos de equilibrio y el diámetro de la columna, el siguiente paso es calcular la altura de relleno.

27 MEZCLAS CONCENTRADAS Para la resolución del modelos matemático que se pueda presentarse supondrá que se cumplen las siguientes hipótesis: -la columna trabaja en régimen adiabático e isotermo -se transfiere un solo soluto -es una mezcla concentrada, con una concentración superior al 20% -la presión total es constante y las perdidas de carga despreciables.

28 ECUACIONES BÁSICAS DE TRANSFERENCIA DE MATERIA Cuando una mezcla homogénea de mas de un componente existe un gradiente de concentración de un punto a otro, hay una tendencia a la transferencia de materia de modo que las concentraciones se hagan uniformes. Ni: Velocidad neta de difusión o densidad de flujo. C: Es la concentración. D: La difusividad.

29 La velocidad de difusión es grande en los gases y mucho más lenta en los líquidos, es conveniente aplicar formulas integradas de la ecuación anterior ya que solo es aplicable al punto considerado.

30 DIFUSIÓN EN FASE GASEOSA Una mezcla de dos componentes a y b, en la que a se difunde a través de b, estando b estacionario, al integrar la ecuación, la difusividad es constante, la velocidad de difusión (n a ) es:

31 L: EL ESPESOR DE LA CAPA QUE DIFUNDE EL COMPONENTE A. D V : LA DIFUSIVIDAD DE A, A TRAVÉS DE B. C G : L A CONCENTRACIÓN EN EL SENO DEL GAS (PARA L=0). CI G : LA CONCENTRACIÓN EN LA INTERFASE.

32 Para gases ideales: Trasferencia de materia: Velocidad de difusión:

33 DIFUSIÓN EN FASE LÍQUIDA La velocidad de difusión en los líquidos es mucho menor que los gases. para soluciones diluidas la ecuación básica es :

34 Coeficiente individual de trasferencia de materia en fase liquida: Densidad del flujo de materia:

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36 VELOCIDAD DE ABSORCIÓN Es un proceso de absorción en estado estacionario, la densidad de flujo de materia a través de la película gaseosa será la misma que la trasferencia a través de la película del liquido. P: Presión del componente en fase gaseosa. P i : Correspondiente de la interface. C: Concentración de dicho componente en el liquido. C i : En la interface.

37 FASES GASEOSA Y LÍQUIDA DENSIDAD DE FLUJO, COEFICIENTES GLOBALES: LA DENSIDAD DEL FLUJO DE MATERIA SE PUEDE EXPRESAR DE LA FORMA:

38 COLUMNAS DE RELLENO El aparato que es más utilizado en los procesos de absorción de gases, es la columna de relleno. consta esencialmente de una torre o columna cilíndrica, con salidas superiores e inferiores para el gas y el liquido y un lecho de partículas solidas inertes que rellenan la columna, y que reciben el nombre de relleno.

39 En el diseño de las torres de absorción los pasos que se siguen son: 1.selección del disolvente. 2.obtención de datos de equilibrio. 3.balance de materias. 4.balance entálpico. 5.elección del relleno. 6. calculo del diámetro de la columna. 7.cálculo de altura del relleno. 8.cálculo de pérdidas de relleno.

40 SELECCIÓN DEL DISOLVENTE El disolvente ideal será aquel que no sea volátil ni corrosivo, además de no ser viscoso y espumante. asimismo, debe de ser estable y no inflamable, y presentar una solubilidad infinita para el soluto.

41 ADSORCIÓN E INTERCAMBIO IÓNICO.

42 ADSORCIÓN Es una operación unitaria de transferencia de materia en las que un soluto contenido en una fase fluida se transfiere hacia una fase solida, bien por retención en su superficie o por reacción con el solido.

43 Al soluto retenido se le denomina adsorbato y el solido sobre el que se retiene el es adsorbente o simplemente sorbente. Las fuerzas con las que el soluto se retiene pueden ser tres:  eléctricas son debidas a la atracción entre un soluto con cierta carga y puntos del absorbente con carga contraria.  van der waals (o adsorción física) se debe a que el soluto no está fijo en la superficie del adsorbente, sino que tiene movilidad en la interface. suelen ser reversibles.  químicas se deben a la reacción química entre el soluto y el adsorbente.

44 INTERCAMBIO IÓNICO Consiste en la saturación de iones de una disolución por contenidos en un solido. el solido constituye lo que se denomina resinas de intercambio.

45 EQUILIBRIO DE LOS PROCESOS EQUILIBRIO DE ADSORCIÓN: Cuando se pone en contacto un adsorbente solido con un fluido que contiene un soluto, evoluciona de tal forma que el soluto se transfiere hacia la superficie del solido, quedando retenido en el. EQUILIBRIO DE INTERCAMBIO IÓNICO: Si se dispone de un fluido que contiene un catión an+ cuya carga es n+, y se pone en contacto con una resina que puede intercambiar el catión bn+ con la misma carga que a se puede considerar que se cumple con la siguiente reacción de intercambio catiónico.

46 CINÉTICA DE PROCESOS 1.Cinética de adsorción: en todo proceso de adsorción puede considerarse en tres etapas de transferencia del soluto. Transferencia externa: es el coeficiente de transferencia de materia en la fase externa. Difusión de interior del solido: concentración del soluto en el solido. Etapa de adsorción: la etapa de adsorción llega a un equilibrio.

47 CINÉTICA DE PROCESOS Cinética de intercambio iónico. se puede considerar en diferentes etapas de transferencia de materia: transferencia de materia externa del ion a desde el seno de la disolución hasta la superficie de la resina. difusión del ion a través de poros de la resina hasta llegar a los puntos de intercambio. reacción de intercambio iónico, el el cual el ion a es intercambiado por el ion b. difusión de ion b a trabes de los poros de la resina hasta alcanzar la superficie de la misma. transferencia de materia externa del ion b desde la superficie de la resina hasta el seno de la disolución.

48 OPERACIÓN POR ETAPAS *CONTACTO SIMPLE ÚNICO: A una etapa se le introduce una corriente de fluido con el soluto y otra corriente de solido. el soluto pasa a la corriente solida, disminuyendo de este modo su concentración en la fase fluida. las corrientes de fluido y solido que abandonan la etapa se supone que se encuentran en equilibrio; es decir, se supone una etapa ideal. F = Caudal másico de la corriente fluida S = Caudal másico de la corriente solida. C = Concentración de la corriente fluida. m = Concentración de la corriente solida.

49 Generalmente, los caudales másicos de las corrientes fluida y solida apenas varían entre la entrada y la salida, y se consideran constantes. al realizar un balance de soluto en el sistema, se cumple: Al reordenar esta expresión se obtiene la ecuación:

50 Operación en el diagrama de equilibrio

51 Si la operación se desarrolla en discontinuo es conveniente utilizar cantidades totales y concentraciones: V = Volumen total del fluido. S = Cantidad total del solido. C = Concentración de la corriente fluida. m = Concentración de la corriente solida.

52 *CONTACTO SIMPLE REPETIDO: Como su nombre indica, en este tipo de operación se utilizan diferentes etapas en las cuales la fase fluida que abandona una etapa sirve de alimento a la siguiente. generalmente, el solido que se alimenta a cada etapa esta exento de soluto, con lo que m e = 0.

53 Operación en el diagrama de equilibrio

54 *CONTACTO MÚLTIPLE EN CONTRACORRIENTE: En este tipo de operación se utilizan n etapas, en las que la corriente fluida sigue un sentido de circulación, mientras que la corriente solida circula en sentido contrario. la corriente de salida de cada etapa sirve de alimento a la siguiente. DEL BALANCE GLOBAL A TODO EL SISTEMA SE OBTIENE:

55 Operación en el diagrama de equilibrio

56 Condiciones de caudal máximo de tratamiento a) Isoterma Convexa:

57 B) ISOTERMA CÓNCAVA:

58 COLUMNAS DE LECHO MÓVIL En ciertos casos la etapa de adsorción o intercambio iónico consta de una columna cilíndrica en la que se alimenta la fase fluida, y se hace circular en contracorriente la fase solida. se supone que el solido se mueve a lo largo de la columna en flujo de pistón.

59 Se realiza un balance de soluto en un diferencial de altura dz se obtiene: V = VELOCIDAD LINEAL DE CIRCULACIÓN DEL FLUIDO. A = SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA COLUMNA. E = POROSIDAD DEL DOLIDO EN LA COLUMNA. AS = SUPERFICIE ESPECIFICA DEL LECHO SOLIDO. N = ES LA DENSIDAD DEL FLUJO DEL SOLUTO QUE SE TRANSFIERE, ES DECIR: KF = CONSTANTE DE TRANSFERENCIA DE MATERIA. CI = CONCENTRACIÓN DEL SOLUTO EN LA INTERFASE FLUIDO- SOLIDO.

60 Por lo tanto al sustituir esta expresión en la del balance de soluto, se puede obtener la altura de la columna si se integra la ecuación resultante: Generalmente, esta integral no presenta solución analítica, y debe resolverse numérica o gráficamente.

61 COLUMNAS DE LECHO FIJO Las columnas de lecho fijo son quizá los dispositivos mas utilizados en los procesos de adsorción e intercambio iónico. como su nombre indica, son columnas que contienen el solido adsorbente o la resina de intercambio, y a través se hace circular el fluido que contiene el soluto a retener o intercambiar.

62 Si se realiza un balance de soluto en un diferencial de altura de dz: V = VELOCIDAD LINEAL DE CIRCULACIÓN DEL FLUIDO. A = SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA COLUMNA. E = POROSIDAD DEL DOLIDO EN LA COLUMNA. C = CONCENTRACIÓN DEL SOLUTO EN LA FASE FLUIDA. PP = ES LA DENSIDAD DE LA PARTÍCULA ADSORBENTE O DE LA RESINA DE INTERCAMBIO. M = LA CONCENTRACIÓN DEL SOLUTO EN LA FASE SOLIDA.

63 Al desarrollar el termino de acumulación, y reordenar todos los términos, la ecuación anterior puede expresarse como: Esta es una ecuación básica que permite calcular la altura de la columna, aunque la resolución varia de las condiciones que se dan en la operación.

64 MÉTODOS PARA CALCULAR LA ALTURA DEL LECHO DE PARTÍCULAS SOLIDAS COLUMNAS DE LECHO FIJO CON EQUILIBRIO ENTRE FASES: Para resolver la ecuación anterior se supone que no controla la etapa de transferencia de materia, y que además, existe equilibrio entre las fases fluida y solida. a partir de esta ecuación puede obtenerse la velocidad con que un punto de concentración se mueve a lo largo de la columna:

65 Para una concentración constante, la integración de la ecuación, permite calcular la altura del lecho solido contenido en la columna: A veces puede interesar conocer la cantidad de solido que se debe cargar a la columna para realizar la operación, o bien que cantidad de fluido puede tratar por kg de solido contenido en la columna. si v es la cantidad de fluido a tratar y s la cantidad de solido en la columna, se cumple que:

66 DIFERENCIAS