Absorción de contaminantes gaseosos (con cálculos)
Lea este artículo para obtener más información sobre la absorción de contaminantes gaseosos: 1. Introducción al proceso de absorción 2. Teoría de absorción 3. Equipo de absorción y 4. Enfoque de diseño de torre empacada.
Introducción al proceso de absorción:
Cuando un gas residual que contiene algunos contaminantes gaseosos se pone en contacto directo con un líquido, algunos de los contaminantes pueden transferirse al líquido. Este proceso de transferencia puede ocurrir debido a la solubilización de los contaminantes en el líquido o debido a las reacciones químicas de los contaminantes con el líquido o con algunos productos químicos presentes en el líquido.
El proceso de transferencia sin ninguna reacción química se denomina absorción física y el de reacción (es) química (s) se denomina absorción acompañado de reacción química. En el proceso de absorción (física), el soluto (contaminante gaseoso) se denomina absorbato y el solvente (líquido) como absorbente. El gas que lleva el material absorbido se denomina gas portador.
Este proceso es reversible, es decir, en ciertas circunstancias, la transferencia de soluto se produce desde la fase gaseosa a la fase líquida y, en algunas otras situaciones, la transferencia tiene lugar en la dirección opuesta. El otro proceso, es decir, la absorción acompañada de una reacción química es irreversible, es decir, la transferencia se produce únicamente desde la fase gaseosa.
El proceso de absorción física se realiza a través de los siguientes pasos:
1. Las moléculas de soluto (gaseosas) migran de la mayor parte de la fase gaseosa al límite de la fase gas-líquido (interfaz) por difusión molecular y / o eddy;
2. Transferencia de moléculas absorbentes a través de la interfaz;
3. Transferencia de moléculas absorbentes a la mayor parte del absorbente por difusión molecular y / o de Foucault.
En el caso de una absorción acompañada de un proceso de reacción química, los dos primeros pasos son similares a los de un proceso de absorción física. Sin embargo, durante el tercer paso, las moléculas absorbentes reaccionan con el reactivo presente en el absorbente y forman nuevos compuestos.
Teoría de la absorción:
La transferencia de una especie química entre una fase gaseosa y una fase líquida tiene lugar debido a una diferencia potencial de las especies entre las fases. Esta diferencia de potencial se conoce como el gradiente de potencial químico. Cuando el potencial químico de una especie se vuelve igual en las dos fases en contacto entre sí, se dice que están en equilibrio.
Bajo esta condición, no hay transferencia neta de la especie entre las fases. Cuando las fases no están en equilibrio con respecto a una especie, entonces su transferencia se produce desde la fase en la que su potencial químico es mayor a la otra fase en la que su potencial es menor.
El potencial químico de una especie en una fase particular está relacionado pero no es igual a su concentración en esa fase. Cuando dos fases, en contacto entre sí, alcanzan el equilibrio con respecto a una especie, su concentración en las fases respectivas estaría relacionada entre sí. Tal relación se denomina relación de equilibrio. La relación de equilibrio de una especie química en un sistema gas-líquido puede expresarse como dependiente y también puede ser dependiente de la concentración (x A ).
El valor numérico de H A depende del sistema soluto-solvente. Generalmente aumenta con el aumento de temperatura.
Una expresión alternativa de la relación de equilibrio es
La tasa de transferencia de masa de una especie de una fase (gas) a otra fase (líquido) por unidad de área interfacial se expresa como
donde N a = moles de soluto A transferidos de la fase gaseosa a la fase líquida por unidad de área interfacial por unidad de tiempo,
ky A, k XA = coeficiente de transferencia de masa de la fase gas / líquido individual, respectivamente,
Ky A, K xa = coeficiente global de transferencia de masa en fase líquida / gas, respectivamente,
y * = concentración de fase gaseosa en equilibrio correspondiente a la concentración de fase líquida en masa X 1,
x * = concentración en fase líquida en equilibrio correspondiente a la concentración en fase gaseosa en masa yg,
X 1, X 1 = concentración de soluto en la interfaz y en la fase líquida a granel respectivamente.
y i, y g = concentración de soluto en la interfaz y en la fase gaseosa a granel respectivamente.
El individuo y los coeficientes globales de transferencia están relacionados.
La ecuación (4.45) y (4.46) muestran su relación.
El coeficiente de transferencia de masa individual kx y ky puede calcularse utilizando ecuaciones empíricas generalmente expresadas como α, myn son constantes cuyos valores numéricos dependen de los elementos internos del absorbedor. La información relevante sobre estos se puede encontrar en los libros sobre transferencia masiva.
donde Sh = Sherwood, k l / D AB
Re = número de Reynolds, lU ρ / µ
Sc = número de Schmidt µ / ρ D AB
l = Dimensión característica de los internos del absorbedor
U = Velocidad del fluido lineal en el absorbedor.
D AB = Difusividad molecular de la especie A en una mezcla de las especies A y B
µ = viscosidad del fluido,
ρ = Densidad del fluido
Equipos de absorción:
El propósito de un equipo de absorción es llevar una corriente de gas y una corriente de líquido a un contacto íntimo entre sí, de modo que un soluto (un contaminante gaseoso) pueda transferirse fácilmente de la fase gaseosa a la fase líquida. Cabe señalar aquí que, mediante este proceso, un contaminante simplemente se transfiere de una fase gaseosa a una fase líquida y no se convierte en una sustancia inocua. Si se desea recuperar el soluto debido a su valor económico, luego se debe desorber de la solución.
Los equipos que se pueden utilizar para llevar a cabo un proceso de absorción son: una torre empacada, una torre de placas, una cámara de rociado y un lavador Venturi. De estos, el equipo más utilizado es una torre empacada, que es bastante eficiente y relativamente menos costosa. Es una columna vertical cilíndrica con empaques en su interior.
Los empaques pueden estar hechos de plástico o metal o cerámica, que proporcionan un área de superficie mayor por unidad de volumen empaquetado para el contacto gas-líquido. Hay disponibles embalajes de diferentes geometrías y tamaños. Los criterios para elegir una geometría y tamaño de empaque son el área de gran superficie, la fracción de vacío del lecho alto y el menor costo. Una mayor fracción de vacío en el lecho ofrece menos resistencia al flujo de gas y líquido.
Los otros elementos internos de un lecho empacado son un distribuidor de líquidos, redistribuidores (es), un soporte de empaque y un distribuidor de gas. Normalmente, en una torre empaquetada, el líquido fluye hacia abajo sobre la superficie de la empaquetadura en forma de películas y el gas fluye hacia arriba a través del espacio vacío que pasa por las películas líquidas.
Las torres de placas son de tres tipos diferentes: placa de tamiz, placa de tapa de burbuja y bandeja de válvula. Una torre de placas es un recipiente cilíndrico con varias placas horizontales apiladas una sobre otra, separadas una cierta distancia entre sí. El absorbente (líquido) que entra en la parte superior de una torre fluye a través de cada placa y cae en cascada, mientras forma una piscina en cada placa.
El gas que contiene un soluto / solutos (contaminantes) entra por la parte inferior de la torre y fluye hacia arriba. Entra en cada plato a través de pequeños orificios y burbujea a través de la piscina líquida en él. La transferencia del soluto de la fase gaseosa a la fase líquida tiene lugar cuando el gas burbujea a través de la piscina.
En el caso de las placas de tamiz, los orificios (a través de los cuales fluye el gas) son pequeños y no están cubiertos. En el caso de bandejas de tapa de burbuja y bandejas de válvula, los orificios son de mayor diámetro (que los de las placas de tamiz) y están parcialmente cubiertos. Las torres de placas son bastante eficientes, pero son más caras que las torres empacadas.
Las cámaras de rociado pueden estar con o sin empaque. El líquido se introduce en la parte superior en forma de aerosol y fluye hacia abajo, mientras que el flujo de gas puede ser horizontal o vertical. Estos son generalmente menos eficientes que las torres empacadas / de placas.
En los lavadores venturi, tanto el gas como el líquido se introducen en el extremo convergente de un venturi y fluyen simultáneamente. En algunos equipos el líquido se introduce en la garganta. A medida que el líquido se rompe en pequeñas gotas, proporciona una gran área de contacto para la transferencia de masa. Su eficiencia como absorbente es baja.
Cuando se planea usar una torre empacada o una torre de placa, la corriente de gas debe someterse a un tratamiento previo para eliminar las partículas, ya que de lo contrario las partículas podrían acumularse en la torre y, por lo tanto, obstruirla. Sin embargo, cuando se utiliza una cámara de rociado (sin embalaje) o un lavador venturi como absorbente, la limpieza previa del gas no es esencial
Enfoque de diseño de torre empacada:
Dado que las columnas de absorción empaquetadas se usan más a menudo para absorber contaminantes gaseosos de las corrientes de gas, el enfoque de diseño de dicha columna se describe a continuación.
Antes de la absorción en una columna empaquetada, una corriente de gas influyente debe someterse a los siguientes tratamientos previos:
El enfriamiento de las corrientes de gas influyente reduciría su caudal volumétrico y aumentaría la solubilidad del (de los) contaminante (s) en el disolvente seleccionado. Como resultado, el tamaño del absorbedor será más pequeño y la cantidad de disolvente requerido será menor.
Durante la absorción, cada uno de los contaminantes presentes en una corriente de gas se eliminaría hasta cierto punto u otro dependiendo de su solubilidad en el disolvente seleccionado. Un disolvente se selecciona principalmente para eliminar un contaminante específico y un absorbente está diseñado para lograr el grado deseado de eliminación de ese contaminante específico.
Al seleccionar un solvente adecuado, los factores / parámetros a considerar son:
1. Alta solubilidad del producto absorbido,
2. Baja presión de vapor del solvente a la temperatura de operación.
3. precio bajo,
4. Toxicidad baja / nula, y
5. Si el disolvente se va a recuperar y reutilizar.
Los datos e información requeridos para diseñar un absorbedor son:
(i) Caudal máximo (esperado) del gas portador, G mol / h;
(ii) Temperatura y presión de la corriente de gas influyente;
(iii) Concentración del contaminante objetivo en el afluente y su grado de eliminación deseado;
(iv) Datos de solubilidad / relación de equilibrio;
y (v) el tipo de embalaje, su tamaño y otras características.
Una vez que esta información esté disponible, se podría calcular lo siguiente utilizando las ecuaciones apropiadas y, por lo tanto, diseñar un absorbente adecuado.
(i) Caudal de disolvente requerido, L mol / hr,
(ii) Diámetro de la columna D,
(iii) Altura de la columna Z,
(iv) Caída de presión a través del lecho empacado.
Tasa de solvente requerida:
La tasa mínima de solvente (L mjn ) se puede calcular asumiendo que el solvente que abandona el absorbente se saturará con respecto a la concentración de soluto en la corriente de gas influyente. La figura 4.11 muestra un diagrama esquemático de un absorbedor empacado.
Una expresión para L min se obtiene al reorganizar la ecuación de balance de soluto a través de un absorbente,
L min = G (Y 1- Y 2 ) / X * 1 - X 2
donde X 1, * = Y 1 / m
X l, X 2 = concentración de soluto en el solvente en la salida y entrada respectivamente, en unidad de relación molar,
Y 1, Y 2 = concentración de soluto en fase gaseosa en la entrada y la salida, respectivamente, en unidad de relación molar.
En la práctica X 2 y X 1, serían conocidos. Y 2 estaría relacionado con Y 1 a través de su grado de eliminación deseado, es decir, la eficiencia de eliminación,
Y 2 = Y 1, (1-ᶯ r ), ᶯ r = eficiencia de remoción,
Evaluación de L min usando la ec. (4.48) sería apropiado si la relación de equilibrio fuera lineal, es decir, Y = mX ym independientemente de X. En la mayoría de los casos, la concentración de soluto (contaminante) en la fase gaseosa sería baja y, por lo tanto, m sería independiente de X.
La tasa de solvente real normalmente se toma como
L actual, = 1-25 a 2.0 veces la L min .
Debe señalarse aquí que un absorbedor nunca se diseña tomando L actual - L min, ya que daría como resultado un valor muy alto de Z Q.
A medida que aumenta L real, la altura de la columna calculada disminuiría, pero la sección transversal de la columna aumentaría. La L real debe decidirse finalmente desde el punto de vista del costo total (costo inicial más el costo operativo). Otro factor que debe tenerse en cuenta para la estimación de L real es la tasa mínima de líquido requerida para humedecer el empaque en la columna.
Diámetro de la columna:
A una tasa dada de flujo de gas y líquido si el diámetro de la columna se reduce, el líquido se mantendrá (la masa de líquido en la columna en cualquier momento) en la columna aumentaría. Esto daría como resultado una disminución en el espacio vacío disponible para el flujo de gas a través de la columna. Por consiguiente, la velocidad del gas (lineal) aumentaría y la caída de presión del lado del gas a través del lecho también aumentaría.
Una mayor caída de presión en el lado del gas dificulta el flujo de líquido. Si el diámetro de la columna se reduce aún más, la columna se llenará de líquido. Esta condición se conoce como inundación. La velocidad de la masa de gas en esta condición se denomina velocidad de inundación. La velocidad del gas de operación se toma del 60 al 75% de la velocidad de inundación. Sobre la base de la velocidad real del gas de operación, el área de la sección transversal de la columna se calcula utilizando la ecuación. (4.49).
Donde A col = columna sección transversal,
G n = velocidad de la masa de gas superficial en la inundación,
F = fracción de la velocidad de inundación correspondiente a la que se estima una sección transversal de columna = 0, 6 a 0, 75,
Y M g = gas (mezcla) peso molecular.
G n depende de las propiedades físicas del gas y del líquido, tales como p g, p L, µL, las características del empaque y la relación de la tasa de flujo de masa de líquido a gas. Puede estimarse con la ayuda de las parcelas disponibles en libros estándar sobre transferencia de masa.
Altura de la columna:
La ecuación de equilibrio de soluto en estado estacionario a través de una altura empaquetada elemental (Fig. 4.11) de una columna se puede escribir como
Teniendo en cuenta el hecho de que el soluto se transfiere de la fase gaseosa a la fase líquida, (4.50) se puede reescribir como
donde a = área de superficie de empaque por unidad de volumen de lecho empacado.
Para obtener una expresión para la altura del lecho empacado Eq. (4.51) es reordenado e integrado. La ecuación resultante es
Z 0 así calculada representa la altura de la sección empaquetada de un absorbedor, que es necesaria para reducir la concentración de contaminante en la fase gaseosa de Y 1 a Y 2 . La altura real de una columna sería mayor que Z O para proporcionar espacio para un desempañador y un distribuidor de líquido en la parte superior, redistribuidores de líquido entre las secciones empaquetadas, un distribuidor de gas, un soporte de empaque y un sello líquido en el fondo.
Caída de presión a través de una torre llena:
Para estimar la caída de presión en una sección empaquetada de una columna, se descubre AP / Z (caída de presión por unidad de altura de lecho empaquetado) en función de los parámetros operativos ya decididos, las propiedades físicas del sistema de gas y líquido y las características de empaque Utilizando la información disponible en los libros de transferencia de masas. Usando esta información, la caída de presión a través de un lecho empacado se estima con la ayuda de la ecuación. (4.53)
La caída de presión real a través de una torre sería mayor que la estimada utilizando la ecuación. (4.53) debido a los elementos internos de la torre mencionados anteriormente, excepto los de embalaje.
