ABSORCION DE GASES

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OPERACIONES UNITARIA III
Absorción de gases 
Ing. Wilson León Cueva, Mgs.
ABSORCIÓN 
OBETIVO
Analizar los fundamentos básicos del proceso de absorción a través de ejemplos concretos para la explicación posterior de los modelos y balances de masa que aplican en el sector industrial.
Introducción
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.
Formas de Absorción
Absorción física. No existe reacción química entre el adsorbente y el soluto, sucede frecuentemente cuando se utilizan hidrocarburos o agua como disolvente.
Absorción química. Se da una reacción química en la fase liquida, lo que ayuda a que aumente la velocidad de la absorción. Útil para transformar los componente nocivos presentes en el gas de entrada en productos inocuos.
Los continuos son los lechos de relleno, y por etapas son la columna de platos.
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Tipos de absorvedores
Lechos de relleno
Torres de spray
De película
Columna de platos
Tanque agitado
Columnas de burbujeo
Características
Todas las absorciones básicas visualizadas en un proceso intermitente:
El gas y el liquido se ponen en contacto en un aparato adecuado.
 Las dos fases se aproximan en el equilibrio.
Las fases gas-líquido se separan.
La trasferencia depende de: 
Concentraciones en el gas y en el líquido.
Los coeficientes de transferencia de masa en cada fase.
La solubilidad del material en el liquido.
Área interfasial provista por el dispositivo de contacto.
Factores generales de diseño
Velocidad, composición, temperatura y presión entrante en la columna.
Grado de recuperación requerido para los solutos.
Elección del disolvente.
Presión y temperatura de operación.
Velocidad mínima y real del disolvente.
Número de etapas de equilibrio.
Efectos de calor.
Tipo, altura y diámetro del absorvedor.
Diseño de Torres de Relleno
Torres de Relleno
Consiste en:
Entrada y distribuidor de gas en la parte inferior.
Entrada de líquido y un distribuidor en la parte superior.
Salidas para el gas por cabeza 
Salida de Líquido por cola.
Masa soportada de cuerpos sólidos inertes (relleno de la torre).
Soporte, ha de tener una gran fracción de área libre de forma que no se produzca inundación en el plato de soporte. 
Etapas en Torres de Relleno
El líquido agotado es disolvente puro o una disolución diluida del soluto en el disolvente
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El líquido se distribuye sobre la parte superior del relleno. En operación ideal moja uniformemente en la superficie.
El gas que contiene el soluto, asciende a través de los intersticios del relleno en contracorriente con el flujo de líquidos. 
*El relleno proporciona un gran área de contacto entre el líquido y el gas.*
El soluto contenido en el gas rico es absorbido por el líquido fresco que entra en la torre.
El gas diluido o agotado abandona la torre.
El líquido se enriquece en soluto a medida que desciende por la torre.
El líquido concentrado sale por el fondo de la torre.
Requerimientos del relleno.
Químicamente inerte frente a los fluidos de la torre.
Resistencia mecánica sin tener un peso excesivo.
Pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retención de líquido o caída de presión.
Proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas.
Coste razonable.
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Contacto entre líquido y gas
Las películas tienden a hacerse más gruesas en unas zonas y más delgadas en otras.
Forman pequeños arroyuelos.
Para bajas velocidades una gran parte de la superficie del relleno puede estar seca o recubierta de una película estancada del líquido.
	Tipo de columna	Grado de canalización
	Relleno ordenado
organizados al azar	Muy grande
	Relleno con sólidos triturados
	Intermedio
	Relleno de forma regular
colocados al azar	Bajo
Torres intermedias, Canalización mínima a 8 veces el diámetro del relleno.
Torres altas, canalización es muy grande, y por esta razón se suelen reincorporar redistribuidores.
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Velocidades de flujo limite: Carga e Inundación.
Velocidad de inundación es el limite de velocidad de flujo del gas. Puede encontrarse por medio de:
La relación entre la caída de presión del lecho de relleno y la velocidad de flujo del gas.
A partir del líquido retenido en el relleno
Observación visual del relleno
La caída de presión por unidad de altura de relleno se debe a la fricción del fluido
Se representa en coordenadas logarítmicas frente a la velocidad del flujo del gas Gy (Kg de gas/m2hr) de sección transversal de columna supuestamente vacía.
Cuando el relleno está seco:
La caída de presión aumenta, por lo tanto, con la potencia 1.8 de la velocidad.
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La velocidad óptima es del orden del 50% de la velocidad de inundación. Se presentan correlaciones para estimar las velocidades de carga e inundación.
EC. 1
FUNDAMENTOS DE LA ABSORCIÓN
Los cálculos de la altura de torre se
basan en balances de materia, balances de entalpía y en estimaciones de la fuerza impulsora y de los coeficientes de transferencia de materia.
BALANCES DE MATERIA.
La torre de absorción es un aparato de contacto diferencial, y como tal no hay variaciones bruscas de composición sino que la composición varía de forma continua de un extremo a otro de la columna.
Balance total:
Balance del componente extraído:
EC. 2
EC. 3
V= velocidad de flujo molar de la fase gaseosa 
 L=la de la fase líquida en el mismo punto de la torre. 
Las concentraciones x e y corresponden a las fases
Las ecuaciones de los balances globales de materia, basadas en las corrientes externas, son:
Balance total.
Balance de las corrientes de salida
La ecuación de la línea de operación para una planta de contacto diferencial.
EC.4
EC. 5
EC. 6
Relación gas liquido limitante
La EC. 6 indica que la pendiente media de la línea de operación es igual a L/V, la relación entre los flujos molares de líquido y gas. Así, para un determinado flujo del gas, una reducción del flujo de líquido provoca una disminución en la pendiente de la línea de operación.
Para esta condición se necesita una altura infinita de la sección de relleno.
La diferencia de concentración disponible para la transferencia de materia se hace cero en el fondo de la torre.
Para que una torre real pueda operar es preciso que la velocidad del líquido sea mayor que este valor mínimo.
La máxima concentración del líquido y la mínima velocidad de flujo del líquido posible se obtienen cuando la línea de operación toca a la línea de equilibrio, tal como corresponde a la línea ab’.
Variaciones de Temperatura en Torres de Relleno
El perfil de temperatura depende de: 
 La evaporación o condensación del disolvente. 
El efecto global es un aumento de la temperatura del líquido.
Las velocidades de absorción de los solutos.
La transmisión de calor entre las fases.
Variaciones de Temperatura en Torres de Relleno
En este caso la línea de equilibrio se curva gradualmente hacia arriba, tal como muestra la Figura, con valores crecientes de x para las temperaturas más altas.
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Cuando la temperatura del gas a la entrada es próxima a la de salida del líquido, y el gas que entre está saturado. 
Hay poco efecto de evaporación del disolvente
El aumento de la temperatura del líquido es aproximadamente proporcional a la cantidad de soluto absorbido
Velocidad de absorción
La altura de relleno depende de la velocidad, que por otra parte, depende de la velocidad de transferencia de materia a través de las fases de líquido y gas. 
1. - No se considera la posibilidad de reacciones químicas entre el componente absorbido y el líquido.
2. - Se despreciael calor de disolución.
La velocidad se puede expresar de cuatro formas diferentes utilizando coeficientes individuales o globales basados en las fases gaseosa o líquida.
Velocidad de absorción
Velocidad de absorción por unidad de volumen de la columna de relleno.
Donde y y x son la fracción molar del componente que se absorbe.
EC. 7
EC. 10
EC. 9
EC. 8
Velocidad de absorción
La composición de la interfase (yi, xi) se puede obtener a partir del diagrama de la línea de operación utilizando las EC’S 7 y 8.
No es preciso conocer las composiciones en la interfase, pero estos valores se utilizan para los cálculos cuando intervienen gases ricos o cuando la línea presenta una fuerte curvatura.
Los coeficientes globales se obtienen a partir de kya y kxa utilizando la pendiente local de la curva de equilibrio: 
EC. 11
EC. 12
Cálculo de la altura de la torre
La elección de un coeficiente de película gaseosa no requiere ninguna suposición acerca de la resistencia controlada. Aun cuando la película de líquido sea controlante, un diseño basado en Kya resulta tan sencillo y exacto como si se basase en Kxa o en kxa.
La sección transversal es S y el volumen diferencial correspondiente a la altura dZ es SdZ. 
Si se desprecia la variación del flujo molar V, la cantidad absorbida en la
altura dZ es - Vdy, que es igual a la velocidad de absorción multiplicada por el volumen diferencial.
EC. 13
Integrando analíticamente porque Y y y* varían linealmente con x.
Donde:
Para líneas de operación y equilibrio rectas, el número de unidades de transferencia es igual a la variación de concentración dividida por la fuerza impulsora media logarítmica:
EC. 14
EC. 15
EC. 16
La altura global de una unidad de transferencia es la altura de una sección de relleno que se requiere para conseguir una variación de concentración igual a la fuerza impulsora media existente en la sección.
Hay cuatro tipos de unidades de transferencia, basados en fuerzas impulsoras individuales o globales para las fases gaseosa y líquida:
EC. 17
EC. 18
EC. 19
EC. 20
Formas alternativas de los coeficientes de transferencia.
Los datos experimentales para el coeficiente de película de gases en mezclas diluidas puede correlacionarse en términos de: 
El efecto de la temperatura, está número de Schmidt. Tanto k'y como Hy son independientes
de la presión.
EC. 21
EC. 22
Se utiliza para corregir los datos disponibles de absorción del soluto A en un gas para empaque específico, a absorción del soluto E en el mismo sistema y con idénticas velocidades de flujo de masa.
Las correlaciones para los coeficientes de película de líquidos en mezclas diluidas señalan que Hx es independiente de la velocidad del gas dentro de ciertos límites:
EC. 23
EC. 24
Aplicaciones
Aplicaciones
Retirar contaminantes de una corriente producto que pueden afectar a la especificación final o grado de pureza. 
La presencia de ciertas sustancias puede afectar a las propiedades globales de un producto.
Se utiliza para eliminar:
Olores, humos y otros componentes tóxicos. 
SO2, H2S, H2SO4, HCl, NOx, Cl, CO2, NH3, HF, 
Aminas, mercaptanos, óxido de etileno, alcoholes, fenol, formaldehido, ácido acético.
Absorción
Separación de los líquidos contenidos en el gas natural
Eliminación de SO2
Síntesis de ácido nítrico
Eliminación de amoniaco en agua.
Conclusiones
La absorción es fundamental para la purificación de las sustancias útiles en el proceso.
Tipos variados para distintos procesos.
Paso preliminar para la destilación.
Se debe de controlar principalmente la presión.
Proceso muy utilizado.
Columnas para experimentación y para producción.
El diseño de una torre de absorción, involucra una serie de condiciones basadas en la velocidad de absorción, los flujos volumétricos de gas, las variaciones de temperatura englobados en coeficientes de trasferencia 
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Referencias
McCabe, W.L., J.C. Smith y P Harriot; “Unit Operations of Chemical Engineers”; 5a. edición; McGraw-Hill; New York (1995).
Treybal, R.E.; “Mass Transfer Operations”; 3a. edición; McGraw-Hill; New York (1980). 
Seader, J. D.; “Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería química”; 2ª. edición; Reverte; España (1990).
Actividades y recursos
1. Participe activamente en la conferencia por parte del docente sobre el tema en estudio. (presentación disponible en la sección Recursos).
2. Observe el video sobre el tema en estudio disponible en la sección Recursos.
3. Lea y analice el capítulo de absorción de gases del libro de Operaciones Unitarias disponible en la sección Información.