Absorción

Capítulo 20: Absorción. Albert Ibarz y Gustavo V. Barbosa-Cánovas. 1999. Operaciones Unitarias en la Ingeniería de Alimentos.

1. ABSORCIÓN
Operación Unitaria de Transferencia de Materia entre
fases, utilizada para la separación de uno o más
componentes de la mezcla de gases por absorción
(disolución) de los mismos en un líquido adecuado.

2. Fenómeno físico
Los gases se disuelven en un líquido
disolvente; por Ejemplo:
El CO
2de una mezcla de gases puede
eliminarse haciendo pasar la mezcla de
gas a través de agua, en la que el CO
2se
disuelve, obteniéndose agua carbónica.

3. Reacciones químicas en absorción
Sin embargo existen otros casos además de
disolución del gas en el disolvente, tiene lugar
una reacción química que influye sobre la
velocidad de absorción, aunque en general este
no es el fenómeno controlador; por ejemplo:
La eliminación de dióxido sulfuroso mediante
absorción en agua, o bien absorción de CO
2en una
solución de Hidróxido de sodio.

4. Desorción (“stripping”)
Operación contraria a la absorción, en la que el
soluto pasa de la fase líquida a la fase gaseosa.
En la Industria alimentaria suele aplicarse
desorcióncuando se desea eliminar los
hidrocarburos presentes en aceites que han
sido obtenidos por extracción con disolvente.

5. C
i
P
i Equilibrio Gas -líquido
Principio: Diferencia de
concentraciones del
componente, que existe
entre las fases, que se
transfiere con respecto a
la de equilibrio.
“Cuanto más alejado se
esté de las condiciones de
equilibrio mayor es la
transferencia de materia
entre las fases”.
P
e
C
eC
P
A
B

6. Equilibrio Líquido -Gas
“Todo punto por encima de la curva de
equilibrio, representa un sistema en el que se
realiza la transferencia de soluto desde la fase
gaseosa a la fase líquida: Absorción”
el fenómeno inverso es la desorción
De acuerdo con la ley de Van’tHoff:
si se aumenta la temperatura, la solubilidad del gas en
el líquido disminuye.

7. Componentes en las fases
Si las fases líquido gas se comportan en forma ideal se
cumple la Ley de Raoult.
Caso contrario no se podría aplicar esta Ley;
sin embargo para concentraciones bajas de soluto en el
Líquido (soluciones diluidas) se cumple la Ley de
Henry.
En muchos casos, la Ley de Henry es válida cuando la
presión parcial es inferior a la Presión total.
La constante de Henry varia mucho con la
Temperatura.ii CHP T
K
KH
2
1log

8. En sistemas ideales se cumple la
Ley de Raoult
Fase
líquida
Fase
gaseosa
Razones Molares (X; Y)i
i
pP
p
Y y
y
Y
1 Y
Y
y
1 iT
i
CC
C
X x
x
X
1 X
X
x
1 iii Pxp . Pyp
ii. 1
1
1
i
i
i
i
X
X
P
P
Y
P: Presión total
P
i: Presión del componente
x: fracción molar en fase líquida
y: Fracción molar en fase gaseosa

9. Mecanismo de Absorción
El soluto se mueve desde la
fase gaseosa hacia la fase
líquida.
Entre las dos fases existe una
delgada zona (interfase)
donde se lleva a cabo el
mecanismo de disolución.
El proceso culmina cuando se
ha alcanzado el equilibrio de
soluto en las dos fases.
LÍQUIDO
GAS
P
C
P
i
C
i
P
e
C
e

10. Teoría de la doble película
Se supone que la transferencia de masa en la
masa global 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 fluidos
(subcapas laminares)a través de la cual la
transferencia de masa se realiza únicamente
por difusión molecular.

11. Teoría de la doble película
La dirección de la
transferencia de
materia a través de la
interfase no depende
de la diferencia de
concentraciones, sino
de la relación de
equilibrio.
En la interfase la
relación de gas y
líquido están en
equilibrio.
P
P
i
C
i
C
interfase
Fase gas Fase líquida
Película
gaseosa
Película
líquida

12. i
GG
G
A CC
L
D
N i
G
A PP
LTR
PMD
N
..
. iGA PPkN . Fase Gas
C: Concentración
z: distancia o posición
D: Difusividad
N
i: velocidad de Difusión o densidad de flujo
Ecuaciones de Transferencia de materiaLIQGASNN z
C
DN
i .
Ley de Ficki
L
A CC
L
D
N CCkN
iLA .
Fase Líquida k
Ly k
G: Coef. Individual
de transf. de materia en
fase líquida y sólida
respectivamente
L: EspesorTR
PMP
V
m
C
G
Gas ideal

13. Velocidad de Absorción
En un proceso de absorción en estado estacionario, la
densidad de flujo de materia a través de la película
gaseosa será la misma que la transferencia a través de
la película de líquido.
En la que “p” es la presión parcial del componente en la
fase gaseosa, y ”p
i” la correspondiente a la interfase.
Mientras que “C” es la concentración del componente
en el seno del líquido “C
i” en la interfase.CCkppkN
iLiGA ..

14. C
i
P
i Velocidad de Absorción
La pendiente de la línea
de unión, que permite
determinar las
concentraciones de la
interfase conocidas las
de las fases gaseosa y
líquida, será:
P
e
C
eC
P
F
B
E
n’
n’’i
i
G
L
CC
pp
k
k
D

15. Velocidad de Absorción
El punto “F” representa las condiciones en la
masa global del gas y del líquido.
El Punto “E” representa una concentración “Ce”
en el líquido que esta en equilibrio con la
presión parcial “P” en el seno del gas.
El punto “B” representa la concentración “Ci”
en la interfase líquida que esta en equilibrio
con la presión parcial “Pi” de la interfase
gaseosa.
El punto “D” representa una presión “Pe” en la
fase gaseosa que esta en equilibrio con una
concentración “C” en fase líquida.

16. Ecuaciones de la velocidad de Absorción
El que el gas sea más
o menos soluble
hace que la curva de
equilibrio varíe, y
que la resistencia a
la transferencia de
materia este
localizada en una u
otra fase.CC
pp
n
i
ei
' CC
pp
n
e
e
''
Pendientes de las
rectas: DB y DECCKPPKN
eLeGA ..
Densidad de flujo en función a
coeficientes globalesL
e
G
e
L
i
G
i
A
K
CC
K
pp
k
CC
k
pp
N
1111 L
e
G
e
L
ei
G
i
A
K
n
pp
K
pp
k
n
pp
k
pp
N
''1'1 LGLGA
e
K
n
Kk
n
kN
pp ''1'1

17. Gas muy soluble en líquidos
Así, en el caso de gases muy solubles la
transferencia de materia esta controlada por la
fase gaseosa
y se considera que la concentración de la
interfaselíquida coincide con la global del
líquido (C
i=C) y por tanto: p
i=p
e
lo que indica que no existe resistencia a la fase
líquida (k
Les muy elevada) y se obtiene que
k
G=K
G.

18. Gas poco soluble en líquidos
En el caso que el gas sea muy poco soluble en el
líquido, la presión p
i coincide con la del seno
del gas (p
i=p) y por tanto C
i=C
e
lo que indica que no existe resistencia en la fase
gaseosa (k
Ges muy elevada), obteniéndose que
k
L=K
L
Es decir que la transferencia de masa esta
controlada por la fase líquida.

19. Gas puro que se absorbe
Si el gas que se absorbe es un gas puro, la
presión en la interfasegaseosa coincide con la
presión parcial en el seno del gas (p
i=p),
con lo que se está en una situación similar a la
anterior (Gas poco soluble en líquidos)
Por lo que, utilizando un gas puro se puede
llegar a determinar los coeficientes k
Ly K
G.

20. Columnas de relleno
Pasos para el diseño de torres de absorción:
Selección del disolvente
Obtención de datos de equilibrio
Balance de materias
Balance entálpico
Elección de relleno
Cálculo del diámetro de la columna
Cálculo de la altura del relleno
Cálculo de las pérdidas de carga

21. El disolvente
El disolvente ideal será aquel que:
no sea volátil ni corrosivo
además de no ser viscoso y espumante
así mismo debe ser estable y no inflamable
y presentar una solubilidad infinita para el soluto.
En caso de absorción física además de lo
anterior se elige al más barato y no reactivo.
Cuando existe reacción química, el disolvente
además debe presentar mayor capacidad de
absorción.

22. Datos de Equilibrio
El conocimiento exacto y correcto de los datos de
equilibrio es muy importante, pues determinan la
velocidad de circulación del líquido para una cierta
recuperación específica de soluto.
Los mejores datos son los que se obtienen
experimentalmente
Aunque a veces no se obtienen estos datos y se debe
recurrir a expresiones generalizadas según el sistema
de interés;
la mayoría de los datos de equilibrio se encuentran en
bibliografía especializada.

23. Balance de
Materia
Esta ecuación final es una rectaen el
diagrama de equilibrio con razones
molares, que pasa por los puntos
(X
1;Y
1) y (X
2;Y
2), y tiene la pendiente
(L’/G’).
Esta recta recibe el nombre de RECTA
DE OPERACIÓN.
Sección 2
Sección 1
L’
L’
G’
G’ X
1
X
2Y
2
Y
1
G’: caudal molar de gas inerte (
kmol
/
h)
L’: caudal molar de disolvente (
kmol
/
h)
Y: razón molar en la fase gaseosa (
moles de soluto
/
moles de gas inerte)
X: razón molar en la fase líquida (
moles de soluto
/
moles de disolvente)2121 '' XXLYYG 2121
'
'
XX
G
L
YY

24. Recta de Operación (sistema ideal)
Y
2
Y
1
2
1e
(
L’
/
G’)
(
L’
/
G’)
min
X
Y
1
X
1X
2 (X
1)e
RECTA DE
OPERACIÓN RECTA DE
OPERACIÓN EN
QUE LA RAZÓN
DE CAUDALES
ES MÍNIMA

25. Recta de operación
(Sistema no ideal)
Y
2
Y
1
2
1e
(
L’
/
G’)
(
L’
/
G’)
min
X
Y
1
X
1X
2 (X
1)e
RECTA DE
OPERACIÓN RECTA DE
OPERACIÓN EN
QUE LA RAZÓN
DE CAUDALES
ES MÍNIMA

26. Condiciones de la operación
Por regla general, los datos son: G’, Y
1, X
2, Y
2y
las incógnitas L’y X
1.
El proceso en torres de absorción siempre
ocurre en contracorriente.
En la absorción la curva de equilibrio se
encuentra por debajo de la curva de absorción.
Los procesos de absorción se realizan con
relación 25% superior a la mínima: (L’/G’)=
1,25(L’/G’)
min.

27. Sobre el Balance de Energía
Los procesos de absorción por lo general se
llevan a cabo de forma isotérmica y en este caso
no seria necesario plantear un balance de
energía.
En otros caso cuando existe una reacción
química, aparece desprendimiento de calor;
lo cual da lugar al aumento en la temperatura del
líquido.
Este aumento de temperatura afectará a la curva de
equilibrio.

28. … más sobre el balance de energía
Para absorción de gases en condiciones no
isotermas,
a veces se supone que el calor desarrollado es captado
por el líquido, y que no afecta a la temperatura del gas.
Esta suposición conduce al diseño de una torre con
altura superior a la requerida.
El balance entálpicose realiza para calcular el
perfil de temperatura a lo largo de la columna,
lo que permite construir la curva de equilibrio, en el
diagrama Y-X correspondiente a la operación.

29. El Relleno
Influye de forma decisiva en la altura y
diámetro de la columna.
El relleno de la columna producirá un aumento
de la superficie de contacto entre la fase
gaseosa y líquida,
lo que provoca una mayor transferencia de materia
entre las dos fases.

30. Características del relleno
Ser químicamente inerte para los fluidos que
circulen en la torre.
Tener suficiente resistencia mecánica sin un
peso excesivo.
Permitir un paso adecuado de ambas corrientes
sin originar una retención de líquido o una
caída de presión excesiva.
Proporcionar un buen contacto entre las fases.
Tener un coste relativamente bajo.

31. Rellenos tipo ANILLO
Existen de diferente medida, saltando de una a
otra medida en media pulgada.
Generalmente son de cerámica o acero, también
los hay de vidrio y plástico.
Si los anillos son menores a 3 pulgse colocan al
azar;
Si fueran mayores a 3 pulgdeben ser colocados
en forma ordenada.

32. Rellenos tipo ANILLO
Rasching: es la forma mas sencilla y corriente.
Es un trozo de tubería de pequeño espesor, de altura igual al
diámetro.
Lessing: son como los anillos Rasching,
pero con un tabique transversal, para aumentar la superficie de
contacto.
Su tamaño máximo es de 6 pulgadas.
En cruz: un anillo raschingcon dos tabiques en cruz.
En espiral: El tabique intermedio esta constituido por
un espiral simple, doble o triple.
Pall: Como los anillos Rasching, pero con aperturas
laterales.

33. Rellenos tipo SILLAS o MONTURAS
Berl: con forma de sillas de equitación,
generalmente son de plástico o cerámica, de ½ pulga
3 pulg.
Caben mas por unidad de volumen que de anillos;
presentan el inconveniente de que pueden encajar
unas encima de otras, disminuyendo el área de
transferencia.
Intalox: parecidas en forma a las anteriores,
pero sin posibilidad de superponerse unas con otras.

34. Otros Tipos
También se utilizan como rellenos madejas de
níquel, rejas de madera o metálicas, piedras
troceadas, entre otros.
El uso de estos tipos de rellenos se halla muy
restringido a ciertos procesos.

35. ANILLOS y SILLAS
1)Sillas Berl
2)Sillas intalox
3)Anillos Rasching
4)Anillos Pall
5)Anillos Lessing
6)Anillos en Cruz

36. Características estáticas de un
rellenorellenodelechodem
erficiedem
a
S
...
sup.
3
2 rellenodem
vacíorellenodem
.
..
3
3 3
S
a
F ocupadoVolumen
rellenoPeso
a
.
. 1
S
P
a
a
a
S: Superficie específica del lecho
ε: Fracción de huecos
F: factor de relleno
a: Densidad aparente
a
P: Superficie específica de cada partícula

37. Características dinámicas de un
rellenom
s
m
mojadoPerímetro
ovolumétricCaudal
L
m
3
.
. S
S
aS
z
azS
mojadaAltura
mojadaSuperficie
mojadoPerímetro .
..
.
.
. SL
V
S
L
v
m
aS
L
aS
L
L
...
L
m: caudal de humectación
S: sección transversal de la columna (m
2
)
z: altura de la columna (m)
a
S: Superficie específica del relleno (m
2
/m
3
)
L
V: Caudal volumétrico del líquido

38. Columnas de Platos
Además de rellenos se utilizan también columnas de
platos, solamente para determinadas absorciones.
En los casos en que la pérdida de carga hiciese necesario utilizar
torres de relleno de diámetro superior a un metro. Se emplearían
torres de platos.
También se usan cuando pueda existir alguna deposición de
sólidos que obstruye el paso de los fluidos a través del relleno.
Asimismo se utiliza este tipo de columnas cuando el flujo del
líquido es suficiente para inundar la columna de relleno.
Las columnas de platos en absorción son similares a las de
destilación. Aunque las eficacias en la destilación son superiores.
En casos de usar fluidos corrosivos es preferible utilizar las
columnas de relleno.

39. Plato “n”
Plato “1”
Plato “N”
Balance de materia para platos
“n+1”
“n-1”
G’, Y
1
G’, Y
N+1
L’, X
N
L’, X
0
Y
n
Y
n+1
X
n
X
n-1011 '' XXLYYG
nn 011
.
'
'
.
'
'
X
G
L
YX
G
L
Y
nn
MÉTODO GRÁFICO
Al representar en el diagrama Y-X la recta de
Operación y la curva de equilibrio, se puede
obtener el número de platos teóricos para
efectuar una absorción determinada, mediante el
trazado de escalones según el método gráfico de
McCabe-Thiele.

40. Método gráfico
Y
1
2
1e
(
L’
/
G’)
X
(X
1)e
1
2
0,6
Nº platos=2,6