61568111 operacion-absorcion

1
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
INGENIERÍA QUÍMICA
ABSORCIÓN
PERÍODO: Ago 2008/Feb 2009
Profr.: Mtro. Ernesto Gallardo Castán
Poza Rica, Ver., Viernes 01 de Agosto del 2008

2
INTRODUCCIÓN A LA TRANSFERENCIA DE MASA
Varias de las operaciones de separación tienen ciertos principios básicos o
fundamentales comunes. Por lo tanto, es conveniente establecer la siguiente
clasificación más fundamental de los procesos de transporte o de transferencia.
1) Transferencia de momento o de ímpetu. S refiere a la que se presenta en los
materiales en movimiento, como en las operaciones de flujo de fluidos,
sedimentación, mezclado y filtración.
2) Transferencia de calor. Es este proceso fundamental se considera la
transferencia de calor de un lugar a otro; se presenta en las operaciones de
transferencia de calor, secado, evaporación, destilación y otras.
3) Transferencia de masa. En este caso se transfiere masa de una fase a otra
fase diferente; el mecanismo básico es el mismo ya sea que las fases sean
gaseosas, sólidas o líquidas. Este proceso incluye la destilación, absorción,
extracción líquido-líquido, lixiviación, secado y otras.
Fuerza impulsora
Velocidad proceso transferencia = -----------------------------
Resistencia
Una parte importante de las operaciones unitarias o métodos físicos de separación
está relacionada con el problema de modificar la composición de soluciones y
mezclas mediante métodos que no impliquen necesariamente, reacciones químicas.
Por lo común estas operaciones se encaminan a separar las partes componentes de
una sustancia.
La transferencia de masa se verifica cuando el componente de una mezcla emigra en
una misma fase o de una fase a otra a escala molecular, a causa de la diferencia de
concentración entre dos puntos.
Varios fenómenos comunes implican una transferencia de masa:
• El líquido de un recipiente abierto lleno de agua se evapora en el aire
estacionario debido a la diferencia de concentración de vapor entre la
superficie del líquido y el aire que lo rodea. Existe una fuerza impulsora de la
superficie al aire.
• Un trozo de azúcar sumergido en una taza de café se disuelve y se difunde,
sin agitación, a la solución que lo rodea.

3
• Cuando la madera verde recién cortada se expone a la acción atmosférica, se
secará parcialmente a medida que el agua de la madera se difunde hasta la
superficie cortada y después a la atmósfera circundante.
• En un proceso de fermentación, los nutrientes y el oxígeno disuelto en la
solución se difunden hacia los microorganismos.
• En una reacción catalítica, los reactantes se difunden del medio circundante a
la superficie catalítica donde se verifica la reacción.
• En el procesamiento de uranio, un disolvente orgánico extrae una sal de
uranio en solución.
• La destilación para separar alcohol de agua implica una transferencia de
masa.
• La extracción del SO2 de los gases producto de la combustión se lleva a cabo
por absorción en una solución líquida básica.
CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA
A. Contacto directo de dos fases inmiscibles
Esta categoría es la más importante de todas e incluye a la mayoría de las
operaciones de transferencia de masa. En este caso, se aprovecha la circunstancia
de que, las composiciones de las fases son distintas en un sistema de dos fases de
varios componentes.
Gas-gas: puesto que, con pocas excepciones, todos los gases son completamente
solubles entre sí, esta categoría no se realiza prácticamente.
Gas-líquido: si todos los componentes del sistema se distribuyen entre las fases en
el equilibrio, la operación se conoce como destilación. En este caso, la fase gaseosa
se crea a partir del líquido por calentamiento; o a la inversa, el líquido se crea a partir
del gas por eliminación de calor.
Si las dos fases son soluciones. Sin embargo, si ambas poseen sólo un componente
común o grupo de componentes que se distribuye entre las fases, esta operación se
conoce como absorción de gases. Dentro de este grupo también entra la desorción.
Si la fase líquida es un líquido puro que sólo contiene un componente, mientras que
la gaseosa contiene dos o más, la operación se conoce como humidificación o
deshumidificación, según el sentido de la transferencia.
Sólido-gas: si se va a evaporar parcialmente una solución sólida sin la aparición de
una fase líquida, la nueva fase vapor formada y el sólido residual contienen los
componentes originales, pero en proporciones diferentes, la operación se conoce
como sublimación fraccionada.

4
Si un sólido humedecido con un líquido volátil se expone a un gas relativamente seco
y el líquido abandona el sólido y se difunde en el gas. Esta operación se conoce
algunas veces como secado y otras como desorción. Si la difusión tiene lugar en el
sentido opuesto, la operación se conoce como adsorción.
Líquido-líquido: las operaciones en que interviene el contacto entre dos fases
líquidas insolubles se conocen como operaciones de extracción líquida.
Líquido-sólido: cuando todos los componentes están presentes en las dos fases en
el equilibrio, la operación se llama cristalización fraccionada. La disolución selectiva
de un componente en una mezcla sólida mediante un disolvente líquido se denomina
lixiviación o algunas veces, extracción por disolventes. Aquí la difusión se efectúa del
sólido a la fases líquida. Si la difusión se realiza en el sentido opuesto la operación
se conoce como adsorción.
Sólido-sólido: debido a las extraordinariamente lentas velocidades de difusión entre
fases sólidas, no existen operaciones industriales de separación dentro de esta
categoría.
B. Fases separadas por una membrana
Estas operaciones se utilizan relativamente con poca frecuencia. Las membranas
funcionan de modos diferentes, según la separación que se vaya a realizar. Sin
embargo, por lo general, sirven para prevenir que, se entremezclen dos fases
miscibles, permiten una separación de componentes, porque no todos los
componentes pueden atravezarlas.
Gas-gas: difusión gaseosa o efusión, la membrana es microporosa. Si una mezcla
gaseosa, cuyos componentes tengan pesos moleculares diferentes, se pone en
contacto con un diafragma de este tipo, los diferentes componentes de la mezcla
pasan a través de los poros con una rapidez que depende de los pesos moleculares.
Habrá, por consiguiente, diferentes composiciones a cada lado de la membrana, y se
obtendrá, en consecuencia, la separación de la mezcla. De esta manera, se lleva a
cabo la separación a escala industrial de los isótopos del uranio en la forma de
hexafluoruro uranio gaseoso.
En la permeación, la membrana no es porosa y el gas que se transmite a través de la
misma se disuelve en ella y posteriormente se difunde a través de la misma. En este
caso, la separación se efectúa principalmente por medio de la diferente solubilidad
de los componentes. El He, por ejemplo, se puede separar del gas natural por
permeación selectiva, a través de membranas de polímeros fluorocarbonados.
Gas-líquido: estas son separaciones por permeación, en que una solución de
alcohol y agua se ponen en contacto con una membrana no porosa adecuada, en la
cual se disuelve el alcohol en forma preferente. Después de atravesar la membrana,
el alcohol se evapora.

5
Líquido-líquido: se conoce como diálisis la separación de una sustancia cristalina
presente en un coloide, mediante el contacto de la solución de ambos con un
disolvente líquido y mediante una membrana permeable tan sólo al disolvente y a la
sustancia cristalina disuelta.
C. Contacto directo de fases miscibles
Las operaciones en esta categoría generalmente no son prácticas desde el punto de
vista industrial, excepto en circunstancias poco usuales.

6
ABSORCIÓN
I.1 Absorción
I.1.1 Introducción a la absorción
Una de las áreas de concentración o de estudio de la Ingeniería Ambiental e
Ingeniería Química, es el aire como portador de partículas contaminantes, en forma
de polvos, gases o vapores. Los procedimientos empleados en la eliminación de
gases y vapores contaminantes son: la absorción, adsorción y combustión o
incineración.
La absorción se aplica en aquellos gases que son completamente solubles en
líquidos. Si el gas no es completamente soluble no se aplica este método de lavado
con agua. Este método resulta práctico para el cloruro de hidrógeno,
dimetilformamida, acetona, fluoruro de hidrógeno, amoniaco, pues la mezcla de estos
gases con el agua forma un ácido o una base o mezcla de un compuesto orgánico
que se puede recuperar por destilación o neutralización. La absorción en agua no
resuelve el problema de contaminación, ya que el contaminante disuelto tiene que
recuperarse o destruirse de alguna manera.
La adsorción tiene aplicación si es baja la concentración del contaminante y si
cualquier otro método es difícil o arriesgado. Es un fenómeno de superficie molecular
en el que las moléculas del fluido se ponen en contacto con la superficie de un sólido
y se adhiere a ella. Para que un material sea un buen adsorbente, la relación
superficie-volumen debe ser grande, pues el proceso tiene lugar en la superficie del
material. Los adsorbentes que se emplean son: carbón activado, sílice, alúmina y
bauxita, Siendo el carbón activado el más usado para eliminar vapores orgánicos de
las emisiones industriales.
El método de combustión se emplea si el gas o sus componentes nocivos o
desagradables pueden quemarse en cámaras de incineración a temperaturas de 316
a 1200 °C. Entre los gases que pueden quemarse están los hidrocarburos; el
monóxido de carbono; el ácido sulfhídrico; pero que deja como residuo bióxido de
azufre, el que para eliminarlo requiere de un tratamiento posterior. Así el sistema de
flama directa consiste en un quemador o mechero que arde en cámara cerrada o al
aire libre como los que se emplean en las refinerías o en las industrias.
Concepto y aplicaciones de la absorción
La absorción es una operación unitaria de transferencia de masa, 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 (purificación de una corriente gaseosa). De acuerdo a la Figura 1.1 un soluto

7
A o varios solutos se absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida por medio de
absorción. Este proceso implica una difusión molecular turbulenta o una transferencia
de masa del soluto A, a través del gas B, que no se difunde y ésta en reposo, hacia
un líquido C, que también esta en reposo.
Fase gaseosa Fase líquida
Figura 1.1 Diagrama de transferencia de masa entre dos fases
Un ejemplo es la absorción de NH3 A del aire B por medio de agua líquida C. En
general, la solución amoniaco-agua de salida se destila para obtener un NH3
relativamente puro.
Aplicación industrial:
Absorción de ácido sulfhídrico (H2S) y bióxido de carbono (CO2) empleando
etanolamina.
Absorción de ácido sulfhídrico (H2 S) y bióxido de carbono (CO2) mediante
amoniaco (NH3) en solución acuosa, lo cual forma sulfato de amonio, que una
vez recuperado se vende como fertilizante.
El SO2 puede separarse por absorción líquida y purificarse para colectarse,
comprimirse y venderse.
Eliminación del dióxido de nitrógeno y fluoruros solubles, por medio del agua.
I.1.2 Fundamentos de la absorción
Equilibrio gas-líquido
Para ilustrar la obtención de datos de equilibrio experimentales de un sistema gas-
líquido, considésere el sistema SO2-aire-agua. Una cierta cantidad de SO2, aire y

8
agua, se introducen en un recipiente cerrado y se agita varias veces a una
temperatura dada hasta lograr el equilibrio. Se analizan entonces muestras del gas y
del líquido para obtener la presión parcial (p*) en atm del SO2 (A) en el gas y la
fracción mol xA en el equilibrio.
Soluciones líquidas ideales
Cuando una fase líquida se puede considerar ideal, la presión parcial en el equilibrio
de un gas en la solución puede ser calculada sin necesidad de determinaciones
experimentales.
Existen cuatro características significativas de las soluciones ideales, éstas se
relacionan entre sí:
1. Las fuerzas intermoleculares promedio de atracción y repulsión en la solución
no cambian al mezclar los componentes.
2. El volumen de la solución varía linealmente con la composición.
3. No hay absorción ni evolución de calor al mezclar los componentes. Sin
embargo, en el caso de gases que se disuelven en líquidos, este criterio no
incluye el calor de condensación del gas al estado líquido.
4. La presión total de vapor de la solución varía linealmente con la composición
expresada en fracción mol.
En realidad no existen soluciones ideales y las mezclas reales sólo tienden a ser
ideales como límite. La condición ideal requiere que las moléculas de los
componentes sean similares en tamaño, estructura y naturaleza química; tal vez la
aproximación más cercana a dicha condición sea la ejemplificada por las soluciones
de isómeros ópticos de compuestos orgánicos. Pueden considerarse también como
soluciones ideales, las soluciones de benceno en tolueno, de alcohol etílico y
propílico o las soluciones de gases de hidrocarburos parafínicos en aceites de
parafina.
Cuando la mezcla gaseosa en equilibrio con una solución líquida ideal, sigue también
la ley de los gases ideales, la presión parcial p* de un soluto en la fase gaseosa es
igual al producto de su presión de vapor (a la misma temperatura) por su fracción
molar en la fase líquida.
p*= Px
p* = presión parcial del soluto en la fase gaseosa
P = presión de vapor del soluto
x = fracción molar del soluto en la fase líquida
Para disoluciones líquidas no ideales puede aplicarse la ley de Henry, según la cual
la concentración de un componente en una fase es proporcional a su concentración
en la otra fase; es decir,
p*= Hc
siendo H el coeficiente de la ley de Henry, cuyo valor numérico depende del sistema

9
considerado, de la temperatura y de las unidades en que se expresen p* y c.
1ª SERIE DE PROBLEMAS:
1) Una mezcla gaseosa a la presión atmosférica normal y a 30o
C contiene SH2
en proporción tal que su presión parcial es 300 mm Hg en contacto con agua.
Calcúlese la cantidad de SH2 que se disolverá en 100 kg de agua al
alcanzarse el equilibrio entre fases (H = 609 atm/fracción molar).
Sol. 0.1225 kg
2) En las condiciones de equilibrio entre el agua el CO2 a 20o
C se ha encontrado
que la cantidad de CO2 disuelta en agua es 0.01 g de CO2 por 100 g de agua.
Calcúlese la presión parcial del CO2 en la fase gaseosa.
De Tablas a 20o
C para CO2: H= 1420 atm/fracción molar. Sol. 44.08 mm Hg
3) Se desea hallar cuánto hidrógeno pueda disolverse en 100 partes, en peso de
agua partiendo de una mezcla gaseosa en la que la presión total es 760 mm,
la presión parcial de H2 es 200 mm y la temperatura 20o
C.H= 6.83x104
a 20o
C.
Sol. 0.0000431kg
Solubilidad de gases en líquidos en el equilibrio
Si cierta cantidad de un gas simple y un líquido relativamente no volátil se llevan al
equilibrio, la concentración resultante del gas disuelto en el líquido se le llama
solubilidad del gas a la temperatura y presión prevalecientes en el sistema. De
acuerdo a la Figura 1.2 a una temperatura dada, la solubilidad aumentará con la

10
presión, como aumenta por ejemplo en la curva A, que muestra la solubilidad del NH3
en agua a 30 °C.
Gases y líquidos diferentes presentan curvas de solubilidad distintas, las que se
deben determinar experimentalmente para cada sistema
Si a una concentración dada del líquido la presión en el equilibrio es alta, como en el
caso de la curva B, se dice que el gas es relativamente insoluble en el líquido; por el
contrario, si es baja como en la curva C, se dice que la solubilidad es elevada
Factores que afectan a la solubilidad de un gas en un liquido
La solubilidad del gas en el líquido es función de la naturaleza de ambos
componentes, de la temperatura, de la presión parcial del gas en el fase gaseosa y
de la concentración del gas disuelto en el líquido.
Como al disolverse un gas en un líquido suele haber desprendimiento de calor, la
solubilidad del gas disminuirá al elevarse la temperatura, lo que se utilizará
prácticamente para eliminar los gases disueltos en un líquido por calentamiento del
mismo.
La solubilidad aumenta con la presión parcial del gas, siendo independiente de la
presión total para presiones inferiores a 5 atm.
Diferentes gases presentan grandes deferencias en las presiones parciales que
ejercen sobre sus disoluciones al alcanzarse las condiciones de equilibrio. Cuando
las presiones parciales de equilibrio son grandes para pequeñas concentraciones en
el líquido, se dice que el gas es poco soluble en ese líquido; por el contrario, cuando
para concentraciones elevadas en el líquido las presiones parciales de equilibrio son
pequeñas, los gases son muy solubles en el líquido.

12
A partir de los datos de solubilidad del NH3 en agua dados en la Tabla 1.1,
constrúyanse los diagramas de equilibrio para este sistema.
Tabla 1.1 Solubilidad del amoniaco en agua a varias temperaturas
Kg.NH3 Presión parcial del Nh3, mm Hg
100 Kg. H20 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C 60°C
100 947
90 785
80 636 987
70 500 780 .
60 380 600 945
50 275 439 686
40 190 301 470 719
30 119 190 298 454 692
25 89.5 144 227 352 534
20 64 103.5 166 260 395 596 834
15 42.7 70.1 114 179 273 405 583
10 25.1 41.8 69.6 110 167 247 361
7.5 17.1 29.9 50.0 79.7 120 179 261
5 11.2 19.1 31.7 51.0 76.5 115 165
4 16.1 24.9 40.1 60.8 91.1 129.2
3 11.3 18.2 29.6 45.0 67.1 94.3
2 12.0 19.3 30.0 44.5 61.0
1 15.4 22.2 30.2
a) A la presión total constante de 1 atm y a las temperaturas de 0°C, 20°C y 60°C.
b) A la temperatura constante de 20°C y a las presiones de 2 atm, 4 atm y 5 atm.
Nota: las fracciones molares en fase líquida y gas se calculan por medio de las
siguientes expresiones:
Fase líquida: Fase sólida:
17 = peso molecular del amoníaco pNH3 = presión parcial del NH3
18 = peso molecular del agua Pt = presión total
18
100
17
17
+
=
c
c
x
1
3
Ρ
Ρ
=
NH
y

15
2. A partir de los siguientes datos registrados en la Tabla 1.2 de solubilidad del SO2
en agua constrúyanse los diagramas de equilibrio, graficando x contra y a 20 °C y a
30°C y 1 atm.
Tabla 1.2 Solubilidad del dióxido de azúfre en agua

18
Elección del disolvente para la absorción
El agua es el disolvente más barato y más abundante, pero debe darse considerable
importancia a las siguientes propiedades:
1. 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 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.
2. Volatilidad. El disolvente debe tener una presión baja de vapor, puesto que
el gas saliente en una operación de absorción generalmente esta 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. Esto se hace algunas veces, 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.
3. Corrosión. Los materiales de construcción que se necesitan para el equipo
no deben ser raros o costosos.
4. Costo. El disolvente debe ser barato, de forma que las pérdidas no sean
costosas, y debe obtenerse fácilmente.
5. Viscosidad. Se prefiere 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 transferencias
de calor.
6. El disolvente debe ser no tóxico, ni inflamable, debe ser estable
químicamente y tener un punto bajo de congelación.

19
1.3 Transferencia de un componente
Balance de materia
La Figura 1.5, muestra una torre a contracorriente, que puede ser una torre
empacada o de aspersión, de platos o de cualquier construcción interna para lograr
el contacto liquido-gas.
Figura 1.5 Flujos de entrada y salida en una torre absorbedora
La cantidad total de gas G que pasa a través de la torre en sentido ascendente por
unidad de tiempo y área de sección normal al flujo (mol/hr. m2
) consta de G’ moles de
inerte o componente que no se difunde y soluto o componente que se difunde.
La cantidad total de liquido L que baja a lo largo de la torre por unidad de tiempo y
área de sección normal al flujo (mol/hr.m2
) consta de L’ moles de absorbente no
volátil que no se difunde y componente que se difunde.
Como G y L varían de uno a otro extremo de la torre, se suelen utilizar como base de
cálculos los flujos de componentes inerte de cada corriente, G’ y L´ que permanecen
constantes a lo largo de la torre.
La composición de la fase gaseosa se expresa en fracción molar y, presión parcial p,
o relación molar Y (moles de componente que se difunde por mol de componente
inerte).
Para fase gaseosa:
Y
Y
y
pp
p
y
y
Y
t +
=
−
=
−
=
1
;
1
)1(´ yGG −= ó
Y
G
G
+
=
1
´

20
Para fase líquida:
x
x
x
−
=
1
;
x
x
x
+
=
1
; )1(´ xLL −= ó
x
L
L
+
=
1
´
De la realización de un balance de materia referido al componente a separar, entre
una sección de la torre y la sección interior, se deduce que: para torres de platos o
etapas )´()´( 1 XXLYYG nn −=−+ , para torres empacadas )´()´( 11 XXLYYG −=− .
NOTA:
En los cálculos de absorción se conocen generalmente:
a. La cantidad de gas a tratar.
b. Las composiciones del gas a la entrada y a la salida de la torre.
c. La composición del líquido a la entrada de la torre, X0.
Quedan como incógnitas la cantidad de líquido absorbente y su concentración a la
salida. En el caso menos frecuente en que se conozcan las composiciones del
líquido a la entrada y a la salida de la torre (X0 y Xn) y la cantidad y composición del
gas de entrada (Gn+1, Yn+1); quedan como incógnitas la cantidad de líquido y la
concentración del gas a la salida.
Esta es la ecuación de una línea recta (la línea de operación) sobre las coordenadas
X,Y, de pendiente L'/G' que pasa a través de (Xn , Yn+1). La sustitución de X0 y Y1, por
X y Y muestra que la línea pasa a través de (X0, Y1) como en la Figura 1.6 para un
absorbedor.
Figura 1.6 Línea de operación para un absorbedor
Dicha línea indica la relación entre las concentraciones del líquido y el gas en
cualquier nivel de la torre, como en el punto P.
CURVA DE
EQUILIBRIO
Y*
=f(x)
(x,y)
P
M
N

21
Los datos de solubilidad en el equilibrio para el soluto gaseoso en el disolvente
líquido pueden también graficarse en función de estas unidades de concentración en
el mismo diagrama, como la curva MN, por ejemplo. Cada punto sobre esta curva
representa la concentración del gas en equilibrio con el líquido correspondiente a la
concentración y temperatura locales. Para un absorbedor (transferencia de masa del
gas al líquido), la línea de operación siempre cae arriba de la curva de solubilidad en
el equilibrio, mientras que para un desorbedor (transferencia de masa del líquido al
gas) la línea siempre está por debajo como lo muestra la Figura 1.7.
Figura 1.7 Línea de operación para un desorbedor
La línea de operación es recta sólo cuando se gráfica en unidades de relación mol.
En fracciones mol o presiones parciales, la línea es curva, como lo muestra la Figura
1.8.
..
Figura 1.8 Línea de operación en fracciones mol.
Parte
inferior

22
Por lo tanto la ecuación de la línea es:






−
−
−
=





−
−
−
=





−
−
− +
+
+
+
X
X
X
X
L
PP
P
PP
P
G
y
y
y
y
G
n
n
tnt
n
n
n
11
´´
11
´
1
1
1
1
La Pt en cualquier punto puede considerarse constante en toda la torre.
Relación mínima líquido-gas para absorbedores
En el diseño de absorbedores, la cantidad del gas que se va a tratar G o G', las
concentraciones finales Yn+1 y Y1 y la composición del líquido entrante X0,
generalmente se fijan por las necesidades del proceso, pero la cantidad de líquido
que se va a utilizar esta sujeto de elección. De acuerdo a la Figura 1.9, la línea de
operación debe pasar a través del punto D y terminar en la ordenada Yn+1.
Figura 1.9 Relación mínima líquido-gas en un absorbedor.

23
Si se usa tal cantidad de líquido para obtener la línea de operación DE, el líquido
saliente tendrá la composición X1. Si se utiliza menos líquido, la composición del
líquido saliente será obviamente mayor, como en el punto F; pero, como las fuerzas
motrices para la difusión son menores, la absorción es más difícil. El tiempo de
contacto entre el gas y el líquido debe ser mayor y el absorbedor debe ser
lógicamente más alto. El líquido mínimo que puede utilizarse corresponde a la línea
de operación DM que tiene la pendiente mayor para cualquier línea que toque la
curva en el equilibrio, y es tangente a la curva en P. En P, la fuerza motriz de difusión
es cero, el tiempo de contado requerido para el cambio de concentración deseado es
infinito; por lo tanto, se obtiene una torre de altura infinita. Esto representa la relación
limitante líquido-gas.
Con frecuencia, la curva de equilibrio, es cóncava hacia arriba, y entonces, la
relación mínima líquido-gas correspondo a una concentración del líquido saliente en
equilibrio con el gas entrante.
Figura 1.10 Relación mínima líquido-gas para un absorbedor (curva de equilibrio
cóncava hacia arriba).

24
Platos reales: Eficacia. Como en la realización práctica de la absorción por etapas
no se alcanza el equilibrio entre fases en cada etapa, se introduce el concepto de
eficacia como una medida del alejamiento de las condiciones de equilibrio, y se
define como el cociente entre el número de etapas teóricas y el de reales.
En el caso de la absorción la eficacia es relativamente baja, estando comprendida
entre el 20 % y el 50 %.
La eficacia es determinada experimentalmente en función del diseño y de las
condiciones de operación, aunque se dispone de una serie de métodos
semiempíricos para su cálculo.
Puede calcularse fácilmente el número de etapas teóricas necesarias para lograr una
determinada separación, trazando la curva de equilibrio y la recta de operación. De
acuerdo a la Figura 1.11, partiendo del punto representativo de la cúspide de la
columna (X0 ,Y1) que se encuentra en la recta de operación, la composición X1 del
líquido procedente de la primera etapa queda determinada por la intersección de la
ordenada Y1 con la curva de equilibrio, puesto que este líquido ha de estar en
equilibrio con Y1.
La composición de Y2 se calcula a partir de la de X1 empleando la ecuación de la
recta de operación.
)X-(X
G´
L'
YY 0112 +=
que corresponde a la intersección de la abscisa X1 con la recta de operación. La
intersección de la ordenada Y2 con la curva de equilibrio permite calcular X2 y así
sucesivamente, hasta que se alcanza en punto (Xn, Yn+1).
El número de etapas teóricas será igual al de escalones formados por un segmento
horizontal y otro vertical que se cortan sobre la curva de equilibrio limitado por la
recta de operación.
Una vez trazada la curva de equilibrio y la recta de operación, el número de etapas
teóricas viene dado por el de escalones de la línea quebrada, que partiendo del
punto (X0 , Y1) se apoya en la curva de equilibrio y en la recta de operación, hasta
alcanzar el punto (Xn, Yn+1) de la recta de operación.

25
Figura 1.11 Determinación del número de platos teóricos.
1. Calcúlese el número de etapas necesarias para efectuar la separación de una
mezcla gaseosa de composición 35 % volumen de NH3 y el 65 % volumen de aire. La
absorción se verifica en contracorriente con H20 que contiene 2 % en peso de NH3 a
20 °C y 1 atm y se ha de recuperar el 90 % de NH3 contenido en una mezcla
gaseosa, si la eficacia de cada etapa es del 30 %, y la cantidad de agua 35 %
superior a la mínima.
2. Se desea absorber 90 % de la acetona de un gas que contiene 1.0 mol % de
acetona en una torre de etapas a contracorriente. El flujo gaseoso total de entrada a
la torre es de 30.0 molKg/hr, y la entrada total de flujo de agua pura que se usará
para absorber el acetona es 90 molKgH20/hr. El proceso operará isotérmicamente a
300 °K (80 °F) y a presión total de 101.3 kPa. La relación de equilibrio para la
acetona en el gas-líquido es: y = 2.53 x
Determínese el número de etapas teóricas requeridas para esta separación.
3. En una columna de absorción de platos se tratan 150 m3
/hr de una mezcla
amoníaco-aire que entra por el fondo de la columna con una concentración del 3 %
en volumen de amoníaco y sale por la cúspide con una concentración del 0.05 % en
volumen. La absorción con agua se verifica isotérmicamente 30 °C y 1 atm. La
relación de equilibrio para este sistema a concentraciones bajas de amoníaco viene
dada por la ecuación: y = 0.185 x

26
siendo x e y las fracciones molares del amoníaco en las fases líquida y gaseosa,
respectivamente. Calcúlese:
a. La cantidad mínima de agua a emplear.
b. El número de etapas teóricas necesarias si la cantidad de agua empleada es
60 % superior a la mínima. Sol. 19.2 kg H2O/hr ; 7 platos
X 0.01 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
Y 0.00185 0.0037 0.0074 0.0111 0.0148 0.0185 0.0222 0.0259 0.0296 0.0333 0.037
4. Las presiones parciales del bióxido de carbono sobre soluciones acuosas de
monoetanolamina (30 % en peso ) son :
Moles CO2 /moles
solución
Presión parcial del CO2, mmHg
25 °C 50 °C 75 °C
0.050 6.5
0.052 7.5 93.5
0.054 13.6 142.6
0.056 25.0 245
0.058 5.6 47.1 600
0.060 12.8 96.0
0.062 29.0 259
0.064 56.0
0.066 98.7
0.068 155
0.070 232
Una planta quema un combustible al aire, generando los gases siguientes: 15 %
CO2, 6 % 02, y 79% N2. El gas se va a introducir a una torre lavadora de platos
perforados a 1.2 atm y 25 °C donde se pone en contacto con una solución al 30 % de
etanolamina a 25 °C en la entrada. El líquido de lavado, que se esta recirculando a
través de un desorbedor, contiene 0.058 moles CO2,/moles solución. El gas que
abandona el lavador contiene 2 % de CO2. Considerándose una operación
isotérmica, procédase a calcular lo siguiente:
a. La relación mínima líquido/gas, mol/mol.
b. Los kilogramos de solución que entran al absorbedor por m3
de gas entrante,
para una relación L/G de 1. 2 veces el mínimo.
c. El número de platos teóricos para las condiciones del inciso b).

28
I.-
1764.02
2 =CO
X 0204.02
3 =CO
Y
1764.02
1 =CO
Y
COMPOSICIÓN FASE GAS. COMPOSICIÓN FASE LÍQUIDA.
CO2
X4 =
DATOS DE EQUILIBRIO Pt =1.2 atm =912 mmHg
X p CO2 (mmHg) 25°C y Y
0.058 5.6 0.006140 0.006177
0.060 12.8 0.014035 0.01423
0.062 29.0 0.031798 0.03284
0.064 56.0 0.061403 0.06541
0.066 98.7 0.108223 0.12135
0.068 155.0 0.169956 0.20475
0.070 232.0 0.254385 0.34117
> 2 2
2 2> >
>
15.02
1 =CO
y
1764.0
15.01
15.02
1 =
−
=CO
Y
ENTRADA
SALIDA
02.02
3 =CO
y
0204.0
02.01
02.02
3 =
−
=CO
Y
ENTRADA
SALIDA
058.02
2 =CO
X
0675.02
4 =COX

29
a).
inertegasmolesinerteliqmoles
XX
YY
G
L
COCO
COCO
/.4210.16
058.00675.0
0204.01764.0
22
22
24
31
=
−
−
=
−
−
=
b).
inertegasmolesinerteliqmoles
G
L
/.7052.19)2.1(4210.16
´
´
==
nRTPV =
( )( )
( )( )
moles
KKmolatmlts
ltsatm
RT
PV
nG 1078.49
298/..082.0
10002.1
1 =
°°
===
inertegasmolesyGG 7416.41)15.01(1078.49)1(´ 1 =−=−=
)7416.41()/.7952.19(´7052.19´ inertegasmolesinertegasmolesinerteliqmolesGL ==
amina).monoetanoldeacuosasoluciónde(molesinerteliq.moles822.5265L' =
Peso promedio de solución acuosa de monoetanolamina que entra a la columna.
∑=
==
n
i
i
i
i
prom
masafraccx
PM
x
PM 1
.
)()(
1
0438.0
18
70.0
61
30.0
)(
1
=+=
promPM
o también (PM)prom = Σ Fracc. Mol x PM
(PM)prom = 22.8274 gr/mol.
PM H2O = 18 gr/molPM CH2 - CH2 - NH2 =61 gr/mol
OH

30
.7761.18
.1000
.1
*
1
.8274.22
*5265.822´ Kg
gr
kg
mol
gr
molesL ==
e). Recalculando 2
4
CO
X
La línea de operación tendrá una pendiente 1.2 veces superior a la mínima.
7052.19
´
´
22
22
24
31
=
−
−
= COCO
COCO
XX
YY
G
L
7052.19
058.0
0204.01764.0
2
4
=
−
−
CO
X
1429.17052.19156.0 2
4 −= CO
X
2
47052.191429.1156.0 CO
X=+
0659.02
4 =CO
X
De acuerdo al diagrama, No. platos teóricos =2.7
5. Para recuperar el C6H6 contenido en una mezcla C6H6 - aire de composición 6%
volumen de C6H6, se trata en en una torre de absorción, empleando como líquido
absorbente un H/C no volátil de peso molecular 250, la mezcla gaseosa entra en el
absorbedor a razón de 500 m3
/hr a 20 °C y 1 atm; la absorción se efectúa
isotérmicamente e isobáricamente a 20°C y 1 atm. Calcúlese:
a. La cantidad mínima de H/C a emplear (Kg), si se ha de recuperar el 95% del
C6H6.
b. El número de etapas teóricas de la torre de absorción, si la cantidad de H/C
empleado es 60 % superior a la mínima.
c. Calcular las cantidades de las corrientes de entrada y salida de acuerdo a las
condiciones del inciso b)
Presión de vapor del C6H6 a 20°C es 76 mm Hg.

31
6. Un gas de alumbrado se va a liberar del aceite ligero lavándolo con un aceite de
lavado absorbente; el aceite ligero se va a recobrar por desorción de la solución
resultante con vapor. Las circunstancias son:
ABSORBEDOR: Gas entrante, 0.250 m3
/seg. (31 800 ft3
/hr.) a 260°C; Pt = 1.07
(105
) Nw/m2
(803 mm Hg), contendrá 2.0 % en volumen de vapores de aceite ligero.
Se va a suponer que todo el aceite ligero es benceno y que se requiere un 95% de
eliminación. El aceite de lavado va a entrar a 26 °C, contendrá 0.005 fracción mol de
benceno y tendrá un peso molecular promedio de 260. Se va a utilizar un flujo de
circulación del aceite de lavado-benceno son ideales. La temperatura va a ser
constante e igual a 26°C. A 26°C la presión de vapor C6H6 es 100 mmHg.
DESORBEDOR: La solución del absorbedor se va a calentar a 120°C y va a entrar al
desorbedor a 1 atm. de presión. El vapor desorbente va a estar a presión
atmosférica, sobrecalentando a 122°C. El aceite para eliminar el benceno, 0.005
fracción mol de benceno, se va a enfriar a 26°C y va a regresar al absorbedor. Se va
a utilizar un flujo de vapor de 1.5 veces el mínimo. La temperatura va a ser constante
a 122°C.
Calcular el flujo de circulación del aceite y el flujo de vapor que se necesita.
Y2=0.45 moles C6H6 / moles vapor. Gs= 6.79 x 10 -4
Kmol vapor / seg.
Nteor = 6.7
7. Un soluto A va a recobrarse de un gas portador inerte B por absorción en un
solvente. El gas que entra al absorbedor lo hace a una velocidad de 500
kgmol/h con yA =0.3. Para el gas que sale del absorbedor yA= 0.01. El
solvente entra al absorbedor con una velocidad de 1500 kgmol/h con una
concentración XA=0.001. La relación de equilibrio es yA = 2.8xA. Se puede
considerar que el gas portador no es soluble en el solvente, y que este
último no es volátil. Construya las gráficas x-y para las líneas de equilibrio y

32
de operación usando tanto coordenadas de fracción mol como libre de
soluto.
8. El soluto A se va a remover de un gas inerte B en una torre de absorción a
contracorriente en multietapas. El gas entra a la torre a una velocidad de
200 kgmol/h y contiene 25% de A. El solvente entra a la torre a una
velocidad de 800 kgmol/h e inicialmente está libre de soluto. Determine (a)
la concentración de la corriente gaseosa de salida y (b) el número de
etapas, si esta corriente contiene 5.0 mol de A. La relación de equilibrio es
yA = 4.0xA. Suponga que el gas portador es insoluble en el solvente y éste
es no volátil.
9. Se va a desorber el soluto A de una corriente líquida por contacto con un
gas puro. El líquido entra a la torre de deserción a un régimen libre de A
igual a 150 kgmol/h y contiene 30% mol de A. El gas entra a la columna a
una velocidad de 500 kgmol/h. Determine el número de etapas que se
requieren para reducir la concentración de A en la corriente del líquido de
salida hasta 1.0% mol. La distribución de A en el gas y en el líquido se
expresa como yA = 0.4xA .
10. Un proceso de absorción a contracorriente se va a usar para recobrar el
soluto A de un gas inerte. La concentración de A se reducirá de yA = 0.285
hasta yA = 0.05 por el contacto del gas con un solvente puro. (a) Halle la
relación de líquido a vapor mínima sobre una base libre de soluto y (b)
determine el número de etapas de equilibrio si la velocidad real del líquido
es 1.2 veces el valor mínimo. La relación de equilibrio se puede expresar
así yA = 4.0xA.

33
I.1.4 Equipos industriales
Contacto discontinuo
Las torres de absorción de platos son dispositivos que permiten el contacto
discontinuo entre el líquido y el gas que circulan en contracorriente a lo largo de la
torre. Constan de una serie de platos o etapas, y en cada una de ellas se ponen en
contacto el líquido y el gas, separándose después para entrar en una nueva etapa.
La etapa se denomina teórica o ideal cuando el líquido y el gas que salen de ella
alcanzan entre sí las composiciones de equilibrio.
Consideremos una torre con "n" etapas teóricas como se ilustra en la Figura 1.13,
numerando las etapas en sentido descendente e indicando como subíndices de las
composiciones del gas y del líquido la etapa de que proceden. De acuerdo con un
balance general de materia para el componente a absorber, resulta:
)Y-(YG'Xo)-Xn(L' 11n−=
que en el diagrama X vs Y corresponde a la recta de operación que pasa por los
puntos (Xo, Y1) y (Xn, Yn+1), siendo su pendiente:
0
11 1
´
´
XX
YY
G
L
n
Yn
−
−
=
−+
Figura 1.13 Torre de platos.

34
Las torres de platos o de etapas son cilindros verticales en que el líquido y el gas se
ponen en contacto en forma de pasos sobre platos o charolas, como lo muestra la
Figura 1.13. El líquido entra en la parte superior y fluye en forma descendente por
gravedad. En el camino fluye a través de cada plato y a través de un conducto, al
plato inferior. El gas pasa hacia arriba, a través de orificios de un tipo u otro en el
plato; entonces burbujea a través del líquido para formar una espuma, se separa de
la espuma y pasa al plato superior. Cada plato en la torre es una etapa, puesto que
sobre el plato se ponen los fluidos en contacto íntimo, ocurre la difusión interfacial y
los fluidos se separan.
El número de platos teóricos o etapas en el equilibrio en una columna o torre sólo
depende de lo complicado de la separación que se va a llevar a cabo y sólo está
determinado por el balance de materia y las consideraciones acerca del equilibrio.
La eficiencia de la etapa o plato y por lo tanto, el número de platos reales se
determina por el diseño mecánico utilizado y las condiciones de operación.
El diámetro de la torre depende de las cantidades de líquido y gas que fluyen a
través de la torre por unidad de tiempo.
Una vez que se ha determinado el número de etapas en el equilibrio o platos teóricos
requeridos, el problema principal en el diseño de la torre es escoger las dimensiones
y arreglos que representarán la mejor combinación.
Con el fin de que la eficiencia de etapas o platos sea elevada, el tiempo de contacto
debe ser largo (de forma que se permita que suceda la difusión), la superficie
interfacial entre las fases debe ser grande, la turbulencia sea de intensidad
relativamente alta para obtener elevados coeficientes de transferencia de masa.
Para que el tiempo de contacto sea prolongado, la laguna líquida sobre cada plato
debe ser profunda, de tal modo que las burbujas de gas tarden un tiempo
relativamente largo para ascender a través del líquido. Cuando el gas se burbujea
lentamente a través de los orificios en el plato, las burbujas son grandes, la superficie
interfacial por unidad de volumen de gas es pequeña, el líquido está relativamente
tranquilo y gran parte del mismo puede pasar sobre el plato sin siquiera haberse
puesto en contacto con el gas. Por el contrario, cuando la velocidad del gas es
relativamente elevada, se dispersa totalmente en el líquido, el cual a su vez es
agitado hasta formar una espuma. Esto proporciona áreas interfaciales grandes. Por
lo tanto, para que los platos sean de eficiencia elevada, se requieren lagunas
profundas del líquido y velocidades relativamente elevadas del gas. Sin embargo, las
condiciones antes mencionadas provocan varias dificultades. Una dificultad es la
entrada mecánica de gotas del líquido en la corriente ascendente del gas. A
velocidades elevadas del gas, cuando el gas se desprende de la espuma, pequeñas
gotas del líquido serán acarreadas por el gas al plato superior. El líquido acarreado
en esta forma hacia la parte superior de la torre, reduce el cambio de concentración
que se realiza mediante la transferencia de masa y, en consecuencia, afecta la
eficiencia del plato. De esta manera, la velocidad del gas puede limitarse por la
reducción en la eficiencia del plato debida al arrastre del líquido en forma de gotas.
Tanto las profundidades elevadas del líquido como las velocidades elevadas del gas
producen una caída elevada de presión del gas cuando éste fluye a través del plato;
esto a su vez acarrea varias dificultades.
En los absorbedores y humidificadores, una caída alta de presión eleva la potencia
del ventilador para empujar o arrastrar el gas a través de la torre y, en consecuencia,

35
se eleva el costo de operación. La caída alta de presión puede llevar directamente a
inundaciones.
A muy baja rapidez del líquido, el gas ascendente a través de los orificios del plato
puede empujar al líquido hacia fuera y es malo el contacto entre el gas y el líquido. Si
el flujo del gas es muy bajo, parte del líquido caerá a través de los orificios del plato
(lloriqueo); a causa de este lloriqueo se fracasará en obtener el beneficio de flujo
completo sobre los platos; además a flujo muy lento del gas, nada del líquido alcanza
las tuberías descendentes (almacenamiento).
Los diferentes tipos de platos están sujetos a alguna de las dificultades anteriores.
Los diferentes arreglos, dimensiones y condiciones de operación que se escogen
para el diseño son aquéllos que, según ha demostrado la experiencia, establecen un
término medio adecuado.
Contacto continúo
Las torres empacadas y de aspersión en contracorriente funcionan en forma distinta
de las torres de platos, ya que los fluidos están, no en contacto intermitente, sino en
contacto continúo durante su trayectoria a través de la torre. Por lo tanto en una torre
empacada las composiciones del líquido y del gas cambian continuamente con la
altura del empaque.
Por lo anterior dicho, cada punto sobre una línea de operación representa las
condiciones que se encuentran en algún lugar de la torre, mientras que en las torres
de platos, sólo tienen significado real los puntos aislados sobre la línea de operación
correspondiente a los platos.
Las torres empacadas, utilizadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto
en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son columnas verticales que
se han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande, como se
muestra en la Figura 1.14. El líquido se distribuye sobre éstos y escurre hacia abajo,
a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al
contacto con el gas.

36
Figura 1.14 Torre empacada.

37
Empaques
Características generales de los empaques
El empaque de la torre debe ofrecer las siguientes características:
1.- Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas. La
superficie del empaque por unidad de volumen de espacio empacado debe ser
grande, pero no en el sentido microscópico. Los pedazos de coque, por ejemplo,
tienen una superficie grande debido a su estructura porosa, pero la mayor parte de la
superficie será cubierta por la película del líquido que escurre. De todas maneras, la
superficie específica de empaque, es casi siempre más grande que la superficie
interfacial líquido - gas.
2.- Poseer las características deseables del flujo de fluidos. Esto significa que el
volumen fraccionario vacío, o fracción de espacio vacío, en el lecho empacado debe
ser grande. El empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a
través de pequeñas secciones transversales de la torre; debe ser baja la caída de
presión del gas.
3.- Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando.
4.- Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación.
5.- Tener bajo precio.
Tipos de empaques
A. Empaques aleatorios: son aquellos que simplemente se arrojan en la torre
durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria. Los tamaños más
pequeños de empaques al azar ofrecen superficies específicas mayores (y
mayores caídas de presión), pero los tamaños mayores cuestan menos por
unidad de volumen. Los tamaños de empaque de 25 mm o mayores se utilizan
generalmente para un flujo de gas de 0.25 m3
/seg. (500 ft3
/min.). 50 mm o
mayores para un flujo del gas de 1 m3
/seg. (2000 ft3
/min.). Durante la
instalación, los empaques se vierten en la torre, de manera que caigan
aleatoriamente; con el fin de prevenir la ruptura de empaques de cerámica o
carbón, la torre puede llenarse inicialmente con H20 para reducir la velocidad
de caída.
B. Empaques regulares: los empaques regulares ofrecen las ventajas de una
menor caída de presión para el gas y un flujo mayor, generalmente a expensas
de una instalación más costosa que la necesaria para los empaques aleatorios.

38
C. Anillos de Rasching: son cilindros huecos, cuyo diámetro va de 6 a 100 mm (1
/4 a 4 pulg.) o más. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para
poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y HF;
de carbón, que es útil, excepto en atmósferas altamente oxidantes; de metales
o de plásticos.
D. Anillos de Lesing: anillos cilíndricos con particiones internas empleados con
menos frecuencia.
E. Sillas de montar de Berl e Intalox: se pueden conseguir en tamaños de 6 a 75
mm (1/4 a 3 pulg.); se fabrican de porcelanas químicas o plásticos.
F. Anillos de Pall: también conocidos como Flexirings, anillos de cascada y,
como una variación, los Hy - Pak, se pueden obtener de metal y de plástico.
G. Tellerettes: se pueden conseguir en forma de espiral y de plástico.
- Anillos de Rasching
- Anillos de Lesing
- Sillas de montar de Berl
- Sillas de montar de Intalox
- Anillos de Pall.
ALEATORIOS
- Anillos hacinados de Rasching
- Rejillas o vallas de madera
REGULARES O
AMONTONADO
EMPAQUES

61568111 operacion-absorcion

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

Similaire à 61568111 operacion-absorcion

Similaire à 61568111 operacion-absorcion (20)

Dernier

Dernier (20)

61568111 operacion-absorcion