7 Absorcion Empaque

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    07-Nov-2015
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  • ABSORCION

    A P L I C A C I O N E S

    1) PURIFICACION DE GAS NATURAL O GAS DE R E F I N E R I A

    Gas O^loe Separador de

    salida

    Gas cido

    Contactor

    I

    Gas agrio

    Enfriador de amina

    Gas combustible

    Tanque flash

    Filtros Condensador reflujo

    Bomba

    HX amina rica/pobre

    Separador de entrada

    Amina Rica

    4 Bomba reflujo

    Reclaimer (opcional)

    Rehervidor

    Se tiene en serie (tren) una columna de lavado o absorcin y una columna de regeneracin o desorcin

    Principalmente orientadas a la eliminacin de H2S y CO2 por lavado con disolucin de aminas, que se realiza en la columna de absorcin.

    En la columna de desorcin el vapor de agua arrastra los gases H2S y C0 2 hasta el tope.

    Problema del Treybal (8.1 Pag. 372) relacionado con el uso de la monoetanolamina (MEA) para extraer C02.:

    Gas de alimentacin C02: 0.15 0 2 .: 0.06 N 2 : 0.79

    Liquido absorbente Etanolamina : 0.30 H20 :0.70

    Condiciones de operacin : 25C , 1.2 atm

  • 2) RECUPERACION DE GAS PROPANO Y BUTANO DE UN GAS HUMEDO

    METANO

    ROD ... RICH OIL DEMETANIZER

    RECOBRO RECHAZO C, SEPARACION

    En la primera columna (absorbedor) los elementos ms pesados del gas hmedo son absorbidos por el aceite (denominado aceite pobre), es decir, se condensan y se disuelven en el aceite. Por el tope sale entonces el gas seco y por el fondo el aceite que contiene los hidrocarburos absorbidos (aceite rico). La cantidad absorbida es mayor, cuanto mayor es la presin, menor la temperatura y ms ligero el aceite de absorcin. En la segunda columna se revaporizaza el metano y sale por el tope. En la tercera columna (stripping o desorbedor) por recalentamiento del lquido de fondos se revaporizan los hidrocarburos absorbidos, que salen por el tope. Problema del Treybal (8.15, Pag. 376) relacionado a la segunda aplicacin :

    Gas hmedo: CFL : 0.88 C2H6: 0.04 n-C3Hg : 0.05 n-C4Hio : 0.03

    Aceite pobre: n-C4Hio : 0.05 Hidrocarburos mas pesados: 0.95

    Se pide extraer el 88 % del n-C3H8 Condiciones de operacin : 37.8 C , 5 atm

  • CURVA DE E Q U I L I B R I O (Solubilidad de gases en lquidos)

    CASO I : Un gas y un lquido no voltil en equilibrio

    V = Varianza o Grados de libertad

    V = C - F + 2 = 2 - 2 + 2 = 2

    Fijamos: T p (en ese caso PA)

    Y las dems variables estarn fijadas PAI * *A1 PA2 * XA2 PA3 -* *A3

    20C PA

    PA3(0.08atm)

    PA2 (0.04 ata)

    pAi (0.02 ata)

    Eficiencia Solubilidad P T

    Absorcin | t T i

    Desorcin f i 1 t

    X A 1 XA2 XA3 0.05 0.08 0.10

    CASO I I : Dos o mas gases (uno solo de los cuales es soluble) y un lquido no voltil en equilibrio

    Se cumple "La solubilidad del gas soluble es independiente de los otros componentes gaseosos"

    GAS NH, yA AIRE

    LIQ

    AGUA

    Por ejemplo a T = 10C y P = 4 atm

    yA= P A / P I

  • CASO I I I : Dos o mas gases solubles y un lquido no voltil en equilibrio

    Si los gases son ideales y la solucin lquida es ideal, entonces las molculas son de tamao, estructura y naturaleza semejantes

    En ese caso se cumple "La solubilidad de un componente del gas es independiente de los otros componentes"

    B: solvente no voltil

    Y se aplica la Ley de Raoult : pa* = PVA XA

    y la ley de Dalton : p A * = pt y A*

    entonces pt yA* = PVA X A

    yA* =(pvA/pt)x A

    yA Pt ,T

  • Si son soluciones liquidas no ideales, se aplica la Ley de Henry yA* = m x A

    m = f ( p , T ) m se obtiene experimentalmente

    aplicable para p < 5 atm

    Para presiones mayores a 5 atm : yA* = m' x A

    m' = f ( p, T , composicin)

    yA Pt , T

    3 0 0

    5 0

    L 2 0 0

    150

    S 100

    Q i! fe.

    5 0

    S0 2 ,10"C

    e

    /

    'NHJ ,30 OC

    A/

    i J

    N H J J C C

    1 / 1 /

    \\V / ^>

    ir ^

    HCl,10O

    0 0 5 0 . 1 0 0 . 1 5 0 . 2 0 f = fraccin mol del soluto en al lquido

  • Diseo de absorbedores

    Generalmente los datos para el diseo de una columna de absorcin nueva son:

    YAsal n i

    YAent

    Gent

    Criterios para la seleccin del solvente

    i) Solubilidad del gas

    YA Se elige B 3 ya que Solubilidad |

    entonces: Rapidez de TM f L solvente j

    Si las soluciones son ideales

    YA

    > La curva de equilibrio no depende de B (solo es verdad si se grfica en fracciones molares)

    > Si la grfica se da en fracciones en peso, solubilidad t , cuando el peso molecular de B (solvente) J,

    > Si existe reaccin qumica del soluto con el solvente (generalmente induce a una elevada solubilidad del gas), sta debe ser reversible, para recuperar el solvente en una operacin de desorcin. Ejemplo: uso de MEA o DEA para recuperar H2S.

  • ii) Volatilidad

    > De be tener Pv J, para evitar su prdida o la contaminacin

    A+B B (solvente)

    GAS A + C (soluto) B + C

    y A

    B, , Pv = 100 mm Hg

    2 , Pv = 20 mm Hg

    3 Pv= 150mmHg

    iii) Corrosividad. No debe ser corrosivo iv) Bajo costo v) Viscosidad del lquido (solvente)

    Debe ser baja. A uyq j se tiene Ef f y Ap j

    vi) No txico, no inflamable, bajo punto de congelamiento

    Clculo del flujo de lquido o solvente

    Hasta ahora tenemos los siguientes datos:

  • Para calcular el flujo de lquido, debemos calcular el rango que puede tener:

    { Lmin Lmax }

    Flujo mnimo de lquido (Lmin)

    Introducimos los datos que tenemos en la grfica Y vs X

    Y,

    Sea m = pendiente linea de operacin

    X2 X i X i

    Tambin podemos hallar Lsmin a partir de:

    (Ls] r< -Y 1 1 2

    min

    f Y-Y ^

    f Y-Y ^ *

    =GS

    Observacin:

    En algunos casos la pendiente mnima se halla a partir de una tangente a la curva

    Si m | Si (Ls\ m = \

    Ls 4 LSrnjn X, t x,* Fuerza impulsora en el punto 1

    i 0

    Rapidez de TM en el punto 1

    1 0

    Z T 00

    X\)

  • Flujo mximo de lquido (Lmax)

    > El flujo mximo de lquido, ser aquel que lleve a las condiciones de inundacin > Entonces Lmax = Linund

    Flujo ptimo de lquido (Lopt)

    ^ Se debe realizar el clculo del diseo para varios flujos de lquido, ubicados dentro del rango

    ^ Luego granear el Costo total versus el flujo de lquido > El flujo de lquido ptimo ser aquel que tenga el Costo total mnimo

    Costo fijo : Costo del equipo Costo de operacin : Potencia de la bomba, del soplador, etc.

    Coste anual

    Coste mnimo

    Lmin Lopt L

    > Regla rpida : L o p t = 1.5 L m i n

    Para desorbedores, se tendr un Gsmin

    x, x2

  • T O R R E EMPACADA (Equipo de contacto continuo)

    Clculo de la altura USandO HETP (altura equivalente de un plato terico)

    Z = {HETP) NPdea

    donde Z = altura del empaque Npideai = Nmero de etapas ideales o tericas

    > Mtodo simple, que no usa los CTM > HETP debe ser determinada experimentalmente > Pero HETP = f (tipo y tamao de empaque, L, G, composicin, etc.)

    Clculo de la altura usando los CTM

    G2, Gs

    GAS / LIQ

    A

    y y X X

    Para absorcin (o desorcin) se tiene una transferencia de A en B estancado,

    N entonces NB = 0 y = 1

    por lo que tomando en cuenta la fase gas con el coeficiente individual FG, se tiene

    NA =FG ln

  • o tomando en cuenta la fase gas con el coeficiente global FOG, se tiene

    NA =F O G ln l-y

    Del balance en un dz de la torre empacada

    donde a = rea especfica m m

    G' kmol sm2

    se tiene : d(G'y)_

    ad z NA=FG\n(\

    V 1

    pero d((J'y)-d (G's [l-y

    l-y = FOG\w

    l-y

    y = G'sd \>-yj

    = G , dy _ G's dy G' (i-y)2 (i-y)(i-y) (i-y)

    dy

    entonces ~ ^ ^ = NA=FGJ1^) a(l-y)dz A [l-y) Fooln l-y

    trabajando con NA expresada con F G , se tiene, rearreglando e integrando

    G' z=\dz=r JO Jy2

    FGa(l-y)hi 'i-y"

    pero como (1-jOLr ln r i - y ^ ln

    \ - y ;

    se tiene G'{l-y)imldy

    y^Faa(l-y)(y-yi)

    definimos H G = altura de una unidad de transferencia basado en la fase gas G' G' G'

    constante HtG -i mi FG a kya(l - y)iml kG apt(l- v),

    y NTG = nmero de unidades de transferencia basado en la fase gas

    N = p ^-ylmidy

    ^ (i-y)(y-yi)

    entonces se tiene finalmente Z = H t G NtG

  • trabajando de forma similar pero con N A expresada con FOG, se llega a la siguiente expresin para Z :

    Z - H t O G NtOG

    donde

    HTOO = = -. ^ = -. r * constante FQG a Kya{\ y\ KG apt(l- y\

    = I J* (l-y)(y-y*)

    Se puede tambin hallar expresiones para Z, tomando en cuenta la fase lquida tanto con el coeficiente de TM individual como global: El procedimiento es similar y se obtendrn:

    Z = H t L N t L = H t O L NtOL

    donde

    V L' L' HTL=-~~ = j ^ = T ^ constante

    L a kxa{l - x)im kLac(l- x)u i mi

    N = p (l-x)imldx a "*! (l - x)(xi - x)

    V V L' HtoL= R = A = > z x * constante

    FOL a Kxa(l - x ) , w KL a c (l - x\

    *ml

    ** k(l-x)(x*-x)

    Resumen: Z = H K ; N T G = H t L N T L = Htoc N K K ; = H r t ) L N > L

    Simplificaciones para el clculo de N I O G

    M _ r* (l-y\mi dy

    s ( i - ^ = ( i - ^ = b 3 M z r f

    entonces N>OG = \\ ^ l n l-y,

    \ ~ y ^

  • Y si adems se tienen soluciones diluidas

    entonces ln 2 -o

    Si las curvas de equilibrio y de operacin son rectas

    Si la curva de equilibrio sigue la ley de Henry y = m x

    N = YI~Y2 100 {y-y*), mi

    ln v ,-mx 7 V1^ N,