Los Procesos de absorción física para eliminar el H2S y el CO2 del gas natural

Introducción

La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que se utiliza para eliminar uno o varios componentes de una corriente gaseosa utilizando un disolvente. La absorción puede perseguir diversos objetivos:

-Recuperar un componente gaseoso deseado.

-Eliminar un componente gaseoso no deseado. Se puede tratar, por ejemplo, de la eliminación de una sustancia nociva de una corriente de gases residuales.

En la absorción participan por lo menos tres sustancias: el componente gaseoso a separar (absorbato), el gas portador y el disolvente (absorbente).

Según la naturaleza del componente gaseoso a separar, tiene que emplearse un disolvente que disuelva selectivamente dicho componente. En este caso, selectivamente significa que el disolvente absorbe principalmente el o los componentes a separar, y no el gas portador.

Presiones elevadas y temperaturas bajas favorecen la absorción. Dependiendo del tipo del disolvente, el gas se absorbe por disolución física (absorción física) o por reacción química (absorción química).

Para separar los componentes gaseosos del disolvente, la etapa de absorción va seguida, en la mayoría de los casos, de una etapa de desorción para regenerar el disolvente. En la etapa de desorción se reduce, por efecto de temperaturas elevadas o presiones bajas, la solubilidad de los gases en el disolvente, eliminándolos del mismo. Por tanto, se puede reutilizar el disolvente, que se devuelve al circuito.

La absorción puede ser física o química, según el gas que se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico ( según exista o no interacción química entre el soluto y el absorbente). La absorción es reversible, comúnmente, lo que permite combinar en una misma planta procesos de absorción y desorción, con vistas a regenerar el absorbedor para reutilizarlo y poder recuperar el componente absorbido, muchas veces con elevada pureza.

Uno de los fenómenos que predominan es el denominado proceso de difusión molecular (paso de más del soluto) a través de la interfaz líquido-gas, este puede verse facilitado por la agitación del fluido.

Según la naturaleza del componente gaseoso a separar, tiene que emplearse un disolvente selectivo para dicho componente. En este caso, un disolvente selectivo significa que el mismo, absorbe principalmente el o los componentes a separar, y no el gas portador. Presiones elevadas y temperaturas bajas favorecen la absorción. Dependiendo del tipo de disolvente, el gas se absorbe por disolución física (absorción física) o por reacción química (absorción química).

Se diferencia tres partes importantes en el proceso de absorción: el gas portador, el cual va a ser limpiado o purificado, el líquido lavador, que va a disolver las impurezas y el componente gaseoso a separar. La absorción puede ser física o química, según el gas que se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico

Para la absorción, pueden utilizarse los mismos tipos de aparatos descritos en la destilación, pues las fases en contacto serán también un líquido y un gas. Se usan normalmente columnas de platos –contacto discontinuo o por etapas– o de relleno –contacto continuo–. En ambos métodos van en contra de la fuerza gravitatoria para la circulación del líquido. Pues en el primer caso, el líquido pasa por medio de diferentes platos y en ellos se va condensando el líquido nuevamente; y en el segundo caso, el líquido sube a través del relleno y se va condensando en cada elemento, éste es un método más efectivo pues existe mayor contacto entre las fases.

La absorción se utiliza con diferentes propósitos en la industria, tales como la separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa y la purificación de gases tecnológicos. Ejemplos donde se emplea como etapa principal un proceso de absorción están las de obtención de ácido sulfúrico (absorción de SO3 ), la fabricación de ácido clorhídrico, la producción de ácido nítrico (absorción de óxido de nitrógeno), procesos de absorción de NH3, CO2, H2S y otros gases industriales.

La transferencia de masa de un proceso de absorción se realiza a través de la superficie de contacto entre las fases. La velocidad de la transferencia de masa depende directamente de esta superficie interfacial, por lo tanto, los equipos utilizados en tales operaciones deberán garantizar la dispersión de un fluido en el otro, estableciendo una superficie de contacto desarrollada, para posibilitar una contacto intenso entre las fases.

Sistemas de dos componentes

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 recibe el nombre de solubilidad del gas a la temperatura y presión predominantes. A una temperatura dada, la solubilidad aumentará con la presión La solubilidad de cualquier gas depende de la temperatura, y depende en la forma descrita por la ley de van ‘t Hoff para el equilibrio móvil: “si se aumenta la temperatura de un sistema en equilibrio, ocurrirá un cambio durante el cual se absorberá calor”

Sistemas de multicomponentes

Si una mezcla de gases se pone en contacto común líquido, la solubilidad en el equilibrio de cada gas será, en ciertas condiciones, independiente de la de los demás, siempre y cuando el equilibrio se describa en función de las presiones parciales en la mezcla gaseosa. Si todos los componentes delgas, excepto uno, son básicamente insolubles, sus concentraciones en el líquido serán tan pequeñas que no podrán modificar la solubilidad del componente relativamente soluble; entonces se puede aplicar la generalización Si varios componentes de la mezcla son apreciablemente solubles, la generalización será aplicable únicamente si los gases que se van a disolver son indiferentes ante la naturaleza del líquido; esto sucederá en el caso de las soluciones ideales. Por ejemplo, el propano y butano gaseosos de una mezcla se disolverán por separado en un aceite de parafina no volátil, puesto que las soluciones que se obtienen son básicamente ideales 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.

Reglas de las fases y el equilibrio perfecto

Las variables que son de importancia y que afectan al equilibrio en un soluto son la temperatura, concentración y también la presión. El equilibrio que tiene lugar entre dos fases se rige por la regla de fases, dada por la igualdad:

F= C – P + 2Donde;P: número de fases que se encuentran en equilibrio,C: número de componentes que hay en las dos fases en total,F: número de variantes del sistema.

Objetivos de la Absorción

Recuperar un componente gaseoso deseado.

Eliminar un componente gaseoso no deseado. Se puede tratar, por ejemplo, de la eliminación

de una sustancia nociva de una corriente de gases residuales.

Obtención de un líquido; un ejemplo sería la producción de ácido clorhídrico por absorción de

HCl gaseoso en agua.

En la absorción participan por lo menos tres sustancias: el componente gaseoso a separar (absorbato), el gas portador y el disolvente (absorbente).

Hay que distinguir entre los procesos de adsorción y absorción. La absorción es un proceso por el cual un material (absorbente) es retenido por otro (absorbato); puede ser la disolución de un gas o líquido en un líquido o sólido; o en la retención mediante fuerzas físicas de las moléculas de un gas, líquido o sustancia disuelta a la superficie o a la masa de un sólido.

EQUIPOS DE ABSORCIÓN

Los equipos más corrientes en las operaciones de absorción son las torres rellenas y las columnas de platos, preferentemente las primeras, por presentar menor caída de presión.

La torres rellenas usadas como absorbedores no son equipos estandarizados, se diseñan con diámetros desde 20 hasta 600 cm y con 1 a 24 m de altura. En general, las torres muy altas son poco eficientes.

El dispositivo consiste en una columna cilíndrica equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior, una entrada de líquido y un distribuidor en la parte superior, salidas para el gas y el líquido por la cabeza y la cola, respectivamente.

Las columnas húmedas pueden usarse para determinar los coeficientes de transferencia de masa entre gases y líquidos, escenciales en las torres de absorción

Atendiendo al método de creación de la superficie de contacto desarrollada en las torres de absorción pueden clasificarse del modo siguiente:

-superficiales

-peliculares

- de relleno

- de burbujeo (de platos)

- pulverizadores

Las superficiales son poco utilizadas debido a su baja eficiencia y grandes dimensiones. Son específicos para gases muy solubles en el absorbente como es el caso del HCl en agua.

Las peliculares son equipos en los cuales la superficie de contacto entre las fases se establece en la superficie de la película de líquido, que se escurre sobre una pared plana o cilíndrica . Los equipos de este tipo permiten realizar la extracción del calor liberado en la absorción.

Los equipos más utilizados en la industria química son las torres rellenas y las de burbujeo.

TORRES RELLENAS

El equipo consiste esencialmente en una columna que posee un conjunto de cuerpos sólidos, que descansan sobre una rejilla con agujeros, los cuales permiten el paso de los fluidos.

La figura muestra una torre rellena típica, el flujo es a contracorriente, el gas entra por la parte inferior de la torre y se mueve ascendentemente y pasa a través de las capas de empaquetaduras o rellenos(1). El líquido entra por la parte superior de la torre y se distribuye uniformemente por toda la sección transversal de la torre con ayuda del distribuidor(3). La rejilla de soporte (2) se construye

con un material resistente.

Generalmente el equipo no se llena por un capa de empaquetadura continua, sino que se divide el relleno en bloques de aproximadamente 1,5 a 3 m, con el propósito de evitar que el líquido se mueva preferentemente cerca de la pared y deje de mojar la zona central de la capa de empaquetaduras. Este fenómeno, perjudicial para la transferencia de masa, se denomina efecto pared y está motivado porque al existir una mayor densidad del relleno en la parte central que en la zona próxima a las paredes del aparato, la resistencia hidráulica cerca de las

paredes es menor por lo que el líquido se desplazará preferentemente hacia esa región. En la figura puede observase un relleno en dos

secciones. Para redistribuir el líquido entre las capas de empaquetadura, se colocan los conos de redistribución. Las torres muy altas o de gran diámetro se dividen en varias secciones

ELECCIÓN DE LAS EMPAQUETADURAS O RELLENOS

Existen diversos cuerpos que se emplean como relleno para las torres empacadas Las principales características que debe reunir un relleno para lograr una elevada eficacia en la transferencia de masa son:

-Tener gran superficie específica.

-Tener elevada porosidad.

-Ofrecer pequeña resistencia hidráulica al gas.

-Ser químicamente inerte respecto a los fluidos procesados.

-Poseer gran resistencia mecánica.

-Ser baratos.

Los más comunes son:

(a) Anillos Rasching

(b) Anillos con tabiques

(c) Relleno Gudloye

(d) Anillos Pale

(e) Relleno Spreypack

(f) Montura de Berl

(g) Relleno de rejilla de madera

Los rellenos se fabrican de diferentes materiales tales como cerámica, porcelana, acero, plástico, vidrio, etc. Los más difundidos son los Rashing y sus modificaciones.

Las empaquetaduras de tamaño pequeño poseen mayor superficie específica, lo cual permite disminuir la altura de trabajo del aparato, aunque originan una mayor resistencia hidráulica. Se utilizan preferentemente en torres que trabajan con presiones elevadas o cuando se requiere gran intensidad en la transferencia de masa. Los rellenos de mayor diámetro permiten disminuir el diámetro de la torre y reducir el costo inicial de la misma, a pesar de que la altura del empaque sea relativamente mayor que el de los rellenos menudos. Cuanto menor sea el tamaño del elemento, tanto mayor será la velocidad admisible del gas y por tanto, la capacidad de la torre. Debe cumplirse que el diámetro de la torre sea por lo menos ocho veces mayor que el diámetro del elemento, para disminuir el efecto pared. Los rellenos con diámetros menores que 50 cm se colocan en forma desordenada y en forma ordenada los de diámetros mayores.

REGÍMENES HIDRODINÁMICOS

Las torres rellenas pueden trabajar en diferentes regímenes hidrodinámicos. Generalmente, la velocidad del gas influye en la cantidad de líquido retenido en el relleno y por tanto en la resistencia hidráulica del relleno.

Para pequeños valores de la velocidad del gas, el líquido forma una película descendente cuya masa es prácticamente independiente de la velocidad del gas. Este régimen se conoce como régimen pelicular.

Si aumenta la velocidad del gas lo suficiente como para que resulten importantes las fuerzas de rozamiento entre el gas y el líquido, la corriente líquida resulta frenada, aumenta el espesor de la película y la cantidad de líquido retenido en el relleno. Éste se denomina régimen de

suspensión y se caracteriza por un aumento de la superficie mojada del relleno: al aparecer remolinos, salpicaduras con pequeños borboteos de gas en el líquido, disminuye la intensidad del proceso de transferencia de masa.

Si la velocidad del gas es tan elevada que la fuerza de rozamiento entre el gas y el líquido es suficiente como para equilibrar la fuerza de gravedad del líquido descendente, se establece una capa continua del líquido en el interior del relleno, en la cual deberá burbujear el gas. Éste se denomina régimen de emulsión, se caracteriza por una elevada resistencia hidráulica y por una intensificación del contacto gas-líquido.

La velocidad para la cual el gas es capaz de establecer una capa de líquido en todo el relleno se denomina velocidad de inundación, su valor se determina gráficamente o mediante ecuaciones empíricas.

La velocidad de inundación es una condición límite de los procesos de absorción, su valor depende principalmente del flujo de líquido, de su densidad y viscosidad y de las características del relleno.

CÁLCULO DE LOS ABSORBEDORES

El cálculo básico de un absorbedor comprende la determinación de la altura de trabajo y el diámetro de la torre, para luego calcular la altura total del equipo, con la aplicación de criterios empíricos para fijar los espacios necesarios por encima y por debajo del volumen efectivo de trabajo; tales espacios son necesarios para la entrada y salida de los fluidos y para separar las partículas del líquido que pudiera arrastrar el gas.

Las torres rellenas:

El cálculo se refiere a determinar la altura (Z), el diámetro (D), el consumo (L) del absorbente y la resistencia hidráulica.

Las fórmulas se han desarrollado en acápites .

El valor de la altura de la unidad de transferencia varía desde 0,15 a 1,5 m, prácticamente.

El cálculo basado en el NOG se utiliza cuando la resistencia controlante está en la fase gaseosa y se emplea el NOL cuando está en la fase líquida.

La altura de las torres con relleno varía de 1 a 20 m.

El diámetro se determina por medio de la velocidad ficticia adoptada del gas (vo) mediante la ecuación:

Los diámetros varían desde e20 a 500 cm.

El aumento de la velocidad del gas permite disminuir el diámetro de la torre y con ello el costo inicial del aparato. El valor de la velocidad se establece por la relación:

vo = (0,85 – 0.95) vinund

La resistencia hidráulica se determina a partir de valores experimentales, tanto para el relleno seco como para el húmedo, ésta última es mayor que la primera.

TORRES DE ABSORCIÓN DE PLATOS (TORRES DE BURBUJEO O BORBOTEO)

En estos equipos, el gas burbujea dentro de una capa de líquido, de modo que la superficie de contacto entre las fases es la superficie de todas las burbujas formadas.

Las torres de platos son columnas dentro de las cuales están instalados platos igualmente espaciados. Los platos poseen perforaciones, a través de las cuales pueden ascender los vapores procedentes de los platillos inferiores, lo que posibilita la

interacción gas-líquido.

Según sea el diseño del plato, en lo que respecta a la configuración del orificio y a la existencia o no de tubos bajantes para el descenso de líquido, las torres de platos se clasifican en:

-Platos con sombrerete o campana (cazoleta)

-Platos cribados o perforados

-Platos de válvulas.

Las características comunes de los diferentes tipos de platos son el gran contacto entre las fases, la facilidad de limpieza y la posibilidad de evacuación del calor, evolucionado en el proceso, con la introducción de serpentines en el espacio interplatos

La figura muestra el esquema de una torre de platos, en la misma, la transferencia de masa se efectúa de forma escalonada, según asciende el gas de uno a otro plato a contracorriente con el flujo de líquido, que se desplaza con una trayectoria con zigzag en el interior de la torre.

El elemento fundamental de los dos primeros platos son las cazoletas, el gas burbujea en el líquido al salir de las cazoletas. Las cazoletas se distribuyen de forma regular en el plato, dejando una zona libre de las mismas en las proximidades de los dos tubos de bajada. Cuando la separación entre los tapacetes es pequeña, es mejor el contacto entre las fases.

Las torres de platos con cazoletas pueden manipular gastos de líquidos grandes y pequeños y resultan las más eficientes en torres de grandes dimensiones.

La campana mostrada en la siguiente figura se compone del tubo central, que está fijado en el agujero del plato, la campana está unida al tubo central mediante un tornillo que atraviesa un listón transversal soldado en el extremo superior del tubo, o también puede estar soldada al tubo

Los platos de válvula son platos perforados cuyas aberturas para el flujo de gas poseen un área variable. Las perforaciones tienen diámetro de 3 a 4 cm, si son circulares y están cubiertas con casquetes movibles, que se elevan a medida que aumenta el régimen del gas.

Los platos válvula mantienen un equilibrio, a la presión del gas con relación a la de la columna del líquido, a través del libre desplazamiento de la válvula según la altura de los fijadores o retenedores, de forma tal que el recorrido va desde la altura mayor, que deja pasar mayor cantidad de gases, hasta el cierre completo.

REGÍMENES HIDRODINÁMICOS

Los valores de la velocidad de gas y de la densidad de rociado influyen en el funcionamiento de las torres de platos y posibilitan los diferentes regímenes hidrodinámicos, que son de:

-Burbujas

-Espuma

-Chorro(inyecciones)

El régimen de burbujas se observa cuando la velocidad del gas es muy pequeña, en ese caso, el gas avanza en forma de burbujas separadas y el área de contacto entre las fases es pequeña.

El régimen de espuma se establece con un mayor gasto del gas, aumenta el número de burbujas, muchas de las cuales se unen para formar chorros de gas que se destruyen y originan nuevas burbujas dentro de la capa de líquido o encima de ella. Debido a que el contacto entre las fases ocurre en las superficies de las burbujas y de los chorros de gas, así como en la superficie de las gotas de líquido formadas, a este régimen le corresponde el valor máximo de contacto entre las fases.

El régimen a chorro se establece cuando la velocidad del gas es demasiado grande, en el mismo los chorros de gas poseen mayor longitud y salen a la superficie de la capa de borboteo sin descomponerse, originan muchas gotas de gran tamaño que poseen menor superficie para el contacto gas-líquido.

EQUIPOS DE ABSORCIÓN DE PULVERIZACIÓN

En los absorbedores de pulverización (atomización), la superficie de contacto entre las fases se crea por la pulverización del líquido en la masa del gas en forma de gotas pequeñas.

En la figura se muestra un absorbedor de pulverización, puede observarse el cuerpo de la torre(1) y los inyectores de líquidos(2) situados en la parte superior. Existen diferentes estructuras para estos absorbedores, las más corrientes son cámaras huecas en las cuales

los fluidos se mueven a contracorriente.

Los más recientes emplean un tubo de Venturi, en el cual los fluidos se mueven en la misma dirección, con gran intensidad en la formación de burbujas, que luego se descomponen al descargar la mezcla en una cámara.

Estos equipos tienen una construcción simple, pero sus gastos operacionales son elevados debido al consumo grande de energía en la pulverización del líquido. Son relativamente poco eficaces, se les emplea solamente con gases que se disuelven bien.

El contacto gas-líquido es relativamente pequeño y se produce una pequeña caída de presión en la corriente gaseosa.

ETAPAS DEL DISEÑO

Las etapas de una columna de relleno de absorción para por los siguientes puntos:

Selección del disolvente Obtención de datos de equilibrio Balance de materias Balance entálpico Elección del relleno y cálculo del diámetro de la columna Cálculo de la altura de la columna