Absorción de Gases Operaciones Unitarias II

Tipos de procesos y métodos de separación Muchos materiales de procesos químicos, así como sustancias biológicas, se presentan como mezclas de diferentes componentes en fase gaseosa, líquida o sólida. Para separar o extraer uno o más de los componentes de la mezcla original, dicho componente se debe poner en contacto con otra fase. Las dos fases se llevan a un contacto más o menos íntimo, de manera que el soluto o los solutos puedan difundirse unos en otros. Por lo general, las dos fases consideradas son parcialmente miscibles entre sí. El par de fases puede ser gas-líquido, gas-sólido, líquido-líquido, o líquido-sólido. Durante el contacto los componentes de la mezcla original se redistribuyen entre ambas fases. Después de esto, las fases se separan por cualquier método físico simple. Seleccionando las condiciones y fases apropiadas, una fase se enriquece mientras que la otra se empobrece en uno o más componentes.

Tipos de procesos de Separación: Absorción 1. Absorción. Cuando las dos fases en contacto son un gas y un líquido, la operación unitaria se llama absorción. Un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida. 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 está en reposo, hacia un líquido C, también en reposo. Un ejemplo es la absorción de amoniaco A del aire B por medio de agua líquida C. En general, la solución amoniaco-agua que sale se destila para obtener amoniaco relativamente puro. Otro ejemplo es la absorción de SO2 de gases de combustión en soluciones alcalinas. En la hidrogenación de aceites comestibles en la industria alimenticia, se hace burbujear hidrógeno gaseoso en el aceite para absorberlo en el mismo; entonces, el hidrógeno en solución reacciona con el aceite en presencia de un catalizador. Al proceso inverso de la absorción se le llama empobrecimiento o deserción, ya él se aplican las mismas teorías y principios básicos. Un ejemplo es la desorsción con vapor de aceites no volátiles, en la cual el vapor se pone en contacto con el aceite y pequeñas cantidades de componentes volátiles del mismo pasan a la corriente ‘de vapor.

Tipos de procesos de Separación: Destilación En el proceso de destilación aparecen una fase de vapor volátil y una fase líquida que se vaporiza. Un ejemplo es la destilación de una solución etanol-agua, donde el vapor contiene una concentración de etanol mayor que el líquido. Otro ejemplo es la destilación de una solución amoniaco-agua, para producir vapor más rico en amoníaco. En la destilación de petróleo crudo se separan varias fracciones, como gasolina, kerosina y aceites para calefacción.

Métodos de proceso En las separaciones que se acaban de mencionar se utilizan diversos métodos de proceso. Las dos fases, como, gas y líquido, o líquido y líquido, se mezclan entre si en un recipiente para después separarlas. Este es un proceso de una sola etapa. Con mucha frecuencia, las fases se mezclan en una etapa, se separan y después se ponen otra vez en contacto en un proceso de etapas múltiples. Ambos métodos se llevan a cabo ya sea por lotes o con régimen continuo. En otro método mas, las dos fases se ponen en contacto en forma continua en una torre empacada.

1.1Transferencia de masa interfacial En la mayoría de las operaciones de transferencia de masa, se ponen en contacto dos fases insolubles, con el fin de que entre dichas fases se establezca la transferencia de las sustancias que las forman. Por lo tanto, ahora interesa la aplicación simultánea del mecanismo de difusión para cada fase en el sistema combinado. Ya se vio que la rapidez de difusión dentro de cada fase depende del gradiente de concentración que existe en ella. Al mismo tiempo, los gradientes de concentración del sistema de dos fases, indican el alejamiento de la posición de equilibrio que existe entre las fases. Si se estableciese el equilibrio, los gradientes de concentración y por ende la rapidez de difusión descenderían a cero. Por lo tanto, es necesario considerar tanto los fenómenos de difusión como los equilibrios, con el fin de describir por completo las diferentes situaciones.

Equilibrio Es conveniente considerar primero las características de una operación particular en el equilibrio y luego generalizar los resultados a otras operaciones. Como ejemplo, considérese la operación de absorción de un gas, que sucede cuando se disuelve el amoniaco de una mezcla amoniaco-aire en agua líquida. Supóngase que una cantidad fija de agua líquida se coloca en un recipiente cerrado junto con una mezcla gaseosa de amoniaco y aire; todo se dispuso de tal forma que el sistema se mantuviera a temperatura y presión constantes, Puesto que el amoniaco es muy soluble en agua, una parte de las moléculas de amoniaco se transferirán instantáneamente del gas al líquido, cruzando la superficie interfacial que separa las dos fases. Parte de las moléculas de amoniaco regresaran al gas, con una rapidez proporcional a su concentración en el líquido. Conforme mas amoniaco entre en el liquido y cuanto mayor sea el aumento consecuente en la concentración de amoniaco en el líquido, tanto mayor será la rapidez con la cual el amoniaco regresa al gas; no obstante, llegará un momento en que la rapidez con la cual el amoniaco entra en el líquido será exactamente igual a aquella con la cual lo abandona. Al mismo tiempo, mediante el mecanismo de difusión, las concentraciones en cada fase se vuelven uniformes. Ahora existe un equilibrio dinámico aun cuando las moléculas de amoniaco continúan transfiriéndose de una fase a otra, la transferencia neta desciende a cero. Las concentraciones dentro de cada fase, ya no cambian. Para el observador, que no puede ver cada una de las moléculas, aparentemente la difusión se ha detenido.

Si ahora se inyecta una cantidad adicional de amoniaco dentro del recipiente, después de cierto tiempo se alcanzará una nueva serie de concentraciones en el equilibrio; las concentraciones en cada fase serán mayores que las obtenidas inicialmente. De esta forma, al final se puede obtener la relación total entre las concentraciones en el equilibrio en ambas fases. •Si se designa al amoniaco como la sustancia A •Las concentraciones en el equilibrio en el gas (yA) y en el líquido (xA) fracción mol. Darán lugar a una curva de distribución en el equilibrio.

Esta curva es independiente de las cantidades iniciales de agua y aire, y sólo depende de las condiciones, como temperatura y presión, que se le impongan al sistema de tres componentes. Es importante observar que en el equilibrio las concentraciones en las dos fases no son iguales; más bien, el potencial químico del amoniaco es igual en las dos fases.

Distribución en el equilibrio de un soluto entre una fase gaseosa y una líquida a temperatura constante.

Por lo general, siempre que una sustancia se distribuya entre dos fases insolubles, se puede establecer un equilibrio dinámico de este tipo. Los diferentes equilibrios son propios del sistema particular que se esté considerando. Así, reemplazando el agua en el ejemplo anterior por otro líquido como benceno (o por un adsorbente sólido, como carbón activado), o reemplazando el amoniaco por otro soluto como dioxido de azufre, se obtendrán en cada caso nuevas curvas que no guardan relación con la primera.

baja solubilidad

alta solubilidad

Solubilidades de gases en agua.

Los principios siguientes son comunes a todos los sistemas en que ocurra la distribución de sustancias entre dos fases insolubles: 1.En un conjunto fijo de condiciones existe, con referencia a la temperatura y presión, una serie de relaciones en el equilibrio; dichas relaciones pueden mostrarse gráficamente en la forma de una curva de distribución en el equilibrio para cada sustancia distribuida; con este propósito, se grafican una contra otra las concentraciones en el equilibrio de la sustancia en las dos fases. 2. Para un sistema en el equilibrio, no hay difusión neta de los componentes entre las fases. 3 . Cuando un sistema no está en equilibrio, la difusión de los componentes entre las fases sucede de tal forma que el sistema alcanza una condición de equilibrio. Si hay tiempo suficiente, prevalecerán por último las concentraciones en el equilibrio.

1.3 Equilibrio gas-liquido Datos de equilibrio gas-líquido. Para ilustrar la obtención de datos de equilibrio experimentales de un sistema gas-líquido. Una cierta cantidad de S02, aire y agua, se introduce 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 pA en atm del SO2 (A) en el gas y la fracción mol XA en el líquido.

Gráfica de equilibrio para el sistema S02-agua a 293 K (20 °C).

Ley de Henry Con frecuencia la relación de equilibrio entre pA en la fase gaseosa y XA se puede expresar por medio de la ecuación de la ley de Henry, que es una recta a concentraciones bajas:

donde H es la constante de la ley de Henry en atm/fracción mol para el sistema dado. Si se dividen los dos lados de la ecuación anterior entre la presión total P en atm,

donde H’ es la constante de la ley de Henry en fracción mol de gas/fracción mol de líquido y es igual a H/P. Nótese que H’ depende de la presión total, mientras que H no. En la figura anterior los valores siguen la ley de Henry hasta llegar a una concentración XA de aproximadamente 0.005, donde H= 29.6 atm/fracción mol. En general y hasta llegara una presión total de unos 5 x 105 Pa (5 atm), el valor de H es independiente de P.

Constantes de la ley de Henry para gases en agua (H X l0-4)*

*pA =HXA, pA presión parcial de A en el gas en atm, xA = fracción mol de A en el líquido, H = constante de la ley de Henry en atm/frac mol.

Eg. ¿Cuál será la concentración de oxígeno disuelto en agua a 298 K cuando la solución está en equilibrio con aire a 1 atm de presión total? H x 10 -4

Usando la ecuación:

y la pA de oxigeno en aire es 0.21 atm.

Problemas. 1. Equilibrio y la constante de la ley de Henry. La presión parcial del CO2 en el aire es 1.333 x104 Pa y la presión total es 1.133 x 105 Pa. La fase gaseosa está en equilibrio con una solución acuosa a 303 K. ¿Cuál es el valor de xA para el CO2 en equilibrio en la solución? 2. Solubilidad de gases en solución acuosa. La concentración de CO2 en agua a 303 K es 0.90 X lO-4 kg de CO2/kg de agua. Si se utiliza la constante de la ley de Henry, ¿qué presión parcial de CO2 debe mantenerse en el gas para evitar que el CO2 se vaporice de la solución acuosa?