Columna de absorción

El método de eliminación de SO2 y compuestos ácidos de las corrientes gaseosas es la absorción, aunque este método es aplicable a otros contaminantes. Este procedimiento consta de la transferencia de un contaminante de la corriente gaseosa con elevada concentración de contaminante a un líquido, con baja presión de vapor y menor concentración del compuesto, en el que tenga alta solubilidad. La fuerza impulsora que provoca la separación será entonces la diferencia de concentraciones.

La absorción puede ser física, si la separación es por disolución, o química, si el compuesto que se quiere eliminar reacciona con el solvente seleccionado. De esta manera, aunque la etapa limitante suele ser la absorción física, se puede mejorar la solubilidad de determinado compuesto mediante la adición al solvente de sustancias que reaccionen con él (disolución alcalina como solvente para eliminar un compuesto ácido). También existen lavadores secos que pulverizan un absorbente en forma de polvo en la zona de combustión, aunque estos últimos generan problemas de partículas. Estos sistemas pueden ser usados para la recuperación del azufre en forma de ácido sulfúrico o SO2 (g) concentrado, si con las condiciones de operación es rentable.

Para conseguir la máxima eficiencia se debe buscar la máxima superficie de contacto entre el gas residual y el líquido eliminador, además los materiales de construcción de estos equipos deben ser resistentes a la corrosión debido al carácter ácido de los contaminantes. Hay una amplia gama de equipos que se han diseñado con este fin, entre los que se encuentran las columnas de platos, las columnas de relleno, las cajas de aspersión, los separadores de venturi, etc. Los parámetros más importantes en el diseño de estos equipos son:

Las cajas de aspersión son equipos donde la disolución solvente se pone en contacto con el gas residual dentro de una cámara mediante aspersión, donde los flujos de gas y líquido pueden ponerse en contacto en contracorriente (sentidos opuestos), en cocorriente (mismo sentido) o en flujo transversal (dirección perpendicular). Lo más adecuado para la máxima eficiencia de separación y la mínima relación líquido/gas es el flujo a contracorriente, ya que se ponen en contacto el gas y el líquido con la mínima concentración de contaminante, de manera que se maximiza la fuerza impulsora. Comúnmente el líquido entra por la parte alta del equipo y se elimina por la parte inferior, y a la inversa circularía el gas contaminado, de la parte baja hacia la superior.

Las columnas de platos son equipos a contracoriente, en los que el contacto se hace en discontinuo sobre unos platos que tienen orificios para el paso de los gases, y un vertedero para transferir el líquido de plato a plato, de manera que los gases ascienden burbujeando por los orificios.

Los separadores de venturi provocan una aceleración del gas mediante un estrechamiento, llamado garganta de venturi, en la que se produce la mezcla gas-líquido, siendo la velocidad del líquido la que proporciona la energía para el correcto contacto entre gas residual y solvente, y auque el tiempo de residencia es escaso debido a las altas velocidades, tienen una buena eficiencia en la eliminación de partículas. Estos equipos presentan una gran pérdida de presión y debido a el escaso tiempo de residencia sólo es aplicable a gases de alta solubilidad.

Las columnas de relleno a contracorriente, en las que nos centramos en este apartado, son equipos cilíndricos que contienen en su interior un relleno cuyo objetivo es maximizar el área de contacto entre gas y líquido. Las torres empacadas tienen eficiencias de remonición de gases más altas que otros equipos manejando caudales de gas residual más altos y menor cantidad de líquido de limpieza, aunque las pérdidas de presión son altas y los costos del equipo, de operación y de mantenimiento también pueden ser bastante altos.

http://www.cepis.ops-oms.org/bvsci/e/fulltext/orienta2/lecc8/lecc8_2f.html
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Características de los rellenos de columnas de absorción:
1. Químicamente inerte frente a los fluidos de la torre.
2. Resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo.
3. Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retención de líquido o caída de presión.
4. Proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas.
5. Coste razonable

Para el diseño de una columna de relleno debemos tener en cuenta conseguir el máximo de transferencia del contaminante con el mínimo consumo de energía y tamaño de la columna. El cálculo principal en el diseño de la columna es la altura de relleno necesaria para conseguir la transferencia de contaminante al líquido deseada, en función del equilibrio que tenga entre gas y líquido. Aunque existen otros parámetros importantes, como son el diámetro de la columna, los caudales de gas residual y líquido, el tipo de relleno y la pérdida de presión.

Para calcular todos estos datos comenzamos con los parámetros que conocemos para nuestro caso: las condiciones a las que operará nuestra columna (P y T), la composición del gas de entrada, el equilibrio del contaminante entre gas y líquido, la eficiencia que perseguimos en la separación, las propiedades de los contaminantes y el flujo de gas residual que queremos tratar.

Lo primero es determinar todos los parámetros de entrada y salida de los fluidos que se muestran en el gráfico anterior en la columna de separación que se quiere diseñar.

Yi e Yo concentración de contaminante en el gas residual en la entrada y en la salida de la columna.

La concentración en el gas residual se conoce, y según la eficiencia deseada del equipo (η), podemos calcular la concentración a la salida:

Xi y Xo concentración de solvente en el líquido en la entrada y en la salida de la columna

Ls y Gs expresan los caudales de líquido y gas libres de contaminante, que son constantes ya que la transferencia de humedad de la fase líquida a la gas se considera despreciable.

La línea de operación representa la relación de las composiciones globales de líquido y gas en contacto en cualquier punto de la columna:

La curva de equilibrio representa la concentración, a una temperatura dada, del contaminante en la fase líquida y en la fase gas en el momento en que se ha alcanzado el equilibrio.

La mínima relación de líquido/gas, para conseguir la transferencia de contaminante requerida, estaría determinada por la pendiente de la línea que parte de la concentración de salida del gas y entrante de líquido, y corta la curva de equilibrio en el punto en que marca la concentración de entrada de gas. Aunque este es un valor teórico no aplicable, ya que la fuerza impulsora a la entrada del gas en la columna es 0, al haberse alcanzado la línea de equilibrio, además es muy baja en el resto de la columna, teniendo que establecer siempre una relación mayor. Además no se considera la cantidad de flujo necesaria para mojar todo el empaque, que es necesario para la adecuada transferencia de materia entre fases. Éste último factor es muy importante, siendo el nivel mínimo de flujo que se va a utilizar, aunque el flujo necesario para la separación requerida sea de menor cuantía.

MWR razón mínima de mojadura con valor de 0,08 m²/h para los empaques estructurado de cuadrícula o de anillo mayor de 76,2 mm (3 pulgadas) y valor de 0,121 m²/h para el resto de empaques.

Tipo de empaque	Tamaño nominal		Peso aprox. por m3, kg(densidad)	Area superficial aprox. m2/m3	Espacio vacío (%)	Factor de empaque: Fp, m-1
Tipo de empaque	mm	pulg	Peso aprox. por m3, kg(densidad)	Area superficial aprox. m2/m3	Espacio vacío (%)	Factor de empaque: Fp, m-1
Monturas Berl , cerámica	6	0,25	900	900	60	900
	13	0,50	865	465	62	240
	25	1,0	720	250	68	110
	38	1,5	640	150	71	65
	51	2,0	625	105	72	45

Monturas Intalox, cerámica	6	0,25	865	625	75	725
	13	0,50	737	480	78	200
	25	1,0	673	255	77	92
	38	1,5	625	195	80	52
	51	2,0	609	118	79	40
	76	3,0	577	92	80	22

Monturas Intalox, metal	(No. 25)				97	41
	(No. 40)				97	25
	(No. 50)				98	15
	(No. 70)				98	13

Monturas intalox, plástico (polipropileno)	25	1,0	76	206	91	32
	51	2,0	64	108	93	21
	76	3,0	60	88	94	15

Anillos Pall, metal	16	0,625		341	92	70
	25	1,0	480	210	94	48
	38	1,5	415	130	95	28
	51	2,0	385	105	96	20
	89	3,5	270	66	97	16

Anillos Pall, plástico (polipropileno)	16	0,625	116	340	87	97
	25	1,0	88	205	90	52
	38	1,5	76	130	91	40
	51	2,0	72	100	92	25
	89	3,5	68	85	92	16

Anillos Rasching, cerámica	6	0,25	960	710	62	1680
	13	0,50	880	370	64	640
	16	0,625	800	240	72	270
	25	1,0	670	190	74	160
	38	1,5	740	120	68	95
	51	2,0	660	92	74	65
	76	3,0	590	62	75	36
	89	3,5	580	46	80	25

Anillos Rasching, acero	13	0,5	1 500	417	80	222
	25	1,0	1 140	207	86	137
	38	1,5	785	130	90	82
	51	2,0	590	102	92	57
	76	3,0	400	72	95	32

Hy-pac (acero)	(No. 1)		300	117	96	43
Hy-pac (acero)	(No.2)		225	95	97	18

Cálculo de la altura de la columna

La altura de la columna esta dada por la siguiente expresión en relación al coeficiente de transmisión de materia de la fase gas y la composición del gas (en esta fase podríamos usar las presiones parciales para el cálculo de N_OG):

También se puede expresar en función de los mismos parámetros de la fase líquida:

Gm y Lm Flujo molar de gas o líquido por unidad de área de sección transversal
a área interfacial por unidad de volumen
P presión total
Ct concentración molar total
y1 y y2 fracción molar del soluto en el gas en el fondo y en el tope de la columna respectivamente
x1 y x2 fracción molar del soluto en el liquido en el fondo y en el tope de la columna, respectivamente
xe concentración del liquido en equilibrio con la concentración del gas en cualquier punto
ye concentración del gas en equilibrio con la concentración del liquido en cualquier punto

Para el cálculo de H_OG y H_OL usamos las siguientes expresiones, ya que las constantes K_G y K_L deben ser determinadas experimentalmente para cada caso, y para cada tamaño de columna.

m pendiente de la línea de equilibrio
Gm/Lm pendiente de la línea de operación
H_G y H_L alturas de las unidades de transferencia de película del gas y del líquido, respectivamente. Hay distintas fórmulas empíricas para el cálculo de estos parámetros, que a su vez dependen del tipo de empaque y del tamaño de éste. En este caso utilizamos las correlaciones Cornell para monturas Berl, pudiendo servir de estimativo para otro tipo de rellenos:

H_G altura de unidad de transferencia de la fase gas, m
H_L altura de unidad de transferencia de la fase liquida, m
(Sc)_v número de Schmidt del gas = (m_v/ r_vD_v)
(Sc)_L número de Schmidt del liquido = (m_L / r_LD_L)
Dc diámetro de la columna, m
Z altura de la columna, m
K₃ factor de corrección del porcentaje de inundación

L^*_w flujo de masa de liquido por unidad de área de sección transversal de la columna, kg/m² s
f₁ factor de corrección para la viscosidad del liquido = (m_L /m_w)^0,16
f₂ fact

Tratamientos de eliminación de SO2 de efluentes gaseosos