Tema 6. Sistemas de Eliminación de Gases (I): Absorción y Adsorción PDF

Control y Tratamiento de la Contaminación Atmosférica 4º Curso del Grado en Ingeniero Químico Industrial Tema 6 SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE GASES (I): ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN Profesora: Yolanda FERNÁNDEZ NAVA...

Control y Tratamiento de la Contaminación Atmosférica 4º Curso del Grado en Ingeniero Químico Industrial Tema 6 SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE GASES (I): ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN Profesora: Yolanda FERNÁNDEZ NAVA 1  CONTENIDO Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): 1. Sistemas de depuración de gases. Procesos de condensación 2. Absorción de contaminantes gaseosos 2.1. Aspectos fundamentales del proceso de absorción ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN 2.2. Diseño de una torre de relleno 2.2.1. Necesidades de absorbente 2.2.2. Selección del relleno 2.2.4. Altura de una torre de relleno 2.2.5. Diámetro y caída de presión de un torre de relleno 2.3. Aplicaciones industriales de la absorción de gases 3. Adsorción de contaminantes gaseosos 3.1. Tipos de adsorbentes 3.2. Equilibrio de adsorción: Isotermas 3.3. Proceso de adsorción: curva de ruptura y regeneración de adsorbentes 3.4. Aplicaciones industriales del procesos de adsorción 4. Biofiltración 2  SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE GASES Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): CONTROL DE FUENTES FIJAS:  Modificaciones en el proceso de producción para impedir o minimizar emisiones ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN  Uso de combustibles con menor contenido en azufre  Reducción SO2 en gases de combustión  Uso de hornos de baja producción de NOx  Uso de técnicas que ayuden a eliminar la contaminación producida  CONDENSACIÓN (Usado también como pretratamiento)  ABSORCIÓN  ADSORCIÓN  TRATAMIENTO BIOLÓGICO (Biofiltración)  OXIDACIÓN TÉRMICA O CATALÍTICA 3  CONDENSACIÓN Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I):  Se emplea para eliminar aquellos contaminantes que tiene presiones de vapor bajas  Implica cambio de fase de los componentes más volátiles de la mezcla de gases  Dos opciones: (1) Enfriando el gas por debajo del punto de rocío o (2) aumentando la presión sin cambio en la temperatura. ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN  Refrigerantes habituales: Agua o salmueras (cuanto se necesitan temperaturas bajas) 4  CONDENSACIÓN Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): Los sistemas de condensación se basan en condensadores de contacto o de superficie  Condensadores de contacto El refrigerante se pulveriza directamente sobre la corriente gaseosa ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN Torres de relleno o de spray  Condensadores de superficie Intercambiadores de calor Requieren menor consumo de agua Producen entre 10-20 veces más condesado que los de contacto Condensador de contacto vertical 5  ABSORCIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): La absorción de gases es una Operación Básica en la cual un componente (soluto A) de una mezcla gaseosa (A + inerte I) se transfiere hacia una fase líquida (disolvente S). La operación contraria se denomina desorción ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN Buen contacto entre las fases Grandes áreas superficiales de líquido Dispersión de una fase en otra EQUIPAMIENTO DE ABSORCIÓN 6  Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN ABSORCIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS 7  ABSORCIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): En los procesos de transferencia de materia entre fases, hay dos aspectos fundamentales que deben ser considerados:  El equilibrio, que determina el grado máximo de transferencia que puede lograrse  Curvas de equilibrio (P,T) ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN  La velocidad con que se produce la transferencia, que determina el tiempo de contacto necesario, y por lo tanto, el tamaño del equipo a emplear La velocidad de transferencia es proporcional al área superficial de la interfase L/G, por ello el diseño de las unidades de absorción se centra en conseguir grandes superficies de contacto (con un mínimo de caída de presión del gas) 8  EQUILIBRIO DE ABSORCIÓN Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): La relación entre las concentraciones de equilibrio se expresa habitualmente mediante gráficas denominadas "curvas de equilibrio" Así, para una concentración de x de soluto en la fase L, existirá una concentración de equilibrio y en la fase G (P Y T fijas) ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN Para disoluciones diluidas y sistemas sin reacción química la cantidad de A disuelto en el líquido está relacionada con la presión parcial de A mediante la Ley de Henry: PA = presión parcial de A en la fase gas PA = xA · HA xA= fracción molar de A en la fase líquido HA = constante de Henry Si, además, PA= yA PT xA= yA (PT/HA) En general la absorción se ve favorecida a altas presiones y baja temperatura 9  DISEÑO DE UNA TORRE DE RELLENO Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): ASPECTOS A TENER EN CUENTA EN EL DISEÑO DE UNA TORRE DE RELLENO ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN  Selección del absorbente adecuado  Cálculo de las necesidades de absorbente  Selección del relleno  Cálculo de la altura del relleno en la torre  Cálculo del diámetro de la torre 10  DISEÑO DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN: Selección del absorbente  Selección del absorbente Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I):  Elevada y selectiva solubilidad del gas que se va a transferir al disolvente  Baja volatilidad  Baja viscosidad  Manejabilidad (no corrosivo, no tóxico, no inflamable…) ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN  Bajo coste 11  DISEÑO DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN: Cálculo de las Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): necesidades de absorbente 1. Conocer los datos de equilibrio del sistema H * y* = ·x PT ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN 2. Determinar la línea de operación L: Flujo molar de absorbente, expresado en moles de absorbente por unidad de tiempo V: Flujo molar de la corriente de gas a tratar, expresado en moles de gas por unidad de tiempo x: Concentración de soluto en la fase líquida, expresado en fracción molar y: Concentración de soluto en la fase gaseosa, expresado en fracción molar 12  DISEÑO DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN: Cálculo de las Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): necesidades de absorbente 2. Determinar la línea de operación Balance de materia a la columna: Total: La + V = L + V a ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN A medida que transcurre el proceso de absorción, los flujos molares de gas y de absorbente varían al pasar a través de la columna Componente a absorber: x a ·La + y·V = x·L + y a ·Va L V · y − La · x a Línea de operación y= x+ a a V V Utilizando relaciones molares para expresar la concentración: L' Y = Ya + ( X − X a ) ' V 13  DISEÑO DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN: Cálculo de las necesidades de absorbente Datos de partida conocidos: Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I):  Caudales y concentraciones de entrada  Concentración del gas a la salida  Especificada por los límites de emisión  Concentración de soluto en el líquido absorbente a la entrada de la torre ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN Datos desconocidos:  Caudal de líquido a la salida (Lb)  Concentración de soluto en el líquido de salida (Xb) Encontrar la relación L/G mínima Diseñar el equipo para tasas de líquido que sean del 30-70% mayores que la tasa mínima 14  DISEÑO DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN: Selección del relleno Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): Requisitos del relleno:  Elevada relación superficie/volumen  Fácil flujo de fluidos sin causar excesiva caída de presión ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN  Resistencia química  Resistencia mecánica  Bajo coste 15  Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN ABSORCIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS 16  DISEÑO DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN: Cálculo de la altura Referido al volumen diferencial de la figura Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): V (S·dz) y despreciando la variación de flujo molar V, la cantidad de soluto adsorbido en la altura dz es igual a la velocidad de absorción multiplicado por el volumen diferencial ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN Cantidad de soluto absorbido: (soluto absorbido) = (entrada) - (salida) = V (y + dy) - V · y = V · dy V: Flujo molar V y: concentración de soluto en la fase gas (fracción molar) Velocidad de absorción: Kya·(y-y*) Ky: coeficiente global de transferencia de materia (referido a la fase gas) a: superficie específica del relleno (superficie relleno/volumen relleno) Kya: Coeficiente de película del gas y*: concentración de equilibrio V /S dy V /S dy Z relleno = = HTU · NTU K y a  ( y − y* ) dZ = · K y a ( y − y* ) 17  Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN DISEÑO DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN: Cálculo de la altura 18  DISEÑO DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN: Cálculo del diámetro Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): El diámetro de la torre está determinado por la caída de presión del gas y por el fenómeno de la inundación. Es frecuente operar con la mitad de la velocidad de inundación Gx = velocidad másica del líquido, lb/pie2-s ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN Gy = velocidad másica del gas, lb/pie2-s Fp = factor de relleno, pie-1 μx = cp gc = 32,174 pies-lb/lbf-s2 G y2 Fp µ x0,1 g c (ρ x − ρ y )ρ y 1) Se calcula el valor de la abcisa 2) Se lee en el gráfico la línea correspondiente a la línea de inundación 3) El valor de la ordenada se iguala a y se despeja Gyinundación La sección transversal se determina adoptando un flujo de gas inferior al de inundación (f. Gyinunda) A = G (lb/s)/f Gy inundación 19  APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA ABSORCIÓN DE GASES Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): Ventajas:  El agua es un disolvente relativamente barato, tecnología barata.  Baja pérdida de carga. ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN Desventajas:  Puede resultar caro para gases no solubles en agua  El contaminante no es destruido, sino que sólo cambia de fase. Este inconveniente puede llegar a convertirse en una ventaja si el contaminante es un compuesto químico valioso y puede ser recuperado y posteriormente vendido o reutilizado.  Altos costes de mantenimiento APLICACIONES INDUSTRIALES  Cementeras (gases ácidos)  Pinturas (COVs)  Química (gases ácidos, tóxicos...)  Petroquímica (anhídrido  Fertilizantes (NH3, HF, ácidos maleico, óxido de etileno, H2S...) orgánicos...)  Centrales térmicas (SO2);  Cristal (gases ácidos) papelera (COVs, SH2, NH3...)  Tratamiento aguas (NH3, H2S...)  Farmacéutica (COVs);  Incineración (gases ácidos);  Alimentaria.. 20  Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA ABSORCIÓN DE GASES 21  ADSORCIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): ADSORCIÓN: proceso mediante el cual se transfiere el gas contamiante desde la corriente gaseosa a la superficie de un sólido. El sólido sobre el que se produce la adsorción se denomina adsorbente y la sustancia que se trata de eliminar de la corriente se denomina adsorbato ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN La adsorción resulta especialmente útil en los casos en que:  El gas contaminante no es combustible o difícil de quemar  Interesa la recuperación del contaminante  Baja concentración de contaminante La intensidad de la unión que se establece puede ser de dos tipos:  Adsorción física o fisisorción (enlaces débiles, poco específicos, reversibles…)  Adsorción química o quimisorción (enlaces fuertes, específicos, irreversibles). 22  ADSORCIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): ADSORBENTES Propiedades de adsorbente:  Alta relación superficie/volumen  Sustancias muy porosas ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN  Poca caída de presión  Alta resistencia mecánica y química Los adsorbentes más utilizados son:  Carbón activado  COV’s, olores, recuperación de disolventes  Tamices moleculares  SOx, NOx, Hg  OTROS: - Arcillas naturales, arcillas activadas, Kieselguhr, dolomía - Bauxita, alúmina, alúmina alcalinizada, Óxidos de hierro, zinc - Carbón de huesos, carbón vegetal - Polímeros sintéticos - Gel de sílice 23  ADSORCIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE ALGUNOS ADSORBENTES Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN Por lo general, en la adsorción física, los adsorbatos con moléculas polares prefieren a los adsorbentes con moléculas polares y los adsorbatos con moléculas no polares prefieren a los adsorbentes con moléculas no polares. Puesto que el vapor de agua está presente en una buena parte de las salidas de gases, el uso de un adsorbente polar nos llevaría a que se saturase rápidamente de agua y no nos adsorbería al contaminante. De los adsorbentes no polares el carbón activado es de los más utilizados 24  EQUILIBRIO DE ADSORCIÓN: Isotermas Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): Una isoterma de adsorción representa la cantidad de gas adsorbido en la superficie del adsorbente con la presión parcial (o concentración) de ese gas en la corriente gaseosa, a una temperatura determinada ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN We = k ( Pparcial ) m Isotermas de adsorción de diferentes componentes sobre carbón activo La adsorción se ve favorecida a baja temperatura y alta presión, y, en general, mejora con un aumento en la masa molecular del adsorbato 25  Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN EQUILIBRIO DE ADSORCIÓN: Isotermas 26  PROCESO DE ADSORCIÓN: Equipos de adsorción Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): Los requisitos generales que será preciso cumplir en el diseño o selección de un equipo de adsorción incluyen: ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN  Suficiente tiempo de retención (0.6-6 s)  Tratamiento previo de la corriente de gas para eliminar la materia que no se adsorba y que pudiera perjudicar la operación en el lecho de adsorción  Tratamiento previo para eliminar altas concentraciones de otros gases competidores mediante otros procesos más efectivos a fin de evitar la sobrecarga del sistema de adsorción  Buena distribución del flujo a través del lecho (velocidades en la cara del lecho 6-30 m/min)  Renovación o regeneración del lecho adsorbente: temperatura / inerte (vapor agua) 27  PROCESO DE ADSORCIÓN: Equipos de adsorción Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I):  Sistemas de lecho fijo ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN 28  PROCESO DE ADSORCIÓN: Equipos de adsorción Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I):  Sistemas de lecho fluidizado ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN 29  PROCESO DE ADSORCIÓN: Equipos de adsorción Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I):  Configuración de un sistema de adsorción de gases ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN 30  APLICACIONES INDUSTRIALES DEL PROCESOS DE ADSORCIÓN Ventajas: Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): - Tecnología apropiada para eliminación de elementos traza - Algunos adsorbentes (p.ej.: carbón activo) pueden regenerarse mediante tratamiento térmico Desventajas: ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN - Proceso sólo eficiente a bajas o moderadas temperaturas, ya que a altas temperaturas ocurre la desorción - Con el tiempo el adsorbente va degradándose y hay que regenerarlo - Tecnología de coste relativamente elevado. APLICACIONES Contaminantes: benceno, tolueno, acetatos, tetraclorurode carbono, dicloroetileno, metileno, percloroetileno, tricloroetileno, tricloroetano, heptano, pentano, hexano, mercaptanos, alcoholes, sulfuro de hidrógeno, ésteres, cloroformo, olores,… Industrias:  Tratamiento aguas (olores...)  Compostaje(olores...)  Incineración (COVs...)  Alimentaria (olores)  Pinturas (disolventes...)  Plásticos (COVs)... 31  Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN APLICACIONES INDUSTRIALES DEL PROCESOS DE ADSORCIÓN 32  APLICACIONES INDUSTRIALES DEL PROCESOS DE ADSORCIÓN Aplicabilidad del carbón activo en el tratamiento de gases Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN 33  BIOFILTRACIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): En los biofiltros la degradación de los gases olorosos es llevada a cabo por microorganismos que se adhieren a la superficie de un material sólido, el material filtrante ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN Para la aplicación de los biofiltros se deben cumplir las siguientes condiciones:  Los constituyentes olorosos del gas residual deben ser transferidos y adsorbidos por el material filtrante.  Los constituyentes adsorbidos deben ser convertibles por los microorganismos  Los productos del proceso de conversión biológica no deben impedir los procesos de conversión primaria Los materiales filtrantes empleados como biofiltros son la turba fibrosa y el "compost" obtenido de residuos sólidos 34  BIOFILTRACIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (I): Esquema de un proceso de biofiltración ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN 35