En una planta piloto de absorción de gases, calcule el cambio en el caudal rastreando un componente del gas portador que no cambie. Determine el flujo molar del gas inerte a partir del flujo volumétrico de entrada, la presión, la temperatura y la composición; utilice ese mismo flujo de inerte con la composición de salida para calcular el flujo total de gas reducido. La diferencia entre el flujo molar de soluto de entrada y de salida es la tasa de absorción.

Conclusión clave: El gas portador es el componente de referencia para el balance. Si no se absorbe ni se genera, su flujo molar permanece constante, mientras que la eliminación del gas soluble reduce los caudales molares y volumétricos totales del gas.

Establecer la base del balance de materia

Identificar los componentes del gas

Sea:

(A) = soluto soluble que se elimina, como amoníaco, dióxido de azufre o cloruro de hidrógeno
(I) = gas portador inerte, como aire o nitrógeno
(G_{\text{in}}), (G_{\text{out}}) = caudales molares totales de gas
(y_A), (y_I) = fracciones molares en fase gaseosa
(Q) = caudal volumétrico de gas

Para mezclas de gases diluidas, las fracciones volumétricas reportadas generalmente se tratan como fracciones molares porque, para gases ideales, la fracción de volumen es igual a la fracción molar a la misma temperatura y presión.

Utilizar una base consistente

Utilice ya sea:

mol/s o kmol/h para balances molares, o
kg/s o kg/h para balances de masa.

No mezcle el flujo volumétrico real con el flujo volumétrico estándar sin corregir por temperatura y presión. Utilice también temperatura absoluta y presión absoluta en la ley de los gases.

Seleccionar el componente de referencia

El portador inerte es la referencia más útil porque su cantidad normalmente no cambia a través del absorbedor:

[ \dot n_{I,\text{in}}=\dot n_{I,\text{out}} ]

Esta suposición es válida solo si el gas portador no se absorbe, genera, consume, condensa ni se pierde por fugas.

Calcular el flujo de gas de entrada

Convertir el volumen de entrada al flujo molar total

Para un gas ideal, calcule el flujo molar total de gas de entrada usando:

[ \dot n_{G,\text{in}}

\frac{P_{\text{in}}Q_{\text{in}}}{Z_{\text{in}}RT_{\text{in}}} ]

donde:

(P_{\text{in}}) = presión absoluta de entrada
(Q_{\text{in}}) = caudal volumétrico real de entrada
(T_{\text{in}}) = temperatura absoluta de entrada
(R) = constante de los gases
(Z_{\text{in}}) = factor de compresibilidad, a menudo aproximado a 1 para gases diluidos a presión moderada

Si el medidor de flujo reporta un flujo volumétrico estándar, utilice la presión y temperatura estándar correspondientes en lugar de las condiciones reales de la torre.

Calcular el flujo de gas inerte

Si la fracción molar de gas inerte de entrada es (y_{I,\text{in}}):

[ \dot n_I

y_{I,\text{in}}\dot n_{G,\text{in}} ]

De manera equivalente, si la fracción molar de soluto de entrada es (y_{A,\text{in}}) y el gas contiene solo soluto y portador inerte:

[ y_{I,\text{in}}=1-y_{A,\text{in}} ]

Por lo tanto:

[ \dot n_I

(1-y_{A,\text{in}})\dot n_{G,\text{in}} ]

Calcular el flujo de soluto de entrada

El flujo molar de soluto de entrada es:

[ \dot n_{A,\text{in}}

y_{A,\text{in}}\dot n_{G,\text{in}} ]

Esta es la cantidad que se comparará con el flujo de soluto de salida para determinar la eliminación.

Calcular el flujo de gas de salida

Aplicar el balance de gas inerte

Debido a que el portador inerte pasa a través del absorbedor sin cambios:

[ \dot n_{I,\text{out}}

\dot n_{I,\text{in}}

\dot n_I ]

Si la fracción molar de gas inerte de salida se mide como (y_{I,\text{out}}), el flujo molar total de gas de salida es:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{y_{I,\text{out}}} ]

Para un gas que contiene solo portador inerte y soluto residual:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{1-y_{A,\text{out}}} ]

Este es el cálculo clave. El flujo molar total de salida generalmente no es igual al flujo molar total de entrada porque se ha eliminado soluto.

Calcular el flujo de soluto de salida

Utilizando la concentración de soluto de salida medida:

[ \dot n_{A,\text{out}}

y_{A,\text{out}}\dot n_{G,\text{out}} ]

Si hay otros componentes gaseosos no absorbidos, utilice la composición de salida completa:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{y_{I,\text{out}}} ]

La fracción inerte debe incluir la base de composición real utilizada para la medición, como gas seco o gas húmedo.

Determinar la tasa de soluto absorbido

Suponiendo que no se genera ni consume soluto por reacción en la fase gaseosa:

[ \dot n_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{in}}

\dot n_{A,\text{out}} ]

La tasa de absorción de masa correspondiente es:

[ \dot m_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{absorbed}}M_A ]

donde (M_A) es el peso molecular del soluto.

Calcular la eficiencia de eliminación

La fracción eliminada es:

[ \eta_A

\frac{\dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}}} {\dot n_{A,\text{in}}} ]

El porcentaje de eliminación es:

[ %,\text{removal}

100\eta_A ]

Esta es normalmente la medida de rendimiento más directa para una columna de lavado.

Convertir cambios de flujo molar a cambios de flujo volumétrico

Utilizar la ley de los gases de salida

Una vez que se conoce el flujo molar total de salida, calcule el flujo volumétrico de salida en las condiciones de salida de la torre:

[ Q_{\text{out}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}Z_{\text{out}}RT_{\text{out}}} {P_{\text{out}}} ]

Para un gas ideal:

[ Q_{\text{out}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}RT_{\text{out}}} {P_{\text{out}}} ]

El volumen de salida puede ser mayor o menor que el volumen de entrada. La eliminación de soluto tiende a reducir los moles totales, mientras que el aumento de temperatura o la disminución de presión tienden a aumentar el volumen.

Separar los efectos de composición de los efectos de condiciones

Un cambio en el flujo volumétrico tiene dos causas posibles:

Efecto de composición: la absorción cambia el número total de moles de gas.
Efecto termodinámico: los cambios de temperatura o presión alteran el volumen del gas.

Por ejemplo, incluso si el flujo molar de gas disminuye, el calentamiento en la columna puede compensar parcialmente esa reducción en el flujo volumétrico medido.

Relacionar directamente el flujo de entrada y salida

Combinar las relaciones de gas ideal da:

[ \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}}{\dot n_{G,\text{in}}} \frac{T_{\text{out}}}{T_{\text{in}}} \frac{P_{\text{in}}}{P_{\text{out}}} ]

Para gases no ideales, incluya la relación del factor de compresibilidad:

[ \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}}{\dot n_{G,\text{in}}} \frac{Z_{\text{out}}}{Z_{\text{in}}} \frac{T_{\text{out}}}{T_{\text{in}}} \frac{P_{\text{in}}}{P_{\text{out}}} ]

Esta ecuación muestra claramente por qué los medidores de flujo de entrada y salida pueden reportar caudales volumétricos diferentes incluso cuando el flujo molar de gas portador no cambia.

Completar el balance del lado del líquido

Escribir el balance de soluto alrededor de toda la columna

En estado estacionario, el balance de soluto es:

[ \dot n_{A,\text{gas,in}} + \dot n_{A,\text{liquid,in}}

\dot n_{A,\text{gas,out}} + \dot n_{A,\text{liquid,out}} ]

Si el líquido que entra no contiene soluto:

[ \dot n_{A,\text{liquid,out}}

\dot n_{A,\text{gas,in}}

\dot n_{A,\text{gas,out}} ]

Este resultado debe coincidir con la tasa de soluto absorbido del lado del gas.

Contabilizar el flujo de solvente

Si el solvente no es volátil y no reacciona:

[ \dot n_{S,\text{liquid,in}}

\dot n_{S,\text{liquid,out}} ]

Sin embargo, en sistemas prácticos, el agua u otro solvente puede evaporarse hacia el gas. Si la vaporización del solvente es significativa, el balance de solvente debe incluir esa pérdida:

[ \dot n_{S,\text{liquid,in}}

\dot n_{S,\text{liquid,out}} + \dot n_{S,\text{gas,out}}

\dot n_{S,\text{gas,in}} ]

Por lo tanto, puede ser necesaria una corrección por gas húmedo al comparar composiciones o caudales de gas.

Utilizar fracciones de masa cuando los datos operativos se reportan de esa manera

Si la composición del líquido se reporta como una fracción de masa de soluto (w_A), el flujo de masa de soluto líquido es:

[ \dot m_{A,\text{liquid}}

w_A\dot m_{\text{liquid}} ]

Para un absorbedor estacionario, el aumento de soluto en el lado líquido debe ser igual a la eliminación de soluto en el lado del gas:

[ \dot m_{A,\text{liquid,out}}

\dot m_{A,\text{liquid,in}}

\dot m_{A,\text{gas,in}}

\dot m_{A,\text{gas,out}} ]

Esto es particularmente útil para amoníaco acuoso, lavado de gases ácidos y otros sistemas donde las concentraciones de líquido se miden directamente.

Interpretar el rendimiento de la columna

Comparar las composiciones medidas con el equilibrio

La absorción de gas está impulsada por la diferencia entre la condición real gas-líquido y el equilibrio. Los datos de equilibrio vapor-líquido relacionan la presión parcial del soluto en el gas con su concentración en el líquido a la temperatura y presión de operación.

Para sistemas diluidos, una relación de equilibrio puede escribirse en la forma:

[ y_A^*=m x_A ]

donde:

(y_A^*) = fracción de soluto en fase gaseosa en equilibrio
(x_A) = fracción de soluto en fase líquida
(m) = pendiente de equilibrio

El balance de materia determina cuánto soluto se eliminó; la relación de equilibrio ayuda a explicar si la columna tenía suficiente fuerza impulsora de transferencia de masa.

Utilizar la relación de la línea de operación

Para un absorbedor a contracorriente estacionario, se puede expresar una relación simplificada de balance de masa usando fracciones de peso de soluto:

[ \frac{w_{A,\text{gas,out}}-w_{A,\text{gas,in}}} {w_{A,\text{liquid,out}}-w_{A,\text{liquid,in}}}

-\frac{F_{\text{liquid}}}{F_{\text{gas}}} ]

El signo negativo refleja los cambios de composición opuestos: el soluto disminuye en el gas mientras aumenta en el líquido.

Una relación de flujo líquido-gas alta generalmente proporciona una mayor capacidad de solvente y una absorción más fuerte, pero también aumenta la circulación de líquido y los requisitos de servicios públicos aguas abajo.

Comprender las compensaciones

No asuma que el flujo total de gas es constante

Mantener constante el flujo total de gas después de la absorción da un balance de soluto incorrecto, a menos que el flujo se controle de forma independiente o que otro componente gaseoso reemplace al soluto eliminado.

El enfoque correcto es conservar el portador inerte y recalcular el flujo total de salida a partir de la composición de salida.

No confunda el flujo real y el estándar

Un medidor de flujo puede reportar (\mathrm{m^3/h}) en condiciones estándar, mientras que la columna opera a una presión y temperatura diferentes. Convierta todas las lecturas a una base común antes de usarlas en el balance.

No hacerlo puede producir errores de balance de materia aparentemente grandes incluso cuando el equipo está funcionando correctamente.

Verificar la presencia de vapor de solvente y condensación

El vapor de agua añadido al gas aumenta los moles totales de gas, mientras que la condensación elimina los moles de la fase gaseosa. Estos efectos pueden ser comparables a la eliminación de soluto en algunos sistemas.

Utilice composiciones de gas seco cuando sea posible, o incluya explícitamente el vapor de solvente en el balance de componentes.

Considerar los efectos de reacción y calor

Algunos gases absorbidos reaccionan en el líquido, como puede suceder con el amoníaco o el cloruro de hidrógeno en sistemas acuosos. La reacción no invalida el balance general de soluto, pero afecta el equilibrio, la composición del líquido y la forma en que existe la especie absorbida.

La absorción también puede liberar una cantidad sustancial de calor. Si la temperatura de la columna cambia significativamente, utilice la temperatura de salida medida en el cálculo del volumen de gas y evalúe los requisitos de enfriamiento por separado con un balance de energía.

Tratar el cierre del balance como un diagnóstico

Una verificación general útil es:

[ \text{Balance closure}

\frac{\text{input rate}-\text{output rate}} {\text{input rate}} ]

Para el soluto, la acumulación de líquido o la tasa absorbida debe coincidir con la disminución del lado del gas dentro de la incertidumbre de medición esperada.

Las discrepancias grandes comúnmente indican bases de flujo incorrectas, errores de medición de composición, fugas, operación inestable, evaporación de solvente no medida o una suposición de gas inerte no válida.

Cómo aplicar esto a su planta piloto

Utilice la siguiente secuencia para cada condición de operación en estado estacionario:

Si su enfoque principal es la precisión del balance de materia: Calcule el flujo molar de gas inerte de entrada, igualelo al flujo de gas inerte de salida y utilice las composiciones medidas para determinar todos los caudales totales y de componentes.
Si su enfoque principal es el cambio en el flujo de gas: Recalcule el volumen de salida con (Q=\dot n ZRT/P) usando la temperatura y presión de salida en lugar de asumir que el flujo volumétrico de entrada no cambia.
Si su enfoque principal es la eficiencia de eliminación de soluto: Calcule ((\dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}})/\dot n_{A,\text{in}}) y verifique el resultado contra el aumento de soluto en el líquido.
Si su enfoque principal es el requisito de solvente: Combine el balance de soluto con la composición del líquido y los datos de equilibrio para determinar si el flujo de solvente proporciona una capacidad de absorción adecuada.
Si su enfoque principal es la operación confiable de la planta piloto: Verifique las condiciones de gas seco frente a gas húmedo, la caída de presión, el cambio de temperatura, la evaporación del solvente, la reacción y el cierre general del balance antes de interpretar el rendimiento de la separación.

Con el portador inerte como componente de referencia y datos consistentes de presión-temperatura-composición, tanto el rendimiento de la absorción como los cambios en el flujo de gas se pueden calcular directamente y verificar de forma independiente.

Tabla resumen:

Cálculo	Ecuación o método clave	Propósito
Flujo total de gas de entrada	(\dot n_{G,in}=P_{in}Q_{in}/(ZRT_{in}))	Convertir el volumen de entrada a flujo molar
Flujo de portador inerte	(\dot n_I=y_{I,in}\dot n_{G,in})	Establecer el componente de referencia conservado
Flujo total de gas de salida	(\dot n_{G,out}=\dot n_I/y_{I,out})	Contabilizar la eliminación de soluto
Tasa de soluto absorbido	(\dot n_{A,absorbed}=\dot n_{A,in}-\dot n_{A,out})	Cuantificar la captura de soluto
Eficiencia de eliminación	(\eta_A=(\dot n_{A,in}-\dot n_{A,out})/\dot n_{A,in})	Medir el rendimiento del absorbedor
Flujo volumétrico de salida	(Q_{out}=\dot n_{G,out}Z_{out}RT_{out}/P_{out})	Determinar el cambio real en el flujo de gas
Verificación del lado del líquido	Aumento de soluto en líquido = eliminación de soluto en gas	Verificar el cierre del balance de materia

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