Los balances de materia se aplican mediante el seguimiento del amoníaco, el gas inerte y el disolvente a través del absorbedor a contracorriente. El flujo de gas de entrada, la concentración de amoníaco, el flujo de disolvente y las composiciones de salida se utilizan en balances totales y de componentes para determinar cuánto amoníaco se absorbe, las tasas de las corrientes de salida, los requisitos de disolvente y la eficiencia de recuperación. En una planta piloto, estos cálculos se contrastan con los datos medidos de flujo, temperatura, presión y composición.

El cálculo central es un balance de amoníaco: el amoníaco que entra con las corrientes de gas y líquido debe ser igual al amoníaco que sale en dichas corrientes, siendo la diferencia el amoníaco transferido al disolvente. Debido a que el nitrógeno u otro portador inerte no se absorbe de manera apreciable, su flujo proporciona una base particularmente fiable para calcular la tasa de gas de salida.

Qué representa el balance de materia

El proceso de absorción a contracorriente

En una columna de recuperación de amoníaco, una corriente de gas que contiene amoníaco y un portador inerte, como el nitrógeno, entra cerca de la parte inferior y fluye hacia arriba. Un disolvente líquido, comúnmente agua o una solución acuosa, entra cerca de la parte superior y fluye hacia abajo.

Esta disposición de flujo opuesto mantiene una fuerza impulsora de concentración en gran parte de la columna y promueve la transferencia de amoníaco de la fase gaseosa a la fase líquida.

Los tres componentes relevantes

El balance considera normalmente:

Amoníaco, el soluto transferible.
Nitrógeno u otro gas portador, que se trata como no absorbido.
El disolvente líquido, cuyo flujo y carga de amoníaco cambian a través de la columna.

La elección entre unidades molares y másicas debe ser consistente. Los balances molares son generalmente convenientes para las composiciones de gas, mientras que los balances másicos pueden ser más prácticos cuando las concentraciones de líquido se informan como fracciones de peso.

Cómo se establecen los balances

Balance de materia global

Para las corrientes de gas y líquido que entran y salen del absorbedor, el balance global en estado estacionario es:

[ G_{\text{in}} + L_{\text{in}}

G_{\text{out}} + L_{\text{out}} ]

Aquí, (G) representa el flujo másico o molar de gas y (L) representa el flujo másico o molar de líquido.

Este balance es útil cuando se desconocen ambos caudales de salida, pero debe interpretarse con cuidado porque la transferencia de amoníaco cambia los caudales de gas y líquido.

Balance de componentes de amoníaco

El balance de amoníaco es:

[ G_{\text{in}}y_{A,\text{in}} + L_{\text{in}}x_{A,\text{in}}

G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{out}}x_{A,\text{out}} ]

En esta expresión, (A) denota amoníaco, (y_A) es su fracción en fase gaseosa y (x_A) es su fracción en fase líquida.

Si el disolvente entrante no contiene amoníaco, entonces (x_{A,\text{in}}=0), y el balance se simplifica a:

[ G_{\text{in}}y_{A,\text{in}}

G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{out}}x_{A,\text{out}} ]

Por lo tanto, el amoníaco absorbido por unidad de tiempo es:

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

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

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

Para un cálculo basado en masa:

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

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

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

Balance de gas inerte

Cuando se asume que el nitrógeno permanece en la fase gaseosa:

[ \dot n_{N_2,\text{in}}

\dot n_{N_2,\text{out}} ]

Este balance de componente de enlace es valioso porque el flujo total de gas disminuye a medida que se elimina el amoníaco, mientras que el flujo de nitrógeno permanece aproximadamente constante.

Si la fracción de nitrógeno de entrada es (y_{N_2,\text{in}}), la tasa molar de nitrógeno de entrada es:

[ \dot n_{N_2,\text{in}}

\dot n_{G,\text{in}}y_{N_2,\text{in}} ]

La tasa total de gas de salida se puede calcular entonces a partir de la fracción de nitrógeno de salida medida:

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

\frac{\dot n_{N_2,\text{out}}}{y_{N_2,\text{out}}} ]

La tasa de amoníaco de salida se deduce de:

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

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

Este enfoque es a menudo más fiable que asumir que el flujo total de gas permanece constante.

Conversión de mediciones de planta piloto

Flujo y composición de gas

Las plantas piloto miden comúnmente el flujo volumétrico de gas, la presión, la temperatura y la concentración de amoníaco. El flujo volumétrico medido debe convertirse a flujo molar utilizando una ecuación de estado de gas apropiada:

[ \dot n_G

\frac{P\dot V}{ZRT} ]

Aquí, (P) es la presión absoluta, (\dot V) es el caudal volumétrico, (T) es la temperatura absoluta, (R) es la constante de los gases y (Z) es el factor de compresibilidad.

Para corrientes de gas suficientemente diluidas a presión moderada, (Z) puede aproximarse a uno. Las mediciones de flujo de entrada y salida deben corregirse por separado cuando la temperatura o la presión de la torre cambian significativamente.

Flujo de líquido y carga de amoníaco

El caudal de líquido se determina a partir de una bomba calibrada, un tanque de pesaje, un medidor de flujo o el volumen medido a lo largo del tiempo. La concentración de amoníaco en el líquido puede obtenerse mediante análisis químico, datos de densidad, titulación u otra medición de composición validada.

La tasa de salida de líquido puede aumentar porque el amoníaco absorbido añade masa al disolvente. Si el disolvente se evapora o se arrastra agua en el gas, esos efectos también deben incluirse en el balance.

Relaciones de equilibrio o empíricas

La relación medida o predicha entre el amoníaco en fase gaseosa y el amoníaco en fase líquida proporciona la segunda parte del cálculo. Una representación simple es:

[ y_A^* = f(x_A,T,P) ]

donde (y_A^*) es la composición del gas en equilibrio con la composición del líquido (x_A).

Para sistemas diluidos, esta relación puede aproximarse mediante una expresión lineal como:

[ y_A^* = mx_A ]

La relación de equilibrio no sustituye al balance de materia. Proporciona la información de equilibrio de fases necesaria para determinar las composiciones de salida alcanzables y la fuerza impulsora para la transferencia de masa.

Determinación del rendimiento de recuperación

Fracción de amoníaco eliminado

La recuperación de amoníaco o fracción de eliminación basada en la corriente de gas es:

[ \eta_A

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

Expresado como porcentaje:

[ %,\text{removed}

100\eta_A ]

Este valor indica cuánto amoníaco se transfirió del gas al líquido, pero no identifica por sí solo si el resultado estuvo limitado por el equilibrio, la transferencia de masa, la tasa de disolvente o las condiciones operativas.

Carga de amoníaco del disolvente

El amoníaco absorbido por unidad de disolvente se puede calcular como:

[ \Delta X_A

X_{A,\text{out}}-X_{A,\text{in}} ]

Utilizando relaciones de líquido libre de soluto, una definición común es:

[ X_A=\frac{\dot n_A}{\dot n_{\text{solvent}}} ]

La relación de soluto correspondiente en el lado del gas es:

[ Y_A=\frac{\dot n_A}{\dot n_{\text{inert gas}}} ]

Usar (X_A) y (Y_A) en lugar de las fracciones de fase ordinarias suele ser ventajoso porque los flujos de gas inerte y disolvente pueden permanecer casi constantes incluso mientras se transfiere el amoníaco.

Requisito de disolvente

Para una concentración de amoníaco de salida objetivo especificada, el balance de amoníaco se puede reorganizar para estimar el flujo de disolvente requerido:

[ L_{\text{out}}x_{A,\text{out}}

G_{\text{in}}y_{A,\text{in}}

G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{in}}x_{A,\text{in}} ]

El resultado se compara entonces con el flujo de disolvente disponible y la capacidad de carga de equilibrio. Aumentar el flujo de disolvente generalmente mejora la absorción, pero el balance y la relación de equilibrio determinan conjuntamente si el disolvente adicional proporciona una mejora útil.

Uso de balances a través de la columna

Análisis global de la columna

Un balance alrededor de todo el absorbedor determina las tasas de entrada y salida y la recuperación global de amoníaco. Es la primera comprobación de si los datos de la planta piloto son internamente consistentes.

El cálculo también se puede realizar sobre una base de gas inerte seco, lo cual es especialmente útil cuando la eliminación de amoníaco cambia sustancialmente el flujo total de gas.

Análisis sección por sección o por bandeja

Para una columna de relleno, el balance puede aplicarse a secciones seleccionadas de la columna. Para un modelo de bandeja o etapas, se escriben balances separados para cada etapa, relacionando las composiciones de gas y líquido que entran y salen de esa etapa.

Estos balances de etapa se pueden combinar con datos de equilibrio para estimar el número de etapas ideales, los requisitos de unidades de transferencia o la aproximación al equilibrio lograda por el relleno real.

Comparación entre modelo y medición

El amoníaco calculado absorbido del gas debe coincidir con el amoníaco ganado por el líquido:

[ \dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}} \approx \dot n_{A,\text{liquid,out}}-\dot n_{A,\text{liquid,in}} ]

La diferencia es el error de cierre del balance. Una discrepancia significativa puede indicar error de muestreo, evaporación de disolvente no medida, fugas de amoníaco, arrastre, conversión de flujo incorrecta o una suposición no válida sobre el comportamiento del gas inerte.

Comprensión de las compensaciones

Suposiciones de flujo constante

Tratar el flujo de gas como constante puede introducir un error porque la eliminación de amoníaco reduce el flujo molar total de gas. La suposición es razonable solo cuando el amoníaco está suficientemente diluido o cuando la precisión requerida es limitada.

El balance de gas inerte suele ser la mejor base para calcular el flujo de gas de salida.

Equilibrio frente al rendimiento real

Los datos de equilibrio describen la composición límite que podría alcanzarse si el gas y el líquido estuvieran en contacto el tiempo suficiente. Una columna de relleno real puede funcionar por debajo de ese límite debido a un área interfacial finita, mala humectación, canalización, mala distribución o tiempo de residencia insuficiente.

Un balance de materia puede cuantificar el resultado, pero no puede por sí solo diagnosticar todas las limitaciones de transferencia de masa.

Efectos de la temperatura

La absorción de amoníaco en agua o disolvente acuoso puede liberar calor, y la temperatura afecta tanto al equilibrio como al comportamiento de transferencia de masa. Una temperatura más alta puede reducir la solubilidad del amoníaco, por lo que un balance isotérmico puede ser engañoso cuando el absorbedor tiene un aumento de temperatura significativo.

Para una operación fuertemente no isotérmica, se debe añadir un balance de energía:

[ \dot Q

\sum \dot n_{\text{out}}\hat H_{\text{out}}

\sum \dot n_{\text{in}}\hat H_{\text{in}} ]

La carga térmica se utiliza entonces para evaluar si se requiere refrigeración para mantener las condiciones operativas previstas.

Reacción química y comportamiento no ideal

El balance simple sigue siendo válido cuando el amoníaco reacciona con el disolvente, pero el modelo de equilibrio de fases debe tener en cuenta la reacción y las especies iónicas resultantes. Tratar la absorción de amoníaco como puramente física cuando la química del disolvente es significativa puede producir predicciones de equilibrio y estimaciones de capacidad de disolvente incorrectas.

Por lo tanto, la presión, la temperatura, la concentración de amoníaco y la composición del disolvente deben coincidir con los datos empíricos o de equilibrio adecuados.

Cómo aplicar esto a su planta piloto

Los balances de materia proporcionan el marco de cálculo, mientras que las mediciones y los datos de equilibrio determinan si el absorbedor está funcionando como se esperaba.

Si su enfoque principal es la recuperación de amoníaco: Mida las concentraciones de amoníaco de entrada y salida y utilice el balance de componentes de amoníaco para calcular la tasa absorbida y el porcentaje de eliminación.
Si su enfoque principal es la determinación precisa del flujo de gas: Equilibre el componente de nitrógeno inerte y utilice su concentración de salida para calcular los caudales molares y volumétricos totales de gas de salida.
Si su enfoque principal es la optimización del disolvente: Combine el balance de amoníaco con la relación de equilibrio gas-líquido para determinar el flujo de disolvente necesario para cumplir con la concentración de salida objetivo.
Si su enfoque principal es el rendimiento de la columna: Aplique balances alrededor de toda la columna y, donde los datos lo permitan, a través de secciones individuales para distinguir las limitaciones de equilibrio de las limitaciones de transferencia de masa.
Si su enfoque principal son datos fiables de planta piloto: Corrija los caudales según la presión y temperatura reales, mida la carga de amoníaco en el líquido y verifique que el amoníaco perdido del gas coincida con el amoníaco ganado por el líquido.

Un balance de materia bien construido convierte las mediciones de la planta piloto en una evaluación defendible de la recuperación de amoníaco, el uso de disolvente y el rendimiento del absorbedor.

Tabla de resumen:

Balance o métrica	Qué determina	Base clave
Balance global	Flujos totales de gas y líquido de entrada y salida	Caudales de gas y líquido
Balance de amoníaco	Amoníaco absorbido y concentraciones de salida	Tasas de amoníaco de entrada y salida
Balance de gas inerte	Flujo preciso de gas de salida tras eliminar el amoníaco	Flujo de nitrógeno o gas portador
Eficiencia de recuperación	Porcentaje de amoníaco eliminado	Amoníaco de entrada frente a salida
Carga de disolvente	Amoníaco absorbido por unidad de disolvente	Cambio en la composición del líquido
Relación de equilibrio	Composición de salida alcanzable y fuerza impulsora	Temperatura, presión y química del disolvente
Cierre del balance	Calidad de los datos y pérdidas no contabilizadas	Pérdida de gas frente a ganancia de líquido
Balance de energía	Impacto de la liberación de calor y cambio de temperatura	Entalpía de la corriente y carga térmica

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