La condensación de vapor aguas arriba modifica la alimentación del absorbedor antes de que comience la absorción. Cuando una mezcla de gases calientes se enfría en un intercambiador de calor aguas arriba, el vapor condensable se convierte en líquido y abandona la fase gaseosa. Por lo tanto, el absorbedor recibe un menor flujo total de gas, un peso molecular promedio diferente y concentraciones de soluto modificadas, por lo que deben actualizarse sus balances de materia, la relación gas-líquido, la eficiencia de remoción y los cálculos de dimensionamiento.

El balance del absorbedor debe basarse en el gas que permanece después de la condensación, no en la alimentación original de gas caliente. Calcule la cantidad condensada en las condiciones de salida del intercambiador de calor, retírela de la corriente en fase gaseosa y, después, convierta el flujo de gas restante a la temperatura y presión de operación del absorbedor.

Por qué la condensación modifica la alimentación del absorbedor

La condensación elimina material de la fase gaseosa

A la temperatura y presión de salida del intercambiador de calor, un componente condensable puede superar su presión de vapor de equilibrio. El exceso abandona la fase gaseosa como líquido.

Para un cálculo sencillo, la cantidad condensada se determina a partir de la cantidad de vapor de entrada y del vapor que permanece en las condiciones de equilibrio de salida:

[ n_{\text{condensed}} = n_{\text{vapor,in}} - n_{\text{vapor,out}} ]

La cantidad de vapor de salida debe basarse en la temperatura y presión de salida del intercambiador de calor, en lugar de basarse únicamente en la composición de entrada.

Disminuye el flujo molar total de gas

El flujo de gas después del enfriamiento es:

[ n_{\text{gas,out}} = n_{\text{gas,in}} - n_{\text{condensed}} ]

Este flujo reducido es la alimentación real de gas al absorbedor, suponiendo que el líquido condensado se retire antes de entrar en la columna.

El cambio puede ser considerable cuando el gas original contiene una gran cantidad de vapor de agua u otro componente portador condensable.

La composición del gas se renormaliza

La eliminación de líquido de un componente modifica su fracción molar en la fase gaseosa y cambia la concentración relativa de cada componente restante en el gas.

Para el componente (i):

[ y_{i,\text{absorber}} = \frac{n_{i,\text{gas,out}}} {n_{\text{gas,out}}} ]

Esto significa que la composición de alimentación del absorbedor no puede obtenerse simplemente trasladando las fracciones molares originales de entrada aguas abajo.

Cómo realizar el balance secuencial

Comience con la entrada de gas caliente

Defina la corriente de entrada sobre una base coherente, como kilomoles por hora:

[ n_{\text{in}} = n_{\text{condensable,in}} + n_{\text{absorber-solute,in}} + n_{\text{inert,in}} ]

El soluto del absorbedor puede ser amoníaco, un gas ácido u otra especie químicamente reactiva. Los gases inertes y los componentes no condensables generalmente permanecen en la fase gaseosa durante un enfriamiento aguas arriba normal.

Determine el vapor que permanece después del enfriamiento

Utilice la temperatura y presión de salida del intercambiador de calor para determinar cuánto vapor condensable puede permanecer en equilibrio con la fase líquida.

Para el agua, por ejemplo, la presión parcial de vapor de salida no puede superar la presión de saturación a la temperatura de salida cuando hay agua líquida presente:

[ p_{\text{water}} = y_{\text{water}}P ]

Si la presión parcial calculada supera la presión de saturación, se produce condensación hasta que se satisface la condición de equilibrio.

En un diseño más riguroso, el cálculo puede requerir datos de equilibrio vapor-líquido para la mezcla gaseosa completa, especialmente cuando están presentes amoníaco, gases ácidos u otras especies solubles.

Retire el líquido condensado

La cantidad condensada se retira de la corriente de gas:

[ n_{\text{liquid}} = n_{\text{condensed}} ]

Las cantidades restantes de los componentes en fase gaseosa se utilizan como entrada del absorbedor. La tasa de producto líquido también puede convertirse en flujo másico:

[ \dot{m}{\text{liquid}} = n{\text{liquid}}MW_{\text{liquid}} ]

Este líquido puede ser rico en agua, pero también puede contener soluto del absorbedor disuelto o arrastrado.

Recalcule el peso molecular promedio

El peso molecular promedio del gas cambia después de la condensación:

[ \overline{MW}_{\text{gas}} = \sum_i y_iMW_i ]

Esto afecta la conversión de flujo másico, la densidad del gas, la velocidad superficial y los cálculos del equipo.

Un cálculo que conserve el peso molecular promedio original después de eliminar un componente importante del vapor puede producir flujos másicos y volumétricos inconsistentes.

Convierta el flujo de gas a las condiciones del absorbedor

El flujo de gas que entra al absorbedor debe ajustarse desde la base de salida del intercambiador de calor a las condiciones de operación del absorbedor:

[ \dot{V}_{2}

\dot{V}{1} \left(\frac{T{2}}{T_{1}}\right) \left(\frac{P_{1}}{P_{2}}\right) ]

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

[ \dot{V}_{2}

\dot{V}{1} \left(\frac{T{2}}{T_{1}}\right) \left(\frac{P_{1}}{P_{2}}\right) \left(\frac{Z_{2}}{Z_{1}}\right) ]

Las temperaturas deben ser absolutas y las presiones deben utilizar una base absoluta coherente.

Cómo se ve afectado el balance del absorbedor

El balance de materia del lado del gas comienza en una nueva condición de alimentación

Para un soluto transferido del gas al líquido:

[ n_{\text{solute,in}}

n_{\text{solute,out}} + n_{\text{solute,absorbed}} ]

El término de entrada debe representar el flujo de soluto después de la condensación aguas arriba. Si el propio soluto permanece en fase gaseosa, su flujo molar absoluto puede permanecer aproximadamente sin cambios, pero su fracción molar aumenta cuando se elimina una mayor cantidad de vapor portador.

Cambia la relación gas-líquido

La relación gas-líquido del absorbedor se basa en el flujo de gas revisado y en el flujo real de absorbente:

[ \frac{G}{L}

\frac{\text{gas flow entering absorber}} {\text{liquid absorbent flow}} ]

La condensación generalmente reduce (G), a menos que el condensado se combine intencionalmente con el líquido del absorbedor. Esto modifica la línea de operación y puede afectar la tasa de circulación de disolvente necesaria.

La concentración de soluto puede aumentar o disminuir

Si solo se condensa un vapor portador, como el agua, el gas restante contiene una fracción molar mayor del soluto no condensable. Esto puede aumentar la carga aparente de soluto que entra al absorbedor, aunque el flujo molar absoluto de soluto no haya cambiado.

Si el soluto también se condensa, se disuelve en el condensado o se elimina por arrastre, su flujo molar en fase gaseosa disminuye. En ese caso, el balance del absorbedor debe incluir explícitamente esa remoción aguas arriba.

El dimensionamiento del absorbedor puede cambiar

El flujo de gas afecta el diámetro de la columna mediante la velocidad superficial del gas y los límites de inundación. Un menor volumen de gas generalmente reduce el área transversal necesaria, pero la concentración revisada de soluto y la fuerza impulsora termodinámica pueden modificar la altura del empaque, los requisitos de bandejas, la circulación de disolvente o las necesidades de eliminación de calor.

Por lo tanto, la base correcta para el dimensionamiento es el flujo y la composición del gas en la entrada del absorbedor, no la condición original de gas caliente.

Interacción con el rendimiento del intercambiador de calor

La condensación contribuye a la carga térmica

Cuando el vapor se condensa, el intercambiador de calor elimina tanto calor sensible como calor latente:

[ Q = Q_{\text{sensible}} + Q_{\text{latent}} ]

La contribución latente es aproximadamente:

[ Q_{\text{latent}} = n_{\text{condensed}}\Delta H_{\text{vap}} ]

Ignorar este término puede subestimar la carga de enfriamiento requerida y representar incorrectamente la temperatura de salida alcanzable.

Debe tenerse en cuenta la salida de líquido

El intercambiador de calor puede producir dos fases de salida: un gas enfriado y un condensado. Se necesita un separador aguas abajo, un tambor de separación de gotas o un drenaje diseñado adecuadamente si no se pretende que el condensado entre en el absorbedor.

Si se produce arrastre de líquido, la alimentación del absorbedor no es una corriente de gas seco. El balance debe incluir el líquido que entra en la columna y cualquier soluto disuelto que contenga.

La condensación afecta las mediciones en plantas piloto

Los caudalímetros pueden informar el flujo en diferentes condiciones de referencia, mientras que las mediciones de gas húmedo y gas seco pueden utilizar distintas bases. La condensación entre los puntos de medición puede crear discrepancias aparentes a menos que cada corriente se exprese a la misma temperatura, presión y base de humedad.

Para trabajos en planta piloto, registre la temperatura de salida del intercambiador de calor, la presión, la tasa de condensado, la base del flujo de gas y si el gas medido es húmedo o seco.

Comprensión de las compensaciones

Suponer que todo el vapor condensable se elimina

Enfriar por debajo de la temperatura de saturación de un componente no significa necesariamente su eliminación completa. El gas de salida retiene la cantidad de vapor en equilibrio, a menos que un condensador adicional, un separador o una etapa de secado lo elimine.

Utilice la condición de equilibrio de salida para calcular el vapor residual.

Tratar el condensado como disolvente puro

El condensado puede contener amoníaco absorbido, gas ácido, sales disueltas o gotas arrastradas. Tratarlo como agua pura puede sobreestimar el flujo de soluto que llega al absorbedor y subestimar la concentración del producto líquido.

Analice o estime la composición del condensado cuando el soluto sea altamente soluble o reactivo.

Utilizar la composición volumétrica sin una base coherente

Las fracciones molares en base húmeda, las fracciones molares en base seca, el flujo volumétrico real y el flujo volumétrico estándar no son intercambiables. Mezclar estas bases puede invalidar tanto los balances del intercambiador de calor como los del absorbedor.

Realice primero el balance de materia en unidades molares y, después, conviértalo a masa o volumen en las condiciones requeridas.

Suponer que la condensación siempre mejora el rendimiento del absorbedor

Un menor flujo de gas puede reducir el tamaño de la columna y la demanda de disolvente, pero una mayor concentración de soluto puede aumentar la carga local y modificar la fuerza impulsora de la absorción. La condensación también puede provocar obstrucciones, corrosión, inundación o problemas de distribución del líquido si este no se separa y gestiona adecuadamente.

El equipo aguas abajo debe evaluarse utilizando tanto el caudal revisado como la composición revisada.

Ignorar los efectos de la temperatura del absorbedor

El absorbedor puede operar a una temperatura diferente de la salida del intercambiador de calor. La solubilidad, el equilibrio de reacción, la presión de vapor y el volumen del gas pueden cambiar entre estas ubicaciones.

Por lo tanto, el balance del absorbedor debe comenzar con las condiciones reales de entrada al absorbedor, incluidos cualquier recalentamiento, enfriamiento adicional, evaporación o adición de líquido entre las unidades.

Cómo aplicar esto a su planta piloto

Utilice un cálculo secuencial que siga la trayectoria física de la corriente desde el intercambiador de calor hasta el absorbedor.

Si su objetivo principal es la carga térmica del intercambiador de calor: Calcule el vapor condensado a partir de la condición de equilibrio de salida e incluya su calor latente en el balance de carga de enfriamiento.
Si su objetivo principal es el dimensionamiento del absorbedor: Retire el condensado, recalcule el flujo molar y volumétrico del gas en las condiciones del absorbedor y utilice ese flujo revisado para el diseño hidráulico.
Si su objetivo principal es la remoción de soluto: Siga por separado el soluto presente en el gas, el condensado y el líquido del absorbedor para no atribuir incorrectamente al absorbedor la disolución o condensación aguas arriba.
Si su objetivo principal es la conciliación de datos de la planta piloto: Exprese cada medición sobre una base coherente molar, de temperatura, de presión y húmeda/seca antes de comparar las corrientes.
Si su objetivo principal es la recuperación de producto líquido: Mida o estime la composición del condensado e incluya cualquier soluto del absorbedor disuelto en el balance del producto líquido.

Un diseño fiable del absorbedor comienza con la corriente que realmente llega al absorbedor después de la condensación aguas arriba, no con la alimentación original de gas caliente.

Tabla resumen:

Área	Efecto de la condensación aguas arriba	Acción requerida
Flujo de gas	Disminuye el flujo molar total de gas	Retirar el vapor condensado antes de calcular la alimentación del absorbedor
Composición del gas	Las fracciones molares del soluto restante pueden aumentar	Recalcular la composición de la fase gaseosa
Peso molecular	Cambia el peso molecular promedio del gas	Actualizar el flujo másico, la densidad y la velocidad
Relación gas-líquido	El flujo de gas y la demanda de disolvente pueden cambiar	Recalcular la línea de operación y la tasa de disolvente
Dimensionamiento del absorbedor	El diámetro, la altura del empaque o los requisitos de bandejas pueden cambiar	Utilizar el flujo y la composición en las condiciones de entrada del absorbedor
Carga térmica del intercambiador de calor	La condensación añade carga térmica latente	Incluir el calor sensible y latente en el balance
Gestión del líquido	El condensado puede contener soluto disuelto o gotas arrastradas	Utilizar un separador y seguir la composición del condensado
Mediciones en planta piloto	Las diferencias entre bases húmeda/seca y condiciones de referencia pueden distorsionar los resultados	Conciliar todas las corrientes sobre una base molar coherente

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