El procedimiento consiste en establecer balances totales y de componentes alrededor del absorbedor, utilizando un gas portador inerte como referencia de flujo. Mida las composiciones, la presión, la temperatura y las condiciones de flujo del gas de entrada y salida; calcule el flujo molar del gas inerte; infiera el flujo total de gas de salida a partir del flujo inerte invariable; luego determine la eliminación de solutos, la captación de líquido y los requisitos de disolvente. Para el diseño o el análisis del rendimiento, combine estos balances con datos de equilibrio de fases y límites hidrodinámicos.

Conclusión clave: En un absorbedor en estado estacionario, el componente soluble cambia de fase mientras que el portador inerte proporciona una base conservada para calcular los flujos de corriente desconocidos. Los resultados precisos dependen de definiciones de composición coherentes, conversiones correctas de volumen de gas y una distinción clara entre la absorción física y la reacción química.

Establecer el sistema y la base de medición

Definir el límite del absorbedor

Dibuje un volumen de control alrededor de la columna de absorción de gases completa. Identifique las corrientes de gas de entrada y salida, las corrientes de líquido de entrada y salida, el componente gaseoso soluble (A), el portador inerte (I) y cualquier especie adicional o corriente de compensación.

Para una torre de relleno a contracorriente, el gas fluye hacia arriba mientras que el disolvente líquido fluye hacia abajo. El balance puede aplicarse a toda la columna o a secciones diferenciales al evaluar la transferencia de masa local.

Confirmar la operación en estado estacionario

Utilice los balances de estado estacionario solo después de que los caudales, temperaturas, presiones y composiciones de gas y líquido se hayan estabilizado. Los datos transitorios de puesta en marcha pueden producir errores aparentes en el balance de masa porque el inventario de la columna está cambiando.

Compruebe que no haya fugas no medidas, pérdidas por arrastre de líquido, efectos de condensación o evaporación de disolvente que afecten materialmente al balance.

Elegir una base de composición coherente

La composición del gas puede expresarse como fracción molar, porcentaje en volumen o ppm por volumen. Para gases ideales, estos son equivalentes sobre una base molar:

[ y_A = \frac{\dot n_A}{\dot n_G} ]

La composición del líquido puede expresarse como fracción molar, fracción másica o molalidad:

[ x_A = \frac{\dot n_A}{\dot n_L} ]

No combine fracciones molares de gas con fracciones másicas de líquido en la misma ecuación sin aplicar las conversiones de peso molecular necesarias.

Calcular el flujo de gas inerte

Determinar el flujo inerte de entrada

Si se conoce el caudal volumétrico del gas de entrada, calcule el flujo molar total de entrada utilizando la relación de gas ideal:

[ \dot n_{G,\text{in}} = \frac{P_{\text{in}}\dot V_{\text{in}}}{Z_{\text{in}}RT_{\text{in}}} ]

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 un gas ideal, establezca (Z=1).

El flujo de gas inerte de entrada es entonces:

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

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

Si la composición de entrada contiene solo gas inerte y soluto (A),

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

Aplicar el balance de componentes inertes

Cuando el gas inerte no se disuelve, reacciona o condensa de manera apreciable,

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

Esta es la relación clave para el análisis de absorción. El flujo total de gas suele disminuir a medida que el soluto se transfiere al líquido, pero el flujo molar inerte permanece constante.

Este método es generalmente más fiable que suponer que el flujo total de gas no cambia.

Determinar el flujo y la concentración del gas de salida

Inferir el flujo total de gas de salida

Una vez medida la concentración de soluto de salida, calcule el flujo molar total de gas de salida a partir del flujo inerte conservado:

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

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

Para un gas que contiene solo portador inerte (I) y soluto (A),

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

\frac{\dot n_{I,\text{in}}}{1-y_{A,\text{out}}} ]

La tasa molar de soluto de salida es:

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

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

Convertir el flujo de salida en flujo volumétrico

Utilice la presión y la temperatura de salida:

[ \dot V_{\text{out}}

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

Un flujo volumétrico de salida puede diferir del valor de entrada por dos razones: el soluto ha sido eliminado y el gas puede experimentar cambios de presión o temperatura.

Corregir según la base de informe

Los analizadores de gas pueden informar las concentraciones sobre una base húmeda, seca, de volumen real o de volumen estándar. Convierta las mediciones de entrada y salida a la misma base antes de aplicar el balance inerte.

Esta corrección es particularmente importante cuando el disolvente se evapora o cuando hay vapor de agua presente en un sistema de depuración.

Realizar el balance de masa de componentes

Balance de solutos alrededor de la columna

Para el soluto (A), el balance molar general es:

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

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

Las tasas de entrada y salida de la fase gaseosa son:

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

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

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

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

Por lo tanto, la tasa neta de absorción molar en el líquido es:

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

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

Si el disolvente entrante contiene una cantidad despreciable de (A), este es también el aumento en el flujo de soluto en la fase líquida:

[ \dot n_{A,L,\text{out}}-\dot n_{A,L,\text{in}}

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

Convertir la absorción a tasa de masa

La tasa de masa absorbida es:

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

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

donde (M_A) es el peso molecular del soluto.

Para gases ácidos o sistemas reactivos, esta cantidad representa la desaparición neta del componente en fase gaseosa. La forma química de la fase líquida puede diferir de la especie gaseosa original.

Calcular la eliminación o recuperación

La fracción de eliminación en fase gaseosa 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 ]

Este cálculo debe basarse en las tasas molares de los componentes, no simplemente en la diferencia entre los porcentajes de concentración de entrada y salida. El flujo total de gas cambia durante la absorción, por lo que las diferencias de concentración por sí solas pueden ser engañosas.

Completar los balances totales y de líquido

Balance de material general

Para todo el absorbedor:

[ \dot m_{G,\text{in}}+\dot m_{L,\text{in}}

\dot m_{G,\text{out}}+\dot m_{L,\text{out}} ]

O, al utilizar cantidades molares de manera consistente:

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

\dot n_{G,\text{out}}+\dot n_{L,\text{out}} ]

El balance total debe incluir la evaporación del disolvente, la transferencia de agua, los productos de reacción y cualquier líquido arrastrado cuando esos efectos sean significativos.

Estimar la composición del líquido de salida

Si se conoce el flujo de disolvente y se mide la concentración de soluto del líquido entrante, calcule la composición del líquido de salida a partir del balance de componentes de la fase líquida:

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

\dot n_{A,L,\text{in}} + \dot n_{A,\text{absorbed}} ]

Luego determine (x_{A,\text{out}}) utilizando la base de composición líquida elegida.

Para fracciones másicas, la relación debe tener en cuenta el flujo de masa total del líquido:

[ w_{A,L,\text{out}}

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

Utilizar la relación de la línea de operación

Para una sección de un absorbedor a contracorriente, la pendiente de la línea de operación está relacionada con la relación de flujo de líquido a gas. En una formulación simplificada de fracción de peso:

[ \frac{w_{A,G,\text{out}}-w_{A,G,\text{in}}} {w_{A,L,\text{out}}-w_{A,L,\text{in}}}

-\frac{F_L}{F_G} ]

La forma exacta depende de si se utilizan caudales totales o caudales libres de soluto. Para sistemas con una transferencia de soluto apreciable, las coordenadas libres de soluto suelen ser preferibles porque los flujos de gas inerte y portador de disolvente son las cantidades conservadas.

Una relación alta de líquido a gas generalmente aumenta la capacidad de absorción, mientras que una relación baja hace que el disolvente se acerque a la saturación más rápidamente.

Conectar el balance con el equilibrio y el rendimiento de la columna

Comparar las corrientes de salida con el equilibrio

Los balances de material determinan cuánto soluto se transfirió. Por sí mismos, no determinan si la columna tiene suficiente área de contacto o altura.

Compare las composiciones de gas y líquido medidas con datos de equilibrio, tales como:

[ y_A^* = f(x_A) ]

La distancia entre el estado operativo y el estado de equilibrio indica la fuerza impulsora para la transferencia de masa.

Estimar los requisitos de disolvente

El caudal mínimo de disolvente se alcanza cuando la línea de operación entra en contacto con la relación de equilibrio en un punto límite. Las correlaciones de equilibrio y métodos como el enfoque de Kremser pueden entonces estimar el número de etapas ideales o el flujo de disolvente necesario para una recuperación objetivo.

Una tasa de disolvente operativa práctica debe exceder el mínimo porque la operación en el mínimo proporciona una fuerza impulsora que desaparece en parte de la columna y requiere un área de contacto imprácticamente grande.

Evaluar las restricciones hidrodinámicas

Utilice los caudales de gas y líquido para determinar si la columna opera dentro de su ventana hidráulica. El diámetro de la columna, el diseño del relleno o las bandejas, la caída de presión, la retención de líquido y la velocidad de inundación afectan la capacidad utilizable.

La operación por encima del límite de inundación puede causar retroceso de líquido, aumentos bruscos en la caída de presión, arrastre y flujo inestable. Un balance de masa que parece correcto no demuestra una operación de columna aceptable si el estado hidráulico no es adecuado.

Relacionar la eliminación con la eficiencia de transferencia de masa

Para columnas de relleno, la eliminación medida puede relacionarse con la altura de una unidad de transferencia o HETP. Para columnas de bandejas, puede relacionarse con los requisitos de etapas teóricas y la eficiencia de la bandeja.

Estas medidas de rendimiento deben basarse en datos operativos reales, porque las predicciones de equilibrio por sí solas no capturan la mezcla, la canalización, el humedecimiento, la formación de espuma o el contacto no ideal.

Comprender las compensaciones

No asuma un flujo total de gas constante

El flujo del portador inerte puede permanecer constante mientras que el flujo molar total de gas disminuye a medida que se absorbe el componente soluble. Suponer un flujo total de gas constante puede distorsionar la tasa de soluto de salida calculada y la eficiencia de eliminación.

Distinguir la absorción de la reacción

Para la absorción física, el soluto entra en el líquido como la misma especie química. Para la absorción reactiva, como la absorción de trióxido de azufre en soluciones de ácido sulfúrico, el gas puede reaccionar o sufrir una transformación química adicional después de entrar en el líquido.

El balance de componentes general sigue siendo válido, pero la interpretación de la composición del líquido, el equilibrio y el consumo de disolvente requiere la estequiometría de la reacción y cualquier cinética de reacción relevante.

Evite unidades de flujo y concentración inconsistentes

Los errores comunes incluyen mezclar caudales volumétricos estándar y reales, usar presión manométrica en lugar de absoluta y combinar datos de gas sobre base seca con datos sobre base húmeda.

Cada corriente medida debe convertirse a una base común antes de realizar el balance.

Trate la suposición de gas inerte como una suposición comprobable

El nitrógeno u otro gas portador es útil como referencia solo si su pérdida es despreciable. Compruebe si hay disolución inerte, fugas, condensación, reacción química y sesgo del analizador.

Si el balance inerte no se cierra dentro de la incertidumbre de medición esperada, investigue las mediciones y las suposiciones del proceso antes de utilizar el resultado para el diseño.

Reconozca que un sistema por lotes cerrado es diferente

En un absorbedor continuo, los caudales de gas y portador líquido generalmente se tratan como cantidades de corriente. En un sistema cerrado por lotes o de burbujeo, los inventarios de gas y líquido cambian con el tiempo, por lo que el análisis debe utilizar términos de acumulación.

La ecuación de la línea de operación en estado estacionario no puede aplicarse directamente a un sistema por lotes inestable.

Tomar la decisión correcta para su objetivo

Utilice la siguiente secuencia para un análisis defendible:

Si su enfoque principal es la eliminación de componentes: Calcule el flujo molar inerte de entrada, infiera el flujo total de gas de salida a partir de la concentración inerte de salida y compare las tasas molares de soluto de entrada y salida.
Si su enfoque principal es el consumo de disolvente: Aplique el balance de solutos a las corrientes de líquido e incluya la evaporación del disolvente, la reacción y los requisitos de compensación cuando sea relevante.
Si su enfoque principal es predecir el flujo de salida: Utilice primero el flujo inerte conservado y la composición de salida, luego convierta el flujo molar resultante con la presión y temperatura de salida.
Si su enfoque principal es dimensionar u operar la columna: Combine el balance de material con datos de equilibrio, relaciones de disolvente a gas, límites de inundación, caída de presión y eficiencia de etapa o relleno.
Si su enfoque principal es validar datos de planta piloto: Cierre los balances inerte, de soluto, de líquido y general, e investigue cualquier discrepancia antes de calcular la eficiencia o los parámetros de escalado.

Un análisis de absorbedor fiable comienza con una base inerte conservada, tiene en cuenta explícitamente la transferencia de soluto y luego conecta los balances resultantes con el equilibrio, la hidráulica y el rendimiento de transferencia de masa.

Tabla resumen:

Paso de análisis	Cálculo o verificación clave	Resultado
Definir el sistema	Identificar gas, líquido, soluto, portador inerte y condiciones operativas	Volumen de control claro y base de medición
Calcular el flujo inerte	Convertir el volumen de gas de entrada usando presión absoluta, temperatura, compresibilidad y composición	Flujo molar de gas inerte conservado
Inferir el flujo de gas de salida	Utilizar la concentración inerte de salida y el balance inerte	Tasas de gas de salida total y de soluto
Completar el balance de solutos	Comparar las tasas molares de soluto de entrada y salida	Cantidad absorbida y eficiencia de eliminación
Completar los balances de líquido y totales	Incluir captación de disolvente, evaporación, reacción, arrastre y compensación	Composición del líquido de salida y cierre del balance
Evaluar el rendimiento	Comparar con el equilibrio, la relación disolvente-gas, la caída de presión, los límites de inundación y la eficiencia de transferencia	Perspectivas de diseño o escalado

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