Absorción. Técnicas de Separación y Purificación de hidrógeno
- José M Soria
- 7 may 2023
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¿Por qué emplear métodos de absorción para la purificación de hidrógeno?
Muchos sistemas de purificación de hidrógeno son complejos e impracticables para aplicaciones a gran escala. Por el contrario, el lavado con agua y químicos se utilizan ampliamente entre los diversos métodos disponibles debido a su alta eficiencia de purificación y bajo coste de equipo en comparación con otras técnicas, alcanzando purezas de 95% y recuperaciones entre el 85% - 95%
En los procesos industriales, de fabricación de hidrógeno, como el reformado con vapor, se busca eliminar C02, H2S, COS y los objetivos habituales en la salida es que la concentración sea menor al 0.1%
En la absorción tenemos un gas inerte (gas que no reaccionará o no se disolverá en en líquido) mientras que el soluto si. Lo que queremos es que el soluto en contacto con el liquido pase de fase gas a fase líquida. El liquido resultante (que contiene H2) se tiene que tratar, ahora con una desorción. Así pues, a la absorción, le acompaña la desorción, y podemos decir que
Absorción, es la eliminación de un soluto de una corriente gaseosa por medio de un disolvente líquido selectivo hacia uno o más solutos presentes en la alimentación. La absorción se realiza en absorbedores o "Scrubbers".
Desorción, es la eliminación de un soluto de una corriente líquida por medio de una corriente gaseosa selectiva hacia uno o más componentes de la alimentación. La desorción se realiza en desorbedores o "Strippers"
Un ejemplo de absorción-desorción es la eliminación de amoniaco (NH3) primero de una corriente de aire que lo contenga, después de un flujo de agua, que lo contenga. La absorción, es un proceso exotérmico favorido, por otra parte la solubilidad de un gas, se favorece altas presiones por tanto, las condiciones de operación para la absorción son altas presiones y bajas temperaturas. Mientras que la desorción es endotérmico, favorecido por altas temperaturas y bajas presiones.
¿Qué liquido se utiliza?
El liquido a utilizar para la absorción, es función de la concentración de soluto, y la cantidad a separar. Distinguiendo si el disolvente es físico o si por contra es químico y en este último caso, se distingue nuevamente si el disolvente químico reacciona de manera reversible o irreversible, Así por ejemplo si se quiere eliminar H2S, en función de su concentración se puede utilizar:
Concentraciones de H2S entre 10-50% se utiliza etilen glicol, como absorción física (sin reacción), para concentraciones de H2S de 1-10% se puede utilizar Aminas (MEA), en absorciones químicas reversibles, y para concentraciones de H2S inferiores a 1% se utilizan disoluciones acuosas de NaOH, que al ser irreversible genera un residuo con NaHS.
¿Qué equipos utilizar?
El equipo necesita poner en contacto gas con líquido. Esto se logra mediante equipos torre, ya sea torres de planos (contacto por etapas) o torres de relleno (contacto continuo). El funcionamiento consiste en que el líquido cae por gravedad (de arriba hacia abajo), en el sentido contrario se introduce el gas.
Torres de rellenos
En el caso de las torres de relleno se puede distinguir entre relleno estructurado, de gran desarrollo superficial y relleno aleatorio, formado por una gran cantidad de cuerpos pequeños con un alto desarrollo superficial.
Los rellenos aleatorios, se instalan dejándolos caer simplemente sobre el soporte (la columna), se dispone de una gran variedad de geometrías y son metálicos, cerámicos y de plástico los criterios de selección deben combinar las características estructurales y de resistencia química necesarias.
Algunos ejemplos de Rellenos Aleatorios son, Anillos Rasching, Anillos Lessing, Anillos en espeiral doble, Anillos pall de metal, montura Berl de cerámica, Montura intalox, Tellerette, Tripak son algunos ejemplos de rellenos aleatorios.
También existe rellenos estructurados, que ofrecen menor pérdidas de cargas, lo que posibilita tratar mayor cantidad de líquidos.
Dimensionar una absorbedor supone determinar el diámetro, que vendrá determinado por los caudales de gases y líquidos, y las perdidas de carga según el tipo de relleno, y la altura, que dependerá del grado de pureza que se busque.
Torres de Platos
En el caso de las torres de planos, el contacto se realiza por etapas. Una etapa es un dispositivo por el que se ponen en contacto dos fases inmiscibles entre las que se transfiere materia, energía y cantidad de movimiento y luego se separan. El concepto etapa está relacionado con el equilibrio; las fases que entran en contacto no tienen por que estar en equilibrio, al salir de la etapa, las corrientes, en general, están mas cerca del equilibrio que al principio. normalmente los equipos son del tipo multietapa.
La torre esta formada por virolas de varios niveles, platos. El espacio típico entre platos oscila de 150 a 900 mm. El liquido cae por rebose hasta el pato inmediatamente inferior a través de un canal de bajada. Los canales están dispuestos en modo Zig-Zag, y cada plato dispone de aberturas por los que asciende el gas.
¿Cuántas etapas son necesarias?
Depende del grado de separación que queramos alcanzar, y también depende de lo lejos o cerca que estemos del equilibrio.
En una etapa ideal el liquido y gas, que entra en contacto en dicha etapa, han alcanzado el equilibrio. Para simplificar los cálculos se suele simplificar el diseño de un equipo multietapa suponiendo que las corrientes que salen de cada una de las etapas están en equilibrio (etapa ideal), para después aplicar una factor de corrección, llamado eficacia, para tener en cuenta el grado de acercamiento con respecto al equilibrio (etapa real). La eficacia, así pues, refleja la aproximación al equilibrio que se produce en una etapa real.
Existen diferentes definiciones de eficacia. La eficacia global (E0) es el cociente entre el número de etapas de equilbrio (Neq) y el número de etapas reales requeridas para llevar a cabo una determinada separación. Por ejemplo la eficacia global en una torre de destilación de hidrocarburos es del 60%, i se calcula que el número de platos ideales necesarios es 6, el número de etapas reales será 10.
La eficacia de Murphree de plato (EM) se define para cada etapa como el cociente de la diferencia de concentraciones que se alcanza en una etapa real respecto de la que se obtendría se la etapa fuera de equilibrio. Hay dos tipos de eficacia para la fase gas y para la fase líquida, con valores diferentes habitualmente.
El valor con asterisco, corresponden a las eficacias ideales, de forma que cuando la eficacia de Murphree es uno, es que estamos en una etapa ideal. En adsorción con reacción química esta eficacia esta al redero de 40%.
En el dimensionamiento de las torres, el diámetro se relaciona con las capacidad de tratamiento de la torre (Kg/hora a tratar) y la altura- número de platos, esta relacionado con el grado de separación que se quiera alcanzar.
Para logra altas eficacias, que es lo que se busca, se requiere grandes superficies de interfase, largos tiempos de contacto entre las fases, y flujos turbulentos para la mezcla.
Hay que tener en cuenta que a velocidades de gas excesivas se produce el arrastre de gotas de líquido, con profundidades de líquido excesivas se provoca grandes pérdidas de carga.
Se necesitan grandes profudidades de líquido y altas velocidades de gas, pero dentro de nivel de operación satisfactoria. Por ejemplo, mucho gas y poco líquido existirá un arrastre excesivo del líquido. Si tenemos mucho caudal de líquido y de gas, se puede inundar la torre, etc. Por lo que existe una compromiso entre los caudales de gas y de líquido, que definen la zona de operación satisfactoria de la torre.
Se utiliza torres de platos cuando hay que tratar grandes caudales, lo habitual es usar torres de relleno, donde el parámetro de diseño es la altura de relleno, y el principal contratiempo es la perdida de carga.
¿Qué proceso hay en absorción para eliminar el CO2 (habitualmente del Gas síntesis) ?
Absorción Física
En la absorción física, la solubilidad depende de las presiones parciales de los gases que se quiere absorber. Normalmente el proceso de absorción del CO2, va acompañado de la eliminación de gases ácido sulfhídrico H2S (es un veneno) para los catalizadores. En tabla siguientes se recogen para la eliminación de C02 y H2S, algunos de los principales procesos y sus disolventes a emplear.
Proceso | Disolvente a emplear |
Selexol | Dietil éter de Polietilen glicol |
Rectisol | Metanol |
Purisol | N-metil-Pirolidone |
Disolvente con fluor | Carbonato de Propileno |
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