CURSO:

TRANSFERENCIA DE MASA II

INTEGRANTES:

CAIRE CAHUARI, LENIN

QUISPE GUZMÁN, JORGE

ENCARGADO DE LA PRÁCTICA:

ING. CELSO MONTALVO

UNI-2014FIQT

ABSORCIÓN CON REACCIÓN

Índice

1. OBJETVOS...................................................................................................................................2

2. FUNDAMENTO TEÓRICO............................................................................................................2

3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.......................................................................................................2

4. MATERIALES Y REACTIVOS USADOS...........................................................................................3

a. Materiales..............................................................................................................................3

b. Reactivos................................................................................................................................4

5. OBSERVACIONES........................................................................................................................4

6. DATOS EXPERIMENTALES Y BIBLIOGRÁFICOS.............................................................................4

a. Datos experimentales.............................................................................................................4

b. Datos bibliográficos:...............................................................................................................5

7. CONCLUSIONES..........................................................................................................................9

8. BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................................9

ABSORCIÓN CON REACCIÓN

1. OBJETVOS

Estudiar la operación de absorción gaseosa con reacción. Estudio de la influencia de los parámetros y variables a controlar durante la

operación.

2. FUNDAMENTO TEORICO.

Descripción del equipo

El equipo está constituido por una columna de relleno (de vidrio), dos tanques y una bomba, además de un balón del gas de absorber (CO2). La parte principal es la columna de relleno, construida completamente de vidrio, con 1.2m de altura de relleno(Anillos-Raschig de vidrio de ½”), de 4” de diámetro.Los tanques de almacenamiento contienen al solvente fresco y el otro al solvente (el cual contiene al soluto) depués de haber pasado por la columna.El tercer equipo (la bomba) sirve para desalojar líquido del fondo de la columna, la cual es activada automáticamente y se encarga de mantener un cierto nivel de líquido, prefijad, dentro de la columna.El equipo cuenta además con un rotámetro para medir el flujo de líquido, otro para medir el flujo de gas, válvula reductora de presión (para el gas), trampa de condensado (agua) proveniente del gas y válvulas de regulación de flujo, tanto para el gas como para el líquido.La columna está provista además de un manómetro en U(fluído manométrico: H2O) para la medición de caída de presión en el lecho de relleno.

Absorción gaseosa

Es una operación unitaria, de transferencia de masa, que consiste en la separación y transferencia de uno o más componentes (soluto A) de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido (S) generalmente agua (disolvente barato y completo) con el cual forma solución (un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida). Este proceso implica una difusión molecular a o una transferencia de masa del soluto A a través del gas B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido S, también en reposo. También implica la solubilidad del componente, así como una gran área interfacial gas- liquido.

Un ejemplo es la absorción de amoníaco A del aire B por medio de agua líquida C.

Se le llama empobrecimiento o desorción al proceso inverso de la absorción, en cuanto a que se representa transporte de materia desde la fase a la gaseosa.

Cuando el gas es aire puro y el líquido es agua pura, el proceso se llama deshumidificación, la deshumidificación significa extracción de vapor de agua del aire.

Dado que los efectos térmicos que acompañan a la absorción o a la desorción suelen ser muy pequeños, se supondrá que estas operaciones se verifican isotérmicamente.

La absorción se puede llevar a cabo de dos maneras distintas:

Absorción física: no existe reacción química entre el absorbente y el sucede cuando se utiliza agua o hidrocarburos como disolvente.

Absorción química: se da una reacción química en la fase líquida, lo que ayuda a que aumente la velocidad de la absorción. Es muy útil para transformar los componentes nocivos o peligrosos presentes en el gas de entrada en productos inocuos.

Procesos de absorción

Para el proceso de absorción se utiliza un dispositivo que consiste en una columna cilíndrica, o torre, equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior; una entrada de líquido y un distribuidor en la parte superior; salidas para el gas y el líquido por cabeza y cola, respectivamente y una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que recibe el nombre de relleno de la torre.

La entrada del líquido, que puede ser disolvente puro una disolución diluida del soluto en el disolvente, recibe el nombre de líquido agotado.

Se distribuye sobre la parte superior del relleno mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja uniformemente la superficie del relleno.

El gas que contiene el soluto, o gas rico, entra en el espacio de distribución situado debajo del relleno y asciende a través de los intersticios del relleno en contracorriente con el flujo de líquidos. El relleno proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas, que favorece un íntimo contacto entre las fases.

El soluto contenido en el gas rico es absorbido por el líquido fresco que entra en la torre, y el gas diluido o agotado abandona la torre. El líquido se enriquece en soluto a medida que desciende por la torre y el líquido concentrado sale por el fondo de la torre.

Aplicaciones

El proceso de absorción se emplea para retirar contaminantes de una corriente de producto que pueden afectar a la especificación final grado de pureza. Además la presencia de ciertas sustancias aunque sea en proporciones muy pequeñas puede afectar a las propiedades globales de un producto y puede ser que esto no interese en ningún sentido.

La absorción se emplea sobre todo para retirar los contaminantes gaseosos de una corriente de gas saliente de un proceso como resultado por ejemplo de una combustión.

También se emplea para eliminar olores, humos y otros componentes tóxicos. Se pueden eliminar contaminantes de la corriente producto como: de azufre, sulfuro de hidrógeno, ácido clorhídrico, óxidos de nitrógeno, cloro, dióxido de carbono, amoniaco, dióxido de cloro, ácido fluorhídrico, aminas, mercaptanos, óxido de etileno, alcoholes, fenol, formaldehido, olores, ácido sulfúrico, ácido acético.

Elección del disolvente:

Si el propósito principal de la operación de absorción es producir una solución específica, el disolvente es especificado por la naturaleza del producto. Si el propósito principal es eliminar algún componente del gas, casi siempre existe la posibilidad de elección. Por supuesto, el agua es el disolvente más barato y más completo, pero debe darse considerable importancia a las siguientes propiedades:

1. Solubilidad del gas. La solubilidad del gas debe ser elevada, a fin de aumentar la rapidez de la absorción y disminuir la cantidad requerida de disolvente.

2. Volatilidad. El disolvente debe tener una presión baja de vapor, puesto que el gas saliente en una operación de absorción generalmente está saturado con el disolvente y en consecuencia, puede perderse una gran cantidad.

3. Corrosión. Los materiales de construcción que se necesitan para el equipo no deben ser raros o costosos.

4. Costo. El disolvente debe ser barato, de forma que las pérdidas no sean costosas, y debe obtenerse fácilmente.

5. Viscosidad. Se prefiere la viscosidad baja debido a la rapidez en la absorción, mejores características en la inundación de las torres de absorción, bajas caídas de presión en el bombeo y buenas características de transferencia de calor.

6. Misceláneos. Si es posible, el disolvente no debe ser tóxico, ni inflamable, debe ser estable químicamente y tener un punto bajo de congelamiento.

Columnas de Relleno

Las columnas de relleno son equipos cilíndricos que contienen en su interior un relleno cuyo objetivo es maximizar el área de contacto entre gas y líquido. El líquido se distribuye sobre éstos y escurre hacia abajo a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie en contacto con el gas.

Las torres empacadas tienen eficiencias de premonición de gases más altas que otros equipos manejando caudales de gas residual más a y menor cantidad de líquido de limpieza.

En las torres empacadas la importancia de la distribución inicial de los líquidos es muy grande, pues determina, en cierta medida la eficiencia de la torre, en general se utiliza un número de distribuidores de 5 por 0.1m

Tipos de empaque

3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

Preparar el solvente, el cual es una solución acuosa de NaOH consistente de 1,2 Kg en 40L de agua; tomar una muestra y verificar la concentración de ésta.

En una balanza medir y registrar el peso inicial de CO2 y contenedor; así mismo anotar la presión inicial.

Purgar el líquido que pueda existir en la toma muestra de líquido. Abrir la válvula de flujo de aire y mantener a 6 SCFM; así mismo con el flujo de

NaOH a 80 lb/h. Abrir la válvula de salida del CO2 a 50 SCFH. A partir de la caída de la primera gota, tomar 8 muestras cada 3 minutos; y 6 más

cada 5 minutos, hasta acabar la prueba; al mismo tiempo anotar las demás variables.

Analizar contenido de Na2CO3 y NaOH por titulación volumétrica usando HCl 0.1N.

Gráfico, obtenido de:

http://discoverarmfield.com/es/products/view/uop7/columna-de-absorcion-de-gas

4. MATERIALES Y REACTIVOS USADOS

a. Materiales Vasos de precipitado (para tomar las muestras). Probeta. Medidor de PH Pipeta volumétrica Cronometro. Matraces

b. ReactivosReactivo PropiedadesHCl 0.1N Liquido incoloro claro; de pH acido; soluble en

agua fría, caliente y éter di etílico.NaOH al 4% Liquido inodoro de sabor alcalino y color claro;

fácilmente soluble en agua fría.Dióxido de Carbono Gas ligeramente acido, con peso molecular

igual a 44.01; con peso específico 1.522 (aire=1)

Fenolftaleína Liquido incoloro, con punto de ebullición 64.5°C; gravedad especifica 0.7915 (agua=1); fácilmente soluble en agua fría, caliente, metanol, acetona, soluble en dietileter

Anaranjado de metilo Solido de color anaranjado y olor característico, solubilidad en el agua (5g/L)

5. OBSERVACIONES Se observa que el valor del pH de las muestras no varían demasiado, e incluso

fluctúan a partir del minuto 30. Se observa poca variación en la lectura de la balanza que registra el peso del

Dióxido de carbono. En la preparación de la solución de NaOH, se observa la liberación de calor. Las titulaciones se efectuaron con HCl 0.1 N. Se observa el uso de dos indicadores, para efectuar la titulación volumétrica.

6. DATOS EXPERIMENTALES Y BIBLIOGRÁFICOS

a. Datos experimentalesCO2

t (minutos) NaOH (Lb/h) Aire (S.C.F.M.) lb/in2 S.C.F.H. Kg0 82 6.5 600 50 55.03 80 6.0 600 50 55.06 80 6.0 600 50 55.09 79 5.8 600 50 55.012 80 6.0 600 50 55.015 82 5.8 600 50 54.518 80 6.0 580 50 54.521 80 7.0 580 50 54.524 80 6.0 550 50 54.030 79 6.0 500 50 54.035 80 5.8 500 50 53.540 80 5.7 500 50 53.545 80 6.0 450 50 53.0

50 80 6.0 400 50 53.055 80 6.0 400 50 53.0

Muestra tomada Vol. (mL) HCl (0.1N)

t (minutos) pH Vol. (mL) VF VM0 12.96 3 15.0 16.53 12.95 10 41.1 65.46 12.88 3 11.3 17.99 12.80 3 10.4 17.012 12.78 3 9.6 16.715 12.78 3 8.9 15.418 12.77 3 8.7 15.221 12.74 3 9.1 16.024 12.73 3 9.1 15.430 12.79 3 9.6 15.435 12.78 3 9.9 15.940 12.79 3 9.8 15.445 12.74 3 9.9 15.550 12.75 3 9.8 14.755 12.71 3 8.9 15.0

Temperatura de operación: 20°C

Columna de absorción de 4” de diámetro, relleno de vidrio compuesto por anillos Rasching de vidrio de ½” con altura de 1.2m.

b. Datos bibliográficos:

Compuesto Densidad (Kg/m3)Aire 1.204 a 20°C

Datos de “Mecánica de Fluidos Fundamentos y aplicaciones –Yunus Cengel y Jhon Cimbala; Apéndice 1” Para las relaciones de composición, en las muestras tomadas, se tendrá en cuenta la siguiente tabla

COMPUESTOS EN LA MUESTRA RELACION ENTRE VF Y VMNaOH VF =VMNa2CO3 VF=0.5VMNaHCO3 VF=0; VM>0NaOH; Na2CO3 VF>0.5VMNa2CO3 , NaHCO3 VF<0.5VM

CÁLCULOS Y RESULTADOSa. Evaluar el lujo de aire (Kg/h); Flujo de solución (Kg/h); NaOH en efluente (Kg/L); CO2

absorbido (Kg/L); caída de presión (mm H2O).

a.1. Flujo de Aire(Kg/h)

Flujo de Aire( Kgh )=Flujo de aire (S .C .F .M . ) x ρAire20 °C x0.30483 x60

Ejemplo:

Flujo de aire = 50x1.204x60x0.30483

a.2. Flujo de NaOH (Kg/h)

Flujo de NaOH ( Kgh )=Flujo de NaOH ( lbh ) x 0.4535924Ejemplo:

Flujo de NaOH= 82x0.4535924

a.3. Concentración del CO2 absorbido

[Na2CO3 ]= (VM−VF ) x2 x0.1V (muestra)

(molL

)

[ NaOH ]=(2 xVF−VM )∗0.1V (muestra)

(molL

)

Además por la reacción:

2NaOH+CO2→Na2CO3+H 2O

Se observa que por cada mol de Na2CO3 formado se absorbe un mol de CO2; por lo cual, la concentración en el efluente de Carbonato será iguala a la de Dióxido de carbono absorbido.

Volumen de muestra

Kg/h de Aire

Kg/h de NaOH

NaOH en Efluente (mol/L)

CO2

absorbido (mol/L)

Caída de Presión (atm)

NaOH en efluente (Kg/L)

CO2

absorbido (Kg/mol)

3 13.296 37.19510 12.274 36.287 0.168 0.486 40.8 0.00672 0.0213843 12.274 36.287 0.157 0.440 40.8 0.00628 0.019363 11.865 35.834 0.127 0.440 40.8 0.00508 0.019363 12.274 36.287 0.083 0.473 40.8 0.00332 0.020826673 11.865 37.195 0.080 0.433 40.8 0.0032 0.019066673 12.274 36.287 0.073 0.433 39.5 0.00292 0.019066673 14.319 36.287 0.073 0.460 39.5 0.00292 0.020243 12.274 36.287 0.093 0.420 37.4 0.00372 0.018483 12.274 35.834 0.127 0.387 34.0 0.00508 0.017013333 11.865 36.287 0.130 0.400 34.0 0.0052 0.01763 11.660 36.287 0.140 0.373 34.0 0.0056 0.016426673 12.274 36.287 0.143 0.373 30.6 0.00572 0.016426673 12.274 36.287 0.163 0.327 27.2 0.00652 0.014373333 12.274 36.287 0.093 0.407 27.2 0.00372 0.01789333

b. Calcular la temperatura que puede alcanzar el gas debido a la descompresión, suponiendo que dentro de la botella se encuentra a temperatura ambiente.

μ= 1C p

( 2∗aRT−b)=( dTdp ) ….. Esta ecuación, se cumple si el gas sigue la ecuación de Van Der

Waals

Dónde:

a: 3.640 (bar.L2/mol2)

b: 0.04267(L/mol)

Cp: Calor latente del gas; el cual varía con la temperatura y la presión; sin embargo la variación respecto a la presión es insignificante; y en el rango de trabajo también lo es respecto a la temperatura.

Resolviendo dicha ecuación, obtenemos T=168.81K =-104.34°C, lo cual corresponde a la máxima temperatura que podría bajar dicho gas.

c. Graficar la variación de la cantidad de CO2 absorbido y la caída de presión.

d. Analizar y comparar el contenido de NaOH en la solución inicial y en el efluente tras la absorción.

Tiempo (minutos) NaOH en Efluente (mol/L)03 0.1686 0.1579 0.127

12 0.08315 0.08018 0.07321 0.07324 0.09330 0.12735 0.13040 0.14045 0.14350 0.16355 0.093

La concentración de la solución inicia, fue igual a: 0.450 mol/L

7. CONCLUSIONES Debido a que el efluente de la columna de absorción, llego a tocar la cuchara, las

muestras posiblemente salieron contaminadas, lo cual se refleja en los cálculos realizados, ya que los datos no muestran una tendencia sino que se disparan en cuanto a los valores que se esperaban obtener.

Debido a que la titulación, es medible por el cambio de color de la muestra, ocurre un error debido la percepción de la persona que titula las muestras.

La titulación, se debe procurar realizarse en un ambiente libre de Dióxido de carbono, debido a que este se puede solubilizar en las muestras tomadas.

8. BIBLIOGRAFÍA http://discoverarmfield.com/es/products/view/uop7/columna-de-absorcion-de-

gas http://discoverarmfield.com/es/products/view/uop7/columna-de-absorcion-de-

gas

Operaciones de Transferencia de Masa, Robert E. Treybal, Pág. 307-314.

9. SIMULACIÓN EN HYSYS.Ingresando los datos de composiciones tanto en el líquido como en la corriente de gas de entrada, y también las condiciones de operación.

Se obtienen las siguientes corrientes de salida: