UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICOFACULTAD DE QUÍMICA

LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASAI.Q. Juan Antonio Arzate Salgado

PRACTICA 15Absorción de CO2 en Dietanolamina

GRUPO 75

Diego Espino CastilloMónica Ensastegui Vázquez

Ozmara Angélica Ortiz OrozcoJavier Sánchez Serrano

Víctor Manuel Torres García

23-Nov-10

Practica 15Absorción de CO2 en Dietanolamina

Objetivos

o Operar experimentalmente una torre empacada en un proceso de absorción de un componente gaseoso (CO2) en una fase líquida (Dietanolamina)

o Determinar el número y altura de las unidades de transferencia de masa, así como los coeficientes globales de transferencia de masa.

Introducción

La separación de productos a partir de mezclas de componentes, es una de las operaciones unitarias más comunes en los procesos químicos industriales. Muchas de las operaciones de separación son de tipo difusión al contacto de fase tales como la adsorción y la destilación. Para llevar a cabo estas operaciones se requiere de una columna; la cual contiene dispositivos internos para efectuar el contacto gas-liquido.

Los equipos que se utilizan para promover el contacto de una corriente gaseosa con una líquida de manera continua pueden ser: Una torre empacada, cuyo material de empaque puede ser un sólido regular o irregular; una columna de platos que contenga varios platos perforados o de burbuja y tapón; una torre o cámara vacía, donde se rocía el líquido, una columna de paredes húmedas o un recipiente con agitación o rocío. En estos equipos generalmente, las corrientes de gas y líquido entran a contracorriente a través del equipo para obtener la velocidad máxima de absorción.

Los 3 pasos principales en el diseño de una torre de absorción son:

1. Los datos de relaciones de equilibrio vapor-liquido del sistema se utilizan para determinar: La cantidad de líquido necesaria para absorber la cantidad requerida de los componentes volátiles de un líquido. La cantidad de gas necesaria para separar la cantidad requerida de los componentes volátiles de un líquido.

2. Los datos de la capacidad de manejo de vapor y líquido de un equipo considerado se utilizan para determinar el área de la sección transversal requerida y el diámetro del equipo a través del cual van a fluir las corriente liquida y gaseosa.

3. Los datos de equilibrio y los balances de materia se utilizan para determinar el número de etapas de equilibrio requeridas para la separación.

La velocidad de absorción depende del área de transferencia, como todos los procesos de transferencia de masa, así como del gradiente de concentraciones y del coeficiente de transferencia de masa.

La solubilidad de un gas en un líquido disminuye al aumentar la temperatura; pues es directamente proporcional a la presión parcial del gas sobre el líquido. Si la presión se reduce a la mitad, entonces la solubilidad del gas también se reduce a la mitad lo que produce el escape de éste, del líquido

Material y Equipo

o Torre de absorción empacadao Probeta de 1 litroo Analizador de Gaseso Dietanolaminao Aguao CO2

Diagrama de Equipo

Figura 1. Diagrama DTI de la Torre de Absorción Empacada

Figura 2. Diagrama de la Torre de Absorción Empacada

Metodología

1. Preparar el equipo para iniciar operación (ver manual de operación)

2. Preparar la solución de Dietanolamina con agua al 20%

3. Realizar corridas variando el flujo de la mezcla líquida (agua-Dietanolamina) y manteniendo fijo de fase gaseosa (aire-CO2)

4. En cada una de las corridas registrar las lecturas de los rotámetros que están alimentando el aire y el CO2 para determinar la composición de la mezcla gaseosa.

5. Estabilizar el proceso y registrar temperaturas de fase líquida y composición en CO 2 de la fase gaseosa a la salida de la columna con el analizador de gases

6. Registrar los datos y resultados experimentales

Datos experimentales

Válvula CO2

Flujo de Agua

Flujo de CO2, lb/hr @ 77°F y 7kg/cm2

% Volumen de CO2

Flujo de Aire, lb/hr @ 77°F

Cerrada 2 inHg 0 0 195Abierta 2 inHg 24 7.25 155Abierta 4 inHg 24 7.5 165Abierta 6 inHg 24 7.5 165Abierta 8 inHg 24 7.5 160

Tabla 1. Datos Experimentales

T salidasolución=18 °C

T salidaaire−CO2=16 ° C

Relaciones mol Fracciones MasaX

(mol CO2

mol DEA )Y

(molCO2

molaire )x y

0.1 0.005 0.04021938 0.00074290.2 0.0042 0.07732865 0.006332060.3 0.0159 0.11167513 0.02350813

0.4 0.0535 0.14355628 0.07503530.45 0.0882 0.15865385 0.117987380.5 0.1885 0.17322835 0.2224253

Tabla 2. Curva de Equilibrio CO2-DEA

Componente Peso Molecular, g/gmolDióxido de Carbono, CO2 44

Dietanolamina, DEA 105Aire 29

Tabla 3. Pesos moleculares de los componentes

Memoria de Cálculo

El flujo de los inertes, el aire es:

G'=155lbhr

=0.01953kgs

Para el caudal del líquido inerte:

L2=L'=C0

π D 02

4 √ 2gc (∆ P / ρ )

1− (D0/D2 )4

Donde:L ' = Caudal del Líquido, m3/sC0 = Coeficiente de orificio o coeficiente de descarga para el caudal. Este coeficiente varía de 0.6 a 0.62 para orificios concéntricos y si el Número de Reynolds es mayor de 20 000; en este caso el fluido esta en estado turbulento. Para efectos de la práctica se tomará un valor promedio de 0.61∆ P = Caída de Presión del barómetro mercurio, mmHgD0 = Diámetro de orificio, 0.155 in = 0.003937 mD2 = Diámetro de la tubería, Tamaño Nominal 1”, d interior = 1.049 in = 0.0266446 mgc = aceleración gravitacional, 9.81 m/s2

ρH 2O = densidad del líquido @ 17°C = 998.8 Kg/m3

Para el flujo de 2 inHg:

L2=L'=0.61

π (0.003937 )2

4 √ 2(9.81) (50.8/998.8 )1−(0.003937 /0.0266446 ) 4

=2.73582 e−05m3

s=216.8714

lbhr

=0.027325kgs

Con x A2=0.0

Para G1, se suman los flujos de CO2y aire:

G1=155lbairehr

+24lb deCO2

hr=179

lbhr

=0.022554kgs

La composición y A1:

G´+G ´´=G1

G´ yA+G ´´ yA=G1 yA

G´ (0 )+24lbh

(1 )=179lbh

( yA )yA=0 .134

Para la composición y A2, es necesario obtenerla en fracción en masa:

y A2(mol)=0.0725

y A2=

0.0725molCO2( 44 gC O2

1molCO2)

0.0725mol CO2( 44 gCO2

1molC O2)+ (1−0.0725 )mol aire( 29g aire

1molaire )=0.106

Se obtiene x A1 despejando de la ecuación de operación:

G' ( y A1

1− y A1)+L' ( x A2

1−x A2)=G'( y A2

1− y A2)+L' ( x A1

1−x A1)

0.01953kgs ( 0.134

1−0.134 )+0.027325kgs ( 0

1−0 )=0.01953kgs ( 0.106

1−0.106 )+0.027325kgs ( x A1

1−x A1)

Despejando:

x A1=0.025198

Para las otras corrientes L1 y G2:

L'=L1(1−x A1)

L1=L'

1−x A1

= 0.0273251−0.025198

=0.028031kgs

G'=G2(1− y A2)

G2=0.019531−0.106

=0.02185kgs

Localizando los datos en el diagrama:

Cálculo de Lprom yG prom:

G´=G2(1− yA 2)⇒G2=G´1− yA 2

=0 .019531−0 .106

=0. 021846kgs

L ´=L1 (1−xA1)⇒L1=L´1−xA1

=0. 0272231−0 .02534

=0 .027931kgs

Gprom=G1+G2

2=0 . 022554+0. 021846

2=0 . 02219

kgs

Lprom=L1+L2

2=

0 .027931+0 .02722332

=0 . 0275772kgs

0.106=¿ ¿0.0

¿0.0251980.134=¿

0.02185kgs

=¿ ¿0.0 27325kgs

¿0.028031kgs0.022554

kgs

=¿

T = 17°CP = 558 mmHg

A = CO2

Solución DEA al 20% en masa

DEA/H2O/CO2

Aire/CO2

Aire/CO2

Calculo de coeficiente de difusión de CO2 en DEA:

DCO2−DEA=1 .173×10−6 (ϕ×MB )12TμB ¿V A0 .6

.. .. . .. .. [ 3 ]

ρB=1. 09g

cm3=1090

kg

m3.. . .. [ 1 ]

MB=105. 14kgkmol

.. . .. . [1 ]

μB=431 .32cp=0 . 43132kgm⋅s

.. . .. . [2 ]

ϕ=1 .0 .. .. . .. .. [ 3 ]T=17 °C=290K

V A=4 (0.0148 )+11 (0 . 0037 )+ (0. 0105 )+2 (0 . 0074 )=0 .1252m3

kg⋅molSustituyendo datos en DCO2−DEA , tenemos:

DCO2−DEA=1 .173×10−6 (1 . 0×105 . 14 )12 2980 . 43132×0 .12520 .6 =0 .02813

m2

s

De Tabla A.3.3, pp 955 [3]. Obtenemos el valor del coeficiente de difusión de CO2 en Aire:

DCO2−aire=0.153951×10−4m2

s

μaire=1. 81×10−5kgm⋅s

ρaire=1 .21858kgm3

Calculo de HG:

N SC=μρ×DCO2−aire

=1 . 81×10

−5 kgm⋅s

1 . 21858kgm3 (0 .153951×10−4m

2

s )=0 . 96481

De tabla 10 . 8-1, para anillos Rasching de 1 in, tenemos:α=0 . 557 , β=0 . 32 , γ=−0 . 51HG=α⋅G yβ

Gxγ⋅N

SC0. 5=0 .557Gy0 . 32G x−0. 51

(0 . 964810. 5)=0 .54711Gy0 . 32G x−0 .51 [¿ ]m

Calculo de HL:

N SC=μρ×DCO2−DEA

=0 . 43132

kgm⋅s

1090kgm3 (0 . 028133

m2

s )=0 . 014065

De tabla 10 . 8-2, para anillos Rasching de 1 in, tenemos:θ=2. 35×10−3 , η=0 .22Halignl ¿ L ¿¿

=θ(GxμL )η

NSC0 . 5= (2. 35×10−3) (G x

0 . 43132 )0. 22

(0. 014067 )0.5=3 .35343×10−4Gx0. 22 [¿ ]m ¿

Calculo de k´ya:

k ´ ýa=VHG S

=G1

HGS=

179lbh ( 0 . 45359237 kg

1lb )( 1h3600 s )

0 . 54711Gy0. 32G x−0 . 51

(0 . 023208m2)=1 .7762429G

x0 .51G

y−0. 32 [¿ ] kg

m3⋅s

Calculo de k´xa:

k ´ xa=LH LS

=L2

H LS=

0 .0272233kgs

3. 35343×10−4Gx0. 22

( 0. 023208m2)=3497 . 9514G

x−0. 22 [¿ ] kg

m3⋅s

Utilizando la ecuación de diseño para soluciones concentradas:

Z=H t0GN t 0G

Z= G

K y' a s

∫yA1

yA2 d y A( 1− y A ) ( yA− y A¿ )

(1− y A )¿M

Empleando el método numérico del trapecio:

Z=H t0GN t 0G=G

K y' as [ y A1− yA2

2n ]∑ f ( y A )h

Junto con la curva de equilibrio:

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25f(x) = 0.000190920317643597 exp( 41.3450863134541 x )R² = 0.988821721129306

fracción masa, x

frac

ción

mas

a, y

Se obtiene la siguiente tabla para el flujo de 2 inHg de la disolución DEA:

Puntos n Ya Xa G L Gy Gx ky'a kx'a ya*

P0 0 0.106 0 0.022 0.027 0.938 1.173 1.96675 3377.38415 0.0002

P1 1 0.112 0.0050 0.022 0.027 0.944 1.179 1.96786 3373.63267 0.00021464

P2 2 0.117 0.0101 0.022 0.028 0.950 1.185 1.96897 3369.86634 0.00023036

P3 3 0.123 0.0151 0.022 0.028 0.956 1.191 1.97009 3366.08503 0.00024722

P4 4 0.128 0.0202 0.022 0.028 0.962 1.197 1.97120 3362.28859 0.00026532

P5 5 0.134 0.0252 0.023 0.028 0.968 1.203 1.97232 3358.47463 0.00028476

Promedio Gy

0.953

Tabla 4. Cálculos para 2 inHg

H Ky'a (1-ya) (1-ya)*M (ya-ya*) f(ya) h hf(ya)

0.00281455 1.96674192 0.894 0.9459 0.10580 10.001 1 10.0006562

0.00290585 1.96785453 0.8884 0.9430 0.11139 9.530 2 19.0591463

0.003118596

1.96896835 0.8828 0.9401 0.11697 9.104 2 18.2077281

0.003346917

1.97008345 0.8772 0.9371 0.12255 8.717 2 17.4346508

0.003591955

1.97119977 0.8716 0.9342 0.12813 8.365 2 16.7296731

0.003855014

1.97232034 0.866 0.9313 0.13372 8.042 1 8.04213408

Prom de K'ya

1.96952806 sumatoria 89.4739887

Tabla 5. Cálculos para 2 inHg

Resultados

Nt0G 0.25052717

Ht0G, m 9.49996767

Z, m 2.38

Tabla 6. Resultados para 2 inHg

Se repiten los cálculos para la corrida de ∆ P=¿4 inHg.

G= G'

1− y A[¿ ] kgs

G y=GS

[¿ ]kg

s∗m2

L= L'

1−x A[¿ ] kgs∗m2

Lx=LS

[¿ ]kgs

Donde S es el área de sección transversal = 0.023298 m2

(1− y A )¿M=(1− yA )−(1− y A¿ )

ln( 1− y A1− y A

¿ )Para las composiciones de y A

¿ , se utiliza la regresión de la curva de equilibrio, en este caso

exponencial. Localizando una y A¿ para cada x A respectiva.

k y'a=1.77624229Gx

0.51G y

−0.32 [ ¿ ]( kgm3 s )k x'a=3497.95G x

−0.22 [¿ ]( kgm3 s )K y' a= 1

( 1k y' a )+( Hk x' a )

Resultados

Flujo de agua, Flujo de agua, Flujo del Gas, H t 0G, m N t 0G Z, m

inHg kg /s kg /s

2 0.027325 0.0225549.4999676

70.25052717 2.38

4 0.038644 0.023814 15.09084 0.1577116 2.38Tabla 7. Resultados

Discusión de Resultados

Los cálculos fueron realizados para las primeras dos corridas, en las cuales hubo un cambio en el porcentaje de concentración de CO2

Los resultados muestran que el número de unidades de transferencia para ambas corridas, son menores a la unidad, esto puede deberse a que la curva de equilibrio del sistema es exponencial, y a magnitudes de x entre 0 y 0.055, la fuerza impulsora y-y * es mínima, es decir, no hay cambios de concentración para la fase gaseosa, debido a la resistencia de transferencia de masa del fluido gaseoso.

De modo que, a un número de unidades de transferencia pequeños les corresponden alturas globales grandes para poder conseguir un cambio de concentración igual a la fuerza impulsora promedio existente en la sección empacada.

La tendencia muestra que a mayor sea el flujo del líquido, la altura de las unidades de transferencia serán mayores e inversamente proporcionales al número de unidades de transferencia a fin de lograr una mayor absorción del CO2.

Ahora bien, los resultados podrían haber sido más satisfactorios si se hubiese considerado una reacción química en la fase líquida para lograr una separación más completa de un soluto a partir de una mezcla gaseosa, en este caso de CO2-Aire

Conclusiones

o A mayor flujo de la disolución de DEA, mayor es la absorción del CO2

o Se requieren grandes alturas de unidades de transferencia para lograr la absorción en la sección del empaque.

Bibliografía

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o Treybal, R. E. (1988). Operaciones de Transferencia de Masa. Mexico: McGraw-Hill.o Welty, J. R. (2009). Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer. Wiley

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