I OBJETIVOS

Realizar la operación de columnas de absorción en platos perforados.

Evaluar la absorción isotérmica del amoniaco hacia una corriente de agua líquida.

Determinar el número de platos ideales de la columna.

II FUNDAMENTO TEÓRICO

ABSORCIÓN EN TORRES EMPACADAS Y DE PLATOS

La absorción es un proceso de transferencia de masa un soluto vapor A en la mezcla de gases es absorbido por medio de un líquido en la cual el soluto es mas o menos soluble. La mezcla gaseosa consiste casi siempre de un gas inerte y el soluto. El líquido es también casi inmiscible en la fase gaseosa; esto es, su vaporización en la fase gaseosa es poco considerable. Un ejemplo típico es la absorción en agua del soluto amoniaco de una mezcla aire-amoniaco. Posteriormente el soluto se recupera de la solución mediante destilación.

Plato Perforado

En la absorción de gas y en la destilación se utiliza esencialmente el mismo tipo de plato perforado. En éste el vapor burbujea hacia arriba por los hoyos sencillos del plato a través del líquido que fluye. Los hoyos tienen tamaños que fluctúan entre los 3 y 12 mm de diámetro, y es el de 5 mm un tamaño común. El área de vapor de los hoyos varía entre el 5 y el 15 % del área del plato. El líquido se conserva sobre la superficie del plato y no puede fluir de nuevo hacia abajo por los hoyos por que se lo impide la energía cinética del gas o vapor. La profundidad del líquido sobre el plato se mantiene por medio de un vertedero de salida con sobre flujo. El líquido de sobre flujo sobre la canilla inferior hacia el siguiente plato, inferior.

(Geankoplis-1999)

Detalle de una torre de plato perforado

LEY DE HENRY

La relación de equilibrio establecida para un gas que se absorbe sobre un determinado líquido a cierta temperatura, queda definida por la Ley de Henry , de uso común para absorciones relativamente diluidas, definida por la siguiente expresión:

Donde:

PA : Presión parcial del gas A, en la fase gaseosa (atm)xA : fracción molar del gas A, disuelto en la fase líquidaHA : Constante de Henry (atm) = (atm/f.molar)

Para el caso de la absorción del amoniaco en agua, se tiene la siguiente relación de la constante de Henry, en función a la temperatura (ºC) :

La resolución del balance de materia y la determinación del nº de platos ideales en el equipo, requiere previamente construir el diagrama de relación composicional de equilibrio o la curva de absorción isotérmica. La relación de composición molar en la fase líquida y gaseosa respectivamente son :

Fuente: Guía de prácticas del Ing. A. Arias J, 2005.

ELECCIÓN DEL DISOLVENTE PARA LA ABSORCIÓN

Si el propósito principal de la operación de absorción es producir una solución especifica (como ocurre, por ejemplo, en la fabricación de ácido clorhídrico), 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 absorción y disminuir la cantidad requerida de disolvente. En general los disolventes de naturaleza química similar a la del soluto que se va ha absorber proporcionan una buena solubilidad

2. volatilidad . El disolvente debe tener una presión baja de vapor, puesto que el gas saliente en una operación de absorción generalmente esta saturado y en consecuencia puede perderse una gran cantidad si es necesario puede utilizarse un liquido menos volátil para recuperar la parte evaporada del primer disolvente

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

4. Viscosidad . Se prefiere la viscosidad baja debido a la rapidez de 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.

OPERACIÓN A CONTRACORRIENTE EN VARIAS ETAPAS

Las torres de platos y arreglos similares proporcionan paso a paso el contacto líquido y el gas; por lo tanto son cascadas a contracorriente en varias etapas. Por ejemplo en cada plato de una columna, el gas y el líquido se ponen en contacto íntimo y se separan; por l tanto, el plato constituye una etapa. No obstante conviene utilizar el último plato como estándar arbitrario, para el diseño y la medición del funcionamiento de los paltos reales, independientemente del método de operación. Con esté propósito un plato teórico o ideal se define como aquel en que la composición promedio de todo el gas que abandona el plato esta en equilibrio con la composición promedio de todo el líquido que abandona el plato.

E l número de etapas ideales que se necesitan para lograr determinado cambio en la composición del líquido o del gas tanto para absorbedores como desorbedores, puede determinarse gráficamente.

Fuente: R. Treybal, 1988

ABSORCIÓN ISOTÉRMICA

Consideraciones Operativas:

Absorción a temperatura constante (isotérmica). Se va ha evaluar la operación continua en columnas Contacto múltiple en contracorriente Manejo de platos como unidades de transferencia masa. Absorción de un solo componente Se desprecia la solubilidad del gas portante sobre el líquido utilizado en la

columna. Se desprecia la evaporación del líquido hacia la corriente gaseosa. Conducta del gas (aire y amoniaco), aproximado a la conducta de los gases

ideales. Agua suministrada a la columna libre de amoniaco (xA=0.0). Solución acuosa amoniacal no muy concentrada (puede usarse la constante

de Henry).

La manifestación exotérmica despreciable, tal que nos permite considerar la operación a temperatura constante.

Esquema de Columna de absorción de amoníaco

III PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Etapas del procedimiento experimental:

1. efectuar las instalaciones pertinentes de la columna de absorción (según esquema), tales como rotámetros, suministros de agua, aire comprimido y amoniaco, evitar fugas. (seguir las instrucciones del profesor, mantener ventilado la zona de trabajo al manipular el amoniaco gas)

2. Inyectar agua líquida y aire comprimido hacia la columna, lograr la estabilización operativa de los paltos por el nivel de borboteo desarrollado sobre cada uno de ellos. Reportar la temperatura y los respectivos caudales.

3. Abrir la válvula del balón de gas amoniaco e inyector hacia la columna a un caudal de unos 300 a 400 L/h, registrado en el respectivo rotámetro, esperar la estabilización de la columna (unos 5 min.).

4. Recoger las muestras de líquido procedentes de cada plato sobre los frasquitos porta muestras codificados y cerrados herméticamente (repetir las tomas de muestra, para la elevación por duplicado)

5. Concluida las tomas de muestra cerrar la inyección de amoniaco, luego de unos minutos suspender el flujo de aire y agua hacia la columna.

6. proceder con el análisis de las muestras líquidas.

Análisis de muestras

Cada una de las muestras líquidas se somete a valoración por titulación, con la finalidad de determinar la concentración molar del amoniaco, para lo cual se recomienda:

1. Medir unos 10mL de la muestra líquida, utilizando una probeta pequeña (evite usar pipetas, ya que la solución provoca la deserción del amoniaco y por ende la alteración del resultado).

2. Verter la muestra sobre un matraz, añadir inmediatamente unos 30 mL de agua destilada, unas gotas de indicador fenolftaleina y agitar bien.

3. Proceder al titulación con ácido clorhídrico (previamente valorada y cargada en la bureta).Registrar el volumen de gasto del titulante en el punto de viraje del color de la solución.

4. Repetir la valoración en cada muestra líquida codificada.

Determinar la fracción molar de amoniaco en cada muestra líquida, a partir de su respectiva concentración determinada por titulación: CA (mol/L). Para soluciones acuosas y diluidas de amoniaco, se puede usar la siguiente expresión de conversión:

X = 0.018 CA

Cálculos básicos:

Determinación del flujo molar de líquido suministrado : L1

Deter. del flujo molar de la mezcla gaseosa suministrado al absorbedor: G1

IV DATOS EXPERIMENTALES

CUADRO Nº 01: DATOS EXPERIMENTALES

T ambiental Tw22ºC 18ºC

Titulante HCI Muestra NaOH

Valor en la etiqueta de la fiola. Titulante

Titulante para la titulación Volumen gastado de HCl en la valoración con NaOH

V1 = 17.8 mLV2 = 18.3 mL

Aire Agua Amoniaco30(L/h) 45(L/h) 400(L/h)

= (HCl)

Volúmenes gastados en la titulación de las muestras en cada plato

V CÁLCULOS

Según la ley de Henry:

………………………………………………………………………………(1)

Constante de Henry (H):

T = 22 ºC

H = 0.784 Atm/F.molar…………………………………………………………(2)

Reemplazando se tiene:

……………………………………………………………………………(3)

Tabulando xA, yA, XA, YA se tieneyA xA XA YA

0.000 0 0 00.018 0.032 0.033 0.0180.028 0.050 0.053 0.029

Curvas de absorción isotérica

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0 0.05 0.1 0.15 0.2

X(moles soluto/moles de líquido portante)

Y(m

oles

sol

uto/

mol

es d

e ga

s po

rtant

e)

0.038 0.068 0.073 0.0400.048 0.086 0.094 0.0500.058 0.104 0.115 0.0620.068 0.121 0.138 0.0730.078 0.139 0.162 0.0850.088 0.157 0.186 0.096

Ecuaciones de calibración de caudal

Determinación del Caudal de Agua:

………………………...…………..………(4)

…………………………………………………………….

Reemplazando en (4) :

Determinación del caudal de Aire:

Calculo reflujo molar y

Determinación de

= + = +

=146.92

Determinación del flujo molar de Agua a la entrada:

…………………………………………………………(6)

TL =18ºC

Reemplazando datos:

Determinación de ; en la mezcla :

= =0.08111

= =0.08826

Determinación de ; ; en cada plato

muestra de - agua

Cuadro nº 2: Determinación de x2, X2

Balance de materia del amoníaco en el plato 6:

PLATO Gasto HCl C NH3 x2 X2

1 0.1 0.0025 0.000045 4.5002E-052 0.1 0.0025 0.000045 4.5002E-053 0.2 0.005 0.00009 9.0008E-054 1.2 0.03 0.00054 0.000540295 3.3 0.0825 0.001485 0.001487216 11.06 0.2765 0.004977 0.00500189

Balance de materia del líquido portante

VI RESULTADOS EXPERIMENTALES

Entrada Salida =146.92

%nºNH3 absorbido:

%nºNH3=

%nºNH3= Absorbido

Gráfica de equilibrio para determinar el nº platos ideales

Puntos de línea de operación:( ; Y1), (0.004977; 0.088)(X1 ; Y2), (0.0; 0.0316)

De la gráfica se determinó una etapa (aprox.); por lo tanto podemos deducir la eficiencia total de los platos:

%n = %n = 16%

Aclaración: Por más escala que se le pueda dar a la grafica el número de platos no varía. Pero realizando la práctica con menos errores se debió obtener aproximadamente 3 a 4 platos, para ello se requiere obtener un mayor a 0.0049.

VII CONCLUSIONES Y DISCUSIONES

7.1. Conclusión:

Se logró realizar la práctica de absorción isotérmica del amoniaco en agua utilizando platos perforados.

Se determinó experimentalmente una sola etapa de absorción en el sistema NH3-H20.

7.2. Discusión:

Según Treybal se demuestra que es conveniente utilizar 6 platos reales como lo esta diseñado la columna de absorción de amoniaco- agua.

El 64% obtenido representa una absorción considerable ya que se trabajó con algunas deficiencias tanto en el monitoreo de los caudales y como también en la titulación de las muestra liquida del amoniaco .Por otro lado nuestra principal problema que observamos fue en la obtención de los platos ideales ya que sólo se determinó una sola etapa de la cual podemos decir que la eficiencia total de los platos representa un 16%.

VIII RECOMENDACIONES

Se recomienda que el patrón de titulante NaOH sea valorado con un patrón estándar para así obtener datos mas exactos, también se recomienda que la titilación se realice de una manera inmediata evitando el aumento en su temperatura que provoca la desorción del amoniaco.

De igual manera se debe agregar agua siempre a la muestra para realizar la titilación y evitar su desorción.

IX CUESTIONARIO

Presentar un esquema del equipo de absorción, utilizado en la práctica. Incluir líneas de corrección y/o otros que estime conveniente.

X BIBLIOGRAFIA

R. Treybal, 1988. Operaciones de Transferencia de Masa, 2/e. Editorial McGRAW-HILL. México.

Geankoplis,1999. Proceso de transporte y Operaciones Unitarias, 3/e. Editorial CECSA-México.

Guía de prácticas del Ing. A. Arias J, 2005-UNSCH.