PRCTICA N1:

ABSORCIN1 OBJETIVOS1.1. Determinar el coeficiente de transferencia de masa (Kya).

1.2. Determinar la altura de transferencia de masa (HOG)

1.3. Determinar el Nmero de unidades de transferencia (NOG).

1.4. Calcular las corrientes de los fluidos.

2 FUNDAMENTO TEORICO2.1. Absorcin :Es una operacin unitaria ampliamente utilizada en la industria qumica para la purificacin de corrientes gaseosas. En la absorcin, uno o varios de los gases presentes en una corriente gaseosa se disuelven en un lquido llamado absorbente. En la operacin inversa, un gas disuelto en un lquido se remueve de ste poniendo la corriente en contacto con un gas inerte. Esta operacin se llama desorcin.

Los equipos ms empleados son torres cilndricas, que pueden ser:

de relleno o empacadas

de etapas

Las torres de relleno son columnas cilndricas verticales, las cuales estn rellenas con pequeas piezas llamadas empaque. Estas piezas sirven para aumentar el rea de contacto entre la fase gaseosa y la lquida, lo cual facilita la absorcin.

Las torres de etapas son columnas cilndricas que contienen en su interior una serie de platos perforados o con campanas de burbujeo que permiten el contacto ntimo de las fases lquida y gaseosa.

Los residuos que se generan en esta operacin unitaria, son lodos que se sedimentan en el fondo de las torres al paso del tiempo, al igual que lquidos con componentes absorbidos2.2. Difusin entre las fases

Consideremos la absorcin del gas amonaco (sustancia A) de una mezcla aire-amonaco, y como absorbente agua liquida, en una torre empaquetada.

La mezcla gaseosa cambia su composicin desde una alta a una baja concentracin del soluto, a medida que asciende, mientras que el agua absorbe al amonaco y llega a la parte inferior como una solucin acuosa de amonaco. Como el soluto se esta difundiendo de fase gaseosa a fase liquida, habr un gradiente de concentracin en la direccin de la transferencia de masa dentro de cada fase.

La concentracin de A en el cuerpo medio del gas, le asignamos YAG, la fraccin molar en la interfase YAi. En el lquido, la concentracin baja de XAi a XAL. Donde YAG a XAL, no son valores de equilibrio, no pueden utilizarse estas concentraciones directamente con un coeficiente de transferencia de masa para describir el rgimen de transferencia de masa entre las fases y a que las dos concentraciones estn relacionadas de modo distinto con el potencial qumico, que es la real fuerza impulsadora de transferencia de masa.

La necesidad de evaluar la densidad de flujo del soluto, entre la fase gas y la lquida, necesaria para el calculo de aparatos de transmisin de materia y teniendo en cuenta el desconocimiento actual de los mecanismos de transporte turbulento, a llevado a definirla como el cociente entre una fuerza impulsadora y una resistencia a la transferencia. Si se utilizan como fuerzas impulsadotas diferencias de concentraciones entre el seno de una fase y la interfase gas-lquido, se define el coeficiente individual referido a cada fase como la inversa de la resistencia que la fase ofrece a la transferencia de masa.

(1)

(2)

El muestreo y anlisis nos dan YAG y XAL, con la ayuda de la curva de equilibrio (obtenida en funcin de YAi y de XAi, de datos experimentales), podemos encontrar YA* y XA*, utilizando la grfica. En los equipos industriales, la superficie interfacial tiene una geometra muy compleja y de difcil medida. Por esta razn se introduce una nueva variable a, rea interfacial especfica, que se engloba en el coeficiente de transferencia de masa.

(3)

El producto NAa representa una densidad de flujo volumtrica por lo que los coeficientes de transferencia de materia correspondientes se denominan volumtricos.

De la ecuacin (3) para un elemento diferencial de volumen de columna de relleno, se obtiene para disoluciones diluidas:

(4)

Ecuacin que se puede utilizar para el calculo de la altura de una columna, Z, si se conoce la seccin transversal de la misma y los caudales, para alcanzar un determinado grado de separacin, cuando se conozca Kya, o bien para calcular el valor del coeficiente, caso de que se opere en una columna de dimensiones conocidas.

2.3. Coeficientes Globales y individuales de Transferencia de masa

En la prctica los coeficientes individuales de transferencia de masa no son muy tiles ya que requieren el conocimiento de las concentraciones en la interfase de difcil medida experimental, por lo que resulta ms cmodo utilizar los coeficientes globales, que tienen en cuenta la resistencia global que oponen ambas fases a la vez, a la transferencia de materia. Cuando se emplean estos coeficientes globales, la fuerza impulsadora viene dada por la diferencia entre las concentraciones del soluto en el seno de la fase en cuestin y la concentracin de equilibrio en el centro del soluto en la otra fase.

3 MATERIAL Y MTODO3.1. Material de Estudio

3.1.1. Amoniaco

Amonaco, gas de olor picante, incoloro, de frmula NH3, muy soluble en agua. Una disolucin acuosa saturada contiene un 45% en peso de amonaco a 0 C, y un 30% a temperatura ambiente. Disuelto en agua, el amonaco se convierte en hidrxido de amonio, NH4OH, de marcado carcter bsico y similar en su comportamiento qumico a los hidrxidos de los metales alcalinos.

El amonaco era conocido por los antiguos, quienes lo obtuvieron a partir de la sal amnica, producida por destilacin del estircol de camello cerca del templo de Jpiter Amn en Libia (de ah su nombre).

En Europa, durante la edad media, el amonaco se obtena calentando los cuernos y pezuas de bueyes, y se llamaba espritu de cuerno de ciervo. El alquimista alemn Basil Valentine obtuvo el amonaco libre, y, en torno a 1777, el qumico francs Claude L. Berthollet determin su composicin.

En el siglo XIX, la principal fuente de amonaco fue la destilacin de la hulla; era un derivado importante en la fabricacin de los combustibles gaseosos. Hoy, la mayora del amonaco se produce sintticamente a partir de hidrgeno y nitrgeno por el proceso de Haber-Bosch (vase Fritz Haber). El amonaco es un refrigerante importante y se usa mucho en la industria qumica, especialmente en la fabricacin de fertilizantes, cido ntrico y explosivos.

Su punto de fusin es -77,7 C, su punto de ebullicin -33,35 C, y tiene una densidad relativa de 0,68 a su temperatura de ebullicin y a 1 atmsfera (760 mm Hg) de presin3.1.2. Agua

El agua pura es un lquido inodoro e inspido. Tiene un matiz azul, que slo puede detectarse en capas de gran profundidad. A la presin atmosfrica (760 mm de mercurio), el punto de congelacin del agua es de 0 C y su punto de ebullicin de 100 C. El agua alcanza su densidad mxima a una temperatura de 4 C y se expande al congelarse.

Como muchos otros lquidos, el agua puede existir en estado sobre enfriado, es decir, que puede permanecer en estado lquido aunque su temperatura est por debajo de su punto de congelacin; se puede enfriar fcilmente a unos -25 C sin que se congele.

El agua sobre enfriada se puede congelar agitndola, descendiendo ms su temperatura o aadindole un cristal u otra partcula de hielo. Sus propiedades fsicas se utilizan como patrones para definir, por ejemplo, escalas de temperatura.

Enlaces de hidrgeno en el agua Los enlaces de hidrgeno son enlaces qumicos que se forman entre molculas que contienen un tomo de hidrgeno unido a un tomo muy electronegativo (un tomo que atrae electrones). Debido a que el tomo electronegativo atrae el par de electrones del enlace, la molcula se polariza. Los enlaces de hidrgeno se forman debido a que los extremos o polos negativos de las molculas son atrados por los polos positivos de otras, y viceversa. Estos enlaces son los responsables de los altos puntos de congelacin y ebullicin del agua.

El agua es uno de los agentes ionizantes ms conocidos (vase Ionizacin). Puesto que todas las sustancias son de alguna manera solubles en agua, se le conoce frecuentemente como el disolvente universal. El agua combina con ciertas sales para formar hidratos, reacciona con los xidos de los metales formando cidos (vase cidos y bases) y acta como catalizador en muchas reacciones qumicas importantes.3.2. Descripcin del Modulo

Es una columna que tiene 10 cm de dimetro y 1.33 m de altura.

Consta de 9 platos perforados con orificios de 3 mm de dimetro conteniendo 57 orificios por plato.

El espaciamiento entre plato y plato es de 6 pulgadas.

La torre tiene un rotmetro para medir un flujo de agua en gal/min y un orificio con manmetro para determinar el flujo de la mezcla gaseosa por medio de un orificio de D0 = y Di = 3/8.

La fase liquida, el agua pura, regulado su caudal, ingresa a la columna por un distribuidor tipo ducha que permite un perfecto mojado del relleno.

3.3. Proceso Experimental

Preparar 2 litros de HCl de 0.1 N.

Encender el compresor y dejar transcurrir 10 minutos hasta que la presin obtenga su valor deseado.

Verificar que todas las vlvulas estn cerradas.

Abrir la vlvula de aire y graduar a los siguientes valores de R: 2, 4, 5 y 8 mm Hg

Abrir la vlvula de agua de acuerdo a los siguientes valores 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 gal/min.

Establecidos los flujos de aire y de agua de acuerdo a los valores anteriores, abrir la vlvula de ingreso de la solucin de amoniaco con un cuenta gotas con los siguientes valores 40, 55, 70 y 80 gotas.

Esperar 3 minutos hasta estabilizar los flujos y tomar muestras de 50 mL de solucin amoniacal.

Repetir el experimento para las corridas antes mencionadas3.4. Mtodo

3.4.1. Flujo molar del Aire libre de soluto.

........(5)

.. (6)

. (7)

Donde:

u : Velocidad cinemtica del aire (m/s)

Densidad del agua (Kg/m3)

Densidad del aire (Kg/m3)

A2: rea de la seccin transversal por donde fluye el aire (m2)

c0 = 0.62; = (1/4)/(3/8) = 0.667

Q: Caudal del aire (m3/s)

3.4.2. Coeficiente de Transferencia de Masa.

. (4)

.. (8)

(9)

Donde:

Gs : Flujo del aire libre de soluto (Kmol/h)

Kya : Coeficiente de Transferencia de masa (Kmol/h.m3.atm)

P : Presin del sistema (atm)

k : Conductividad Trmica del gas (mol-Kg/h.m2.atm)

NOG : Numero total de unidades de transferencia fase gas.

HOG : Altura total de la unidad de transferencia (m).

: se obtiene por medio de una integracin grafica4 RESULTADOSDatos: Condiciones de Operacin

P = 1 atm

T = 20 C

Tabla N 1: Datos experimentales

Experi.Agua

(gal/min)Aire

R (cm)NH3(gotas/min)Volumen de muestra (mL)VHCl(mL)

10.1240504.1

20.2455504.3

30.25660504.5

40.275870505.1

Fuente: Equipo de absorcin.Tabla N 2: Resultados de los Flujos de Agua y Aire libre de solutoNP

(Kg/m2)u

(m/s) Q

(m3/s)Gs

(Kmol Aire/h)Ls

(Kmol Agua/h)

119.94012.4333.938 E-40.059231.262

239.88017.5825.568 E-40.083842.523

359.81921.5346.820 E-40.103003.154

479.75924.8657.875 E-40.119003.470

Fuente: Tabla N1, Condiciones de Operacin

Tabla N 3: Resultados de las variables para el clculo de los objetivos.

NX2

(Kmol NH3/Kmol agua)X1

(Kmol NH3/Kmol agua)Y1

(Kmol NH3/Kmol aire)Y2

(Kmol NH3/Kmol aire)

107.38 E-43.215 E-20.016430

207.74 E-43.123 E-20.007938

308.10 E-42.773 E-20.002927

409.18 E-42.800 E-20.001231

Fuente: Tabla N1, Tabla N2, Condiciones de OperacinTabla N4: Resultados de los objetivos

NNOGHOG(m)KGa

(Kmol/m3.h.atm)

10.67681.1266.4880

21.40560.54219.081

32.48630.30741.385

44.65310.16489.504

Fuente: Tabla N1, Tabla N2, Tabla N3, Graficas, Condiciones de Operacin5 DISCUSIN

El coeficiente de transferencia de masa, aumenta debido a que el caudal del agua a la entrada de la columna se incrementa y a la vez el amoniaco tiene una alta solubilidad en el agua.

La altura de transferencia de masa disminuye debido a que el nmero de unidades de transferencia ha ido aumentando, y este a influenciado por la lnea de operacin cuyas pendientes ha ido aumentando (Ls/Gs).

El numero de unidades de transferencia aumenta, debido a que el flujo de agua en cada punto se hace ms mayor al flujo del gas (Ls/Gs), cuya influencia es en la lnea de operacin que describe; como el amoniaco se transporta en el agua a travs de toda la altura de relleno.

Las corrientes que intervienen en el proceso de absorcin (corrientes libre de soluto), observamos que tanto el flujo del gas como el flujo del lquido aumentan, pero el flujo del lquido aumenta en una mayor cantidad que el flujo del gas por eso la pendiente de la lnea de operacin aumenta (Ls/Gs).

6 CONCLUSIN

La absorcin del gas amoniaco en el lquido, es funcin de la naturaleza de ambos componentes, de la temperatura, de la concentracin del gas en la gaseosa.

La altura de transferencia de masa disminuye a cusa de los flujos de entrada del gas y del liquido libre de soluto, es decir aumenta la pendiente Ls/Gs.

El numero de unidades de transferencia es lo inverso que la altura de unidades de transferencia al aumentar la pendiente Ls/Gs , este tambin aumenta.

Si la pendiente Ls/Gs aumenta, se obtiene una mejor absorcin, es decir el flujo del liquido debe ser mucho mayor que el flujo del gas.

7 RECOMENDACIONES

Al momento de contar las gotas de solucin de amoniaco no distraerse porque puede producirse errores en los clculos.

Estar atento a como maniobrar los medidores de los flujos de entrada del agua y del aire.

8 BIBLIOGRAFIA

Alan S. Foust y Otros, Principios de Operaciones Unitarias, Editorial Continental, S. A. Mxico 1974. (Pagina: 388-405)

Biblioteca de Consulta Microsoft Encarta 2005. 1993-2004 Microsoft Corporation. Christie J. Geankoplis, Proceso De Transporte y Operaciones Unitarias, Tercera Edicin, Editorial Continental, S. A. Mxico 1998. Ocon & Tojo, Problemas De Ingeniera Qumica, Tomo II, Ediciones Aguilar, Madrid 1980.

9 APENDICE

a. Flujo molar del agua libre de soluto (Ls) para LR = 0.1 gal/minLs (Kmol/h) =

Ls = 1.262 Kmol/h

b. Flujo molar del aire libre de soluto (Gs) para R = 2 cm

= 19.940 Kg/m2

Donde: a 20 C

998.2 Kg/m3

1.213 Kg/m3 R = 2 E-2 m

= 12.433 m/s

Donde: c0 = 0.62 ; = 0.667 ; gc = 9.81

= 3.167 E-5 m2Donde: d = 6.35 E-3 m

= 3.938 E-4 m3/s

Entonces

Gs =

Gs = 5.923 E-2 Kmol/h

Relaciones molares

Calculando X1:

, ,

Entonces

= 0.03485 g NH3

Como la mezcla es muy diluida el volumen de la solucin ser igual al volumen del agua.

= 7.38 E-4 Kmol NH3/Kmol H2O

Calculando Y1:La solucin tiene una concentracin de 30% NH3, cuya densidad es 0.899 g/mL. Para 40 gotas de solucin de amoniaco

= 3.215 E-2 Kmol NH3/Kmol Aire

Calculando Y2:

B/P (NH3):

Pero X2 = 0 (agua pura), despejando Y2:

c. Calculo del NOGDatos de equilibrio para el sistema amoniaco-aire-agua a @ 25 C y 1 atm.

X00.02100.03200.04200.05300.0800

Y00.01640.02420.03490.04450.0722

De estos datos determinamos una ecuacin polinmica de la curva de equilibrio con ayuda del polymath, para obtener puntos ms pequeos

X02.0 E-44.0 E-46.0 E-48.0 E-410.0 E-4

Y01.25 E-42.68 E-44.12 E-45.55 E-46.99 E-4

De la Grafica N 1 (Y vs X) obtenemos

YY*1/(Y-Y*)

0.016430.0000360.9756098

0.018560680.0001084754.1940461

0.020691350.0001868648.7698028

0.022822030.0002651944.3324531

0.023887370.0003043342.4033585

0.024952710.0003434640.6351219

0.026018050.0003825639.0084291

0.027083390.0004216537.5069388

0.028148720.0004607336.116732

0.029214060.0004997834.8258792

0.03027940.0005388333.6240971

0.031344740.0005778532.5024743

0.03215440.000607531.6988389

Con ayuda del polymath hacemos una integracin grafica de 1/(Y-Y*) vs Y, y obtenemos:

= 0.6768

d. Calculo del HOGSe conoce Z = 30 pulg = 0.762 m.

= 1.126 m

e. Coeficiente de transferencia de masa (KGa)Si: Area transversal = 8.107 E-3 m2

KGa = 6.488 Kmol/m3.atm.h

EMBED Equation.3

_1218901720.unknown

_1218902109.unknown

_1218902113.unknown

_1218902115.unknown

_1218902116.unknown

_1218902114.unknown

_1218902111.unknown

_1218902112.unknown

_1218902110.unknown

_1218902105.unknown

_1218902107.unknown

_1218902108.unknown

_1218902106.unknown

_1218902103.unknown

_1218902104.unknown

_1218902101.unknown

_1218902102.unknown

_1218902099.unknown

_1218902100.unknown

_1218902098.unknown

_1193077153.unknown

_1193083260.unknown

_1193085683.unknown

_1193086436.unknown

_1193093138.unknown

_1193091687.unknown

_1193086108.unknown

_1193083900.unknown

_1193083981.unknown

_1193083549.unknown

_1193078204.unknown

_1193082693.unknown

_1193077199.unknown

_1193078003.unknown

_1193048994.unknown

_1193050130.unknown

_1193052432.unknown

_1193052593.unknown

_1193050080.unknown

_1193048817.unknown

_1193048965.unknown

_1193047185.unknown

_1189457780.unknown