INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

LABORATORIO DE OPERACIONES DE SEPARACION II

GRUPO: 7IM3

PROFESORA:

ANGELICA OROPEZA

ALUMNO:

CORONA GONZÁLEZ GABRIELA ITZEL

24-10-2012

ABSORCION EN UNA COLUMNA EMPACADA

OBJETIVOS:

Conocer el funcionamiento de una torre de absorción empacada para un sistema de amoniaco-aire-agua.

Desarrollar el balance de materia para comprobar el régimen permanente durante la operación del equipo.

INTRODUCCION:

Absorción es la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido 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 turbulenta o una transferencia de masa del soluto A través del gas B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en reposo. Un ejemplo es la absorción de amoníaco A del aire B por medio de agua líquida C. Al proceso inverso de la absorción se le llama empobrecimiento o desabsorción; 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.

La desorción es la operación contraria a la absorción es la operación unitaria contraria en la cual un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte siendo eliminado del líquido.

Torres empacadas (o de relleno)

Las torres empacadas, o torres de relleno, utilizadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son columnas verticales que se han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande. El líquido se distribuye sobre éstos y escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas.

Empaque

El empaque (llamado relleno en España) de la torre debe ofrecer las siguientes características:

1. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas. La superficie del empaque por unidad de volumen de espacio empacado am debe ser grande, pero no en el sentido microscópico.

2. Poseer las características deseables del flujo de fluidos. Esto generalmente significa que el volumen fraccionario vacío, o fracción de espacio vacío, en el lecho empacado debe ser grande. El empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas secciones transversales de la torre, sin recargo o inundación; debe ser baja la caída de presión del gas.

3. Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando.

4. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación.

5. Tener bajo precio.

Los empaques son principalmente de dos tipos, aleatorios y regulares.

Soportes de empaque

Es necesario un espacio abierto en el fondo de la torre, para asegurar la buena distribución del gas en el empaque. En consecuencia, el empaque debe quedar soportado sobre el espacio abierto. Por supuesto, el soporte debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso de una altura razonable de empaque; debe tener un área libre suficientemente amplia para permitir el flujo del líquido y del gas con un mínimo de restricción. Se prefieren los soportes especialmente diseñados que proporcionan paso separado para el gas y el líquido. Su área libre para el flujo es del orden del 85%; puede fabricarse en diferentes modificaciones y diferentes materiales, inclusive en metales, metales expandidos, cerámica y plásticos.

Cuerpo de la torre

Esta puede ser de madera, metal, porcelana química, ladrillo a prueba de ácidos, vidrio, plástico, metal cubierto de plástico o vidrio, u otro material, según las condiciones de corrosión. Para facilitar su construcción y aumentar su resistencia, generalmente son circulares en la sección transversal.

Absorción con reacción química

Muchos procesos industriales de absorción van acompañados de una reacción química. Es especialmente común la reacción en el líquido del componente absorbido y de un reactivo en el líquido absorbente. Algunas veces, tanto el reactivo como el producto de la reacción son solubles, como en la absorción del dióxido de carbono en una solución acuosa de etanolaminas u otras soluciones alcalinas. Por el contrario, los gases de las calderas que contienen dióxido de azufre pueden ponerse en contacto con lechadas de piedra caliza en agua, para formar sulfito de calcio insoluble. La reacción entre el soluto absorbido y un reactivo produce dos hechos favorables a la rapidez de absorción: (1) la destrucción del soluto absorbido al formar un compuesto reduce la presión parcial en el equilibrio del soluto y, en consecuencia, aumenta la diferencia de

concentración entre el gas y la interfase; aumenta también la rapidez de absorción; (2) el coeficiente de transferencia de masa de la fase líquida aumenta en magnitud, lo cual también contribuye a incrementar la rapidez de absorción. Estos efectos se han analizado bastante desde el punto de vista teórico, pero se han verificado experimentalmente poco.

EQUIPO:

Sistema de una Torre de absorción empacada Compresor de amoniaco

SOLUCIONES:

Fenolftaleína Agua Acido clorhídrico 0.9256N Hidróxido de sodio 0.89M

SECUENCIA DE CALCULOS:

C (g NH3

100g H 2O)

0.105 0.244 0.32 0.38 0.576 0.751 1.02 1.31

P NH 3

(mmhg)

0.791 1.83 2.41 2.89 4.41 5.80 7.96 10.31

C (g NH3

100g H 2O)

1.53 1.71 1.98 2.11 2.58 2.75 3.0

P NH 3

(mmhg)

11.91 13.46 15.75 16.94 20.86 22.38 23.5

Y NH3=

P NH 3

585−P NH 3

X NH3=

(C )(18)(100 )(17)

X NH30.0011 0.0026 0.0034 0.0040 0.0061 0.008 0.011 0.014

Y NH30.0014 0.0031 0.0041 0.005 0.008 0.01 0.014 0.018

X NH30.016 0.018 0.021 0.022 0.027 0.029 0.032

Y NH30.021 0.024 0.028 0.03 0.037 0.040 0.042

Ya

0.00000 0.00500 0.01000 0.01500 0.02000 0.02500 0.03000 0.035000.00000

0.00500

0.01000

0.01500

0.02000

0.02500

0.03000

0.03500

0.04000

0.04500

Diseño mecánico de la columna de absorción

1.- Definir la relación molar en la alimentación YA1

YA1=0.01

2.- Definir el porciento de absorción %ABS

%ABS=90

3.- Calcular el valor de YA2

Xa

YA2=YA1∗(1−%ABS100 )=0.01(1− 90

100)

YA2=0.001

4.- Calculo del valor de ( LsGs )min

( LsGs )min=YA1−YA2

XA1MAX−XA2

( LsGs )min=0.01−0.0010.008−0

=1.125

XA1MAX=0.008→VALOR DEGRAFICA

5.- Calculo del flujo molar del inerte (Aire)Gs

5.1 Calculo del flujo volumétrico del aire

ECUACION DE CALIBRACION DE LA PLACA DE ORIFICIO

Qaire=104√ ∆ H 0

δ aire En donde:

Qaire =¿

min , ∆ H 0=¿ cmde H 2O , δ H 2O= gr¿

5.1.1 Definir ∆ H 0

∆ H 0=50cmde H 2O

5.1.2 Calcular δ aire [ PV=nRT ]m

δ aire=mv=

P∗PMR∗T

=(0.818atm )(28.966)(0.08205 )(298.15)

=0.9686

Qaire=104√ 500.9686

=747.216 ¿min

5.2 Calculo del flujo molar GS

Gs=Qaire∗δ aire

PM=

(747.216∗0.9686)28.96

=24.991molmin

6.- Calculo del flujo del absorbente (Agua)

6.1 Calculo del flujo minimo Lsmin

Lsmin=( LsGs )min∗Gs=1.125∗24.991=28.115 molmin

6.2 Fijar un porciento de exceso sobre Lsmin

%Exc= 70

6.3 Calcular el flujo de operación Lsop

Lsop=Lsmin∗(1+%Exc100 )=28.115∗(1+ 70100 )=47.796 ¿

mol

6.4 Lsop [ ¿ ] Flujomolar→Lsop [¿ ] ¿min

47.796

¿mol

∗1

55.44mol¿

Lsop [ ¿ ] 0.8625 ¿min

6.5 Calculo del porciento del rotámetro

Calibración del rotámetro

2.1 ¿min

→100%

0.8621→X

X= 41.05

7.- Calculo del flujo del soluto (amoniaco) GA1

GA1=YA1∗Gs

GA1=(0.01 ) (24.991 )=0.2499molmin

7.1 Ecuación de calibración del rotámetro

QNH3=41∗√ Pf

Tf {QNH 3

[¿ ] ¿min

Pf [¿ ]mmHgTf [¿ ] K

QNH3=41∗√ 585mmHg

298.15K=57.4307 ¿

min

7.2 Calculo de QNH3 a condiciones estándar QNH3

STD

QNH3

STD {PSTD=760mmHgT STD=21.4 °C

QNH3

STD=41∗√ PSTD

T STD

QNH3

STD=41∗√ 760mmHg294.55K

=¿¿

QNH3

STD=65.8584 ¿min

7.3 Corrección a condiciones de operación

7.3.1 Fijar la presión en la línea de amoniaco en el punto anterior a la entrada del Rotametro

Pman=1 kgfcm2

7.3.2 Calcular la presión de operación

POP=Pman+Patm

POP=1 kgf

cm2+0.79 kgf

cm2=1.79 kgf

cm2=1.7328atm

7.3.4 Considerar T OP=25 °C

7.3.5 QNH3

OP POP

TOP =QNH3

STD PSTD

T STD

QNH3

OP =

65.8584∗1 kgf

cm2

294.55K∗298.15

1.79

QNH3

OP =37.2421 ¿min

7.4 Convertir GA1 [¿ ] Flujomolar→GA1 [¿ ] ¿min

ρNH3{PV =nRT }{P=POP

T=T OP

ρNH3=

1.7328atm (17)(0.08206 )(298.15K )

ρNH3=1.204 g

¿

GA1=0.2499molmin

∗17

gmol

∗1

1.204g¿

=3.54 ¿min

7.5 Alimentación con el rotámetro

Para la titulación se llevo a cabo el siguiente desarrollo:

Cuando en la operación de la columna de absorción empacada alcanza el régimen permanente se realiza lo siguiente para conocer la concentración de amoniaco y así obtener el valor de XA1 y realizar el cálculo de los coeficientes.

PARA LA MUESTRA PROBLEMA:

1. Tomar la muestra de 15 ml del tanque de que contiene el NH4OH y colocarla en un matraz erlenmeyer.

2. Al matraz que contiene la muestra agregar 15 ml de HCL de concentración conocida.

3. Agregar 3 gotas de FENOLFTALEINA como indicador.4. Titular la muestra preparada con NaOH de concentración conocida y

obtener el volumen gastado.5. Realizar este procedimiento por triplicado y obtener un promedio del

volumen gastado de NaOH.

PARA EL TESTIGO:

i. Tomar una muestra de 15 ml del tanque de agua.ii. Vaciar en un matraz erlenmeyer y agregar 15 ml de HCL de concentración

conocida.iii. Agregar FENOLFTALEINA como indicador y titular con NaOH.

iv. Anotar el volumen gastado de NaOH.

VOL. NaOH muestra problema. (ml)

VOL. NaOH testigo.(ml) VOLUMEN PROMEDIO.(ml)

10.7 14.3 M. PROBLEMA= 10.73

10.8

10.7

CALCULO DE COEFICIENTES:

Con los datos obtenidos mediante la titulación calcular los valores de XA1 y después con los resultados obtenidos en el balance de materia obtener los coeficientes:

n NH 3=C [VNaOH (T )−VNaOH (P ) ]

n NH 3=0 .89molL

[0.0143 L−.01073 L ]=3 .1773∗10−3mol

n H 2O= mH 2OPMH 2O

= 15 gr

18grmol

=0 .833mol

x NH 3= n NH 3n NH 3−n H 2O

= 0 .00317730 .0031773+0 .833

=0 .0038mol NH 3molmzc .

XNH 3= 0 .00381−0 .0038

=0 .003814 mol NH 3mol LS

XA 1calculada=YA1−YA2

[ LSGS ]op

XA 1calculada=0 .01−0 .001

[ 47 .696224 .6962 ]op

=0 .004716 mol NH 3mol LS

%Error=1− XA 1XA 1calculada

∗100=1−0 .0038140 .004716

=0 .19126∗100

%Error=19.126%

1. Cálculo de los coeficientes de transferencia de masa

Datos:

X A 1=0.00384495 Y A1 ¿=¿0.00486 ¿

X A 2=0 Y A 2¿=0

Y A1=0.01 X A 1 ¿=0.007632

Y A 2=0.001 X A 2¿=0.000795

Para la fase gaseosa

¿

¿

¿

¿

Para la fase liquida:

¿

¿

¿

¿

2. Cálcular la altura de la unidad de transferencia para las fases gaseosa y líquida

( AUT )OY=Z¿¿

( AUT )OX=Z¿¿

3. Calcular los coeficientes volumétricos globales de transferencia de masa

(KY .a )= GmS ( AUT ) OY ¿¿

(K X .a )= LmS ( AUT )OX ¿¿

¿

¿

S=π∗¿¿

Observaciones:

Para la titulación, en el caso de la muestra problema se realizo por triplicado para obtener los resultados más precisos y verificar que se cumpla el régimen permanente.

El porcentaje de error obtenido fue un poco significativo debido a que al operar la columna no estaba en condiciones totalmente optimas sin embargo se alcanzó el régimen permanente.

Conclusión:

En esta practica pudimos conocer el funcionamiento de una columna de absorcion empacada, esto mediante un sistema de amoniaco-agua- aire, cumpliendo con el régimen permanente establecido en el balance de materia propuesto para el diseño mecánico de una columna de absorción, con el fin de tener valores adecuados para la operación de dicha columna y así obtener el régimen permanente, para finalmente, mediante el cálculo de la

concentración del amoniaco experimentalmente y el exerimental se obtuvo una porciento de error del 19%, el cual puede deberse a que al momento de operar la columna esta estaba inundada y esto ocasiono alteraciones a la concentración final de NH3 proveniente de la columna y por ultimo se calcularon los coeficientes de películas tanto como para la fase liquida, como para la fase gaseosa.

Se aplicaron los conocimientos adquiridos en la introducción a esta practica cumpliendo el objetivo establecido.

BIBLIOGRAFIA:

MANUAL DE OPERACIONES DE SEPARACION II

IPQ- ABSORCION PDF. CLAUDIA S. GOMEZ QUINTERO

http://es.wikipedia.org/wiki/Absorci%C3%B3n