Líder:
Carolina Gómez
Coordinador: Mile Hernández Operario 1: Jennyfer Manrique Operario 2: Yahira Porras Operario 3: Camila Ballesteros
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 17/01/2017
INFORME EJECUTIVO La absorción es la operación unitaria que consiste en poner en contacto una mezcla gaseosa y un líquido, con el fin de hacer una separación selectiva de uno o más componentes presentes en la mezcla gaseosa. Esta operación se lleva a cabo en contracorriente con el fin de que ocurra la transferencia de masa, de gas a líquido gracias a un gradiente de concentración. La torre en la cual ocurre el proceso normalmente es una columna y para este caso en particular se tiene una empacada con anillos raschig los cuales son los encargados de proporcionar el área de transferencia en donde ocurre el proceso. Al iniciar la práctica se recomienda esperar a que los flujos de agua, aire y CO 2 se estabilicen para que la toma de datos sea más precisa, además se sugiere que al variar el flujo de aire se espere a que el equipo se estabilice. Para obtener buenos resultados es necesario asegurarse que la posición del rotámetro para los flujos esté en el nivel deseado y que no cambie durante el desarrollo de la práctica. Finalmente, se concluye que la absorción fue muy eficiente ya que a medida que aumenta el flujo de aire la concentración de CO 2 disminuye, debido a que se tiene un mayor tiempo de retención y al aumentar el flujo de aire la solución se encuentra más diluida, además en los primeros 5 min hay una mayor cantidad de CO 2 absorbido, siendo 0.0155 g/ml la mayor cantidad absorbida de CO 2 con un flujo de aire de 0,021 Kg/s.
CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general 2.2 Objetivos específicos 3. ALCANCE 4. MARCO TEÓRICO 5. METODOLOGÍA 5.1 Recolección de datos para la absorción de CO2 5.2 Relación existente entre el flujo de gas y la cantidad de CO2 absorbida 5.3 Variación del CO2 en el tiempo 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1 Recolección de datos para la absorción de CO2 6.2 Relación existente entre el flujo de gas y la cantidad de CO2 absorbida 6.3 Variación del CO2 en el tiempo 7. CONCLUSIONES 8. RECOMENDACIONES 9. REFERENCIAS 10. ANEXOS
1. INTRODUCCIÓN Es de vital importancia para la práctica. La comprensión de lo que significa una operación unitaria, partiendo del aporte del norteamericano Little en 1915 quien definió operación unitaria como “cada una de aquellas operaciones básicas en las que se puede descomponer cualquier proceso químico”. Al desarrollar un proceso como una secuencia de operaciones unitarias, se facilita su estudio y entendimiento del fenómeno que ocurre. La absorción de gases es de gran utilidad e importancia en la industria. En esta práctica nos centraremos en el estudio de una operación unitaria: la absorción. Este procedimiento se encuadra dentro de las operaciones de separación por transferencia de materia, las cuales se basan en el fenómeno de difusión, según el cual un componente de una mezcla se desplaza en el seno de un absorbente debido a un gradiente de concentración o presión. [1] Por tanto, la absorción consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que queden retenidos ciertos componentes de la corriente gaseosa. La absorción puede ser física o química, según que las interacciones del gas con el líquido absorbente. A la operación unitaria contraria al proceso de absorción, se la conoce con el nombre de desorción (“stripping”) y suele facilitarse mediante arrastre por un gas inerte. [2] Finalmente, para nuestra práctica trabajaremos la absorción física, y se realizará la absorción de CO 2 de una corriente de aire utilizando agua como solvente, con esto se pretende analizar a fondo este proceso y observar que tan eficiente es el proceso cuando se varía la corriente de agua.
2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general Afianzar los conocimientos adquiridos en la materia de operaciones unitarias, con respecto a la operación de absorción de gases y la familiarización con el equipo, empleando en este caso una torre empacada.
2.2 Objetivos específicos 2.2.1 Realizar la toma de datos correspondiente a la absorción de CO2 variando el flujo de aire y manteniendo constantes los flujos de CO2 y de agua. 2.2 2 Analizar la relación existente entre el flujo de gas insoluble (aire) y la cantidad absorbida de CO2 variando el flujo de aire y manteniendo constantes los flujos de CO2 y de agua. 2.2.3 Representar gráficamente el comportamiento anterior del CO2 en el tiempo y obtener una expresión matemática para dicha relación.
3. ALCANCE El proceso de absorción de CO2 se realiza en una columna empacada con anillos raschig con un flujo constante de agua de 55,14 ml/S, CO2 de 5l/min y variando el flujo de aire en la posición del reóstato de 20 a 50 con el fin de estudiar la absorción de CO2 en el agua a diferentes flujos de aire.
4. MARCO TEÓRICO La absorción es una operación unitaria durante la cual se ponen en contacto una fase gaseosa y una liquida para llevar a cabo la separación de uno de los componentes dela mezcla gaseosa aprovechando la solubilidad de este en el líquido y la diferencia de presiones parciales del gas a absorber.
Efecto de la solubilidad La solubilidad de un gas en un líquido disminuye al aumentar la temperatura, ya que 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 el líquido.
Torre empacada El equipo utilizado en la práctica es la columna empacada donde se distribuyen solidos inertes que sirven para aumentar la superficie de contacto de las fases. La columna es un cilindro donde el líquido se alimenta en la parte superior a través de un distribuidor y en la parte inferior se encuentra la entrada de gas y un espacio de distribución, interiormente una masa de empaques soportada constituye el relleno de la torre como se muestra en la figura 1.
Empaques al azar Los empaques al azar son aquellos que simplemente se arrojan en la torre durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria. Los anillos de Raschig son los más utilizados, son cilindros huecos cuyo diámetro va de 6 a 100mm o más. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y ácido fluorhídrico; de carbón, de metales o de plásticos. Los anillos de lessing y otros con particiones internas se utilizan con menos frecuencia. (figura 2) Empaques regulares Los empaques regulares ofrecen las ventajas de una menor caída de presión para el gas y un flujo mayor, generalmente a expensas de una instalación más costosa que la necesaria para los empaques aleatorios. Los anillos hacinados de Raschig son económicos solo en tamaños muy grandes. Hay varias modificaciones de los empaques metálicos expandidos.
Velocidad critica En la práctica es difícil conseguir un buen contacto entre las fases debido a que el líquido no desciende como una película sobre la superficie del empaque y se pueden presentar problemas como la canalización que se presenta cuando hay bajas velocidades del líquido dejando la mayor parte del empaque seca; para evitar este tipo de problemas se debe diseñar la torre con un diámetro de por lo menos 8 veces el diámetro de relleno. La máxima concentración del líquido y la mínima velocidad de flujo del líquido posible se obtienen cuando la línea de operación toca con la línea de equilibrio. Para esta condición se necesita una altura infinita de la sección empacada, toda vez que la diferencia de concentración para la transferencia de masa se vuelva cero en el fondo de la torre. En general toda torre, la velocidad del líquido tiene que ser mayor que este mínimo para conseguir el cambio especificado en el gas.
Velocidad de inundación Es la velocidad del gas a la cual todo liquido no puede descender y la torre se inunda.
Operación de la torre Para que la torre comience a trabajar se enciende el compresor de aire permitiendo un flujo de aire indicado en el reóstato como 20, a partir de la tabla de calibración se determina que equivale a 0,0021Kg/s; en seguida se abre la llave ade55,140m/s. paso de agua y ajusta la base del cono del rotámetro en 100, equivalente El CO2 entra a la torre mezclado con el aire y su flujo de ajusta de acuerdo al balín del rotámetro. Para dar paso al CO2 se abre la válvula de la bala que lo contiene.
Titulación Durante el proceso ocurren 2 reacciones:
1. ABSORCIÓN DE CO2 EN H2O () → () → − +
2. TITULACIÓN CON NAOH →
Teniendo esto en cuenta se comienza la titulación:
Se llena la bureta con la solución de NaOH y se elimina cualquier burbuja aceptan todo tipo de fluido, a excepción de fluidos corrosivos.
Titulación química Método determinación de lallamado concentración reactivo conocido. Se agrega ade la solución un reactivo tituladorde deun volumen y concentración conocida (NaOH) para determinar la concentración del reactivo desconocido
medida a partir de un indicador visual, el cual muestra el punto de equivalencia en que los moles de los 2 reactivos son iguales. En las titulaciones ácidos – base se mide una solución de un ácido agregando gota a gota una solución de base hasta que se neutralice.
Rotámetro Es un medidor de caudal en tubería de área variable, de caída de presión constante que consiste de un flotador (indicador) que sube al ser empujado por el fluido hastapor el el punto en el entreuna su peso la fuerza ejercida líquido. Elcual tuboencuentra es de vidrioelyequilibrio lleva grabado escalay lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal.
5. METODOLOGIA 5.1 Recolección de da tos para la absorción de CO2 -
Asegurarse que las válvulas de salida de aire de la torre de absorción estén completamente abiertas.
-
Encender el equipo
-
Para que la torre comience a trabajar encender el compresor de aire permitiendo un flujo indicado en el reóstato. La escala debe estar entre 0 y 60
-
Abrir la válvula V para permitir el flujo de agua llevando el flotador del rotámetro a un nivel de 100.
-
Abrir totalmente la válvula ubicada sobre la bala de CO2 y graduando una pequeña perilla establecer un flujo volumétrico de 5 en el rotámetro de CO2, para ser adicionado a la corriente de aire de entrada.
-
Esperar a que el sistema se estabilice para cada nueva condición de flujos (5 minutos aprox.)
-
Tomar una muestra de aproximadamente 100 ml de la corriente liquida de salida y titular con una solución de NaOH 0,005N con fenolftaleína como indicador y determinar la cantidad de CO2 absorbido.
-
Repetir el procedimiento para 5 condiciones diferentes de flujo de aire.
5.2 Relación existente entre el flujo de gas y la cantidad de CO2 absorbida Para establecer la relación existente entre el flujo de gas y la cantidad de CO2 absorbida es necesario: -
Representar gráficamente la variación del CO2 con respecto al flujo de aire y obtener una expresión matemática para dicha relación.
5.3 Variación del CO2 en el tiempo Para establecer la cantidad absorbida de CO2 a lo largo del tiempo es necesario: -
Representar gráficamente la variación del CO2 con el paso del tiempo y obtener una expresión matemática para dicha relación.
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1 Recolección de da tos para la absorción de CO2 Cuando el CO2 se disuelve reacciona con el agua produciendo ácido carbónico (H2CO3), razón por la cual se estudia la concentración del ácido. En primer lugar, es necesario calcular la concentración del ácido por medio de la ecuación: =
Donde: V1= Volumen de la muestra V2= Volumen de NaOH C1= Concentración del ácido C2= Concentración de NaOH -
Para la muestra 1:
= = 55 50 = 5 = 0,005 = =
=
-
, ∗ . .
= 5 10 −N
Para la muestra 2:
= = 52,5 50 = 2,5 = 2.5 10 − = =
=
-
, ∗ . .
= 2.5 10−N
Para la muestra 3:
= = 51,8 50 = 1,8 = 1.8 10 − = =
=
-
. . .
= 1.8 10− N
Para la muestra 4:
= −
= 51,5 50 = 1,5 = 1.5 10 = =
=
-
. ∗. .
= 1.5 10−N
Para la muestra 5:
= = 51,45 50 = 1,45 = 1.45 10 − = =
=
. ∗ . .
= 1.45 10− N
Luego de haber calculado la concentración del ácido C1, se procede a calcular el número de equivalente gramos: − = ∗
-
Para la muestra 1:
á = 50 ml ∗ 510 − á = 0,025
-
Para la muestra 2: −
á = 50 ml ∗ 2.510
N
á = 0,0125
-
Para la muestra 3:
á = 50 ml ∗ 1.810 − N á = 910 −
-
Para la muestra 4:
á cido = 50 ml ∗ 1.510 − N á cido = 7.510 −
-
Para la muestra 5:
ác ido = 50 ml ∗ 1.4510 − N áci do = 7.2510 −
Además, conociendo la masa equivalente del ácido se determina la masa total del ácido y finalmente se calcula la concentración de la solución. = á ⁄ú = 62 ⁄2 = 31 á = á ∗ 31
Teniendo en cuenta que concentración = masa/ volumen, donde el volumen de solución es . Tabla 1. Resumen de datos obtenidos
N° muestra
Flujo de
V.
V.
N eq- g
muestra NaOH
Masa
Concentración
(g)
de CO2 (g/ml)
aire
(ml)
(ml)
1
(kg/s) 0,0021
50
5
0,025
0,775
0,0155
2
0,0086
50
2,5
0,0125
0,388
7,76 10−
3
0,0126
50
1,8
9 10−
0,280
5,6 10−
4
0,0147
50
1,5
7,5
0,233
4,6610−
0,225
4,510−
10
5
0,0156
50
1,45
−
7,25 10−
6.2 Relación existente entre el flujo de gas y la cantidad de CO2 absorbida
Figura 1. Concentración de CO2 vs flujo de aire
El flujo de aire no debe ser demasiado alto porque no ocurrirá el fenómeno de transferencia de masa, tal como se puede ver en la Figura 1 para valores altos del flujo de aire se obtienen bajos valores de concentración de CO2.
6.3 Variación del CO2 en el tiempo Concentración de CO2 vs tiempo 0.018
]l 0.016 m / g [ 0.014 2 O0.012 C e 0.01 d n ió 0.008 c a rt 0.006 n e c 0.004 n o 0.002 C
y = 5E-05x2 - 0.0019x + 0.0234 R² = 0.9713
0 0
5
10
15
20
25
30
Tiempo [ min]
Figura 2. Concentración de CO2 vs tiempo Con el paso del tiempo la concentración de CO2 disminuyó debido a que el flujo de aire no fue constante y el propósito de la practica era aumentarlo para evaluar el comportamiento de la concentración de CO2 a diferentes valores, entonces a mayor tiempo mayor flujo de aire.
7. CONCLUSIONES El volumen de base gastado en la titulación depende de la concentración del ácido en la muestra final. Además, es importante resaltar que los resultados obtenidos pueden variar debido a la manipulación del operario y a la consideración de la titulación. Finalmente, se concluye que la absorción fue muy eficiente ya que a medida que aumenta el flujo de aire la concentración de CO 2 disminuye, debido a que se un mayor deademás retenciónen y allos aumentar aire una la solución se tiene encuentra mástiempo diluida, primerosel 5flujo mindehay mayor cantidad de CO2 absorbido, siendo 0.0155 g/ml la mayor cantidad absorbida de CO2 con un flujo de aire de 0,021 Kg/s.
8. RECOMENDACIONES Seguir correctamente las instrucciones de uso indicadas en el manual de la práctica y las pautas expuestas por los laboratoristas, de igual forma verificar que todas las válvulas estén cerradas al igual que las alimentaciones de los gases después de parar el equipo, además revisar que los interruptores estén correctamente apagados. Por otra parte, es necesario para titulación de la muestra tener en cuenta que el volumen que sale de la bureta no exceda el límite de concentración, ya que pueden arrojar resultados erróneos o alterados a los esperados. Finalmente, evitar flujos de aire elevados con el fin que ocurra una buena transferencia de masa.
9. REFERENCIAS [1] FOUST, A.S. Principios de Operaciones Unitarias. Compañía editorial Continental S.A. México 1982. [2] Mc CABE, SMITH, HARRIOT. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. 4a Edición, Mc Graw Hill. Madrid. 1988. [3] PERRY, Robert. Manual de Ingeniero Químico. Tomo IV. Sexta Edición. Me Graw Hill. México. [4] TREYBAL, Robert. Operaciones de Transferencia de Masa, 2a Edición Me Graw Hill. México. 1997. [5] OCON GARCÍA, Joaquín y TOJO BARREIRO, Gabriel. Problemas de Ingeniería Química. 3a Edición. Madrid. Aguilar, S.A. de Ediciones. 1975.
10. ANEXOS Anexo A. Medidor de flujo de aire Tabla 2. Medidor de flujo de aire REOSTATO FLUJO (Kg/s) 20 0.0021 25 0.0056 30 0.0086 35 40 45 50 55 60 65 70
0.0108 0.0126 0.0147 0.0156 0.0182 0.0192 0.0203 0.022
Calibración y = 0.0004x - 0.0034
0.025 0.02
calibracion
0.015 0.01
Lineal (calibracion)
0.005 0 0
20
40
60
Tabla 3. Medidor de flujo de agua ROTAMETRO 10 20 40 50 60 70
FLUJO (ml/s) 12.66 18.026 25.62 30.739 36.511 41.462
80 90 100 110 120
46.762 50.266 55.14 59.914 63.268
Calibración 70 y = -0.1449x2 + 6.8154x + 5.8053 R² = 0.9992
60 50 40
Series1
30
Polinómica (Series1)
20 10 0 0
5
10
15
