ABSORCIÓN DE CO2 EN COLUMNA EMPACADA PROBLEMA Se desea absorber el 50% de CO2 de una corriente gaseosa aire-CO2 en una columna empacada con anillos raschig. Para la operación se utilizará monoetanolamina (MEA) al 15% en peso. Calcular: •
•
El flujo de solución de MEA en L/h que logre esta separación El coeficiente de transferencia de masa global KG.
FUNDAMENTO TEORICO 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 difusional de contacto de fase tales como la adsorción y la destilación. Para llevar a cabo estas operaciones se requiere de un aparato cilíndrico vertical llamado columna; este aparato 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: • 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. • 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. • 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.
DESCRIPCION DEL PROCESO Durante este experimento se alimento un flujo de aire del 20% en la escala, se utilizó una corriente de CO2 con un flujo de 35mm, y un flujo variable de solución de MEA de 5, 7 y 9 L/h, antes de iniciar el proceso se verifico la normalidad de la solución de MEA (15%) realizando una titulación con HCl 1N. Una vez que se inició el proceso se determinó la composición de la corriente gaseosa por cromatografía a la entrada y a la salida; para cada flujo de MEA en la alimentación. Se tomaron muestras líquidas con el objetivo de conocer la normalidad de la solución líquida a la salida
DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO
RESULTADOS Flujo aire= 20 % Flujo CO2= 35 mm Tabla de resultados experimentales, obtenidos en el cromatografo: Flujo: Entrada aire
CO2
5 L/h
7 L/h
9L/h
Salida
Salida
Salida
aire
aire
CO2
aire
Primera
78,09905 21,90095
12,7303
90,72816
9,27184
segunda
76,99088 23,00912 86,96336 13,03664
91,58989
8,41011
tercera
76,42601 23,57399
promedio
77,17198 22,82802 87,11653 12,88347
90,65274 90,990263 3
9,34726 9,0097366 7
Tabla de cálculos: L’(F de F. de agua) agua(L/h)
(Kg mol/h)
87,2697
CO2
G’(F
de
aire)
(Kg mol/h)
y moles de CO2
y moles de CO2
entrada
salida
CO2 92,6585
7,3415
92,15
7,85
92,63424 7,36576 92,480913 3 7,51908667
Y1
Y2
5
0,27869
0,06146
0,16315
0,08881
0,19496
0,09747
6
0,33443
0,06146
0,16315
0,06126
0,19496
0,06526
7
0,39017
0,06146
0,16315
0,05086
0,19496
0,05359
Cantidad de CO2 absorbido: F. de agua(L/h)
(F de CO2)
(Kg mol/h)
(F de CO2)Sal
C02 Absorbido
(Kg mol/h)
5
0,01198
0,00599
49,99467
6
0,01198
0,00401
33,47407
7
0,01198
0,00329
27,48555
Pendientes de operación: F. de agua(L/h)
L'/G'
X2=
Xmax=
(L/G)min
(L/G)operación
5
4,53422
0,02150
0,03250
2,99976
4,49964
6
5,44106
0,02384
0,03250
3,99081
5,98622
7
6,34791
0,02227
0,03250
4,35006
6,52509
ECUACIONES Balance de materia global L1 + G1 = L2 + G 2
Balance de CO2
L1 x1 + G1 y1 = L2 x 2 + G 2 y 2 (1) L ' ( x1 − x 2 ) = G ' ( y 2 − y1 ) L ' y 2 − y1 = G' x1 − x 2
(2)
Para el flujo de aire: y = 0.0139x - 0.2417, donde y= % aire, x=L/h de aire
(3)
Flujo de aire para condiciones de laboratorio V2 =
P1V1T2 T1 P2
Donde : V = m3 / h P1 =1atm P2 = 0.771 atm T1 = 298 .15 K T2 = 293 .15
(4) Flujos molares para el agua y el aire a la entrada:
G = G ' mh * ρ A IR E Km3g * 3
L=
1K gm ol K gm olA IR E = 29kg h
5L
K g 1kgm ol K gm olA G U A h *ρ = agua 3 * h m 18kg 1000L 3 m
y CO2
0.2283 PM CO2 m = i = 0.2283 0.7717 mT + PM CO2 PM AIRE
(5 y 6)
(7)
Y1 =
y CO 2 entrada 1 − y CO 2 entrada
Y2 =
y CO 2 salida 1 − y CO 2 salida
X2 =
(Y1 − Y2 ) * G1 L1 (8, 9 y 10)
KgmolCO h KgmolCO G '*Y2 = h G '*Y1 =
2
entrada
2
salida
%CO2 absorbido = 100 −
(11 y 12)
100 ⋅ (GCO 2 ENT − GCO 2SAL ) GCO 2 ENT
(13)
