desorcion gaseosa final

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Industrial y de Sistemas

INFORME Nº 4 Laboratorio de Deserción CURSO:

FísicoQuímica

CÓDIGO: SECCIÓN: PROFESORA: ALUMNOS:

V Petra Rondinel

Baique Inga, Gloria Ivon.

20061137K Haro Capa, Juan Carlos Jara Choque, Martin

20061196G 20061111A 20061111A

FIIS – 2008 II Laboratorio de Desorción 1

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1. DESO DESORC RCIÓ IÓN N GASE GASEOS OSA A I. OBJETIVOS Determinar Determinar el rango de operación de una columna empacada, basándose en: •

EL estudio de la caída de presión en una columna empacada, con empaque seco, variando la velocidad del gas.

•

El sent sentid idoo de la caíd caídaa de pres presió iónn en una una colu column mnaa empa empaca cada da,, vari varian ando do la circulación de líquido constante.

•

El estu estudi dioo de la caíd caídaa de pres presió iónn en una una colu column mnaa empa empaca cada da,, vari varian ando do la circulación del líquido.

II. FUNDAMENTO TEÒRICO DESORCIÓN Es la operación unitaria contraria a la absorción. En ella un gas disuelto en un líquido es arrastrado arrastrado por un gas inerte inerte siendo siendo elimina eliminado do del líquido. líquido. Si ponemos aire en contacto con una solución de amoniaco-agua, algo de Amoniaco dejará el líquido para entrar en la fase gaseosa.

DEFINICIONES BÁSICAS Caída de presión en una columna empacada: Carga e Inundación. En cualquier tipo de torre empacada funcionando en contracorriente, con flujo de líquido constante y flujo de gas variable, la caída de presión es proporcional a la raíz cuadrada del flujo másico del gas. En la fig. 1 se grafica el flujo de gas vs la caída de presión con el flujo de liquido como parámetro. Inundación

B Carga Log Δr / z

A

L

s

L2









Notar que el flujo constante del gas, un incremento en el líquido va acompañado por un incremento en la caída de presión. De manera semejante, a flujo constante de líquido, un incremento en el flujo de gas, es también acompañado por aumento en la caída de presión hasta que se alcanza la inundación. La forma de la curvas de la fig. 1 es idéntica para todos los empaques y sistemas. Algunos investigadores tratan tales curvas como dos distintas rectas, interpretando el punto de cambio en pendiente como “punto de carga”. En la fig. 1 se observa la existencia de tres zonas: (1) Zona donde no se presenta interferencia entre gas y líquido, lo cual ocurre a flujos bajos; (2) Zona de “carga” (interferencia media), a flujos superiores; (3) Zona de inundación (violenta interferencia), a muy altos flujos. No es práctico operar una torre inundada; la mayoría de las torres opera justamente por debajo o en la parte inferior de la región de carga. Caída de presión con una sola fase circulante. Cuando solo en el lecho, la caída de presión debido a un único fluido que circula a través de un lecho de sólidos empacados está razonablemente bien correlacionada mediante la bien conocida ecuación de Ergun, la cual se puede aplicar con igual éxito al flujo de gases y líquidos. Para un tipo y tamaño específico de empaque, la mencionada ecuación puede simplificarse a: ∆ P Z

=

C D G 2



(1)

ρ G

Caída de presión con las dos fases circulantes. Para el flujo simultáneo de líquido y gas, correlaciones generalizadas de caída de presión presión han sido publicad publicadas as por LEVA, ECKERT ECKERT y un sinumero sinumero de fabricantes fabricantes de empaque. Para este caso se debe usar la Fig. 2. Inundación Fig. 2 Inundación y caída Y

de presión en torres con empaques al azar.









Flujo mínimo de gas para deserción. Una línea de operación que toque en cualquier punto a la curva de equilibrio, representa una relación máxima de líquido a gas, y una concentración máxima de gas saliente, tal como se muestra en la Fig. 3. Equilibrio

Pendiente max = (L a / Ga)max

Y

Recta de Operación X

Fig. 3 Flujo mínimo de gas a utilizarse en una deserción.

La relación (L S / GS) max, fija el flijo mínimo de gas a utilizar en una deserción, para un flujo de líquido dado. Altura global de una unidad de transferencia de la fase líquida (N TOT). La altura global de una unidad de transferencia de la fase líquida, se puede calcular mediante: H TQL TQL

=

L K L aC (1 − X ) * M

 ( 2)

Ecuación desde la cual se puede calcular el coeficiente global de transferencia de masa, de la fase líquida K La, si se conociera la altura global de una unidad de transferencia. Altura individual de una unidad de transferencia de la fase gas (H TG). Esta se puede evaluar, empleando empleando algunas correlaciones, por ejemplo la correlación de FELLINGER: H TG

= α .G β . Lδ .Sc 0.5  (3)

Donde el número de Schmid (Sc) se debe utilizar solo cuando se trabaje con sistemas









H TG

=

G  ( 4) K G aP (1 − Y ) * m

Altura de una unidad de transferencia de la fase líquida Vivian y Whitney sugirieron que: H TL = 0.0848 L0.18

Donde: H TL = m

L



(5)

Kg /( hm 2 ) = Kg

Número de unidades de transferencia de la fase líquida (N TOT). Puesto que en deserción el líquido es el fluido sometido a proceso, es más sencillo basar los cálculos en la fase líquida. Una razón adicional para ello es cuando la deserción es un proceso controlado por la fase líquida (es decir casi toda la resistencia a la transferencia está en la fase líquida), por lo que los valores globales (numero y altura) de la unidad de transferencia referida a la fase líquida son iguales a los individuales de la fase líquida. Por definición: N TQL TQL =

X 1

∫

X 2

dx x − x α



( 6)

III. III. DESC DESCRI RIPC PCIÓ IÓN N DE LA COLU COLUMN MNA A DE DESO DESORC RCIÓ IÓN N DEL DEL LAB. LAB. DE OPERACIONES UNITARIAS: En el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Ingeniería Química y Textil de la UNI se cuenta con una columna de absorción (o de desorción) del tipo de columna de empaques o relleno del tipo de relleno desordenado de anillos Rasching; de una altura aproximada de 2 metros con diámetro de la columna alrededor de 12 centímetros. A continuación procederemos a explicar cada uno de estos conceptos: Columnas de relleno En las columnas de relleno la operación de transferencia de masa se lleva a cabo de manera continua. La función principal del relleno consiste en aumentar la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, aumentar la turbulencia y por tanto mejorar la









La selecc selecció iónn del del mater material ial de relle relleno no se basa basa en crite criterio rioss como como resis resiste tenci nciaa a la corrosión corrosión,, resisten resistencia cia mecánica mecánica,, resisten resistencia cia térmica térmica y caracte característi rísticas cas de mojado. mojado. Además, es necesario disponer un distribuidor de líquido en la parte superior de la columna para asegurar que el líquido moje de manera uniforme todo el relleno y no se desplace hacia las paredes. Salida de Gases A+B Entrada de Liquida + Gas A

Relleno

Relleno

Entrada del Gas B Salida del líquido

Fig. 4 Columna de deserción.

Se tienen varios tipos de relleno: 

Relleno Rel lenoss Desordenad Desord enados os:

Sonn aque So aquell llos os que que se desc descar arga gann simp simple leme ment ntee dent dentro ro de la torre torre dura durant ntee la instalación y se dejan caer al azar. Los rellenos irregulares más empleados en el presente son de fábrica, los tipos más comunes son:











fluorhídrico; es útil excepto en atmósferas fuertemente oxidantes, de metales y de plásticos Los anillos metálicos de paredes finas ofrecen la ventaja de ser livianos. -

Los rellenos en forma forma de silla de montar, montar, tales como los Berl y los Intalox, se

encuentran en tamaños de ½ a 3 pulgadas, hechos de base cerámico, aunque pue puede denn fabr fabric icar arse se de con con cual cualqu quie ierr mate materi rial al que que se le da form formaa medi median ante te estampado. 

Rellenos Ordenados:

Estos pueden ser del tipo: -Rellenos Raschig, apilados al tresbolillo. -Anillos doble espiral. -Rejas de madera. -Grillas con orificios vertederos. Ofrecen las ventajas de una más baja caída de presión con un mayor caudal de los fluidos, usualmente a expensa de un costo de instalación más elevado. Tipos de Relleno

Fig. 5 Tipos de de Relleno









encontrar tabuladas en distintos manuales. Por ejemplo la tabla Nº 1 muestra estos datos para una serie de rellenos. Tabla Nº 1

Los anillos Rasching son el tipo de relleno más antiguo (data de 1915) y todavía están en uso. En la columna de desorción del laboratorio de Operaciones Unitarias Unitarias se cuenta con relleno de anillos Rasching. Para Para const construi ruirr estos estos relle rellenos nos se utili utilizan zan diver diversos sos materi materiale ales: s: cerám cerámica ica,, metale metales, s, plásticos y carbono. Los anillos de metal y plástico son más eficaces que los de









En general, el mayor tamaño de relleno aceptable en una columna es de 50 mm. Los tamaños más pequeños son más caros que los mayores, pero por encima de 50 mm la efic eficaci aciaa en la transf transfere erenci nciaa de mater materia ia dismi disminuy nuyee consi conside derab rablem lement ente. e. El uso uso de partícu partículas las de relleno relleno demasiad demasiadoo grandes grandes puede puede causar causar una distribució distribuciónn pobre del líquido. Aplicaciones industriales Desorción gaseosa es ampliamente usada en la remoción de hidrocarburos ligeros de fracciones de petróleo. Esquema del equipo

ILUSTRACIONES DE LOS EQUIPOS DEL LABORATORIO: Columna (torre empacada o leche empacada) compuesta por anillos raschig (relleno), que permite la transferencia de masa de la solución (NH 4OH) hacia el gas ( aire con CO 2) debido al múltiple contacto gas-líquido.









•

Circuito de aire (azul) proviene de un compresor que será controlado por una

válvula reductora de presión. Además con ayuda de un Rotámetro (medidor (medidor de flujo) flujo) se debe mantener un flujo de 8 pie 3/minuto, Luego pasa por un Filtro Filtro de Aire que se encargara de filtrar partículas de impurezas que impiden la transferencia. Este circuito de aire ingresa a la torre empacada por la parte inferior y sube en contra corriente. La salida superior contendrá aire mas amoniaco, mientras que la salida inferior contendrá agua con una mínima concentración de amoniaco.

Se tomará muestras de la salida inferior cada 5 minutos, hasta que el sistema llegue a la estabilidad, para de esta, manera concluir que flujo es necesario para obtener determinado porcentaje de concentración a determinadas condiciones del sistema. Cada muestra se tituló con HCl , utilizando como indicador la fenolftaleína. La existencia del manómetro es para calcular la caída de presión del flujo final, esta caída de presión es la perdida de energía mecánica en forma de calor. A mayor caída de presión mayor será la energía mecánica perdida.

ROTÁMETROS QUE PERMITEN MEDIR LOS FLUJOS DE LIQUIDO Y GAS.









MANÓMETRO

MEDIDOR DEL NIVEL DE LIQUIDO DE LA SOLUCIÓN FINAL

ROTÁMETRO DEL AIRE











SOLUCIÓN CON BAJA CONCENTRACIÓN

Rotámetro de solución de agua con amoniaco

Válvula reductora de Presión









IV. PROCEDIMIENTO SEGUIDO DURANTE LA PRÁCTICA Materiales y Reactivos •

Torre de Relleno

•

Matraces Erlenmeyer de 250 mL.

•

Cronómetro.

•

Vasos de precipitado.

•

Amoniaco

•

HCl 0.1 N.

•

Agua destilada.

•

Fenolftaleína

•

Una bureta de 50 ml.

Procedimiento •

A continuación se describe el procedimiento procedimiento para el sistema Amoniaco-Agua-Aire. La explicación va acompañada de figura.









•

Antes de efectuar el experimento, verificar que el tanque T1 esté lleno de una solución de NH4OH, tomar una muestra y valorarla para obtener su concentración (usar el HCl 0.1 N).

•

Encender el compresor de aire. La presión tardará en subir alrededor de diez minutos.

•

Verificar que todas la válvulas estén cerradas, excepto la válvula V1 que debe de estar abierta.

•

Abrir válvula V7 al 100%, con el fin de ir introduciendo el líquido a la torre, abrir la válvula V4 y prender la bomba B1.

•

Cuando se observe líquido en el nivel del fondo de la columna, regular el flujo de entrada del líquido mediante la válvula V4 y el rotámetro R1 al flujo de 60 lb/h.

•

Inmediatamente Inmediatamente abrir la válvula V5 verificando verificando el flujo en el rotámetro R2. Cuidar que siempre halla líquido en el nivel situado en el fondo de la columna.

•

Abrir válvula V1, V2, y V3 para introducir el aire verificando su flujo con el rotámetro R3 (un flujo de 8 pie 3/min).

•

Cuando se logren estabilizar los flujos, tomar muestras cada 5 minutos del líquido de salida en la válvula V6.

•

Titular cada muestra con el HCl 0.1 N.









Lectura del rot. gas(pies 3/minuto) Caida de presión(Cm.)

8 4.9

10 7.7

8 5.4

En ésta parte primero se sube el flujo luego se baja. 3. Cuando se mantiene constante la lectura del Rotámetro de gas se tiene: Tabla Nº 4 Lectura del rot. líquido(pph) Caida de presión(Cm.)

40 4.6

60 5.1

82 5.3

CUESTIONARIO: A. Durante Durante la etapa de dos fases fases circulant circulantes es en estado estacion estacionario ario,, a partir partir de sus datos conteste lo siguiente: 1. Para columna columnass de absorción absorción y desorción desorción se recomi recomienda enda caídas caídas de presión presión en el









8 pie3/min = 3.775 ×10 3 m3/s −

Consideramos Consideramos T = 20ºC = 293 K y P = 1 atm Por lo tanto: 28 .8 ×10

Xkg

3

−

 →22 . 4 ×10 kg 

3.775

  →

10

×

3

−

3

−

 →273 K m 3 

m 3   →293 K

De donde X = 4.516 kg Por lo consiguiente el flujo másico del aire será 4.516 kg/s 3. Determine los flujos másicos de líquido que ingresa por unidad de área de la columna, L1 (kg/m2 .s) y del gas que ingresa, G 1 (kg/m2 .s)

Área Transversal =

Π ⋅ diametro 4

2

= 0.0113 m 2

Por lo tanto: L1 = G1 =

flujo area flujo area

= =

7.56 ×10−3 kg / s 0.0113 m 4.516kg / s 0.0113 m

2

2

= 0.669 669 kg / m 2 ⋅ s

2 646 kg / m ⋅ s = 399.646

4. Determine los flujos de los componentes que no se difunden L’ y G’: el flujo del agua agua sola: L’ = L(1 – x)











Pero al inicio G’ = G 1 = 399.646 kg/m 2.s Por lo tanto: G’ = 399.646 = G (1-0) → G = 399.646 kg/m 2.s 5. Determine las fracciones molares de amoniaco en la corriente líquida de entrada x 1 y en la corriente corriente líquida líquida de salida x 2

Al inicio: Por la titulación inicial de la muestra se concluye que x 1 = 0.0184 (ver respuesta de la pregunta nº 4) A la salida: De las muestras obtenidas en la tabla Nº 3 tenemos que las concentraciones del amoniaco varían: Tabla Nº 5 t 5

X2 0.0125









Los flujos molares totales G y L seran aproximadamente constantes. constantes. Para este caso la ecuación de la linea operacional es:

( − ) =  y − y   G   L x x M

2

M

2

Y2 = 1.125 ×10 5 ; x2 = 0.012 −









VII. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES 

La desorción es una operación unitaria muy importante a nivel industrial debido a

la gran gran vari varied edad ad de usos usos y apli aplica caci cion ones es que que ti tien enee en las las dive divers rsas as acti activi vida dade dess industriales, sobre todo en la de purificación ecológica del agua de procesos. 

El proceso de alimentación de la torre empaquetada de desorción es generalmente

llevado a contracorriente, es decir la solución liquida entra por la parte superior de la torre, y el gas que absorberá al elemento a separar entrará por la parte inferior de la torre y así la solución viene de arriba a abajo y el gas se mueve de abajo a arriba, absorbiendo o desorbiendo el gas deseado.











La suma de intervalos de tiempo, me permitirá saber en que momento el sistema es

estable (dado una concentración de producto que se desea obtener) para futuros procesos. 

En la torre torre util utiliz izad adaa para para el expe experi rime ment ntoo no obse observ rvam amos os la pres presen enci ciaa de

redistribuidores ya que hay que evitar que las sustancia se pegue a las paredes de la torre torre porque porque esto esto evita evitaría ría el conta contact ctoo entre entre las susta sustanci ncias as y el proceso proceso no sería sería eficiente, en cambio al adicionar al equipo los redistribuidores, el proceso sería más eficiente.

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