Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Departamento de Formación Básica Ingeniería Química Petrolera
“LABORATORIO “LABORATORIO DE DE ABSORCIÓN Y AGOTAMIENTO” “PRÁCTICA No. 4: AGOTAMIENTO (DESORCIÓN)”
Profesores: M. en C. Jesús Humerto !omo "oledano M. en C. Carlos Constantino #rti$ Herrera %rupo& 4PV7 'ección& "urno& "urno& Ves!er"#$o Horario& %&e'es Horario& %&e'es (e ):**+,*:** -rs. -rs. A/&0$o: Calle(as !ivera )uis *nton+
Fecha de en!e"a: Jueves ,- de Ma+o del -,/ Aplicar los conocimientos de ingeniería química, en el proceso de desorción en una torre empacada; para realizar la desorción de amoniaco en un sistema amoniaco-aire-agua a baja concentración.
En el presente trabajo trataremos sobre la operación unitaria de Desorción, es una operación que es de gran utilidad para separar gases de líquido tratando de llegar a la mayor pureza posible gas tanto como del líquido. Generalmente, el gas y el líquido luyen en contracorriente por el interior de la torre, cuyos dispositi!os promue!en el contacto entre las ases y el desarrollo de la supericie de interaz a tra!"s de la cual se producir# la transerencia de materia. DESORCIÓN (STRIPPING) Es una operación unitaria en la cual se pone en contacto una corriente líquida con una corriente gaseosa, con el in de realizar la transerencia de uno de los componentes de la corriente líquida a la corriente gaseosa. $or deinición la desorción es lo contrario a la adsorción; la eliminación de materia desde un medio adsorbente, usualmente para recuperar material. CLASES DE DESORCIÓN E%isten dos tipos de desorción& t"rmica y gaseosa, a continuación se e%plicar# en orma bre!e de lo que trata la desorción t"rmica, y sobre la desorción gaseosa. DESORCIÓN TÉRMICA 'a desorción t"rmica elimina las sustancias químicas da(inas del suelo y otros materiales, como lodo y sedimentos, utilizando calor para transormar dic)as sustancias químicas en gases. Esos gases se recolectan empleando un equipo especial. El pol!o y las sustancias químicas da(inas se separan de los gases y se eliminan con seguridad y el suelo limpio se regresa al sitio. 'a desorción t"rmica no es igual a la incineración, que se emplea para destruir las sustancia químicas. Es un tratamiento e%-situ que consiste en calentar el suelo a temperaturas intermedias. Es usada para tratar la tierra contaminada con desec)os peligrosos calent#ndola a una temperatura de entre *+ a /+ a in de que los contaminantes con un punto de ebullición bajo se !aporicen 0se con!iertan en gases1 y, por consiguiente, se separen de la tierra. 'os contaminantes !aporizados se recogen y se tratan, generalmente con un sistema de tratamiento de emisiones.
'a desorción t"rmica emplea un equipo denominado desorbedor para limpiar los suelos contaminados. El desorbedor es similar a un )orno grande 02uintero, 3++*1, que cuando los suelos se calientan lo suiciente, las sustancias químicas da(inas como compuestos !ol#tiles o metales !ol#tiles como el mercurio 04g1 se e!aporan a una temperatura de entre los 3+5++6 07ilarium, 3++81. DESORCIÓN GASEOSA 'a desorción gaseosa es la operación, in!ersa de la absorción, en la cual se produce la e%tracción de la racción !ol#til de una disolución mediante el contacto del líquido con un gas; la transerencia de masa ocurre desde el líquido al gas. Es una operación continua a la absorción y en ella un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte quedando eliminado del líquido inicial. En algunas ocasiones la desorción tambi"n se emplea para determinar la destilación s9bita. Entre los procesos industriales en los que se aplica la desorción est#n el despojamiento 0stripping1 de racciones del petróleo 0deri!ados1, por medio de !apor recalentado que no se condensa en el despojador. E%isten tres procedimientos para realizar esta operación que son& : 4acer pasar un gas inerte o !apor de agua por el líquido : uministrar calor al absorbente líquido : Disminuir la presión sobre el líquido Entre los requisitos que debe cumplir el agente de despojamiento est#n el de ser #cil de separar del gas y que no se produzcan reacciones con peligro de en!enenamiento. 'os agentes despojadores m#s corrientes son el aire, el nitrógeno y el !apor de agua. En muc)os procesos industriales se combinan en una misma instalación las operaciones de absorción y de desorción, con el objeti!o de recuperar el disol!ente. $or ejemplo en los sistemas de absorción que utilizan aminas, donde "stas se regeneran 0desorción1 para su reutilización.
En la representación cur!a de trabajo debe caer equilibrio, puesto que normal de operación.
gr#ica del proceso la por debajo de la línea de y<=> en todo el inter!alo
?ormalmente, las operaciones de absorción, desorción y rectiicación se realizan en las denominadas torres o columnas, que son recipientes cilíndricos esbeltos, en posición !ertical y en cuyo interior se incluyen dispositi!os como bandejas o lec)os de relleno. Generalmente, el gas y el líquido luyen en contracorriente por el interior de la torre, cuyos dispositi!os promue!en el contacto entre las ases y el desarrollo de la supericie interacial a tra!"s de la cual se producir# la transerencia de materia. EQUIPOS DE ABSORCIÓN Y DESORCIÓN 'os equipos m#s simples en las operaciones de absorción y desorción son las torres rellenas y las columnas de platos, preerentemente las primeras, por presentar menor caída de presión. 'as torres rellenas usadas como absorbedores no son equipos estandarizados, se dise(an con di#metros desde 3+ )asta 5++ cm y con @ a 3/ m de altura. En general, las torres muy altas son poco eicientes.
Atendiendo al m"todo de creación de la supericie de contacto desarrollada en las torres de absorción pueden clasiicarse del modo siguiente supericiales peliculares de relleno de burbujeo 0de platos1 pul!erizadores 'as supericiales son poco utilizadas debido a su baja eiciencia y grandes dimensiones. on especíicos para gases muy solubles en el absorbente como es el caso del 4l en agua. 'as peliculares son equipos en los cuales la supericie de contacto entre las ases se establece en la supericie de la película de líquido, que se escurre sobre una pared plana o cilíndrica. 'os equipos de este tipo permiten realizar la e%tracción del calor liberado en la absorción. 'os equipos m#s utilizados en la industria química son las torres rellenas y las de burbujeo. APLICACIONES INDUSTRIALES DEL STRIPPING O DESORCIÓN El stripping o desorción es un m"todo de tratamiento de aguas empleable en el caso de que los compuestos a eliminar del agua tengan tendencia a pasar a un gas. En el caso, y sólo en el caso, que se d" esta condición la t"cnica del stripping es !iable. El gas puede ser cualquiera, siendo en tratamiento de aguas los m#s comunes !apor o aire. El stripping supone, por tanto, el tras!ase de la contaminación de un medio 0agua1 a otro 0gas1. En una aplicación medioambiental sólo tiene sentido cuando la eliminación, o desacti!ación de su potencial contaminante, es m#s #cil en la ase gas que en el agua. Becnológicamente, el stripping no es m#s que una instalación en la que se a!orece el intercambio de compuestos entre la ase líquida y la ase gas, de manera que la cin"tica del proceso permita unas !elocidades suicientes para la aplicación pr#ctica. Ello se logra
en columnas de stripping, en las que mediante un relleno adecuado se ma%imiza la supericie de contacto entre líquido y gas. El agua desciende por dic)o relleno, mientras que el gas circula en sentido contrario.
Algunos ejemplos de la utilización de stripping son& tripping por aire para separar compuestos org#nicos )alogenados en potabilización de aguas o descontaminación de aguas subterr#neas. tripping por !apor para separar compuestos poco !ol#tiles y solubles. ;tripping por aire caliente para separar compuestos muy solubles, en los que el stripping por !apor no sea aplicable ya que dic)os compuestos no pueden separarse de la ase acuosa una !ez condensado el !apor. Bratamiento del aire del stripping, por ejemplo, por o%idación catalítica. FORMAS DE REALIZACIÓN DE LA DESORCIÓN O STRIPPING Y SU RELACIÓN CON LAS VARIABLES C#sicamente, el stripping puede realizarse a temperatura y presión ambiente o a dierentes temperaturas y presiones. Bambi"n puede modiicarse el gas del stripping, aunque normalmente se utiliza aire o !apor . MODIFICACIÓN DE LA PRESIÓN El rendimiento del stripping se !e a!orecido por la disminución de la presión. En general, el coste energ"tico y de aparataje que supone trabajar a presiones reducidas no compensa los beneicios obtenidos. E%cepciones son por ejemplo casos en los que e%iste !acío disponible, por ejemplo en t"cnicas de descontaminación de suelos, cuando se trata simult#neamente gases del suelo aspirados y aguas subterr#neas. MODIFICACIÓN DE LA TEMPERATURA A temperatura ambiente, normalmente sólo se produce la desorción de compuestos bastante !ol#tiles y a concentraciones reducidas. 0Apro%imadamente !olatilidad mayor a la del nataleno1. 'a temperatura se modiica bien mediante la utilización de !apor en lugar de aire, o bien mediante la utilización de aire caliente. En este caso, el aire debe suministrarse u presencia en la ase gas. n aumento del caudal del gas. • •
STRIPPING CON AIRE CALIENTE O VAPOR El stripping con aire caliente o !apor es una !ariante del saturado de )umedad, para e!itar la e!aporación de agua y por tanto el enriamiento del sistema. 'a utilización de aire o !apor !iene condicionada por la temperatura de trabajo del sistema 0a presión atmos"rica sólo puede trabajarse con !apor a temperaturas de @++61, del coste del aire caliente yo !apor y de la gestión ulterior del gas yo condensados.
PARÁMETROS QUE FAVORECEN EL STRIPPING n aumento de la temperatura a!orece la desorción de los compuestos 0aumenta la presión de !apor y por tanto su pase a la ase gas1. na disminución de la presión del sistema, ya que a la misma presión del !apor de determinado compuesto, aumenta stripping que apro!ec)a el aumento de la temperatura, para aumentar la presión parcial del !apor y por tanto la !olatilidad de la sustancia a desorber. Este proceso presenta sus !entajas y des!entajas& VENTAJAS: Empleable para concentraciones mayores o compuestos menos !ol#tiles. $uede prescindirse del tratamiento posterior de gases, en el caso de condensación del !apor.
El stripping por aire caliente puede ser empleado tambi"n para compuestos solubles 0no separables de la ase acuosa en el caso del stripping por !apor . 'a energía para calentar el aire puede obtenerse reapro!ec)ando la energía residual de la o%idación catalítica del gas del stripping. DESVENTAJAS: 7ayor coste de in!ersión. Aumentan los problemas de corrosión del material. 7ateriales pl#sticos pueden ser no utilizables.
En el caso del stripping por !apor, la ase org#nica debe ser #cilmente e%traíble 0al menos uno de los compuestos signiicati!os debe ser poco soluble, normalmente1. En el caso del !apor, ele!ado consumo de energía, o instalación complicada y en el caso de reutilización de la energía de condensación. Aumentan los problemas de ormación de espumas y la disminución del rendimiento asociada a ellas. Aumentan los problemas de precipitación y de atascamiento de los rellenos.
COMPONENTE S
Agu A!"#$%& A$'( C&$(#)(
Rotámetr Temperatura de o Entrada o Alimentación [% Rot] [T entr ] (%) (C) /+ 3F //
Ca!da de Pre"ión en la Placa de Ori#icio [$ ] (cm & 'O) @@
Pre"ión Manomtrica [P man ] (cm & 'O) F@
TITULACIÓN olumen de NaO& *a"tado (ml)
Mu*' T*$g"
Mu*' P'"+&!
Normalidad Solución de NaO& [N] (+ e,-lt) o (.+ e,-ml)
,
-V T . Agua $ura
-V M . Agua Amoniacal Agua Desorbida 0 0 ,/ 0 1(0202,/)34 054444
,/ $romedio
ó o amiente = 25
0
ión o amiente= 585
CALCULOS
A) Curva de equilibrio onstruir la cur!a de equilibrio en un sistema de ejes cartesianos, e%presando la relación !s >, ambas en relación mol. Datos de equilibrio para el sistema amoniaco-aire-agua a 3
(
C
g NH 3 100 g H 2 O
)
+.@+
+.3//
+.F3+
+.F8+
+.H5
+.H@
@.+3+
@.F@+
+.H*@
@.8F+
3./@+
3.8*+
/./@
.8++
H.*5+
@+.F@+
ρ NH 3
(mm Hg)
(
C
g NH 3 100 g H 2 O
)
@.F
@.H@
@.*8
3.@@
3.8
3.H
F.+
@@.*@
@F./5
@.H
@5.*/
3+.85
33.F8
3F.
ρ NH 3
(mm Hg)
on estos datos deben calcularse las concentraciones de amoniaco en relación mol para la ase gaseosa y liquida en equilibrio& ρ NH C ∗18 X NH = Y NH = 100∗17 585− ρ NH 3
3
3
3
Y NH 3=
0.791 mmHg
585 mmHg
−0.791 mmHg
=0.001354
gmol NH 3
Kgmol NH 3
gmol aire
Kgmolaire
=0.001354
X NH 3 =
(
0.105
(
g NH 3 100 g H 2 O
100 g H 2 O
)
Datos a graicar& X NH +.++@@@ +.++38 3 / Y NH +.++@F
/
+.++F@F 8
(
)(
17
18
g H 2 O gmol H 2 O
g NH 3 gmol NH 3
)
)
= 0.001112
gmol NH 3 gmol H 2 O
= 0.001112
Kgmol NH 3 Kgmol H 2 O
+.++FF8 8
+.++/+3 /
+.++5+* *
+.++H* 3
+.+@+8+ +
+.+@F8H @
+.++/@F H
+.++/*5
+.++H* 5
+.+@++@ /
+.+@FH*
+.+@H*/ +
X NH 3 +.+@53++
+.+@8@+5 +.+3+*5 +.+33F/@ +.+3HF@8 +.+3*@@8 +.+F@H5
Y NH 3 +.+3+H83
+.+3F+ +.+3H558 +.+3*83@ +.+F5*HH +.+F*HH8 +.+/@83
?ota& 'a cur!a se muestra m#s adelante. > es la misma que se ocupó para la pr#ctica de absorción.
B) Balance de materia alcular los siguientes !alores. @.- Ilujo de agua amoniacal y aire caliente 0Jgmol)1 A*/A AMON0ACA12
@++K Lot#metro 3 M 3.@ ltmin 40% Rotámetro ! +.8/ ltmin 1000 0.84
<¿= 2.8
¿
Kgmol h
min ∗60 min K g Kg ∗1 m3 18 3 Kgmol m Q= ∗1000 ¿ 1h A0RE CA10ENTE2 Q
=
104
√
ho p g
P|¿|∗ PM
Donde& ho =11 cm H O y
R∗T
2
|
Pman=31 cm H 2 O
mmHg <
R∗T aire p g=¿
1 mmHg 1.35951 cm H 2 O
|
=22.8023 mmHg
gmolK
¿
RT
( Pamb + Pman )∗ PM aire
¿
62.361
P|¿|∗ PM
=
¿
( 317.15 K ) ¿ ( 585 mmHg+ 22.8023 mmHg ) =
(
28.84
g gmol
)
¿ p g=¿
√
Q =104∗
11 cm H 2 O 0.8863
g
366.3864
Q=
= 366.3864 ¿
min
¿
¿
min ∗60 min Kg g 28.84 ∗ 1 Kg Kgmol Kgmol ¿ ∗0.8863 =0.6756 h 1h 1000 g
oncentraciones de amoniaco en el agua amoniacal que entra y sale por la columna, y en el aire que sale por el domo de la columna, e%presadas en relación mol y racción mol.
Agua amoniacal que entra por el domo & M NH =17 ( V T −V M ) ( N )= (10 ml −9 ml ) 3
(
17
mg mgeq
)(
1
mgeq ml
M H O=10000 mg− M NH 3=10000 mg−17 mg=9983 mg 2
)=
17 m g
M NH
17 mg
3
mg mgmol M H O
mg mgmol X 2= = 9983 mg mg mg 18 18 mgmol mgmol 17
17
=0.0018 03
2
x 2=
X 2 1 + X 2
=
0.001803
mgmol NH 3 mgmol H 2 O
=0.0018 03
Kgmol NH 3 Kgmol H 2 O
= 0.001780
1 + 0.001803
Agua amoniacal que sale por el ondo & M NH =17 ( V T −V M ) ( N )= (10 ml −9.3333 ml ) 3
(
17
mg mgeq
)(
1
mgeq ml
)=
11.3339 mg
M H O=10000 mg− M NH 3=10000 mg−11.3339 mg=9988.6661 mg 2
M NH
11.3339 mg
3
mg mgmol M H O
17
X 1
=
2
18
x 1=
mg mgmol
X 1 1 + X 1
=
mg mgmol 9988.6661 mg mg 18 mgmol 17
=
0.001201
=
0.001201
mgmol NH 3 mgmol H 2 O
=
0.001201
Kgmol NH 3 Kgmol H 2 O
= 0.001199
1 + 0.001201
Aire que sale por el domo: Ls=2.8
X 2= 0.001803
Kgmol NH 3 Kgmol H 2 O
(
n NH 3= L! ( X 2− X 1 ) =
Kgmol Kg mol s =1.346 h h
X 1 =0.001201
2.8
Kgmol h
)(
Kgmol NH 3 Kgmol H 2 O
0.001803
Kgmol NH 3 Kgmol H 2 O
n NH 3=0 " 001686
Kgmol h
−0.001201
Kgmol NH 3 Kgmol H 2 O
)
Kgmol h Kgmol 0.6756 h
0.001686
Y 2=
# 2=
Y 2
+ Y
1
2
=
=0 " 002495
0.002495
+
1 0.002495
Kgmol NH 3 Kgmol aire
=0. 002489
Ilujo de amoniaco transerido 0desorbido1 y no transerido 0Jgmol)1 3e"or4ido5
0 " 001686
Kgmol NH 3 h
Kg mol No tran"#erido5 h
$orciento de Desorción X 2= X 1∗( 1− $%! )
$%! =1 −
X 1 X 2
0.001803
= 1− 0.001201
Kgmol NH 3 Kgmol H 2 O Kgmol NH 3
=33.3888 $esorci&n
Kgmol H 2 O
C) L"nea de o#eraci$n En el mismo diagrama donde se trazó la cur!a de equilibrio, dibujar la línea de operación Y =0 X = 0.001201 Y =0 " 002495 X = 0.001803 1
1
2
2
"Y vs. X DEL SISTEMA NH3-AIRE-H2O" 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025
LE'ANO? 7P' >
0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
DISCUSIÓN
$odemos obser!ar en la gr#ica, que la eiciencia de la torre empacada no ue muy alta, ya que las concentraciones del amonio obtenido durante la desorción es peque(a. Esto pudo )aber sucedido, porque el lujo de entrada de aire era mayor que lujo de entrada de la solución, y el tiempo de contacto entre las dos ases era muy corto lo cual no permitía una buena absorción del amoniaco. CONCLUSIÓN
'a desorción es una operación unitaria muy importante a ni!el industrial debido a la gran !ariedad de usos y aplicaciones que tiene en las di!ersas acti!idades industriales, sobre todo en la de puriicación ecológica del agua de procesos, o en el proceso de destilación del petróleo, etc. 'a orma y el tipo del relleno dependen del líquido y gas a utilizar. 4ay que recalcar que el relleno tiene como característica undamental la no reacti!idad 0son inertes1.
0.035
DISCUSIÓN
$odemos obser!ar en la gr#ica, que la eiciencia de la torre empacada no ue muy alta, ya que las concentraciones del amonio obtenido durante la desorción es peque(a. Esto pudo )aber sucedido, porque el lujo de entrada de aire era mayor que lujo de entrada de la solución, y el tiempo de contacto entre las dos ases era muy corto lo cual no permitía una buena absorción del amoniaco. CONCLUSIÓN
'a desorción es una operación unitaria muy importante a ni!el industrial debido a la gran !ariedad de usos y aplicaciones que tiene en las di!ersas acti!idades industriales, sobre todo en la de puriicación ecológica del agua de procesos, o en el proceso de destilación del petróleo, etc. 'a orma y el tipo del relleno dependen del líquido y gas a utilizar. 4ay que recalcar que el relleno tiene como característica undamental la no reacti!idad 0son inertes1. El proceso de alimentación de la torre empaquetada de desorción es generalmente es ele!ado a contracorriente, es decir la solución liquida entra por la parte superior de la torre, y el gas que absorber# al elemento a separar entrar# por la parte inerior de la torre y así la solución !iene de arriba a abajo y el gas se mue!e de abajo a arriba, absorbiendo o desorbiendo el gas deseado. REFERENCIAS
:2uintero, 7. 3++*. Desroción y e%tracción líquido-líquido.onsultado el @5 de Enero del 3+@3. Disponible en& )ttp&QQQ.slides)are.netdian)nedesorcion-y-e%tracionliquidoliquido :7ilarium. 3++8. Desorción t"rmica. onsultado el @5 de Enero del 3+@3. Disponible en& )ttp&QQQ.miliarium.comprontuarioBratamientouelosDesorcionBermica.asp :7azzei. 3++*. onsultado el @5 en&)ttp&mazzei.netesinde%-3F3++.)tml
de
Enero
del
3+@3.
Disponible
:Rordlingo, 3+@@. Desorción. onsultado el @5 de Enero del 3+@3. Disponible en& )ttp&QQQ.multilingualarc)i!e.commaenQiSiesDesorption :)ttp&QQQ.clu-in.orgdoQnloadremedspant)de.pd :)ttp&clu-in.orgdoQnloadcitizens
[email protected] :)ttp&QQQ.c)em.qmul.ac.uSsuracessccscat3T5.)tm
