UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA
LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA I.Q. Juan Antonio Arzate Salgado
PRACTICA 15 Absorción de CO2 en Dietanolamina
GRUPO 75 Diego Espino Castillo Mónica Ensastegui Vázquez Ozmara Angélica Ortiz Orozco Javier Sánchez Serrano Víctor Manuel Torres García
23-Nov-10
Practica 15 Absorción de CO2 en Dietanolamina Objetivos o
Operar experimentalmente una torre empacada en un proceso de absorción de un componente gaseoso (CO2) en una fase líquida (Dietanolamina)
o
Determinar el número y altura de las unidades de transferencia de masa, así como los coeficientes globales de transferencia de masa.
Introducción 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 difusión al contacto de fase tales como la adsorción y la destilación. Para llevar a cabo estas operaciones se requiere de una columna; la cual 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: 1. 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. 2. 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. 3. 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
Material y Equipo o o o o o o
Torre de absorción empacada Probeta de 1 litro Analizador de Gases Dietanolamina Agua CO2
Diagrama de Equipo
Figura 1. Diagrama DTI de la Torre de Absorción Empacada
Figura 2. Diagrama de la Torre de Absorción Empacada
Metodología 1. Preparar el equipo para iniciar operación (ver manual de operación) 2. Preparar la solución de Dietanolamina con agua al 20% 3. Realizar corridas variando el flujo de la mezcla líquida (agua-Dietanolamina) y manteniendo fijo de fase gaseosa (aire-CO2) 4. En cada una de las corridas registrar las lecturas de los rotámetros que están alimentando el aire y el CO2 para determinar la composición de la mezcla gaseosa. 5. Estabilizar el proceso y registrar temperaturas de fase líquida y composición en CO2 de la fase gaseosa a la salida de la columna con el analizador de gases 6. Registrar los datos y resultados experimentales
Datos experimentales
Válvula
Flujo de Agua
Flujo de , lb/hr @ 77°F y 7kg/cm2
% Volumen de
Flujo de Aire, lb/hr @ 77°F
Cerrada Abierta Abierta Abierta Abierta
2 inHg 2 inHg 4 inHg 6 inHg 8 inHg
0 24 24 24 24
0 7.25 7.5 7.5 7.5
195 155 165 165 160
Tabla 1. Datos Experimentales
Relaciones mol
X
Y
0.1 0.2 0.3 0.4 0.45 0.5
Tabla 2. Curva de Equilibrio CO 2-DEA
0.005 0.0042 0.0159 0.0535 0.0882 0.1885
Fracciones Masa x
y
0.04021938 0.07732865 0.11167513 0.14355628 0.15865385 0.17322835
0.0007429 0.00633206 0.02350813 0.0750353 0.11798738 0.2224253
Componente
Peso Molecular, g/gmol
Dióxido de Carbono, CO2 Dietanolamina, DEA Aire
44 105 29
Tabla 3. Pesos moleculares de lo s componentes
Memoria de Cálculo El flujo de los inertes, el aire es:
√ ⁄ ⁄
Para el caudal del líquido inerte:
Donde:
= Caudal del Líquido,
= Coeficiente de orificio o coeficiente de descarga para el caudal. Este
coeficiente varía de 0.6 a 0.62 para orificios concéntricos y si el Número de Reynolds es mayor de 20 000; en este caso el fluido esta en estado turbulento. Para efectos de la práctica se tomará un valor promedio de 0.61
= Caída de Presión del barómetro mercurio, mmHg
= Diámetro de orificio, 0.155 in = 0.003937 m = Diámetro de la tubería, Tamaño Nominal 1”, d int erior = 1.049 in = 0.0266446
m
= aceleración gravitacional, 9.81 m/s
2 3
= densidad del líquido @ 17°C = 998.8 Kg/m
Para el flujo de 2 inHg:
√ ⁄ Con
Para
, se suman los flujos de
y aire:
La composición
:
G´G´´ G1 G´ y A G´´ y A G1 y A G´0 24
lb
h y A 0.134 Para la composición
lb
1 179 y A h
, es necesario obtenerla en fracción en m asa:
() ( ) () Se obtiene
despejando de la ecuación de operación:
Despejando:
Para las otras corrientes L1 y G2:
Localizando los datos en el diagrama:
Solución DEA al
Aire/CO2
20% en masa
T = 17°C P = 558 mmHg A = CO2
DEA/H2O/CO2
Aire/CO2
Cálculo de
:
G´ G 2 1 y A2 G 2 L´ L1 1 x A1 L1 G prom L prom
G1 G 2 2 L1 L2 2
G´ 1 y A2 L´
1 x A1
0.01953 1 0.106
0.027223 1 0.02534
0.022554 0.021846
2 0.027931 0.0272233 2
0.021846
kg
0.027931
kg
0.02219
s s
kg s
0.0275772
kg s
Calculo de coeficiente de difusión de CO2 en DEA: 1
DCO 2 DEA 1.173 10 6 M B B 1.09
g cm
M B 105.14
1090
3
kg m3
T
2
B V A
0 .6
.........3
.....1
kg
......1 kmol
B 431.32cp 0.43132
kg m s
......2
1.0.........3 T 17C 290 K V A 40.0148 110.0037 0.0105 20.0074 0.1252
m3 kg mol
Sustituyendo datos en DCO 2 DEA , tenemos : 1
DCO 2 DEA 1.173 10
6
1.0 105.14
298
2
0.43132 0.12520.6
0.02813
m2 s
De Tabla A.3.3, pp 955 [3]. Obtenemos el valor del coeficiente de difusión de CO2 en Aire: DCO2 aire 0.153951 10 4
s
kg
aire 1.81 10 5 aire 1.21858
m2
m s kg
m3
Calculo de HG:
N SC
1.81 10 5
DCO2 aire
kg m s
kg m 0.153951 10 4 3 s m 2
1.21858
0.96481
De tabla 10.8 - 1, para anillos Rasching de 1 in, tenemos: 0.557, 0.32, H G G y G x N SC
0.51 0.5
0.557G y
0.32
G x
0.51
0.96481 0.54711G 0.5
y
0.32
G x
0.51
m
Calculo de HL:
N SC
0.43132
DCO2 DEA
kg m s
kg m 2 1090 3 0.028133 s m
0.014065
De tabla 10.8 - 2, para anillos Rasching de 1 in, tenemos: 2.35 10 3 , 0.22
G G x 0.5 H L x N SC 2.35 10 3 0.43132 L
0.22
0.0140670.5 3.35343 10 4 G x 0.22 m
Calculo de k´ya:
k ´ ý a
V H G S
179
G1 H G S
lb 0.45359237kg 1h h 1lb 3600 s
0.54711G y
0.32
G x
0.51
0.023208m 2
1.7762429G x
0.51
G y
0.32
Calculo de k´xa:
k ´ x a
L H L S
L 2 H L S
0.0272233
kg
kg 0.22 s 3497 . 9514 G x 0.22 3 m s 3.35343 10 4 G x 0.023208 m 2
Utilizando la ecuación de diseño para soluciones concentradas:
∫ Empleando el método numérico del trapecio:
[]∑
kg m 3 s
Junto con la curva de equilibrio: 0.25
y = 0.0002e14.022x R² = 0.988
0.2 y , a s 0.15 a m n ó i c 0.1 c a r f
0.05 0 0
0.05
0.1
0.15
0.2
fracción masa, x
Se obtiene la siguiente tabla para el flujo de 2 inHg de la disolución DEA:
Puntos
n
Ya
Xa
G
L
Gy
Gx
ky'a
kx'a
ya*
P0
0
0.106
0
0.022
0.027
0.938
1.173
1.96675
3377.38415
0.0002
P1
1
0.112
0.0050
0.022
0.027
0.944
1.179
1.96786
3373.63267
0.00021464
P2
2
0.117
0.0101
0.022
0.028
0.950
1.185
1.96897
3369.86634
0.00023036
P3
3
0.123
0.0151
0.022
0.028
0.956
1.191
1.97009
3366.08503
0.00024722
P4
4
0.128
0.0202
0.022
0.028
0.962
1.197
1.97120
3362.28859
0.00026532
P5
5
0.134
0.0252
0.023
0.028
0.968
1.203
1.97232
3358.47463
0.00028476
Promedio Gy
0.953
Tabla 4. Cálculos para 2 inHg
H
Ky'a
(1-ya)
(1-ya)*M
(ya-ya*)
f(ya)
h
hf(ya)
0.00281455
1.96674192
0.894
0.9459
0.10580
10.001
1
10.0006562
0.00290585
1.96785453
0.8884
0.9430
0.11139
9.530
2
19.0591463
0.003118596
1.96896835
0.8828
0.9401
0.11697
9.104
2
18.2077281
0.003346917
1.97008345
0.8772
0.9371
0.12255
8.717
2
17.4346508
0.003591955
1.97119977
0.8716
0.9342
0.12813
8.365
2
16.7296731
0.003855014
1.97232034
0.866
0.9313
0.13372
8.042
1
8.04213408
sumatoria
89.4739887
Prom de K'ya
1.96952806
Tabla 5. Cálculos para 2 inHg
Resultados Nt0G
0.25052717
Ht0G, m
9.49996767
Z, m
2.38
Tabla 6. Resultados para 2 inHg
Se repiten los cálculos para la corrida de
4 inHg.
2
Donde S es el área de sección transversal = 0.023298 m
() () () ( )( )
Para las composiciones de exponencial. Localizando una
, se utiliza la regresión de la curva de equilibrio, en este caso
para cada
respectiva.
Resultados Flujo de agua,
Flujo de agua,
Flujo del Gas,
2 4
0.027325 0.038644
0.022554 0.023814
,m
Z, m
9.49996767 0.25052717 2.38 15.09084 0.1577116 2.38
Tabla 7. Resultados
Discusión de Resultados Los cálculos fueron realizados para las primeras dos corridas, en las cuales hubo un cambio en el porcentaje de concentración de CO 2 Los resultados muestran que el número de unidades de transferencia para ambas corridas, son menores a la unidad, esto puede deberse a que la curva de equilibrio del sistema es *
exponencial, y a magnitudes de x entre 0 y 0.055, la fuerza impulsora y-y es mínima, es decir, no hay cambios de concentración para la fase gaseosa, debido a la resistencia de transferencia de masa del fluido gaseoso. De modo que, a un número de unidades de transferencia pequeños les corresponden alturas globales grandes para poder conseguir un cambio de concentración igual a la fuerza impulsora promedio existente en la sección empacada. La tendencia muestra que a mayor sea el flujo del líquido, la altura de las unidades de transferencia serán mayores e inversamente proporcionales al número de unidades de transferencia a fin de lograr una mayor absorción del CO2. Ahora bien, los resultados podrían haber sido más satisfactorios si se hubiese considerado una reacción química en la fase líquida para lograr una separación más completa de un soluto a partir de una mezcla gaseosa, en este caso de CO2-Aire
Conclusiones o
A mayor flujo de la disolución de DEA, mayor es la absorción del CO2
o
Se requieren grandes alturas de unidades de transferencia para lograr la absorción en la sección del empaque.
Bibliografía o
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Smith, J. M., Van Ness, H. C., & Abbott, M. M. (2007). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. San Diego: McGraw-Hill.
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Treybal, R. E. (1988). Operaciones de Transferencia de Masa. Mexico: McGraw-Hill.
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