practica 2 absorcion.edgardo
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LA FUERZA
ARMADA NACIONAL.
UNEFA- NUCLEO ZULIA.
CATEDRA: LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II
INTEGRANTES:
EDGARDO CERVANTES
JOSE ESPINOZA
RONYERICK PERCHE
SECCION: PQV-8E
PROFESORA: MIRIAN RODRIGUEZ.
VIII SEMESTRE DE ING PETROQUIMICA
MARACAIBO, NOVIEMBRE DE 2010.
1
Índice.
2
Introducción……………………………………………Pág. 4
Fundamentos Teóricos………………………………Pág. 5-10
Datos Experimentales Requeridos………………...Pág. 11
Formulas a utilizar para los cálculos a partir de los datos experimentales…………………………………………Pág. 12-13
Descripción del Equipo de Absorción…….Pág. 14-16
Datos Experimentales…………………………………………...Pág. 17
Expresión de los resultados………………………………..Pág. 18-19
Conclusión………………………………………………….....Pág. 20
Recomendaciones……………………………………………Pág. 21
Bibliografía…………………………………………………….Pág. 22
Apéndice 1……………………………………………………….Pág. 23-25
Apéndice 2……………………………………………………….Pág. 26-28
Introducción.
3
La absorción de gases es una operación básica de la ingeniería
química que estudia la separación de uno o más componentes como por
ejemplo NH3 - H2O de una mezcla gaseosa por disolución en un líquido.
Sin embargo en esta operación se efectúa el transporte de materia de los
componentes desde la fase gaseosa a la fase liquida.
Cuando cualquier componente gaseoso absorbido en un líquido se
separa de aquel por medio otro gas (no soluble en agua) se denomina
desorción, es decir, operación contraria a la absorción donde se efectúa el
transporte de materia desde la fase gaseosa a la fase liquida.
Fundamentos Teóricos.
4
1. Concepto de absorción.
Absorción es la operación unitaria que consiste en la separación de uno
o más componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente
líquido con el cual forma solución (un soluto A, o varios solutos, se absorben
de la fase gaseosa y pasan a la líquida). Este proceso implica una difusión
molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto A a través del gas
B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en reposo.
Un ejemplo es la absorción de amoníaco A del aire B por medio de agua
líquida C. Al proceso inverso de la absorción se le llama empobrecimiento o
desabsorción; cuando el gas es aire puro y el líquido es agua pura, el proceso
se llama deshumidificación, la deshumidificación significa extracción de vapor
de agua del aire.
2. Elección del disolvente para la absorción.
Si el propósito principal de la operación de absorción es producir una
solución específica, el disolvente es especificado por la naturaleza del
producto. Si el propósito principal es eliminar algún componente del gas, casi
siempre existe la posibilidad de elección. Por supuesto, el agua es el disolvente
más barato y más completo, pero debe darse considerable importancia a las
siguientes propiedades:
Solubilidad del gas. La solubilidad del gas debe ser elevada, a
fin de aumentar la rapidez de la absorción y disminuir la cantidad
requerida de disolvente. En general, los disolventes de
naturaleza química similar a la del soluto que se va a absorber
proporcionan una buena solubilidad. Para los casos en que son
ideales las soluciones formadas, la solubilidad del gas es la
misma, en fracciones mol, para todos los disolventes. Sin
embargo, es mayor, en fracciones peso, para los disolventes de
bajo peso molecular y deben utilizarse pesos menores de estos
disolventes. Con frecuencia, la reacción química del disolvente
5
con el soluto produce una solubilidad elevada del gas; empero, si
se quiere recuperar el disolvente para volverlo a utilizar, la
reacción debe ser reversible.
Volatilidad. El disolvente debe tener una presión baja de vapor,
puesto que el gas saliente en una operación de absorción
generalmente está saturado con el disolvente y en consecuencia,
puede perderse una gran cantidad. Si es necesario, puede
utilizarse un líquido menos volátil para recuperar la parte
evaporada del primer disolvente.
Corrosión. Los materiales de construcción que se necesitan
para el equipo no deben ser raros o costosos.
Costo. El disolvente debe ser barato, de forma que las pérdidas
no sean costosas, y debe obtenerse fácilmente.
Viscosidad. Se prefiere la viscosidad baja debido a la rapidez en
la absorción, mejores características en la inundación de las
torres de absorción, bajas caídas de presión en el bombeo y
buenas características de transferencia de calor.
Misceláneos. Si es posible, el disolvente no debe ser tóxico, ni
inflamable, debe ser estable químicamente y tener un punto bajo
de congelamiento.
3. Torres Empacadas (o de Relleno).
Las torres empacadas, o torres de relleno, utilizadas para el contacto
continuo del líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a
corriente paralela, son columnas verticales que se han llenado con empaque o
con dispositivos de superficie grande. El líquido se distribuye sobre éstos y
escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone
una gran superficie al contacto con el gas.
El empaque (llamado relleno en España) de la torre debe ofrecer las
siguientes características:
6
Proporcionar una superficie interfacial grande entre el
líquido y el gas. La superficie del empaque por unidad de
volumen de espacio empacado am debe ser grande, pero
no en el sentido microscópico.
Poseer las características deseables del flujo de fluidos.
Esto generalmente significa que el volumen fraccionario
vacío, o fracción de espacio vacío, en el lecho empacado
debe ser grande. El empaque debe permitir el paso de
grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas
secciones transversales de la torre, sin recargo o
inundación; debe ser baja la caída de presión del gas.
Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se
están procesando
Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y
la instalación.
Tener bajo precio.
Los empaques son principalmente de dos tipos, aleatorios y
regulares.
4. Funcionamiento de las columnas de platos
Cada plato constituye una etapa, puesto que sobre el plato
se ponen los fluidos en contacto intimo, ocurre la difusión
interfacial.
El numero de platos teóricos o etapas en equilibrio
depende de lo complicado de la separación
El diámetro de la torre depende de las cantidades de
líquido y gas que fluyen a través de la columna por unidad
de tiempo.
7
Alta eficacia de transferencia de materia (depende de la
calidad y tiempo de contacto). El tiempo de contacto
depende de la laguna liquida sobre cada plato la cual debe
ser profunda y de velocidades relativamente elevadas del
gas.
5. Funcionamiento de las columnas de burbujeo.
Una corriente de gas en forma de pequeñas burbujas, es
introducida en el liquido. Si el diámetro del tanque es
pequeño, el burbujeador localizado en el fondo del tanque
puede ser un simple tubo abierto.
El propósito del burbujeo es poner en contacto el gas
burbujeado con el líquido.
Circulación de las dos fases en contracorriente.
Se utilizan cuando se requiere una caída de presión muy
baja.
6. Funcionamiento de las columnas de aspersión.
El liquido puede atomizarse en una corriente gaseosa por
medio de una boquilla que dispersa al liquido en una
aspersión de gotas.
El flujo puede ser a contracorriente, o en paralelo
Baja caída de presión de gas.
Costo de bombeo de líquido elevado, debido a la caída de
presión por la boquilla atomizadora.
La tendencia del líquido a ser arrastrado por el gas es
considerable.
7. Funcionamiento de las columnas empacadas.
Alternativa a las torres de platos.
Variación continúa de la concentración en toda la torre.
8
Circulación de las dos fases en contracorriente.
Contienen un material de soporte (relleno).
Alta eficacia de transferencia de materia (depende de la
calidad y tiempo de contacto)
Consideraciones de diseño
Especificaciones:
Flujo de gas y liquido, composición, temperatura y presión
Grado de separación deseada
Selección del absorvedor
Presión y temperatura de operación y caída de presión permisible
Mínima cantidad de absorbente
Numero de etapas de equilibrio
Efectos del calor
Equipo requerido
Altura del absorvedor
Diámetro del absorvedor
Consideraciones de diseño
Absorbente debe:
Alto grado de solubilidad para el soluto
Tener baja volatilidad (reduce perdidas del absorbente)
Ser estable (reduce la necesidad de reemplazar el absorbente)
No corrosivo
Baja viscosidad (reduce la caída de presión y requerimiento de bomba)
No toxico- no inflamable
Disponible del proceso (reduce cosos, reduce necesidad de fuentes
externas)
Presión y temperatura de operación:
En general la presión debe ser alta y la temperatura baja en un absorvedor
La presión debe ser baja y la temperatura alta en un proceso de desorción.
9
8. Desorción (Stripping).
La desorción es la operación inversa a la absorción. Es la operación
unitaria en la cual uno o más componentes del líquido se transfieren al gas.
También puede conseguirse aumentando la temperatura.
10
Datos Experimentales Requeridos.
1. Construir la curva de NH3 aire- agua a 20 °C.
2. Interpretar la curva.
3. Determinar el flujo mínimo.
4. Determinar las etapas requeridas para un 125% del flujo mínimo de agua.
5. Para el líquido entra y sale a un desorvedor.
11
Formulas a utilizar para los cálculos a partir de los datos experimentales.
Absorbedor:
1. Calculo de las relaciones molares.
X= x/(1-x)
Y= y/(1-y)
2. Calculo de las fracciones molares.
x=
y=
3. Calculo de (L`/G`)min.
(L`/G`)min=
4. Calculo de (L`/G`)op.
(L`/G`)op=
5. Cantidad de total de agua líquida que entra al sistema.
Ls= L*(1 - x2)
L=
6. Cantidad de NH3 que entra a la corriente.
L – Ls
7. Platos teóricos siendo el reflujo de operación 125% veces el mínimo.
Lop= 125% L`min
12
Desorbedor:
1. Calculo de (G`/L`)min.
(G`/L`)min=
G`min=
2. Calculo de G`op.
G`op= 125% G`min
3. Calculo de Y2 real.
(G`/L`)op=
Y2 real= +Y1
13
Descripción del Equipo
1 columna de absorción, 2 armario de distribución, 3 caudalímetro para NH3,
4 caudalímetro para aire, 5 caudalímetro para disolvente, 6 compresor, 7 esquema
de proceso, 8 bomba (refrigeración), 9 depósito de refrigeración, 10 bombas
(absorción/desorción), 11 grupo frigorífico, 12 cambiador de calor, 13 dispositivo
de calefacción, 14 manómetro de tubo en U, 15 trompa de agua, 16 columna de
Desorción.
14
Las columnas de platos son equipos a contracoriente, en los que el
contacto se hace en discontinuo sobre unos platos que tienen orificios para
el paso de los gases, y un vertedero para transferir el líquido de plato a
plato, de manera que los gases ascienden burbujeando por los orificios.
Los separadores de venturi provocan una aceleración del gas
mediante un estrechamiento, llamado garganta de venturi, en la que se
produce la mezcla gas-líquido, siendo la velocidad del líquido la que
proporciona la energía para el correcto contacto entre gas residual y
solvente, y aunque el tiempo de residencia es escaso debido a las altas
velocidades, tienen una buena eficiencia en la eliminación de partículas.
Estos equipos presentan una gran pérdida de presión y debido al escaso
tiempo de residencia sólo es aplicable a gases de alta solubilidad.
Las columnas de relleno a contracorriente, en las que nos centramos
en este apartado, son equipos cilíndricos que contienen en su interior un
relleno cuyo objetivo es maximizar el área de contacto entre gas y líquido.
Las torres empacadas tienen eficiencias de remonición de gases más altas
que otros equipos manejando caudales de gas residual más altos y menor
cantidad de líquido de limpieza, aunque las pérdidas de presión son altas y
los costos del equipo, de operación y de mantenimiento también pueden ser
bastante altos.
Estructura de una columna de relleno, y tipos de relleno
15
Características de los rellenos de columnas de absorción:
Químicamente inerte frente a los fluidos de la torre.
Resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo.
Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retención de
líquido o caída de presión.
Proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas.
Coste razonable
Diseño:
Para el diseño de una columna de relleno debemos tener en cuenta
conseguir el máximo de transferencia del contaminante con el mínimo
consumo de energía y tamaño de la columna. El cálculo principal en el
diseño de la columna es la altura de relleno necesaria para conseguir la
transferencia de contaminante al líquido deseado, en función del equilibrio
que tenga entre gas y líquido. Aunque existen otros parámetros
16
importantes, como son el diámetro de la columna, los caudales de gas
residual y líquido, el tipo de relleno y la pérdida de presión.
Datos Experimentales.
T= 20 °C
P= 1 atm
Composición NH3 (ent)= 10 %v
Composición NH3 (sal)= 1 %v
Aire= 10 Kmol/s
Tabla N°1: Datos Iniciales.
Solubilidad del NH3en agua P NH3 (mm Hg)
40 470
30 298
25 227
20 166
15 114
10 69.6
7.2 50
5 31.7
17
4 24.9
3 18.2
2 12
Expresión de Resultados.
Absorvedor:
1. Calculo de las fracciones molares.
x= 0.2975
y= 0.6184
2. Calculo de las relaciones molares.
X= 0.4234
Y= 1.6205
A partir de los datos iniciales tenemos:
Tabla N°2:
Solubilidad
en agua
P de NH3
en mmHg
x y X Y
18
40 470 0.2975 0.6184 0.4234 1.6205
30 298 0.2410 0.3921 0.3175 0.6450
25 227 0.2093 0.2986 0.2643 0.4258
20 166 1.1747 0.2184 0.2116 0.2794
15 114 0.1370 0.1894 0.1587 0.1764
10 69.6 0.0957 0.0915 0.1058 0.1008
7.5 50 0.0735 0.0657 0.0793 0.0704
5 31.7 0.0505 0.0417 0.0528 0.0435
4 24.9 0.0406 0.0327 0.0423 0.0338
3 18.2 0.0307 0.0239 0.0316 0.0245
2 12 0.02073 0.0157 0.0211 0.0160
3. Calculo de (L`/G`)min.
(L`/G`)min= 1.12
G= 10 K mol/s
G`= = 11.11 Kmol/s
L`min = 12.44 Kmol/s
4. Cantidad de total de agua líquida que entra al sistema.
L= 12.70 Kmol/s
5. Cantidad de NH3 que entra a la corriente.
L-Ls= 0.26 Kmol/s
6. Platos teóricos siendo el reflujo de operación 125% veces el
mínimo.
Lop= 15.6 Kmol/s
7. Calculo de (L`/G`)op.
X1= 0.092
19
Desorvedor:
1. Calculo de (G`/L`)min.
G`min= 20.52 Kmol/s
2. Calculo de G`op.
G`op= 25.7 Kmol/s
3. Calculo de Y2 real.
Y2real= 0.0644
Conclusión.
Muchos procesos industriales de absorción van acompañados de
una reacción química. Es especialmente común la reacción en el líquido del
componente absorbido y de un reactivo en el líquido absorbente. Algunas
veces, tanto el reactivo como el producto de la reacción son solubles, como
en la absorción del dióxido de carbono en una solución acuosa de
etanolaminas u otras soluciones alcalinas. Por el contrario, los gases de las
calderas que contienen dióxido de azufre pueden ponerse en contacto con
lechadas de piedra caliza en agua, para formar sulfito de calcio insoluble.
La reacción entre el soluto absorbido y un reactivo produce dos hechos
favorables a la rapidez de absorción: (1) la destrucción del soluto absorbido
al formar un compuesto reduce la presión parcial en el equilibrio del soluto
y, en consecuencia, aumenta la diferencia de concentración entre el gas y
20
la interfase; aumenta también la rapidez de absorción; (2) el coeficiente de
transferencia de masa de la fase líquida aumenta en magnitud, lo cual
también contribuye a incrementar la rapidez de absorción. Estos efectos se
han analizado bastante desde el punto de vista teórico, pero se han
verificado experimentalmente poco.
Recomendaciones.
La absorción de gases puede realizarse en una columna equipada con
platos perforados u otros tipos de platos normalmente utilizados en destilación.
Con frecuencia se elige una columna de platos perforados en vez de una columna
de relleno para evitar el problema de la distribución del líquido en una torre de
gran diámetro y disminuir la incertidumbre en el cambio de escala.
Cuando el soluto se absorbe en presencia de concentraciones moderadas o
elevadas en el gas, es preciso considerar diversos factores adicionales en los
cálculos de diseño.
La absorción seguida de reacción química en la fase líquida se utiliza con
frecuencia para lograr una separación más completa de un soluto a partir de una
21
mezcla gaseosa. Por ejemplo, puede utilizarse una disolución ácida diluida para
retirar NH, de corrientes gaseosas, y se utilizan disoluciones básicas para separar
CO, y otros gases ácidos.
Las columnas de relleno se utilizan con frecuencia en destilación, extracción
líquido-líquido y humiditicación, además de absorción de gases.
Bibliografía.
FERRER, José. Fundamentos de Fenómenos de Transporte. Universidad del Zulia..
FOUST, Alan. Principios de Operaciones Unitarias. Segunda edición. Compañía editorial continental. 1998.
-GREENBERG, David. Scott Fractional Distillation System. 1974. Pág 11 y 12.
HIMMELBLAU, David. Principios básicos y cálculos en Ingeniería Química. Sexta edición. Editorial Prentice Hall. 1997.
PERRY. Manual del Ingeniero Químico. Sexta edición. Editorial Mc Graw Hill. 1996.
TREYBAL, Robert. Operaciones de Transferencia de Masa. Segunda edición. Editorial Mc Graw Hill. 2000.
22
Apéndice 1.
Para calcular todos estos datos comenzamos con los parámetros que
conocemos para nuestro caso: las condiciones a las que operará nuestra
columna (P y T), la composición del gas de entrada, el equilibrio del
contaminante entre gas y líquido, la eficiencia que perseguimos en la
separación, las propiedades de los contaminantes y el flujo de gas residual
que queremos tratar.
23
Lo primero es determinar todos los parámetros de entrada y salida de
los fluidos que se muestran en el gráfico anterior en la columna de
separación que se quiere diseñar.
Gi y Go flujo de gas a la entrada y a la salida.
Yi e Yo concentración de contaminante en el gas residual en la
entrada y en la salida de la columna.
La concentración en el gas residual se conoce, y según la eficiencia
deseada del equipo (η), podemos calcular la concentración a la salida:
Li y Lo flujo de solvente entrando y saliendo de la columna
Xi y Xo concentración de solvente en el líquido en la entrada y en la salida de
la columna
24
Ls y Gs expresan los caudales de líquido y gas libres de
contaminante, que son constantes ya que la transferencia de humedad de
la fase líquida a la gas se considera despreciable.
La línea de operación representa la relación de las composiciones
globales de líquido y gas en contacto en cualquier punto de la columna:
25
La curva de equilibrio representa la concentración, a una temperatura
dada, del contaminante en la fase líquida y en la fase gas en el momento en
que se ha alcanzado el equilibrio.
La mínima relación de líquido/gas, para conseguir la transferencia de
contaminante requerida, estaría determinada por la pendiente de la línea
que parte de la concentración de salida del gas y entrante de líquido, y corta
la curva de equilibrio en el punto en que marca la concentración de entrada
de gas. Aunque este es un valor teórico no aplicable, ya que la fuerza
impulsora a la entrada del gas en la columna es 0, al haberse alcanzado la
línea de equilibrio, además es muy baja en el resto de la columna, teniendo
que establecer siempre una relación mayor. Además no se considera la
cantidad de flujo necesaria para mojar todo el empaque, que es necesario
para la adecuada transferencia de materia entre fases. Éste último factor es
muy importante, siendo el nivel mínimo de flujo que se va a utilizar, aunque
el flujo necesario para la separación requerida sea de menor cuantía.
Apéndice 2.
A partir del apéndice y de los datos experimentales procedemos a resolver lo anteriormente escrito.
Absorbedor:
8. Calculo de las fracciones molares.
26
x=
x= 0.2975
y=
y= 0.6184
9. Calculo de las relaciones molares.
X= 0.2975/(1-0.2975)
X= 0.4234
Y= 0.6184/(1-0.6184)
Y= 1.6205
A partir de los datos iniciales tenemos:
Tabla N°2:
Solubilidad
en agua
P de NH3
en mmHg
x y X Y
40 470 0.2975 0.6184 0.4234 1.6205
30 298 0.2410 0.3921 0.3175 0.6450
25 227 0.2093 0.2986 0.2643 0.4258
20 166 1.1747 0.2184 0.2116 0.2794
15 114 0.1370 0.1894 0.1587 0.1764
10 69.6 0.0957 0.0915 0.1058 0.1008
7.5 50 0.0735 0.0657 0.0793 0.0704
5 31.7 0.0505 0.0417 0.0528 0.0435
4 24.9 0.0406 0.0327 0.0423 0.0338
3 18.2 0.0307 0.0239 0.0316 0.0245
2 12 0.02073 0.0157 0.0211 0.0160
10.Calculo de (L`/G`)min.
27
(L`/G`)min=
(L`/G`)min= 1.12
G= 10 K mol/s
G= G` (1-y1)
G`=
G`= = 11.11 Kmol/s
L`min= 1.12*G`min
L`min= 1.12*11.11 Kmol/s = 12.44 Kmol/s
11.Cantidad de total de agua líquida que entra al sistema.
L=
L= 12.70 Kmol/s
12.Cantidad de NH3 que entra a la corriente.
12.70 Kmol/s – 12.44Kmol/s
L-Ls= 0.26 Kmol/s
13.Platos teóricos siendo el reflujo de operación 125% veces el
mínimo.
Lop= 1.25*12.44 Kmol/s
Lop= 15.6 Kmol/s
14.Calculo de (L`/G`)op.
(L`/G`)op=
X1=
28
X1= 0.092
Desorvedor:
4. Calculo de (G`/L`)min.
(G`/L`)min=
G`min=
G`min= 20.52 Kmol/s
5. Calculo de G`op.
G`op= 1.25*20.52 Kmol/s
G`op= 25.7 Kmol/s
6. Calculo de Y2 real.
(G`/L`)op=
Y2 real= +0.0160
Y2real= 0.0644
29
30