Laboratorio de Ingeniera Qumica II

INDICE

INTRODUCCION 2OBETIVOS 3MARCO TEORICO 3EQUIPOS Y MATERIALES5PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL6DATOS EXPERIMENTALES7RESULTADOS OBTENIDOS Y CALCULOS EFECTUADOS8CONCLUSIONES 16BIBLIOGRAFIA CONSULTADA Y REFERENCIAS 16 ANEXOS 17

1. INTRODUCCIN

La absorcin gaseosa constituye una operacin de transferencia de masa desde la fase gaseosa a una fase lquida al ponerse estas en contacto; con el propsito de disolver los componentes del gas soluble en el lquido y lograr la separacin de la fase lquida y los dems componentes del gas no solubles, esta operacin es bsica en Ingeniera Qumica. La operacin inversa se llama desorcin y corresponde a la transferencia de masa desde la fase lquida a la fase gaseosa una vez que estas entran en contacto.

Generalmente, estas operaciones slo se utilizan para la recuperacin o eliminacin del soluto. Una buena separacin de solutos entre si, exige tcnicas de destilacin fraccionada. La eliminacin de una o ms sustancias de una mezcla de gases por absorcin en un lquido adecuado es la segunda operacin en cuanto a frecuencia en la industria qumica, slo por detrs de la rectificacin. Se trata de una operacin de transferencia de materia controlada por la difusin de materia

I. OBJETIVOS

Familiarizar al estudiante con el proceso de absorcin empacada logrando operar uno de estos equipos a escala piloto.

Medir la absorcin de CO2 en solucin acuosa de NaOH mediante el anlisis de la fase liquida.

II. MARCO TEORICO

ABSORCIN

Operacin en el cual una mezcla de gases entra en contacto con un solvente (disolvente) lquido y uno o varios componentes del gas se disuelven en dicho lquido. Para que la operacin unitaria se lleve a cabo tiene que existir una fuerza motriz que facilite el movimiento de la materia, y adems de algunas otras condiciones bsicas para que el proceso posea el mayor rendimiento posible, estas pueden ser: Las concentraciones del componente a recuperar (Soluto) en ambas fases deben ser desiguales; es decir, la concentracin del soluto en la fase gaseosa debe ser sustancialmente mayor que la existente en la fase lquida, o viceversa si el proceso se tratase de desorcin. El (los) lquido (s) empleado (s) no debe (n) vaporizarse y debe (n) ser selectivo (s) con un componente gaseoso especfico de dicha corriente. El proceso de absorcin se emplea como apoyo a la destilacin porque en la generalidad de los casos se trabaja con concentraciones muy pequeas de las sustancias constitutivas del sistema unitario. El componente gaseoso deseado debe ser altamente soluble en el lquido absorbente. El lquido ha de tener una presin de vapor baja, es decir una baja volatilidad. El solvente (Lquido) ha de ser muy poco corrosivo, para garantizar la durabilidad del proceso, econmico, de fcil adquisicin y de baja viscosidad.

TORRES EMPACADAS

Las torres empacadas se usan para el contacto continuo a contracorriente de un gas y un lquido en la absorcin y tambin para el contacto de un vapor y un lquido en la destilacin. La torre generalmente consiste en una columna cilndrica que contiene una entrada de gas y un espacio de distribucin en el fondo, una entrada de lquido y un dispositivo de distribucin en la parte superior, una salida de gas en la parte superior, una salida de lquido en el fondo y el empaque o relleno de la torre. El gas entra en el espacio de distribucin que est debajo de la seccin empacada y se va elevando a travs de las aberturas o intersticios del relleno, as se pone en contacto con el lquido descendente que fluye a travs de las mismas aberturas. El empaque proporciona una extensa rea de contacto ntimo entre el gas y el lquido.

Este equipo tambin se conoce como el contactador GAS-LIQUIDO que opera en forma continua. Las empaquetaduras ms usadas son:

Anillos Rashing. Anillos Pall. Anillos de lessing. Silla de montar de Berl. Silla de montar de Sulzor, etc.

SOLUBILIDAD

La velocidad a la que un componente de una mezcla gaseosa se disuelve en un absorbente (o se desorbe de un lquido) depende de la diferencia de concentracin con respecto a la de equilibrio, esa representa la fuerza motriz que determina esta operacin unitaria. As pues es necesario considerar las caractersticas del equilibrio lquido-gas. La solubilidad de un gas en un lquido, a una temperatura dada, aumenta con la presin. Si la presin de equilibrio de un gas a una determinada concentracin en la fase lquida es alta, se dice que el gas es relativamente insoluble en el lquido (Es el caso del dixido de azufre), mientras que si es baja, se dice que es muy soluble (Como ocurre con el cloruro de hidrgeno). Aunque estos son siempre trminos relativos; ya que, en principio, resultara posible alcanzar cualquier concentracin del gas en el lquido aumentando lo suficiente la presin, y siempre que el gas licuado fuera totalmente miscible con el absorbente. La solubilidad de cualquier gas est influenciada por la temperatura de acuerdo con la ley de Vant Hoff: si la temperatura de un sistema en equilibrio se aumenta, el sistema debe evolucionar de forma que absorba calor. Normalmente, aunque no siempre, la disolucin de gases es un proceso exotrmico y por tanto, la solubilidad de los gases decrece al aumentar la temperatura.

EQUIPOS Y MATERIALES

Equipo Torre de Absorcin

Figura N01

Fuente: Propia

Figura N02

Fuente: Propia

Probeta

Cronmetro

Vaso de precipitado

Hidrxido de sodio

Equipo de titulacin

Laboratorio de Ingeniera Qumica IIPrctica N 12: Absorcin de Gases

3

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

a) Preparamos 500 ml de una solucin 0.03 M de NaOH. b) Llenamos el tanque hasta 3/4 de su nivel con agua, de preferencia desionizada y adicionamos el hielo para bajar la temperatura.c) Encendemos la bomba G1 y regulamos el caudal de agua a 200 litros/h. d) Encendemos el compresor P1 y regulamos el caudal de aire a 30 litros/minuto.e) Abrir lentamente la vlvula del CO2 y regular el caudal a 15 litros/min.f) Despus de 15 minutos, en condiciones estacionarias, tomar una muestra de 150 ml del lquido salida del fondo de la columna. g) Medir 100 ml de la muestra y titular con la solucin de NaOH.

DATOS EXPERIMENTALES

Tabla N011 medicin2 medicin3 medicin

Volumen de muestra CO2 (ml)505050

Volumen NaOH gastado (ml)18.520.524.5

Caudal CO2 (L/min)151515

Caudal de H2O (L/h)200200200

Caudal aire (L/min)303030

Fuente: Propia

Solubilidad del CO2 (CONSTANTES DE HENRY)

Tabla N02T(C)10-3H (atm/fm)

00.728

101.04

201.42

301.86

402.33

502.83

603.41

Fuente: JOHN. H. PERRY Manual del Ingeniero Qumico Tomo II. 3ra edicin. Pag 1046

RESULTADOS OBTENIDOS Y CLCULOS EFECTUADOS

Con los datos de la tabla N2, se puede hallar un modelo matemtico que describe la curva.

Figura N03

Fuente: Propia

Haciendo una regresin polinmica de grado 6 obtenemos la siguiente ecuacin que describe a la curva:y = -4E-11x6 + 1E-08x5 - 9E-07x4 + 3E-05x3 - 6E-05x2 + 0.0297x + 0.728Dnde:x= TemperaturaY=constante de Henry (H)Reemplazamos para una temperatura de 15C:y = -4E-11(15)6 + 1E-08(15)5 - 9E-07(15)4 + 3E-05(15)3 - 6E-05(15)2 + 0.0297(15) + 0.728H= 1.2228256 * 103 = 1222.825625 Por balance de materia:LSX2 + GSy1= LSX1 + GSy2

=Donde X2=0 =Como tenemos en las tres mediciones el mismo caudal de aire y agua procedemos a calcular el LS y GS para las 3 mediciones:De los datos de la medicin:Tomando en cuenta que el agua a 15C tiene una densidad de 999.19 Kg/m3LS = 200 999.19LS = 184.8298 mol agua/min

GS=30 GS=1.2696 mol aire/minEntonces reemplazando: Clculo de la relacin LS/ GS utilizada: == 145.5811 molH20/mol AIRE145.5811 molH20/mol AIRE = Los valores de X1, Y1 y Y2 se calcularn para cada medicin.Ahora, segn la ley de Henry:P=HxyPT=Hxy=xy =xEntonces la curva de equilibrioY= 1222.8256 xY = mx= mY= m()+ m()YY=DerivandoY=Y=EvaluandoY=> 0Se deduce por el mtodo analtico que la curva es cncava hacia arriba, por lo tanto:X1max=X1max=Para la primera medicin:Y1= 15mol CO2/ 30 mol aireY1 =0.5

Clculo de la concentracin del lquido de salida:VNaOH CNaOH=VCO2 CCO2CCO2= CCO2=CCO2=0.0185 MPara hallar x1 y X1 utilizamos la siguiente ecuacin:C1= %Peso= Dado que se puede observar que se trata de un sistema muy diluido se puede aproximar que:soluc agua%Peso= %Peso= 0.081466%x1=

x1= x1 =3.505*10^-4

X1 =X1 =X1 = 3.50623mol CO2/ mol H2OReemplazamos en la ecuacin del balance: =

= Y2= 0.44896 Concentracin del gas de salidaY2= Y2= Y2= 0.3098 mol CO2/ moles totales Clculo de la relacin LS min / Gs =Como sabemos que:Y1= 0.5 mol CO2/ mol AireReemplazamos X1 mx. Ser:X1max=X1max=2.725910-4 ==187.2409 mol H2O/ mol Aire Clculo de la relacin LS mn:LS mn=187.2409 1.2696LS mn=4.2872 L/minPara la segunda medicin:Y1= 15mol CO2/ 30 mol aireY1 =0.5 Clculo de la concentracin del lquido de salida:VNaOH CNaOH=VCO2 CCO2CCO2= CCO2=CCO2=0.0205 MPara hallar x1 y X1 utilizamos la siguiente ecuacin:C1= %Peso= Dado que se puede observar que se trata de un sistema muy diluido se puede aproximar que:soluc agua%Peso= %Peso= 0.09027%x1=

x1= x1 =3.9051*10^-4

X1=X1=X1 = 3.9066mol CO2/ mol H2OReemplazamos en la ecuacin del balance: == Y2= 0.4431 Concentracin del gas de salidaY2= Y2= Y2= 0.30706 mol CO2/ moles totales Clculo de la relacin LS min / Gs =Como sabemos que:Y1= 0.5 mol CO2/ mol AireReemplazamos X1 mx. Ser:X1max=X1max=2.725910-4 ==208.7384 mol H2O/ mol Aire

Clculo de la relacin LS mn:LS mn=208.7384 1.2696LS mn=4.7794 L/minPara la tercera medicin:Y1= 15mol CO2/ 30 mol aireY1 =0.5 Clculo de la concentracin del lquido de salida:VNaOH CNaOH=VCO2 CCO2CCO2= CCO2=CCO2=0.0245 MPara hallar x1 y X1 utilizamos la siguiente ecuacin:C1= %Peso= Dado que se puede observar que se trata de un sistema muy diluido se puede aproximar que:soluc agua%Peso= %Peso= 0.10788%x1=

x1= x1 =4.71875*10^-4

X1=X1=X1 = 4.72097 mol CO2/ mol H2OReemplazamos en la ecuacin del balance: =

= Y2= 0.43127 Concentracin del gas de salidaY2= Y2= Y2= 0.30132 mol CO2/ moles totales Clculo de la relacin LS min / Gs =Como sabemos que:Y1= 0.5 mol CO2/ mol Aire

Reemplazamos X1 mx. Ser:X1max=X1max=2.725910-4 ==252.1369 mol H2O/ mol Aire Clculo de la relacin LS mn:LS mn=252.1369 1.2696LS mn=5.7731 L/min

Tabla N031 medicin2 medicin3 medicin

Y10.50.50.5

X1(mol CO2/ mol H2O)3.50623*10-43.9066*10-44.72097 *10-4

Y2(mol CO2/ moles totales)0.30980.307060.30132

X1max2.725910-42.725910-42.725910-4

Lsmin/Gs(mol H2O/ mol Aire)187.2409208.7384252.1369

Lsmin (L/min)4.28724.77945.7731

Fuente: Propia

CONCLUSIONES

El mtodo experimental permite hallar la concentracion de CO2 absorbido por el agua. La concentracion de CO2 en la corriente liquida de salida aumenta ligeramente con el tiempo. Se comprueba la transferencia de masa entre las fases.

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA Y REFERENCIAS

Curso de ingeniera qumica: introduccin a los procesos, las operaciones.

Ingenieria Quimica Operaciones Basicas por Warren L. MacCabe,Julian C. Smith.

Operaciones de transferencia de masa-Roberth E. Treybal.

http://iqtma.uva.es/fentrans/Notas%20de%20Clase/NotasClase%20(F.Sobron)/FT05%20Difusividad.pdf

http://tesis.bnct.ipn.mx/dspace/handle/123456789/10695

ANEXO

Un equipo de cientficos europeos coordinados por investigadores del Instituto de Tecnologa Qumica (CSIC-UPV) han sintetizado compuestos metalorgnicosaltamente porosos en nanolminas, que incorporadas a una matriz polimrica han dado como resultado un material mixto con excelentes propiedades para la separacin de gases.

Investigadores delInstituto de Tecnologa Qumica (ITQ), un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Cientficas (CSIC) y la Universidad Politcnica de Valencia, han desarrollado una nueva tecnologa para laseparacin de gasesmediante membranas. El trabajo se publica en el ltimo nmero de la revistaNature Materials.

Lasmembranas de compuestos ultrafinoso nanolminas son nanoestructuras de dos dimensiones que tienen un gran potencial como componentes funcionales en campos como la optoelectrnica, el almacenamiento de energa y la separacin de gases. El empleo de compuestos metalorgnicos (MOF, por sus siglas en ingls) altamente porosos en la preparacin de las nanolminas podra ampliar el alcance de su funcionalidad.

Los MOF son compuestos con presencia de enlaces entre tomos de metal y molculas orgnicas connumerosas aplicaciones industriales. Sin embargo, sintetizar MOF en forma de nanolminas autosoportadas resulta todava complicado.

Avelino Corma, investigador del ITQ,explica: Lo que hemos hecho para solucionar el problema del soporte de la nanolmina de MOF ha sido incorporarla en una matriz polimrica. Las pruebas de tomografa que hemos realizado posteriormente empleando el microscopio de haz de iones focalizados han revelado que el material mixto resultante posee unaspropiedades excelentes para la separacin de gases, as como un inusual y altamente beneficioso aumento de la selectividad de separacin con la presin.Nuestro enfoque para la sntesis de nanolminas de MOF en matrices polimricas se puede ampliar a otras estructuras de MOF, abriendo nuevas posibilidades para lacreacin de materiales compuestos ultrafinoscon aplicaciones en numerosos sectores industriales, seala Francesc Llabrs, tambin investigador del ITQ.VENTAJASEl uso de membranas para la separacin de gases presenta una serie deventajas frente a otras tecnologas alternativas, como la destilacin criognica, condensacin o absorcin con aminas, que requieren por lo general un cambio de fase de gas a lquido de la mezcla de gases que se quiere separar y que supone un coste energtico adicional muy importante.Adems, el uso de membranas para separacin de gases permite construir unidades de menor tamao que el de otro tipo de instalaciones, como las de extraccin con aminas, por lo quesu impacto ambiental es tambin menor.En este trabajo tambin han participado investigadores de los grupos Catalysis Engineering, del Kavli Institute of Nanoscience de la Universidad Tcnica de Delft (Pases Bajos) y del Max Planck Institut fr Kohlenforschung (Alemania).Fuente: http://www.residuosprofesional.com