TORRE DE ABSORCIN MANUAL DE OPERACIN Carlos Andrs Bustamante, lvaro Javier Hernndez, Jos David Daza Torres. 1. OBJETIVOS General Calcular la altura de la torre de absorcin. Especficos y y y y Entender previamente el fenmeno de transferencia del equipo. Comprender el funcionamiento del equipo identificando su distribucin mecnica y de instrumentacin. Identificar los flujos de proceso y de servicio, analizando su funcin en el proceso. Medir, calcular y analizar las variables caractersticas involucradas en el sistema.

DESCRIPCIN, DIBUJO Y ANLISIS DE LA INSTRUMENTACIN DEL EQUIPO (BOCETO)

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TABLERO DE CONTROL

2. DESCRIPCIN DE LA INSTRUMENTACIN DEL EQUIPO (1) Torre de absorcin: Cilindro en latn rojo de 8.625 de dimetro externo, 8.53 de dimetro interno, de 8 de altura total y 80 de empaquetadura en anillos Rasching de 1 en porcelana. Esta acondicionada con tubera para flujo de agua, medidor de cada de presin y medidor de vacio, adems cuenta con visores para verificar el nivel de la mezcla. (2) Torre de humidificacin: Cilindro en latn rojo de 8.625 de dimetro externo, 8.53 de dimetro interno, de 4 de altura total y 32 de empaquetadura en anillos Rasching de 1 en porcelana. Esta acondicionada con tubera para entrada y salida de agua y aire, y adems cuenta con visores para verificar el nivel de la mezcla.

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(3) Caldern: Tanque para el almacenamiento de acetona, de 5 galones de capacidad. Provisto de resistencias elctricas para calentamiento, grifo para descarga y termmetro de caratula (T5) para la medida de vaporizacin de la acetona. A la salida del tanque hay una placa de orificio (regular flujo de evaporizacin de la acetona). (4) Compresor: Lbulos con motor (5) de 1.5 H.P, 1725 r.p.m., temperatura mxima de resistencia 40oC, voltaje 115 V, amperaje 21 A, para introducir el aire a la torre de humidificacin; adems cuenta con un filtro de aire (6) (mallas metlicas) para liberarlo de impurezas. La regulacin del caudal se hace por medio de una vlvula de purga colocada en la salida del soplador (V5). (R1) Rotmetro: Utilizado para medir la rapidez de entrada de agua a la torre de humidificacin y regulado por medio de la vlvula (V2). (R2) Rotmetro: Utilizado para medir la rapidez de entrada del agua a la torre de absorcin y regulado por medio de la vlvula (V4). Conexin de vaco: Se hace vacio por medio de la bomba Nash-Hytor para ser utilizado en la toma de las muestras gaseosas en la parte superior de la torre de absorcin. El equipo cuenta con una vlvula (V7) que acciona el vacio en el sistema. (PV) Vacumetro: Colocado al lado izquierdo del tablero. Sirve para medir el vacio en el tanque para toma de la muestra. (T) Indicador de temperatura: Tablero de control de temperatura. Observando el diagrama del equipo se denotan las zonas donde se mide la temperatura, desde (T1) a (T7).

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Donde: y y y y y y y Termocupla1 (T1): Temperatura de entrada del agua de alimentacin en la parte superior de la torre de absorcin. Termocupla2 (T2): Medida de la temperatura de entrada de la mezcla acetona-aire hmeda (mezcla gaseosa) en la base de la torre de absorcin. Termocupla3 (T3): Temperatura de salida del agua de la torre de absorcin (T de la muestra liquida). Termocupla4 (T4): Temperatura de entrada de flujo de aire a la torre de humidificacin. Termocupla5 (T5): Temperatura de vaporizacin de la mezcla acetona en el caldern. Termocupla6 (T6): Temperatura de entrada de aire al medidor Thomas. Termocupla7 (T7): Temperatura de salida del aire al medidor Thomas.

Interruptores (energizadores): C: Energiza las resistencias del caldern para calentar la acetona. TH: Medidor de Thomas. Energiza el indicador de temperatura. S: Energiza el soplador, midiendo el voltaje y amperaje. (RP) Restato: Regula el voltaje y el amperaje en el sistema elctrico del motor para el flujo del soplador. (D) Manmetro diferencial: Tubo de vidrio en U, mide la cada de presin en la torre de absorcin en el momento de tomar las muestras gaseosas. Vlvulas: Algunas son vlvulas de compuerta (no tienen gua), otras son vlvulas de globo (tienen gua) y otras vlvulas de bola: y y Vlvula 1 (V1): Regula la entrada del flujo de vapor de agua al intercambiador de calor (vlvula de globo). Vlvula 2 (V2): Regula la entrada de flujo de agua a la torre de humidificacin (vlvula de compuerta).

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y y y y y y y y y y y y y

Vlvula 3 (V3): Regula la entrada de flujo de agua (vlvula de compuerta) a la torre de humidificacin. Vlvula 4 (V4): Regula la entrada de flujo de agua a la torre de absorcin (vlvula de compuerta). Vlvula 5 (V5): Regula el flujo de entrada de aire ubicada en el soplador (vlvula de compuerta). Vlvula 6 (V6): Regula la entrada de vapor en el calentador de agua (vlvula de bola). Vlvula 7 (V7): Regula el vacio en el sistema (vlvula de bola). Vlvula 8 (V8): Regula la entrada de agua a todo el sistema (vlvula de compuerta). Vlvula 9 (V9): Regula el vacio desde la bomba NASH HYTOR (vlvula de compuerta). Vlvula 10 (V10): Regula la descarga al sumidero de la torre de absorcin (vlvula de bola). Vlvula 11 (V11): Regula la salida de la muestra liquida de la torre de absorcin (vlvula de bola). Vlvula 12 (V12): Alimentacin de vapor al sistema. Vlvula 13 (V13): Alimentacin de vapor al intercambiador. Vlvula 14 (V14): Regula la entrada de acetona al caldern. (Vlvula de bola). Vlvula 15 (V15): Regula la descarga del caldern.

Grifos (Vlvulas para el Vacumetro): Ubicadas en el tablero a la derecha del Vacumetro. y y y G1: Activa el sistema de vacio en el tanque para la toma de muestra. G2: Activa el sistema de vacio conectando (G1) con la parte superior de la torre de absorcin, permite tomar las muestras gaseosas. G3: Activa el sistema de vacio conectando (G1) con la alimentacin de la torre de absorcin y permite tomar las muestras gaseosas.

IMPLEMENTOS ADICIONALES: y y y y y 3L de acetona Dos recipientes hermticos, con vlvula para la toma de muestras gaseosas NaOH 0.1M Solucin de yodo (0.1N) Indicador almidn

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y y y

HCl diluido Tiosulfato de sodio Probeta de 50 ml

3. IMPACTO AMBIENTAL y Tanto el compresor como la bomba de vacio son ruidosos, lo que genera alto decibeles, contaminando auditivamente el ambiente en el laboratorio y sus alrededores. La acetona que no es absorbida en el proceso sale por el tope en estado gaseoso, liberndose al medio ambiente. Por otra parte la acetona que si es absorbida, es desechada hacia el alcantarillado contaminando las aguas.

y y

4. ANLISIS DE SEGURIDAD EN EL EQUIPO. TANTO DE FUNCIONAMIENTO COMO PERSONAL Para el equipo y y y y No encender el medidor Thomas sin encender el compresor por que? No encender el calderin, el medidor Thomas y el soplador al mismo tiempo, puede presentarse una sobrecarga y apagarse el sistema. Nunca dejar solo el equipo mientras est en funcionamiento Mantener los rotmetros entre 80 y 100 para evitar inundaciones en el equipo

Para el personal y Debido al ruido se recomienda el uso de tapa odos y Es posible que se calienten las vlvulas debido al calentamiento en el calderin, por lo que se recomienda el uso de guantes para su manipulacin. y Estar al tanto del cdigo de colores de la tubera.

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5. COSTOS DE LA PRCTICA DEPRECIACION DEL EQUIPO Profesor = (12,000 $/h) Tcnico = (8,000 $/h)

COSTOS DE REACTIVOS Acetona = 70,000 $/L COSTOS DE SERVICIOS Energa Compresor= (2.415 kW) (325 $/kW-h) (4 h) = $ 3,139.5 Resistencia del medidor Thomas = (0.115 kW) (325 $/kW-h) (4 h) = $ 149.5 Resistencia del Calderin = (0.250 kW) (325 $/kW-h) (4 h) = $ 325 Total = $ 3,650 Agua y alcantarillado Densidad del agua: 32lb/ft^3 Consumo aproximado (2000lb/h)/(32lb/ft^3)/(1ft^3/0.0283m^3)=1.768 m^3 Alcantarillado = 3,300 +1,557.75 (1.768)=6100$/h*4h=24400$ Agua = 7,284 + 1030 (1.768)=9150$/h*4h=36600$

Costos totales precios=

+

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6. GUIA DE MANUAL DE OPERACIN 1. Revisar y asegurar que el calderin este vaco, abriendo la vlvula 15. 2. Cerrar la vlvula 15, abrir vlvula 14 Y llenar calderin con aproximadamente 1.5 L acetona, por ultimo cerrar vlvula 14. 3. Encender el interruptor de cuchilla con el botn verde par energizar el sistema. 4. Prender el soplador, Verificar que la vlvula 10 este abierta y suministrar agua al sistema con la vlvula 8 completamente abierta y regular los flujos entre 80 y 100 con las vlvulas V2 y V4. 5. Revisar que las temperaturas 6 y 7 en el panel de control estn estables. 6. Encender el calderin y esperar a que la temperatura (T5) se estabilice entre 57 y 60 C. 7. Abrir la vlvula V7, revisado que los grifos 1,2, y 3 estn cerrados 8. Preguntar al profesor en que parte del laboratorio se encuentra la bomba de vacio. All se encuentra la vlvula 9, abrirla completamente y luego encender la bomba. OJO! SI NO ABRE LA VALVULA 9 ANTES DE PRENDER PUEDE DAAR LA BOMBA. 9. La bomba solo se enciende para hacer las mediciones. 10. Adicionar a los recipientes 50 ml NaOH aproximadamente 11. Conectar uno de los recipientes para gases con la vlvula abierta en la lnea de vacio 12. Abrir el grifo G1 y esperar a que la presin de vacio estabilice. Anotarla. 13. Al mismo tiempo que comienza a cerrar el grifo G1 comience a abrir el grifo G2 y espere que la presin caiga completamente, cierre la vlvula del recipiente toma muestra y luego el grifo G2. Agite el recipiente. 14. Realice el mismo procedimiento para el otro recipiente, usando el grifo G3. 15. Tome una muestra liquida en un beaker abriendo la vlvula 11 y cerrando la vlvula 10. 16. Registre todas las temperaturas 17. Apagar el calderin y prender el medidor Thomas 18. Mientras se estabiliza el medidor puede ir a realizar la titulacin de la siguiente manera: 18.1 A tener en cuenta La acetona reacciona con una solucin de yodo en medio alcalino para producir el acetato de sodio:

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El exceso de yodo se titula con tiosulfato de sodio, usando una solucin de almidn como indicador.

Para la titulacin de cada muestra (Lquida y gaseosa), se toma una alcuota de 3 ml de la solucin, se agregan de 6 a 8ml de una solucin de yodo 0.1N. Para la muestra liquida se deben agregar 50ml de NaOH (0.1 M). Las muestras se dejan reaccionando por espacio de 5 minutos en ausencia de luz para que se produzca el yodoformo, luego se crea un medio cido, adicionando HCl (utilizar papel indicador para hacer una valoracin del pH). A esta muestra se le agregan 2 gotas de almidn (Sustancia que acta como indicadora en la titulacin), luego se purga la bureta con tiosulfato de sodio (0.1N) y se llena para comenzar la titulacin del exceso de yodo en la solucin. Agregar el tiosulfato de sodio gota a gota hasta ver el cambio de color, y anotar este volumen. 19 Anote las temperaturas T6 y T7 nuevamente, el voltaje y la corriente. 7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Debido a los problemas para la estabilizacin de los flujos en la torre se sugiere hacer el siguiente procedimiento: Realizar cambios en el la vlvula 5 y analizar las implicaciones sobre el proceso. GRUPO 1 2 3 OBJETO MODIFICADO Vlvula 5 Vlvula 5 Vlvula 5 VALOR Completamente abierta Completamente cerrada Abrir solo dndole tres vueltas

Datos tabulados Variable Flujos Valor 80 100 80 100 Presiones de vacio Unidades

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Temperaturas

Medidor Thomas Voltaje Corriente

Volumen titulacin

7. DATOS OBTENIDOS. Flujos Presiones de vacio

Temperaturas

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Medidor Thomas

Volumen para la titulacin

8. MODELO DE CLCULO

Figura 1: Representacin de una torre de absorcin.

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El objetivo es calcular la altura de la torre, la cual se calcula por medio de la ecuacin (1): (1) Para soluciones diluidas el puede calcularse segn la ecuacin (2):

Un valor aproximado de

se puede obtener con la ecuacin (3):

Donde:

Se puede obtener de acuerdo a la ecuacion (5), mientras y1 se calcula por medio de balances de materia:

Donde: y L: Flujo de agua y G: Flujo de aire y x1: Fraccin de acetona en la salida en fase liquida y x2: Fraccin de acetona en la entrada en fase liquida (x2=0) y y1: Fraccin de acetona en la entrada en fase gas y y2: Fraccin de acetona en la salida en fase gas P1EQ es la presin parcial de acetona en el equilibrio con la solucin acuosa, la cual se calcula mediante:

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(7) Se toma a la temperatura media aritmtica entre T1 y T2. El coeficiente de actividad concentracin por: de la acetona en solucin esta dado en funcin de la (8) La presin de vapor de la acetona est dada por: (9) La altura de unidad de transferencia se puede calcular con la ecuacin:

El valor de m se obtiene a partir de la lnea de equilibrio

Las expresiones para HTG y HTL, (segn el caso gas o lquido) en torres empacadas con anillos Rasching de 1 se han obtenido empricamente: (12) (13) Evaluando estas cantidades se puede luego calcular la altura de la torre y compararla con el valor real.

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CLCULO DEL CAUDAL DE AIRE DE ALIMENTACIN Como no se dispone de un rotmetro para medir el flujo de aire que entra, se hacen mediciones de voltaje y amperaje, este flujo se calcula as:

Se calcula el calor mediante ecuacin (14) Donde: I: Corriente en Amperios. V: Voltaje en Voltios. Cp: Calor especficos del aire.

Tabla 1: Datos tericos Sc (N*s/m2) Cp(J/g*K) 1.6 9.91*10-4 1.8646

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9. RESULTADOS Tabla 2 Altura de la torreAltura de la Torre Ntog y1 y2 (y-yeq)m 139.1074205 0.37229042 0.00838811 0.002615981 P1eq(mmHg) Pt(mmHg) L(Kg/m2*s) 19.04937434 640 1.332 P1 (mmHg) 1 276.6156514 6.75612509 T1 ( C) 29.9 G(Kg/m2*s) 0.037310038 T2 ( C) 28.8

y1eq 0.029764647 x1 0.0101931

y2eq 0 x2 0

logP1 (mmHg) m 2.44187675 0.20109368

P2eq(mmHg) 2 P2 (mmHg) logP2 (mmHg) 0 7.02868758 283.011182 2.451803596 Htg (m) 0.073162807 Sc 1.6 Htl (m) 0.01121973 L(N*s/m2) 9.91E-04 Htog (m) 0.073264625 Z (m) 10.1916531

Tabla 3 Caudal del aire de alimentacin.Calculo del caudal de aire de alimentacion. I(amp) V(voltios) p(aire)(J/g*K) T 1 110 1.8646 7.3 T7( ) 52.5 Din (m) 0.2166

Q 110 T6( ) 45.2

10. ANLISIS DE RESULTADOS y Como se puede observar el estudio de la torre de absorcin es limitado puesto que se deben realizar gran cantidad de suposiciones que pueden conllevar a desviaciones en el clculo del valor real de la altura de la torre. Al realizar el desarrollo del algoritmo se realiza un balance de masa entre entradas y salidas y se asume un comportamiento lineal entre la relacin de composiciones en el equilibrio del lquido y el vapor, se dice esto basados en que la acetona est muy diluida en el aire y por tanto el comportamiento se ajusta a la ley de Henry; no obstante el sistema presenta desviaciones de este comportamiento que no son fcilmente medibles con los recursos de la prctica. A pesar de esto se realiza

y

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G (Kg/m2s) 0.037310038

y

y

y

y

posteriormente el clculo de los coeficientes de actividad sin tener certeza de la exactitud de la correlacin usada. Pretender que este comportamiento sea lineal es esperar obtener una torre de gran altura que permita una cantidad suficiente de etapas de contacto para realizar la transferencia de masa con buenos resultados. El mtodo utilizado para calcular las composiciones de la acetona en el aire (por titulacin) trae consigo muchos errores, a continuacin se enumeran algunos: 1. Se espera que la succin de la bomba sea completa, sin embargo queda un remanente de aire en los recipientes para el gas, esto implica que la acetona se diluya un poco en esta la cantidad de aire retenida. 2. Existen tambin fugas durante el proceso de retencin de la muestra debido a que los recipientes no tienen un aislamiento completo 3. El proceso de titulacin puede llevar a volmenes de exceso que indican una cantidad errnea en los clculos de concentracin. 4. El tiempo de reaccin y la eficiencia de esta no se tuvieron en cuenta manera estricta en el procedimiento Pueden existir fugas en todo el equipo que produzcan perdidas del gas, por lo tanto es correcto afirmar que el sistema esta desbalanceado, por lo tanto se puede observar que la cantidad real que se transfiere de acetona al agua es menor, por lo cual si se asume una transferencia completa esto implicara una torre de mayor altura. Se observa tambin que los flujos en el equipo no son constantes puesto que el indicador en el rotmetro cambiaba constantemente, este fenmeno puede afectar posiblemente la dinmica del proceso y limitar la transferencia de masa.

11. CONCLUSIONES y y El objetivo acadmico de la prctica se cumple eficazmente puesto que se observan y se analizan muchos fenmenos en el proceso de transferencia de masa. El equipo posee ciertas limitaciones debido a su tiempo de vida til puesto que algunas mediciones como la titulacin son altamente ineficientes a la hora de ser eficaces en el procedimiento. Es difcil llegar al valor real de la altura de la torre puesto que los anlisis no son minuciosos y se basan en aproximaciones no siempre cercanas al comportamiento real. Las estimaciones hechas en los modelos de clculo desarrollados, tienen desviaciones muy marcadas del comportamiento real del sistema, lo que conduce a un porcentaje de error muy alto respecto al clculo de la altura de la torre.

y

y

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y

En el proceso de titulacin, el clculo de las concentraciones arroja tambin errores que se deben a posibles impurezas en los reactivos, adems, la acidificacin del medio no se hizo con la cantidad adecuada.

ANEXOS

Figura 2. Carta de calibracin del rotmetro 2 (R2)

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