32088148-Absorcion-de-CO2

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPÓLITANA

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

PROF. MARIO GONZALO VIZCARRA

PRÁCTICA 1 ABSORCIÓN DE GASES

• AGUILAR MARTÍNEZ OCTAVIO • GARCÍA PÉREZ ANGELES • LIMÓN CONTRERAS CLAUDIA • RODRÍGUEZ GÓMEZ RAÚL

28/MAYO/10 1. INTRODUCCIÓN

La absorción es un proceso de transferencia de masa en el cual un soluto vapor A en la mezcla de gases es absorbido por medio de un liquido en el cual el soluto es más o menos soluble. La mezcla gaseosa consiste casi siempre de un gas inerte y el soluto. El líquido es también casi inmiscible en la fase gaseosa; esto es, su vaporización en la fase gaseosa es poco considerable [1]. La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla gaseosa se pone en contacto con un líquido, a fin de disolver de manera selectiva uno o más componentes del gas y de obtener una solución de éstos en el líquido [2]. 1.1 BALANCE DE MATERIA PARA LA TRANSFERENCIA DE UN

COMPONENTE En la figura 1 se muestra una torre a contracorriente, que puede ser una torre empacada o de aspersión, con platos de burbuja o de cualquier construcción interna para lograr el contacto líquido-gas. La corriente gaseosa en cualquier punto de la torre consta de G moles totales/tiempo; está formada por el soluto −

A que se difunde de fracción mol y, presión parcial P o relación mol Y . Y de un gas que no se difunde, básicamente insoluble, GS moles/tiempo. La relación entre ambos es:

G2 GS Y2 y2 p2

L2 LS X2 x2

L LS X xA

L1 LS X xA

G GS Y yA

G1 GS Y1 y1 p1

Figura 1. Torre de absorción.

−

y P Y= = 1 − y P − P− t GS = G (1 − y ) =

G 1 +Y

(1)

(2)

En la misma forma, la corriente del líquido consta de L moles totales/tiempo que contiene fracción mol de un gas soluble, o relación mol X y LS moles/tiempo de un disolvente básicamente no volátil. X =

x 1− x

LS = L(1 − x) =

(3) L 1+ X

(4)

Puesto que el gas disolvente y el líquido disolvente no cambian en cantidad cuando pasan a través de la torre, conviene expresar el balance de materia en función de éstos. Un balance de soluto en la parte inferior de la torre queda de la siguiente manera: GS (Y1 −Y ) = LS ( X 1 − X )

(5)

Para soluciones diluidas,

.

Línea de operación

(6)

Realizando un balance de masa para el componente A en un elemento diferencial de volumen de la torre se tiene

Figura2. Balance de masa en un elemento diferencial de volumen.

Para el lado del gas en estado estacionario (7)

Donde

(8)

Figura 3. Flux de masa en la interface Gas-Liquido.

Dividiendo entre

y sacando el limite cuando

tiende a cero.

(9)

Integrando desde Y2

∫K

H =−

Y1

a

se tiene que:

d [Gy ]

(10)

y aA ST ( y −y*)

Para dilución de gases la ecuación 10 se puede simplificar de la siguiente manera. (11) Donde

(12)

Despejando obtenemos.

de la línea de operación y sustituyendo en la ecuación 12

(13) Sustituyendo 13 en 11 y reordenando. (14) Integrando y evaluando la ecuación anterior. (15)

Como queda expresada.

, y

la ecuación anterior

(16)

Por lo tanto la solución analítica para determinar el coeficiente de transferencia de masa es: (17) Donde: : Coeficiente global de transferencia de masa

(m ol

/ m 2 s)

: Flujo molar de gas (mol / s)

a : Área específica del empaque

( m 2 / m3 )

: Volumen de la columna ( m3 ) : Fracción molar de CO2 en la fase gaseosa en la entrada y en la salida del absolvedor. : Fracción molar de CO2 en la fase liquida. : Constante de Henry adimensional para el CO2 en agua. : Fracción molar de CO2 en equilibrio en la fase gaseosa en la entrada y en la salida del absolvedor. 1.2 OBJETIVO - Determinar el coeficiente global de transferencia de masa en una torre empacada con anillos Rasching. 1.3 META - Operar adecuadamente la torre de absorción a contracorriente utilizando agua como solvente con el fin de determinar la cantidad de CO 2 removido de la corriente de aire. 2. MATERIALES Y EQUIPO 2.1 Reactivos

- Solución de NaOH con una concentración de 0.01M. - 40 L de agua destilada. - CO2

- Equipo de absorción Armifield Limited UOP7. 2.2 Equipo La columna esta empacada con anillos Rasching de vidrio de 10 x 10 mm, cabe resaltar que estos anillos están divididos en dos secciones y que el volumen de estos es de 7L, la presiones son medidas en el centro, base superior e inferior de la columna con manómetros que tiene el equipo, cabe aclarar que un manómetro es de agua y el otro de mercurio. El agua es tomada del tanque colector del equipo, y es bombeada a la torre para su posterior calibración. El gas se provee de un cilindro a presión en esta parte también se debe de calibrar el flujo volumétrico del gas. La columna de absorción está hecha de acrílico y sus dimensiones son 75mm de diámetro y 1.4m de longitud. Primero se produce una mezcla de gas bruto a base de CO2 y aire. Es posible ajustar la relación de mezcla por medio de válvulas. Un compresor transporta la mezcla de gases a la parte inferior de la columna de relleno, en la columna tiene lugar la separación de una parte del CO2 en flujo a contracorriente con el agua. El CO2 es absorbido por el agua que baja por la columna, el agua se acumula en un depósito colector. Para separar el CO2 absorbido en el agua, se transporta la disolución desde el depósito colector hasta un depósito a vacio. Al bajar la presión se observa que la solubilidad del CO2 disminuye por tanto el CO2 se desprende del agua, después una bomba transporta el disolvente regenerado al depósito colector y otra bomba desde allí lo transporta hasta la parte superior de Ilustración 4. Equipo. la columna. 3. RESULTADOS 3.1

Procedimiento experimental

Se determinaron a prueban y error las condiciones de operación del equipo para evitar inundación y caídas de presión extremos. A partir de esto se estimaron las condiciones óptimas de operación, las cuales fueron de 60

L/min de gas y de 4 L/min de agua, cuya caída de presión fue de 72 mm de H2O. Se tomaban muestras de 20mL de agua cada 15min del tanque colector y se les tituló con solución de NaOH a 0.01M para conocer la cantidad de CO2 absorbido en el agua, cabe aclarar que el indicador usado en esta parte fue fenolftaleína. Datos experimentales

3.2

Tabla 1. Datos experimentales obtenidos en la torre de absorción.

t (min)

Agua (litros/min)

Aire (litros/min)

CO2 (litros/min)

V. de NaOH a 0.01M (ml)

0

4

60

4

0.1

15

4

60

4

1.4

30

4

60

4

1.5

45

4

60

4

1.7

Datos proporcionados en tablas Tabla 2. Datos proporcionados por el manual y en tablas.

a (m2/m3)

440

AST H

(m3)

1.6X10-3

0.0062

3.3 Cálculos Utilizando la densidad y peso molecular del agua se determina el flujo molar, que es de 3.70 mol/s. Usando la ecuación de gases ideales se determinan los flujos molares del CO2 y del aire, que son 2.77X10-3 y 4.16 X10-2 mol/s. Del volumen utilizado de NaOH en la titulación se determina los moles absorbidos de CO2 en el agua (ver apéndice A), que fue de 6.38X10-4 moles/Litro de agua durante los primeros 15 minutos. A partir de esto se calculan los siguientes parámetros. Tabla 3. Parámetros para determinar el coeficiente global.

G (mol/s)

4.75X10-2

x1

1.15X10-5

y1

6.25X10-2

y1 *

1.98X10-3

L (mol/s)

3.70

x2

0.00

y2

6.16X10-2

y2 *

1.95X10-3

Aplicando la ecuación 17 se obtiene un coeficiente global de transferencia de masa con valor 2.51X10-4 mol/ m2s.

4. CONCLUSIONES La torre de obsorcion se opero con un flujo de agua y de aire de 4 y 60 litros /segundos, con una caída de presión de 72 mm de H 2O a una temperatura de 25 oC. Estas condiciones de operación se eligieron a partir de prueba y error para evitar inundación del equipo. El valor obtenido del coeficiente global de transferencia de masa ( ) fue de 2.51X10-4, la cual indica un valor pequeño comparado con lo reportado en la literatura que es de un orden de 10 -2. Uno de los problemas que se tuvo antes y durante la operara el equipo fue la medición de la caída de operación, pues una ves establecida los flujos de agua y aires la caída de presión fluctuaba. Otro problema que se presento fue en el momento de la titulación de las muestras de las aguas recabadas cada 15 minutos, pues con poca solución de NaOH presentaba coloración, esto se debió a que la concentración de NaOH era un poco elevada. Lo que se recomendaría es en preparar una concentración de NaOH menor a 0.01M para tener mejores resultados en el momento de la titulación. 5. Bibliografía 1. Procesos de transporte y operaciones unitarias, Christie J. Geankoplis,

editorial COMPAÑÍA EDITORIAL CONTINENTAL, S.A. DE C.V. MÉXICO, 3ª Ed., 1998 2. Operaciones de transferencia de masa, Robert E. Treybal, Editorial McGraw-HiLL, 2ª Ed., 1988 3. Instruction manual gas obsorption column UOP7 4. http://books.google.com.mx/.../constante%20adimensional%20de %20henry%20del%20CO2&f=false

Apéndice A. Determinación de CO2 en el agua. La reacción de CO2 con NaOH es: CO2 + NaOH

NaHCO3 + H2O

La fenolftaleína es un indicador que presenta color rosa en soluciones básicas, cuando hay presencia de CO2 en la solución esta no presenta color, sin embargo al agregarle un cierto volumen de NaOH cuya concentración es conocida se puede determinar fácilmente la concentración del CO2 presente en la muestra. CM =

n V

n =CM * V

Como la relación es 1:1, los moles agregados de NaOH son igual a los moles presentes de CO2. Donde: n

: Moles de CO2.

: Volumen agregado de NaOH. CM

:

Concentración molar de NaOH.

Lo moles absorbidos de CO2 en el experimento fueron las siguientes:

Tabla 4. Moles absorbidos de CO2 en la columna.

t (min)

V. de NaOH a 0.01M (ml)

Moles usados de NaOH /Litro de agua

Moles absorbidos de CO2 /Litro de agua

0

0.1

5.25X10-5

0.00

15

1.4

6.90 X10-4

6.38 X10-4

30

1.5

7.36 X10-4

6.84 X10-4

45

1.7

8.26 X10-4

7.74 X10-4