Absorción de CO2 en una columna empacada.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA

LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA III

ABSORCIÓN DE CO2 EN UNA COLUMNA EMPACADA

Viernes 8:00-11:00 Grupo: 15

FECHA DE ENTEGA DE REPORTE: 18 de Octubre del 2013

ABSORCIÓN DE CO2 EN UNA COLUMNA EMPACADA

Problema Se desea absorber el 50% de CO2 de una corriente gaseosa compuesta por aire y bióxido de carbono en una columna empacada con anillos Raschig. El flujo de la alimentación está entre (0.09 - 0.12)* kgmol de mezcla / h con una composición entre (20–23)** % en masa de CO2. Para lograr esta absorción, se ensayarán tres flujos comprendidos entre (4 - 8)*** L / h de monoetanolamina-agua (MEA) al 15% en masa. Calcular 1.- El flujo de solución de MEA en L / h que logre esta separación 2.- El coeficiente volumétrico global de transferencia de masa kgmol de A transferid os h m 2 YA

KYa en

Datos y resultados obtenidos CMEA (gmol/L) Falim (L/h)

CMEA (%masa)

Salid Entrada a 2 2.45 0.266 14.88 4 2.45 0.183 14.88 6 2.45 0.37 14.88 CO2 (%masa) Aire (%masa) Entrad Entrada Salida Salida a 20.3 16.4 79.7 83.6 20.3 15.8 79.7 84.2 20.3 14.7 79.7 85.3 Entrada

Salida

Gaire (%) GCO2 (mm)

1.640 20 1.273 22 0.87 22 CO2 (%) 26.658 33.750 41.458

36 36 36

abs CO2 (%)

rem

73.342 66.250 58.542

Cuestionario 1.- Para cada flujo de solución de MEA utilizado y mediante un balance de materia establecer: a) La ecuación de la línea de operación. b) Calcular la concentración del líquido a la salida en relación molar. c) Trazar la línea de operación junto a la curva de equilibrio del sistema CO2 - MEA en agua al 15 % en peso) (Gráfica1), indicar qué representan los dos extremos. La curva de equilibrio se encuentra en el anexo C del guión d) Calcular el % de CO2 absorbido y el % de CO2 removido

Falim (L/h) 2 4 6

%CO2 %CO2 abs remov 26.658 73.342 33.750 66.250 41.458 58.542

xA1 0.031 0.0195 0.016

L’s/G’s 1.250 2.612 3.393

Líneas de Operación 0.350 0.300

Y

0.250 0.200

Le=2

0.150

Le=4 Le=6

0.100

Series4

0.050 0.000 -0.050

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

X

2.- ¿Qué cambio(s) se observa(n) en la línea de operación al variar el flujo de solución de MEA y cómo se relaciona con el % de CO2 absorbido? Al aumentar el flujo de MEA la pendiente de la línea de operación aumenta, alejándose más de la línea de equilibrio. La transferencia de masa aumenta y por lo tanto la cantidad de CO2 absorbido también.

3.- De acuerdo a los resultados del punto 1, ¿De qué depende la composición del líquido a la salida de la columna? Depende del flujo de solución de MEA alimentado, al aumentar el flujo de MEA, XA1 disminuye y aumenta la cantidad de CO2 absorbido. 4.- Calcular la relación (L’s / G’s) de operación para cada flujo de solución de MEA utilizado. L’s = kgmol de agua / h, G`s = kgmol de aire /h Le Lsol/h L's/G's 1.250 2 4 6

2.612 3.393

5.- Utilizar la Gráfica 1 para indicar mediante trazos cuál es la fuerza directora o impulsora de la transferencia de masa La fuerza impulsora es la diferencia de composición YA y YA de equilibrio. Para cada XA la fuerza directora de la transferencia es la diferencia entre el valor de Y A y YAEquilibrio. Los gradientes son verticales entre la línea de operación y la línea de equilibrio. 6.- ¿Cuál sería el valor máximo de la concentración del líquido a la salida?. ¿Es posible obtener esta concentración?. Explicar su respuesta Le=2 L solución/h, XA1 máximo= 0.032 kgmol de CO2/kgmol H2O Le=4 L solución/h, XA1 máximo= 0.033 kgmol de CO2/kgmol H2O Le=6 L solución/h, XA1 máximo= 0.034 kgmol de CO2/kgmol H2O Este valor coincidiría con la línea de equilibrio, físicamente no es posible alcanzar este valor porque se necesitaría una columna infinitamente larga.

7.- Desde un punto de vista operativo, ¿Qué significa la relación (L’s / G’s) mínimo? Cuando el valor L’s es mínimo se obtiene una línea de operación con pendiente mínima que toca la línea de equilibrio. El valor máximo de XA1 se obtiene cuando L’s es mínimo. (L’s / G’s) mínimo representa una condición ideal de flujos de líquido y gas, con esta relación mínima se llegaría al equilibrio. También representa una relación limitante ya que con una relación de los flujos de la corriente líquida y la gaseosa menor a esta, no se lograría la absorción de CO2. 8.- Utilizar la Gráfica 1 para calcular el número de unidades de transferencia de masa para cada corrida experimental de acuerdo a la siguiente ecuación de diseño:

Le Lsol/h NUT 0.286 2 0.3059 0.3908

4 6

9.- Calcular el coeficiente volumétrico global de transferencia de masa KYa en (kmol de CO2 transferidos / (h m3 kgmol CO2 transferidos / kgmol Aire)

Le Lsol/h Kya 12.223 2 14.38 4 18.37 6 10.- A partir de la ecuación de diseño, calcular para cada corrida experimental, las alturas de las unidades de transferencia Le Lsol/h HUT m 3.706 2 3.465 4 2.713 6 11.- Elaborar una gráfica de HUT y otra de NUT contra los flujos de solución de MEA utilizados (Gráfica 2 y 3). ¿Qué comportamiento observa?. Discutir sus resultados. 0.39 0.37

NUT

0.35 0.33 0.31 0.29 0.27 0.25 2

3

4 Le

5

6

3.9 3.7

HUT

3.5 3.3 3.1 2.9 2.7 2.5 2

3

4 Le

5

6

El HUT y el NUT tienen comportamientos opuestos cuando el flujo aumenta. Al aumentar el flujo, el HUT disminuye y el NUT aumenta. 12.- Elaborar una gráfica de KYa contra flujo de solución de MEA (Gráfica 4). ¿Cuál es el comportamiento observado? 20 19 18

KYa

17 16 15 14 13 12 2

3

4 Le

5

6

KYa aumenta al aumentar el flujo. 13.- ¿Cuál es el flujo de solución de MEA al 15% que produce una separación (absorción) de CO2 en la corriente gaseosa del 50%?

43 y = 3.7x + 19.155

41 %CO2 absorbido

39 37 35 33 31 29 27 25 2

3

4 Le

5

6

X=8.33 Le=8.33 El flujo de la solución de MEA que produce una absorción de CO2 del 50% es de 8.33 L solución/h. Conclusiones Con los datos experimentales obtenidos se puede observar que existe una mejor transferencia de masa al aumentar el flujo de la solución de MEA. Al aumentar el flujo de la solución operamos más lejos del equilibrio lo que impulsa la transferencia de masa. El coeficiente global de transferencia de masa aumenta al aumentar el flujo de solución y por lo tanto también aumenta la cantidad de CO2 absorbido. Las unidades de transferencia en la columna empacada aumentan con el flujo mientras que la altura de estas disminuye.