Columna DE Absorción Práctica 7 PDF

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Informe de laboratorio, realizado en el laboratorio de operaciones unitarias, estudiantes de ingeniería química. ...

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Universidad de Cartagena Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Química

Informe: COLUMNA DE ABSORCIÓN DE LECHO EMPACADO Fabián A. Aguilar1, José C. Almanza1, Yeison Castellar1, Lenis De la rosa1, Laura E. Osorio1, María E. Pájaro Baños1, Ph.D. Álvaro Realpe Jiménez 2. 1 Estudiantes de Ingeniería Química. 2 Docente de Laboratorio de Operaciones Unitarias II. RESUMEN Se realizaron pruebas en un sistema típico de absorción en lecho empacado. El sistema consiste en una columna de sección circular, separada por platos rellenos con material inerte (anillos raschig), para aumentar el área de contacto. Por la parte inferior de la columna se inyectó CO2 y aire alimentado desde un compresor para formar la mezcla aire-CO2 que por acción del compresor sería ventilado torre arriba. Por la parte superior se alimentó agua destilada mediante una bomba. Se realizaron variaciones en el caudal del agua para valores de 21.46, 20.45, 17.67 L/h y variaciones para los flujos de aire y CO2 que se ajustaron mediante un rotámetro en unidades de pie cúbicos estándar por hora en valores 5, 3 , 1.5 para aire y para CO2. Variados los flujos se dejó el sistema operar por tiempo de 1 minuto, para garantizar un contacto íntimo entre las fases y se extrajo una muestra, a la cual se realizó medición del pH. Se estudiará la eficiencia del sistema de absorción continua como relación entre el pH de las muestras y la incidencia de los flujos en este. Palabras Claves: Absorción, soluto, disolvente, caudal, contacto íntimo, concentración, lecho empacado, transferencia de masa. INTRODUCCIÓN La absorción es una operación unitaria que consiste en la transferencia de un componente al que consideramos solutos, contenido en una corriente de gas, en un disolvente constituido por una corriente de líquido. El gradiente de concentraciones constituye la fuerza impulsora que permite esta trasferencia, así, el sentido natural de la operación será transferir el soluto desde la fase de alta concentración al disolvente que es la fase con bajo contenido del componente. Este tipo de operaciones por lo general se llevan a cabo en sistemas de columnas de lecho empacado, divididas por platos y con un relleno de material inerte en cada plato que permite una mayor área de contacto entre ambas fases. En comparación con otros sistemas de contacto líquido-gaseoso, los sistemas de absorción pueden llevarse a cabo a caudales muy altos, lo cual lo hace ideal para trabajar a altos volúmenes de control sin sufrir efectos significativos por las caídas de presión. Son equipos de alta eficiencia, permiten una alta transferencia del componente a intervalos de tiempo relativamente pequeños debido al contacto íntimo causado por el relleno. La principal desventaja de estos sistemas está asociada con los altos costos de instalación y operación. La seguridad es otro aspecto a tener en cuenta, puesto que se trabaja con fluidos que pueden

resultar peligrosos, debe tenerse un riguroso monitoreo para evitar inundaciones en el equipo. La naturaleza propia del sistema los hace ideales para trabajar fluidos ácidos, de ahí que su mayor aplicación industrial sea para la obtención de soluciones ácidas tales como ácido clorhídrico, fluorhídrico y sulfúrico. Otro mayor enfoque es para el control de emisiones de gases de combustión, en el cual se usa un solvente líquido en contacto con los gases de chimenea para la extracción de compuestos sulfurados, clorados o mercaptanos. Usualmente estos disolventes son de naturaleza alcalina y se emplean en sistemas que no necesariamente son lechos empacados, puede ser mediante aspersores o rociadores. A nivel de laboratorio, las columnas de lecho empacado se usan para el estudio del comportamiento de los parámetros del sistema cuando se realizan variaciones en ellos; esto permite tener un conocimiento de la forma en que se relacionan las variables, y cuáles de ellas pueden influir en la eficiencia del proceso. Esto es de vital relevancia para el desempeño del ingeniero, quien a través de estas relaciones puede tomar decisiones sobre estos parámetros para garantizar una operación óptima en calidad, seguridad y economía. El objetivo de la presente práctica es analizar el comportamiento de las variables manipuladas, y sus efectos en la operación de absorción. Cuya influencia puede constatarse a través de la medición del pH de muestras tomadas periódicamente, cuando se realizan estas variaciones.

METODOLOGÍA Equipos y materiales El equipo de torre de absorción empacada consta de: 1. Tablero Energizado 2. Bala de Dióxido de Carbono 3. Manómetro diferencial de Presión 4. Cuerpo de la columna con anillos 5. Recolector de producto final 6. pH-metro El tablero energizado está compuesto por: o o o o o o o o o

Temperatura entrada del líquido Temperatura salida del líquido Temperatura entrada Gas Temperatura salida Gas Presión Diferencial Marcha Bomba Líquido Paro Bomba Líquido Interruptor General Paro de Emergencia

Fig Fig.. 1 Montaje experimental. Equipo de columna de absorción.

Sustancias a usar:  Agua Destilada Diagrama de flujo del proceso

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Identificación de Variables Variables Independientes Nombre

Unidad

Definición

Caudal de agua

L/h

Cantidad de agua que circula a través de una sección de ducto por unidad de tiempo.

Caudal de aire

SCFH (Pies cúbicos estándar por hora)

Cantidad de aire que circula a través de una sección de ducto por unidad de tiempo.

Caudal de CO2

SCFH (Pies cúbicos estándar por hora)

Cantidad de CO2 que circula a través de una sección de ducto por unidad de tiempo.

Tiempo

Duración del proceso de absorción de CO2

min Variables dependientes

Nombre

pH

Unidad

Definición

No aplica

Medida de acidez o alcalinidad de una disolución. Indica la concentración de iones hidrógeno [H]+ presentes en determinadas disoluciones.

Psi

Disminución de la presión de un fluido, dentro de un conducto, que tiene lugar cada vez que dicho fluido atraviesa un estrangulamiento o un elemento de utilización.

ΔP

Variables intervinientes Nombre

Unidad

Definición

Porosidad del lecho

𝑚 3 𝑉𝑜

Medida de espacios vacíos en material del lecho empacado

𝑚 3 𝑉𝑡

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En primer lugar se pretendió realizar la curva de inundación para aire (en seco) y para agua, como lo establecía la guía, midiendo la caída de presión en todos los platos en cada caso. Sin embargo, al momento de hacerlo, debido a que los flujos que aire y agua manipulados en el equipo son bajos para el tipo de manómetro empleado, este no logra medir la presión dada en los platos y para todos los casos marcó una caída de presión de 0.001 psi, razón por la cual se procedió a llevar a cabo el proceso convencional de absorción de CO2 por parte de un disolvente líquido, en este caso, agua Fig. 2 Medida del manómetro de destilada. Se alimentó agua destilada al tanque TB-30 para la caída de presión en todos los poder accionar la bomba y hacer fluir el flujo de agua. Se platos. puso en marcha el compresor y se verificó la línea de aire. Se conectaron las tuberías de aire y CO2 desde la bala hasta el equipo de absorción y se controló el flujo de cada uno con la válvula del rotámetro, a la entrada. Para la primera corrida, se mantuvo constante el flujo de aire y CO2 en valores de 5 scfh y se varió el caudal de agua en 3 ocasiones, en primer lugar se mantuvo un

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caudal de 21,46 L/h (Bomba en 85%), luego un caudal de 20,45 L/h (bomba en 80%) y finalmente un caudal de 17,67 L/h (bomba en 60%). Para cada caso y al cabo de 1 minuto se tomaron muestras de producto y se midió el pH a cada muestra para determinar la concentración de CO2 que fue absorbida. Para la segunda corrida, se mantuvo constante el flujo de agua y CO2 en valores de 20, 45 L/h y 5 scfh respectivamente, y se varió el caudal de aire en 3 ocasiones, en primer lugar se mantuvo un caudal de 5 scfh, luego un caudal de 3 scfh y finalmente un caudal de 1.5 scfh. Para cada caso y al cabo de 1 minuto se tomaron muestras de producto y se midió el pH a cada muestra para determinar la concentración de CO2 que fue absorbida. Y, para la tercera corrida, se mantuvo constante el flujo de agua y de aire en valores de 20.45 L/h y 5 scfh respectivamente, y se varió el caudal de CO2 en 3 ocasiones, en primer lugar se mantuvo un caudal de 5 scfh, luego un caudal de 3 scfh y finalmente un caudal de 1.5 scfh. Para cada caso y al cabo de 1 minuto se tomaron muestras de producto y se midió el pH a cada muestra para determinar la concentración de CO2 que fue absorbida.

Consideraciones de seguridad recomendadas  Utilizar tapaoídos para evitar contaminación auditiva por parte del ruido ocasionado por el compresor.  Al finalizar la práctica asegurarse de apagar la bomba y bajar el switch de la energía eléctrica.  Cerrar las válvulas de suministro de aire y apagar compresor de igual manera que en el paso 2. RESULTADOS Se realizaron pruebas para medir la caída de presión en cada plato empleando la torre seca y humedad. Para cada caso, los datos obtenidos fueron los siguientes: Caí Caídas das d de e pre presió sió sión n Sec Seca a

Hú Húmed med meda a

F (S (SCFH CFH CFH))

4,5

F(L F(L/h) /h)

20,4

∆P1 (P (Psi) si)

0,01

∆P1 (P (Psi) si)

0,01

∆P2 (P (Psi) si)

0,01

∆P2 (P (Psi) si)

0,01

∆P3 (P (Psi) si)

0,01

∆P3 (P (Psi) si)

0,01

∆P4 (P (Psi) si)

0,01

∆P4 (P (Psi) si)

0,01

∆P5 (P (Psi) si)

0,01

∆P5 (P (Psi) si)

0,01

Ta Tabla bla 1 1.. Caída de presión en cada plato

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Además, en esta práctica se realizaron varias corridas, variando el caudal de dióxido de carbono, del aire y del agua destilada (pH=6.9) mientras se mantenían los otros dos flujos en un valor fijo. Para la primera serie de experimentos se fijó el caudal de aire y de CO2 en 5 SCFH, y se varió el valor del caudal de agua midiendo el valor de pH. En la segunda serie se fijó el caudal de agua en 20,45 L/h y el caudal de CO2 en 5 SCFH, y se varió el valor del caudal de aire. En la tercera serie se fijaron el caudal de agua y de aire en 20,45 L/h y 5 SCFH, respectivamente, variando el valor del caudal de CO2. Los valores obtenidos se muestran a continuación:

Ser Serie ie 1

Ser Serie ie 2

Ser Serie ie 3

Q aagua gua (L/ (L/h) h)

pH

Q aaire ire (SC (SCFH) FH)

pH

QC CO2 O2 (SC (SCFH) FH)

pH

21,46

4,95

5

4,95

5

4,95

20,4

4,93

3

4,41

3

4,75

17,67

4,32

1,5

4,32

1,5

4,55

Ta Tabla bla 2 2.. pH para cada condición evaluada

En las siguientes graficas se muestra la variación del pH respecto al caudal del agua, aire y CO2, respectivamente.

Grá Gráfica fica 1 1. pH vs Q agua. Manteniendo constantes los flujos de aire y CO2

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Grá Gráfica fica 2 2. pH vs Q aire. Manteniendo constantes los flujos de agua y CO2

Grá Gráfica fica 3 3. pH vs Q CO2. Manteniendo constantes los flujos de agua y aire

En la siguiente tabla se muestran los datos necesarios para realizar la gráfica de lobo D_ai D_aire re (Kg (Kg/m^ /m^ /m^3) 3)

1,2

D_a D_agua gua (K (Kg/m g/m g/m^3 ^3 ^3))

1000

Visc Viscosi osi osidad dad (c (cP) P)

1,002

Gra Graved ved vedad ad (m (m/s^2 /s^2 /s^2))

9,81

A/ϵ^3 A/ϵ

51,75

Áre Área a ((m^2 m^2 m^2))

3,62

L (K (Kg/ g/ g/m^2 m^2 h)

5,64

Ta Tabla bla 3 3.. Constantes para la gráfica de lobo 7

Los valores de los flux de aire se presentan a continuación Q aaire ire ((SC SC SCFH FH FH))

G (K (Kg/ g/ g/m^2 m^2 h)

1

0,0078

1,5

0,0117

2

0,0156

2,5

0,0195

3

0,0234

3,5

0,0274

4

0,0313

4,5

0,0352

5

0,0391

Ta Tabla bla 4 4.. Caudales y fluxes de aire

Para los valores del eje de las abscisas se emplea la siguiente expresión 𝐿 𝜌𝐺 0,5 ( ) 𝐺 𝜌𝐿

(1)

Por otro lado, para el eje de las ordenadas 𝐴 𝐺 2 (𝜀 3 ) 𝜇 0,2 𝑔 𝜌𝐺 𝜌𝐿

(2)

A continuación se presenta la gráfica de lobo:

Grá Gráfica fica 4. Grafica de Lobo

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ANÁLISIS DE RESULTADOS Lo primero que notamos es que la caída de presión no cambia a través de la torre, esto no significa que no haya diferencia entre plato y plato, sino que es demasiado baja para ser medida por el sensor que se utilizó. En la práctica de absorción se evaluaron tres variables: flujo de agua (sustancia que absorbe el soluto o disolvente), flujo de aire (sustancia que transporta el soluto), y flujo de CO2 (soluto absorbido). Se evaluó cómo cada una de estas variables afectaba el pH del agua al salir de la torre. El primero fue el flujo de agua, donde pudo notarse que al aumentar el flujo el pH era menor, esto se debe a que un flujo menor de agua aumenta el tiempo de contacto entre las fases y es absorbida una mayor cantidad de CO2 formando ácido carbónico, creando una solución ácida y por lo tanto un pH menor; pero también se nota que si se sigue aumentando el flujo, el cambio de pH de un flujo a otro es menos pronunciado, esto porque el pH se acercaría al del agua pura (pH=7) sin llegar a dicho valor. Por su parte, el flujo de aire presentó un comportamiento similar por las mismas razones, a menor flujo hay un mayor tiempo de contacto y mayor la acidificación (pH disminuye) del agua. Análogamente sucede con el flujo de CO2, pero se nota una diferencia clara entre la gráfica del aire y la del CO2, donde la del aire presenta cambios más abruptos de pH, esto se explica por el hecho que el flujo de CO2 (soluto) en los datos de Q aire vs pH es constante y se mezcla con el flujo del aire por lo que al disminuir el flujo de aire no solo aumenta el tiempo de residencia, sino que aumenta la concentración de CO2, lo que incrementa a su vez la absorción del soluto, mostrando un comportamiento sinérgico; mientras que en los datos de caudal de CO2 vs pH sucede lo contrario, al disminuir el flujo, también disminuye la concentración de CO2, mostrando que el flujo es un factor muy influyente en el proceso de absorción, ya que aunque la concentración es menor, el tiempo de residencia es mayor y aumenta la tasa de absorción.

CONCLUSIONES. Dentro del proceso de absorción, se tuvo mucha precaución en el control de flujo de aire, debido a la inestabilidad del compresor. A partir de la realización de la práctica se determinó que el pH del agua disminuye a medida que transcurre el tiempo en la columna de adsorción empacada, lo cual se da por la absorción del CO2, aumentando la concentración del ión hidrógeno. También se puede afirmar que entre mayores sean los flujos de agua y CO2 menor será el pH (pH ácidos), lo que se explica porque dentro del empaque de la torre se genera una mayor turbulencia y con ello un aumento en la trasferencia de masa de CO2 hacia el agua. La operación unitaria de absorción es muy importante para el ingeniero químico a

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escala industrial, en procesos para la eliminación de butano y pentano de una mezcla gaseosa utilizando un aceite pesado, la eliminación de contaminantes inorgánicos solubles en agua de corrientes de aire, en la eliminación de impurezas en productos de reacción, entre muchos otros. RECOMENDACIONES.  Evitar inundación de la torre.  Sustituir el sensor de diferencial de presión, para que logre medir caídas de presión a flujos bajos.  Reemplazar o hacerle mantenimiento al compresor, puesto que la corriente de aire suministrada no es constante en el suministro del flujo. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS    

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McCabe, W., Smith, J., & Harriot, P. (s.f.). Operaciones Unitarias en Ingenieria Quimica

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Milian, D., Quispe, K., Ramirez, K., & Ramos, M. (2007). Columnas De Absorcion. Universidad Nacional del Callao. Retrieved from http://www.jackzavaleta.galeon.com/balw4.pdf Ocon, J., & Tojo, G. (s.f.). Problemas de ingeniería química. Aguilar. Treybal, R. Operaciones de Transferencia de Masa. Segunda Edición. México: McGraw Hill (1988). Yildirim. O. Reactive absorption in chemical process industry: A review on current activities (2013) Zhong, H., & Sheng, C. (2017). Influence of particles on mass transfer performance for CO2 absorption using K2CO3 solution in a random θ-ring packed column. International Journal of Greenhouse Gas Control, 58, 81– 86. http://doi.org/10.1016/j.ijggc.2016.12.020

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