Desorcion gaseosa - Nota: 15 PDF

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTILDepartamento Académica de Ingeniería QuímicaLABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS IIPI -136 APreguntas que se realizaron en el LaboratorioRealizado por: Castillo Flores Miguel Francisco Espiritu Bravo Giancarlos Rodriguez Pino M...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL Departamento Académica de Ingeniería Química

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI-136 A Preguntas que se realizaron en el Laboratorio Realizado por: •

Castillo Flores Miguel Francisco

•

Espiritu Bravo Giancarlos

•

Rodriguez Pino Melissa Beatriz

•

Vargas Pucllas Jorge Enrique

Profesor responsable de la práctica: •

Ing. Pizarro Solis Pedro Arturo

Periodo Académico 2020 – I Fecha de realización del laboratorio: 10/ 06 / 20 LIMA – PERÚ

Problema 1: Calcular la caída de presión para los valores de L= 35 lb/h, Q (ver tabla) y características del empaque (altura del empaque = 1.065 m) y columna (diámetro interno = 4 pulgadas). Tomar Cf = 580 para el empaque de la columna Dato: Cf = 580 L (b/h) 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35

Q (pie3/min) 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Nos piden hallar la caída de presión para diversos valores de Q, para realizar este problema nos ayudaremos de la Figura 6.34 del libro del Treybal. Si trabajamos con los datos del laboratorio, nuestra temperatura de trabajo será 13 °C. De la figura 6.34, tenemos los datos de las abscisas y de las ordenadas, entonces en la intersección de estos hallaremos la caída de presión, sin embargo, tenemos que realizar interpolaciones para hallar una caída de presión más exacta. Por ejemplo: Para Q = 3 pie3/min tenemos los siguientes datos: L (b/h) 35

G'(kg/m2.s) 0.215397937

L'(kg/m2.s) Abscisa Ordenada 0.5439433 0.08877192 0.02229069

Al realizar la intersección, la caída de presión se encuentra entre 50 y 100, entonces podemos realizar la regresión tomando 2 y 3 puntos. Tomando 2 puntos sería: Ordenada 0.0235 0.001 0.02229069

Caída de Presión 100 50 97.3126497

Entonces la caída de presión sería: 97.312 (Se encuentra dentro del rango 50-100) Tomando 3 puntos sería: Ordenada 0.04 0.0235 0.001 0.02229069

Además: R2 = 0.92

Caída de Presión 200 100 50 119.632408

Entonces la caída de presión sería: 119.63 (No se encuentra dentro del rango 50-100) Como podemos observar, al tomar 3 valores se genera mucho error, entonces solo haremos la regresión con 2 puntos.

Para caídas de presión que se encuentren por encima de 1200, pero antes de la inundación, se realizara la regresión de todos los puntos, para tener una idea aproximada de la caída de presión.

Ordenada 0.0135 0.0285 0.05 0.087 0.143 0.155 0.200616231

Caída de Presión 50 100 200 400 800 1200 1794.28318

1400 y = 43814x2 - 180.58x + 67.134 R² = 0.9686

Caída de Presión

1200 1000 800 600 400 200 0 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Ordenada

0.12

0.14

0.16

0.18

Entonces teniendo dichas consideraciones, procedemos a hallar las caídas de presión pedidas:

G'(kg/m2.s) 0.215397937 0.287197249 0.358996561 0.430795874 0.502595186 0.574394498 0.646193811 0.717993123 0.789792435 0.861591747 0.93339106 1.005190372 1.076989684 1.148788997

L'(kg/m2.s) 0.5439433 0.5439433 0.5439433 0.5439433 0.5439433 0.5439433 0.5439433 0.5439433 0.5439433 0.5439433 0.5439433 0.5439433 0.5439433 0.5439433

Abscisa 0.08877192 0.06657894 0.05326315 0.04438596 0.03804511 0.03328947 0.02959064 0.02663158 0.02421052 0.02219298 0.02048583 0.01902255 0.01775438 0.01664473

Ordenada 0.02229069 0.0396279 0.06191859 0.08916277 0.12136044 0.15851159 0.20061623 0.24767436 0.29968597 0.35665108 0.41856967 0.48544174 0.55726731 0.63404636

∆P/Z 97.31264967 183.5879858 302.5369083 466.6383229 681.1459724 1006.018707 1794.28318 2095.52754 2902.015758 Inundación Inundación Inundación Inundación Inundación

Problema 2:

Datos del problema. Normalidad del NH3 en el líquido tope 0.045 N moles de amoniaco a la entrada del aire 0 mol NH3 Ky.a 150 mol/s*m^3 Temperatura promedio 13 ºC Temperatura ambiente 26 ºC

Altura de Empaque 1.065 m Diámetro interno de columna 4 pulg Flujo de Gas 16 pie^3/min Flujo de Liquido 35 lb/h Se procederá a calcular la molaridad del amoniaco (NH3)

θ de HCl 3 Molaridad del amoniaco (NH3) 0.015 mol NH3/L Se realizarán algunas consideraciones con respecto a la alimentación y para soluciones diluidas en el agua. Alimentación 1 L soluciones diluidas el agua 1 L Las propiedades de densidad y masa molecular de los compuestos que intervienen en la operación se tomaron de la base de datos del Aspen Hysys V11. Densidad del agua T(13ºC) y P(1 atm) 0.9992 g/ml Densidad del aire T(13ºC) y P(1 atm) 1.233 g/l Masa molecular del agua (H2O) 18.02 g/mol Masa molecular del amoniaco (NH3) 17.03 g/mol Masa molecular del aire (O2/N2) 28.95 g/mol Se calculará las moles del amoniaco en el agua y las moles del agua en el tope. moles de amoniaco (NH3) en agua 0.015 mol NH3 moles de agua (H2O) 55.45 mol H2O Se calculará las fracciones molares del amoniaco y la masa molecular de la solución.

x2 0.0002704 masa molecular de la solución 18.02 g/mol

Se calculará el flujo en unidades de mol/hr. L2 15875.73 g/hr

L2 881.0194 mol/hr Ls 880.78 mol/hr

Para los fondos se considera que los moles de agua no se transfieren y que por dato del problema el aire al ingresar no tiene moles de amoniaco (NH3). moles de agua (H2O) 55.45 mol H2O moles de amoniaco (NH3) en el aire 0 mol NH3 Se calculará las fracciones molares del amoniaco en el aire.

y1 0

Se calculará el flujo en unidades de mol/hr. G1 33518.08 g/hr

G1 1157.79 mol/hr Gs 1157.79 mol/hr

Como se tiene la altura de la columna se podrá aplicar la siguiente ecuación.

Donde el HtOG se calculará por la siguiente relación.

Área 0.00811 m^2 G' 142808.262 mol/hr*m^2

Se considera para soluciones diluidas que (1 − 𝑦)∗𝑚𝑙 es igual a 1, entonces el HtOG será. HtOG 952.055 m Se calculará el NtOG NtOG 0.0011 Se calculará el NtOG por las siguiente ecuacion.

Donde m es la pendiente de la curva de equilibrio el cual se hallará con la temperatura promedio y los datos de la tabla de solubilidad y presiones parciales de una solución de agua y amoniaco se extrajeron del Perry 7ta edición: Sección 2 Solubilidades Tabla 2123. Como la temperatura promedio no se encuentra en la tabla se interpolará utilizando el método de Lagrange utilizando el rango de 10ºC y 20ºC. Y* X 10ºC 20ºC 13ºC 0.0529 0.0251 0.0417 0.03672 0 0 0 0 Donde se tomarán los 2 últimos puntos para obtener la pendiente de la curva de equilibrio. También se calculará el valor de A. m 0.69 A 1.10

Teniendo todos los datos de la ecuación NtOG se utilizará la herramienta solver para obtener el valor de y2, ya que la ecuación en una no lineal. y2 0.0000002

G2 1157.79 mol/hr

moles transferidos de NH3 0.00024 mol/hr

L1 881.0191 mol/hr

moles de amoniaco (NH3) en agua 0.01498 mol NH3 Como se tomo como base 1L de alimentación. Molaridad del amoniaco (NH3) Fondo

0.01498 mol NH3/L

Normalidad del NH3 en el líquido fondo 0.04495 N

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL Departamento Académica de Ingeniería Química

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI-136 A Trabajo de investigación Grupo B Realizado por: •

Castillo Flores Miguel Francisco

•

Espiritu Bravo Giancarlos

•

Rodriguez Pino Melissa Beatriz

•

Vargas Pucllas Jorge Enrique

Profesor responsable de la práctica: •

Ing. Pizarro Solis Pedro Arturo

Periodo Académico 2020 – I Fecha de realización del laboratorio: 10/ 06 / 20 LIMA – PERÚ

Importancia de los equipos de absorción y desorción gaseosa en la protección del medio ambiente En la actualidad, el vector ambiental dentro de las organizaciones ha pasado a ser prioritario, dada la demanda de procesos sostenible, cada vez en aumento y dado que se conoce la existencia de una infinidad de contaminantes de naturaleza gaseosa y liquida, tanto naturales como sintéticos que requieren de tecnología específica para eliminar eficazmente el contaminante del fluido de escape o de proceso, por ejemplo en el caso de contaminantes industriales gaseosos podemos encontrar: (Carlson, 2016) • • •

Gases ácidos (ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, sulfuro de hidrogeno, etc) Gases inorgánicos (óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, amoniaco, etc) Gases orgánicos (etileno, benceno, etanol y muchos otros compuestos orgánicos volátiles VOC o contaminantes peligrosos del aire HAP).

Las tecnologías disponibles que pueden proporcionar control de los contaminantes no solo se desarrollan con el fin de respetar las legislaciones ambientales de cada país, sino que se ha creado una cultura de respeto al medio ambiente en la industria y esto se ve reflejado en la demanda de productos con tecnologías que desarrollan procesos sostenibles, para esto las industrias deben desarrollar un sistema de gestión ambiental de tal manera que sea fácilmente integrable o asimilable al resto de Sistemas de Gestión, tales como energía (UNE-EN-ISO 50001) o calidad (UNE-EN-ISO 9001). (Romero de Avila Martin, 2017) Las nuevas legislaciones en materia ambiental se han hecho más estrictas al exigir nuevos límites permisibles de contaminantes o bien la eliminación total de estos. De ahí que la reducción de contaminantes ha sido objeto de una intensa investigación. Dentro de la contaminación del medio ambiente, la producida por los compuestos orgánicos volátiles es una de las principales. (Martínez et al., 2009) Los ámbitos de uso clásicos más importantes de absorbedores son: Depuración de gases desechados ▪ Eliminación de sustancias orgánicas y reciclaje de disolventes con la continua regeneración con vapor o gas caliente ▪ Eliminación de sustancias orgánicas e inorgánicas mediante filtros reemplazables Depuración de agua ▪ Eliminación de sustancias y disolventes orgánicos con la continua regeneración con vapor ▪ Eliminación de sustancias orgánicas e inorgánicas mediante filtros reemplazables Secado de gas ▪ Eliminación del agua de los gases ▪ Secado del aire a presión. (Rosa et al., 2008) Esta tecnología es solo uno de las tantas utilizadas para eliminar contaminantes gaseosos, como se mencionó hay varias que también proporcionan control de la contaminación del aire, pero la principal ventaba de un depurador húmedo para el control de la contaminación orgánica gaseosa son los bajos costos de capital e instalación y la simplicidad del diseño, pero aun asi debe considerarse las limitaciones que ella conlleva que son, por ejemplo: (Carlson, 2016)

•

•

El equilibrio de absorción puede no permitir que el contaminante se absorba lo suficiente en el solvente, y el escape resultante a la atmosfera puede no ser adecuado para cumplir con las regulaciones de la ley de aire limpio de la EPA (ejemplo, para amplia variedad de COV, la máxima eficiencia de eliminación solo puede alcanzar el 90%). Con respecto al liquido de lavado, el agua es el más común, esto gracias a que el agua tiene un costo relativamente bajo, y los circuitos de control permiten cierto grado de recirculación, sin embargo, si ciertos contaminantes requieren un solvente modificado, los costos químicos adicionales y los sistemas de control pueden aumentar el costo total del solvente.

Ilustración 1 Diseños de absorbedores de DGE para la depuración de aires desechados y aguas residuales Fuente: DGE, Informe de investigación de la empresa Fachgemeinschaft Maschinenbau

Al saber lo importante que son los equipos de absorción y desorción gaseosa en la industria se ha estado mejorando la efectividad de estas, un ejemplo es el siguiente: La emisión de SO2 es función inversa de la eficacia de conversión según la reacción SO2 + ½ O2

SO3

La eficacia de conversión para procesos de absorción simple suele estar entre 97 y 98%. La eficacia de conversión para procesos de doble absorción suele ser de 99.5% aproximadamente. En el caso de la empresa de la CAPV (Comunidad Autónoma del País Vasco) se lleva a cabo la absorción de doble contacto. (Fundación Labein para IHOBE, S.A, 2005) Bibliografía Carlson, J. (28 de Marzo de 2016). Catalytic Products International. Recuperado el 16 de Junio de 2020, de https://www.cpilink.com/blog/air-pollution-controltechnology-review- absorption D., G. (2016). Absorbedores DGE para la protección del medio ambiente para la depuracion del aire desechado y aguas residuales. München: Fachbetriebsgemeinschaft Maschinenbau. Martínez, S., Olga, T., & Olga, T. (2009). Eliminación de compuestos orgánicos volátiles (COVs) mediante el uso de catalizadores estructurados a base de esponja de alúmina impregnados con paladio o platino. Revista INGENIERÍA UC, 16(1), 40–44. Fundación Labein para IHOBE, S.A. (2005). Guía técnica para la medición, estimación y calculo de las emisiones al aire. Bilbao: IHOBE-Sociedad Pública de Gestion Ambiental. Recuperado el 16 de Junio de 2020 Romero de Avila Martin, R. (2017). Sistema de gestion ambiental en una planta de fabricación de urea. Departamento academico de Ingenieria quimica. Madrid: Universidad Politecnica de Madrid. Recuperado el 16 de Junio de 2020

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL Departamento Académica de Ingeniería Química

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II PI-136 A DESORCIÓN GASEOSA Realizado por: •

Castillo Flores Miguel Francisco

•

Espiritu Bravo Giancarlos

•

Rodriguez Pino Melissa Beatriz

•

Vargas Pucllas Jorge Enrique

Profesor responsable de la práctica: •

Ing. Pizarro Solis Pedro Arturo

Periodo Académico 2020 – I Fecha de realización del laboratorio: 10/ 06 / 20 LIMA – PERÚ

INDICE 1.

Datos ............................................................................................................................... 3

3.

Tratamiento de datos ....................................................................................................... 4

3.1.

Tabla de resultados de experimento 1 (Caída de presión). .......................................... 4

3.2.

Gráfica del Log (ΔP/Z) vs Log (G’) ................................................................................. 5

3.3.

Cálculo de Cf y gráfica Cf vs G’ a L’ constante. Valor de Cf para el empaque usado en

el rango de ΔP/Z de 200 a 400 Pa/m. Discusión y conclusiones ................................................ 6 3.4.

Tabla de resultados de experimento 2 (Corrida de desorción gaseosa) ......................... 10

3.5.

Porcentaje de desorción obtenido y porcentaje de desorción obtenido si la columna fuera

de altura infinita. ....................................................................................................................... 16 3.6.

Estimación del rango de temperatura de operación en la columna. Discusión y

conclusiones. ............................................................................................................................. 18 3.7.

Datos y fuentes consultada para la curva de equilibrio .................................................. 19

3.8.

Ecuación y gráfica de la curva de equilibrio y línea de operación. ................................ 21

3.9.

Cálculo del NTOG en forma rigurosa y en forma simplificada. .................................... 22

3.10.

Cálculo del HtOG en m y del Ky.a en kmol/s.m3. ..................................................... 25

3.11.

Utilizar dos correlaciones de la bibliografía para el cálculo de HTOG y Zcalc.

Comparar Zcal con Zreal. Discusión y conclusiones ................................................................ 26

2

1. Datos

Tabla 1.Características de la columna empacada Altura del empaque (m)

1.065

Diámetro de la columna (plg)

4

Tipo de empaque

Anillos Raschig de vidrio de 1/2 plg

Tabla 2 Datos para cálculo de concentración en la alimentación ALIMENTACIÓN Volumen de muestra de

Volumen de HCl (ml)

Concentración del HCl

Tiempo

NH4OH (ml)

usado

(N)

(min)

20

9.2

9

8

20

9.1

9

15

Tabla 3 Datos para cálculo de concentración en los fondos SALIDA DE LOS FONDOS Volumen de muestra de NH4OH

Volumen de HCl (ml)

(ml)

usado

20

3.7

0.1

20

3.6

0.1

20

3.6

0.1

Concentración del HCl (N)

Tabla 4 Temperaturas para la desorción gaseosa En el tope de la columna

16 °C

En la pared exterior del tope

20 °C

3

En la pared exterior del fondo

14 °C

En el fondo de la columna

10 °C

Del ambiente atmosférico

26 °C

T° Promedio de Operación

13 °C

3. Tratamiento de datos

3.1.

Tabla de resultados de experimento 1 (Caída de presión). Tabla 5 Caída de presión del gas para un flujo constante G´ (Kg/m2. s)

∆P/Z

Log (G') Log (∆P/Z)

0.2155

99.88

-0.6666

1.9995

0.2873

136.20

-0.5416

2.1342

0.3592

199.77

-0.4447

2.3005

0.4310

272.41

-0.3655

2.4352

0.5028

345.05

-0.2986

2.5379

0.5746

426.77

-0.2406

2.6302

0.6465

544.81

-0.1895

2.7362

0.7183

681.02

-0.1437

2.8332

0.7901

817.22

-0.1023

2.9123

0.8620

998.83

-0.0645

2.9995

0.9338

1135.03 -0.0298

3.0550

1.0056

1371.11

0.0024

3.1371

1.0775

1679.84

0.0324

3.2253

1.1493

1897.77

0.0604

3.2782

4

3.2.

Gráfica del Log (ΔP/Z) vs Log (G’)

log (G') vs log(∆P/Z) 3.50 3.00

log(∆P/Z)

2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 -0.80

-0.70

-0.60

-0.50

-0.40

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0.10

log (G')

Figura 1. Caída de presión del gas para un flujo constante de líquido (35Lb/h)

Discusión de resultados •

La figura 1 muestra el incremento en la caída de presión conforme incrementa la velocidad del flujo del gas, esto se debe a que el gas impide el flujo descendente del líquido de forma que aumenta la retención de este con la velocidad del flujo.

•

Los puntos en la figura 1 muestran una tendencia lineal hasta que la velocidad del gas es 14...