Practica 7 absorción laboratorio transferencia de masa PDF

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UNIVERSIDAD DE GUADALAJARACENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIASEXACTAS E INGENIERÍASDEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICALABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASASECCIÓN: D05 CLAVE: I5831 NRC: 117588EQUIPOINTEGRANTES:● CASTELLANOS LÓPEZ FÁTIMA● COTERO MANZO BRANDON ADRIÁN● FLORES CONTRERAS FERNANDO EMMANUEL● HER...

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UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA

CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERÍAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA SECCIÓN: D05

CLAVE: I5831

NRC: 117588 EQUIPO #2

INTEGRANTES: ● CASTELLANOS LÓPEZ FÁTIMA ● COTERO MANZO BRANDON ADRIÁN ● FLORES CONTRERAS FERNANDO EMMANUEL ● HERNÁNDEZ HUERTA FÁTIMA TERESA ● MORA ACOSTA OSCAR LEONEL NOMBRE DEL MAESTRO: GUTIERREZ ROCHA VÍCTOR

GUADALAJARA, 5 DE NOVIEMBRE DE 2020

PRÁCTICA 7: ABSORCIÓN ÍNDICE INTRODUCCIÓN:

3

OBJETIVOS:

3

TEORÍA:

3

EJEMPLO:

9

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

14

DIAGRAMA Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO:

15

TABLAS DE DATOS:

16

CÁLCULOS:

17

ANÁLISIS DE RESULTADOS:

19

CONCLUSIONES:

19

APÉNDICE:

20

BIBLIOGRAFÍA:

21

2

INTRODUCCIÓN: Se define absorción como una operación unitaria regida por transferencias de materia que consiste en poner en contacto un gas con líquido con el objetivo de que en él se disuelva alguno de los componentes del gas. A continuación, se aprecia la práctica 7 del curso de laboratorio de transferencia de masa, que corresponde al tema de absorción. Contrastando la teoría con la práctica propuesta en el manual de prácticas para el laboratorio de masa, en esta ocasión no se realizaron las prácticas de manera presencial, el profesor

nos

apoyó

con

los

datos

para poder desarrollar los cálculos

correspondientes a la práctica de absorción simulando así la práctica 7. En esta práctica se analizó una torre de absorción de CO2 el fin de demostrar su funcionamiento, aplicando los conocimientos que aprendimos durante el curso de laboratorio de transferencia de masa. OBJETIVOS: ● Calcular el balance de masa de CO2 en la columna ● Calcular el coeficiente global de transferencia de masa k L /k G , y las ● unidades de transferencia de masa HTU y el valor de N OG ● Calcular la altura teórica de la columna y compararla con la real. TEORÍA: 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. Estas operaciones requieren la transferencia de masa de una sustancia en la corriente gaseosa al líquido. Cuando la transferencia de masa sucede en la dirección opuesta, es decir, del líquido al gas, la operación se conoce como desorción.

3

Generalmente, estas operaciones sólo se utilizan para la recuperación o eliminación del soluto. Una buena separación de solutos entre sí, exige técnicas de destilación fraccionada. SOLUBILIDAD DE GASES EN LÍQUIDOS EN EL EQUILIBRIO La rapidez con la cual se disolverá un componente gaseoso de una mezcla en un líquido absorbente depende de la desviación del equilibrio que existe; por lo tanto, es necesario considerar las características en el equilibrio de los sistemas gas-líquido.

SISTEMAS DE DOS COMPONENTES Si cierta cantidad de un gas simple y un líquido relativamente no volátil se llevan al equilibrio, la concentración resultante del gas disuelto en el líquido recibe el nombre de solubilidad del gas a la temperatura y presión predominante. A una temperatura dada, la solubilidad aumentará con la presión. Gases y líquidos diferentes presentan curvas de solubilidad distintas, las cuales en general se deben determinar experimentalmente para cada sistema. Si a una concentración dada de líquido la presión en el equilibrio es alta, se dice que el gas es relativamente insoluble en el líquido; por el contrario, si es baja se dice que la solubilidad es elevada. Sin embargo, esto es meramente relativo, ya que es posible obtener cualquier concentración final del gas en el líquido si se aplica la presión suficiente, siempre y cuando la forma licuada del gas sea completamente soluble en el líquido. La solubilidad de cualquier gas depende de la temperatura, y depende en la forma descrita por la ley de van ‘t Hoff para el equilibrio móvil: “si se aumenta la temperatura de un sistema en equilibrio, ocurrirá un cambio durante el cual se absorberá calor”. Generalmente, pero no siempre, la disolución de un gas tiene como resultado la evolución de calor; por ello, en la mayoría de los casos, la solubilidad de un gas decrece al aumentar la temperatura.

4

SISTEMAS DE MULTICOMPONENTES Si una mezcla de gases se pone en contacto con un líquido, la solubilidad en el equilibrio de cada gas será, en ciertas condiciones, independiente de la de los demás, siempre y cuando el equilibrio se describa en función de las presiones parciales en la mezcla gaseosa. Si todos los componentes del gas, excepto uno, son básicamente insolubles, sus concentraciones en el líquido serán tan pequeñitas que no podrán modificar la solubilidad del componente relativamente soluble; entonces se puede aplicar la generalización. Si varios componentes de la mezcla son apreciablemente solubles, la generalización será aplicable únicamente si los gases que se van a disolver son indiferentes ante la naturaleza del líquido; esto sucederá en el caso de las soluciones ideales. La solubilidad de un gas también se verá afectada por la presencia de un soluto no volátil en el líquido (tal como sal en una solución acuosa) cuando dichas soluciones no sean ideales. SOLUCIONES LÍQUIDAS IDEALES Cuando una fase líquida se puede considerar ideal, la presión parcial en el equilibrio de un gas en la solución puede ser calculada sin necesidad de determinaciones experimentales. Hay cuatro características significativas de las soluciones ideales; todas se relacionan entre sí: 1. Las fuerzas intermoleculares promedio de atracción y repulsión en la solución no cambian al mezclar los componentes. 2. El volumen de la solución varía linealmente con la composición. 3. No hay absorción ni evolución de calor al mezclar los componentes. Sin embargo, en el caso de gases que se disuelven en líquidos, este criterio no incluye el calor de condensación del gas al estado líquido. 4. La presión total de vapor de la solución varía linealmente con la composición expresada en fracción mol.

5

En realidad no existen soluciones ideales y las mezclas reales sólo tienden a ser ideales como límite. La condición ideal requiere que las moléculas de los componentes sean similares en tamaño, estructura y naturaleza química; tal vez la aproximación más cercana a dicha condición sea la ejemplificada por las soluciones de isómeros ópticos de compuestos orgánicos. Sin embargo, prácticamente muchas soluciones se encuentran tan cerca de ser ideales que para fines de Ingeniería se pueden considerar como tales. En particular, los miembros adyacentes o casi adyacentes de una serie homóloga de compuestos orgánicos pertenecen a esta categoría. Cuando la mezcla gaseosa en equilibrio con una solución líquida ideal, sigue también la ley de los gases ideales, la presión parcial p* de un soluto gaseoso A es igual al producto de su presión de

vapor p a la misma temperatura

por su fracción mol en la solución

x. Esta es la ley de Raoult

SOLUCIONES LÍQUIDAS NO IDEALES Para las soluciones líquidas que no son ideales, la ley de Raoult dará resultados muy incorrectos. La ecuación de una línea de este tipo es:

en donde m es una constante. Esta es la ley de Henry; se ve que puede aplicarse a diferentes valores de m para cada uno de los gases en la figura, al menos en un rango modesto de concentraciones en el líquido. Si la ley de Henry no es aplicable en un rango amplio de concentraciones, puede deberse a la interacción química con el líquido o a disociación electrolítica, como en el caso del amoniaco en agua o a la condición no ideal en la fase gaseosa. Los gases de tipo vapor (que están por debajo de su temperatura crítica) generalmente siguen la ley hasta presiones de aproximadamente el 50% del valor a saturación, a la temperatura predominante, siempre y cuando no haya una acción química en el líquido. En cualquier caso, m debe establecerse experimentalmente. 6

ELECCIÓN DEL DISOLVENTE PARA LA ABSORCIÓN Si el propósito principal de la operación de absorción es producir una solución específica, el disolvente es especificado por la naturaleza del producto. Si el propósito principal es eliminar algún componente del gas, casi siempre existe la posibilidad de elección. Por supuesto, el agua es el disolvente más barato y más completo, pero debe darse considerable importancia a las siguientes propiedades: 1. Solubilidad del gas. La solubilidad del gas debe ser elevada, a fin de aumentar la rapidez de la absorción y disminuir la cantidad requerida de disolvente. 2. Volatilidad. El disolvente debe tener una presión baja de vapor, puesto que el gas

saliente en una operación de absorción generalmente está saturado con

el disolvente y en consecuencia, puede perderse una gran cantidad. 3. Corrosión. Los materiales de construcción que se necesitan para el equipo no deben ser raros o costosos. 4. Costo. El disolvente debe ser barato, de forma que las pérdidas no sean costosas, y debe obtenerse fácilmente. 5. Viscosidad. Se prefiere la viscosidad baja debido a la rapidez en la absorción, mejores características en la inundación de las torres de absorción, bajas caídas de presión en el bombeo y buenas características de transferencia de calor. 6. Misceláneos. Si es posible, el disolvente no debe ser tóxico, ni inflamable, debe ser estable químicamente y tener un punto bajo de congelamiento.

Flujo a contracorriente En la figura 8.4 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 área de sección transversal de la torre); está formada por el soluto A que se difunde de fracción mol y, presión parcial p o relación 7

mol Y, y de un gas que no se difunde, básicamente insoluble, Gs moles/tiempo (área). La relación entre ambos es

En la misma forma, la corriente del líquido consta de L moles totales/tiempo (área) que contienen x fracción mol de un gas soluble, o relación mol X, y L, moles/tiempo(área) de un disolvente básicamente no volátil.

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 (entorno 1) es

Esta es la ecuación de una línea recta (la línea de operación) sobre las coordenadas X, Y, de pendiente L,/G, que pasa a través de (X,, YI). La sustitución de X2 y Y, por X y Y muestra que la línea pasa a través de (X2, Y,). Esta línea indica la relación entre las concentraciones del líquido y el gas en cualquier nivel de la torre, como en el punto P. Los datos de solubilidad en el equilibrio para el soluto gaseoso en el disolvente líquido pueden también graficarse en función de estas unidades de concentración en el mismo diagrama, como la curva MN, por ejemplo. Cada punto 8

sobre esta curva representa la concentración del gas en equilibrio con el líquido correspondiente, a la concentración y temperatura locales. Para un absorbedor (transferencia de masa del gas al líquido), la línea de operación siempre cae arriba de la curva de solubilidad en el equilibrio, mientras que para un desorbedor (transferencia de masa del líquido al gas) la línea siempre está por debajo, como en la figura 8.5. La línea de operación es recta sólo cuando se grafica en unidades de relación mol. En fracciones mol o presiones parciales, la línea es curva, como en la figura 8.6 para un absorbedor. Entonces, la ecuación de la línea es

EJEMPLO: Se va a lavar un kmol por unidad de tiempo de un gas que consta de 75% metano y 25% de vapor de n-pentano, n-C5H12, 27 °C, 1 atm, con 2 kmol/unidad de tiempo de un aceite de parafina no volátil, peso molecular 200. Capacidad calorífica 1.884 kJ/kg*K, que entra al absorbedor libre de pentano a 35 °C. Calcular el número de platos ideales para la absorción adiabática del 98% del pentano. Despreciar la solubilidad del CH4, en el aceite y suponer que la operación va a ser a 1 atm (despreciar la caída de presión del flujo a través de los platos). El pentano forma soluciones ideales con aceite de parafina. Las capacidades caloríficas que se van a encontrar en el rango de temperaturas son:

9

El calor latente de evaporación del n-C5H12 a 0 °C = 27,820 kJ/kmol. Utilizar una temperatura base t0 = 0 °C. Entonces, las entalpías en función de 0 °C, pentano líquido, aceite de parafina líquido y metano gaseoso son:

Para soluciones que siguen la ley de Raoult:

en donde p = presión de vapor del n-pentano. Por lo tanto, la presión de vapor del n-C5H12 es 400 mm Hg (53.32 kN/m2) a 18.5 °C, de donde; x =0.530. En la misma forma:

Es conveniente preparar una gráfica con estos datos para la interpolación.

10

Buses: unidad tiempo. De los datos proporcionados

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Los cálculos se continúan en igual forma hacia la parte superior de la torre, hasta que la composición del gas desciende, por lo menos, a y = 0.00662. Los resultados son:

12

En la figura 8.15 se muestra la composición calculada del gas y la temperatura del plato graficada contra el número del plato. La yt requerida = 0.00662 ocurre aproximadamente a 3.75 platos ideales y la temperatura en el plato superior es básicamente la supuesta. Si esto no hubiese sido así, se hubiera necesitado suponer un nuevo valor de t1 y un nuevo cálculo. Un número entero de platos requiere un flujo del líquido ligeramente mayor (para NP = 3) o menor (para NP =4); no obstante, como la eficiencia del plato debe aplicarse para obtener el número real de platos, generalmente se acepta un número no entero. También es posible una solución gráfica si se utiliza un diagrama de entalpía concentración. Cuando el aumento en la temperatura del líquido es grande, o cuando hay gases entrantes concentrados y valores pequeños de L/G, la rapidez de convergencia de la t, calculada y supuesta es muy lenta y el cálculo se lleva a cabo más adecuadamente en una computadora digital. Puede haber un máximo en la temperatura en otro plato que no sea el plato del fondo. Si se fija el número de platos, tanto la composición del gas saliente como la temperatura del plato superior deben encontrarse al tanteo. Los casos en que el gas acarreador se absorbe y el disolvente se evapora pueden considerarse como sistemas de multicomponentes.

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Preparar 20 L de solución de hidróxido de sodio 0.5 N que se agregan al tanque de alimentación a la izquierda del equipo y 150 g de solución al 10% masa de sosa para el Orsat. El analizador de gases deberá lavarse para realizar la práctica correctamente, para esto se descarga la solución de sosa y rojo de metilo, y después un lavado con HCl, por último se hace un lavado con agua El analizador de líquidos se instala conectando una pera de separación a una columna de vidrio graduada, y unida por el extremo inferior a la columna con una manguera de látex. Por otra parte un matraz es instalado con un tapón que tiene dos orificios para poner tubos de vidrio los cuales tienen mangueras, una de ellas va a la parte superior de la columna y la otra a una bureta que tiene ácido sulfúrico al 50%. Operación del analizador del Líquido ● Se colocan 5 mL de muestra + 2 gotas de rojo de metilo, y se tapa herméticamente. ● Se toma la lectura inicial en la bureta (Vi), nivelando la pera de separación. ● Se enciende el agitador. Se agregan 2 mL de ácido sulfúrico al 50% ● Se sigue el nivel con la pera hasta igualarlos y se toma la lectura. (Vf) ORSAT ● Se toman 100 mL de los gases que salen de la columna, en la probeta que contiene sulfito de sodio y rojo de metilo. ● Se lavan los gases pasándolos al recipiente con NaOH, hasta casi cubrir los pequeños tubos del analizador. ● Hay que mover arriba y abajo el recipiente que contiene la solución de rojo de metilo de manera que se acelere el proceso de absorción. ● Se determina el volumen de gases (CO2) absorbidos.

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OPERACIÓN E LA COLUMNA ● Se abre la válvula del aire que va al tanque que contiene la solución 0.5 N de sosa, se va regulando el flujo hacia la columna. ● Regulado el flujo se abre la válvula de CO2 y del aire a un flujo de 3 L/ min. ● Por la parte inferior de la columna sale la solución que estuvo en contacto con el CO2. ● Por la parte de arriba sale lo que se ha de analizar en el Orsat. DIAGRAMA Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO:

Columna

ORSAT

Tanques de alimentación

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TABLAS DE DATOS: (Proporcionadas por el profesor) TABLA DE CONCENTRACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS TABLA DE CONCENTRACIÓN DE DATOS corri da

L1 3

(cm /

X 1

s)

L2

G1 3

(cm /

5.092

0

5.09

1

4.861

0

4.86

2

3.713

0

3.71

3

3.694

0

3.69

4

3.094

0

3.09

5

2.861

0

2.86

a

X2

Y1

3

L1

(cm /mi

(%C

(x2-x1

n)

O2)

n)

O2)

)

48

0.383

24.720

0.327

50

0.333

33.450

0.249

58

0.296

44.080

0.194

57

0.301

43.890

0.187

61

0.281

50.630

0.145

62

0.275

38.440

0.275

13. 50 17. 50 16. 90 18. 00 20. 00 22. 00

CO2 %y1

Y2

(%C

G1 (cm³/mi

G2

(cm /mi

s)

0

corrid

3

G2

%y2

n)

perdido por los gases

Eficie ncia

0.68

14.62

7

1

0.85

25.22

1

5

0.62

34.45

8

9

0.66

37.87

5

4

0.61

48.39

9

9

0.63

CO2 Abs por el líquido

0

0

CO2 Abs / CO2 Perdido

0

48

62

24.720

48.50

23.28

68.74

2.953

1

50

50

33.450

33.10

16.55

85.08

5.141

2

58

42

44.080

24.00

13.92

62.76

4.508

3

57

43

43.890

23.00

13.11

66.49

5.072

4

61

39

50.630

17.00

10.37

61.88

5.967

5

62

38

38.440

38.00

23.56

62.95

2.672

16

CO₂ en

corrida

de...