LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA IIINDICE Fundamento teorico Datos Experimentales Calculados y resultados Discusiones Conclusiones Bibliografía Anexos Pág1 PI 147 ¨A¨ acarreados por una corriente gaseosa pueden recuperarse y luego ser reutilizados.LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA II I. la operación se conoce como desorción. Una buena separación de solutos entre sí. Estas operaciones requieren la transferencia de masa de una sustancia en la corriente gaseosa al líquido. el gas o los hidrocarburos se lavan con diferentes soluciones alcalinas que absorben a dicho sulfuro. se lava con agua para eliminar el amoniaco. el benceno y el tolueno se eliminan del aceite que se mencionó antes poniendo en contacto la solución líquida con vapor. son columnas verticales que se han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande. estas operaciones sólo se utilizan para la recuperación o eliminación del soluto. Cuando la transferencia de masa sucede en la dirección opuesta. Los principios de la absorción y la desorción son básicamente los mismos. a fin de disolver de manera selectiva uno o más componentes del gas y de obtener una solución de éstos en el líquido. FUNDAMENTO TEORICO La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla gaseosa se pone en contacto con un líquido. exige técnicas de destilación fraccionada. basta lavar el gas con un disolvente adecuado a los vapores. es decir. Establecer una relación entre los flujos de líquido y gas utilizados en la operación II. el aceite de absorción puede utilizarse nuevamente. después se lava con un aceite para eliminar los vapores de benceno y de tolueno. PI 147 ¨A¨ OBJETIVOS Estudiar la absorción de CO2 en una columna empacada. Por ejemplo. determinando el porcentaje de absorción y la masa en el tiempo mediante gráficos. Por ejemplo. Para que el molesto sulfuro de hidrógeno sea eliminado de un gas de este tipo o de hidrocarburos gaseosos naturales. el gas obtenido como subproducto en los hornos de coque. El líquido se distribuye Pág2 . Generalmente. Las torres empacadas utilizadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela. del líquido al gas. en consecuencia. Los valiosos vapores de un disolvente. así que las dos operaciones pueden estudiarse al mismo tiempo. de tal forma que los vapores entran en la corriente gaseosa y son arrastrados. Desafortunadamente. en el lecho empacado debe ser grande. Los empaques son principalmente de dos tipos. por lo tanto. se necesitan algunas modificaciones. la absorción de hidrocarburos a partir de mezclas gaseosas en aceites de hidrocarburos no volátiles. de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas. independiente de la de los demás. en ciertas condiciones. la generalización será aplicable únicamente si los gases que se van a disolver son indiferentes ante la naturaleza del líquido. Si todos los componentes del gas. la solubilidad en el equilibrio de cada gas será. aleatorios y regulares. mutuamente independientes). como en la recuperación de la gasolina natural. Cuando el gas contiene varios componentes solubles. Si varios componentes de la mezcla son apreciablemente solubles. sus concentraciones en el líquido serán tan pequeñas que no podrán modificar la solubilidad del componente relativamente soluble. debe ser baja la caída de presión del gas. pero no en el sentido microscópico. o cuando el líquido contiene varios componentes solubles para la desorción. Poseer las características deseables del flujo de fluidos. esto sucederá en el caso de las soluciones ideales. Esto generalmente significa que el volumen fraccionario vacío o fracci6n de espacio vacío. excepto uno. Y para nuestro caso usaremos los aleatorios más comunes que son los Rasching. Hasta ahora se ha supuesto que sólo uno de los componentes de la corriente gaseosa tiene una solubilidad apreciable. Tener bajo precio. la falta casi completa de datos de solubilidad para los sistemas de multicomponentes (excepto cuando se forman soluciones ideales en la fase líquida y cuando las solubilidades de los distintos componentes son. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación. Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando. Sin embargo. Pág3 . hace que los cálculos. La superficie del empaque por unidad de volumen de espacio empacado debe ser grande. algunas de las aplicaciones industriales más importantes pertenecen a la categoría de soluciones ideales. Sistemas de Multicomponentes Si una mezcla de gases se pone en contacto con un líquido. a través del lecho empacado. por ejemplo. entonces se puede aplicar la generalización.LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA II PI 147 ¨A¨ sobre éstos y escurre hacia abajo. siempre y cuando el equilibrio se describa en función de las presiones parciales en la mezcla gaseosa. El empaque de la torre debe ofrecer las siguientes características: Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas. 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. El empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas secciones transversales de la torre. aun en los casos más comunes. son básicamente insolubles. sean muy difíciles. sin recargo o inundación. enfriado y regresado al absorbedor. la solubilidad del soluto en el equilibrio se reducirá apreciablemente y la capacidad del absorbedor se reducirá (o bien. DATOS EXPERIMENTALES De Operación: Aire (G) Solución de NaOH (L) ∆Pinicial (t=0) Presión de CO2 en el tanque Pág4 6 pie3/min 90 lb//h 90 lb/h 800lb/pulg2 . se deben instalar espirales de enfriamiento en el absorbedor o a ciertos intervalos el líquido puede ser eliminado. generalmente. Esta absorción implica ciertas reacciones que se mostrarán a continuación: Se da una primera reacción entre el CO2 absorbido y el NaOH contenido en la solución: NaOH(ac) + CO2(g) NaHCO3(ac) Como el NaOH está contenido en exceso. se neutraliza tanto el NaOH contenido como el Na 2CO3 presente. Titulación de CO2: En el presente laboratorio se absorbe CO 2 con una solución alcalina que contiene NaOH. con frecuencia es satisfactorio suponer que la operación es isotérmica. En el caso de la desorción. hace que la temperatura en la interfase se vuelva mayor que la del líquido. ya que el viraje se da alrededor de un pH de 4. Así. los coeficientes de transferencia de masa y las concentraciones en el equilibrio. pues esté representa el CO 2 que se absorbió. Cuando la solución se titula con HCl. una acción endotérmica. los efectos de la temperatura no pueden ignorarse. Sin embargo. empleando como indicador al anaranjado de Metilo. exotérmicas. se requerirán mayores flujos del líquido). según: NaHCO3(ac + NaOH(ac) Na2CO3(ac) + H2O(l) Por lo tanto en la solución final (cuando ya absorbió CO 2) se tiene una mezcla de carbonato de sodio y NaOH. Durante la absorción. El segundo vuelve a convertirse en bicarbonato de sodio cuando se hace reaccionar nuevamente con HCl. las operaciones reales de absorción son.LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA II PI 147 ¨A¨ Operación no isotérmica Muchos absorbedores y desorbedores trabajan con mezclas gaseosas y líquidos diluidos. y cuando se absorben grandes cantidades del soluto gaseoso para formar soluciones concentradas. III. Si la temperatura del líquido aumenta considerablemente mediante la absorción. en estos casos. la cantidad de CO2 absorbido por el gas se puede determinar sólo con el volumen de HCl consumido para la neutralización del NaHCO 3. Si la evolución de calor es excesiva. la temperatura tiende a decrecer. la liberación de energía que ocurre en la interfase debido al calor latente y al calor de disolución. Este hecho cambia las propiedades físicas. el bicarbonato formado en la reacción anterior vuelve a reaccionar. 5 82.7 5.2 11.35 11.1 11.9 82.1 5.00 129.4 82.5 3.1 83 83 82.95 11.1N (ml) Anaranjado de Fenolftaleína Metilo 6. Muest ra ∆P (lb/m2) T (min) CO2 (kg) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 26 29 29 29 29 29 29 29 29 29 29 29 3 6 9 12 15 20 25 30 35 40 45 50 83.5 6 6 CALCULOS Y RESULTADOS En el siguiente cuadro se ha tomado un promedio tanto para el volumen de HCl consumido en la titulación con fenolftaleína como en la titulación con anaranjado de metilo: T (s) P (Pa) Fenolftaleína (A) ml 180 360 540 720 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 115.65 6.4 83.00 129.05 5.7 5.4 11.1 12.4 3.5 11.8 11.4 12.LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA II PI 147 ¨A¨ 30 pie3/h 2ml Flujo de CO2 Vmuestra IV.15 11.00 129.9 12.95 11.6 6.65 129.9 11.9 7.2 10.6 5.1 5.00 129.85 11.00 129.15 5.5 11.5 5.6 12.3 Consumo de HCl 0.1 11.00 129.5 6.85 11.2 6.4 12 6.45 10.7 10.35 Pág5 Anaranjado de metilo (B) ml 3.5 82.6 11.2 83.1 5.6 6.00 7.00 129.7 6.9 82.5 5.5 5.2 6.05 6 .00 129.2 6 11 11.4 12.2 5.7 82.00 129.7 11.55 5.25 10.2 5.7 12.85 6.7 6.7 5.1 11.7 5.6 11.00 129.1 5 6.7 11.1 6 11. 285 0.275 0.85 6.3025 0.LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA II PI 147 ¨A¨ Los datos de la columna de HCl consumido en la titulación con anaranjado de metilo.7 5.65 6.305 0.1775 0.5 5. son los que se emplearan para determinar el contenido de CO 2 y son estos valores los que se emplearán para determinar si el proceso llegó a estabilizarse.3 La concentración se grafica a través del tiempo: Pág6 .3075 0.15 5. N HCl N =N NaH CO 3=N CO 2 Remplazando se tiene la siguiente tabla: Tiempo (s) 180 360 540 720 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 HCl (ml) 3.285 0.05 5.275 0.2825 0.05 6 Concentración de CO2 (mol/L) 0.3025 0.5 6.2925 0.55 5. Para determinar la concentración de CO2 se emplea la siguiente ecuación: V muestra . N =V HCl .7 6.1 5. 25 0. .4536 Kg 1 l .2 Kg/l. .=M CO .567/min)=7.295mol/L)(44g/mol)(0.2 Kg Q = 0.36 g/min m 2 De la variación del peso del balón de gas en la balanza se puede comparar cuanto se absorbido en el líquido: Pág7 .=¿ 0.5 N (aproximadamente la concentración que se preparó.15 0. Así: Flujo de solución: Q = 90 lb 1 h 0.567 l/min Hallando Flujo másico: ´ CO . h 60 min 1 lb 1.2 Concentración CO2 (mol/l) 0.3 0.35 0. . Se tomará un valor promedio sin considerar los datos antes de los 720 segundos. Pues a partir de allí la oscilación es menor: Concentración de CO2 promedio = 0. M´ .1 0.05 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tiempo (min) Debido a la oscilación de los datos y debido a que no se puede percibir una clara estabilidad. Q m 2 2 ¿ ´ CO .295 mol/L La solución de soda con una concentración de 0.LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA II PI 147 ¨A¨ 0. 1kg NaOH en 40 litros de agua) tiene una densidad de 1. Se establecen las condiciones para cada corriente y automáticamente.36 . se determina la temperatura a la que sale el CO2. Se ha hecho el cálculo a través de un simulador. a través del simulador. Según los datos. 45 22 Determinación de la temperatura de CO2: Para evitar la búsqueda de tablas sobre los valores de entalpía del CO2 o el empleo de una ecuación de estado compleja. OBSERVACIONES Pág8 . como se muestra: Como se observa el CO2 se está expandiendo y llega a un temperatura -119.4 a 82.27°C.7 psia) a 1 atm.LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA II %Recuperado= W CO = 2 PI 147 ¨A¨ W CO absorbido .7 °F o -84. V.100 W CO entrada 2 2 Para ello se debe conocer el flujo de CO 2 que ingresa a la columna. A continuación se muestra el esquema realizado: Donde en la tubería se representa el cambio de presión que sufre el CO 2 al pasar de 800 psi (814.3 en 50 min. el masa del baló varía de 83.100 =33 . El flujo será: Flujo de CO2 = 22 g/min Por lo tanto el Porcentaje absorbido o porcentaje recuperado será: %Recuperado= 7. Pág.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Atmosfera/ColumnaRelleno. Produciendo una disminución en su temperatura.295ml/l La concentración mencionada líneas arriba nos indica que existe una recuperación del 33. sin embargo a partir del minuto 12 se da un rango de variación menor donde se puede realizar un promedio de los datos. . BIBLIOGRAFIA TREYBAL. requiere energía para poder pasar de un estado a otro. VI. Robert E. Durante la operación de la columna se evitó que la solución en los fondos se mezclara con la solución dentro de la torre de absorción ya que podría envenenarse la solución de análisis que se encuentra dentro de la columna y arrojar datos erróneos de la operación. McGrawHill – 2° Edición . Las concentraciones de CO 2 en la solución de soda no resultaron ser constantes.27 °C. Dichos datos arrojaron una concentración de CO 2 de 0. Realizando una simulación sencilla se pudo aproximar que el CO 2 llega hasta los -84. Debido a la expansión que sufre el CO 2 del tanque. CONCLUSIONES Las concentraciones de CO2 en el líquido a la salida se calcularon de acuerdo a las titulaciones realizadas con HCl cada 3 minutos luego cada 5 min desde el inicio de la operación hasta el final de la misma.Operaciones de Transferencia de Masa – Ed.h tm Pág9 . 305-315 http://www. VII.LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MASA II PI 147 ¨A¨ Las muestras tomadas en los fondos es una solución que contiene diferentes especies entre ellas el Na2CO3 que en un rango de pH básico se colorea en presencia de fenolftaleína y el NaHCO 3 que se colorea con el naranjado de metilo.45% del CO2 que ingresa.