REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA.

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LA FUERZA

ARMADA NACIONAL.

UNEFA- NUCLEO ZULIA.

CATEDRA: LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

INTEGRANTES:

EDGARDO CERVANTES

JOSE ESPINOZA

RONYERICK PERCHE

SECCION: PQV-8E

PROFESORA: MIRIAN RODRIGUEZ.

VIII SEMESTRE DE ING PETROQUIMICA

MARACAIBO, NOVIEMBRE DE 2010.

1

Índice.

2

Introducción……………………………………………Pág. 4

Fundamentos Teóricos………………………………Pág. 5-10

Datos Experimentales Requeridos………………...Pág. 11

Formulas a utilizar para los cálculos a partir de los datos experimentales…………………………………………Pág. 12-13

Descripción del Equipo de Absorción…….Pág. 14-16

Datos Experimentales…………………………………………...Pág. 17

Expresión de los resultados………………………………..Pág. 18-19

Conclusión………………………………………………….....Pág. 20

Recomendaciones……………………………………………Pág. 21

Bibliografía…………………………………………………….Pág. 22

Apéndice 1……………………………………………………….Pág. 23-25

Apéndice 2……………………………………………………….Pág. 26-28

Introducción.

3

La absorción de gases es una operación básica de la ingeniería

química que estudia la separación de uno o más componentes como por

ejemplo NH3 - H2O de una mezcla gaseosa por disolución en un líquido.

Sin embargo en esta operación se efectúa el transporte de materia de los

componentes desde la fase gaseosa a la fase liquida.

Cuando cualquier componente gaseoso absorbido en un líquido se

separa de aquel por medio otro gas (no soluble en agua) se denomina

desorción, es decir, operación contraria a la absorción donde se efectúa el

transporte de materia desde la fase gaseosa a la fase liquida.

Fundamentos Teóricos.

4

1. Concepto de absorción.

Absorción es la operación unitaria que consiste en la separación de uno

o más componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente

líquido con el cual forma solución (un soluto A, o varios solutos, se absorben

de la fase gaseosa y pasan a la líquida). Este proceso implica una difusión

molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto A a través del gas

B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en reposo.

Un ejemplo es la absorción de amoníaco A del aire B por medio de agua

líquida C. Al proceso inverso de la absorción se le llama empobrecimiento o

desabsorción; cuando el gas es aire puro y el líquido es agua pura, el proceso

se llama deshumidificación, la deshumidificación significa extracción de vapor

de agua del aire.

2. 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:

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. En general, los disolventes de

naturaleza química similar a la del soluto que se va a absorber

proporcionan una buena solubilidad. Para los casos en que son

ideales las soluciones formadas, la solubilidad del gas es la

misma, en fracciones mol, para todos los disolventes. Sin

embargo, es mayor, en fracciones peso, para los disolventes de

bajo peso molecular y deben utilizarse pesos menores de estos

disolventes. Con frecuencia, la reacción química del disolvente

5

con el soluto produce una solubilidad elevada del gas; empero, si

se quiere recuperar el disolvente para volverlo a utilizar, la

reacción debe ser reversible.

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. Si es necesario, puede

utilizarse un líquido menos volátil para recuperar la parte

evaporada del primer disolvente.

Corrosión. Los materiales de construcción que se necesitan

para el equipo no deben ser raros o costosos.

Costo. El disolvente debe ser barato, de forma que las pérdidas

no sean costosas, y debe obtenerse fácilmente.

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.

Misceláneos. Si es posible, el disolvente no debe ser tóxico, ni

inflamable, debe ser estable químicamente y tener un punto bajo

de congelamiento.

3. Torres Empacadas (o de Relleno).

Las torres empacadas, o torres de relleno, utilizadas para el contacto

continuo del líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a

corriente paralela, son columnas verticales que se han llenado con empaque o

con dispositivos de superficie grande. El líquido se distribuye sobre éstos y

escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone

una gran superficie al contacto con el gas.

El empaque (llamado relleno en España) de la torre debe ofrecer las

siguientes características:

6

Proporcionar una superficie interfacial grande entre el

líquido y el gas. La superficie del empaque por unidad de

volumen de espacio empacado am debe ser grande, pero

no en el sentido microscópico.

Poseer las características deseables del flujo de fluidos.

Esto generalmente significa que el volumen fraccionario

vacío, o fracción de espacio vacío, en el lecho empacado

debe ser grande. El empaque debe permitir el paso de

grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas

secciones transversales de la torre, sin recargo o

inundación; debe ser baja la caída de presión del gas.

Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se

están procesando

Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y

la instalación.

Tener bajo precio.

Los empaques son principalmente de dos tipos, aleatorios y

regulares.

4. Funcionamiento de las columnas de platos

Cada plato constituye una etapa, puesto que sobre el plato

se ponen los fluidos en contacto intimo, ocurre la difusión

interfacial.

El numero de platos teóricos o etapas en equilibrio

depende de lo complicado de la separación

El diámetro de la torre depende de las cantidades de

líquido y gas que fluyen a través de la columna por unidad

de tiempo.

7

Alta eficacia de transferencia de materia (depende de la

calidad y tiempo de contacto). El tiempo de contacto

depende de la laguna liquida sobre cada plato la cual debe

ser profunda y de velocidades relativamente elevadas del

gas.

5. Funcionamiento de las columnas de burbujeo.

Una corriente de gas en forma de pequeñas burbujas, es

introducida en el liquido. Si el diámetro del tanque es

pequeño, el burbujeador localizado en el fondo del tanque

puede ser un simple tubo abierto.

El propósito del burbujeo es poner en contacto el gas

burbujeado con el líquido.

Circulación de las dos fases en contracorriente.

Se utilizan cuando se requiere una caída de presión muy

baja.

6. Funcionamiento de las columnas de aspersión.

El liquido puede atomizarse en una corriente gaseosa por

medio de una boquilla que dispersa al liquido en una

aspersión de gotas.

El flujo puede ser a contracorriente, o en paralelo

Baja caída de presión de gas.

Costo de bombeo de líquido elevado, debido a la caída de

presión por la boquilla atomizadora.

La tendencia del líquido a ser arrastrado por el gas es

considerable.

7. Funcionamiento de las columnas empacadas.

Alternativa a las torres de platos.

Variación continúa de la concentración en toda la torre.

8

Circulación de las dos fases en contracorriente.

Contienen un material de soporte (relleno).

Alta eficacia de transferencia de materia (depende de la

calidad y tiempo de contacto)

Consideraciones de diseño

Especificaciones:

Flujo de gas y liquido, composición, temperatura y presión

Grado de separación deseada

Selección del absorvedor

Presión y temperatura de operación y caída de presión permisible

Mínima cantidad de absorbente

Numero de etapas de equilibrio

Efectos del calor

Equipo requerido

Altura del absorvedor

Diámetro del absorvedor

Consideraciones de diseño

Absorbente debe:

Alto grado de solubilidad para el soluto

Tener baja volatilidad (reduce perdidas del absorbente)

Ser estable (reduce la necesidad de reemplazar el absorbente)

No corrosivo

Baja viscosidad (reduce la caída de presión y requerimiento de bomba)

No toxico- no inflamable

Disponible del proceso (reduce cosos, reduce necesidad de fuentes

externas)

Presión y temperatura de operación:

En general la presión debe ser alta y la temperatura baja en un absorvedor

La presión debe ser baja y la temperatura alta en un proceso de desorción.

9

8. Desorción (Stripping).

La desorción es la operación inversa a la absorción. Es la operación

unitaria en la cual uno o más componentes del líquido se transfieren al gas.

También puede conseguirse aumentando la temperatura.

10

Datos Experimentales Requeridos.

1. Construir la curva de NH3 aire- agua a 20 °C.

2. Interpretar la curva.

3. Determinar el flujo mínimo.

4. Determinar las etapas requeridas para un 125% del flujo mínimo de agua.

5. Para el líquido entra y sale a un desorvedor.

11

Formulas a utilizar para los cálculos a partir de los datos experimentales.

Absorbedor:

1. Calculo de las relaciones molares.

X= x/(1-x)

Y= y/(1-y)

2. Calculo de las fracciones molares.

x=

y=

3. Calculo de (L`/G`)min.

(L`/G`)min=

4. Calculo de (L`/G`)op.

(L`/G`)op=

5. Cantidad de total de agua líquida que entra al sistema.

Ls= L*(1 - x2)

L=

6. Cantidad de NH3 que entra a la corriente.

L – Ls

7. Platos teóricos siendo el reflujo de operación 125% veces el mínimo.

Lop= 125% L`min

12

Desorbedor:

1. Calculo de (G`/L`)min.

(G`/L`)min=

G`min=

2. Calculo de G`op.

G`op= 125% G`min

3. Calculo de Y2 real.

(G`/L`)op=

Y2 real= +Y1

13

Descripción del Equipo

1 columna de absorción, 2 armario de distribución, 3 caudalímetro para NH3,

4 caudalímetro para aire, 5 caudalímetro para disolvente, 6 compresor, 7 esquema

de proceso, 8 bomba (refrigeración), 9 depósito de refrigeración, 10 bombas

(absorción/desorción), 11 grupo frigorífico, 12 cambiador de calor, 13 dispositivo

de calefacción, 14 manómetro de tubo en U, 15 trompa de agua, 16 columna de

Desorción.

14

Las columnas de platos son equipos a contracoriente, en los que el

contacto se hace en discontinuo sobre unos platos que tienen orificios para

el paso de los gases, y un vertedero para transferir el líquido de plato a

plato, de manera que los gases ascienden burbujeando por los orificios.

Los separadores de venturi provocan una aceleración del gas

mediante un estrechamiento, llamado garganta de venturi, en la que se

produce la mezcla gas-líquido, siendo la velocidad del líquido la que

proporciona la energía para el correcto contacto entre gas residual y

solvente, y aunque el tiempo de residencia es escaso debido a las altas

velocidades, tienen una buena eficiencia en la eliminación de partículas.

Estos equipos presentan una gran pérdida de presión y debido al escaso

tiempo de residencia sólo es aplicable a gases de alta solubilidad.

Las columnas de relleno a contracorriente, en las que nos centramos

en este apartado, son equipos cilíndricos que contienen en su interior un

relleno cuyo objetivo es maximizar el área de contacto entre gas y líquido.

Las torres empacadas tienen eficiencias de remonición de gases más altas

que otros equipos manejando caudales de gas residual más altos y menor

cantidad de líquido de limpieza, aunque las pérdidas de presión son altas y

los costos del equipo, de operación y de mantenimiento también pueden ser

bastante altos.

Estructura de una columna de relleno, y tipos de relleno

15

Características de los rellenos de columnas de absorción:

Químicamente inerte frente a los fluidos de la torre.

Resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo.

Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retención de

líquido o caída de presión.

Proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas.

Coste razonable

Diseño:

Para el diseño de una columna de relleno debemos tener en cuenta

conseguir el máximo de transferencia del contaminante con el mínimo

consumo de energía y tamaño de la columna. El cálculo principal en el

diseño de la columna es la altura de relleno necesaria para conseguir la

transferencia de contaminante al líquido deseado, en función del equilibrio

que tenga entre gas y líquido. Aunque existen otros parámetros

16

importantes, como son el diámetro de la columna, los caudales de gas

residual y líquido, el tipo de relleno y la pérdida de presión.

Datos Experimentales.

T= 20 °C

P= 1 atm

Composición NH3 (ent)= 10 %v

Composición NH3 (sal)= 1 %v

Aire= 10 Kmol/s

Tabla N°1: Datos Iniciales.

Solubilidad del NH3en agua P NH3 (mm Hg)

40 470

30 298

25 227

20 166

15 114

10 69.6

7.2 50

5 31.7

17

4 24.9

3 18.2

2 12

Expresión de Resultados.

Absorvedor:

1. Calculo de las fracciones molares.

x= 0.2975

y= 0.6184

2. Calculo de las relaciones molares.

X= 0.4234

Y= 1.6205

A partir de los datos iniciales tenemos:

Tabla N°2:

Solubilidad

en agua

P de NH3

en mmHg

x y X Y

18

40 470 0.2975 0.6184 0.4234 1.6205

30 298 0.2410 0.3921 0.3175 0.6450

25 227 0.2093 0.2986 0.2643 0.4258

20 166 1.1747 0.2184 0.2116 0.2794

15 114 0.1370 0.1894 0.1587 0.1764

10 69.6 0.0957 0.0915 0.1058 0.1008

7.5 50 0.0735 0.0657 0.0793 0.0704

5 31.7 0.0505 0.0417 0.0528 0.0435

4 24.9 0.0406 0.0327 0.0423 0.0338

3 18.2 0.0307 0.0239 0.0316 0.0245

2 12 0.02073 0.0157 0.0211 0.0160

3. Calculo de (L`/G`)min.

(L`/G`)min= 1.12

G= 10 K mol/s

G`= = 11.11 Kmol/s

L`min = 12.44 Kmol/s

4. Cantidad de total de agua líquida que entra al sistema.

L= 12.70 Kmol/s

5. Cantidad de NH3 que entra a la corriente.

L-Ls= 0.26 Kmol/s

6. Platos teóricos siendo el reflujo de operación 125% veces el

mínimo.

Lop= 15.6 Kmol/s

7. Calculo de (L`/G`)op.

X1= 0.092

19

Desorvedor:

1. Calculo de (G`/L`)min.

G`min= 20.52 Kmol/s

2. Calculo de G`op.

G`op= 25.7 Kmol/s

3. Calculo de Y2 real.

Y2real= 0.0644

Conclusión.

Muchos procesos industriales de absorción van acompañados de

una reacción química. Es especialmente común la reacción en el líquido del

componente absorbido y de un reactivo en el líquido absorbente. Algunas

veces, tanto el reactivo como el producto de la reacción son solubles, como

en la absorción del dióxido de carbono en una solución acuosa de

etanolaminas u otras soluciones alcalinas. Por el contrario, los gases de las

calderas que contienen dióxido de azufre pueden ponerse en contacto con

lechadas de piedra caliza en agua, para formar sulfito de calcio insoluble.

La reacción entre el soluto absorbido y un reactivo produce dos hechos

favorables a la rapidez de absorción: (1) la destrucción del soluto absorbido

al formar un compuesto reduce la presión parcial en el equilibrio del soluto

y, en consecuencia, aumenta la diferencia de concentración entre el gas y

20

la interfase; aumenta también la rapidez de absorción; (2) el coeficiente de

transferencia de masa de la fase líquida aumenta en magnitud, lo cual

también contribuye a incrementar la rapidez de absorción. Estos efectos se

han analizado bastante desde el punto de vista teórico, pero se han

verificado experimentalmente poco.

Recomendaciones.

La absorción de gases puede realizarse en una columna equipada con

platos perforados u otros tipos de platos normalmente utilizados en destilación.

Con frecuencia se elige una columna de platos perforados en vez de una columna

de relleno para evitar el problema de la distribución del líquido en una torre de

gran diámetro y disminuir la incertidumbre en el cambio de escala.

Cuando el soluto se absorbe en presencia de concentraciones moderadas o

elevadas en el gas, es preciso considerar diversos factores adicionales en los

cálculos de diseño.

La absorción seguida de reacción química en la fase líquida se utiliza con

frecuencia para lograr una separación más completa de un soluto a partir de una

21

mezcla gaseosa. Por ejemplo, puede utilizarse una disolución ácida diluida para

retirar NH, de corrientes gaseosas, y se utilizan disoluciones básicas para separar

CO, y otros gases ácidos.

Las columnas de relleno se utilizan con frecuencia en destilación, extracción

líquido-líquido y humiditicación, además de absorción de gases.

Bibliografía.

FERRER, José. Fundamentos de Fenómenos de Transporte. Universidad del Zulia..

FOUST, Alan. Principios de Operaciones Unitarias. Segunda edición. Compañía editorial continental. 1998.

-GREENBERG, David. Scott Fractional Distillation System. 1974. Pág 11 y 12.

HIMMELBLAU, David. Principios básicos y cálculos en Ingeniería Química. Sexta edición. Editorial Prentice Hall. 1997.

PERRY. Manual del Ingeniero Químico. Sexta edición. Editorial Mc Graw Hill. 1996.

TREYBAL, Robert. Operaciones de Transferencia de Masa. Segunda edición. Editorial Mc Graw Hill. 2000.

22

Apéndice 1.

Para calcular todos estos datos comenzamos con los parámetros que

conocemos para nuestro caso: las condiciones a las que operará nuestra

columna (P y T), la composición del gas de entrada, el equilibrio del

contaminante entre gas y líquido, la eficiencia que perseguimos en la

separación, las propiedades de los contaminantes y el flujo de gas residual

que queremos tratar.

23

Lo primero es determinar todos los parámetros de entrada y salida de

los fluidos que se muestran en el gráfico anterior en la columna de

separación que se quiere diseñar.

Gi y Go flujo de gas a la entrada y a la salida.

Yi e Yo concentración de contaminante en el gas residual en la

entrada y en la salida de la columna.

La concentración en el gas residual se conoce, y según la eficiencia

deseada del equipo (η), podemos calcular la concentración a la salida:

Li y Lo flujo de solvente entrando y saliendo de la columna

Xi y Xo concentración de solvente en el líquido en la entrada y en la salida de

la columna

24

Ls y Gs expresan los caudales de líquido y gas libres de

contaminante, que son constantes ya que la transferencia de humedad de

la fase líquida a la gas se considera despreciable.

La línea de operación representa la relación de las composiciones

globales de líquido y gas en contacto en cualquier punto de la columna:

25

La curva de equilibrio representa la concentración, a una temperatura

dada, del contaminante en la fase líquida y en la fase gas en el momento en

que se ha alcanzado el equilibrio.

La mínima relación de líquido/gas, para conseguir la transferencia de

contaminante requerida, estaría determinada por la pendiente de la línea

que parte de la concentración de salida del gas y entrante de líquido, y corta

la curva de equilibrio en el punto en que marca la concentración de entrada

de gas. Aunque este es un valor teórico no aplicable, ya que la fuerza

impulsora a la entrada del gas en la columna es 0, al haberse alcanzado la

línea de equilibrio, además es muy baja en el resto de la columna, teniendo

que establecer siempre una relación mayor. Además no se considera la

cantidad de flujo necesaria para mojar todo el empaque, que es necesario

para la adecuada transferencia de materia entre fases. Éste último factor es

muy importante, siendo el nivel mínimo de flujo que se va a utilizar, aunque

el flujo necesario para la separación requerida sea de menor cuantía.

Apéndice 2.

A partir del apéndice y de los datos experimentales procedemos a resolver lo anteriormente escrito.

Absorbedor:

8. Calculo de las fracciones molares.

26

x=

x= 0.2975

y=

y= 0.6184

9. Calculo de las relaciones molares.

X= 0.2975/(1-0.2975)

X= 0.4234

Y= 0.6184/(1-0.6184)

Y= 1.6205

A partir de los datos iniciales tenemos:

Tabla N°2:

Solubilidad

en agua

P de NH3

en mmHg

x y X Y

40 470 0.2975 0.6184 0.4234 1.6205

30 298 0.2410 0.3921 0.3175 0.6450

25 227 0.2093 0.2986 0.2643 0.4258

20 166 1.1747 0.2184 0.2116 0.2794

15 114 0.1370 0.1894 0.1587 0.1764

10 69.6 0.0957 0.0915 0.1058 0.1008

7.5 50 0.0735 0.0657 0.0793 0.0704

5 31.7 0.0505 0.0417 0.0528 0.0435

4 24.9 0.0406 0.0327 0.0423 0.0338

3 18.2 0.0307 0.0239 0.0316 0.0245

2 12 0.02073 0.0157 0.0211 0.0160

10.Calculo de (L`/G`)min.

27

(L`/G`)min=

(L`/G`)min= 1.12

G= 10 K mol/s

G= G` (1-y1)

G`=

G`= = 11.11 Kmol/s

L`min= 1.12*G`min

L`min= 1.12*11.11 Kmol/s = 12.44 Kmol/s

11.Cantidad de total de agua líquida que entra al sistema.

L=

L= 12.70 Kmol/s

12.Cantidad de NH3 que entra a la corriente.

12.70 Kmol/s – 12.44Kmol/s

L-Ls= 0.26 Kmol/s

13.Platos teóricos siendo el reflujo de operación 125% veces el

mínimo.

Lop= 1.25*12.44 Kmol/s

Lop= 15.6 Kmol/s

14.Calculo de (L`/G`)op.

(L`/G`)op=

X1=

28

X1= 0.092

Desorvedor:

4. Calculo de (G`/L`)min.

(G`/L`)min=

G`min=

G`min= 20.52 Kmol/s

5. Calculo de G`op.

G`op= 1.25*20.52 Kmol/s

G`op= 25.7 Kmol/s

6. Calculo de Y2 real.

(G`/L`)op=

Y2 real= +0.0160

Y2real= 0.0644

29

30