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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL Departamento Académico de Ingeniería Química

“ABSORCIÓN CON REACCIÓN” TRANSFERENCIA DE MASA II PI-147A INTEGRANTES:

Cáceres Villavicencio, Lizet De la Cruz Palomino, Carlos Juaquin Solano Manani Rosario Vianey

DOCENTE:

Ing. Montalvo Hurtado, Celso Pastor LIMA – PERÚ 2019

Índice General

Portada .................................................................................................................... 1 Índice General .......................................................................................................... 2 Índice de tablas ........................................................................................................ 3 Índice de figuras ....................................................................................................... 3 I.

RESUMEN ......................................................................................................... 4

II.

ABSTRACT .................................................................................................... 4

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO ............................................................................. 5

IV.

DATOS ........................................................................................................... 9

V.

RESULTADOS ............................................................................................. 10

VI.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS ................................................................... 23

VII.

CONCLUSIONES ......................................................................................... 23

VIII.

BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 24

2

Índice de tablas Tabla 1:Datos iniciales antes de iniciar la absorción en la torre empacada ................... 9 Tabla 2:Datos de la práctica a lo largo de los 60 minutos que duró la absorción ........ 10 Tabla 3. Resultados obtenidos para los flujos respectivos .......................................... 11 Tabla 4. Datos complementarios para el cálculo ......................................................... 12 Tabla 5. Resultados obtenidos para la concentración de NaOH en el efluente y el CO2 absorbido .................................................................................................................... 13 Tabla 6. Resultados obtenidos para a lo largo de los 60 minutos de operación .......... 13 Tabla 7. Muestra inicial de NaOH antes de la operación ............................................. 16 Tabla 8:Muestra de efluente de NaOH a la salida de la torre de operación ................. 16 Tabla 9: Concentración de la solución de NaOH antes y después de la absorción ..... 16

Índice de figuras

figura1:cantidades de flujos para el absorbedor o desorbedor ...................................... 5 figura2:lineas de operación del absorbedor y desorbedor ............................................. 6 figura3: absorción con reacción rápida.......................................................................... 7 figura4: absorción con reacción .................................................................................... 7 Figura 5:equipo del laboratorio de operaciones unitarias .............................................. 8 figura 6 Diagrama de proceso de absorción química .................................................. 19 figura 7: Modelo usado fue la ecuación de estado de Peng Robinson ........................ 19 figura 8: Propiedades del líquido de entrada a la columna empacada......................... 20 figura9: Propiedades del gas de entrada a la columna empacada .............................. 20 figura10: Simulación del proceso en HYSYS .............................................................. 21 figura11: Características de todas las corrientes luego de la simulación ..................... 21 figura 12::Composiciones molares de todas las corrientes en la absorción química .. 22 figura 13:Propiedades de todas las corrientes en la absorción física .......................... 22 figura 14 : Composiciones de todas las corrientes en la absorción física .................... 23

3

ABSORCIÓN CON REACCIÓN

I.RESUMEN

El presente informe trata en general el tema de absorción con reacción que se realizó teóricamente en clase y experimentalmente en el laboratorio de operaciones unitarias(LOU), para este tipo de experiencia se debe tener en cuenta los principios sobre absorción física, para así poder entender la absorción con reacción. En si la finalidad del laboratorio es disminuir la concentración de dióxido de carbono que se encuentra contenido en el aire y esto se hace con un flujo de solución de hidróxido de sodio que va en contracorriente, la absorción con reacción hace que la absorción sea más rápida a diferencia de la absorción física. En la columna empacada que vamos a trabajar y que se encuentra en laboratorio, vamos a estar controlando los parámetros, como flujos, presión y también recolectar la muestra que sale de la columna para poder titular así obteniendo datos necesarios para poder completar el trabajo y finalizar la práctica.

II.ABSTRACT

This report generally addresses the issue of absorption with reaction that was theoretically conducted in class and experimentally in the unit operations laboratory (LOU), for this type of experience the principles of physical absorption must be taken into account, in order to understand absorption with reaction. If the purpose of the laboratory is to reduce the concentration of carbon dioxide that is contained in the air and this is done with a flow of sodium hydroxide solution that goes against the flow, absorption with reaction makes absorption faster unlike physical absorption. In the packed column that we are going to work with and that is in the laboratory, we will be controlling the parameters, such as flows, pressure and also collecting the sample that comes out of the column to be able to title thus obtaining necessary data to be able to complete the work and finish the practice.

4

III.FUNDAMENTO TEÓRICO

3.1. Absorción de gases 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. Por ejemplo, el gas obtenido como subproducto en los hornos de coque, se lava con agua para eliminar el amoniaco; después se lava con un aceite. Para eliminar los vapores de benceno y de tolueno. Para que el molesto sulfuro de hidrógeno sea eliminado de un gas de este tipo o de hidrocarburos gaseosos naturales, el gas o los hidrocarburos se lavan con diferentes soluciones alcalinas que absorben a dicho sulfuro. Los valiosos vapores de un disolvente, acarreados por una corriente gaseosa pueden recuperarse y luego ser reutilizados; basta lavar el gas con un disolvente adecuado a los vapores. 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. Por ejemplo, el benceno y el tolueno se eliminan del aceite que se mencionó antes poniendo en contacto la solución líquida con vapor, de tal forma que los vapores entran en la corriente gaseosa y son arrastrados; en consecuencia, el aceite de absorción puede utilizarse nuevamente. Los principios de la absorción y la deserción son básicamente los mismos, así que las dos operaciones pueden estudiarse al mismo tiempo. Generalmente, estas operaciones sólo se utilizan para la recuperación o eliminación del soluto.

figura1:cantidades de flujos para el absorbedor o desorbedor

5

figura2:lineas de operación del absorbedor y desorbedor

3.2. Absorción física Cuando durante la absorción de un gas por un líquido no ocurren reacciones químicas, el proceso se denomina Absorción Física 3.3. Absorción con reacción Si en la absorción del gas ocurren reacciones que alteran el equilibrio entre los componentes, el proceso se denomina Absorción Reactiva ó Absorción con Reacción 3.4. Características de la absorción con reacción 

La absorción con reacción se presenta cuando el soluto a absorber reacciona con alguna otra sustancia presente en el líquido.



La desaparición del soluto en la fase líquida genera la reducción de su presión parcial y gradiente de concentración.



La absorción con reacción se basa en la absorción física (sin reacción) por tanto se debe empezar con tener un buen conocimiento de ésta y su aplicación.



En la absorción con reacción se producen efectos de difusión y reacción simultáneos, estos efectos pueden ser alterados por la posible existencia de efectos térmicos.

6

La figura muestra una posible absorción con reacción rápida.

figura3: absorción con reacción rápida





En la absorción con reacción de un soluto A en el gas hacia un líquido conteniendo B, tal que A + B → C, la concentración de A y B en la interfase depende de la velocidad de reacción. En la película de la fase líquida, A desaparece rápidamente si hay suficiente de B. La reacción ocurre enteramente en la fase líquida.



Si la reacción es rápida con suficiente reactante B, A desaparece en la película. Con reacción lenta, la reacción ocurre en la masa (bulk).



En la figura, U es el plano de interfase entre gas y líquido, R la zona de reacción. A se difunde hacia la derecha hasta encontrar una molécula B con quien reaccionar. B se difunde hacia la izquierda. El producto AB se difunde hacia la masa a la derecha.

figura4: absorción con reacción

7

3.5. Teoría pelicular En la Teoría pelicular de la transferencia de masa entre el agua y el gas carbónico se considera que en la superficie sólida del relleno existe una película de líquido que está en contacto con el gas y que a ambos lados de la película existe un equilibrio entre la presión parcial del gas disuelto en el agua y la presión parcial del gas carbónico en la mezcla gaseosa. Debido a que la solución usada en el experimento contiene NaOH, el gas carbónico disuelto en la película líquida reacciona con el NaOH y se disuelve, bajando la presión parcial del gas y por tanto dando lugar a su difusión hacia el seno del líquido para reponer el equilibrio. Esto explica la mayor transferencia de masa debido a la reacción en comparación con la absorción sin reacción y sin NaOH.

Figura 5:equipo del laboratorio de operaciones unitarias

8

3.6.

Aplicaciones en la industrias Petroleoquímica  Obtención de etileno y propileno a partir de la nafta.  Separación de gases ácidos de los gases de refinería.  Producción de H2 a partir de hidrocarburos contaminados Gas natural    

Obtención de amoníaco sintético a partir del gas natural Tratamiento de gas natural Obtención de metano por separación del gas natural. Obtención del gas de síntesis por disociación del gas natural y del petróleo.  Refinerías de aceite y plantas de gas natural.  Purificación de gases combustibles y producción de gases de síntesis Industria del carbón  Obtención de gas de síntesis en el proceso de conversión del gas de agua  Recuperación de S a partir del gas de coquería y otros gases  Pirogenación del carbón

IV.DATOS

Tabla 1:Datos iniciales antes de iniciar la absorción en la torre empacada

Peso inicial CO2 Presión inicial Caída de presión inicial Volumen inicial solución Masa inicial NaOH Volumen muestra NaOH Volumen gastado HCl 0.1N con fenolftaleína Volumen gastado HCl 0.1N con naranja de metilo

77 kg 850psi 3.1 cm 40L 1kg 3 ml 19.8 ml 0.001 ml

9

Tabla 2:Datos de la práctica a lo largo de los 60 minutos que duró la absorción

Tiempo (min)

Peso CO2 kg

Flujo de aire SCFM 6

Flujo solución lb/h 90

Consumo HCl 0.1N fenolftaleína 16.8

Consumo HCl 0.1N naranja de metilo 14.15

Volumen muestra mL 5

Caída de presión (cm H2O) 4.8

3

76.5

6

76

6

90

16

16

5

4

9

75.5

6

90

16.35

15.65

5

4.2

12

75.1

6

90

17.3

14.95

5

4.1

15

75

6

90

16.8

15.7

5

3.8

20

75

6

90

21.3

15.15

5

3.7

25

75

6

90

16.75

15.5

5

3.8

30

74.8

6

90

16.2

14.75

5

3.8

35

74.5

6

90

15.9

15.05

5

3.8

40

74.4

6

90

16

15.8

5

4.4

45

73.7

6

90

16.15

15.8

5

3.8

50

74.4

6

90

16.1

16.2

5

3.8

55

73.9

6

90

15.55

16.1

5

3.9

60

73.5

6

90

17.5

15.2

5

3.8

V.RESULTADOS

5.1.



Registrar los datos que se piden en la tabla 3 a partir de los datos obtenidos (Tabla 1 y Tabla 2). Para los flujos se realizan las siguientes conversiones: 𝑭𝒍𝒖𝒋𝒐 𝒅𝒆 𝒂𝒊𝒓𝒆 (

𝑲𝒈 𝑓𝑡 3 𝑚3 𝑚𝑖𝑛 𝐾𝑔 ) = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 ( ) × 0.02832 3 × 60 ∗ 1.204 3 𝒉 𝑚𝑖𝑛 𝑓𝑡 ℎ 𝑚

𝑭𝒍𝒖𝒋𝒐 𝒅𝒆 𝒔𝒐𝒍𝒖𝒄𝒊ó𝒏 (

𝑭𝒍𝒖𝒋𝒐 𝒅𝒆𝑪𝑶𝟐 (

𝑲𝒈 𝑙𝑏 𝐾𝑔 ) = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 ( ) ∗ 0.4536 ( ) 𝒉 ℎ 𝑙𝑏

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑃𝐸𝑠𝑜 𝑑𝑒𝐶𝑂2 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 77 𝐾𝑔 − 73.5𝐾𝑔 60𝑚𝑖𝑛 𝑲𝒈 )= = × 𝒉 ∆𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 60 𝑚𝑖𝑛 1 ℎ𝑜𝑟𝑎

10

Tabla 3. Resultados obtenidos para los flujos respectivos

Tiempo (min) 3 6 9 12 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 

Flujo CO2 kg/h 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5

Flujo de aire Kg/h 12.27 12.27 12.27 12.27 12.27 12.27 12.27 12.27 12.27 12.27 12.27 12.27 12.27 12.27

Flujo solución lb/h 40.82 40.82 40.82 40.82 40.82 40.82 40.82 40.82 40.82 40.82 40.82 40.82 40.82 40.82

Para el cálculo del NAOH en el efluente y el CO2 absorbido se tiene: Primer punto equivalente: 𝑂𝐻− (𝑎𝑐) + H + (𝑎𝑐) ↔ H2 O(𝑙) 𝑝𝐻 ≈ 7 𝐶𝑂3 2− (𝑎𝑐) + H + (𝑎𝑐) ↔ HCO3 − (𝑎𝑐) 𝑝𝐻 ≈ 8.3

La reacción general: 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑐) + 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3(𝑎𝑐) + 𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑐) → 𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3(𝑎𝑐) El hidróxido y el carbonato son bases fuertes que al reaccionar con el ácido clorhídrico (ácido fuerte) se neutralizan simultáneamente, alcanzando el punto equivalente a un pH alrededor de 8.3 por ello se utilizó fenolftaleína como indicador, pues su viraje va de 8.2 (incoloro) a 9.8 (fucsia), entre 8.2-9.8 la coloración es rosado. En el caso de la muestra el cambio de coloración fue de fucsia a incoloro. [𝑁𝑎𝑂𝐻] × 𝑉𝑀𝑈𝐸𝑆𝑇𝑅𝐴 + [𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 ] × 𝑉𝑀𝑈𝐸𝑆𝑇𝑅𝐴 = [𝐻𝐶𝑙] × 𝑉𝐻𝐶𝑙−𝐹𝐸𝑁𝑂𝐿𝐹𝑇𝐴𝐿𝐸𝐼𝑁𝐴 [𝑁𝑎𝑂𝐻] =

[𝐻𝐶𝑙] × 𝑉𝐻𝐶𝑙−𝐹𝐸𝑁𝑂𝐿𝐹𝑇𝐴𝐿𝐸𝐼𝑁𝐴 − [𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 ] × 𝑉𝑀𝑈𝐸𝑆𝑇𝑅𝐴 (𝐼) 𝑉𝑀𝑈𝐸𝑆𝑇𝑅𝐴

Segundo punto equivalente: HCO3 − (𝑎𝑐) + H + (𝑎𝑐) ↔ H2 O(𝑙) + 𝐶𝑂2(𝑎𝑐) 𝑝𝐻 ≈ 4.0 11

La reacción general: 𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3 + 𝐻𝐶𝑙 → 𝐻2 𝐶𝑂3 A la solución anterior, se añade anaranjado de metilo, tornándose de color amarillo pues el pH de la solución está alrededor de 8.3, esto debido a que el rango de viraje del anaranjado de metilo va de 3.1 (rojo) a 4.4 (amarillo) y entre 3.1-4.4 la coloración es anaranjado. Al seguir titulando la solución con HCl, los iones bicarbonato formados reaccionan con el ácido. El punto equivalente es alcanzado cuando todo el bicarbonato ha sido consumido y el pH de la solución es aproximadamente 4.0, por ello al tener como indicador al anaranjado de metilo, la solución cambia de amarillo a anaranjado salmón.

[𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3 ] × 𝑉𝑀𝑈𝐸𝑆𝑇𝑅𝐴 = [𝐻𝐶𝑙] × 𝑉𝐻𝐶𝑙−𝐴𝑁𝐴𝑅𝐴𝑁𝐽𝐴𝐷𝑂 𝑀𝐸𝑇𝐼𝐿𝑂 [𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3 ] =

(𝐼𝐼)

[𝐻𝐶𝑙] × 𝑉𝐻𝐶𝑙−𝐴𝑁𝐴𝑅𝐴𝑁𝐽𝐴𝐷𝑂 𝑀𝐸𝑇𝐼𝐿𝑂 𝑉𝑀𝑈𝐸𝑆𝑇𝑅𝐴

Además: [𝐶𝑂2 ] = [𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 ] = [𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3 ] Reemplazando (I) y (II): [𝑵𝒂𝑶𝑯] =

[𝑯𝑪𝒍] × 𝑽𝑯𝑪𝒍−𝑭𝑬𝑵𝑶𝑳𝑭𝑻𝑨𝑳𝑬𝑰𝑵𝑨 − [𝑯𝑪𝒍] × 𝑽𝑯𝑪𝒍−𝑨𝑵𝑨𝑹𝑨𝑵𝑱𝑨𝑫𝑶 𝑴𝑬𝑻𝑰𝑳𝑶 𝑽𝑴𝑼𝑬𝑺𝑻𝑹𝑨 [𝑪𝑶𝟐 ]𝑨𝒃𝒔𝒐𝒓𝒃𝒊𝒅𝒐 =

[𝑯𝑪𝒍] × 𝑽𝑯𝑪𝒍−𝑨𝑵𝑨𝑹𝑨𝑵𝑱𝑨𝑫𝑶 𝑴𝑬𝑻𝑰𝑳𝑶 𝑽𝑴𝑼𝑬𝑺𝑻𝑹𝑨

De la Tabla 2 se hizo un descarte de algunos datos de volumen gastado para fenolftaleína y naranja demetilo, ya que ello ocasionaba un valor negativo de la concentración de NaOH. Tabla 4. Datos complementarios para el cálculo

Volumen de todas las muestras (Tabla 2) Masa molar de CO2 Masa molar de NaOH

5mL 0.04401Kg/mol 0.039997Kg/mol

12

Tabla 5. Resultados obtenidos para la concentración de NaOH en el efluente y el CO 2 absorbido

Tiempo VHCl 0.1N min fenolftaleína mL 3 16.8 6 16 9 16.35 12 17.3 15 16.8 20 21.3 25 16.75 30 16.2 35 15.9 40 16 45 16.15 50 16.1 55 15.55 60 17.5 

VHCl 0.1N naranja metilo mL 14.15 16 15.65 14.95 15.7 15.15 15.5 14.75 15.05 15.8 15.8 16.2 16.1 15.2

NaOH en efluente mol/L 0.053 0 0.014 0.047 0.022 0.123 0.025 0.029 0.017 0.004 0.007 -0.002 -0.011 0.046

CO2 absorbido mol/L 0.283 0.32 0.313 0.299 0.314 0.303 0.31 0.295 0.301 0.316 0.316 0.324 0.322 0.304

NaOH efluente Kg/L

CO2 absorbido Kg/L

0.00212 0.00000 0.00056 0.00188 0.00088 0.00492 0.00100 0.00116 0.00068 0.00016 0.00028 -0.00008 -0.00044 0.00184

0.01245 0.01408 0.01378 0.01316 0.01382 0.01334 0.01364 0.01298 0.01325 0.01391 0.01391 0.01426 0.01417 0.01338

Finalmente, juntado la tabla 3 y 5, se obtiene la tabla pedida.

Tabla 6. Resultados obtenidos para a lo largo de los 60 minutos de operación

Tiempo min

Flujo CO2 kg/h

Flujo de aire Kg/L

Flujo solución lb/h

NaOH efluente Kg/L

CO2 absorbido Kg/L

Caída de presión (cm H2O)

3

3.5

12.27

40.82

0.00212

0.01245

4.8

6

3.5

12.27

40.82

0.00000

0.01408

4

9

3.5

12.27

40.82

0.00056

0.01378

4.2

12

3.5

12.27

40.82

0.00188

0.01316

4.1

15

3.5

12.27

40.82

0.00088

0.01382

3.8

20

3.5

12.27

40.82

0.00492

0.01334

3.7

25

3.5

12.27

40.82

0.00100

0.01364

3.8

30

3.5

12.27

40.82

0.00116

0.01298

3.8

35

3.5

12.27

40.82

0.00068

0.01325

3.8

40

3.5

12.27

40.82

0.00016

0.01391

4.4

45

3.5

12.27

40.82

0.00028

0.01391

3.8

50

3.5

12.27

40.82

-0.00008

0.01426

3.8

55

3.5

12.27

40.82

-0.00044

0.01417

3.9

60

3.5

12.27

40.82

0.00184

0.01338

3.8

13

5.2.

Notar la disminución de temperatura en la salida del gas debido a la descompresión. Calcular la temperatura que puede alcanzar el gas debido a esta descompresión, suponiendo que dentro de la botella se encuentra a temperatura ambiente. Considerando que el gas se comporta como ideal, para una descompresión adiabática se usara la siguiente ecuación:

𝑃1 1−𝛾 𝑇2 = 𝑇1 × ( ) 𝛾 𝑃2 La razón de calores específicos (𝛾 ) para el CO2, asumiendo que se mantiene constante con la temperatura, es 0.844/0655 =1.2885

CO2 Razón de calores específicos (ϒ)

58.6bar y 298 K 1.2885

Teniendo como dato que la presión al ambiente es la atmosférica que equivale a 1,01325 bar, entonces calculamos la temperatura:

58.60bar 𝑇2 = 298 K × ( ) 1,01325 bar

1−1.2885 1.2885

= 120,13K

La temperatura disminuye desde: 𝑇1 = 298 K = 250 𝐶 𝑇2 = 120.13 K = −153,01830 𝐶 Este dato se hizo asumiendo que es gas ideal observando que la presión al inicio era 58.6 es un valor muy alejado por lo que este cálculo tiene un apreciable error, una opción sería ajustar ese valor con el factor de compresibilidad. 5.3.

Notar el gradiente de temperaturas a lo largo de la columna como resultado de la reacción exotérmica entre el CO2 y el NaOH.

Debido al diseño de la columna empacada con la que se trabajó, no se pueden registrar las temperaturas a lo largo de la columna. Lo que sí se pudo notar es que el efluente salía más caliente que la solución al inicio preparada de NaOH, lo que indica una absorción de la energía liberada en la reacción de naturaleza exotérmica.

14

5.4.

Graficar la variación de la cantidad de CO2 absorbido y la caída de presión en la columna a lo largo de la práctica.

Gráfico 1. Cantidad de CO2 absorbido en la columna empacada en el tiempo

Cantidad de CO2 absorbido (Kg/L)

Cantidad de CO2 absorbido vs tiempo 0.01450 0.01400 0.01350 0.01300 0.01250

0.01200 0

10

20

30

40

50

60

70

Tiempo(min)

Gráfico 2. Caída de presión de la columna empacada en el tiempo

Caida de presion vs tiempo Caida de presion (cm)

6 5 4 3 2 1

0 0

10

20

30

40

50

60

70

tiempo (min)

15

5.5.

Analizar y comparar el contenido de NaOH en la solución inicial y en el efluente tras la absorción

Tabla 7. Muestra inicial de NaOH antes de la operación

Volumen muestra NaOH(mL) 3

Volumen gastado HCl 0.1N con fenolftaleína (mL) 19.8

Volumen gastado HCl 0.1N con naranja de metilo (mL) 0.001

Tabla 8:Muestra de efluente de NaOH a la salida de la torre de operación

Volumen muestra NaOH(mL) 5

Volumen gastado HCl 0.1N con fenolftaleína (mL) 17.5

Volumen gastado HCl 0.1N con naranja de metilo (mL) 15.2

Mediante la siguiente ecuación se obtiene la concentración de NaOH en la muestra tanto al inicio como en el efluente tras la absorción. [𝑵𝒂𝑶𝑯] =

[𝑯𝑪𝒍] × 𝑽𝑯𝑪𝒍−𝑭𝑬𝑵𝑶𝑳𝑭𝑻𝑨𝑳𝑬𝑰𝑵𝑨 − [𝑯𝑪𝒍] × 𝑽𝑯𝑪𝒍−𝑨𝑵𝑨𝑹𝑨𝑵𝑱𝑨𝑫𝑶 𝑴𝑬𝑻𝑰𝑳𝑶 𝑽𝑴𝑼𝑬𝑺𝑻𝑹𝑨

En la solución inicial vendría a ser: [𝑵𝒂𝑶𝑯] =

(𝟎. 𝟏𝑴) × (𝟏𝟗. 𝟖𝒎𝑳) − (𝟎. 𝟏𝑴) × (𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝒎𝑳) = 𝟎. 𝟔𝟔𝑴 𝟑𝒎𝑳

Para la concentración de NaOH en el efluente luego de la absorción, tomaremos los datos del minuto 60 de operación.

[𝑵𝒂𝑶𝑯] =

(𝟎. 𝟏𝑴) × (𝟏𝟕. 𝟓𝒎𝑳) − (𝟎. 𝟏𝑴) × (𝟏𝟓. 𝟐𝒎𝑳) = 𝟎. 𝟎𝟒𝟔𝑴 𝟓𝒎𝑳

Luego del cálculo y con la ayuda de la tabla número 4, expresamos las concentraciones en Kg /L en la siguiente tabla N°9 Tabla 9: Concentración de la solución de NaOH antes y después de la absorción

Solución antes de la absorción Solución después de la absorción

Volumen muestra NaOH(mL)

Volumen gastado HCl 0.1N con fenolftaleína (mL)

Concentración de NaOH muestra (mol/L) 0.660

Concentración de NaOH muestra (kg/L)

19.8

Volumen gastado HCl 0.1N con naranja de metilo (mL) 0.001

3 5

17.5

15.2

0.046

0.0018

0.026

16

Discusión de resultados 

En el minuto 60 de operación podemos decir que se llegó al estado estacionario porque se estabiliza los valores de flujo de aire que es de 6 ft 3/min y de flujo de solución de 90 lb/h y la caída de presión de la columna con un valor de 3.8cm, será en este punto donde se tomara la concentración del NaOH en el efluente que sale de la columna empacada y compararlo con la solución de NaOH preparada al inicio.



En la titulación de la muestra de 3mL hidróxido de sodio del tanque antes de comenzar la operación se requirió 19.8 mL de HCl 0.1N en la titulación con fenolftaleína, pero cuando se agregó tan solo una gota de anaranjado de metilo inmediatamente cambio a naranja fuerte y esto se debió a que no había nada de carbonato de sodio presente aun en la muestra.



Se lleva a cabo la reacción química del CO 2 y el NaOH en la película liquida de los anillos rasching de ½ pulgada usado en la columna y como la presión parcial del CO2 disminuye en la película liquida esto favorece la difusión del CO2 hacia el líquido, el producto obtenido fue Na 2CO3 .



En la tabla número 5, para los minutos 50 y 55 minutos la concentración de NaOH de sodio sale un valor negativo, y esto se debió a una mala titulación ya que las demás variables del sistema como la caída de presión ya casi estaba estable y cerca al estado estacionario, los valores negativos se marcaron de rojo en la tabla 5 y 6.



En la gráfica número 1 se observa que el valor del CO2 absorbido oscilaba alrededor de los 0.013 Kg/L, lo que se debió haber observado es un aumento de esto seguido de una estabilización de dicha cantidad cuando se llegue al estado estacionario. pero lo que sucedió era una oscilación ya a partir del minuto 30al minuto 50 aumenta la masa del CO2 absorbido.

Conclusiones 





La absorción química de este tipo es mucho mejor que la física, ya que la reacción es muy rápida en la película liquida, favoreciendo el gradiente de concentración. La concentración de NaOH al inicio era de 0.660 y disminuyo luego de la absorción hasta 0.046 , por lo que un 93 % reacciono con el CO 2 absorbido y el 6.9% sigue en solución. Debido a los flujos se estuvieron controlando para mantenerlos a valores fijos un indicador para saber si estábamos en el estado estacionario era la caída de presión en la columna que se estabilizo a los 60 min.

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5.6.

Simular la práctica desarrollada usando Aspen Physis.

Los flujos de aire y gas se determinan de la siguiente manera: 𝑚̇𝐶𝑂2 =

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑏𝑎𝑙ó𝑛 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑏𝑎𝑙ó𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

𝑚̇𝐶𝑂2 = 𝑚̇𝐴𝑖𝑟𝑒 = 6

77𝑘𝑔 − 73.5𝑘𝑔 𝑘𝑔 = 0.05833 ⁄𝑚𝑖𝑛 60 𝑚𝑖𝑛

𝑝𝑖𝑒 3 0.0283168 ∗ 𝑚 3 𝑘𝑔 𝑘𝑔 × × 1,204 3 = 0,205 ⁄𝑚𝑖𝑛 3 𝑚𝑖𝑛 𝑝𝑖𝑒 𝑚

Donde: 𝑘𝑔

1,204 𝑚3 a 20°C es la densidad del aire a la temperatura de trabajo. 𝑚̇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.05833 + 0,205 = 0.26333

𝑘𝑔 𝑘𝑔 = 15.77 𝑚𝑖𝑛 ℎ

Siendo las fracciones en peso para él 𝐶𝑂2 y aire de 0.222 y 0.778 respectivamente. Como se agregó 1kg de NaOH(s) a 40 litros de agua (equivalentes a 40 kg a 20°C), hallamos la fracción peso del NaOH. 𝑓𝑁𝑎𝑂𝐻 =

1𝑘𝑔 𝑁𝑎𝑂𝐻 = 0.0244 41 𝑘𝑔 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑓𝐻2𝑂 = 0.9756

En el ASPEN-HYSYS: 18

Absorción química con NaOH

figura 6 Diagrama de proceso de absorción química

figura 7: Modelo usado fue la ecuación de estado de Peng Robinson

19

figura 8: Propiedades del líquido de entrada a la columna empacada

figura9: Propiedades del gas de entrada a la columna empacada

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Haciendo la simulación en la columna:

figura10: Simulación del proceso en HYSYS

figura11: Características de todas las corrientes luego de la simulación

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figura 12::Composiciones molares de todas las corrientes en la absorción química

En el ASPEN-HYSYS: Absorción física (sin presencia de NaOH)

figura 13:Propiedades de todas las corrientes en la absorción física

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figura 14 : Composiciones de todas las corrientes en la absorción física

VI.DISCUSIÓN DE RESULTADOS

-

Se hizo la simulación del proceso para la columna de lecho empacado haciendo uso del soluto de NaOH para un caso y para el otro no, y para el primer caso de absorción química se vio que la variación de fracción molar de CO2 fue de 0.0073 (tabla 12) y para el caso de absorción física fue de 0.0062 (tabla 14) por lo que en la absorción química se logró una mejor purificación del gas ya que se extrajo mayor cantidad.

-

Al hacerse la simulación en HYSYS para la absorción química, si bien es cierto se agrego la cantidad de NaOH , sin embargo se aprecia que en los productos hay presencia de CO2 cuando en la realidad debería haber Na2CO3 , pero aun así es la simulación nos corrobora que en caso de absorción con NaOH fue donde mas CO 2 se retiro del gas.

VII.CONCLUSIONES

-

Se puede comprobar que al generarse una reacción durante la absorción esto impulsa a que transferencia CO2 es mayor que en el caso de una absorción física.

-

Como el programa de simulación HYSYS no cuenta con un equipo de lecho empacado, se utilizo una columna de platos para realizar la absorción con un número de platos igual a 10.

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VIII.BIBLIOGRAFÍA

McCabe, W. L., Smith, J. C., & Harriott, P. (7ta Edición). Operaciones Unitarias en Ingeniería Quimica. En Operaciones Unitarias en Ingeniería Quimica. Carolina del Norte: McGraw-Hill. Recuperado el 31 de Octubre de 2018 Treybal, R. E. (1980). Operaciones de Transferencia de Masa. Colorado: McGraw-Hill. Recuperado el 31 de Octubre de 2018

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