• Author / Uploaded
• luzvid roxana

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA LABORATORIO N° 3

ABSORCION DE GASES CATEDRA: TERMODINAMICA DE LOS PROCESOS QUIMICOS II CATEDRATICO: Ms. Salvador Teódulo Ore Vidalón ESTUDIANTES:  ALCOCER RAMOS,Lesly (IQ)  ALEJO OCHOA, Luzvid (IQ)  HUARINGA YUPANQUI Yelssy (IQA)  MEZA AVILA ,Jhon (IQ)  ROJAS CHUQUILLANQUI,Marco (IQ)

SEMESTRE: VI HYO-PERU 2016

INTRODUCCION

En el presente informe

que

desarrollo el Laboratorio que lleva por título”

Absorción de Gases”, en el que hallaremos explicación lucida de la Ley de Henry aplicada para el Amoniaco y Agua. Cuando las fases en contacto son un gas y un líquido, la operación se denomina Absorción La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que este disuelva determinados componentes del gas, que queda libre de los mismos. La absorción puede ser física o química, según el gas que se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico, en nuestro caso se trata de una absorción física Los aparatos que pueden para realizar una absorción pueden ser los mismos que en una destilación ya que la fase de contacto es también entre un líquido y un gas. Los sistemas amoníaco-agua son muy usados en refrigeradores domésticos y en sistemas comerciales e industriales donde la temperatura en el evaporador se mantiene cerca o debajo de 0°C. La combinación amoniaco-agua es excepcionalmente buena, satisface algunos de los criterios más importantes pero tienen algunas fallas. El absorbente agua tiene una gran afinidad por el vapor amoniaco y los dos son mutuamente solubles en un rango muy amplio de condiciones de operación. Ambos fluidos son altamente estables y son compatibles con casi todos los materiales que se encuentra en los sistemas de refrigeración, es por eso que el estudio de la absorción de estas dos sustancias es de vital importancia en nuestro desarrollo profesional.

2

RESUMEN

En el presente informe se tomó como objetivo Analizar y comprender la operación de la absorción de NH3 y aire soluble en el agua para ello se usó el equipo de absorción de gases el cual consistió en armar un equipo compuesto de un soporte universal, un matraz de kitazato solución de ácido clorhídrico para la titulación y

a 1N y con indicador de fenolftaleína solo una gotas la

valoración se acaba cuando la muestra cambia de coloración, apuntamos el gasto de las distintas pruebas para calcular la concentración de la nueva solución. Cuando ponemos en contacto un gas con un líquido en el que es soluble, las moléculas del gas pasan al líquido en el que es soluble, las moléculas del gas pasan al líquido formando una disolución con aquel, y al mismo tiempo las moléculas disueltas en el líquido tienden a volver a la fase gaseosa, estableciéndose un equilibrio dinámico entre las moléculas del gas que pasan a la disolución y las que retornan a la fase gaseosa. En nuestro caso al poner las dos fases en contacto pasará amoniaco a la fase líquida, aumentando así la concentración del amoniaco en el agua hasta que la presión de vapor del amoniaco disuelto sea igual a la presión parcial del amoniaco en la fase gaseosa, alcanzándose las condiciones de equilibrio entre fases. Es evidente que la concentración máxima del soluto (amoniaco) en la fase líquida es la de equilibrio correspondiente a las condiciones de operación.

3

Contenido INTRODUCCION............................................................................................................................................. ii RESUMEN......................................................................................................................................................... iii OBJETIVO........................................................................................................................................................ 5 MARCO TEORICO........................................................................................................................................... 6 AMONIACO.................................................................................................................................................. 6 ABSORCION................................................................................................................................................. 6 ABSORCIÓN DE GASES:.......................................................................................................................... 7 LEY DE HENRY:............................................................................................................................................ 8 LEY DE RAOULT:......................................................................................................................................... 9 PRODUCTO DE SOLUBILIDAD............................................................................................................. 10 SISTEMAS AMONÍACO-AGUA:........................................................................................................... 10 PARTE EXPERIMENTAL.............................................................................................................................. 12 MATERIALES Y EQUIPOS..................................................................................................................... 12 REACTIVOS................................................................................................................................................ 12 PROCEDIMIENTO..................................................................................................................................... 12 CALCULOS Y RESULTADOS...................................................................................................................... 13 CONCLUSIONES:...................................................................................................................................... 21 RECOMENDACIONES............................................................................................................................. 22 BIBLIOGRAFIA:....................................................................................................................................... 23 ANEXOS:..................................................................................................................................................... 24

4

OBJETIVO OBJETIVO GENERAL:



Analizar y comprender la operación de la absorción del NH

3

y aire

soluble en el agua. OBJETIVOS ESPECIFICOS:



Hallar los valores de la fracción molar del amoniaco en la fase liquida (X

i

). 

Hallar los valores de la fracción molar del amoniaco en la fase gaseosa i

(Y ). 

Hallar las concentraciones del gas disuelto en los líquidos.



Graficar (X ) vs (Y ) a diferente temperatura o presión.

i

i

5

MARCO TEORICO AMONIACO El amoníaco es un compuesto químico cuya molécula consiste en un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) de acuerdo a la fórmula NH3.

FIGURA N°1: Amoníaco Es un gas incoloro de olor muy penetrante. Ocurre naturalmente y es también manufacturado. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida. La mayor parte del amoníaco producido en plantas químicas es usado para fabricar abonos. El resto es usado en textiles, plásticos, explosivos, en la producción de pulpa y papel, alimentos y bebidas, productos de limpieza domésticos, refrigerantes y otros productos. También se usa en sales aromáticas.

ABSORCION La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia en el cual átomos, moléculas o iones pasan de una primera fase a otra incorporándose al volumen de la segunda fase. Esta segunda fase puede ser líquida, gaseosa o 6

sólida. Así pues, a diferencia de la adsorción, no es un proceso de superficie, sino de volumen.

ABSORCIÓN DE GASES:

Operación de transferencia de materia cuyo objetivo es separar uno o más componentes (el soluto) de una fase gaseosa por medio de una fase líquida en la que los componentes a eliminar son solubles (los restantes componentes son insolubles). Tipos de Absorción: 1 Absorción Física

 Ocurre cuando el compuesto se disuelve en el disolvente, arrastrándolo.  Depende de las propiedades físicas de la corriente del gas y del líquido, superficie de contacto y relaciones líquido-gas.  Se puede generar gran cantidad de calor.

2 Absorción Química

 Se produce mediante una reacción química entre el disolvente y el soluto.

7

Aplicaciones de la absorción:

 Recuperar

productos

de

corrientes

gaseosas

con

fines

de

producción  Método de control de emisiones de contaminantes a la atmósfera, reteniendo las sustancias contaminantes (compuestos de azufre, clorados y fluorados)  La recuperación de gases ácidos como H 2S, mercaptanos y CO2 con disoluciones de aminas  Producción industrial de disoluciones ácidas o básicas en agua (ácidos clorhídrico, sulfúrico y nítrico o hidróxido amónico)  Eliminación de SO2 de gases de combustión con disoluciones acuosas de hidróxido de sodio.  Eliminación de óxidos de nitrógeno con disoluciones de agentes oxidantes.

LEY DE HENRY: La ley de Henry nos dice que "La cantidad de gas disuelta en un líquido a una determinada temperatura es directamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre el líquido." Los líquidos pueden llevar gases disueltos en sí mismos, es decir que esta unión es tan íntima que a simple vista no distinguimos la forma gaseosa de la forma líquida.

8

Así la cantidad de gas que puede albergar un líquido dependerá de la temperatura, de la presión a la que está sometido el sistema líquido-gas, de la naturaleza del gas para ser absorbido (solubilidad) y la capacidad del gas para absorber gases.

En general, la cantidad de un gas que se disuelve en un líquido depende de la presión externa y de la temperatura del líquido. Según la ley de Henry, la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión del gas sobre el líquido. Si se denomina C a la concentración molar del gas disuelto en el líquido y P su presión, entonces:

C = k. P………………… (1) Donde: k = constante de Henry.

Cuanto mayor sea la presión parcial de un gas sobre un líquido mayor cantidad de gas absorberá el líquido. A menor temperatura la capacidad del gas para absorber gases aumenta, por el contrario con el aumento de temperatura el líquido disminuirá su capacidad para absorber gases. Esto es lo que pasa cuando hervimos agua y comprobamos que salen burbujas, que no es otra cosa que el gas que lleva disuelto y que el aumento de temperatura le obliga a liberarlo. También la naturaleza de los líquidos es un factor importante, ya que unos son capaces de absorber más gas que otros. Por ejemplo: el nitrógeno es cinco veces más soluble en la grasa que en el agua.

9

Así según en qué estado esté el proceso de absorción de gases se pueden establecer los siguientes estados en los líquidos (o tejidos):

LEY DE RAOULT: En condiciones de idealidad, es decir, cuando la disolución liquido es ideal y la mezcla gaseosa en equilibrio cumple con las leyes de los gases ideales, la presión parcial de equilibrio puede calcularse de acuerdo con la ley de raoult, según la cual la presión parcial de un soluto en la fase gaseosa es igual k al producto de su tensión de vapor (a la misma temperatura) por su fracción molar en la fase liquida.

P*=Px.

Donde: P*= presión parcial del soluto en la fase gaseosa. P= tensión de vapor del soluto. x= Fracción molar del soluto en la fase liquida.

PRODUCTO DE SOLUBILIDAD. Para un compuesto es el producto de las concentraciones de sus iones constituyentes, cada una elevada a la potencia que corresponde al número de iones en la unidad formula de su compuesto. Así según en qué estado esté el proceso de gases se puede establecer los siguientes estados.  INSATURADO: Cuando el líquido es capaz de absorber más gas. La presión parcial que el gas ejerce sobre el líquido es mayor que la tensión (presión del gas disuelto en el líquido) de ese gas.  SATURADO: Existe un equilibrio y la cantidad de gas que absorbe el líquido es la misma que elimina. La presión parcial del gas es igual a la tensión. 10

 SOBRESATURADO: La cantidad de gas contenida en el líquido es superior a la que puede absorber y por lo tanto libera el exceso de gas. La presión parcial del gas es menor que la tensión del mismo. Apenas podemos imaginar la complejidad para estos cálculos cuando utilizamos mezclas de gases inertes en una inmersión, ya que en determinados momentos podemos estar saturados de un gas e insaturado del otro gas.

SISTEMAS AMONÍACO-AGUA: Los sistemas amoníaco-agua son muy usados en refrigeradores domésticos y en sistemas comerciales e industriales donde la temperatura en el evaporador se mantiene cerca o debajo de 0 °C. La combinación amoniaco-agua es excepcionalmente buena, satisface algunos de los criterios más importantes pero tienen algunas fallas. El absorbente agua tiene una gran afinidad por el vapor amoniaco y los dos son mutuamente solubles en un rango muy amplio de condiciones de operación. Ambos fluidos son altamente estables y son compatibles con casi todos los materiales que se encuentra en los sistemas de refrigeración. Una excepción notable es con el cobre y sus aleaciones, los cuales no son compatibles con el amoniaco. El refrigerante amoniaco tiene un calor latente de valor alto, pero es ligeramente tóxico, lo cual limita su uso en aplicaciones de aire acondicionado y las presiones de operación son relativamente altas.

VELOCIDAD DE ABSORCION La altura de una torre de relleno depende de la velocidad de absorción que por otra parte, depende de la velocidad de transferencia de materia a través de las fases de líquido y gas. En el análisis que se presenta a continuación se tienen las siguientes suposiciones: 

No

se

considera

la

posibilidad

componente absorbido y el líquido. 

Se desprecia el calor de disolución.

11

de

reacciones

químicas

entre

el

ELECCIÓN DEL DISOLVENTE PARA LA ABSORCIÓN  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.  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.

PARTE EXPERIMENTAL MATERIALES Y EQUIPOS  1 Bureta de 25 ml.  1 pipeta de 10ml. 12

 1 propiteta.  2 vasos de 250 ml.  1 vaso de 40ml.  1 matraz kitasato de 250 ml.  1 probeta de 50 ml.  1 probeta de 10ml.  Mangueras de goma.  1 soporte universal.  Un generador de aire.

REACTIVOS  NH3.  HCl 1 N.  H2O destilada.  Fenolftaleína.

PROCEDIMIENTO  Tener limpio cada uno de los materiales y equipos para realizar el laboratorio  Armar el módulo de absorción teniendo en cuenta que el matraz kitasato esté completamente sellado con un tapón de jebe y verificar con el paso de una corriente de aire las posibles fugas.  Llenar 4 ml de NH3 en el tubo de ensayo, donde comenzara el recorrido del mismo.  Llenar 80 ml de agua destilada en el matraz kitasato, y en el vaso de precipitación final.  Se conecta el generador de aire al tubo de ensayo inicial para posteriormente encenderse, anotaremos 6 tiempos diferentes para los cuales tendremos el volumen de NH3 (absorbido) al titular.  Titular con una solución valorada de HCl 1N agregando de 1 gota del indicador (fenolftaleína), anotando los gastos correspondientes a cada solución, para lo cual tomaremos 10ml de la solución amoníaco-agua.

13

 Se realizó los cálculos respectivos para hallar la fracción molar de amoniaco en cada vaso de precipitación.

CALCULOS Y RESULTADOS

DATOS EXPERIMENTALES:  Temperatura (T) = 18 °C = 291 K  concentración del ácido clorhídrico (HCl) =1N  volumen de agua destilada (V1) en el matraz:200ml  volúmenes del gasto de HCl (V2): TABLA N°1.Datos obtenidos en el laboratorio.

Experiment

V2

o Experiment

0,7 ml

o1 Experiment

0,4 ml

o2 Experiment

0,6 ml

o3 Experiment

0,9 ml

o4 Experiment

1 ml

o5 Experiment

1.4 ml

o6 Experiment

1.5 ml

o7 Experiment

1.6 ml

o8 Referencia: Por los mismos estudiantes.  tiempo de absorción y gasto (HCl 1N):

14

TABLA N°2.Datos obtenidos en el laboratorio.

Experiment

V2

Tiempo

o Experiment

0,7 ml

absorción 30 seg

o1 Experiment

0,4 ml

30 seg

o2 Experiment

0,6 ml

1 min

o3 Experiment

0,9 ml

1 min

o4 Experiment

1 ml

o5 Experiment

1.4 ml

2 min

o6 Experiment

1.5 ml

3 min

o7 Experiment

1.6 ml

3 ½ min

1 ½ min

o8 Referencia: Por los mismos estudiantes.

CALCULOS REALIZADOS Hallando la concentración de NH3 (ac): PARA EXPERIMENTO 1: o

Sabiendo que ocurre la siguiente reacción:

NH 4 ( ac)  H 2 O  NH 3 ( ac )

o

En la reacción de titulación:

HCl( ac )  NH 3 ( ac )  NH 4 ( ac ) NH 4 ( ac)  NH 3 ( ac )  H 3O 

15

de

o

Luego las concentraciones iniciales:

 HCl   0.1M  NH 4OH   QP Para : HCl( ac)  NH 3 ( ac )  NH 4Cl( ac) 1mol........1mol...........1mol o

Volumen (vt) total:

VT = V1 + V 2 V

o

T

= 200ml. + 0.7 ml. = 200.7ml.

Hallando la concentración de NH4Cl(ac)

C1 xV1  C 2 xV2

 NH 4 Cl   C 2  HCl   C1  1N Reemplazando:

(1N )(0.7 ml )  C 2 (80ml ) C 2  0.0035 N o

Calculando la concentración de amoniaco NH3(ac):

NH 4 ( ac )  NH 3 ( ac)  H 3 O  .....0.0035...........0............0 ..  X ............  X .......  X (0.0035  X )........ X ...... X Sabiendo también:

16

Kb

 NH3  H     5.6 * 10 10

 NH  

4

…………………. (1)

Reemplazando en (1):

Kb 

Kb 

 X  X 

 0.0035  X 

 5.6 * 10 10

X2  5.6 * 10 10  0.0035  X 

X 2  5.6 * 10 10 X  1.96 * 10 12  0 X  2.36 * 10 5

Tabla N°3: Concentración de amoniaco en cada uno de los recipientes Recipientes

Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento

o

1 2 3 4 5 6 7 8

Volumen total (VT)

 NH   X  C

en L

(*10 3 N )

0.2007 0.2007 0.2006 0.2009 0.201 0.2014 0.2015 0.2016

3.5 2 3 4.5 5 7 7.5 8

3 ( ac )

Calculamos las moles de amoniaco (n[NH3]):

n = CV

Tabla N°4: número de moles del [NH3] (ac) 17

2

Recipientes Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento

o

Moles de [NH3] (ac) n = [NH3 (ac)] * VT. 7.0245 E-04 4.008 E-04 6.018 E-04 9.0405 E-04 1.005 E-03 1.4098 E-03 1.51125 E-03 1.6128 E-03

1 2 3 4 5 6 7 8

Determinando las Presiones Parciales (Pi): Presión (Lab. FIQ - Hyo) = 520 mmHg = 0.6842 atm. T = 18°C = 291 K De la ecuación de los gases ideales:

PV = nRT

P=nRT/V

………….. (2)

Donde: R = 0.082 atm.L/mol.K Luego reemplazamos en (2): PARA KITAZATO 1:

Pi 

n NH 3  * R * T Vt

 7.0245 * 10  0,082 291  0.083517 Pi  4

0,2007

Tabla N°3: Presiones parciales para cada muestra. Recipientes

Presión

Pi 

18

n NH 3  * R * T Vt

Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento o

1 2 3 4 5 6 7 8

0.083517 0.047724 0.071586 0.107379 0.11931 0.167034 0.17896 0.190896

Calculando la Fracción Parcial (Yi) para el NH3 (ac).

Yi 

Pi Patm

PARA KITAZATO 1:

Y1 

0.083517 atm  0.122065 0.6842atm

Tabla N°4: Fracciones parciales (Yi) de NH 3 (ac). Recipientes Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento Experimento o

Fracción parcial (Yi) 1 2 3 4 5 6 7 8

0.122065 0.06975 0.104627 0.15694 0.17437 0.24413 0.261559 0.279006

Calculando la Fracción Molar (Xi) :

Xi 

nNH3(ac) n NH3(ac)  nH 2O(L)

PARA KITAZATO 1:

19

 7.0245 * 10   1.2642 * 10 Xi   7.0245 * 10   100 / 18 4

4

4

Tabla N°5: Fracciones Molares (Xi) de NH 3 (ac). Fracción Molar (Xi) Recipientes Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3 Experimento 4 Experimento 5 Experimento 6 Experimento 7 Experimento 8

1.2642* 10-4 7.2139* 10-5 1.083* 10-4 1.627* 10-4 1.8086* 10-4 2.5369* 10-4 2.71951* 10-4 2.902956* 10-4

Xi vs Yi 14 f(x) = 1.9x + 0.03

12 10 8 Yi*10^(-3)

6 4 2 0

0

1

2

3

4

Xi*10^(-6)

20

5

6

7

8

CONCLUSIONES:

 Se logró experimentalmente analizar y comprender el proceso de absorción de gases para el amoníaco.  Se determinó los valores de

concentración máxima

de NH 3 que absorbe el

agua en cada solución:

 Se determinó las fracciones molares (Xi) y las fracciones parciales (Yi) del sistema, y graficando con cuyos datos; se pudo demostrar la linealidad (solubilidad) del amoniaco en el agua. Comprobándose así, según la ley de Henry; que la cantidad de gas absorbido por el líquido (agua), es directamente proporcional a la cantidad de absorbente.

21

RECOMENDACIONES

 El asegurarse que los tapones de cada uno de los respectivos matraces no permitan la fuga del gas nos permitirá obtener resultados correctos y desarrollar un buen trabajo.

 Los tubos que son parte de los tapones deben llegar hasta estar a una cierta altura dentro del líquido que se utiliza como absorbente, para así liberar el gas que pasara hacia el otro matraz mezclándose con el agua en cada uno de los matraces.

 La titulación debe estar preparada para cuando se apague el sistema pues demorar provocaría que el amoniaco se volatilice y la concentración no sea la correcta.

22

BIBLIOGRAFIA:  Monografías (libros) 

Ocon Tojo. Problemas de Ingeniería Química: 5ta Edición. Madrid: editorial Aguilar;1979. P 3 - 110



Smith J., Van Ness H., Abott M. Introducción a la Termodinámica para ingenieros Químicos: 6ta Edición: editorial McGraw Hil; 1997, P 576 -600.



Gilbert W. Castellan. Fisicoquímica; 2da Edición Addison Wesley Longman; 2011. P. 117 - 126

 Web 

Google.com. Disponible en http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/la-ley-de-

henry. 

Google.com. Disponible en es.wikipedia.org/wiki/Absorción_(química)



Google.com. Disponible en www.quimicafisica.es 23



Google.com. Disponible en www.gunt.de | www.gunt2e.de



Google.com. Disponible en File:C:\EES32\Userlib\Examples\absorción_NH3_relleno.EES

ANEXOS:

Algunas imágenes de la realización de nuestro laboratorio: EL MÓDULO.

LA TITULACIÓN. 24

Equipo de absorción de gases a nivel industrial

25

Curva de equilibrio a T constaamte y diferentes presiones

26