• Author / Uploaded
• Camilo Vanegas

Citation preview

ANÁLISIS DEL FENÓMENO DE ABSORCIÓN GAS-LÍQUIDO MEDIANTE EL USO DE UNA SOLUCIÓN DE NaOH, Y DE CO2, EN UNA COLUMNA DE ABSORCIÓN, Y UNA TORRE DE BURBUJEO.

Grupo H2 Subgrupo 1

Maria Valentina Velasco Rueda -2163000 Camilo Andrés Vanegas Verano – 2162637 Luis Ángel Maldonado Cañizares – 2152626 Camila Andrea Borray Mancera - 2165566 Elda Juliana Jiménez Ávila-2152281

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER INGENIERÍA QUÍMICA 2020– 2

Contenido 1

OBJETIVOS .................................................................................................................. 3 1.1

Objetivo general ..................................................................................................... 3

1.2

Objetivos específicos .............................................................................................. 3

2

MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 4

3

METODOLOGÍA ......................................................................................................... 7 3.1

Metodología de la práctica .................................................................................... 7

3.2

Metodología de cálculos......................................................................................... 8

3.2.1

Torre de absorción ....................................................................................... 10

3.2.2

Dimensionamiento de la torre ..................................................................... 14

3.2.3

Tanque de burbujeo ..................................................................................... 20

4

RESULTADOS ............................................................................................................ 23

5

ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................. 26

6

CONCLUSIONES ....................................................................................................... 35

7

BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 37

1 1.1

OBJETIVOS Objetivo general 

Analizar el fenómeno de absorción gas-líquido mediante el uso de una solución de NaOH, y de CO2, en una columna de absorción, y una torre de burbujeo.

1.2

Objetivos específicos 

Comparar la eficiencia en la separación entre la columna de absorción, como proceso continuo, y la torre de burbujeo, como proceso semicontinuo.



Determinar la influencia en el cambio de caudal, la concentración de NaOH en la solución y el contenido de CO2 sobre la eficiencia del proceso.



Dimensionar la torre empacada con anillos Raschig (altura y diámetro), dependiendo de las condiciones de operación dadas.

2

MARCO TEÓRICO

La absorción es una operación unitaria, empleada en la separación de uno o varios de los componentes de una mezcla gaseosa, que tiene como base la transferencia de materia desde una fase homogénea a otra, utilizando como fuerza impulsora un gradiente de concentración. Cuando se trata de un proceso físico controlado por la transferencia de materia, que depende de la solubilidad del gas y de las condiciones de operación (ej. presión y temperatura), se afirma que se da una absorción física. Por otra parte, cuando se produce una reacción entre el gas absorbido y algún soluto presente en el líquido absorbente, que acelera o exalta el proceso de separación, se trata de absorción química. En este caso, influye la estequiometría de la reacción, la concentración de los reactivos y la velocidad de trasferencia de materia (G. Fernández, 2020). Ilustración 1. Esquema básico del proceso de absorción y desorción.

Fuente: Industriaquimica, G. Fernández (2020) Desde el punto de vista comercial, los disolventes de absorción que se encuentran disponibles para la captura de ciertos gases se clasifican en dos categorías: disolventes químicos y físicos. Los disolventes físicos, se utilizan comúnmente para altas corrientes de gas a presión, que requieren menos energía para la regeneración del disolvente que los disolventes químicos, pero tienen una capacidad de captura inferior. Ejemplos conocidos de disolventes físicos son: agua, carbonato de propileno (PC), metanol o N-metil-2-

pirrolidona. En lo que respecta a la absorción química, los disolventes químicos típicos son las alcanolaminas, que se utilizan comúnmente en forma de disoluciones acuosas. Estos disolventes químicos incluyen monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA), Nmetildietanolamina (MDEA), diglicolamina (DGA), trietanolamina (TEA), diisopropanolamina (DIPA) o 2-amino-2-metil-1-propanol (AMP), entre otros. Si bien la absorción se utiliza normalmente para recuperar productos de corrientes gaseosas con fines de producción, también se utiliza de modo creciente como método de control de emisiones contaminantes a la atmósfera, reteniendo las sustancias polucionantes. Tal es el caso de la eliminación de dióxido de carbono de los gases de combustión con disoluciones acuosas de hidróxido sódico, o la eliminación de óxidos de nitrógeno mediante disoluciones de agentes oxidantes. Torres empacadas El equipo utilizado en la práctica es una columna empacada donde se distribuyen sólidos inertes que constituyen el relleno de la torre y sirven para aumentar la superficie de contacto de las fases. La columna es un cilindro donde el líquido se alimenta por la parte superior a través de un distribuidor y en la parte inferior se encuentra la entrada de gas y un espacio de distribución. Empaques al azar: Los empaques al azar son aquellos que simplemente se arrojan en la torre durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria. Los anillos de Raschig son los más utilizados, son cilindros huecos cuyo diámetro va de 6 a 100mm o más. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y ácido fluorhídrico; de carbón, de metales o de plásticos. Los anillos de Lessing y otros con particiones internas se utilizan con menos frecuencia. Empaques regulares: Los empaques regulares ofrecen las ventajas de una menor caída de presión para el gas y un flujo mayor, pero, generalmente a expensas de una instalación más costosa que la necesaria para los empaques aleatorios. Titulación Para corroborar la concentración de las soluciones de NaOH que se realizaron, se simuló la práctica de una titulación a las mismas. Este procedimiento, también llamado valoración, es

uno de los más exactos a nivel de la química analítica, donde el analito reacciona con el agente titulante, de forma estequiométrica, hasta alcanzar la equivalencia química, que se evidencia por un cambio de color en el indicador. La cantidad del reactivo estandarizado necesaria para alcanzar la equivalencia química se puede obtener mediante estequiometría con el analito presente, y así se obtiene su cantidad. En el caso de una valoración de NaOH con HCl, usando fenoftaleína, que sigue la reacción: HCl + NaOH → NaCl + H2 O La disolución estandarizada de NaOH se añade en una bureta, hasta que el indicador de fenolftaleína cambia de color, y en este punto, el número de moles de HCl añadido es aproximadamente igual al número de moles de NaOH presentes al inicio (Skoog, 2015). Por otra parte, otro compuesto utilizado para las titulaciones es el naranja de metilo, que permite determinar el número total de moles de ion bicarbonato presentes, y, por ende, los moles de carbonato (Initiative, 2020), basado en: + HCO− 3 + H → H2 CO3

3 3.1

METODOLOGÍA Metodología de la práctica

Debido a que toda la práctica se llevó a cabo en un simulador virtual, las soluciones, titulaciones y demás procedimientos que se mencionarán más adelante no fueron desarrollados de manera directa por los autores del informe; sin embargo, se explicará el procedimiento llevado a cabo como si la experiencia se hubiese llevado a cabo en un laboratorio presencial. 1. Se prepara una solución de NaOH, con una concentración inicial de 1 M; si se analiza el comportamiento ante alguna otra variable que no sea la concentración de la solución, este valor permanece fijo y constante. Por el contrario, si se estudia el comportamiento del cambio en concentración, se determina un caudal de solución de NaOH fijo, y la concentración de 1 M será el valor de partida para iniciar la variación. 2. Se procede a comprobar la concentración de la solución anteriormente preparada mediante una titulación frente a HCl 1 M. 3. Posteriormente, se llena el recipiente burbujeante con 3 litros de la solución preparada anteriormente. 4. Se verifica nuevamente la concentración de la solución del recipiente burbujeante por titulación frente a HCl 1 M. 5. Se establece el caudal de NaOH, el caudal de CO2 y el caudal de aire en 30 L/h. Si se analiza la influencia de alguno de los dos primeros parámetros, estos se van cambiando en las diversas repeticiones mientras que los parámetros restantes permanecen constantes. 6. Luego de esto, se titula la muestra recogida, utilizando un indicador de fenolftaleína frente a HCl 1 M. 7. Se realiza una nueva titulación a la misma muestra mediante el uso de naranja de metilo frente a HCl 1 M. 8. Realizar el cálculo del balance entre NaOH y CO2.

3.2

Metodología de cálculos

Previo al desarrollo de los cálculos, se presenta la siguiente tabla, que sintetiza las convenciones de las variables utilizadas para los mismos. Tabla 1. Tabla de convenciones N° Variable Significado 1 C1 Concentración de HCl en la solución titulante 2 V1 Volumen empelado de la solución titulante de HCl 3 V2 Volumen recolectado de la solución de NaOH para titular 4 C2 Concentración de CO2 en la solución de NaOH 5 ρH2O Densidad del agua a 25°C ̅̅̅̅ 6 Peso molecular del agua PM 7 x2 Fracción molar en la corriente líquida de CO2 en solución de NaOH a la entrada del lecho empacado 8 x1 Fracción molar en la corriente líquida de CO2 en solución de NaOH a la salida del lecho empacado 9 X2 Relación molar en la corriente líquida de CO2 en solución de NaOH a la entrada del lecho empacado 10

X1

Relación molar en la corriente líquida de CO2 en solución de NaOH a la salida del lecho empacado

11

R

Constante de los gases ideales

12 13

G1 y1

14

y2

15

Y1

Flujo de gas que entra al lecho Fracción molar en la corriente gaseosa de CO2 a la entrada del lecho empacado Fracción molar en la corriente gaseosa de CO2 a la salida del lecho empacado Relación molar en la corriente gaseosa de CO2 a la entrada del lecho empacado

16

Y2

Relación molar en la corriente gaseosa de CO2 a la salida del lecho empacado

17

GS

Flujo de gas libre de sustancia transferida (CO2)

18 19

L2 LS

Flujo de sln que entra al lecho Flujo de líquido libre de sustancia transferida (CO2)

20

̅̅̅̅̅̅ PMg

21

𝜌𝑔

Peso molecular promedio del gas en la zona más pesada de la torre Densidad del gas en la torre en la zona más pesada

Unidades mol/L mL mL mol/L kg/L kg/kmol kmol de CO2 / kmol de solución kmol de CO2 / kmol de solución kmol de CO2 / kmol de solución libre de CO2 kmol de CO2 / kmol de solución libre de CO2 atm ∗ L mol ∗ K kmol/s kmol de CO2 / kmol de aire kmol de CO2 / kmol de aire kmol de CO2 / kmol de aire libre de CO2 kmol de CO2 / kmol de aire libre de CO2 kmol de aire libre de CO2/s kmol de sln/s kmol de sln libre de CO2 /s kg/kmol kg/m3

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

P T WL WG 𝜌𝑙 J gc 𝜇 G’in G’op a D m A C3

Presión en el sistema Temperatura en el sistema Flujo másico del líquido en la torre Flujo másico del gas en la torre Densidad de la solución de NaOH Factor de corrección de unidades Factor de corrección de unidades Viscosidad del agua Flux másico de inundación del gas en la torre Flux másico de operación de gas en la torre Área transversal de la torre Diámetro de la torre Constante de equilibrio Factor de absorción Concentración de dióxido de carbono en el tanque de burbujeo Volumen recolectado para emplear la titulación en el tanque de burbujeo Relación molar en la solución contenida en el tanque de burbujeo

37

V3

38

X3

39

GsT

40

LsT

41

Y3

Moles de gas que entra al tanque de burbujeo en 10 minutos libre de dióxido de carbono Moles solución contenidas en el tanque de burbujeo libres de dióxido de carbono Relación molar a la salida del tanque de burbujeo

42

y3

Fracción molar a la salida del tanque de burbujeo

atm °C kg/s kg/s kg/m3 adim m/s2 cp kg/s*m2 kg/s*m2 m2 m adim adim mol/L mL kmol de CO2 / kmol de solución libre de CO2 kmol kmol kmol de CO2 / kmol de aire libre de CO2 kmol de CO2 / kmol de aire

Fuente: Autores Para llevar a cabo cada una de las repeticiones en la experimentación se tuvieron en cuenta los parámetros fijados en la tabla 2. En donde la temperatura y la presión fueron fijadas por los autores; para ello se tuvo en cuenta que las torres de absorción trabajan a temperaturas bajas y presiones altas. Tabla 2. Parámetros fijos en la experimentación Parámetros Concentración HCl Vol para titular Tiempo del experimento Vol NaOH inicial en tanque Temperatura del proceso

Valor 1 10 10 3 25

Unidades mol/L mL min L °C

Presión del proceso Fuente: Autores

2

atm

Para la ejemplificación de los cálculos realizados se tendrán en cuenta los datos expresados en la tabla 3, en donde las titulaciones 1 corresponden a las titulaciones llevadas a cabo con fluido extraído del efluente del lecho empacado y las titulaciones 2 corresponden a las titulaciones llevadas a cabo con la solución extraída del tanque de burbujeo. Tabla 3. Resultados Descripción Concentración NaOH Flujo de la fase líquida Flujo de CO2 Concentración NaOH en el tanque Titulación 1 Fenolftaleína Titulación 1 Naranja de metilo Titulación 2 Fenolftaleína Titulación 2 Naranja de metilo Fuente: Autores

Unidad mol/L L/h L/h mol/L

Toma 1 1 10 100 1

mL mL

7.8 2.3

mL mL

9 0.9

3.2.1 Torre de absorción Cálculo de la composición de CO2 en la solución de NaOH a la salida de la torre Para fines prácticos y debido a que la solución de NaOH se manejó en bajas concentraciones, se manejó como densidad de la solución la densidad del agua a 25°C (Çengel, 2009) temperatura asumida en el proceso ya que el simulador no la provee. Igualmente, como peso molecular promedio de la solución se asumió el peso del agua. Al hacer dichas consideraciones se tiene que el valor obtenido es X1 (relación molar). Por otro lado, la titulación que brinda la información sobre la cantidad de dióxido de carbono absorbido es la titulación llevada a cabo con naranja de metilo; por lo tanto esta titulación es la que se tendrá en cuenta para los cálculos.

Tabla 4. Datos empleados para el cálculo de la concentración de dióxido de carbono a la salida del efluente líquido del lecho empacado

Descripción C1 V1 V2 C2 ρH2O ̅̅̅̅ PM X1

Valor 1 2.3 10 0.23 1 18 0.00414

x1

0.004123

Unidades mol/L ml ml mol/L kg/L kg/kmol kmol de CO2 / kmol de solución libre de CO2 kmol de CO2 / kmol de solución

Fuente: Autores Para calcular la concentración de salida se tiene en cuenta la expresión matemática de la ecuación 1, en ella se relacionan el volumen del agente titulante; en este caso una solución de HCl, con su concentración, y el volumen de la solución de NaOH con dióxido de carbono disuelto, junto con la concentración de este último. Como se encuentra registrado en la tabla 4, el volumen de solución a titular en todos los casos fue el mismo: 10 ml, al igual que la concentración de la solución titulante 1M. 𝐶1 ∗ 𝑉1 = 𝐶2 ∗ 𝑉2

( 1)

Siendo así se aplican los factores de conversión necesarios para convertir C2 en relación molar 1 1𝑘𝑚𝑜𝑙 ̅̅̅̅̅ ∗ ( 𝑋1 = 𝐶2 ∗ ( ) ∗ 𝑃𝑀 ) 𝜌𝐻2 𝑂 1000𝑚𝑜𝑙

( 2)

Para el cálculo de relación molar a fracción molar se tiene en cuenta la ecuación 3. 𝑥1 =

𝑋1 1 + 𝑋1

( 3)

Cálculo de la composición de dióxido de carbono a la entrada del lecho en la corriente gaseosa Dadas las condiciones del gas que se está manejando se asume gas ideal.

Tabla 5.Datos empleados para la ejemplificación del cálculo de dióxido de carbono a la entrada del lecho en la corriente gaseosa. Descripción Flujo de CO2 Flujo de aire Flujo total y1

Valor 100 30 130 0.7692

Y1

3.3333

Unidades mol/h mol/h mol/h kmol de CO2 kmol de aire kmol de CO2 kmol de aire libre de CO2

Fuente: Autores Por concepto, se conoce que el porcentaje en volumen en un gas ideal es lo mismo que el porcentaje o fracción molar. Siendo así se aplica la ecuación 4. 𝑦1 =

Flujo de CO2 Flujo total

( 4)

Para obtener la relación molar se emplea la ecuación 5. 𝑌1 =

𝑦1 1 − 𝑦1

( 5)

Cálculo del flujo de gas Cómo la información de los flujos tratados el simulador la reportó en unidades de L/h se trabajó con la ley de los gases ideales para así, obtener el flujo molar. Igualmente, para fines prácticos, en todos los datos del presente informe se modificaron las unidades de tiempo a segundos y de moles a Kmol. Tabla 6. Datos empleados para la ejemplificación del cálculo del flujo molar del gas que entró al lecho Descripción P T R Flujo de gas total G1 GS Fuente: Autores

Valor 2 25 0.082 130 2.954*10-6 6.817*10-7

Unidades atm °C atm ∗ L mol ∗ K L/h kmol/s kmol de aire libre de CO2 /s

( 6)

𝑃𝑉 = 𝑅𝐺1 𝑇

Para los balances de masa que se llevarán a cabo posteriormente es necesario tener el flujo de gas entrante libre de C𝑂2. Para ello se aplica la ecuación 7. ( 7)

𝐺𝑆 = 𝐺1 ∗ (1 − 𝑦1 ) Cálculo del flujo de líquido que entra al lecho

En el caso de la experimentación, la solución que ingresa a la columna se encuentra libre de dióxido de carbono. Tabla 7. Datos empleados para el cálculo del flujo de solución que entra al lecho Descripción Flujo de solución ρH2O ̅̅̅̅ PM L2 LS Fuente: Autores

Valor 10 1 18 0.0001543 0.0001543

Unidades L/h kg/L kg/kmol kmol de sln/s kmol de sln libre de /s

1 1h ( 8) ∗ ̅̅̅̅̅ 3600s 𝑃𝑀 En este caso, nuevamente es necesario obtener el flujo de líquido libre de dióxido de 𝐿2 = flujo de sln ∗ 𝜌𝐻2 𝑂 ∗

carbono para posteriores balances, pero como se mencionó anteriormente dicha solución entra libre de dióxido de carbono por lo que L2=LS Cálculo de la fracción de dióxido de carbono a la salida del lecho en la corriente gaseosa. Tabla 8.Datos empleados para el cálculo de la fracción de dióxido de carbono a la salida del lecho en la corriente gaseosa Descripción LS GS X1

Valor 0.0001543 6.817*10-7 0.00414

X2

0

Y1

3.333

Unidades kmol de sln libre de CO2 /s kmol de aire libre de CO2 /s kmol de CO2 /kmol de sln libre de CO2 kmol de CO2 /kmol de sln libre de CO2 kmol de CO2 /kmol de aire libre de CO2

Y2

2.3961

y2 Fuente: Autores

0.7055

kmol de CO2 /kmol de aire libre de CO2 kmol de CO2 /kmol de aire

Se emplea el balance de masa de la ecuación 9. ( 9)

𝐺𝑆 𝑌1 + 𝐿𝑆 𝑋2 = 𝐺𝑆 𝑌2 + 𝑋1 𝐿𝑆

Nuevamente, es necesario obtener la fracción molar, por lo tanto, se emplea la ecuación 3 ya conociendo el valor de Y2 Cálculo de la eficiencia Tabla 9. Datos para el cálculo de la eficiencia en el lecho empacado Descripción y1 y2 Eficiencia Fuente: Autores

Valor 0.7692 0.7055 8.2786

Unidades kmol de CO2 /kmol de aire kmol de CO2 /kmol de aire %

Aplicando la ecuación 8 se obtiene la eficiencia, teniendo como fracción de entrada y1 y fracción de salida y2: %eficiencia =

Fracción de entrada − fracción de salida ∗ 100 fracción de entrada

( 10)

3.2.2 Dimensionamiento de la torre Cálculo del diámetro Para poder determinar el diámetro se aplicó el método propuesto en (Treybal, 1968), para ello se tiene en cuenta la figura 1, en donde la torre se diseña con respecto a un porcentaje de la condición de inundación; en este caso se tiene en cuenta la heurística de un porcentaje del 80%. Siendo así, es necesario calcular lo que corresponde al eje x de la ilustración 1, para así conocer el caudal de gas de inundación y de dicha manera dimensionar el diámetro de la torre.

Ilustración 2.Inundación y caída de presión en torres con empaques al azar para unidades del SI.

Fuente: Treybal, 1968. Nuevamente, aplicando la ley de gases ideales, se obtiene la densidad del flujo del gas dentro del lecho. Cabe agregar que, para el cálculo del peso molecular promedio del gas, se tomó la zona más pesada de la torre; en este caso los fondos. Tabla 10. Datos empleados para el cálculo del peso molecular promedio Descripción PMaire PMCO2 y1 ̅̅̅̅̅̅ PMg Fuente: Autores

Valor 28.97 44 0.7692 40.5315

Unidad kg/kmol kg/kmol kmol de CO2 /kmol de aire kg/kmol

( 11)

̅̅̅̅̅̅ PMg = 𝑦1 ∗ PMCO2 + (1 − 𝑦1 ) ∗ PMaire

En este caso, para poder tener una consistencia dimensional en los cálculos posteriores la densidad calculada tendrá unidades de kg/m3. Tabla 11. Datos empleados para el cálculo de la densidad del gas Descripción P T 𝜌𝑔 R Fuente: Autores

Valor 2 25 3.135 8.314

𝜌𝑔 =

Unidad atm °C kg/m3 Pa*m3/mol*K

101325 ∗ 𝑃 ∗ ̅̅̅̅̅̅ 𝑃𝑀𝑔 𝑅 ∗ 1000 ∗ (𝑇 + 273.15)

( 12)

Nuevamente, se asume la densidad del líquido en la torre como si fuese la densidad del agua a la temperatura del sistema. En este caso la ecuación 13 trabaja con flux, tanto de líquido como de gas, pero ya que estos se desconocen debido a que el área transversal de la torre es el parámetro que se está calculando, se trabaja con los flujos másicos de cada uno; cabe agregar que no se altera la ecuación ya que estos se encuentran como un cociente. Tabla 12.Datos empleados para ejemplificar el cálculo del diámetro del lecho Descripción WL WG 𝜌𝑙 Eje X Fuente: Autores

Valor 0.002806 0.0001197 1000 1.3512

Unidades kg/s kg/s kg/m3 adim

1/2

𝜌𝑔 𝑊𝐿 Eje 𝑥 = ( ) 𝑊𝐺 𝜌𝑔 − 𝜌𝑙

( 13)

Leyendo el valor de x en la gráfica y llevándolo hasta inundación se lee el valor de y, para el caso de los datos tomados se tiene la ilustración 3.

Ilustración 3. Inundación y caída de presión en torres con empaques al azar para unidades del SI.

Fuente: Treybal, 1968 El valor aproximado del eje y es 0.024. Con el valor de y se procede a despejar el flux de gas de inundación. Para poder obtener el flux de inundación es necesario conocer ciertas propiedades del empaque como el factor de relleno o de inundación en los platos (cf), para ello se consultó la tabla 6.3 de (Treybal, 1968) En este caso, se estableció que el empaque empleado eran anillos Raschig de 1 in, y se asumió el material cerámico debido a la alta corrosión que el dióxido de carbono podría ocasionar si los anillos fuesen metálicos; la otra opción posible. Igualmente fue necesario conocer la viscosidad del agua, la cual se tomó de la tabla A-9, a 25°C de la fuente Cengel, (2009).

Tabla 13. Datos empleados para la ejemplificación del cálculo del flux de gas de inundación en el lecho. Descripción Eje Y 𝑔𝑐 J 𝐶𝑓 𝜇 𝜌𝑔 𝜌𝑙 G’in G’op A D Fuente: Autores

Valor 0.024 1 1 155 0.000894 3.3136 1000 1.0157 0.8126 0.00014734 0.01369

Unidades adim m/s2 adim cp kg/m3 kg/m3 kg/m2s kg/m2s m2 m

2

Eje 𝑦 =

′ 𝐺𝑖𝑛 ∗ 𝐶𝑓 ∗ 𝜇 0.1 ∗ 𝐽

( 14)

𝜌𝑔 ∗ (𝜌𝑙 − 𝜌𝑔 ) ∗ 𝑔𝑐

Ya conociendo el flux de inundación, se establece que el flux con el cual se trabaja es el 80% de dicho flux de inundación. ′ ′ 𝐺𝑜𝑝 = 0.8 ∗ 𝐺𝑖𝑛

( 15)

Ya conociendo el flujo de gas másico manejado y el flux de operación se puede despejar el área transversal de la torre. 𝑎=

𝑊𝐺 ′ 𝐺𝑜𝑝

( 16)

Y ya conociendo el área, se despeja el diámetro 4 ∗ 𝐴 0.5 𝐷=( ) 𝜋

( 17)

Cálculo de la altura de la torre Equilibrio Inicialmente es necesario determinar el equilibrio del dióxido de carbono con la solución de NaOH. Para fines prácticos y debido a la ausencia de datos conocidos del equilibrio a diversas concentraciones molares de NaOH, se empleó para todas las concentraciones de

NaOH, la constante de Henry trabajada por Coulson y Richardson (2017), La cual equivale a 25 bar m3/Kmol. Para poder obtener la constante en las unidades requeridas, se tuvo en cuenta la ley de Henry, expresada en la ecuación 18. La cual se dividió en la presión total, en este caso 2 atm lo cual equivale a 2.0265 bar, obteniéndose la ecuación 19. Con los valores de fracción molar del gas de 0 a 1 se tabularon los valores de concentración, dicha concentración fue transformada a fracción molar, empleando la ecuación 2 y los respectivos factores de conversión. Finalmente, al tener tanto fracción molar en el líquido, como fracción molar en el gas, se realizó una regresión lineal (Gráfica 1) obteniéndose así, la pendiente que rige al equilibrio (ecuación 20). 𝑃𝑃 = 𝐻 ∗ 𝐶

( 18)

𝑦 =𝐻∗𝐶

( 19)

Grafica 1.Equilibrio NaOH - CO2 0,6

Fracción molar del gas

0,5 0,4 0,3 y = 685,36x R² = 1

0,2 0,1 0 0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

0,0006

0,0007

0,0008

Fracción molar del líquido

Fuente: Autores 𝑦 = 685.36𝑥 Cálculo del NOG Para el cálculo del NOG se empleó la ecuación 21 y 22.

( 20)

Tabla 14. Datos empleados para la ejemplificación del cálculo del NOG Descripción M LS/GS A NOG Fuente: Autores

Valor 685.36 226.37 0.3303 0.09968

Unidades adim adim adim adim

𝐿𝑠 𝐺𝑠𝑚 1 1 𝑦1 − 𝑚𝑥2 1 𝑁𝑂𝐺 = ∗ 𝐿𝑁 ((1 − ) ( )+ ) 1 𝐴 𝑦2 − 𝑚𝑥2 𝐴 1−𝐴

( 21)

𝐴=

( 22)

Cálculo del HOG Para poder obtener el valor de HOG es necesario conocer el coeficiente de transferencia de masa global (Kya), para ello se empleó a la base de datos Knovel, en donde se reportó el Kga para el dióxido de carbono en una solución de al 4%p/p de NaOH. El valor reportado es de 2 lbmol/hr*ft3*atm. Se emplearon las conversiones necesarias y se obtuvo el valor de HOG. Los datos se encuentran en la tabla 15. Tabla 15. Datos empleados para la ejemplificación del cálculo del HOG Descripción Kya G1 a HOG Fuente: Autores

Valor 0.01779 2.954*10-6 0.0001473 1.1264

Unidades kmol/s*m3 kmol/s m2 m

𝐺1 ( 23) 𝐾𝑦𝑎 ∗ 𝑎 Para obtener la altura se multiplica el NOG por el HOG teniéndose, una altura de 0,11223 m. 𝐻𝑂𝐺 =

3.2.3 Tanque de burbujeo Cálculo de la relación molar de dióxido de carbono contenida en la solución al final el experimento

Para ello se tiene en cuenta la titulación empleada con metil naranja, tal como se empleó en la columna de absorción, junto con las ecuaciones 1 y 2, se obtiene a partir la fracción de dióxido de carbono reaccionó en la solución de NaOH, pasados 10 minutos. Tabla 16. Datos empleados para la ejemplificación del cálculo de fracción molar de dióxido de carbono en el tanque Descripción C1 V1 V3 C3 X3 Fuente: autores

Valor 1 0,9 10 0,09 0,00162

Unidad mol/L ml ml mol/L kmol de CO2/kmol de sln

Cálculo de la fracción molar de dióxido de carbono que sale en la corriente de gas del tanque Ya conociendo la fracción retenida en la solución (líquido) y la composición del gas entrante (el que sale de la torre de absorción o lecho). Se procede a plantear el balance de masa de la ecuación 24. En este caso, como el tiempo del experimento fueron 10 minutos y el proceso es semicontinuo, se calculó la cantidad de gas empleada en dicho tiempo. Tabla 17. Datos empleados para la ejemplificación del cálculo de fracción molar de dióxido de carbono a la salida del tanque Descripción GsT Y2

Valor 0.000409 2.3961

LsT Y3

0.1667 1.736

y3 Fuente: Autores

0.6345

𝐺𝑠𝑇 𝑌2 − 𝐺𝑠𝑇 𝑌3 = 𝐿𝑠𝑇 𝑋3

Unidad kmol kmol de CO2/kmol de aire libre de CO2 kmol kmol de CO2/kmol de aire libre de CO2 kmol de CO2/kmol de aire

( 24)

Cálculo de la eficiencia del tanque de burbujeo Empleando la ecuación 10 se calcula análogamente la eficiencia, tal como se calculó para el lecho empacado, en este caso se obtuvo un valor de 10,068%

4

RESULTADOS

Empleando el modelo de cálculo descrito en la metodología se obtuvieron los resultados. Para realizar un análisis de la influencia de la concentración de NaOH en la torre de absorción sobre las dimensiones de la torre y la eficiencia, se realizaron 5 tomas en el simulador, variando la concentración de NaOH de 1 a 3 Mol/L. Tabla 18. Datos recopilados variando la concentración de NaOH en la torre de absorción Descripción Concentración NaOH Flujo de la fase líquida Flujo de CO2 Flujo de aire Concentración NaOH en el tanque Titulación 1: Fenolftaleína Titulación 1: Naranja de metilo Titulación 2: Fenolftaleína Titulación 2: Naranja de metilo Altura de la torre Diámetro de la torre Eficiencia torre Eficiencia tanque de burbujeo Fuente: Autores

Unidad Toma 1 mol/L 1 L/h 10 L/h 100 L/h 30

Toma 2 1,5 10 100 30

Toma 3 2 10 100 30

Toma 4 2,5 10 100 30

Toma 5 3 10 100 30

mol/L

1

1

1

1

1

mL

7,8

12,3

17,5

22,4

27,7

mL

2,3

2,7

2,5

2,6

2,3

mL

9

9,3

9,1

9,3

9

mL

0,9

0,6

0,8

0,8

1

m m %

0,1122 0,0137 8,27

0,1455 0,0137 10,208

0,128 0,0137 9,219

0,1366 0,0137 9,7079

0,1122 0,0137 8,2786

%

10,069

7,0553

9,2927

9,602

11,495

La siguiente variable a evaluar es el flujo de la fase líquida o solución de NaOH inicial en la torre de absorción, para la cual se hicieron 6 tomas, variando el flujo de 5 a 10 L/h. Tabla 19. Datos recopilados variando el flujo de la fase líquida inicial de la torre de absorción Descripción Concentración NaOH Flujo de la fase líquida Flujo de CO2

Unidad

Toma 1

Toma 2

Toma 3

Toma 4

Toma 5

Toma 6

mol/L

1

1

1

1

1

1

L/h

10

9

8

7

6

5

L/h

100

100

100

100

100

100

Flujo de aire Concentración NaOH en el tanque Titulación 1: Fenolftaleína Titulación 1: Naranja de metilo Titulación 2: Fenolftaleína Titulación 2: Naranja de metilo Altura de la torre Diámetro de la torre Eficiencia de la torre Eficiencia del tanque Fuente: Autores

L/h

30

30

30

30

30

30

mol/L

1

1

1

1

1

1

mL

7,8

7,2

7,5

7,3

5,8

4,7

mL

2,3

2,8

2,5

2,8

4,2

5,3

mL

9

9,2

9,2

9,2

9

9,2

mL

0,9

0,7

0,8

0,7

0,9

0,8

m

0,1122

0,1482

0,1122

0,1979

0,2553

m

0,0137

0,0129

0,0125

0,0119

0,0116

%

8,2786

9,3164

6,9487

9,3164

9,9565

%

10,069

7,9645

7,9474

10,814

9,7636

0,1210 5 0,0120 5 6,7783 6,7043

Para conocer la incidencia de la fase gaseosa en la torre de destilación, se varió el flujo de CO2 realizándose 5 tomas desde 60 a 100 L/h. El flujo de aire se mantuvo constante en todas las tomas y fue de 30 L/h. Tabla 20. Datos recopilados variando el flujo de la fase gaseosa de la torre de absorción Descripción Concentración NaOH Flujo de la fase líquida Flujo de CO2 Flujo de aire Concentración NaOH en el tanque Titulación 1: Fenolftaleína Titulación 1: Naranja de metilo Titulación 2: Fenolftaleína Titulación 2: Naranja de metilo Altura de la torre Diámetro de la torre Eficiencia de la torre

mol/L L/h L/h L/h

Toma 1 1 10 100 30

Toma 2 1 10 90 30

Toma 3 1 10 80 30

Toma 4 1 10 70 30

Toma 5 1 10 60 30

mol/L

1

1

1

1

1

mL

7,8

8,1

7,9

8,7

8,5

mL

2,3

1,9

2,2

1,3

1,6

mL

9

9,2

9,2

9,2

9,4

mL

0,9

0,9

0,8

0,7

0,5

m m %

0,1123 0,0137 8,2786

0,1012 0,0136 8

0,1593 0,0135 12,134

0,0904 0,0132 8,0973

0,1712 0,0129 13,882

Unidad

Eficiencia del tanque de burbujeo Fuente: Autores

%

10,068

11,559

15,180

12,429

13,730

Finalmente, se recopilaron 6 tomas para evaluar la incidencia de la variación de la concentración de NaOH en el tanque de burbujeo. El rango a estudiar fue de 1 a 2 mol/L. Tabla 21. Datos recopilados variando la concentración de NaOH en el tanque de burbujeo Descripción Concentración NaOH Flujo de la fase líquida Flujo de CO2 Flujo de aire Concentración NaOH en el tanque Titulación 1: Fenolftaleína Titulación 1: Naranja de metilo Titulación 2: Fenolftaleína Titulación 2: Naranja de metilo Altura de la torre Diámetro de la torre Eficiencia de la torre Eficiencia del tanque de burbujeo Fuente: Autores

Unidad

Toma 1

Toma 2

Toma 3

Toma 4

Toma 5

Toma 6

mol/L

1

1

1

1

1

1

L/h

10

10

10

10

10

10

L/h L/h

100 30

100 30

100 30

100 30

100 30

100 30

mol/L

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

mL

7,8

7,5

8

7,7

8,1

8,2

mL

2,3

2,5

2,1

2,4

1,9

1,9

mL

9

11,1

13,1

15

17,1

19

mL

0,9

0,8

0,8

0,9

1

1

m

0,1123

0,1281

0,0979

0,12

0,0848

0,0848

m

0,0137

0,0137

0,0137

0,0137

0,0137

0,0137

%

8,2786

9,2198

7,3816

8,7435

8,7435

8,7435

%

10,068

9,2927

8,192

10,397

10,143

10,143

5

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Variación de la concentración de NaOH en la torre La variación de la concentración de NaOH mostró no tener incidencia en el diámetro de la torre, mientras que, si influyó en la altura de la torre, en la que se pudo observar que a una concentración de 1,5 mol/L se presentó la mayor altura y para una concentración de 3 mol/L la menor. Esto se debe a que según la literatura el diámetro de la torre se ve influenciado principalmente por los caudales manejados en la torre; parámetro que no fue modificado, por lo tanto, es consistente que permanezca constante a lo largo de las mediciones. Por otro lado, se evidencia que la altura de la torre varía con los cambios de concentración y no se presenta una tendencia clara; esto se puede deber a que parámetros como el peso molecular del fluido, la densidad fueron asumidos como los del agua y no fueron modificados a medida que se llevaban a cabo las variaciones de concentración. Igualmente, el equilibrio y el Kga empleado fue el mismo para todas las soluciones, por lo tanto, las variables anteriormente mencionadas no afectaron los cálculos y por ello se pudo presentar el comportamiento evidenciado en la gráfica 2. Gráfica 2. Incidencia de la concentración de NaOH en altura y diámetro de la torre 0,16 0,14 0,12

[m]

0,1 0,08

Altura de la torre

0,06

Diámetro de la torre

0,04 0,02 0 1

1,5

2

2,5

Concentración NaOH [mol/L]

Fuente: Autores

3

Para analizar la influencia en la eficiencia tanto de la torre como del tanque de burbujeo, se tiene la gráfica 3, en la que se aprecian valores de eficiencia en el rango entre 7 y 12%. La mayor eficiencia del tanque de burbujeo se observó para la concentración de 3 mol/L. Cabe resaltar, que el simulador presenta un margen de error y a su vez, los cálculos para la fase líquida no tienen en cuenta las propiedades de la solución, sino las propiedades del agua. Por lo tanto, las variaciones de la concentración solamente se ven reflejadas en los resultados de la titulación.

Gráfica 3. Influencia de la concentración de NaOH en la eficiencia de la torre y del tanque de burbujeo 14 12 10 8

[%]

Eficiencia de la torre

6 Eficiencia del tanque de burbujeo

4 2 0 1

1,5

2

2,5

3

Concentración NaOH [mol/L]

Fuente: Autores Uno de los factores que también se pudo analizar en el proceso fue la influencia de la variación de los diferentes parámetros en la eficiencia global de proceso. La gráfica 4 muestra cómo se comportó la eficiencia global al variar la concentración del NaOH; en esta se puede evidenciar que al haber mayor concentración de NaOH la eficiencia aumento significativamente llegando a alcanzar un 18,82% con una concentración del 3mol/l de NaOH, con esto se pudo llegar a inferir que a mayor concentración de NaOH mayor eficiencia tiene el proceso.

Gráfica 4. Influencia de la concentración de NaOH en el tanque en la eficiencia global del proceso 19 18,5

[%]

18 17,5 17 16,5 16 1

1,5

2

2,5

3

Concentración de NaOH [mol/l]

Fuente: Autores Variación del flujo de la fase líquida inicial en la torre Al variar el flujo de la fase líquida inicial o de la solución de NaOH en la torre, se observa una incidencia en la altura de la torre, en la que a mayor flujo se presenta menor altura. Nuevamente se evidencia una tendencia constante en el diámetro de la torre, donde se confirma que no depende de la variable manipulada en este caso. Recordando los conceptos y ecuaciones mostrados anteriormente, el diámetro de una torre depende del flux másico de gas y en este caso esa variable está constante. Gráfica 5. Incidencia de la variación del flujo de la fase líquida inicial en la altura y diámetro de la torre 0,3 0,25

[m]

0,2 0,15

Altura de la torre

0,1

Diámetro de la torre

0,05 0 5

6

7

8

9

Flujo fase líquida inicial [L/h]

10

Fuente: Autores En el caso de la incidencia en las eficiencias, no se observa una tendencia definida, pero se logra apreciar que, en el punto de mínimo flujo de fase líquida, es decir, 5 L/h, la torre estará dimensionada con mayor altura y a su vez con mayor eficiencia. Teniendo en cuenta el tanque de burbujeo, este tiene su máximo en el flujo de solución de NaOH de 6 L/h, mostrando así, que a menor flujo mayor será la eficiencia tanto en la torre como en el tanque. Gráfica 6. Influencia del flujo de la fase líquida en la eficiencia de la torre y del tanque de burbujeo 12 10

[%]

8 Eficiencia de la torre

6 4

Eficiencia del tanque de burbujeo

2 0 5

6

7

8

9

10

Flujo fase líquida inicial [L/h]

Fuente: Autores Cuando se varió el flujo de la fase liquida que entraba a la torre (gráfico 12), la eficiencia del proceso tuvo un comportamiento oscilatorio, esto debido a que en una torre de absorción se puede llegar a encontrar el punto de operación optimo en el cual se presenta la mayor eficiencia y se llega a absorber la mayor cantidad de CO2; se evidencio que al manejar un flujo de 6 l/h se alcanzó una eficiencia del 19,12%. Es posible que al seguir aumentando el flujo se encuentre otro punto en el cual la eficiencia sea mayor pero este otro punto puede llegar a implicar mayores costos de operación y gastos de materia prima.

Gráfica 7. Influencia del flujo de la fase liquida en la eficiencia global del proceso 20,000

[%]

18,000 16,000 14,000 12,000 5

6

7

8

9

10

Flujo de fase liquida [l/h]

Fuente: Autores Variación del flujo de CO2 en la torre Para el análisis de la incidencia del flujo de CO2 en las dimensiones de la torre de absorción, se evidencia una tendencia oscilatoria en la altura, al variarse el flujo del gas de 60 a 100 L/h. Resaltando que la altura máxima se presenta con el flujo de 60 L/h. Gráfica 8. Incidencia de la variación del flujo de CO2 en la altura de la torre 0,18

Altura de la torre [m]

0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 60

65

70

75

80

85

90

95

100

Flujo de CO2 [L/h]

Fuente: Autores Para el análisis de la incidencia del flujo de CO2 se obtuvo una variación en el diámetro de la torre como se aprecia en la gráfica 7, en la que a mayor flujo de CO2 aumenta el

diámetro. Esto se debe a la relación directa que tiene el caudal de gas alimentado con el área transversal de la torre, con la que se determina el diámetro. Cabe resaltar, que el caudal de gas fue determinado con las variaciones del flujo de CO2 mostradas en la gráfica, sumado al flujo de aire que se mantuvo constante con el valor de 30 L/h en todas las pruebas. Gráfica 9. Incidencia de la variación del flujo de CO2 en el diámetro de la torre 0,0138

Diámetro de la torre [m]

0,0137 0,0136 0,0135 0,0134 0,0133 0,0132 0,0131 0,013 0,0129 0,0128 60

65

70

75

80

85

90

95

100

Flujo de CO2 [L/h]

Fuente: Autores Gráfica 10. Influencia del flujo de CO2 en la eficiencia de la torre y del tanque de burbujeo 16 14 12

[%]

10 Eficiencia de la torre

8 6

Eficiencia del tanque de burbujeo

4 2 0 60

70

80

Flujo de CO2 [L/h]

90

100

Fuente: Autores Cuando se varió el flujo del CO2 la eficiencia global tuvo un comportamiento oscilatorio, pero se puede llegar a evidenciar que a medida que aumenta el flujo, la eficiencia disminuye esto debido a que al introducir mayor cantidad de CO2 manejando el mismo caudal de NaOH, y a concentración de la solución constante, la torre y el tanque de burbujeo no tienen la capacidad de despojar tanta cantidad del gas inyectado y por lo tanto la eficiencia se ve afectada. Gráfica 11. Influencia del flujo de CO2 en la eficiencia global del proceso 27 25

[%]

23 21 19 17 15 60

70

80

90

100

Flujo CO2 [l/h]

Fuente: Autores Variación de la concentración de NaOH en el tanque de burbujeo Al realizar una variación de la concentración de NaOH en el tanque de burbujeo claramente no se esperan cambios en las dimensiones de la torre, porque estas no están cambiando y deben mantenerse en los valores obtenidos en la primera muestra que se usó para los cálculos. Se aprecia en la gráfica 9 que estos datos para la altura no son constantes, sino que muestran una tendencia oscilatoria, por lo que nuevamente hacemos la consideración del margen de error que presenta el simulador.

Gráfica 12. Incidencia de la variación de la concentración de NaOH, en la altura y diámetro de la torre 0,14 0,12

[m]

0,1 0,08 Altura de la torre

0,06

Diámetro de la torre 0,04 0,02 0 1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

Concentración de NaOH en el tanque [mol/L]

Fuente: Autores En este caso de estudio, al variar la concentración de NaOH en el tanque de burbujeo nos interesa apreciar la influencia en la eficiencia del tanque. Este caso es el que presenta tendencias más estables y una eficiencia del 10% de las más altas en todos los casos. Gráfica 13. Influencia de la concentración de NaOH en el tanque, en la eficiencia de la torre y del tanque de burbujeo 12 10

[%]

8 6

Eficiencia de la torre

4

Ediciencia del tanque de burbujeo

2 0 1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

Concentración de NaOH en el tanque [mol/L]

Fuente: Autores Como último experimentó se estudió la influencia de la concentración de NaOH en el tanque de burbujeo, en la gráfica 14 se puede observar que a medida que aumenta la concentración la eficiencia global aumenta llegando a alcanzar una eficiencia del 32% con una concentración de 2 mol/h de NaOH, debido a que a aumentar la concentración de NaOH en el tanque de burbujeo es posible llegar a atrapar mayor cantidad de CO2 (el cual reaccionó). Gráfica 14. Influencia de la concentración de NaOH en el tanque en la eficiencia global del proceso 33 31 29

[%]

27 25 23 21 19 17 1

1,2

1,4

1,6

1,8

Concentracion de NaOH en el tanque [mol/h]

Fuente: Autores

2

6 

CONCLUSIONES Se observó que los parámetros que más afectaron el diámetro de la torre fueron los flujos; tanto de líquido como gas, siendo el último el que afecta en mayor medida, lo cual es coherente con la literatura. Por otro lado, la altura se vio afectada directamente por los resultados obtenidos en las titulaciones en donde, a mayor cantidad de solución de HCl empleada en la titulación con metil naranja, una mayor altura, esto debido a que se lograba un mayor grado de extracción. Igualmente, los datos obtenidos de diámetro y altura en la experimentación no responden a dimensiones de torres empacadas reales, esto se debe a que los caudales empleados fueron muy bajos.



En algunos casos, la tendencia de las gráficas no era del todo definida y se observó que al mantener parámetros constantes los valores de la titulación variaban, por lo que se concluye que el simulador posee un error de programación o intenta emular el error humano para que de esa manera la experiencia se acerque más a la realidad.



El rango de eficiencias obtenido fue entre 8% y el 15% en la torre empacada y el tanque de burbujeo. Aun así, se pudo evidenciar que, a las mismas condiciones, en el tanque de burbujeo se logró un mayor valor de eficiencia con respecto a la torre empacada, por lo que se considera el tanque de burbujeo es más eficiente para la remoción de dióxido de carbono en el aire en el sistema planteado.



Al analizar la eficiencia global del proceso (gas que entró a la torre con respecto al gas que salió del tanque de burbujeo) se pudo observar que a una mayor concentración de NaOH en la solución, mayor eficiencia en el sistema y por lo tanto mayor remoción de dióxido de carbono. Por otro lado, un aumento en la cantidad de dióxido de carbono que entra al sistema, en donde las condiciones del líquido; tanto caudal como concentración permanecieron constantes (en tanque y torre), se vio una disminución en la eficiencia debido a que el sistema no contaba con la capacidad para remover dicha cantidad de dióxido de carbono. Finalmente, al analizar el cambio en el caudal líquido que ingresaba a la torre, no se evidenció un comportamiento muy definido; esto se puede deber a la presencia de un óptimo en el sistema o al posible error del simulador.



Se recomienda trabajar con datos más precisos de equilibrio, densidades y pesos moleculares en la solución de NaOH, esto con el fin de obtener una mejor aproximación

y poder definir con más claridad en que magnitud afecta la concentración del solvente el sistema.

7

BIBLIOGRAFÍA

Çengel, Y. A. (2009). Termodinámica. En M. A. Boles. Mexico: McGraw-Hill. Richardson, C. a. (2017). Coulson and Richardson's Chemical Engineering. Butterworth: IChemE. Skoog, D. A. (2015). Fundamentos de Química Analítica. México DF. Treybal, R. E. (1968). Operaciones de transferencia de masa. Madrid: McGRAW-HILL. Industriaquímica. (04 de noviembre de 2020). Operación unitaria de absorción y desorción. Obtenido de http://www.industriaquimica.net/absorcion-y-desorcion.html Initiative, india. (2020). Welcome to Virtual Labs - A MHRD Govt of india Initiative. Iitb.Ac.In. http://vlabs.iitb.ac.in/vlab/chemical/exp2/Theory.html?domain=Chemical%20Engine ering&lab=Chemical%20Engineering%20Lab