¡Descarga Desorción de NH3 y más Apuntes en PDF de Ingeniería Química solo en Docsity!
INFORME DE PRÁCTICAS
Asignatura: I
Título: DESORCIÓN DE AMONIACO
Autor:
Grupo: Grupo 6
Fecha de la experimentación: 11 de febrero de 2013
Fecha del informe: 31 de mayo de 2014
ÍNDICE
1. RESUMEN................................................................................ 3
2. OBJETIVO.................................................................................
**3. Fundamento teórico................................................................. 5
- Material necesario y PROCEDimiento...................................... 26
- Resultados experimentales.................................................... 29
- CONCLUSIONES...................................................................... 43
- nomenclatura........................................................................ 46
- BIbliografía............................................................................**
RESUMEN
En la presente práctica se ha realizado el estudio de la desorción de amoniaco en una columna de platos y en una de relleno, las cuales presentan una altura de 15cm y un diámetro de 30mm. Los diversos experimentos se han realizado variando el caudal de aire que entra a la columna. De esta forma, se ha estudiado la influencia de éste caudal sobre los distintos parámetros de cada columna, tal y como se mostrará más adelante con detalle. Primeramente se trabajó con la columna de platos, en la cual se realizaron los experimentos para 4 caudales de aire, los cuales se fijaban mediante el rotámetro. Sin embargo, el caudal de líquido se mantuvo constante para todos los caudales, midiéndose éste en función del tiempo. Para lograr los datos del laboratorio, el procedimiento consistía en valorar la muestra del líquido a la salida de la columna con una disolución 0.1m de HCl. De esta forma, se pudo determinar la fracción molar de NH (^3) en la corriente líquida de salida. A partir del tratamiento de este dato junto a la relación Ls/Gs, se pudo estudiar la influencia del caudal de aire sobre la eficacia global de la columna y el coeficiente global de transferencia.
A continuación, se cambió la posición de las “Tes” de modo que se operó con la columna de relleno. En este caso, solo se trabajó con 3 caudales de aire, logrando así los valores de fracción molar de amoniaco a la salida. De este modo, se ha podido estudiar el efecto del caudal de aire sobre el coeficiente de transferencia, la altura de una unidad de transferencia y la altura equivalente a un plato teórico.
OBJETIVO
En este caso, se deben diferenciar los objetivos del estudio de la columna de platos y la columna de relleno. Columna de platos:
- Determinar la eficacia media de los platos de campanas y su relación con el flujo de gas.
- Determinar el coeficiente de transferencia y su dependencia con el flujo de gas. Columna de relleno:
- Determinar la altura de una unidad de transferencia, la altura equivalente a un plato para la desorción y el coeficiente de transferencia.
- Determinar la relación existente del número de unidades de transferencia y la altura de una unidad.
baja, como es el caso del SO 2 en el agua (curva B), entonces se dice que el gas es relativamente insoluble en el líquido. En cambio, si para una presión parcial baja la fracción del soluto en el líquido es alta, siendo el HCl en agua el caso representativo (curva C), la solubilidad es elevada.
El efecto de la temperatura en la solubilidad de un gas es un punto a tener en cuenta, de modo que la relación solubilidad-temperatura viene descrita por la ley de Van’t Hoff para el equilibrio móvil: “si se aumenta la temperatura de un sistema en equilibrio, ocurrirá un cambio durante el cual se absorberá calor”. En la mayoría de las veces, la disolución de un gas conlleva la evolución de calor, por lo que en un gran número de casos la solubilidad de un gas disminuye al aumentar la temperatura, en la figura anterior se tiene como ejemplo el caso del amoniaco en agua. La figura 1 muestra que para la misma fracción mol de soluto en el líquido la presión parcial del amoniaco es mayor a 30ºC que a 10ºC. El límite inferior viene fijado por el punto de ebullición del disolvente, dado que a esta temperatura, siempre y cuando la presión de vapor de éste sea menor que la del gas o la del soluto vaporizado, la solubilidad del gas será cero.
3.1.2 Soluciones líquidas ideales
Cuando una fase líquida se puede considerar ideal, no es necesario realizar experimentos para determinar la presión parcial en el equilibrio de un gas en solución. Para poder considerar que una solución es ideal, se deben cumplir las siguientes características:
- Las fuerzas intermoleculares promedio de atracción y repulsión en la solución no cambian al mezclar los componentes.
- El volumen de la solución varía linealmente con la composición.
- No hay absorción ni evolución de calor al mezclar los componentes. Para el caso de gases que se disuelven en líquidos, este criterio no incluye el calor de condensación del gas al estado líquido.
- La presión total de vapor dependen linealmente de la composición expresada en fracción mol.
En la realidad, no se encuentran soluciones ideales, sino que las mezclas reales sólo tienden a ser ideales como límite. La condición de idealidad exige que las moléculas de los componentes sean similares en tamaño, estructura y naturaleza química. En la práctica, muchas soluciones se encuentran tan cerca de ser ideales que para los objetivos ingenieriles se pueden considerar como tales.
Cuando la mezcla gaseosa, la cual sigue la ley de los gases ideales, está en equilibrio con una solución líquida ideal, la presión parcial p (^) i de un soluto gaseoso A viene dada por el producto de la presión de vapor pv a la temperatura de la mezcla y su fracción molar x en la solución. Esta expresión se denomina ley de Raoult:
Despejando y se tiene: (2)
La naturaleza del líquido disolvente no se tiene en cuenta excepto para los casos en los que establece la condición de idealidad de la solución, de modo que la solubilidad de un gas particular en una solución ideal de cualquier disolvente es la misma.
3.1.3 Soluciones líquidas no ideales
En este caso, la ecuación viene expresada de la siguiente forma:
(3)
Despejando y como en el caso anterior:
(4)
La cual corresponde a la ley de Henry. La aplicabilidad de ésta se puede observar en la figura 1 dado que puede emplearse en un rango de concentraciones determinado para cada uno de los gases. Para cada compuesto el valor de H será único. Puede que la ley de Henry no sea aplicable en un rango amplio de concentraciones a causa de interacción química con el líquido o la disociación electrolítica, como se da en el caso de estudio amoniaco-agua. En general, los vapores siguen la ley hasta presiones de aproximadamente el 50% del valor de saturación, siempre y cuando no haya reacción química con el líquido. En todos los casos, el valor de H debe lograrse experimentalmente.
La ventaja que presenta esta ecuación es que se facilita la interpolación y extrapolación, dado que es una gráfica de línea recta.
3.2.TRASFERENCIA DE UN COMPONENTE.BALANCE DE MATERIA
3.2.1 Flujo en contracorriente
La corriente gaseosa en cualquier punto de la torres se denomina por G moles totales/tiempo que contienen y fracción mol de un líquido soluble, o relación mol Y, y G (^) s moles/tiempo de un disolvente que se asume totalmente volátil.
Figura 3: Balance de materia a una columna de platos de desorción.
Por lo tanto, las ecuaciones anteriores se convierten en las siguientes expresiones para las columnas de platos:
(10)
Reordenando:
(11)
La ecuación anterior corresponde a la línea de operación sobre las coordenadas X, Y, de pendiente Ls /Gs. Es decir, esta línea indica la relación entre las concentraciones del líquido y gas en cualquier nivel de la torre.
Además, los datos de solubilidad en el equilibrio del soluto gaseoso en el líquido se grafican en función de las unidades de concentración anteriormente expresadas, empleándose así el mismo diagrama. Cada punto sobre esta curva muestra la concentración del gas en equilibrio con el líquido correspondiente, en las condiciones de operación. Para el caso del absorbedor, se puede apreciar que la línea de operación siempre se sitúa por encima de la curva de solubilidad en el equilibrio, mientras que para el desorbedor, la línea siempre está debajo. Esto viene determinado por la segunda ley de la termodinámica.
Figura 4: Representación de las líneas de operación en el absorbedor y en el desorbedor.
Por otra parte, la línea de operación es recta únicamente si se grafica en unidades de relación mol. Y es que, en fracciones o presiones parciales, la línea es curva, tal y como se muestra en la siguiente imagen.
Figura 5: Línea de operación en fracción mol.
Este resultado se puede demostrar a partir de la expresión de la línea de operación:
(12)
Se debe comentar que se considera que la presión total en cualquier punto de la columna es constante.
3.3 OPERACIÓN EN CONTRACORRIENTE EN VARIAS ETAPAS. TRASFERENCIA
DE UN COMPONENTE.
En las columnas de platos el contacto líquido y gas se da en cada plato, por lo que son cascadas a contracorriente en varias etapas. De esta manera, en
Figura 7: Primera imagen, absorbedor de múltiples etapas, segunda imagen, desorbedor de múltiples etapas.
El procedimiento que se debe llevar a cabo para realizar el cálculo de los platos mediante el método gráfico en desorción es el siguiente. Comenzando por los datos de la línea de operación en la parte inferior de la columna X 1 ,Y 0 , se traza una vertical hasta tocar la curva de equilibrio. Entonces, el siguiente paso consiste en trazar una horizontal desde el punto de la curva de equilibrio logrado hasta la línea de operación. Estas dos líneas corresponderán a un plato. Se realiza este procedimiento hasta llegar a la especificación de la corriente líquida de entrada X (^) N+1. De esta forma, se crea un patrón escalonado que representa las etapas en las cuales las corrientes de líquido y gas están en contacto. En la figura anterior se puede ver que el número de platos corresponde a
Cuanto más próximas estén la línea de operación y la línea de equilibrio, más etapas serán necesarias. Si las dos curvas se tocasen, en el caso de la absorción, la pendiente de la línea de operación sería mínima, L (^) smín/Gs, y el número de etapas sería infinito. Para el caso de los desorbedores, cuando las dos curvas se tocasen la pendiente de la línea de operación sería máxima, L (^) s/Gsmín, y el número de etapas también sería infinito.
3.3.2 Método algebraico
Para el caso de disoluciones diluidas, las líneas de operación y de equilibrio pueden considerarse rectas de modo que el número de platos puede determinarse sin tener que recurrir al método gráfico anteriormente presentado. Si la cantidad de gas absorbido es pequeña, se
puede considerar que el flujo total del líquido que entra y sale del absorbedor o desorbedor permanece prácticamente constante, L 1 =L (^) N+1=L moles totales/tiempo·área. Del mismo modo, el flujo de gas se puede considerar constante G moles totales/tiempo·área. En este caso, la línea de operación graficada en función de fracciones mol será básicamente recta. Para estos casos se aplican las ecuaciones de Kremser que se presentan a continuación:
Absorción: (13)
(14)
Desorción: (15)
(16)
Donde A=L/m·G y S=1/A
Además, pueden tomarse en cuenta las pequeñas variaciones en el factor de absorción (A) o desorción (S) de un extremo de la torre a otro debido al cambio en L/G como consecuencia de la absorción o desorción, o al cambio de la solubilidad del gas con la concentración o la temperatura. Si se considerase esta variación, se realizaría el promedio geométrico de los valores de A en la parte superior e inferior. Para los casos en los que las variaciones son grandes, se deberían emplear correcciones más representativas para A y S.
3.3.3 El factor de desorción
El factor de desorción, S = m·G/L, es la relación entre la pendiente de la curva de equilibrio y la de la línea de operación. Para valores de S menores a la unidad, correspondientes a la convergencia de la línea de operación y la curva en el equilibrio para la parte superior del desorbedor, se puede ver en la siguiente imagen como la desorción fraccionaria de soluto está limitada, aun considerando un número infinito de platos teóricos. Por otra parte, para los valores de S mayores a la unidad, es posible cualquier grado de desorción si se dispone de los platos suficientes.
Para un grado dado de desorción de una determinada cantidad de líquido, cuando S aumenta más de la unidad, el soluto desorbido se disuelve cada vez en más gas, lo que conlleva que sea menos valioso. En cambio, el número de platos decrece, de modo que el costo del equipo decrece. Debido a estas tendencias opuestas del costo, en estos casos habrá un valor de S, o de L/ G, para el cual se obtiene la desorción más económica. En general, ésta debe obtenerse calculando los costos totales para diferentes valores de S y observando el mínimo, siendo éste el más adecuado económicamente. Como regla general, se puede tener en
Figura 9: Representación de las fracciones del gas y líquido en un plato.
En la zona de estudio, se supone que la concentración local del líquido xlocal, es constante en la dirección vertical. Entonces, la diferencia puntual se define como:
(16)
Dado que ylocal es la concentración en el equilibrio con x (^) local se puede determinar que la ecuación anterior representa el cambio en la concentración del gas que ocurre realmente como una fracción de la que ocurriría si se estableciese el equilibrio. El subíndice G significa que se están utilizando las concentraciones del gas y la O expresa que EOG es una medida de la resistencia total a la transferencia de masa para las dos fases.
Considerando que el gas se eleva con un flujo de G moles/(tiempo)(área) a una altura diferencial dhL , el área de contacto entre ambas fases por unidad de área del plato es a· dh. Siendo la superficie interfacial entre el gas y el líquido a, área/volumen, de espuma líquido-gas. Si el gas sufre un cambio de concentración dy en esta altura, y si la cantidad total de gas se puede considerar que permanece prácticamente constante, la rapidez de transferencia del soluto es G· dy:
(17)
Reordenando:
(18)
Dado que ylocal es constante para x constante:
(19) De modo que la eficacia se puede definir como:
(20)
También se puede lograr la expresión equivalente en términos de líquido, de modo que las ecuaciones 18 y 20 quedarían:
(21)
(22)
El exponente sobre e se simplifica a N (^) tOG o a N (^) tOL, es decir, el número de unidades totales de transferencia del gas o líquido. Dado que K (^) y y Kx contienen tanto la resistencia del gas como la del líquido a la transferencia de masa, también NtOG y N (^) tOL están formadas por las unidades de transferencia para el gas NtG y para el líquido N (^) tL. Por lo tanto, NtOG y N (^) tOL quedarían expresadas de la siguiente forma:
(23)
Los términos sobre el lado derecho representan, respectivamente, las resistencias a la transferencia de masa del gas y del líquido, que deben obtenerse experimentalmente. Por otra parte, la m de la ecuación anterior es el valor promedio local para los casos en donde la curva de distribución en el equilibrio no es recta. Para el caso de disoluciones diluidas, tal y como se ha expresado anteriormente, m se puede considerar prácticamente constante.
3.4.2 Eficiencia del plato de Murphree.
Las concentraciones promedio totales de todos los haces locales del gas en la figura 9 son yn+1 y y (^) n. De este modo, la eficiencia de Murphree para todo el plato es
(24)
en donde y (^) n* es el valor en el equilibrio con una concentración del líquido saliente, xn.
La relación entre E (^) MG y EOG puede obtenerse integrando los E (^) OG locales sobre la superficie del plato. La uniformidad en la concentración del gas saliente yn + 1 , dependerá de la uniformidad de la concentración del líquido sobre el plato siempre y cuando se cumpla que:
- El gas entrante está mezclado en forma uniforme.
- El gas es alimentado en forma uniforme en la sección transversal del plato completo.
- El contacto mecánico del gas y el líquido son uniformes en todos los puntos.
El líquido sobre el plato es salpicado alrededor por la acción del gas, de modo que una parte de él es arrojada en la dirección en la cual entra al
rectas (Ley de Henry, operación isotérmica, soluciones diluidas), puede calcularse la eficiencia global del plato y el número de platos reales analíticamente:
(26)
Se debe tener en cuenta, que este procedimiento corresponde a un cálculo aproximado.
3.5 EQUIPO DE CONTACTO CONTINUO
Las torres de relleno y de aspersión en contracorriente funcionan en forma distinta de las torres de platos, dado que los fluidos están en contacto continuo durante su trayectoria a través de la torre, en lugar de contacto continuo como en las torres de platos. Por lo tanto, en una torre empacada las composiciones del líquido y del gas cambian continuamente a lo largo de la altura del empaque. Por ello, cada punto sobre una línea de operación representa las condiciones que se encuentran en algún lugar de la torre, mientras que en las torres de platos, únicamente tienen significado real los puntos aislados sobre la línea de operación correspondiente a los platos.
- Coeficientes totales y unidades de transferencia (para m=cte)
Para el caso de columnas de relleno, la altura de relleno necesaria para una
transferencia se determina a partir de los coeficientes de transferencia de materia del lado del líquido y vapor. Para la operación, es preferible trabajar en
contracorriente que en corrientes paralelas, tal y como ocurre en las columnas de platos. Considerando un flujo en contracorriente en una columna de relleno, se emplea la ecuación 9 para representar la línea de operación:
(27)
De esta forma, X e Y representan la relación mol del líquido y gas, respectivamente,
para cualquier altura de la columna. Para el caso de la desorción, en la cual tiene lugar la transferencia de materia de la fase líquida a la fase gas, se puede aplicar la
teoría de la película. Es decir, que existe un gradiente de concentraciones en cada película, tal y como se muestra en la siguiente imagen:
Figura 11: Representación del gradiente de concentraciones en la fase gas y líquida.
La velocidad de transferencia de materia se puede expresar en términos de
coeficientes de cada fase. Los coeficientes, k, basados en una unidad de área para la transferencia de masa se pueden emplear, pero para el caso de un relleno es
difícil obtener éste valor. Por ello, es más común emplear coeficientes volumétricos de transferencia de materia, ka, donde a representa el área de transferencia de
masa por unidad de volumen. Para el estado estacionario y ausencia de reacción química, la velocidad de transferencia en ambas fases es la misma. La velocidad de transferencia de materia por unidad de volumen, r, puede escribirse en términos de
fuerza impulsora en fracción-mol en cada una de las fases:
(27)
o (31)
Para la determinación de la altura en una columna de relleno se suele emplear el coeficiente global respecto a la fase gas, Kya, debido a que el líquido presenta una mayor afinidad al soluto, de modo que la mayor resistencia se encuentra en el gas. Se considera el flujo en contracorriente en una columna de desorción, de modo que realizando el balance a una altura diferencial de relleno se tiene:
(32) Donde S es el área transversal de la columna.
Figura 13: Esquema del balance a una altura diferencial de la columna de relleno.
Se puede reescribir sacando los términos constantes fuera de la integral. Para el caso de disoluciones diluidas G~Gs se considera constante para toda la columna:
(33)
Chilton-Colburn sugirió que la expresión de la derecha se podía expresar como:
(34) Siendo (35)
(36)
HOG (HTU) se define como la altura de una unidad de transferencia referida al gas. La experimentación muestra que este parámetro varía menos con G que con Kya. Además, cuanto menor sea la altura más eficiente será el contacto. El término N (^) OG (NTU) se define como el número de unidades de transferencia del lado del gas. Representa la relación del
cambio en la fracción molar a la fuerza impulsora media. Considerando que la relación de equilibrio es lineal, se tiene la siguiente expresión en función del factor de desorción:
(37)
Se debe comentar que dependiendo de la fuerza impulsora tomada y la fase respecto a la cual se toma como base, se han desarrollado diversas alternativas que se muestran en la siguiente figura:
Figura 14: Representación del número de unidades de transferencia y la altura correspondiente a una unidad de transferencia para diversas fuerzas impulsoras y fases.
3.5.1 Construcción gráfica para el número de unidades de transferencia
La ecuación 33 demuestra que sólo se obtiene una unidad global de transferencia del gas cuando el cambio en la composición del gas es igual a la fuerza impulsora global promedio que ocasiona el cambio. Conociendo el factor de pérdidas y el factor de desorción, se puede lograr el valor del número de unidades de transferencia mediante la siguiente gráfica:
