Informe de Laboratorio N5

Absorcin

Profesor Carolyn Palma

Ayudante Paola Arvalo

Bloque Martes 7-8

Alumnos

Daniela Muoz

Nicols Rebolledo

UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA Y AMBIENTAL

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE MATERIA

22 DE OCTUBRE DE 2014

1

Resumen Ejecutivo

El presente informe busca facilitar la comprensin del funcionamiento de una torre de lecho

empacado en la cual se lleva a cabo un proceso de absorcin para limpiar una corriente de

aire y SO2 con agua en flujo contracorriente. La torre tiene 1[m] de altura y 80[mm] de

dimetro de un relleno compuesto por una gran cantidad de anillos Rasching de 20[mm] de

dimetro, los cuales facilitan la transferencia de materia entre las corrientes.

Haciendo uso de titulaciones de soluciones con 223 para que reaccionara con el yodo

por las que se hizo pasar las corrientes de salida de la torre, se pudo calcular la eficiencia de

sta siendo del 34,33%.Cabe destacar que la utilizacin del mtodo del yodo no es la mejor

para este clculo ya que puede aparecer muchas incoherencias.

Luego es posible obtener con los valores experimentales la curva de operacin,

= 0,6012 + 5 105

junto con la grfica de equilibrio.

A partir de una correlacin que depende de los flujos de las corrientes, el nmero de Schmidt y

varias constantes se calcul la altura de unidad de transferencia de materia = 0,23 y la altura terica de la torre: = 4,35[] con lo que se calcul el coeficiente de transferencia de materia

= 1,985 [

3] y el = 1,99 [

3] se compar obteniendo un

erro del 0,18%.

2

Resultado y Anlisis

1.- Compare la prdida de carga de la columna (medida) con los valores que predice

la teora.

De los datos dados para realizar el informe se tiene que hay una cada de presin

experimental en la columna de:

= 6,5[ 2]

A su vez se tiene el dato del flujo de agua que circula por la torre:

2 = 2 [

]

De la experiencia anterior (Diseo de Torres) se utiliza la ecuacin del grfico ubicado en

seccin anexos para determinar el flujo de aire dado la cada de presin:

= 0,0006 + 0,0088 = 0,0006 5,8 + 0,0088 = 0,0123 [

]

= 0,0123 [

]

0,453

1[

] = 5,57 103 [

]

Para calcular el valor de la cada de presin de forma terica se utilizar el mtodo de

LEVA:

= 10

2

Esta ecuacin se especifica como P cada de presin en [Pa], Z es la altura del empaque

en [m], B y son constantes que variarn su valor segn el tipo de empaque, L es el flujo

msico de agua que circula desde arriba de la torre en [

2], G es el flujo msico de gas

que circula desde debajo de la torre en [

2] es la densidad del gas.

Se asume que como los dos sistemas son diluidos, se tomarn las densidades de lquido y

gas como las del agua y el aire respectivamente. Los valores de las constantes son los

siguientes:

= 1,18 [

3]

= 1000 [

3]

= 0,076

= 450,41

3

= 2 [

] 1000 [

3]

1

1000[3

]

1

60[

] = 0,033 [

]

Ahora considerando que el dimetro de la columna es de 80[], su rea ser de 5

103[2], con esto:

=0,033 [

]

5 103[2]= 6,67 [

2 ]

=5,57 103 [

]

5 103[2]= 1,11 [

2]

Luego reemplazando los valores en la ecuacin:

= 450,41 100,0766,67

1,112

1,18

= 1513 [

]

Como el empaque de la torre es de 1 metro se tiene que la cada de presin ser:

= [] = , [ ]

Luego se procede a calcular un error respecto al valor experimental:

% = (15,4 6,5

15,4) 100 = 57,8%

2.- Determine la eficiencia de absorcin de la torre.

Para calcular la eficiencia de la torre, se utilizar la cantidad de 2 presente a la entrada y

a la salida de la torre. Para obtener estos datos se har uso de los volmenes de 223

utilizados para titular las muestras. Se asume que la relacin molar del yodo (2) con la del

sulfito de sodio (223) son 1:1 dada la siguiente relacin estequiomtrica:

2 + 2232 2 + 46

2

Luego utilizando la ecuacin 11 = 22 , y tomando que la concentracin de sulfito de

sodio es de 0,023[M] se puede calcular la concentracin inicial del yodo en cada etapa y

con ella los moles de yodo respectivos:

4

2(1) =223223

2(1)=

2

Con esta ecuacin se generan las siguientes tablas:

Inicialmente:

Tabla 1: datos de titulaciones realizadas al inicio con los respectivos moles de I2 para cada

vaso

Vaso y su Volumen 23 [] Concentracin [

] Moles de 2

1 0,40[L] 3 3,45 103 1,38 103

2 0,40[L] 3 3,45 103 1,38 103

3 0,32[L] 2,5 2,88 103 9,2 104

4 0,32[L] 3,2 3,68 103 1,17 103

Final:

Tabla 2: datos de titulaciones realizadas al final con los respectivos moles de I2 para cada

vaso.

Vaso y su Volumen 23 [] Concentracin [

] Moles de 2

1 0,38[L] 2,1 2,42 103 9,19 104

2 0,38[L] 2,1 2,42 103 9,19 104

3 0,30[L] 3,1 3,57 103 1,07 103

4 0,30[L] 3,5 4,03 103 1,21 103

Luego utilizando la Tabla 1 y 2, se tiene que a la entrada del sistema (ver diagrama adjunto

en Anexos), se encuentran los vasos 1 y 2, por lo que para la entrada en su estado inicial y

final los moles de yodo correspondern a la suma de los mismos, as:

2() = 1,38 103 + 1,38 103 = 2,76 103[]

2() = 9,19 104 + 9,19 104 = 1,84 103[]

Realizando un procedimiento anlogo para la salida de la torre, una vez que se realiza la

absorcin, del diagrama se ve que los vasos correspondientes son el 3 y el 4, as para la

salida se tiene:

2() = 9,2 104 + 1,17 103 = 2,09 103[]

5

2() = 1,07 103 + 1,21 103 = 2,28 103[]

Finalmente se tiene que los moles absorbidos correspondern a la resta entre los moles

totales de yodo en la entrada y en la salida siendo as:

2() = 2() 2() = 2,76 103 2,09 103 = 6,7 104

2() = 2() 2() = 2,28 103 1,84 103 = 4,4 104

Con esto se calculan los moles de SO2 absorbidos en la torre:

= 2() 2() = 6,7 104 4,4 104 = 2,3 104[]

As se puede calcular la eficiencia de la torre utilizando la siguiente ecuacin:

= (

) 100 = (

2,3 104

6,7 104) 100

= , %

3.- Para las condiciones de operacin usadas, determine la altura de la unidad de

transferencia y el nmero de unidades de transferencia.

Asumiendo que en la corriente inicial de agua no hay nada de SO2, se tiene que 1 = 0.

Luego se procede a calcular los valores de Y1 y Y2:

1 =()2

=

6,7 104[]

44,11[] 5,57 103 [ ]

1

1000[

] 29 [

]

1 = 7,9 105 [

2

]

2 =()2

=

4,4 104[]

47,11[] 5,57 103 [ ]

1

1000[

] 29 [

]

2 = 4,9 105 [

2

]

6

Ahora, utilizando el diagrama de la torre adjuntado en la seccin anexos se realiza un

balance de materia en base inerte:

1 +

1 = 2 +

2

De aqu se despeja 2:

2 =1 + 1 2

Pero por lo mencionado al inicio del ejercicio queda:

2 =(1 2)

=

1,11 [

2] (7,9 105 4,9 105)

6,67 [

2 ]

= 4,99 106 [ 2

]

Con estos valores se genera la curva de operacin, que del grfico extrado de Excel en la

seccin anexos es:

= 0,6012 + 5 105

Por otro lado, para realizar la curva de equilibrio se utilizan los datos otorgados en la tabla

del preinforme (disponible en seccin anexos), con ella se utilizaron los valores de masa de

SO2 por 100g de agua, la temperatura del sistema a 20C y las presiones parciales, para as

generar valores de x e y como sigue:

=

2 2

22

+2

2

=

Con estos valores se generaron X e Y en base inerte segn:

=

1

=

1

Con todo lo anterior se pudo generar la Tabla 5 en anexos con la cual determine la curva de

equilibrio (presente en el mismo grfico en la seccin anexos):

= 28,154

7

Se tiene que sabiendo el nmero de etapas ( ) y la altura por unidad de transferencia

() se puede determiner la altura del empaque como sigue:

=

=

( )

Del grfico adjunto en excel se procede a realizar una integracin por diferencias finitas

haciendo uso del mismo programa, as se obtiene que:

= 0,23

Finalmente se calcula la altura terica de la torre:

=1

0,22= 4,35[]

Existe una gran diferencia respecto a lo real en el laboratorio, pero esto se debe

principalmente a que los datos otorgados para realizar el informe no fueron tomados de

manera correcta.

4.- Determine el coeficiente de transferencia de materia en unidades inglesas, lbmol/ h

ft3 atm y compare con el valor terico.

Con los datos anteriormente obtenidos flujos y el rea transversal de la torre, a presin

atmosfrica.

=

=

=

5,57 103 [ ] 1000 [

]

129 [

]

4,35[] 5 103[2] 1[]

= 8,83 [

3 ] = 1,985 [

3 ]

Ahora considerando el NOG terico de 0,23 y el Z real de 1[m], se obtiene:

OG,teo =1[]

0,23= 4,347[]

A partir del que se obtiene un valor de G terico:

8

=

=

5,57 103 [ ] 1000 [

]

129 [

]

4,347[] 5 103[2] 1[]

= 8,837 [

3 ] = 1,99 [

3 ]

% =1,985 1,99

1,99 100% = 0,18%

El error es el mnimo, por lo que es posible concluir que la transferencia de materia es

bastante bueno, y que la eficiencia del equipo y los clculos realizados estn en base a una

recaudacin de datos acertada.

6.- Indique por cuales razones, el uso de yodo en el laboratorio para la cuantificacin

de SO2, es un mtodo que otorga resultados incoherentes y proponga posibles

soluciones para su mejora.

El mtodo de uso de yodo en el laboratorio para la cuantificacin de SO2, otorga resultados

incoherentes ya que al reaccionar el SO2 con el I2 segn la reaccin

2 + 2 + 22 2 + 24

Siendo las cantidades de SO2 y I2 estequiometricamente iguales, al momento de la

titulacin es lgico calcular la cantidad de yodo que no reacciona, para calcular la cantidad

de SO2 que si reaccion, pero a la hora de hacer este clculo no se tom en cuenta que el

yoduro de azufre (yodo con estado de reduccin -1) vuelve a su estado de yodo (en estado

0), ya que este tipo de reaccin es de tipo reversible, o sea que no todos el reactivo se

convierte en producto, por lo que tienden a desplazarse hacia cualquier direccin (reactivos

o productos) buscando el equilibrio qumico1, provocando que la relacin entre el yoduro

que no reacciona con el SO2, no sea tan directa como se cree, provocando un porcentaje de

error que debe ser considerado a la hora de obtener los moles producto de la titulacin.

Una mejora es cambiar el mtodo de indicador, y cambiar el yoduro por otro componente

que pueda cumplir el mismo objetivo, este debe ser de bajo costo, y debe tener un alto

rendimiento a la hora de evaluar la titulacin del producto.

Tal vez encontrar un qumico que reaccione con el cido sulfrico, como el NaOH, y titular

hasta neutralizarlo, y luego calcular las cantidades estequiomtricas que deberan existir

entre estas dos especies para calcular la cantidad de SO2 que realmente reaccion en la torre

de absorcin.

1 http://www.ing.unp.edu.ar/asignaturas/quimica/teoria/equilibrio.pdf

http://www.spaindata.com/quimica/murcia/resuelto/murs01.pdf

9

Conclusiones

Se determin la cada de presin terica

= 79,33 [

] y se compar con la

experimental

= 15,4 [

20

]obtenindose un porcentaje de error del 57,8 %.

Se calcularon los moles absorbidos de 2, 0,00023 [mol], siendo la eficiencia de la torre de un 34,33%, siendo un poco bajo para lo esperado, ya que usualmente las torres de

absorcin son muy eficientes, algunos factores pueden ser debido al sistema para calcular la

cantidad de 2 absorbido ya que la utilizacin de yodo para este mtodo produce muchas incoherencias, debido a su naturaleza reversible tendiente al equilibrio que no mantiene

correctamente la cantidad de yodo que realmente queda sin utilizar para la calcular la

cantidades correctas de 2 absorbido.

De las correlaciones dependientes de los flujos de las corrientes, se calcul la altura de unidad de

transferencia de materia = 0,23 y la altura terica de la torre: = 4,35[] obteniendo un

coeficiente de transferencia de materia = 1,985 [

3] y =

1,99 [

3] obteniendo un erro del 0,18%.

Algunos errores que pudieron presentarse durante la experiencia y en los clculos pudieron

ser principalmente al uso de aproximaciones tales como la nula resistencia en fase lquida,

el uso de correlaciones por fuera del rango operativo establecido. Asimismo, la precisin de

las mediciones realizadas.

Como conclusin que se confirman de la experiencia anterior, el relleno aumenta la cada

de presin ya que se dispone de una mayor rea de contacto.

Referencias y Bibliografa

http://www.ing.unp.edu.ar/asignaturas/quimica/teoria/equilibrio.pdf

http://www.spaindata.com/quimica/murcia/resuelto/murs01.pdf

Guia 5 , Informe de Absorcin.

10

Anexos

Datos:

P columna = 6.5 [cm agua] P flujo aire = 5.8 [cm agua] Flujo lquido = 2 [L/min]

Tiempo en 4.5 [L], vasos 1 y 2 = 44.11 [s]

Tiempo en 4.5 [L], vasos 3 y 4 = 47.11 [s]

P = 1 [atm]

T = 20 [C] = 293.16 [K]

Dimetro columna: 80 [mm]

Altura relleno: 1 [m]

Columna 2, anillos Rasching de 20 [mm]

Tabla 3: Volmenes de los vasos

Volume

n vasos

Vaso 1 Vaso 2 Vaso 3 Vaso 4

Inicial 400 [ml] 400 [ml] 320 [ml] 320 [ml]

Final 380 [ml] 380 [ml] 300 [ml] 300 [ml]

Tabla 4: Volmenes de Na2S2O3 en las titulaciones.

Vaso Volumen Na2S2O3

titulacin inicial [ml]

Volumen Na2S2O3

titulacin final [ml]

1 3 2.1

2 3 2.1

3 2.5 3.1

4 3.2 3.5

Grfico 1: Caudal de aire segn prdida de carga

11

Diagrama 1: Diagrama de la torre de absorcin utilizado en la pregunta 2

Grafico 2: Grfico de curvas de operacin y equilibrio para pregunta 3

y = 28,154xR = 0,9853

y = 0,6012x + 5E-05R = 1

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0 0,001 0,002 0,003

Y

X

Equilibrio - Operacin

Curva Equilibrio

Curva Operacin

Lineal (CurvaEquilibrio)

Lineal (CurvaOperacin )

12

Tabla 5: Mtodo de integracin por diferencias finitas para la pregunta 3

X Yeq Yop Yop-Yeq 1/(Yop-Yeq) Prom[1/(Yop-Yeq)] Delta Yop Area

0 0 0,00005 -0,00005 -20000

0,000001 1,9741E-05 5,0601E-05 -3,0861E-05 -32403,8678 26201,9339 6,012E-07 0,0157526

0,000002 3,9489E-05 5,1202E-05 -1,1714E-05 -85370,4574 58887,16261 6,012E-07 0,03540296

0,000003 5,9244E-05 5,1804E-05 7,4406E-06 134398,152 24513,84728 6,012E-07 0,01473772

0,000004 7,9007E-05 5,2405E-05 2,6602E-05 37590,8986 85994,52526 6,012E-07 0,05169991

0,000005 9,8777E-05 5,3006E-05 4,5771E-05 21847,8174 29719,35797 6,012E-07 0,01786728

0,000006 0,00011855 5,3607E-05 6,4948E-05 15397,0481 18622,43277 6,012E-07 0,01119581

0,000007 0,00013834 5,4208E-05 8,4131E-05 11886,1914 13641,61975 6,012E-07 0,00820134

0,000008 0,00015813 5,481E-05 0,00010332 9678,44939 10782,32037 6,012E-07 0,00648233

0,000009 0,00017793 5,5411E-05 0,00012252 8161,87902 8920,164205 6,012E-07 0,0053628

0,00001 0,00019774 5,6012E-05 0,00014173 7055,83601 7608,857512 6,012E-07 0,00457445

0,000011 0,00021755 5,6613E-05 0,00016094 6213,50087 6634,668436 6,012E-07 0,00398876

0,000012 0,00023737 5,7214E-05 0,00018016 5550,60762 5882,054244 6,012E-07 0,00353629

0,000013 0,0002572 5,7816E-05 0,00019939 5015,33643 5282,972028 6,012E-07 0,00317612

0,000014 0,00027704 5,8417E-05 0,00021862 4574,06838 4794,702407 6,012E-07 0,00288258

0,000015 0,00029688 5,9018E-05 0,00023787 4204,03948 4389,053931 6,012E-07 0,0026387

0,000016 0,00031674 5,9619E-05 0,00025712 3889,28688 4046,663179 6,012E-07 0,00243285

0,000017 0,00033659 6,022E-05 0,00027637 3618,28539 3753,786131 6,012E-07 0,00225678

0,000018 0,00035646 6,0822E-05 0,00029564 3382,50565 3500,395519 6,012E-07 0,00210444

0,000019 0,00037633 6,1423E-05 0,00031491 3175,50011 3279,002882 6,012E-07 0,00197134

0,00002 0,00039621 6,2024E-05 0,00033419 2992,30439 3083,902252 6,012E-07 0,00185404

0,000021 0,0004161 6,2625E-05 0,00035348 2829,03401 2910,6692 6,012E-07 0,00174989

0,000022 0,000436 6,3226E-05 0,00037277 2682,60588 2755,819944 6,012E-07 0,0016568

0,000023 0,0004559 6,3828E-05 0,00039207 2550,5418 2616,573841 6,012E-07 0,00157308

0,000024 0,00047581 6,4429E-05 0,00041138 2430,82702 2490,684413 6,012E-07 0,0014974

0,000025 0,00049573 0,00006503 0,0004307 2321,80677 2376,316898 6,012E-07 0,00142864

0,000026 0,00051565 6,5631E-05 0,00045002 2222,10927 2271,958021 6,012E-07 0,0013659

0,000027 0,00053559 6,6232E-05 0,00046935 2130,58773 2176,348502 6,012E-07 0,00130842

0,000028 0,00055553 6,6834E-05 0,00048869 2046,27606 2088,431896 6,012E-07 0,00125557

0,000029 0,00057547 6,7435E-05 0,00050804 1968,35458 2007,315319 6,012E-07 0,0012068

0,00003 0,00059543 6,8036E-05 0,00052739 1896,12335 1932,238964 6,012E-07 0,00116166

0,000031 0,00061539 6,8637E-05 0,00054675 1828,98103 1862,55219 6,012E-07 0,00111977

0,000032 0,00063536 6,9238E-05 0,00056612 1766,40815 1797,694591 6,012E-07 0,00108077

0,000033 0,00065534 6,984E-05 0,0005855 1707,9536 1737,180877 6,012E-07 0,00104439

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