Practica 1

Desorción

I. Objetivo

Aplicar los conocimientos de ingeniería química en el proceso de desorción en una torre empacada para realizar la desorción de amoniaco en un sistema agua-amoniaco a baja concentración.

II. Introducción

Un grupo de operaciones para la separación de componentes de mezclas está basado en la transferencia de materia desde una fase homogénea a otra. Contrariamente a las separaciones puramente mecánicas, estos métodos utilizan diferencias en la presión de vapor o la solubilidad, en vez del tamaño o la densidad de las partículas. La fuerza impulsora para la transferencia es una diferencia de concentración o un gradiente de concentración, de la misma forma que una diferencia de temperatura o un gradiente de temperatura constituye la fuerza impulsora para la transmisión de calor. Estos métodos, agrupados bajo la denominación de operaciones de transferencia de materia, incluyen técnicas tales como destilación, absorción de gases, deshumiditicación, extracción líquido-líquido, lixiviación, cristalización, así como muchas otras.

III. Marco teórico

Absorción

La absorción es una operación en la que se transfiere materia desde una corriente gaseosa a otra líquida. Las dos corrientes pueden desplazarse en las direcciones axiales de flujo, sin dispersión axial, o con diferentes grados de retromezcla axial, siendo el caso límite el de un tanque perfectamente mezclado. En algunas aplicaciones las dos fases pueden estar en reposo.

Desorción

Cuando el soluto se transfiere desde el disolvente líquido hacia la fase gaseosa, la operación recibe el nombre de deserción o stripping.

Torres de relleno

Un aparato frecuentemente utilizado en absorción de gases y en algunas otras operaciones es la torre de relleno como muestra la figura 1. El dispositivo consiste en una columna cilíndrica, o torre, equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior; una entrada de líquido y un distribuidor en la parte superior; salidas para el gas y el líquido por cabeza y cola, respectivamente; y una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que recibe el nombre de relleno de la torre. El soporte ha de tener una gran fracción de área libre de forma que no se produzca inundación en el plato de soporte. El relleno proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas, favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases. El soluto contenido en el gas rico es absorbido por el líquido fresco que entra en la torre, y el gas diluido o agotado abandona la torre. El líquido se enriquece en soluto a medida que desciende por la torre y el líquido concentrado sale por el fondo de la torre.

Figura 1. Torre de relleno

Empaque

El relleno puede ser cargado al azar en la torre o bien ser colocado ordenadamente a mano. Los rellenos al azar consisten en unidades de 1/4 a 3 pulgadas en su dimensión mayor. Las unidades de relleno ordenado son de tamaños comprendidos entre 2 y 8 pulgadas. En la Figura 2 se representan

algunos tipos frecuentes de cuerpos de relleno. Los principales requerimientos de un relleno de torre son:

Ha de ser químicamente inerte frente a los fluidos de la torre. Ha de ser resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo. Ha de tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retención

de líquido o caída de presión. Ha de proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas. Ha de tener un coste razonable.

Figura 2. Cuerpos de relleno típicos: (a) montura de Berl; (b) montura Intalox; (c) anillo Rasching; (d) anillo Pall.

Velocidad límite de flujo

En una torre que contiene un determinado relleno y que está irrigada con un flujo definido de líquido, existe un límite superior para la velocidad de flujo del gas. La velocidad correspondiente a este punto recibe el nombre de velocidad de inundación. Puede encontrarse observando la relación entre la caída de presión a través del lecho de relleno y la velocidad de flujo del gas, a partir de la observación de la retención de líquido, y también a partir de la apariencia visual del relleno.

Inundación

Esta condición ocurre cuando las velocidades del vapor y/o el líquido son tan grandes que la caída de presión del gas es superior a la carga neta de gravedad del líquido, que de esta forma es arrastrado hacia arriba en la columna.

IV. Material y reactivos

Torre de absorción empacada con anillos rasching 5 matraces Erlenmeyer de 250 ml para muestreo 1 matraz aforado de 250 ml 1 matraz aforado de 500 ml 1 bureta de 1000 ml 2 buretas de 100 ml 2 soportes universales 2 pinzas para bureta HCL 0.002 N NH4OH concentrado NH4OH 100 ppm KOH Agua Fenolftaleína

V. Procedimiento

Para el manejo de la torre de absorción con un sistema amoniaco agua aire se llevaron a cabo los siguientes pasos:

1. Se prepararon 250 ml de una solución de KOH de una concentración 1N2. Se prepararon 500 ml de una solución HCl de una concentración 0.002 N la

cual fue verificada por medio de una titulación con el KOH.3. Se prepararon 100 litros de una solución de NH4OH con una concentración

de 100 ppm.4. Se prendió el compresor y se verifico que la presión se mantuviera estable

y que no rebasará las 3 lb.

5. Se verifico que todas las válvulas estuvieran cerradas excepto la válvula V1 que debe estar abierta y se dejó trabajar por 5 minutos para que la solución estuviera homogénea.

6. Se abrió poco a poco la válvula del tanque y la válvula de la torre para introducir la solución a la torre.

7. Cuando la alimentación cayó por la columna empacada se abrió el flujo de aire.

8. Se regulo el flujo de entrada de la alimentación mediante la válvula V4 y el rotámetro R1. Se trabajó con un flujo de 650 ml/min.

9. Se abrió la válvula de salida para el agua con amoniaco absorbido y se cuidó que la columna no tuviera inundaciones.

10.Se burbujeo el gas de salida de la torre, en una cubeta con agua limpia.

11.Se estabilizo el flujo de la solución y el flujo de aire, y de dejo operar el equipo.

12.Se tomaron muestras del gas de salida y de la solución del reflujo cada 5 minutos durante un lapso de 50 minutos.

13.se titularon alícuotas de 10 ml con una solución 0.002 N de HCl, usando fenolftaleína como indicador.

VI. Cálculos y resultados

Datos obtenidos

Temperatura de aireEntrada Salida

Bulbo húmedo 15 °C 17 °CBulbo seco 16 °C 18 °C

Temperatura de soluciónEntrada Salida

Bulbo húmedo 18 °C 21 °CBulbo seco 19 °C 22 °C

De acuerdo a los datos obtenidos y aplicando la siguiente ecuación se calcularon las concentraciones correspondientes a cada una de las muestras.

V1N1=V2N2

N2 = V 1N 1V 2

HCl gastado (ml) Concentración (N)Muestra Agua Aire Agua Aire

0 0.3 0.2 0.06 0.041 1 0.2 0.2 0.042 0.8 0.2 0.16 0.043 0.7 0.1 0.14 0.024 0.6 0.2 0.12 0.045 0.7 0.2 0.14 0.046 0.6 0.2 0.12 0.047 0.5 0.3 0.1 0.068 0.6 0.2 0.12 0.049 0.6 0.1 0.12 0.02

10 0.8 0.2 0.12 0.04

Cálculos

Temperatura media

Tomando los datos de temperatura de entrada y salida del aire en bulbo seco, podemos calcular la temperatura media con la siguiente ecuación:

Tmedia=Tentrada+Tsalida

2

Tmedia= 15° C+17° C

2

Tmedia= 16 °C

Calculando Y* con la siguiente ecuación

Y*=p∗¿

p−p∗¿¿¿

Dónde:

P*= 2.5 psi

P= 14.696 psi

Sustituyendo datos en la ecuación anterior tenemos

Y*=2.5 psi

14.696 psi−2.5 psi

Y*= 0.2050

Calculo del área de contacto entre las dos fases (liquida y vapor).

A= πDh

Dónde:

h= 1.76 m

D= 3 plg (0.0762 m)

Sustituyendo datos obtenemos:

A=π (0.0762 m)(1.76 m)

A= 0.4213 m²

Volumen de aire en el sistema

NB=PVRT

Dónde:

P= 1 atm

V= 26.25 L/min

R= 0.08205 atmL/molK

T= 289.15 k

Sustituyendo datos obtenemos:

NB=(1atm)(26.25 l

min)

(0.08205atmlmol K

)(289.15K )

NB= 1.10644 mol/min

Calculo de Y0 a partir de la siguiente ecuación:

Y0= p∗¿p−p∗¿

Dónde:

P**= 0.26547 psi

P= 14.696 psi

Sustituyendo los datos obtenemos:

Y0= 0.26547 psi

14.696 psi−0.26547 psi

Y0= 0.018396

Calculo de KG a partir de la siguiente ecuación:

KG = NB ¿¿

Dónde:

NB= 1.10644

A= 0.4213

P= 1

Y*= 0.2050

Y0= 0.018396

Y= 0.03818

Sustituyendo datos en ecuación anterior:

KG = 1.10644(1+0.2050)

(0.4213)(1)+ln

(0.2050 )−(0.018396)(0.2050)(0.03818)

KG = 0.35467

Grafica de concentración vs tiempo

Tiempo (min)

Agua (N) Aire (N)

5 0.06 0.0410 0.2 0.0415 0.16 0.0420 0.14 0.0225 0.12 0.0430 0.14 0.0435 0.12 0.0440 0.1 0.0645 0.12 0.0450 0.12 0.0255 0.12 0.04

0 10 20 30 40 50 600

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Concentración aire vs Concentracion de agua

aguaaire

Tiempo (min)

Conc

entr

ació

n (N

)

VII. Discusión

Podemos observar en la gráfica, que la eficiencia de la torre empacada no fue muy alta, ya que las concentraciones del amonio obtenido durante la desorción es muy pequeña comparada a las concentraciones obtenidas en la solución de NH4OH que retornaba al tanque de alimentación. Esto pudo haber sucedido, porque el flujo de entrada de aire era mayor que flujo de entrada de la solución, y el tiempo de contacto entre las dos fases era muy corto lo cual no permitía una buena absorción del amoniaco.

VIII. Conclusiones

Fue posible la desorción amoniaco de una solución de NH4OH a una concentración de 100ppm. Obteniendo amoniaco a una concentración de promedio de 0.04 N.

IX. Bibliografía

L. MCCABE WARREN, C. SMITH JULIÁN, ARRIOT PETER, “OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA”, SÉPTIMA EDICIÓN, EDITORIAL: MCGRAW-HILL