I. INTRODUCCIÓN

En los últimos años se ha intensificado la búsqueda de tecnologías que mejoren la

eficiencia de los equipos. Los equipos de absorción son muy antiguos, pero desde

hace algunos años se han dejado de utilizar, hoy en día se presenta como una opción

interesante que nos permitirá en algunos casos utilizar vapor residual de un proceso.

En la absorción de gases, una mezcla de éstos se absorbe en un líquido en el que el

gas es más o menos soluble. Como ejemplo, la absorción de amoniaco presente en

una masa de aire mediante agua en estado líquido.

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.

II. OBJETIVOS

Objetivo general:

Analizar y comprender la operación de absorción del NH3 y aire soluble

en el agua.

Objetivos específicos:

Calcular los valores de fracción molar del NH3 en la fase liquida.

Calcular los valores de fracción molar de NH3 en la fase gaseosa.

Calcular las concentraciones del gas disuelto en los líquidos.

Graficar (Xi) vs. (Yi) a diferente temperatura o presión.

III. RESUMEN

El presente trabajo de laboratorio consistió en determinar la concentración en cada

uno de los matraces cuyo contenido fue agua destilada (50ml cada uno), para luego

someterlo a una corriente de gas (NH4OH), impulsado por un generador de aire.

Se tuvo mucho cuidado al momento de ensamblar el equipo a fin de evitar fugas de

aire que posteriormente nos perjudicarían al momento de realizar los cálculos

respectivos; la operación duro un apromixado de 20 minutos, después de ello se

procedió a realizar las respectivas titulaciones con HCL a 1N, teniendo como indicador

el anaranjado de metilo.

Los gastos fueron para el kitazato 1: 111.9mL; kitazato 2: 26.1mL; kitazato 3: 4mL;

para el vaso: 0.5mL.

IV. MARCO TEÓRICO

AMONIACO:

El amoníaco o amoniaco 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.

Según la VSEPR, los pares electrónicos de valencia del nitrógeno en la molécula se

orientan hacia los vértices de un tetraedro, distribución característica cuando existe

hibridación sp³. Existe un par solitario, por lo que la geometría de la molécula es

piramidal trigonal (grupo puntual de simetría C3v). En disolución acuosa se puede

comportar como una base y formarse el ión amonio, NH4+, con un átomo de hidrógeno

en cada vértice del tetraedro:

El 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 cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la

producida por la naturaleza. El amoníaco es producido naturalmente en el suelo por

bacterias, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales. El

amoníaco es esencial para muchos procesos biológicos.

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.

ABSORCIÓN (QUÍMICA)

La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia que consiste en

poner un gas en contacto con un liquido 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

Si la absorción no está acompañada de ningún otro proceso físico o químico,

generalmente se puede describir el proceso mediante la ley de partición de Nernst:

“El cociente de las concentraciones de un determinado soluto en dos fases en

contacto es constante, para un soluto y un par de fases dadas”.

El valor de la constante KN depende de la temperatura y es llamada constante de

partición. Esta ecuación se vuelve inexacta cuando las concentraciones son muy

altas, ya que aparecen efectos de interacción.

Los absorbedores centrífugos se basan en forzar el contacto gas-líquido dando

energía cinética de rotación al líquido y haciendo circular gas a través suyo.

Algunas aplicaciones de la absorción:

Eliminación de gases ácidos como H2S, CO2, SO2.

Preparación del agua de Seltz.

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.

Probablemente la principal desventaja del sistema amoníaco agua es el hecho de que

el absorbente (agua) es razonablemente volátil, de modo que el vapor refrigerante

(amoniaco) al salir del generador por lo general contiene cantidades apreciables de

vapor de agua, las cuales al pasar a través del condensador hacia el evaporador, se

aumentará la temperatura del evaporador y reducirá el efecto refrigerante por tenerse

refrigerante no vaporizado fuera del evaporador.

Por esta razón, la eficiencia del sistema amoníaco-agua puede mejorarse usando un

analizador y un rectificador cuya función es la de eliminar el vapor de agua a la salida

del generador antes que llegue al condensador. Se utiliza una columna de destilación

la cual esta sujeta en la parte superior del generador. Como los vapores de amoniaco

y agua viniendo del generador, suben pasando a través del analizador, éstos son

enfriados y el vapor del agua que tiene la temperatura de saturación mayor, se

condensan regresándose al generador, mientras que el vapor de amoniaco continúa

subiendo y sale por la parte superior del analizador. Después el vapor de amoniaco

pasa por el rectificador o condensador de reflujo, donde el resto del vapor de agua y

una cantidad pequeña de vapor de amoniaco, se condensan y drenan, regresándose a

través del analizador en la forma de solución de reflujo débil, siendo esto último

necesario para que el analizador funcione adecuadamente. El enfriamiento en el

condensador de reflujo por lo general se efectúa con una parte de la agua del

condensador y está limitado a fin de controlar la cantidad de líquido de reflujo que

pasa al analizador.

LEY DE RAOULT

La Ley de Raoult establece la relación entre la presión de vapor de cada componente

en una solución ideal es dependiente de la presión de vapor de cada componente

individual y de la fracción molar de cada componente en la solución. La ley debe su

nombre al químico francés François Marie Raoult (1830-1901).

Si un soluto tiene una presión de vapor medible, la presión de vapor de su disolución

siempre es menor que la del disolvente puro. De esta forma la relación entre la presión

de vapor de la disolución y la presión de vapor del disolvente depende de la

concentración del soluto en la disolución. Esta relación entre ambos se formula

mediante la Ley de Raoult mediante la cual: la presión parcial de un disolvente sobre

una disolución P1 está dada por la presión de vapor del disolvente puro Po1,

multiplicada por la fracción molar del disolvente en la disolución X1.

Es decir que la presión de vapor del soluto crece linearmente con su fracción molar.

En una solución que sólo contenga soluto, se tiene que X1=1-X2, donde X2 es la

fracción molar del soluto, pudiendo escribir la formulación de la ley como:

Se puede ver de esta forma que una disminución en la presión de vapor, ΔP es

directamente proporcional a la concentración del soluto presente

LEY DE HENRY

La Ley de Henry fue formulada en 1803 por William Henry. Enuncia que a temperatura

constante, la cantidad de gas disuelta en un líquido es directamente proporcional a la

presión parcial que ejerce ese gas sobre el líquido. Matemáticamente se formula del

siguiente modo:

donde:

p = la presión parcial del gas

c = la concentración del gas

k = la constante de Henry, que depende de la naturaleza del gas, la

temperatura y el líquido

EQUILIBRIO DE SOLUBILIDAD

Estado que alcanza una solución en que la velocidad a la que se precipita el soluto

iguala a la velocidad a la cual se disuelve. Cada solución alcanza dicho equilibrio a

una concentración constante que depende de la temperatura ambiental. Este equilibrio

se puede expresar mediante un constante llamada producto de solubilidad (Kps) la

cual es una relación entre las cantidades de los iones en solución, según su equilibrio

de ionización.

La solubilidad es la capacidad que tiene una sustancia de disolverse en otra; esto

depende de los siguientes factores:

La naturaleza o propiedades del soluto y del solvente

La temperatura

La presión

La solubilidad de un sólido en un líquido por lo general aumenta cuando se incrementa

la temperatura.

Solubilidad molar y solubilidad

Hay dos formas de expresar la solubilidad de una sustancia: como solubilidad molar,

número de moles de soluto en un litro de una disolución saturada (mol/L); y como

solubilidad, número de gramos de soluto en un litro de una disolución saturada (gr/L).

Todo esto ha de calcularse teniendo en cuenta una temperatura que ha de

permanecer constate y que suele ser la indicada en las condiciones estándar o

condiciones de laboratorio (P = 101 k Pa, T = 25º C).

Solubilizacion de los gases:

La solubilidad de algunos gases,  como el  amoniaco en el agua,  tiene capital 

importancia en la vida diaria. 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

k = constante a una temperatura

 La mayoría de los gases obedecen la ley de Henry,

APLICACIONES DE LA ABSORCIÓN:

Las primeras aplicaciones industriales de los principios termodinámicos de la

absorción de un vapor por un líquido, con el fin de conseguir la refrigeración de otro

líquido, datan de los primeros años 30.

La comercialización a mayor escala de plantas frigoríficas de absorción con ciclo

Amoniaco-Agua comienzan en los 40.

Los ciclos de absorción se basan físicamente en la capacidad que tienen algunas

sustancias, tales como el agua y algunas sales como el Bromuro de Litio, para

absorber, en fase líquida, vapores de otras sustancias tales como el Amoniaco y el

agua, respectivamente.

Algunas de sus aplicaciones en la industria son:

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.

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 H2S, mercaptanosy CO2 con

disoluciones de aminas

Aprovechamientos Alternativos

Por último no queremos dejar de comentar las posibilidades de los equipos de

absorción para ser utilizados para la refrigeración y climatización en aplicaciones en

las que se dispone de fuentes alternativas de energía. Energías no convencionales

como la Geotérmica, la Biomasa y la Solar Térmica pueden ser empleadas como

fuente de aporte energético a los concentradores de plantas de absorción de simple

efecto, para valores de temperatura de agua comprendidos entre 80 y 130°C, bien es

verdad que con COPs bastante bajos, alrededor de 0,5, pero con la ventaja que

supone la independencia de fuentes convencionales de energía y, sobre todo, el

ahorro de energía eléctrica .

V. PARTE EXPERIMENTAL

5.1 RESULTADOS

DATOS EXPERIMENTALES

Intervalo de tiempo: 20 min.

Temperatura ambiente: 14 º C

Concentración del Ácido Clorhídrico (HCl): 1 N

Volumen del agua destilada: 50 mL.

Recipientes Volumen H2O

(mL)

Kitazato 1 50

Kitazato 2 50

Kitazato 3 50

Vaso 50

Volumen de gasto del HCl:

RECIPIENTES Vol. HCl (mL)

Kitazato 1 111.9

Kitazato 2 26.1

Kitazato 3 4

Vaso 0.5

CÁLCULOS:

MATRAZ 1:

En la absorción de produce la siguiente reacción:

En la reacción de la titilación:

las concentración iniciales:

[HCl] = 1N

[NH4OH] = Q.P

La reacción que se produce en el vaso:

Volumen total (mL):

Hallando concentración del NH4OH:

Para hallar la concentración del NH4OH es necesario aplicar la

siguiente ecuación:

Determinando la concentración de NH3(ac):

Es una ecuación cuadrática de tipo:

Tabla Nº 01 concentración de amoniaco de cada recipiente.

Recipientes Volumen total (L) [NH3(ac)]=X

(x10-5N)

Kitazato 1 0.1619 1.966

Kitazato 2 0.0761 1.38

Kitazato 3 0.054 0.64

Vaso 0.0505 0.234

Tabla Nº 02 moles de amoniaco [NH3 (ac)]

Recipientes Moles de [NH3(ac)]

n=[NH3(ac)]xVT

Kitazato 1 3.1x10-6

Kitazato 2 1.05 x10-6

Kitazato 3 0.34 x10-6

Vaso 0.12 x10-6

CALCULO DE LAS FRACCIONES MOLARES (Xi)

PARA EL SISTEMA AMONIACO – AGUA

Para poder obtener Xi en amoniaco - agua es necesario aplicar la ecuación

Hallando

hallando Xi para cada caso :

RECIPIENTE FRACCIÓN MOLAR (Xi)

Kitazato 1 1.116x10-6

Kitazato 2 0.378x10-6

Kitazato 3 0.122x10-6

Vaso 0.043x10-6

PARA EL SISTEMA AMONIACO – AIRE

Para poder obtener Xi en amoniaco - agua es necesario aplicar la ecuación

HALLANDO:

Base de calculo : 20 minutos de ejecución del sistema

Flujo de aire :

Aplicando:

Hallando Xi para cada caso

RECIPIENTE FRACCIÓN MOLAR (Xi)

Kitazato 1 5.98x10-6

Kitazato 2 2.027x10-6

Kitazato 3 0.656x10-6

Vaso 0.232x10-6

CALCULO DE LAS PRESIONES PARCIALES (Yi) NH3

Calculando las presiones parciales con:

T =14º C = 287 K

P = 520mmHg=0.6842 atm

..................(1)

Reemplazando en (1):

4.50x10-4

3.24x10-4

1.48x10-4

0.56x10-4

RECIPIENTE PRESIÓN PARCIAL (atm)

Kitazato 1 4.50x10-4

Kitazato 2 3.24x10-4

Kitazato 3 1.48x10-4

Vaso 0.56x10-4

Hallando la fracción parcial para Yi, para el NH3.

6.57x10-4

4.73x10-4

2.16x10-4

0.81x10-4

Calculando las fracciones parciales :

RECIPIENTE FRACCIÓN PARCIAL (Yi)

Kitazato 1 6.57x10-4

Kitazato 2 4.73x10-4

Kitazato 3 2.16x10-4

Vaso 0.81x10-4

CONCLUSIONES

Se analizo y comprendió en forma experimental la operación de absorción

del NH3 y aire soluble en el agua.

Se determino los valores de fracción molar del NH3 en la fase liquida.

Para el Sistema Amoniaco – Agua

1.116x10-6 , 0.378x10-6, 0.122x10-6 y 0.043x10-6.

De la misma forma calculamos los valores de fracción molar de NH3 en la

fase gaseosa, los resultados son :

Para el Sistema Amoniaco – aire

5.98x10-6 , 2.027x10-6 , 0.656x10-6 y 0.232x10-6

Se calculo las presiones parciales siendo estas las siguientes :

6.57x10-4 , 4.73x10-4 , 2.16x10-4 y 0.81x10-4

Calculando las concentraciones del gas disuelto en los líquidos los

resultados fueron: 1.966x10-5,1.38x10-5, 0.64x10-5 y 0.234x10-5 N.

Graficar (Xi) vs. (Yi) a diferente temperatura o presión.

BIBLIOGRAFIA

Smith J Van Nees “Introducción a la Ingeniería Química”

Foust “Principios de Operaciones Unitarias”

http://es.wikipedia.org/wiki/Absorci%C3%B3n_%28qu%C3%ADmica%29