prác. 2 balance de materia de la torre de absorción

Operaciones Unitarias I UNITEC Campus Sur Mayo 2011

Universidad Tecnológica de México

Ingeniería Química Materia: Operaciones Unitarias I

Práctica 2

Área: Ingeniería


Práctica No. 2 Balance de materia de la torre de

absorción

Fecha de Elaboración: ____________ Fecha Revisión: _________________ Responsable: ___________________

Objetivo Elaborar el balance de materia en la columna de absorción a partir de datos

experimentales.

Normas de Seguridad. No tener contacto directo (con piel, ojos o vías respiratorias) con ninguno de los reactivos empleados en esta práctica. Cuando se pesen o midan los reactivos, tener cuidado de no derramarlos, en caso contrario limpiarlos inmediatamente. Extraer los reactivos de los frascos con espátulas y pipetas perfectamente limpias y no devolver a los contenedores los reactivos no utilizados. Al provocar reacciones de combustión, asegurarse de que el material no apunte hacia ningún compañero Al utilizar pipetas, hacer uso de propipetas, jamás succionar con la boca.

Cuando la sesión experimental haya finalizado, el alumno deberá limpiar su lugar de trabajo y cerciorarse de que las llaves del gas y del agua queden cerradas

Equipo de Seguridad. Bata. Lentes de protección.

Zapatos cerrados.


Investigación Previa 1. Ley de distribución.

2. Constante o coeficiente de distribución.

3. Ionización.

4. Extracción simple.

5. extracción múltiple.

6. eficiencia de una extracción.

Equipo

Torre de absorción

Analizador Hempel

Sustancias

Dióxido de Carbono (gas)

Hidróxido de calcio (solución saturada)

Marco Teórico

La absorción de un liquido, la cual ocurre durante el proceso de limpieza por frotamiento, es una operación de unidad de ingeniería quimica estandar, desarrollada desde el punto de vista tecnico y relativamente bien comprendidad. Cuando se trabaja con concentracuiones comparativamente elevadas de un gas contaminante (del orden del 1 5 o más) es practica frecuente utilizar un sistema de flujo a contracorriente en una unidad tal como una torre de absorción empaquetada, como se muestra en la figura.


Esto tiene la ventaja de que la concentración mas baja del contaminante en el gas, se encuentra en contacto con el liquido mas débil, el cual es el liquido absorbente en el que hay menor concentración del gas contaminante ( o quizá liquido absorbente puro si no ha circulado dentro de un sistema cerrado). El líquido mas concentrado que se separa de la columna de absorción entra en contacto con la concentración mas elevada del contaminante. Entonces el liquido absorbente que se utiliza se puede retirar como desecho o se puede tratar de tal manera que sea posible reciclarlo. En muchos casos el contaminante, cuando se remueve (enjuaga) del liquido absorbente, se puede utilizar como material básico para procesamiento ulterior. Así, una operación común en las refinerías de petróleo es la absorción del ácido sulfhídrico en una solución alcalina, su subsiguiente enjuague mediante el uso de vapor y luego su conversión de azufre. Este azufre es el material no elaborado que se usa en la producción de fertilizante (superfosfato). Los contaminantes del aire que se encuentran presentes a concentraciones muy bajas se limpian con frecuencia por fricción en un sistema de corriente coordinada, donde el gas sigue la misma dirección que el líquido limpiador. El tamaño del depurador de gases y su efectividad relativa son función de parámetros, como por ejemplo: la superficie de exposición del líquido absorbente, la temperatura, el tiempo disponible y la fuerza de conducción que lleva a las moléculas del gas contaminante hacia la superficie del líquido y afecta su absorción. Esto depende de la naturaleza química y la interacción del gas contaminante con el líquido. Si el gas se absorbe con facilidad, por ejemplo amoniaco en agua, se tiene una gran fuerza de


conducción y el sistema puede ser relativamente más pequeño si se trata de un sistema de absorción difícil, tal como dióxido de azufre en agua. La opción normal para la limpieza del SO2 por frotamiento no sería agua sino una solución alcalina, tal como amoniaco, en el cual el SO2 es muy soluble. La fuerza de conducción también es una función de la concentración del gas contaminante en la corriente de gas y en la superficie liquida, y se reduce conforme el líquido se aproxima a la saturación con el gas. La superficie de exposición a través de la cual un gas se absorbe es una función del tamaño de la gota del liquido (en un depurador de gases de tipo roció) o de las dimensiones y tipo de empaquetamiento (en una torre empaquetada), así como también de la cantidad de liquido por unidad de volumen de gas que se utiliza y de las dimensiones físicas del sistema. El cálculo del tamaño de una torre de absorción para efectuar un grado de purificación de gas específico es un cálculo de ingeniería mecánica estándar. Sin embargo, se debería destacar que el logro obtenido es una función compleja del diseño y del control de operación y que el diseño final es una función de la experiencia así como también de la teoría. En general los contaminantes gaseosos presentes a concentraciones moderadas, menos de cerca del 0.1% en volumen, se manejan con efectividad mediante depuradores líquidos de gases siempre y cuando se encuentre disponible un líquido absorbente adecuado. Los líquidos limpiadores para depuradores de gases incluyen agua para amoniaco y ácido clorhídrico en forma de gas, ácido sulfúrico para amoniaco, soluciones de metil y etilamina para ácido sulfhídrico, soluciones de sulfito de sodio y pastas aguadas de caliza para ácido sulfúrico y muchos otros. Los gases colectados, en algunos de los ejemplos ya mencionados, con frecuencia se enjuagan de la fase liquida con vapor o mediante calentamiento directo, además de que se trataran ahora como un producto mas concentrado, mediante un proceso secundario. La remoción de ácido sulfhídrico a partir de gas natural y productos de refinería de petróleo y su subsiguiente reducción a azufre es un ejemplo del uso de limpieza por frotamiento para concentración del contaminante antes de su conversión en una forma más útil o eliminable con mayor facilidad

Preparación de la Práctica

1. Tener los equipos listos. 2. Preparar una solución de Hidróxido de Calcio saturada y dejarla reposar al menos

12 horas antes de su utilización. La finalidad de la solución es permitir la cuantificación del CO2 por la formación de un precipitado de CaCO3 mediante la siguiente reacción:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 ↓ + H2O


Operación del Equipo para Análisis de Gases. Analizador Hempel

1. Para operar el equipo para analizar gases refiérase al siguiente diagrama:

Donde: 1 Punto para toma de muestra y válvula No. 1

2 Válvula No. 2

3 Válvula No. 3

4 Válvula No. 4

5 Tanque para solución de Ca(OH)2

6 Válvula No. 5

7 Válvula No. 6

8 Tanque de expansión

9 Válvula No. 7

10 Jeringa para muestreo


2. Abra la válvulas No. 1, 2, 4, 5, 6 y 7

3. Llene el aparato con la solución saturada de Ca(OH)2 por la válvula No. 6, hasta

que el nivel de la solución se encuentre en el cuello del tanque de solución (5) y

marque el nivel (plumón Signal Azor).

4. Al finalizar cierre la válvula No. 6.

5. Cierre las válvulas No. 1, 2, 4 y 7.

6. Conecte un extremo de la manguera para toma de muestra en alguno de los tres

puntos de análisis en la columna y el otro extremo en el punto de toma de muestra

del Analizador Hempel.

7. Abra las válvulas No. 1 y 2 y verifique el flujo de gas a la salida de la válvula No.

2

8. Sujete el pistón de la jeringa de muestreo y abra la válvula No. 3

9. Usando el pistón tome una muestra de gas (Muestra No. 1) y cierre la válvula No.

3 (Se recomienda tomar una muestra de entre 50 y 80 ml de gas).

10. Cierre las válvulas No. 1 y 2.

11. Retire la manguera de toma de muestra.

12. Abra las válvulas No. 3 y 4.

13. Empuje el pistón de la jeringa e inyecte el gas dentro del tanque de solución (5).

14. Cierre las válvulas No. 3, 4, 5 y 7.

15. Tome el aparato de las agarraderas y agítelo durante un minuto.

16. Al término abra las válvulas No. 3, 4, 5 y 7.

17. Retire el gas inyectado con ayuda del pistón de la jeringa hasta que el nivel de la

solución llegue a la marca original.

18. La diferencia entre el volumen inicial y final es el porcentaje volumétrico de CO2

que contiene el gas.

19. Abra la válvula No. 2 y empuje el pistón hacia su posición inicial y cierre la Válvula

No. 3.

20. Abra la válvula No. 6 y vacié completamente la solución

21. Lave el analizador agregando al tanque de solución (5) agua por la válvula No. 6

agite y vacie completamente el agua.


22. Tome la Nuestra No. 2, siguiendo los pasos antes mencionados.

Operación del Equipo para el Balance de Materia

1. Encendido

1. Abra Completamente la válvula que regula la presión de la columna.

2. Cierre la válvula que controla el nivel de agua en la columna.

3. Abra completamente la válvula que regula el flujo de aire a la columna.

4. Encienda el compresor y regule el flujo de aire.

5. Encienda la bomba de alimentación de agua a la columna y regule el flujo.

6. Fije la altura de agua que se va a tener en la columna, con la válvula de nivel

7. Permita que se estabilice la columna.

8. Abra el tanque de suministro de CO2 y regule su flujo.

9. Permita que se estabilice la columna.

10. Encienda la bomba de recirculación de agua.

11. Encienda la bomba auxiliar para generar vació y evitar que el agua se sature con

el CO2 rápidamente.

12. Tome muestras en la parte inferior, media y superior de la columna y analice la

cantidad de CO2 presente mediante el analizador de gases Hempel.

2. Apagado

1. Apague la bomba auxiliar para general el vació

2. Apague la bomba para recirculación del agua.

3. Cierre el tanque de alimentación de CO2.

4. Apague la bomba de alimentación de agua a la columna.

5. Apague el compresor de alimentación de aire.


3. Recomendaciones

1. Verifique constantemente el nivel de líquido en la columna para evitar que se

inunde.

2. Verifique constantemente la presión en la columna ya que al variar alguno de

los flujos de alimentación esta cambiara (La presión máxima de operación

no debe sobrepasar de 2 bar).

3. Permita que la columna se estabilice antes de tomar algún valor.

4. Al finalizar la operación vacié completamente la columna.

5. Diagrama Principal del Equipo


Donde: 1 Columna de absorción

2 Manómetro de la columna

3 Medidor de flujo de agua

4 Medidor de flujo de aire

5 Medidor de Flujo de CO2

6 Manómetros diferenciales

7 Gabinete de control

8 Tanque de agua

9 Bombas de agua

5. Instrumentación de la Columna


Donde: 1 Manómetro de la columna

2 Válvula para regular el flujo de agua

3 Medidor de flujo de CO2


5 Válvula para regular el Flujo de CO2

6 Válvula para regular el flujo de aire.

7 Medidor de flujo de agua

8 Manómetro diferencial de la sección inferior de la columna

9 Manómetro diferencial de la sección superior de la columna

10 Conexión del fondo de la columna

11 Conexión del centro de la columna

12 Conexión del domo de la columna

6. Diagrama de Flujo del Proceso

Donde: 1 Columna empacada

2 Tanque de agua


3 Bomba de alimentación de agua

4 Medidor y válvula para regular el flujo de agua

5 Compresor


7 Válvula para regular el flujo de aire

8 Medidor de flujo de CO2

9 Válvula para regular el flujo de CO2

10 Tanque externo de alimentación de CO2

11 Filtro de aire

12 Unidad de medición de presión diferencial

13 Bomba de recirculación de agua

14 Válvula para regular la presión de la columna

15 Válvula para regular el nivel de agua en la columna

Análisis y Presentación de Resultados

Temperatura = Entrada

Presión man = Volumen muestra =

Flujo de agua = Volumen CO2 =

Flujo de aire = Salida

Flujo de CO2 = Volumen muestra =

Volumen CO2 =


Notas para los Alumnos 1. El reporte final de la práctica deberá ser entregado a máquina o en procesador de

textos (PC) sin excepción.

2. Las prácticas impresas solo sirven de guía y referencia.

3. No se aceptan copias fotostáticas del reporte final.

4. La entrega del reporte final de la práctica es por alumno.

Conclusiones del Aprendizaje

Recursos Bibliográficos Geankoplis, Christie J. Procesos de transporte y operaciones unitarias. CECSA. 1998.

Foust, Alan S.; Wenzel, Leonard A.; Clump, Curtis W. Principios de operaciones

unitarias. CECSA. 1987.

Hines; Maddox. Fundamentos de transferencia de masa. Prentice-Hall. 1991.

McCabe, Warren L.; Smith, Julian C.; Harriot, Peter. Operaciones unitarias en

ingeniería química. McGraw-Hill. 2002.

Holland, Charles Donald. Fundamentals of multicomponent distillation. McGraw-Hill.

1981.

Treybal, Robert E. Operaciones de transferencia de masa. McGraw-Hill. 1988.

Ludwing, Ernest. Applied process for chemical engineering design. Gulf. 1980.

Hougen, O. A.; Watson, K. M.; Ragatz, R. A. Principios de los procesos químicos,

parte 2, termodinámica. Reverté. 1982.

prác. 2 balance de materia de la torre de absorción

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