ABSORCIÓN DE CO2 EN COLUMNA EMPACADA
PROBLEMA
Se desea absorber el 50% de CO2 de una corriente gaseosa aire-CO2 en una columna empacada con anillos raschig. Para la operación se utilizará monoetanolamina (MEA) al 15% en peso. Calcular:
• El flujo de solución de MEA en L/h que logre esta separación
•
El coeficiente de transferencia de masa global KG.FUNDAMENTO TEORICO
La separación de productos a partir de mezclas de componentes, es una de las operaciones unitarias más comunes en los procesos químicos industriales. Muchas de las operaciones de separación son de tipo difusional de contacto de fase tales como la adsorción y la destilación.
Para llevar a cabo estas operaciones se requiere de un aparato cilíndrico vertical llamado columna; este aparato contiene dispositivos internos para efectuar el contacto gas-liquido.
Los equipos que se utilizan para promover el contacto de una corriente gaseosa con una líquida de manera continua pueden ser: Una torre empacada, cuyo material de empaque puede ser un sólido regular o irregular; una columna de platos que contenga varios platos perforados o de burbuja y tapón; una torre o cámara vacía, donde se rocía el líquido, una columna de paredes húmedas o un recipiente con agitación o rocío. En estos equipos generalmente, las corrientes de gas y líquido entran a contracorriente a través del equipo para obtener la velocidad máxima de absorción.
Los 3 pasos principales en el diseño de una torre de absorción son:
•
Los datos de relaciones de equilibrio vapor-liquido del sistema se utilizan para determinar: La cantidad de líquido necesaria para absorber la cantidad requerida de los componentes volátiles de un líquido. La cantidad de gas necesaria para separar la cantidad requerida de los componentes volátiles de un líquido.• Los datos de la capacidad de manejo de vapor y líquido de un equipo considerado se utilizan para determinar el área de la sección transversal requerida y el diámetro del equipo a través del cual van a fluir las corriente liquida y gaseosa.
• Los datos de equilibrio y los balances de materia se utilizan para determinar el número de etapas de equilibrio requeridas para la separación.
La velocidad de absorción depende del área de transferencia, como todos los procesos de transferencia de masa, así como del gradiente de concentraciones y del coeficiente de transferencia de masa.
La solubilidad de un gas en un líquido disminuye al aumentar la temperatura; pues es directamente proporcional a la presión parcial del gas sobre el líquido. Si la presión se reduce a la mitad, entonces la solubilidad
del gas también se reduce a la mitad lo que produce el escape de éste, del líquido.
DESCRIPCION DEL PROCESO
Durante este experimento se alimento un flujo de aire del 20% en la escala, se utilizó una corriente de CO2 con un flujo de 35mm, y un flujo variable de solución de MEA de 5, 7 y 9 L/h, antes de iniciar el proceso se verifico la normalidad de la solución de MEA (15%) realizando una titulación con HCl 1N.
Una vez que se inició el proceso se determinó la composición de la corriente gaseosa por cromatografía a la entrada y a la salida; para cada flujo de MEA en la alimentación. Se tomaron muestras líquidas con el objetivo de conocer la normalidad de la solución líquida a la salida
RESULTADOS
Flujo aire= 20 % Flujo CO2= 35 mm
Tabla de resultados experimentales, obtenidos en el cromatografo:
Flujo: 5 L/h 7 L/h 9L/h
Entrada Salida Salida Salida
aire CO2 aire CO2 aire CO2 aire CO2
Primera 78,09905 21,90095 87,2697 12,7303 90,72816 9,27184 92,6585 7,3415 segunda 76,99088 23,00912 86,96336 13,03664 91,58989 8,41011 92,15 7,85 tercera 76,42601 23,57399 90,65274 9,34726 92,63424 7,36576 promedio 77,17198 22,82802 87,11653 12,88347 90,9902633 9,00973667 92,4809133 7,51908667 Tabla de cálculos: F. de agua(L/h) L’(F de agua) G’(F de
aire) y moles de CO2
y moles de
CO2 Y1 Y2
(Kg
mol/h) (Kg mol/h) entrada salida
5 0,27869 0,06146 0,16315 0,08881 0,19496 0,09747 6 0,33443 0,06146 0,16315 0,06126 0,19496 0,06526 7 0,39017 0,06146 0,16315 0,05086 0,19496 0,05359 Cantidad de CO2 absorbido:
F. de
agua(L/h) (F de CO2) (F de CO2)Sal C02 Absorbido
(Kg mol/h) (Kg mol/h) 5 0,01198 0,00599 49,99467 6 0,01198 0,00401 33,47407 7 0,01198 0,00329 27,48555 Pendientes de operación: F. de
agua(L/h) L'/G' X2= Xmax= (L/G)min (L/G)operación
5 4,53422 0,02150 0,03250 2,99976 4,49964 6 5,44106 0,02384 0,03250 3,99081 5,98622 7 6,34791 0,02227 0,03250 4,35006 6,52509
ECUACIONES
Balance de materia global 2
2 1
1 G L G
Balance de CO2 (1) − − = − = − 2 1 1 2 1 2 2 1 ' ' ) ( ' ) ( ' x x y y G L y y G x x L (2)
Para el flujo de aire:
y = 0.0139x - 0.2417, donde y= % aire, x=L/h de aire (3) Flujo de aire para condiciones de laboratorio
(4)
Flujos molares para el agua y el aire a la entrada:
h
K gm ol
kg
kgm ol
m
K g
m
L
h
L
L
h
K gm ol
kg
K gm ol
G
G
A G U A agua A IRE m Kg AIR E h m=
=
=
=
18
1
*
*
1000
5
29
1
*
*
'
3 3 3 3ρ
ρ
(5 y 6)(7)
AIRE CO CO T i CO PM PM PM m m y 7717 . 0 2283 . 0 2283 . 0 2 2 2 + = = 2 2 2 2 1 1 1 1x G y L x G y L + = + 15 . 293 15 . 298 771 . 0 1 / : 2 1 2 1 3 2 1 2 1 1 2 = = = = = = T K T atm P atm P h m V Donde P T T V P V1 1 2 1 2 2 2 2 2 2 1 * ) ( 1 1 L G Y Y X salida y salida y Y entrada y entrada y Y CO CO CO CO − = − = − = (8, 9 y 10) (11 y 12)
