Práctica de laboratorio. ABSORCIÓN FÍSICA
Objetivo:
Estudiar el fenómeno de transferencia de masa por absorción física
de una mezcla gaseosa en agua.
Consideraciones teóricas:
La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla
gaseosa se pone en contacto con un líquido, a fin de disolver de manera
selectiva uno o más componentes del gas y de obtener una solución de
estos en el líquido.
Cuando la transferencia de masa ocurre en la dirección opuesta, es
decir, del líquido al gas, la operación se conoce como desorción. Los
principios de la absorción y desorción son básicamente los mismos así
que las dos operaciones pueden estudiarse al mismo tiempo y sólo se
utilizan para la recuperación o eliminación del soluto.
La rapidez con la cual se disuelve un componente gaseoso de una
mezcla en un líquido absorbente depende de la desviación del equilibrio
que existe; por lo tanto, es necesario considerar las características en el
equilibrio de los sistemas gaseosos. La concentración resultante del gas
disuelto en el líquido recibe el nombre de solubilidad del gas a la
temperatura y presión predominante. A una temperatura dada, la
solubilidad aumentará con la presión. En la mayoría de los casos, la
solubilidad de un gas decrece al aumentar la temperatura. Gases y
líquidos diferentes presentan curvas de solubilidad distintas, las cuales
por lo general se determinan experimentalmente.
Si el propósito principal de la operación de absorción es producir
una solución específica, el solvente es especificado por la naturaleza del
producto final. Si el propósito es eliminar algún componente del gas, casi
siempre existe la posibilidad de elección. Por supuesto, el agua es el
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disolvente más barato y más completo, pero deben considerarse las
siguientes propiedades:
● Solubilidad del gas: Esta debe ser elevada a fin de aumentar la rapidez
de absorción y disminuir la cantidad requerida del solvente. En general,
los disolventes de naturaleza química similar a la del soluto que se va a
absorber proporcionan una buena solubilidad.
● Volatilidad: Debe tener una presión de vapor baja, puesto que
generalmente el gas saliente en una operación de absorción está
saturado con el solvente y en consecuencia, puede perderse una gran
cantidad.
● Corrosión: Los materiales de construcción que se necesitan para el
equipo no deben ser costosos y preferiblemente de material inerte.
● Varios: Se prefiere que sea económico y de fácil obtención; de baja
viscosidad
para
una
mejor
rapidez
de
absorción,
mejores
características de inundación, bajas caídas de presión en el bombeo y
buenas características de transferencia de calor; debe ser no tóxicos y
ser estable químicamente.
Muchos procesos industriales de absorción van acompañados de
una reacción química. Es especialmente común la reacción en el líquido
del componente absorbido y de un reactivo en el líquido absorbente.
Algunas veces, tanto el reactivo como el producto de reacción son
solubles. La reacción entre el soluto absorbido y un reactivo produce dos
hechos favorables a la rapidez de absorción: (1) la destrucción del soluto
adsorbido al formar un compuesto reduce la presión parcial en el
equilibrio del soluto y, en consecuencia, aumenta la diferencia de
concentración entre el gas y la interface y por lo tanto la rapidez de
absorción; (2) el coeficiente de transferencia de masa de la fase líquida
aumenta en magnitud, lo cual también contribuye a incrementar la rapidez
de absorción.
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Descripción del equipo:
El equipo consiste en una torre de vidrio de 6 pulgadas de diámetro
y 2,5 metros de altura, con relleno de anillos Raschig de ⅝ de pulgadas
que ocupan alrededor del 30% del volumen de la torre. Dispone de un
tanque para almacenamiento de agua de 500 litros de capacidad y una
bomba centrífuga de ½ HP para la alimentación del solvente al tope de la
unidad. El sistema de alimentación de gas consiste en un compresor de
aire y una bombona de dióxido de carbono. Mediante el uso de rotámetros
se hace la mezcla volumétrica del gas soluto con aire, para ser
introducido a través de un dispersor por el fondo de la torre.
El equipo encargado de la refrigeración consiste en un compresor,
un condensador, un elemento de expansión y un evaporador de 1,5 HP
de potencia. El evaporador se encuentra sumergido dentro del tanque
para absorber el calor del agua, de esta manera se genera la
transferencia de calor necesaria para obtener agua fría.
Además, el
sistema de refrigeración cuenta con un presostato que protege al
evaporador de un posible congelamiento.
En la figura 1 se puede observar el diagrama de flujo del proceso; a
su vez, en la tabla 1 se encuentra la leyenda de los elementos que
conforman al sistema.
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Figura 1. Diagrama de flujo del proceso.
Fuente: Forero y González (2019).
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Tabla 1. Leyenda de los equipos que conforman al sistema.
Bomba centrífuga
Tanque para el almacenamiento
del agua
Válvula de compuerta (van
acompañadas del número que la
identifica)
Tuberías
Sentido del flujo de agua dentro de
las tuberías
Rotámetro
Torre de absorción por empaques
Contenedor de dióxido de carbono
(
)
Compresor de aire
Sistema de refrigeración
Fuente: Forero y González (2019)
Para proceder con el enfriamiento del agua de manera efectiva, es
necesario conocer que existen dos configuraciones del sistema para
recircular el líquido. Estas cambian el sentido en el que el agua fluye por
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las tuberías y por la torre de absorción de empaques para asegurar un
intercambio de calor uniforme.
La primera configuración, denominada tipo “A”, se enfoca en
recircular el agua dentro del sistema de tal manera que la temperatura del
agua alcance el estado estacionario tanto en la torre de empaques, como
en el tanque para el almacenamiento del agua. De esta forma se
disminuye el gradiente de temperaturas en el sistema. El diagrama de
flujo para esta configuración puede ser observado en la figura 2 en donde
los números negros identifican las válvulas que deben permanecer
cerradas y los números azules identifican las válvulas deben permanecer
abiertas para lograr esta configuración. El agua fluye desde el fondo de la
torre y se devuelve al tanque por el tope.
Figura 2. Diagrama de flujo para la configuración tipo “A”.
Fuente: Forero y González (2019).
La segunda configuración se enfoca en permitir que el agua dentro
de la torre de empaques se desplace en contracorriente con la mezcla de
gas que es suministrada durante la práctica. Por otra parte, con dicha
configuración, es posible regular el caudal de agua que es suministrado a
la torre de absorción mediante válvulas. De igual manera ocurre con el
caudal de agua que sale de la torre. Ambos caudales deben ser iguales
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de tal manera que el nivel de agua dentro de la torre se mantenga estable
a lo largo de la práctica. A su vez, el resto del agua que suministra la
bomba es re direccionado de vuelta al tanque para continuar garantizando
que la temperatura del agua se mantenga estable. El diagrama de flujo
para esta configuración puede ser observado en la figura 3 en donde los
números negros identifican las válvulas que deben permanecer cerradas y
los números azules identifican las válvulas deben permanecer abiertas
para lograr esta configuración, denominada tipo “B”.
Figura 4. Diagrama de flujo para la configuración tipo “B”.
Fuente: Forero y González (2019).
Por otro lado, se encuentra el sistema que suministra los gases a la
torre de empaques para poder realizar la práctica de absorción física.
Consiste en un sistema de rotámetros, manómetros, válvulas y tuberías
que combinan aire comprimido y dióxido de carbono para luego enviar
esta mezcla en contracorriente con el agua que fluye por la torre. Un
diagrama de este sistema puede ser encontrado en la figura 5 y la
descripción de los elementos que lo conforman puede ser encontrada en
la tabla 2.
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Figura 5. Diagrama de flujo para el sistema de suministro de gases.
Fuente: Forero y González (2019).
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Tabla 2. Leyenda de la figura 5.
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Contenedor de dióxido de carbono (
2
Válvula del contenedor
3
Manómetro presión interna contenedor
4
Válvula reguladora
5
Manómetro presión de salida del gas
6
Válvula de seguridad
)
7
Rotámetro para el dióxido de carbono (
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Válvula del rotámetro para el dióxido de carbono (
)
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Compresor de aire
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Manómetro descarga del compresor de aire
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Manómetro succión del compresor de aire
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Rotámetro para el compresor de aire
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Válvula micrométrica
Fuente: Forero y González (2019).
De igual forma existe un controlador principal con los interruptores
para suministrar corriente a los distintos artefactos que son utilizados
durante la práctica de absorción física, el cual puede ser observado en la
figura 6.
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)
Figura 6. Fotografía del controlador principal.
Fuente: Forero y González (2019).
Es importante destacar que las temperaturas leídas por los
termopares que se observan en el controlador principal se ven sujetas a
desviaciones. Por lo tanto, para conocer el valor real es necesario utilizar
las curvas de calibración en los anexos.
MÉTODO EXPERIMENTAL
1) Asegúrese que la válvula 1 esté cerrada y proceda a llenar el tanque de
agua hasta alcanzar la marca indicada (180 cm de altura). También
debe comprobar que la válvula de paso micrométrica de entrada de gas
a la torre (válvula 8) esté cerrada.
2) En este momento debe hacer circular el agua por las tuberías con la
configuración tipo “A”, para ello es necesario que abra las válvulas 3 y
6, luego abra la válvula 1. Asegúrese que las válvulas 2, 4, 5, 7 y 8 se
encuentren cerradas.
3) Ahora diríjase al controlador principal y encienda el interruptor principal
junto con los interruptores del compresor y de la bomba. Vigile el
arranque de la unidad. Anote todas las observaciones pertinentes. No
abandone la unidad en ningún momento.
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4) La temperatura del agua comenzará a disminuir, por lo tanto, se debe
tomar nota de las temperaturas que indican los termopares cada 10
minutos y con un termómetro de mercurio medir la temperatura a la
salida de la torre, para ello se debe abrir la válvula 7 y una vez tomada
la temperatura se vuelve a cerrar la válvula 7.
5) Luego de que la temperatura a la salida de la torre alcance el estado
estacionario, se procede a cambiar la configuración del sistema a la
tipo “B”. Para ello es necesario abrir las válvulas 4 y 5 completamente,
ahora debe cerrar la válvula 3 y la válvula 6 para luego cerrar
gradualmente la válvula 4 hasta que el rotámetro indique el caudal
sugerido por su profesor. Cuando el nivel del agua cubra el relleno, a
efectos de asegurar que el lecho empacado esté completamente
sumergido, proceda a abrir la válvula 7.
6) Con la ayuda de un cronómetro y un recipiente graduado, gradúe el
flujo de agua saliente de modo que sea equivalente al flujo de agua
alimentado a la torre.
7) Espere hasta que la temperatura del sistema esté estable nuevamente
para tomar una muestra del producto líquido del fondo, del cual
determinará la concentración del gas soluto inicial por titulación ácidobase. Realizar por triplicado cada 5 minutos.
8) Con la ayuda de su profesor, permita el paso de los flujos de gas
procedente del compresor y la bombona. Establezca con los rotámetros
correspondientes la relación volumétrica soluto/aire a alimentar.
9) Una vez iniciado el paso de los gases al sistema, comienza el tiempo
de operación, realice la toma de muestras cada 5 minutos durante el
tiempo que le indique su profesor y proceda a la determinación de gas
soluto en el líquido del fondo por titulación ácido-base.
10) Mida el caudal del líquido a la salida varias veces durante la operación
y asegúrese que sea equivalente al caudal de líquido a la entrada.
Vigile los rotámetros y los manómetros y ajustelos en los casos de ser
necesario.
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11) Al finalizar la experiencia, debe apagar el interruptor de la bomba y de
la unidad de refrigeración, cerrar el flujo de dióxido de carbono y cerrar
la válvula 1 estrictamente en ese orden. A su vez, debe abrir
completamente la válvula 7 para permitir la descarga total del agua.
Luego de que la torre se encuentre vacía debe apagar el compresor de
aire y debe cerrar la válvula micrométrica que permite la entrada de los
gases (válvula 8). Por último, apague el interruptor principal del
controlador.
Titulación ácido-base
Para recolectar las muestras utilice fiolas con tapas de manera de
reducir las pérdidas del dióxido de carbono absorbido en la solución;
además, mantenga la fiola en un baño de agua fría para mantener la
temperatura de la muestra. Proceda a tomar una alícuota conocida de la
solución a analizar, viértala en una fiola pequeña, agregue dos o tres
gotas del indicador, coloque en el agitador magnético y anote la cantidad
de base gastada en la titulación. Al tratarse de concentraciones de dióxido
de carbono tan bajas se recomienda utilizar cuidadosamente la bureta.
Además, recuerde utilizar el agitador en velocidad baja, de lo contrario el
resultado obtenido podría verse alterado.
REPORTE DE RESULTADOS
Utilizando los datos de la práctica (Gs, G1, y1, L2, L1, x1, y2) calcular:
1. Porcentaje de gas soluto recuperado
2. Caudal mínimo de agua a utilizar (L/min)
3. Resistencia de la transferencia de masa
4. Caudal de gas de inundación
5. Número de etapas, en caso de que fuese posible. Justifique
su respuesta.
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BIBLIOGRAFÍA
Forero, G. y González, M. (2019). Aumento de la eficiencia de una torre
de absorción en las instalaciones de la Universidad Metropolitana,
incorporando un sistema de refrigeración. Universidad Metropolitana.
Anexos de la práctica
Figura 7. Calibración termopar salida tanque.
Fuente: Forero y González (2019).
Figura 8. Calibración termopar entrada torre.
Fuente: Forero y González (2019).
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REPORTE DE DATOS
Componente
Caudal (l/min)
Presión (psi)
Aire
Concentración NaOH (M)
Alícuota
(ml)
Relación volumétrica gas soluto/aire en
alimentación
Fracción volumétrica en la alimentación
Cantidad de soluto en el líquido de salida a partir de la titulación ácidobase:
Temperatura
(ºC)
Tiempo (min) Volumen gastado (ml)
Entrada
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Salida
OBSERVACIONES:
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