4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
4.5. Práctica 3: Absorción de dióxido de carbono en una columna de relleno
Introducción
El objetivo de esta práctica es determinar qué cantidad de dióxido de carbono es capaz de absorber la planta piloto a partir de una corriente gases donde habrá una mezcla de CO2 y aire, mediante un líquido extractor que en este caso será el agua.
Para poder determinar cuál es la cantidad de dióxido de carbono que se absorbe con el agua hay que saber qué cantidad de CO2 tiene el agua a la salida de la columna. Por este motivo se realiza un balance de materia.
Para realizar un Balance de Materia:
Estos balances servirán para determinar cuál es la cantidad de dióxido de carbono que se absorbe a la columna mediante el agua. Los pasos a seguir son los siguientes:
1) Esquema.
Figura 7.5: Esquema de la absorción.
Donde:
X1: Fracción molar del CO2 en la salida del líquido.
X0: Fracción molar del CO2 en la entrada del líquido (se considera que es zero).
Y1: Fracción molar del CO2 en la salida del gas.
Y0: Fracción molar del CO2 en la entrada del gas.
2) Es necesario saber cuáles son las pérdidas de presión que se producen en cada caudal de agua, trabajando con los diferentes caudales de aire, con las unidades de atmósferas.
Hay que tener en cuenta con la presión relativa total en la que se está trabajando en todo momento, ésta es la que viene marcada por el manómetro tipo Bourdon. Este aparato hace las lecturas con las unidades de bares, por lo que habrá que hacer un cambio de unidades a atmósferas.
Teniendo en cuenta que la presión que marca el manómetro es la presión relativa, hay que expresarla como presión absoluta. Para ello hay que mirar cuál es la presión atmosférica que hay dentro del laboratorio, mediante un barómetro y hacer el cambio de unidades de milímetros de mercurio (mmHg) en atmósferas (atm).
Por lo tanto tenemos:
La presión absoluta se podrá considerar la presión de entrada a la columna y tendrá el nombre de P1, ya que esta presión en el equipo se mide en el punto de unión del dióxido de carbono con el aire.
Así se puede decir:
como el valor de la dp es conocido y el valor de la P1 también, entonces se puede obtener el valor de la P2.
Por último se podrá obtener los valores de la presión media que es:
3) Encontrar la densidad del dióxido de carbono.
Para encontrar la densidad hay que tener en cuenta la presión media anteriormente encuentro y con la temperatura la que se está trabajando dentro de la columna. Con estos dos parámetros y con la tabla 7.6 se puede hacer una interpolación para encontrar la densidad del CO2.
Taula 7.6: Densidad del CO2 (kg/m3) en función de la presión y la temperatura.
Fuente: Manual de experimentos de la planta piloto.
Hay que tener en cuenta las unidades de la tabla, que son con grados centígrados por la temperatura y bares por la presión. Interpolando se obtiene el valor de ρCO2 en kg/m3
4) Encontrar la densidad del agua.
Para encontrar la densidad del agua es necesario consultar la tabla 7.7, hay que saber a qué temperatura está trabajando y directamente se obtiene la ρaigua con las unidades son g/ml. Donde habrá que hacer el cambio de unidades a kg/m3.
Taula 7.7: Densidad del agua en función de la temperatura.
Fuente: CRC, Handbook of chemistry and physics.
5) Encontrar la densidad del aire.
La densidad del aire se encuentra mediante la tabla 8.7. donde depende de la presión y la temperatura, de modo que haciendo una interpolación se obtiene el valor de la ρaire, en unidades de kg/m3.
Taula 7.8: Densidad del aire (kg/m3) en función de la presión y la temperatura.
Font: CRC, Handbook of chemistry and physics.
6) Masa molar de cada componente.
Hay que calcular cuál es la masa molar de cada componente:
MMCO2, MMaire y la MMaigua.
7) Conversión de todos los caudales volumétricos a caudales molares, para agilizar los cálculos posteriores.
Para realizar la conversión de los caudales necesarios las densidades y las masas molares de cada componente encuentros anteriormente.
Y calcular el caudal de gas total a la entrada de la columna (kmol/min).
8) Relaciones molares entrada ya la salida de la columna.
Como al inicio del experimento se ha determinado, con el aparato de medida Oxybaby, cuál es la cantidad inicial de dióxido de carbono que hay a la entrada de la columna y posteriormente se ha medido la cantidad que se ha absorbido, se pueden encontrar las relaciones molares de entrada y salida de la columna.
10) Caudal molar que pasa de la fase gas a la fase líquida.
Con los valores de las relaciones molares y el caudal molar de la entrada del gas se obtiene el caudal molar que pasa de la fase gas a la fase líquida (kmol/min).
Donde:
y0: Fracción molar del CO2 en la entrada (moles CO2/moles totales).
y1: Fracción molar del CO2 a la salida (moles CO2/moles totales).
11) Caudal de salida del dióxido de carbono.
Con todos los datos anteriores de los caudales de aire, de dióxido de carbono y con el caudal molar que pasa de la fase gas a la fase líquida, se puede calcular cuál es el valor del caudal de salida del CO2 (kmol / min).
12) Caudal del líquido en la salida.
13) Relación molar del dióxido de carbono del líquido a la salida (kmoles CO2/kmoles H2O).
14) Fracción molar del gas en el agua a la salida (kmoles de CO2/kmoles totales):
Material
- Planta piloto de absorción de gases.
- Aparato de medida Oxybaby.
- Bombona de dióxido de carbono.
Procedimiento
- Ponemos en marcha el aparato abriendo el interruptor principal (2) (asegurarse de que el interruptor de emergencia (1) no está accionado).
- Cerrar la válvula de ajuste por el nivel de capacidad de la columna (3).
- Abrir por completo la válvula de ajuste por el caudal de aire (8) y la válvula de ajuste de presión (11).
- Conectar la bomba de impulsión de agua de la columna a partir del doble pulsador (5) y ajustar el caudal de agua a 100 l/h.
- Poner en funcionamiento el doble pulsador del compresor (4) y ajustar el caudal de aire, con la válvula de ajuste del caudal de aire (16), a 30 l/min.
- Conectar la bombona de dióxido de carbono, y regular el caudal de CO2 con su válvula de ajuste (7).
- Ajustar el nivel de la columna, con la válvula de ajuste del nivel de la columna (3), de manera que el nivel se mantenga constante, al nivel marcado.
Figura 4.27: Caja de distribución y válvula de ajustamiento del nivel de la columna.
1- Interruptor de emergencia.
2- Interruptor principal.
3- Válvula de ajuste por el nivel de capacidad de la columna.
4- Doble pulsador del compresor.
5- Doble pulsador de la bomba 1.
Figura 4.28: Nivel óptimo de la columna.
Figura 4.29: Válvula de apertura y cierre de la bombona de CO2 .
- Inicialmente fijar el caudal de agua a 100 l/h con la válvula de ajuste de agua (8).
- A continuación hay que regular el caudal de aire a 30 l/min, con la válvula de ajuste del aire (15).
- Por el primer experimento se regulará el caudal del dióxido de carbono con su válvula de regulación (6) a 4 l/min y el segundo experimento hay que regularlo a 5 l/min.
- Una vez definidos estos parámetros es necesario mantener constante el nivel del fondo de la columna. Para regularlo se puede hacer a partir de la válvula del nivel de la columna (3) o con la válvula de control de la presión de la columna (10).
- Para que se estabilice el aparato, hay que esperar unos 10 minutos aproximadamente antes de hacer ninguna lectura.
- Una vez estabilizado el aparato, inicialmente se realizará la lectura de los manómetros tubulares y apuntar la diferencia de presión. a continuación realizar las medidas de la concentración del dióxido de carbono con el Oxybaby, los tres puntos de medida.
- Aumentar el caudal del aire 10 l/min cada vez hasta un caudal de 60 l/min de aire, y hacer el mismo procedimiento, primero realizar la lectura de las pérdidas de presión y después las medidas con el Oxybaby .
- Realizar el mismo experimento aumentando el caudal de agua a 150 l/h.
- Se deben realizar todos los experimentos por triplicado.
- Una vez realizada la práctica, cerramos la válvula de suministro de dióxido de carbono de la bombona.
- Desconectar la bomba primero con el doble pulsador (5). Y esperar que baje toda el agua de la columna.
- Desconectar el compresor con el doble pulsador (4).
- Desconectar el conjunto de la instalación con el interruptor principal (2).
Figura 4.30: Panel de elementos.
6- Válvula de ajuste del CO2.
7- Manómetro tipo Bourdon.
8- Válvula de ajuste agua.
9- Punto de muestreo 3.
10- Válvula de ajuste de la presión de la columna.
11- Silenciador, salida de aire.
12- Tubo de goma para hacer la lectura del punto de muestreo 2.
13- Caudalímetro de dióxido de carbono.
14- Caudalímetro de aire.
15- Válvula de ajuste del aire.
16- Termómetro del agua.
17- Caudalímetro de agua.
A continuación se muestra el video de cómo hacer la práctica:
Cuestiones:
1) ¿En qué consiste la técnica industrial de separación de absorción de gases?
2) ¿¿Qué es una columna de platos? ¿ Y una de relleno? ¿Qué diferencia hay entre una y otro?
3) ¿Para que sirve un cabalímetro? ¿Y un manómetro?
4) ¿Cuál es la solubilidad del CO2 en el agua?
5) A partir de las absorciones obtenidas hay que rellenar la tabla siguiente para cada una de las experiencias realizadas:
Taula 7.9: Ejemplo de una tabla de resultados experimentales.
Lagua |
Gaire (l/min) |
GCO2(l/min) |
dp1 |
dp2 |
Plaboratorio |
Prelativa (bars) |
PUNTO 1 (%CO2) |
PUNTO 2 (%CO2) |
PUNTO 3 (%CO2) |
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6) Graficar los diferentes valor obtenidos. En el primer gráfico se debe representar como efecto del agua en los diferentes caudales de aire (eje ordenadas, el tanto por ciento de CO2, y abscisas los caudales de agua, manteniendo constante los caudales de aire) y en el segundo gráfico se debe representar como efecto del aire en los diferentes caudales de agua (eje ordenadas, el tanto por ciento de CO2, y abscisas los caudales de aire, manteniendo constante los caudales de agua).
7) Comentar los resultados obtenidos. ¿Cuáles son las mejores condiciones de trabajo para la columna?
8) Realiza los diferentes balances de materia por cada valor obtenido y calcula el contenido de dióxido de carbono que tiene el agua a la salida de la columna.