4. PROCEDIMENT EXPERIMENTAL
4.5. Pràctica 3: Absorció de diòxid de carboni en una columna de rebliment
Introducció
L’objectiu d’aquesta pràctica és determinar quina quantitat de diòxid de carboni és capaç d’absorbir la planta pilot a partir d’un corrent gasós on hi haurà una barreja de CO2 i aire, mitjançant un líquid extractor que en aquest cas serà l’aigua.
Per tal de poder determinar quina és la quantitat de diòxid de carboni que s’absorbeix amb l’aigua cal saber quina quantitat de CO2 té l’aigua a la sortida de la columna. Per aquest motiu es realitza un balanç de matèria.
Per realitzar un Balanç de Matèria:
Aquests balanços serviran per determinar quina és la quantitat de diòxid de carboni que s’absorbeix a la columna mitjançant l’aigua. Els passos a seguir són els següents:
1) Esquema.
Figura 7.5: Esquema de l’absorció.
On:
X1: Fracció molar del CO2 a la sortida del líquid.
X0: Fracció molar del CO2 a l’entrada del líquid (es considera que es zero).
Y1: Fracció molar del CO2 a la sortida del gas.
Y0: Fracció molar del CO2 a l’entrada del gas.
2) És necessari saber quines són les pèrdues de pressió que es produeixen en cada cabal d’aigua, treballant amb els diferents cabals d’aire, amb les unitats d’atmosferes.
S’ha de tenir en compte amb la pressió relativa total en la que s’està treballant en tot moment, aquesta és la que ve marcada pel manòmetre tipus Bourdon. Aquest aparell fa les lectures amb les unitats de bars, per aquest motiu caldrà fer un canvi d’unitats a atmosferes.
Tenint en compte que la pressió que marca el manòmetre és la pressió relativa, cal expressar-la com a pressió absoluta. Per fer-ho s’ha de mirar quina és la pressió atmosfèrica que hi ha dins del laboratori, mitjançant un baròmetre i fer el canvi d’unitats de mil•límetres de mercuri (mmHg) a atmosferes (atm).
Per tant tenim:
La pressió absoluta es podrà considerar la pressió d’entrada a la columna i tindrà el nom de P1; ja que aquesta pressió en l’equip es mesura en el punt d’unió del diòxid de carboni amb l’aire.
Així es pot dir:
com que el valor de la dp és conegut i el valor de la P1 també, llavors es pot obtenir el valor de la P2.
Per últim es podrà obtenir els valors de la pressió mitjana que és:
3) Trobar la densitat del diòxid de carboni.
Per trobar la densitat cal tenir en compte la pressió mitjana anteriorment trobada i amb la temperatura a la qual s’està treballant dins la columna. Amb aquests dos paràmetres i amb la taula 7.6 es pot fer una interpolació per trobar la densitat del CO2.
Taula 7.6: Densitat del CO2 (kg/m3) en funció de la pressió i la temperatura
Font: Manual d’experiments de la planta pilot
Cal tenir en compte les unitats de la taula, que són amb graus centígrads per a la temperatura i bars per a la pressió. Interpolant s’obté el valor de ρCO2 en kg/m3.
4) Trobar la densitat de l’aigua.
Per trobar la densitat de l’aigua cal consultar la taula 7.7, cal saber a quina temperatura s’està treballant i directament s’obté la ρaigua on les unitats són g/ml. On caldrà fer el canvi d’unitats a kg/m3.
Taula 7.7: Densitat de l’aigua en funció de la temperatura.
Font: CRC, Handbook of chemistry and physics.
5)Trobar la densitat de l’aire.
La densitat de l’aire es troba mitjançant la taula 7.8. on depèn de la pressió i la temperatura, de manera que fent una interpolació s’obté el valor de la ρaire, en unitats de kg/m3 .
Taula 7.8: Densitat de l’aire (kg/m3) en funció de la pressió i la temperatura.
Font: CRC, Handbook of chemistry and physics.
6) Massa molar de cada component.
S’ha de calcular quina és la massa molar de cada component :
MMCO2 , MMaire i la MMaigua.
7) Conversió de tots els cabals volumètrics a cabals molars, per tal d’agilitzar els càlculs posteriors.
Per realitzar la conversió dels cabals fan falta les densitats i les masses molars de cada component trobades anteriorment.
I calcular el cabal de gas total a l’entrada de la columna (kmol/min).
8) Relacions molars a l’entrada i a la sortida de la columna.
Com que a l’inici de l’experiment s’ha determinat, amb l’aparell de mesura Oxybaby, quina és la quantitat inicial de diòxid de carboni que hi ha a l’entrada de la columna i posteriorment s’ha mesurat la quantitat que s’ha absorbit, es poden trobar les relacions molars d’entrada i de sortida de la columna.
10) Cabal molar que passa de la fase gas a la fase líquida.
Amb els valors de les relacions molars i el cabal molar de l’entrada del gas s’obté el cabal molar que passa de la fase gas a la fase líquida (kmol/min).
On:
y0: Fracció molar del CO2 a l’entrada (mols CO2/mols totals).
y1: Fracció molar del CO2 a la sortida (mols CO2/mols totals).
11) Cabal de sortida del diòxid de carboni.
Amb totes les dades anteriors dels cabals d’aire, de diòxid de carboni i amb el cabal molar que passa de la fase gas a la fase líquida, es pot calcular quin és el valor del cabal de sortida del CO2 (kmol/min).
12) Cabal del líquid a la sortida.
13) Relació molar del diòxid de carboni del líquid a la sortida (kmol CO2/kmol H2O).
14) Fracció molar del gas en l’aigua a la sortida (kmols de CO2/kmols totals):
Material
- Planta pilot d’absorció de gasos.
- Aparell de mesura Oxybaby.
- Bombona de diòxid de carboni.
Procediment
- Engeguem l'aparell obrint l’interruptor principal (2) (assegurar-se de que l’interruptor d’emergència (1) no està accionat).
- Tancar la vàlvula d’ajustament pel nivell de capacitat de la columna (3).
- Obrir del tot la vàlvula d’ajustament pel cabal d’aire (8) i la vàlvula d’ajustament de pressió (11).
- Connectar la bomba d’impulsió d’aigua de la columna a partir del doble polsador (5) i ajustar el cabal d’aigua a 100 l/h.
- Posar en funcionament el doble polsador del compressor (4) i ajustar el cabal d’aire, amb la vàlvula d’ajustament del cabal d’aire (16), a 30 l/min.
- Connectar la bombona de diòxid de carboni , i regular el cabal de CO2 amb la seva vàlvula d’ajustament (7).
- Ajustar el nivell de la columna, amb la vàlvula d’ajustament del nivell de la columna (3), de manera que el nivell es mantingui constant; al nivell marcat.
Figura 4.27: Caixa de distribució i vàlvula d’ajustament del nivell de la columna.
1- Interruptor d’emergència.
2- Interruptor principal.
3- Vàlvula d’ajustament pel nivell de capacitat de la columna.
4- Doble polsador del compressor.
5- Doble polsador de la bomba 1.
Figura 4.28: Nivell òptim de la columna.
Figura 4.29: Vàlvula d’obertura i tancament de la bombona de CO2 .
- Inicialment fixar el cabal d’aigua a 100 l/h amb la vàlvula d’ajustament d’aigua (8).
- A continuació cal regular el cabal d’aire a 30 l/min, amb la vàlvula d’ajustament de l’aire (15).
- Pel primer experiment s’ha de regular el cabal del diòxid de carboni amb la seva vàlvula de regulació (6) a 4 l/min i pel segon experiment cal regular-lo a 5 l/min.
- Un cop definits aquests paràmetres és necessari mantenir constant el nivell del fons de la columna. Per regular-ho es pot fer a partir de la vàlvula del nivell de la columna (3) o amb la vàlvula de control de la pressió de la columna (10).
- Per tal de que s’estabilitzi l’aparell, cal esperar uns 10 minuts aproximadament abans de fer cap lectura.
- Un cop estabilitzat l’aparell, inicialment s’ha de realitzar la lectura dels manòmetres tubulars i apuntar la diferència de pressió. a continuació realitzar les mesures de la concentració del diòxid de carboni amb l’Oxybaby, als tres punts de mesura.
- Augmentar el cabal de l’aire 10 l/min cada cop fins a un cabal de 60 l/min d’aire, i fer el mateix procediment, primer realitzar la lectura de les pèrdues de pressió i desprès les mesures amb l’Oxybaby.
- Realitzar el mateix experiment augmentant el cabal d’aigua a 150 l/h.
- S’han de realitzar tots els experiments per tríplicat.
- Una vegada realitzada la pràctica, tanquem la vàlvula de subministrament de diòxid de carboni de la bombona.
- Desconnectar la bomba 1 amb el doble polsador (5), i esperar que baixi tota l’aigua de la columna.
- Desconnectar el compressor amb el doble polsador (4).
- Desconnectar el conjunt de la instal•lació amb l’interruptor principal (2).
Figura 4.30: Panell d’elements.
6- Vàlvula d’ajustament del CO2.
7- Manòmetre tipus Bourdon.
8- Vàlvula d’ajustament d’aigua.
9- Punt de mostreig 3.
10- Vàlvula d’ajustament de la pressió de la columna.
11- Silenciador, sortida d’aire.
12- Tub de goma per fer la lectura del punt de mostreig 2.
13- Cabalímetre de diòxid de carboni.
14- Cabalímetre d’aire.
15- Vàlvula d’ajustament de l’aire.
16- Termòmetre de l’aigua.
17- Cabalímetre d’aigua.
A continuació es mostra el video de com s'ha de fer la pràctica:
Qüestions
1) En què consisteix la tècnica industrial de separació d’absorció de gasos?
2) Què és una columna de plats? I una de rebliment? Quina diferència hi ha entre una i l’altra?
3) Per a què serveix un cabalimetre? I un manòmetre?
4) Quina és la solubilitat del CO2 en l’aigua ?
5) A partir de les absorcions obtingudes cal omplir la taula següent per a cada una de les experiències realitzades:
Taula 7.9: Exemple taula de resultats experimentals.
Laigua |
Gaire (l/min) |
GCO2 (l/min) |
dp1 |
dp2 |
Plaboratori |
Prelativa (bars) |
PUNT 1 (%CO2) |
PUNT 2 (%CO2) |
PUNT 3 (%CO2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6) Graficar els diferents valor obtinguts. En el primer gràfic s’ha de representar com afecta l’aigua en els diferents cabals d’aire (eix ordenades, el tant per cent de CO2, i abscisses els cabals d’aigua, mantenint constant els cabals d’aire) i en el segon gràfic s’ha de representar com afecta l’aire en els diferents cabals d’aigua (eix ordenades, el tant per cent de CO2, i abscisses els cabals d’aire, mantenint constant els cabals d’aigua).
7) Comentar els resultats obtinguts. Quines són les millors condicions de treball per a la columna?
8) Realitza els diferents balanços de matèria per a cada valor obtingut i calcula el contingut de diòxid de carboni que té l’aigua a la sortida de la columna.