Desorción Gaseosa: Visita al Laboratorio de Ingeniería Química UNI

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS
“VISITA GUIADA AL LABORATORIO DE LA FACULTAD DE
INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL”
FISICO QUIMICA Y OPERACIONES UNITARIAS
PROFESOR: JARAMILLO SALDAÑA FERNANDO AMADEO
SECCIÓN: W
INTEGRANTES:
✔ Aguilar Condori Deyanira Celeste 20224098I
✔ Novoa Perez Marx Jhamil
20212680J
✔ Robles Figueroa Johan Artemio
20221233B
✔ Vila Urcia Silvana Angelica
20222664G
✔ Torres Caballa Kristell Giuliana
20221214H
ÍNDICE
1
RESUMEN ............................................................................................................................. 2
2
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 3
3
OBJETIVOS ........................................................................................................................... 4
4
FUNDAMENTO TEÓRICO ....................................................................................................... 4
4.1
Desorción ................................................................................................................................ 4
4.2
Concepto de Equilibrio de Adsorción-Desorción .................................................................... 5
4.3
Torre empacada ...................................................................................................................... 6
4.4
Tipos de desorción .................................................................................................................. 7
4.4.1
Desorción gaseosa .......................................................................................................... 7
4.4.2
Desorción térmica ........................................................................................................... 8
5
MATERIALES ......................................................................................................................... 9
6
PROCEDIMIENTO .................................................................................................................. 9
7
DATOS Y RESULTADOS .......................................................................................................... 9
8
APLICACIONES .................................................................................................................... 12
9
8.1
Eliminación de gases contaminantes .................................................................................... 12
8.2
Purificación de líquidos ......................................................................................................... 13
8.3
Extracción de productos químicos ........................................................................................ 14
8.4
Análisis de alimentación ....................................................................................................... 15
8.5
Beneficios de la Absorción en la Industria ............................................................................ 16
CONCLUSIONES .................................................................................................................. 16
10 REFERENCIAS ...................................................................................................................... 17
1
DESORCIÓN GASEOSA
1
RESUMEN
En este informe de laboratorio, se realizó un experimento empleando un equipo de desorción
del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Ingeniería Química y Textil de la
UNI. El objetivo fue comprender los principios fundamentales de la desorción gaseosa y su
uso en la disminución de la concentración de NH3. Se examinaron los componentes del equipo,
se identificaron las variables y los instrumentos de control y medición implicados, y se
investigaron las aplicaciones industriales de la desorción gaseosa. A través de observaciones
minuciosas y del análisis de los resultados obtenidos, se logró una comprensión más profunda
de este proceso. Además, se propusieron posibles recomendaciones para optimizar el
funcionamiento del laboratorio.
Durante el experimento, se dedicó especial atención a analizar cada componente del equipo de
desorción, identificando sus funciones específicas y su importancia en el proceso. Asimismo,
se identificaron las variables críticas que afectan el rendimiento de la desorción gaseosa, así
como los instrumentos utilizados para controlar y medir dichas variables, garantizando así la
precisión y la reproducibilidad de los resultados.
Además, se exploraron las diversas aplicaciones industriales de la desorción gaseosa,
destacando su relevancia en la reducción de contaminantes gaseosos, como el amoníaco (NH3),
en diferentes procesos industriales. Este análisis permitió contextualizar el experimento dentro
de un marco más amplio de aplicaciones prácticas.
A lo largo del estudio, se llevaron a cabo observaciones detalladas que permitieron identificar
patrones y tendencias en los datos obtenidos. El análisis de estos resultados facilitó una
comprensión más profunda de los mecanismos subyacentes en el proceso de desorción gaseosa.
A partir de esta comprensión, se formularon recomendaciones específicas para mejorar el
2
rendimiento del laboratorio y optimizar los procedimientos experimentales, contribuyendo así
al avance en el conocimiento y la aplicación de la desorción gaseosa en la industria.
2
INTRODUCCIÓN
El experimento se centra en los principios de la desorción gaseosa, un proceso fundamental en
la ingeniería química utilizado para la eliminación de gases disueltos en líquidos. La desorción
gaseosa se basa en la transferencia de masa entre una fase líquida y una fase gaseosa, donde el
gas disuelto se transfiere desde el líquido al gas, facilitando su separación y eliminación.
También, se aborda la importancia de las variables operativas como el flujo de gas y líquido,
la temperatura, la presión y la concentración de los componentes involucrados. Además, se
examinan las leyes y modelos matemáticos que describen el comportamiento de la desorción,
como la ley de Henry y los balances de masa. Este conocimiento teórico es esencial para
entender el diseño y la optimización de los equipos de desorción en aplicaciones industriales,
especialmente en la reducción de contaminantes como el amoníaco (NH3).
3
3
OBJETIVOS
✓ Familiarizarnos con conceptos básicos tales como desorción, absorción, aspersión, etc.
✓ Dar a conocer el funcionamiento de una torre o columna de desorción y dar a explicar
cada una de las partes que componen el equipo.
✓ Purificar el agua separando el amoniaco de esta usando aire como agente de separación
en una columna de empaques en contracorriente
✓ Dar a conocer y explicar las aplicaciones industriales donde interviene el proceso de
desorción de gases
4
FUNDAMENTO TEÓRICO
4.1 Desorción
La desorción es un fenómeno en el que una sustancia se libera desde o a través de una
superficie. Es el proceso opuesto a la sorción (adsorción o absorción). Ocurre en un sistema
que se encuentra en equilibrio de sorción entre la fase global (fluido, solución gaseosa o líquida)
y una superficie de adsorción (sólido o límite que separa dos fluidos). Cuando se reduce la
concentración (o presión) de la sustancia en la fase global, parte de la sustancia absorbida
cambia al estado global
La desorción es importante en la separación química y en la eliminación de impurezas de gases
y líquidos. Es fundamental en la explotación de yacimientos no convencionales de gas, donde
la adsorción y desorción del gas durante su explotación modifican los mecanismos de
almacenamiento, transporte y producción, lo que es crucial para la estimación de reservas y la
evaluación económica de los proyectos.
4
4.2 Concepto de Equilibrio de Adsorción-Desorción
La adsorción es el proceso en el que átomos o moléculas se adhieren a la superficie de un sólido
o a la interfase entre dos fluidos. Este fenómeno bidimensional, a diferencia de la absorción
que es tridimensional, ayuda a neutralizar las fuerzas de atracción en la superficie o interfase,
reduciendo la energía libre interfacial. Existen varios mecanismos de adsorción:
➢ Intercambio iónico: Reemplazo de iones adsorbidos en el sustrato por otros iones,
como en la protección contra la corrosión.
➢ Emparejamiento iónico: Adsorción de iones surfactantes en sitios cargados, utilizado
en la suavización de ropa o eliminación de electricidad estática.
➢ Puente hidrógeno: Enlace polar entre el hidrógeno de una molécula y un átomo
negativo en la superficie.
➢ Polarización de electrones Pi: Atracción entre un núcleo aromático y un sitio positivo
en la superficie del sustrato.
➢ Fuerzas de London-Van der Waals: Fuerzas de cohesión entre sustratos y moléculas
no polares, también llamadas fuerzas de dispersión.
➢ Rechazo hidrofóbico: Empaquetamiento de moléculas de surfactante en la interfase,
asegurando un enlace lateral entre colas lipofílicas.
La adsorción en una interfase agua/gas o agua/aceite es generalmente más intensa que en un
sustrato sólido debido a la combinación de varios efectos. La adsorción alcanza el equilibrio
cuando la energía se minimiza y todos los sitios del sustrato están ocupados, resultando en un
equilibrio dinámico entre adsorción y desorción (físisorción). En casos de enlace químico
fuerte (quimisorción), el proceso es esencialmente irreversible.
5
4.3 Torre empacada
Las torres empacadas son columnas verticales llenas de material de empaque utilizado para el
contacto continuo entre líquido y gas en flujo a contracorriente. El líquido se distribuye y fluye
hacia abajo a través del lecho empacado, exponiendo una gran superficie al gas, lo que permite
un contacto efectivo entre el gas contaminado y el líquido limpiador. El gas con impurezas
entra por la parte inferior y sale limpio por la parte superior, mientras que el líquido limpiador
entra por la parte superior y se extrae por la parte inferior.
Empaques de la Torre: El material de empaque, diseñado para aumentar la superficie de
contacto entre el líquido y el gas, debe ser inerte, ofrecer una gran superficie interfacial,
permitir un flujo de fluidos eficiente, ser químicamente inerte, estructuralmente fuerte y de bajo
costo. Ejemplos de empaques utilizados incluyen esferas de cristal, piedras de diferentes
tamaños, carbón de leña y carbón activado, dispuestos en capas para mejorar la retención y
lavado de gases.
Soportes de Empaques: Para retener los empaques, se utilizan soportes de acero inoxidable,
necesarios para soportar el peso y asegurar una buena distribución del gas, permitiendo el flujo
del líquido y del gas con mínima restricción.
Cuerpo de la Torre: La torre, construida de acero inoxidable para resistir la corrosión, tiene
forma cilíndrica y está dividida en cuatro secciones para facilitar su manipulación y control.
Distribución de Líquidos: La distribución inicial de los líquidos es crucial para la eficiencia
de la torre. Se utiliza un aspersor que cubre toda la superficie interna de la torre, evitando la
inundación y asegurando un riego homogéneo con una bomba reguladora de flujo.
6
Eliminadores del Arrastre: Para evitar el arrastre de neblina con el gas, se colocando
eliminadores de neblina sobre el distribuidor de líquido. Estos eliminadores están hechos de
malla entretejida con viruta de acero, evitando que la neblina sea arrastrada.
4.4 Tipos de desorción
4.4.1 Desorción gaseosa
Consiste en transferir dinámicamente los gases a una solución mientras elimina
gases atrapados o disueltos no deseados. Algunas de sus aplicaciones es el
tratamiento de aguas ácidas (eliminación del CO2), eliminación del metano y la
reducción de radón.
7
4.4.2 Desorción térmica
Elimina las sustancias químicas dañinas del suelo y otros materiales, como lodo y
sedimentos, utilizando calor para transformar dichas sustancias químicas en gases.
Esos gases se recolectan empleando un equipo especial. El polvo y las sustancias
químicas dañinas se separan de los gases y se eliminan con seguridad, mientras el
suelo limpio se regresa al sitio.
8
5
MATERIALES
6
PROCEDIMIENTO
7
DATOS Y RESULTADOS
• Concentración del NH3 a través del tiempo a 19OC
C1V1=C2V2
𝐶𝑁𝐻3 (0.010) = 0.1(𝑉𝐻𝐶𝑙 )
Caudal del líquido: 40 Lb/h
Caudal del gas: 8 pie3/min
T(min)
𝑽𝑯𝑪𝒍
𝑪𝑵𝑯𝟑
0
5
10
15
20
5.9
3.5
4.0
4.0
3.2
0.059
0.035
0.040
0.040
0.032
Tiempo vs. Concentración del NH3
0.07
0.059
0.06
0.05
0.04
0.04
0.035
0.04
0.032
0.03
0.02
0.01
0
0
5
10
15
20
Caudal del líquido: 40Lb/h
Caudal del gas: 12 pie3/min
T(min)
𝑽𝑯𝑪𝒍
𝑪𝑵𝑯𝟑
0
5
10
15
20
5.9
2.7
3.2
3.3
3.1
0.059
0.027
0.032
0.033
0.31
9
Tiempo vs. Concentración del NH3
0.07
0.059
0.06
0.05
0.04
0.032
0.033
0.031
10
15
20
0.027
0.03
0.02
0.01
0
0
5
Perdida de carga
G(pie3/m)
5
10
15
18
ΔP
1
4.5
11
20
Según los datos experimentales podemos concluir que:
Observamos cómo con el pasar del tiempo la concentración después de 5 minutos disminuye;
de 10 minutos, aumenta; de 15 minutos se mantiene y de 20 minutos disminuye.
•
Disminución inicial de la concentración de NH3 en el agua:
Difusión rápida inicial: Al comienzo del proceso de desorción, hay un gradiente de
concentración significativo entre el NH3 en el agua y el aire. Esto provoca una rápida difusión
del NH3 desde el agua hacia el aire.
Alta transferencia de masa: El gran diferencial de concentración inicial facilita una alta tasa de
transferencia de masa del NH3 del agua al aire, disminuyendo rápidamente la concentración de
NH3 en el agua.
•
Aumento de la concentración de NH3 en el agua:
10
Liberación desde los depósitos internos: A medida que se desorbe el NH3 desde las capas
superficiales del agua, puede haber NH3 disuelto en capas más profundas que no se desorbe tan
rápidamente. Este NH3 puede comenzar a difundir hacia las capas superficiales,
momentáneamente aumentando la concentración en la superficie.
Reequilibrio: El sistema puede estar intentando alcanzar un nuevo equilibrio dinámico, donde
la concentración de NH3 en las capas superficiales aumenta debido al flujo desde el interior del
volumen de agua hacia la superficie.
•
Estabilización de la concentración de NH3 en el agua:
Equilibrio dinámico: En este punto, el proceso de desorción puede haber alcanzado un estado
donde la tasa de desorción de NH3 hacia el aire y la difusión del NH3desde las capas internas
hacia la superficie están equilibradas. Esto resulta en una concentración de NH3 en el agua que
se mantiene relativamente constante por un período.
Condiciones de saturación: Si la capacidad del aire para absorber NH3 se alcanza, puede limitar
temporalmente la cantidad de NH3 que se desorbe, estabilizando la concentración en el agua.
•
Disminución final de la concentración de NH3 en el agua:
Depleción del NH3: Eventualmente, la cantidad de NH3 disponible en el agua se reduce
significativamente, lo que lleva a una disminución sostenida de la concentración de NH3.
Continuación del proceso de desorción: A medida que el NH3sigue siendo transferido al aire y
la fuente de NH3 dentro del agua se agota, la concentración continúa disminuyendo hasta que
se alcanza un nuevo equilibrio de baja concentración.
En resumen, el comportamiento observado es el resultado de la interacción entre la difusión
del NH3 dentro del agua, la desorción del NH3 en la interfaz agua-aire, y la capacidad del aire
11
para absorber el NH3. La dinámica de estas interacciones puede causar variaciones temporales
en la concentración de NH3 en el agua antes de que se logre un equilibrio estable
8
APLICACIONES
La absorción se utiliza principalmente para retirar contaminantes gaseosos de una corriente de
gas saliente de un proceso, como resultado de una combustión. También se emplea para
eliminar olores, humos y otros componentes tóxicos. Entre los contaminantes que se pueden
eliminar mediante absorción se encuentran: dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno, ácido
clorhídrico, óxidos de nitrógeno, cloro, dióxido de carbono, amoniaco, dióxido de cloro, ácido
fluorhídrico, aminas, mercaptanos, óxido de etileno, alcoholes, fenol, formaldehído, olores,
ácido sulfúrico y ácido acético.
8.1 Eliminación de gases contaminantes
Una de las aplicaciones más importantes de la absorción se encuentra en las centrales térmicas
para eliminar contaminantes de la corriente gaseosa de salida, principalmente SO2 y CO2. Se
pueden usar numerosos agentes de absorción, entre ellos cal, piedra caliza, óxido de magnesio,
sosa, agua de mar o álcalis dobles. Posteriormente, se puede recuperar el dióxido de azufre o
el ácido sulfúrico, o bien fabricar yeso a partir del producto de desecho.
12
Por ejemplo, en plantas de generación de energía, los gases de combustión que contienen SO2
se hacen burbujear a través de una suspensión de piedra caliza en agua, formando sulfito de
calcio insoluble que se elimina. Otro ejemplo es la absorción de CO2 en soluciones acuosas de
etanolaminas en plantas de procesamiento de gas natural.
8.2 Purificación de líquidos
La absorción se utiliza para remover impurezas y componentes no deseados de líquidos,
obteniendo así productos más limpios y de mayor calidad. Como, por ejemplo:
➢ Purificación de agua potable eliminando contaminantes químicos como metales
pesados, pesticidas y compuestos orgánicos volátiles, contribuyendo a la protección de
la salud pública al proporcionar agua potable segura.
➢ Desodorización de aceites vegetales, durante este proceso, el aceite crudo se somete a
altas temperaturas (252-266°C) y vacío (1-6 mmHg) mientras se inyecta vapor de agua
sobrecalentado, esto provoca la destilación de los ácidos grasos libres y otros
compuestos volátiles causantes de olores, como cetonas, aldehídos de bajo peso
molecular y trazas de ácidos grasos de menos de 12 átomos de carbono además de los
13
compuestos odoríferos, en la corriente de destilado también se arrastran sustancias de
alto valor como tocoferoles, tocotrienoles, esteroles y escualeno. Estos compuestos
minoritarios pueden ser recuperados para su uso en la industria alimentaria,
farmacéutica y cosmética.La desodorización es la última etapa del proceso de
refinación física de aceites vegetales. Junto con el desgomado, blanqueo y
neutralización, permite obtener un aceite comestible de alta calidad, libre de impurezas,
con buen sabor y olor.
➢ Purificación de ácidos y solventes en la industria química, removiendo trazas de
impurezas para asegurar la calidad y estabilidad de los productos químicos que los
contienen, pues la presencia de impurezas puede afectar negativamente las propiedades
y el rendimiento de los productos, lo que puede tener consecuencias significativas en la
industria.
8.3 Extracción de productos químicos
➢ Recuperación de etanol de los gases de fermentación en la producción de
biocombustibles. Este proceso mejora la eficiencia y sostenibilidad de las operaciones
industriales, reduciendo costos y residuos.
14
➢ Extracción de ácido acético de corrientes de desecho en la industria química. Este
proceso implica la interacción entre el ácido acético contenido en el stream de desecho
y un material adsorbente, como la zeolita, que atrae y retiene el ácido acético.
➢ Separación de isómeros xilenos en la refinación de petróleo.
8.4 Análisis de alimentación
➢ Determinación rápida de metales pesados como plomo en hojas de té.
➢ Evaluación de niveles de plomo en productos lácteos.
➢ Análisis de residuos de pesticidas en frutas y vegetales.
La presencia de estos elementos en los alimentos puede ser perjudicial para la salud
humana, por lo que es esencial detectarlos y controlarlos.
15
8.5 Beneficios de la Absorción en la Industria
La absorción ofrece numerosos beneficios, tales como:
1. Mayor eficiencia en los procesos: Al eliminar la duplicación de esfuerzos y optimizar
la asignación de recursos, se logra una mayor eficiencia en los procesos industriales.
2. Incremento en la capacidad de producción: Aprovechando las sinergias existentes y
utilizando los recursos de manera más efectiva, se puede aumentar la capacidad
productiva.
3. Mayor competitividad en el mercado: La unión de fuerzas y la obtención de
economías de escala permite una posición más sólida frente a la competencia.
4. Mayor capacidad de inversión: La unión de recursos económicos facilita la inversión
en innovación, investigación y desarrollo.
9
CONCLUSIONES
✓ Esta operación es esencial para disminuir las concentraciones de ciertos componentes
en líquidos o gases, como en este caso el amoniaco, permitiendo su uso seguro y
eficiente dentro de los límites permitidos por las regulaciones.
16
✓ La desorción es una operación unitaria crucial en diversas industrias, especialmente en
la purificación ecológica del agua de procesos. Su capacidad para reducir
concentraciones de contaminantes hace que sea vital para mantener estándares
ambientales y de calidad en procesos industriales.
✓ Los niveles de presión y flujo en la torre de desorción pueden ser controlados
manualmente mediante válvulas mecánicas e hidráulicas, o automáticamente utilizando
sistemas de control lógico programable (PLC), permitiendo una operación precisa y
eficiente.
✓ El proceso de desorción en torres empaquetadas se realiza generalmente a
contracorriente, donde la solución líquida entra por la parte superior y el gas por la parte
inferior. Este diseño permite una máxima eficiencia en la transferencia de masa, ya que
el gas y el líquido interactúan en un gradiente de concentración óptimo.
10
REFERENCIAS
¿Conoces las aplicaciones de una absorción atómica en el análisis de
alimentos? (s/f). Solinsa.mx. Recuperado el 11 de junio de 2024, de
https://www.solinsa.mx/conoces-las-aplicaciones-de-una-absorcion-atomicaen-el-analisis-de-alimentos
Commerce, E. &., & Commerce, E. &. (2020, 8 octubre). Importancia de la
caracterización de los fenómenos de adsorción y desorción. Energy &
Commerce. https://energyandcommerce.com.mx/adsorcion-y-desorciontecnico/
Enseñanza En Fenomenos Interfaciales, M. (s.d.). CUADERNO CUADERNO FIRP
FIRP S160AS160A. Firp-ula.org. https://es.firp-ula.org/wpcontent/uploads/2019/06/S160A_AdsorcionMojabilidad.pdf
17
Guía de Operaciones, Procesos e Instalaciones Industriales. (s/f). Ujaen.es.
Recuperado el 11 de junio de 2024, de
https://www4.ujaen.es/~ecastro/proyecto/operaciones/materia/absorcion.ht
ml
Martín, J. (2023, agosto 17). Aplicaciones Industriales de la Absorción. La Industrial
Eventos; La Industrial. https://www.laindustrialeventos.com/aplicacionesindustriales-de-la-absorcion/
Ruiz, K. M., Acosta, C. A. C., & Valencia, E. R. (s/f). GENERALIDADES Y
APLICACIONES DEL EQUIPO ABSORCIÓN DE GASES GUNT. Edu.co.
Recuperado el 11 de junio de 2024, de
https://editorial.universidadean.edu.co/media/acceso-abierto/generalidadesy-aplicaciones-del-equipo-de-absorcion-de-gases-gunt-ean.pdf
Rymoil. (s. f.). Tratamiento de suelos y aguas — RYMOIL. RYMOIL.
https://rymoil.es/es/tratamiento-de-suelos-y-aguas
Sánchez-GonzálezSeguir, J. A. (s/f). Absorción. SlideShare. Recuperado el 11 de junio
de 2024, de https://es.slideshare.net/slideshow/absorcin13772494/13772494
Vista de Aplicación de una torre empacada como purificador de gases de chimenea
en la industria minera de El Oro, cantón Ponce Enríquez, Ecuador. (s.d.).
Edu.ec.
https://incyt.upse.edu.ec/ciencia/revistas/index.php/rctu/article/view/345/3
79
Wikipedia. (2023, 2 agosto). Desorción. Wikipedia, la Enciclopedia Libre.
https://es.wikipedia.org/wiki/Desorci%C3%B3n
18