Informe 2 Remocion de Co2

FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL INFORME N°2: AEREACIÓN POR GOTEO - REMOCIÓN DE ANHIDRIDO CARBÓNICO CURSO : PROCESOS

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FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL

INFORME N°2: AEREACIÓN POR GOTEO - REMOCIÓN DE ANHIDRIDO CARBÓNICO

CURSO :

PROCESOS UNITARIOS EN ING. SANITARIA

DOCENTE :

ING. JAVIER HUAMÁN

ALUMNOS: ESPINOZA ANTEZANA, Pool Eder

Lima, 24 De abril del 2017

FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL

Procesos unitarios en ing. sanitaria

AEREACIÓN POR GOTEO -REMOCIÓN DE ANHIDRIDO CARBÓNICO 1. OBJETIVOS 1.1. OBJETIVOS TEORICOS  Realizar la demostración del procedimiento de remoción de CO2 (Dióxido de carbono) en una muestra sobresaturada del mismo gas, mediante la técnica de aireación por goteo, que estará determinada por la caída de gotas a determinadas alturas propuestas.  Se verificará la correlación del trabajo experimental con las formulas teóricas referidas al equilibrio cinético y la transferencia de masa. 1.2. OBJETIVOS PRÁCTICOS  Determinar el valor de K que sería el coeficiente de transferencia total, en base a la realización del experimento. 2. FUNDAMENTO TEORICO La transferencia de gases es el fenómeno físico mediante el cual las moléculas de un gas son intercambiadas entre un líquido y un gas dando como resultado el incremento de la concentración de gas o gases desde la fase de mayor concentración hacia la de menor concentración, buscando quedar en equilibrio, tal intercambio depende de factores como: presión, temperatura (absorción del gas) y un decremento cuando la fase líquida está sobresaturada (desorción o escape de gas). El proceso más usado en una planta de tratamiento es la inserción de cloro en gas como último proceso de purificación. En el campo del tratamiento del agua residual, la aplicación más común de la transferencia de gases consiste en la transferencia de oxígeno en el tratamiento biológico del agua residual. Dada la reducida solubilidad del oxígeno y la baja velocidad de Página 2

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transferencia que ello comporta, suele ocurrir que la cantidad de oxígeno que penetra en el agua a través de la interfase aire-superficie del líquido no es suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno del tratamiento aerobio. Es preciso crear métodos adicionales para conseguir transferir la gran cantidad de oxígeno necesaria. Para conseguir este propósito se puede introducir en el agua aire que contiene el oxígeno, o se puede exponer el líquido a la atmósfera en forma de pequeñas gotas. Para diferentes presiones y temperaturas, la concentración de saturación del oxígeno y la del CO2 es la mostrada a continuación.

PRESENCIA DEL CO2 EN LAS AGUAS Los problemas de corrosión o incrustación de las aguas se deben principalmente a la concentración de anhídrido carbónico libre (CO2), aunque también pueden intervenir otros elementos como la dureza, el oxígeno disuelto, alcalinidad, ácidos húmicos, ácido sulfhídrico, sales y microorganismos.

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Las aguas pueden contener diferentes cantidades de CO2 libre, el cual influye en el comportamiento del carbonato de calcio contenido en tales aguas. Se dice que el CO2 en equilibrio es la cantidad de dióxido de carbono que debe estar presente en el agua para mantener en solución al bicarbonato que se encuentra en dicha agua. Si existe CO2 en exceso, éste ataca al CaCO3 para aumentar la concentración del bicarbonato y mantener el equilibrio; por otro lado, si hay deficiencia de CO2, el CaCO3 se precipita para disminuir la concentración de bicarbonato, aumentando así el CO2 y restableciendo el equilibrio. Podemos concluir mencionando lo siguiente:  Si el CO2 libre es mayor que el CO2 de equilibrio, existe exceso de CO2, por lo que se considera que el agua es agresiva.  Si el CO2 libre es igual al de equilibrio, el agua está en equilibrio. Sin embargo, cuando el CO2 libre es menor que el de equilibrio, existe deficiencia en el CO2 de equilibrio, y se dice que el agua es incrustante.

ASPECTOS TEÓRICOS DE LA AIREACIÓN Y LA TRANSFERENCIA DE GASES Si el agua se expone a un gas o a una mezcla de gases existe un intercambio continuo de las moléculas del gas de la fase líquida en la fase gaseosa y viceversa. Tan pronto como la concentración de solubilidad en la fase líquida es alcanzada, ambas corrientes del gas serán de igual magnitud tal que no ocurrirá cambios de las concentraciones del gas en ambas fases. Este equilibrio dinámico se refiere generalmente como la solubilidad o la concentración de la saturación del gas en el líquido. Cuanta más alta es la concentración del gas en la fase gaseosa es mayor la concentración de saturación en la fase líquida. Por lo que la relación entre el cs de la concentración de la saturación (g/m3) y la concentración del gas en la fase de gas cg (g/m3) es dada por: C.S  kD.Cg

kD = coeficiente de distribución Página 4

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Influencia de la temperatura Cuando los gases son disueltos en el agua, este proceso es generalmente acompañado por la liberación de calor. De acuerdo al principio de Le Chatelier, incrementos en la temperatura resulta en reducción de la solubilidad. La ecuación que se puede aplicar para generalizar la dependencia de la temperatura es:

d ln k D  H  dT RT 2 Dónde: R = constante universal de los gases T = Temperatura absoluta (ºK) ΔH = Cambio del contenido de energía acompañando la absorción de 1 mol de gas (J/mol) (entalpia). IMPORTANCIA DE LA AIREACION Este proceso es utilizado en el tratamiento de aguas residuales, para eliminar gases disueltos no deseados o eliminar substancias inorgánicas disueltas, por oxigenación, tales como hierro o manganeso. El caso más importante es la transferencia de oxígeno al Agua residual y luego al floculo bacteriano, cuyo objetivo es llevar a cabo todas las reacciones aerobias que son fundamentales en los procesos de lodos activados y filtros biológicos. Ejemplos de sistemas con aireación: 

Las AR brutas se airean durante un periodo corto de tiempo antes del tratamiento, con el fin de aumentar la eficiencia en las operaciones posteriores (obteniendo mayor rendimiento en la sedimentación y oxidación biológica).



En los procesos de tratamientos biológicos el aire se usa por dos motivos: el primero es la utilización de oxigeno metabólico para el tratamiento de los organismos y el segundo procurar un mezclado adecuado dentro de la cámara.



La flotación con aire es útil para eliminar grasas, sólidos y concentrar fangos.

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Para alcanzar los objetivos en el proceso de desinfección se utiliza cloro en forma gaseosa. También es frecuente añadir oxígeno al efluente tratado después de la cloración.



Algunos organismos vivientes son responsables de grandes transferencias de gas, por ejemplo, las algas, mediante la fotosíntesis son capaces de elevar la concentración de oxígeno en un estanque y durante la noche pueden deprimir a cero la concentración de oxígeno, lo que ocasiona graves consecuencias en la calidad del agua.

3. MATERIALES DE LABORATORIO

MATERIALES

REACTIVOS

0.1 Embudo de separación de 500 mL

Fenolftaleína

01 boquillas de vidrio de 1 y 5 mm de diámetro aprox.

Hidróxido de sodio, NaOH N/44

01 embudo de vidrio vástago largo

Agua destilada

01 bureta graduada de 50 mL

Agua carbonatada (CO2), para este efecto es una bebida carbonatada

05 probetas graduadas de 100 mL

Aceite liviano

01 pipeta volumétrica de 50 mL 05 vaguetas de vidrio Soportes adecuados para colocar los embudos de separación de diferentes alturas Soporte universal con soporte adecuado para la bureta

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4. PROCEDIMIENTO 1. Llene la bureta con NaOH, 0.02N. 2. Coloque la boquilla de 1mm o 5mm de diámetro en el embudo de separación por medio de la manguera y coloque también el gancho de tornillo. 3. Llene el embudo con agua del caño y calibre aprox. 200 el número de gotas que caen por minuto por medio de tornillo del gancho. Cierre la llave del embudo. 4. Determine el diámetro de la gota mediante el siguiente procedimiento:  Cuente el número de gotas necesaria para llenar un volumen dado en la probeta graduada, ejemplo 10ml. Anote el tiempo de llenado.  Determine “D” con la siguiente formula: D3

6V N

Donde: V = Volumen colectado N = Numero de gotas en ese volumen Recuerde usar siempre el mismo número de gotas por minuto. El volumen y tiempo de formación de cada gota varía con la velocidad de goteo. Sacando la tapa superior del embudo, bote el agua que queda. 5. Por la parte superior del embudo de separación agregue un volumen adecuado de agua destilada por encima de los 100ml,

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Luego vierta una cantidad de aceite suficiente del agua. Inmediatamente y con la ayuda del embudo de vidrio, agregue 500ml de agua saturada con anhídrido carbónico (CO2), que para este efecto es una bebida carbonatada; deberá hacer este proceso en forma rápida para evitar pérdida exagerada de (CO2).

6. Por medio de la pipeta graduada y teniendo cuidado de no sacar aceite, pipetee 50ml de agua que contiene el embudo y determine el (CO2). Si su contenido está cerca de 100 ppm, siga adelante; en caso contrario acérquelo lo más posible a este valor diluyendo o agregando más agua carbonatada. 7. Coloque unos 2cm de aceite en la probeta graduada y coloque esta debajo de la boquilla a fin de que la distancia recorra la gota de 1 metro.

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8. Abra la llave del embudo para que empiece el goteo a la velocidad ya fijada anteriormente. 9. Haga la misma determinación para 1, 1.5, 2, 2.5, 3 metros. Luego haga una determinación lo más cercano a la boquilla para obtener el contenido de CO2 al iniciarse la caída. Haga una última determinación del CO2 contenido dentro del embudo a fin de conocer cuánto ha disminuido este a través del experimento. 10. Asuma para todos los cálculos posteriores que el consumo de CO2 en la atmosfera esta entre 0.03% y 0.04% en peso; que la presión atmosférica es de 760 mmHg y la T° = 20°C con lo que las tablas dan una concentración de saturación, Cs de 1ppm. 11. Con los tiempos de colección anotados para cada altura y asumiendo que las gotas son esferas perfectas, hallar el tiempo de caída para una gota aplicando:

e

1 2 gt 2

12. La fórmula para la aireación cuando un agua esta sobresaturada de un gas y acercándose al equilibrio con referencia al medio que le rodea, viene dado por:

log

C a  Ct S A A D 2 6   K T  log t ;   3 C a  C0 V S 0 V 1.6 D  D

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5. CÁLCULOS Y RESULTADOS Para hallar el diámetro de las gotas, se ha graduado el número de gotas por segundo que cae de la manguera adjuntada a la pera con un resultado de 198 gotas/min. Además de calcular que 137 gotas llenan un volumen de 20 ml. Ahora considerando que las gotas son esféricas entonces: D3



6V =0.6533 cm N

Calculamos el tiempo de caída con la fórmula: 1 e  gt 2 2 ALTURA (m)

Tiempo

1

0.45152364

1.5

0.55300126

2

0.63855086

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Determinación de So Concentración de CO2 en el embudo de separación:  Parte superior: 100 ppm  Parte inferior: 100 ppm  Promedio: 100 ppm

Elaborando el cuadro



Distancia

Tiempo

0

0

1

0.45152364

1.5 2

Volumen gastado de NaOH

Ct

Cs

St = Cs - Ct

100

1

99

2.7

54

1

53

0.55300126

2.3

46

1

45

0.63855086

1.6

32

1

31

Graficamos St vs Tiempo

Gráfica St vs t 120 100 80 60 40

y = -103.27x + 99.421 R² = 0.9948

20 0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

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Calculo de K para : T= 0.9 segundos entonces Y = 6.478 t St So

𝐾 (𝑡 = 0.9) =

0.9 6.478 99

𝐷 𝑥 log( 6𝑥𝑇

𝑆𝑜 ) 𝑆𝑡

=

0.71 𝑥 log(

99 ) 6.478

6𝑥0.9

=0.156 cm/s

6. CONCLUSIONES  Con la gráfica ploteada, obtenida con los datos del experimento podemos ver que, en efecto, la cantidad de CO2 de nuestra muestra va disminuyendo conforme aumenta el tiempo en contacto con el aire.  Se logró hallar satisfactoriamente el coeficiente de transferencia total, a partir de los datos obtenidos en el laboratorio. 7. OBSERVACIONES  Debido tanto a las fugas que presento la manguera como al no estar bien ajustada, el dato de gotas por minuto que se sacó al comienzo del laboratorio no fue uno referencial como tuvo que haber sido.  Por el no titular lentamente y con cuidado al momento de realizar la 1ra titulación se notó que nos habíamos pasado un poco con la solución titulante.  Al momento de elevar la pera se generó un pequeño movimiento oscilante el cual hizo la tarea de llenar la probeta con 10 ml algo dificultoso.

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8. RECOMENDACIONES  Tener cuidado al momento en que tomemos las medidas, calibremos o cuando se titula, ya que las mediciones más precisas harán los cálculos más reales y obtener resultados más precisos.  Tener cuidado con el uso de los materiales de laboratorio.  Lavar constantemente los materiales a usarse con bastante agua destilada, ya que la presencia de algún compuesto desconocido en los materiales puede ocasionar errores.  Cada estudiante debe de tener una labor definida en la experiencia, así evitamos errores y dificultades en el transcurrir del laboratorio. 9. CUESTIONARIO a) ¿Cuál es la finalidad del colchón de aceite sobre la superficie de agua? La finalidad del colchón de aceite es aislar los medios de aire y agua para que no haya aun la transferencia de gases, es decir, no se pierda el gas disuelto antes de hacer las mediciones correspondientes. b) ¿Cómo conclusión del experimento, cree usted que se cumple en un porcentaje las condiciones teóricas planteadas en la transferencia de gases? De acuerdo con los cálculos hubo una constante que no tenía valor, para ello se debe tomar datos donde se puedan realizar los cálculos y obtener resultados. c) Cuáles cree usted que son los errores más probables por lo que los resultados prácticos se alejan de los obtenidos teóricamente? Si ya que los errores cometidos comúnmente hacen varia los resultados, estos pueden ser: realizar el experimento muy lento, esto hace que se pierda gas en el trayecto y se realice mediciones incorrectas, otro es que podrían mover el tornillo de calibración por error y tendrían que volver hacer el experimento. d) Averigüe usted por lo menos 5 equipos en el mercado que son usados para realizar la transferencia de gases. Esquematícelos.

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Aireador de Paletas, bombas de aire, bombas de agua, dosificadoras de cloro, Manguera difusora de Aire. e) ¿Cuáles son los principales usos que se le da la transferencia de gases en la ingeniería sanitaria? Este proceso es utilizado en el tratamiento de aguas residuales, para eliminar gases disueltos no deseados o eliminar substancias inorgánicas disueltas, por oxigenación, tales como hierro o manganeso. El caso más importante es la transferencia de oxígeno al Agua residual y luego al floculo bacteriano, cuyo objetivo es llevar a cabo todas las reacciones aerobias que son fundamentales en la procesos de lodos activados y filtros biológicos. f) ¿Cuáles son los mecanismos que actúan en la trasferencia de una masa gaseosa de un medio líquido a otro gaseoso? La transferencia se da por que la presión del gas contenido en el líquido es mayor que el gas en el otro medio (aire) y se realiza la transferencia. g) La grafica que realizo cumple con el propósito de proporcionalidad esperada respeto a la fórmula de transferencia de gases? No, ya que de acuerdo al ejemplo dice calcular la constante pata T=3 cuando mi grafica indica un valor negativo y por ende no existe un valor para la constante, se debe tomar valores positivos de St para que exista valor de K. h) ¿Cómo variaría usted el experimento si el gas que se usa para la saturación de la muestra es el oxígeno? Si el gas saturado es oxígeno, para demostrar que hay transferencia del oxígeno, el procedimiento seria determinar la cantidad de oxígeno disuelto en cada procedimiento y observar su variación.

i) Averigüe el contenido de Oxigeno en la atmosfera para la misma presión atmosférica y temperatura del ambiente. Se conoce que el oxígeno de nuestra atmosfera es aproximadamente el 21% del aire.

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