¡Descarga guia ejercicios absorcion y más Ejercicios en PDF de Calor y Transferencia de Masa solo en Docsity!
Guía de Problemas Resueltos 3
Operaciones de Transferencia I IQ46A
Absorción
P1) Se debe disolver CO 2 en una solución usando un absorbedor por burbujeo. Para ello se dispone de un tanque cerrado de absorción de dióxido de carbono que opera a 30 [atm] de presión y temperatura de 18ºC. Se debe agregar CO 2 hasta alcanzar una concentración de 20 [gr] de CO 2 por litro de solución, siendo la concentración de entrada 0. El CO 2 se alimenta puro de modo que se puede considerar que la solución está en contacto con una fase gaseosa de composición 100% dióxido de carbono. Determine la razón entre el volumen del reactor y el flujo de solución necesario para lograr la transferencia de masa necesaria. Suponga que el tanque opera como un reactor perfectamente agitado. KLa = 0.01 [1/s] Para el equilibrio entre la solución y la atmósfera de CO 2 considere los siguientes datos de equilibrio Solución De acuerdo con la información de equilibrio disponible a 18ºC se tiene que a 25 [atm] la solubilidad es 3.86 y a 50 [atm] es 6.33 gr CO 2 / 100 gr H 2 O. Interpolando linealmente para 30 atm se tiene una solubilidad de 4.354 gr CO 2 / 100 gr H 2 O. , al considerar una densidad de la solución de 1 [gr/ml]. En el interior del absorvedor la concentración de CO 2 es de 20 [gr/lt], en consecuencia la velocidad de transferencia de masa se puede expresar como:
Wa = 0.217 [gr/seg/lt] * V [lt] Por otro lado el requerimiento de absorción para el equipo es que para un flujo de 1 lt/seg se pase de concentración 0.0 a 20.0 gr/lt de CO 2. Por lo tanto: Wa = 1 [lt/seg] * (20.0 – 0.0) [gr/lt] = 20 [gr/seg] Igualando ambas expresiones se obtiene: Wa = 20 [gr/seg] = 0.217 [gr/seg/lt] * V [lt] V = 92.17 [lt] P2) Para el secado de aire húmedo se emplea una torre de absorción de relleno utilizando como líquido absorbente una disolución de sosa cáustica de 50% molar. El aire entra con humedad absoluta de 0,012 Kg de agua /Kg de aire seco, y ha de deshumificarse hasta 0,003 Kg de agua / Kg de aire seco. Calcúlese el numero de etapas de contacto discontinuo necesarias, si la eficiencia de cada etapa es un 40% y se utiliza un flujo líquido 50% superior al mínimo. X Y X Y 0 0 7 0. 1 0.0004 8 0. 2 0.0011 9 0. 3 0.0028 10 0. 4 0.0067 12 0. 5 0.0100 16 0. 6 0. P.M. Agua: 18 [gr/mol]; P.M. Aire: 29 [gr/mol]. Solución Las humedades molares del aire a la entrada y a la salida son: Y 1 = 0.012 Kg agua / Kg aire seco = = 0,012 *29 / 18 = 0.01933 mol de agua / mol aire seco Y 2 = 0.003 Kg agua / Kg aire seco = = 0,003 *29 / 18 = 0.00483 mol de agua / mol aire seco Para la disolución líquida, en la entrada la razón molar es 1/1 entre agua y NaOH, es decir: X 1 = 1 mol de agua / mol de NaOH.
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 5 10 15 20 X Y El número de etapas teóricas es 2.84, como la eficiencia de cada etapa es un 40%, entonces el número de etapas necesarias será 8. P3) Se debe absorber amoniaco desde una corriente de aire a 68ºF y presión atmosférica, utilizando una torre empacada de 6.07 [in] de diámetro y flujo en contracorriente. El absorbente es agua libre de amoniaco. El flujo de gas de entrada es 1 mol de aire / min y el flujo de agua es 1.39 [mol/min]. En estas condiciones el coeficiente global de transferencia de masa KGaP, puede ser asumido como 100 [mol / hr ft^3 ]. La concentración de amoniaco debe ser reducida desde 0.0825 a 0.003 en fracción molar. Suponga que en estas condiciones se cumple la ley de Henry: y^ = 0,185 x Determine la altura necesaria de la torre para cumplir los requerimientos. (Suponga que tanto la curva de operación como la curva de equilibrio son aproximadamente rectas). P.M. Amoniaco: 17 [gr/mol]. Solución El área transversal de la torre se puede calcular como: Para la fase gaseosa sabemos que: y 1 = 0.0825; y 2 = 0.003; G = (1 mol / min) / (0.201 ft^2 ) = 5.03 [mol / min-ft^2 ] Y 1 = 0.09; Y 2 = 0.003; GS = G x (1 – y 1 ) = 4.7 [mol / min-ft^2 ] Para la fase líquida: x 2 = 0.00; X 2 = 0.00; LS = (1.39 mol / min) / (0.201 ft^2 ) = 6.91 [mol / min-ft^2 ]
Realizando un balance de masa global para el equipo: LS (X 2 – X 1 ) = GS (Y 2 – Y 1 ) Obtenemos la concentración en la fase líquida a la salida: X 1 = 0.059 x 1 = X 1 / (1+ X 1 ) = 0. Para calcular la altura necesaria de la torre como podemos suponer que tanto la curva de operación como la curva de equilibrio son rectas, utilizamos la siguiente expresión: donde: es necesario calcular las concentraciones de equilibrio en la fase gaseosa asociada a la composición de la fase líquida a la entrada y la salida de la torre: y 2 * = 0.185 * x 2 = 0.185 * 0.000 = 0. y 1 * = 0.185 * x 1 = 0.185 * 0.056 = 0. (y 1 – y 1 *) = 0.0825 – 0.0104 = 0. (y 2 – y 2 ) = 0.0030 – 0.000 = 0. (y – y)ln = 2.17 * 10- finalmente: ***Para el mismo sistema del problema, se debe calcular la altura de la torre por integración directa. Utilice KYa = 4.6 mol / hr-ft^3 - YNH3. y considere la siguiente información de equilibrio. X mol NH 3 /mol H 2 O 0.0164 0.0252 0.0455 0. Y mol NH 3 /mol aire 0.0210 0.0320 0.0530 0. Solución En este caso debemos calcular la altura de la torre utilizando: Lo primero que debemos hacer en este caso es construir una el gráfico que representa las condiciones de operación y la curva de equilibrio del sistema.
Presión parcial SO 2 , mm Hg (^) 0.07 1.07 10.6 25.6 58.4 93.2 129 Concentración SO 2 en agua gr / 100 gr de H 2 O
Suponiendo que la presión de operación de la torre es de una atmosfera, determine: El flujo mínimo de líquido para lograr el rendimiento deseado. Si se utiliza un flujo de líquido igual a 1,5 veces el mínimo, determine la concentración de SO 2 en el flujo de agua a la salida de la torre. Además se desea determinar la velocidad de transferencia de masa en un punto de operación de la torre donde se tiene concentración en fase líquida de 0.6 % en peso. Determine el valor de KLa sabiendo que el proceso de transferencia de masa esta controlado por la fase líquida y que : donde dS es el diámetro equivalente del relleno de la torre 0.05 m; D es la difusividad del líquido 5 * 10-10^ m^2 /s; L` es la velocidad superficial del líquido sobre el relleno 3 Kg /m^2 s ; es la viscocidad del líquido; y kL es el coeficiente local de transferencia de materia de la fase líquida. Además se sabe que el área interfacial específica de absorción es 40 m^2 /m^3 de empaque. Calcule la velocidad de transferencia de masa en el punto considerado en moles por segundo. Solución a) El flujo de gas a la entrada es 10 [m^3 /min] y contiene un 10% en volumen (también en moles) de SO 2 , en consecuencia GS = 9 [m^3 /min] y 1 = 0.1; Y 1 = y 1 / (1-y 1 ) = 0. y 2 = 0.05; Y 2 = y 2 / (1-y 2 ) = 0. x 2 = 0.3 gr SO 2 / 100 gr Soln. = (0.3 / 64) / (99.7/18 + 0.3/64) x 2 = 0.000846; X 2 = 0. Con los datos disponibles de equilibrio, calculamos las concentraciones en términos de base inerte. c P x y X Y gr SO 2 mm Hg Mol SO2 mol SO 2 mol SO 2 mol SO 2 100 gr H 20 Mol total mol total mol H 2 O mol aire
0,01 0,07 2,81E-05 9,21E-05 2,81E-05 9,21E-
0,05 1,07 1,41E-04 1,41E-03 1,41E-04 1,41E-
0,10 3,03 2,81E-04 3,99E-03 2,81E-04 4,00E-
0,50 25,60 1,40E-03 3,37E-02 1,41E-03 3,49E-
1,00 58,40 2,80E-03 7,68E-02 2,81E-03 8,32E-
1,50 93,20 4,20E-03 1,23E-01 4,22E-03 1,40E-
2,00 129,00 5,59E-03 1,70E-01 5,63E-03 2,04E-
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0E+ 00 2,0E-03 4,0E-03 6,0E- X Graficamente se determina la razón (LS / GS)min = 22.1. Entonces: LS min = 22.1 * GS = 8274 [mol/min] Se debe utilizar un flujo líquido 1,5 veces el mínimo entonces se tiene: (LS / GS) = 33. Realizando un balance de masa global para el equipo se obtiene que: LS (X 2 – X 1 ) = GS (Y 2 – Y 1 ) Por lo tanto: X 1 = 2.61 * 10- kL = 1.09 * 10-3^ m^3 / m^2 s kLa = 1.09 * 10-4^ * 40 = 4.37 * 10-3^ 1/s
El flujo másico será entonces: NAz = KG (pAG – pA*) NAz = 0,205 x (0,08 – 0,0006) NAz = 1,63 x 10-2^ mol/hr/ft^2 La composición interfacial se puede determinar utilizando las siguientes expresiones: NAz = kG (pAG – pAi), entonces 1,63 x 10-2^ = 0,242 x (0,08 – pAi) pAi = 0,0127 atm. NAz = kL (cAi – cAL) 1,63 x 10-2^ = 0,212 x (cAi – 0,004) cAi = 0,083 mol NH 3 /ft^3 soln.
