absorcion.ejercicio

ABSORCIÓNABSORCIÓN

Conceptos BásicosConceptos Básicos

Los datos que siguen fueron extractados del Perry (Chemical Engineering Handbook), página 14-6, cuarta edición.

Partes de HCl por 100 partes de H2O

(en peso)

Ácido Clorhídrico (HCl)Presión Parcial del HCl, mmHg a 68

ºF

25,0 0,205

19,05 0,0428

13,64 0,0088

8,70 0,00178

7,32 0,000928

4,17 0,00024

2,04 0,000044

Tabla 1

La información anterior (Tabla 1) debe ser transformada a las unidades indicadas en la Tabla 2. Para ello se supondrá presión atmosférica (760 mm Hg) y una temperatura de 68 ºF.

SOLUCIÓN *

1.- Convertir los datos de presión parcial a fracción en volumen dividiendo por la presión total (760 mm Hg). Recordar la Ley de Dalton de las presiones parciales.

a) Convertir la fracción en volumen a % en volumen multiplicando por 100 (Columna 3)

b) ¿Es igual la composición en volumen de un gas que su composición molar? Si la respuesta es “SI”, escriba “% molar de HCl en el gas” en el espacio provisto para ello en la columna 3.

* Respuestas en página 6

Módulo : AbsorciónAbsorcion.doc 21/04/2023

1

2.- Convertir la concentración de HCl en el líquido (Columna 1) en unidades molares.

a) Usar el peso molecular del HCl para convertir el peso de HCl a moles.b) El peso molecular del HCl es 36,46 expresados en unidades g/g-mol ó lb/lb-

mol.

3.- Determinar los moles de agua en las (100 partes) indicadas en la Columna 1.

a) El peso molecular del agua es 18,0.b) Los moles totales del agua son 100/18.c) Los moles totales de agua y HCl son : (100/18) + moles HCl.d) Indicar el resultado en Columna 5.

4.- El porcentaje molar de HCl en el líquido puede ahora determinarse dividiendo los moles de HCl (Columna 4) por el total de moles en el líquido (Columna 5). Indicar el valor en la Columna 6.

5.- Graficar los valores de % molar en el gas (y) y % molar en el líquido (x) en el grafico de la Figura 1. ¿Cree usted que es aplicable la Ley Henry? Si No

6.- Grafique los datos en la Figura 2 ¿Es aplicable aquí la Ley de Henry? Si No


2

(1)

Partes de HCl por 100 partes de H2O (peso)

(2)

Presión Parcial de

HCl, mm Hg (T = 68 ºF)

(3) (4)

Moles de HCl en la Mezcla

(5)

Mezcla de H2O en la mezcla + moles de HCl en la mezcla(100/18) + Col(4)

(6)

% Molar HCl en el líquido

25,0 0,205 0,0269 0,685 5,55 + 0,685 = 6,235

11,0

19,05

13,64

8,70

7,32

4,17

2,04

Tabla 2


3


4


5

RESPUESTAS

1.- b) Si

4.- Col (2) Col (3) Col (4) Col (5) Col (6)

0,205 0,0269 0,685 6,235 11.00,0428 0,00564 0.521 6.071 8.60,0088 0,00115 0,374 5,924 6,30,00178 0,000234 0,238 5,788 4,10,000928 0,000122 0,201 5,751 3,50,000240 0,0000316 0,114 5,664 2,00,000044 0,00000578 0,056 5,606 1,0

5.- No

6.- No


6

Balance de MasaBalance de Masa

Los datos entregados deben ser usados para un sistema de absorción usado para retirar NH3 desde aire usando agua como solvente. El flujo de agua sería de 300 lb/(hr – pie2) y el de gas será de 250 lb/(hr – pie2) a 72 ºF. Los datos de equilibrio para este sistema se entrega en la siguiente Tabla.

Datos de Equilibrio NH3 –Agua (72 ºF) 1 atm

Presión de equilibrio mm Hg

3,4 7,4 9,1 12,0 15,3 19,4 23,5

Concentración de NH3 0,5 1,0 1,2 1,6 2,0 2,5 3,0

Perry, Chemical Engineering Hardboock, 49 Ed.

La corriente gaseosa tiene un 1,5 % en peso de NH3 a 72 ºF y 1 atmósfera del cual se desea recuperar el 95 %. El solvente usado será H2O, que no contiene NH3.

Los objetivos de este problema son :

a) Graficar los datos de equilibrio en fracciones molares.

b) Calcular el balance de materiales y graficar la línea de operación en el gráfico de equilibrio.

c) Mantener las ecuaciones de flujo másico para las fuerzas impulsoras de las fases líquidas y gaseosas.

SOLUCIÓN *

A.- Convertir los datos de equilibrio a fracciones molares.

1.- Recordar que en una mezcla gaseosa ideal, la presión parcial del gas es igual a la fracción en volumen en la mezcla gaseosa (Ley de Dalton). La composición (fracción) en volumen corresponde a la fracción molar en una mezcla gaseosa ideal. Como el sistema se encuentra a presión atmosférica (760 mm Hg), la fracción volumétrica ó fracción molar de NH3 para una presión parcial (pe) de 3,4 mm Hg estará dada por :

Calcular los valores restantes y completar Tabla BM-1


7

GAS GAS LÍQUIDO LÍQUIDO

Pe mm Hg Fracción Molar y

Fracción MolarX

3,4 0,00447 0,5 0,0052

7,4 1,0

9,1 1,2

12,0 1,6

15,3 2,0

19,4 2,5

23,5 3,0

Tabla BM-1

2.- El factor para convertir los datos de concentración en el líquido a fracciones molares dependerá de los pesos moleculares de los compuestos involucrados.

Para una concentración de , el cálculo es el siguiente :

Fracción Molar de NH3 en ó



8

Fracción Molar de NH3 en

NOTA :

P.M. NH3 = 17,03 (Usar 17)P.M. H2O = 18,01 (Usar 18)P.M. Aire = 28,95 (Usar 29)

Calcular los valores de fracción molar en el líquido e ingresarlos en Tabla BM-1.

B.- Graficar las fracciones molares en el gráfico siguiente :

1.- ¿Es aplicable La Ley de Henry? Si No 2.- ¿Por qué?

3.- Calcular al pendiente de la línea de equilibrio


9

Pendiente

C.- Complete el siguiente esquema del sistema

D.- Calcular la concentración de salida del líquido usando el balance de materiales. Se puede suponer que para aplicaciones de limpieza de gases (descontaminación), LM

y GM son esencialmente constante a través de la columna (¿por qué?)

x1 = Concentración NH3 en líquido que sale = ?

y1 = Concentración NH3 en gas de entrada = __________ (*)

y2 = Concentración NH3 en gas de salida = __________ (*)

x2 = Concentración NH3 en el líquido que llega = __________ (*)

LM = Flujo de líquido, lbmoles/(hr-pie2) = ?

GM = Flujo de gas, lbmoles/(hr-pie2) = ?


10

LM, x2

(2)

(1)

_______

_______ GM, y1

NOTA :

(*) La concentración está dada en peso y debe ser convertida a fracción molar.

Resolución para x1

1.-

2.-

3.-

4.-

5.-

E.- Graficar las concentraciones de entrada y de salida en el gráfico de la Figura BM-1 (marcar los puntos x1, y1 y x2, y2).

1.- Conectar los puntos con una línea. Esta línea es llamada “línea de operación”. La línea de operación define la frontera para las condiciones de operación dentro de una unidad de absorción. La línea de operación establece las concentraciones para corriente adyacente a través de la columna.

2.- Cualquier línea sobre el sistema de coordenadas como el del gráfico pueden ser expresadas por una ecuación.

a) Escribir la ecuación para esta línea recta, explícita para y ó (y1 – y2).NOTA : Recordar la ecuación de Balance de Masa.

b) ¿Cuál es el valor para la pendiente de la línea de operación?

F.- Indicar la fuerza impulsora para la fase gas entre la línea de operación y la línea de equilibrio para las condiciones del gas a la entrada.

1.- La fuerza impulsora en la fase gas se expresa como una función de la concentración de amoniaco en la entrada y la concentración de amoniaco en equilibrio con el líquido de salida (y*).


11

2.- Identificar la fuerza impulsora para la fase gas en el gráfico.

G.- El flujo másico transferido, puede expresarse como una función de la

fuerza impulsora y el coeficiente de transferencia de masa (Kg).

1.- Esto es análogo a la Ley de Ohm.

2.- El recíproco del coeficiente de transferencia de masa es análogo a la Resistencia Eléctrica. El coeficiente de transferencia de masa es, por lo tanto, análogo a la conductancia eléctrica.

3.- ¿Cuáles son las unidades de KG?

H.- Escribir la ecuación similar para la fuerza impulsora de la fase líquida y el coeficiente de transferencia de masa basado en la fase líquida KL, en el mismo punto de referencia sobre el gráfico usado para KG.

1.- Flujo másico

2.- Identificar la fuerza impulsora basada en la fase líquida en el gráfico.


12

RESPUESTAS

A.- 1.- GasFracción Molar, y

LíquidoFracción Molar, x

0,00447 0,0052

0,00973 0,0105

0,0120 0,0125

0,0158 0,0167

0,0201 0,0206

0,0255 0,02580,0309 0,0307

B.- 1.- Si2.- Línea recta para datos de equilibrio3.- 1,0

C.- GM, y2

LM, x1

D.- 0,0253; 0,0013; 0

1.- 16,672.- 8,623.- 0,517; 0,0253; 0,0013; 04.- 0,0124

E.- 2.- a) b) 1,93

G.-3.- ó ó


13

Información necesaria para revisar AbsorbedoresInformación necesaria para revisar Absorbedores

1.- Descripción del Equipo

a) Planos

b) Especificación

c) Marca, Modelo, Tamaño

2.- Descripción del Proceso

a) Diagrama de Flujo

b) Composición química de todas las corrientes

c) Temperaturas

d) Volúmenes

e) Velocidad del gas a través del equipo

f) Flujo de material llegando y dejando el equipo

g) Datos de caída de posición para el equipo

3.- Información de Diseño

a) Datos usados en el diseño

Datos de equilibrio Datos de transferencia de masa o altura de la unidad de transferencia Datos del número de unidades de transferencia

b) Cálculos realizados en el diseño y selección del equipo

4.- Descripción del Impulsor de Gas

a) Marca, Modelo, Tamaño, Velocidad, Capacidad

b) Pie3/min a impulsar

c) Presión estática

d) Descripción del motor


14

Procedimiento para revisar AbsorbedoresProcedimiento para revisar Absorbedores

1.- Estudiar la posibilidad química del sistema de lavado.

2.- Realizar un balance de masa para determinar las cantidades emitidas.

3.- Comparar las emisiones con la normativa.

a) Si la composición indica una violación : negar.b) Si la comparación es favorable, proceder a 4.

4.- Calcular el diámetro de la columna.

5.- Evaluar el comportamiento de la columna, calculando :

a) Altura de la columna, ób) Número de unidades de transferencia, óc) Concentración en los gases emitidos

6.- Comparar 4 y 5 con información entregada.

7.- Recomendar aprobación o rechazo.

8.- Planear revisión del impulsor de aire.


15

Columna de RellenoColumna de Relleno

La empresa ABC ha entregado información del diseño de un lavador de H2S. El H2S se removerá de la corriente gaseosa de desecho lavando el gas con una solución acuosa de trietanolamina en una columna de absorción a presión atmosférica.

Las hojas de especificación indica que los flujos de gas y líquido son 290 lb/hr-pie2 y 40 lbmoles/pie2-hr, respectivamente. El líquido de entrada se indica que llega libre de contaminante. Los datos de equilibrio de la Planta Piloto de la Compañía indica que es aplicable la Ley de Henry (m = 2,0) y que la altura de la unidad de transferencia es 1,94 pies.

Los cálculos preliminares han determinado que la columna debe reducir el H2S desde 17 lb/hr-pie2 a 0,64 lb/hr-pie2.

¿Será adecuada la columna de 12 pies de altura propuesta por ABC?

SOLUCIÓN *

1.- Dibujar un diagrama esquemático de la torre.


2.- Convertir todas las unidades a base lbmol.

P.M. H2S = 34 lb/lbmolP.M. Aire = 29 lb/lbmol


16

3.- Realizando un balance de materiales, encontrar x1.

4.- Usando el gráfico de columna, encontrar NOG.


17

5.-


18

RESPUESTAS

2.- 100,050,001880

3.- 0,012


19

4.- 0; 2,0; 0,05; 0,00188; 40; 10; 0,5; 26,6; 5,1

5.- 9,9

La columna de 12 pies es adecuada para el servicio.


20

Columna de RellenoColumna de Relleno

Industrias S.A., ha decidido instalar una torre empacada para el lavado de aire conteniendo 2% de NH3. La regulación fija el nivel de emisiones en 0,1% de NH3. El Departamento de Ingeniería entrega para esta tarea la siguiente información :

1.- Diámetro de la torre : 3,57 pies.

2.- Altura de relleno : 8 pies.

3.- Temperatura de gas y líquido : 75 ºF.

4.- Lesión de operación : 1 atm.

5.- Flujo de solvente puro : 1000 lb/hr-pie2.

6.- Flujo de gas : 1575 pie3/min.

7.- Concentración de NH3 en gas de entrada : 2% (col).

8.- Concentración de NH3 en gas de salida : 0,1% (col).

9.- Figura 1.

10.- Se usará relleno tipo “A”.

11.- Densidad del aire : 0,0743 lb/pie3.

12.- Peso molecular del aire : 29 lb/lbmol.

13.- Constante de Henry : 0,972.

14.- Peso molecular del agua : 18 lb/lbmol.

Revisando antiguos diseños usted encuentra haber aprobado una torre casi idéntica, excepto que el flujo de gas fue de 1121 pie3/min.

Basado en lo anterior, ¿qué recomendaría usted?

1.- Hacer un esquema de la torre

LM, x2 GM, y2

LM, x1 GM, y1



21

2.- Calcular el área de flujo de la columna :

3.- Calcular el flujo molar del gas, GM.

4.- Calcular el flujo molar de líquido :

5.- Determinar gráficamente NOG (desde Figura 2) :


22

6.- a) A partir de los valores conocidos de flujos de líquido y gas, y tipo de relleno ¿cuál el mejor valor de HOG? (Figura 1)

b) ¿Cuál es la altura de relleno necesaria para hacer el trabajo?

7.- ¿Cuál es su recomendación respecto al diseño entregado por el Departamento de Ingeniería?

Aprobado No Aprobado

8.- La columna antigua (8” de altura de relleno) está fuera de uso y se piensa que podría requerir cambios menores para ponerla en operación.

Basado en la Figura 1, liste las probables modificaciones de proceso ordenadas en orden de aumento de probabilidades de uso.

a)

b)

c)

d)

9.- En vez de comprar una torre más alta o nueva, o relleno más eficiente, se revisará la modificación del flujo de líquido para obtener la separación deseada.

Calcular la altura de columna necesaria para cada flujo de líquido.

L NOG

HOG Z, pies

1000 0,423 4,3 2,2 9,47


23

1200

1400

1600

A partir de estos cálculos se tiene que el flujo de líquido debe aumentarse a _________ lb/(hr-pie2) para que una torre de 8” funcione de acuerdo a las especificaciones. Si se va a incorporar un factor de seguridad en la recomendación, el flujo de líquido debe aumentarse sobre este valor.


24

Figura 1


25

Figura 2


26

RESPUESTAS

2.- 10,0

3.- 1575; 0,0743; 10,0; 29; 24,2

4.- 18; 55,6

5.- 0; 0,972; 0,02; 0,001; 55,6; 24,2; 0,423; 20; 4,3

6.- a) 2,2b) 4,3; 2,2; 9,47

7.- No Aprueba

8.- a) Diseñar un nuevo sistema (comprar una nueva torre)b) Alargar la torre existentec) Aumentar el flujo de líquidod) Comprar nuevo relleno

9.-

NOG

HOG Z

0,423 4,3 2,2 9,47

0,353 4,0 2,0 8,00

0,302 3,9 1,85 7,21

0,265 3,75 1,70 6,38

1200


27

Torre SprayTorre Spray

Una planta de acero emite humos de HCl de 300 ppm promedio con valores peack de 500 ppm el 15% del tiempo. El flujo de aire es constante de 25.000 pie3/min a 75 ºF y 1 atm. Las regulaciones no permiten emisiones superiores a 25 ppm de HCl (para cualquier tiempo). Para resolver este problema se plantea usar una torre de 14 pies de diámetro con agua en contracorriente rociada con toberas (spray).

Usando las siguientes reglas, determine si la unidad es o no satisfactoria :

1.- La velocidad del gas a través de la torre no debe exceder los 3 pies/s.

2.- No es aplicable la Ley de Henry.

3.- Para un gas muy sensible (constante de Henry muy cerca de cero), el número de unidades de transferencia (NOG) puede determinarse de la siguiente ecuación :

Donde :y1 : concentración del gas de entrada.y2 : concentración del gas de salida.

4.- En una torre spray, el número de unidades de transferencia (NOG) para el primer rociador (spray) del tope será de alrededor de 0,7. Cada spray inferior tendrá sólo alrededor del 60% del NOG del inmediatamente superior. Esto se debe al mezclamiento con los líquidos que vienen desde arriba y al mezclamiento con los gases. El último spray, se ubica en el ducto de entrada, no agrega altura y tiene 0,5 NOG.



28

2.- Calcular el número de unidades de transferencia requeridos

NOTA : Recordar que se debe usar el logaritmo natural de la razón de concentraciones.

3.- Determinar el número de unidades de transferencia en una torre de varias secciones de roceado (por ejemplo 5). Recordar que cada spray sólo tiene el 60% de eficiencia de la sección superior.

Sección de Spray NOG

Tope 0,700 (Esta es la partida)

2ª

3ª

4ª

5ª

Entrada

TOTAL _____________

NOTA : Se requiere tantas secciones como sean necesarias para alcanzar el NOG

requerido.


29

4.- Calcular la eficiencia de una torre spray con tantas secciones como las calculadas en la sección 3. Esto es, calcular la concentración de salida con la relación :

5.- Cumple lo anterior con las especificaciones ________

SI NO


30

RESPUESTAS

1.- 13,3

2.- 500; 25; 203,0

3.- 0,420; 0,252; 0,151; 0,091; 0,5002.114

4.- 2,1148,360 ppm

5.- NO


31

absorcion.ejercicio

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