Guía Absorción control 2 IQ46B 2004
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Dudas o reclamos a rcaro@ing.uchile.cl
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Mecanismos de absorción, Monografías, Ensayos de Termodinámica Química
En este archivo se describen los mecanismos de absorción y como calcular sus composiciones.
Tipo: Monografías, Ensayos
2021/2022
1 / 29
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Guía Absorción control 2 IQ46B 2004
(^1) Dudas o reclamos a rcaro@ing.uchile.cl
Absorción.
Resistencias a la transferencia de masa.
PROBLEMA 1. En un estudio experimental de absorción de amoniaco en agua en una columna de paredes mojadas, el valor de KG se ha encontrado en 0.205 mol NH 3 /hr ft^2 atm. En un punto de la columna el gas contiene un 8% molar de NH 3 y la concentración en la fase líquida es 0.004 mol NH 3 / ft^3 de solución. La temperatura del sistema es 68 ºF y la presión total es de una atmósfera. En estas condiciones la constante de la ley de Henry del sistema es 0.15 atm /(mol NH 3 /ft^3 ). Si un 85% de la resistencia total a la transferencia de masa se encuentra en la fase gaseosa, calcule los coeficientes interfaciales de transferencia y la composición de ambas fases en la interfase.
Solución problema 1
La resistencia total a la transferencia de masa en ambas fases, se puede calcular utilizando el valor de KG, de esta forma:
=^1 = 0 , 2051 = 4 , 87
T K G
R
como la resistencia en la fase gaseosa es el 85% del total, entonces 1/kG es un 85% de RT, por lo tanto: 1/kG = 0,85 x 4,87 = 4,
kG = 1/(4,13) = 0,
El coeficiente de la fase líquida, kL, es evaluado como sigue:
G G k L
m K =^ k +
k L 4 , 87 = 4 , 13 + m = 0 , 74 k L
m
Calculo de flujo mínimo y curva de operación. PROBLEMA 2.
Nota: El peso molecular del SO2 y del H2O es de 64 y 18 [lb/lbmol] respectivamente. El peso molecular de la corriente de aire es de 30 [lb/lbmol] y la densidad de ésta es de 74.91[lb/ft^3 ]. Puede ser recomendable trabajar en unidades inglesas.
Solución problema 3
a) Primero se debe calcular x e y. Para esto debemos transformar las unidades de composición masica en unidades molares, a modo de ejemplo:
100 grSoln
PmSO
0.3grSO x = 0.
Por otra parte la fracción y se obtiene como y = Ptotalpi
Además utilizando la conversión Y 1 = y 1 / (1-y 1 ) y X 1 = x 1 / (1-x 1 ), se puede obtener la siguiente tabla: Concentración SO 2 en agua
Presión parcial SO 2 , mm Hg gr / 100 gr de H 2 O 0,0500 1,0700 0,0001 0,0007 0,0001 0, 0,3000 10,0000 0,0008 0,0066 0,0008 0, 0,5000 26,7520 0,0014 0,0176 0,0014 0,
x [molSO2/ moltotal]
y [molSO2/molto tal]
X [molSO2/mol H2O]
Y [molSO2/mol H2O]
De esta forma se obtiene el siguiente grafico
Grafico X-Y
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0, X
Y
b) La razón (LS/GS)min se obtiene a partir de la ecuación siguiente
Donde
Reemplazando se obtiene que: X1=0. Lo cual se puede ver gráficamente:
d) Para esta parte se utiliza la siguiente formula:
= (^) (^) −
2
A A
Y
Y
A A
A
Y
S
Y Y
dY
K a
G z
Antes de resolver la integral calculemos Gs y KYa
Gmasico=Gvolumetrico * densidad / peso molecular del flujo Gs=Gm/A Gs=2563.
Por otra parte KYa = KGa * P=
Ahora podemos resolver la integral, para esto por simplicidad y por tiempo, solo se pide particionar el intervalo de integración en solo 2 espacios.
Con esto se puede construir la siguiente tabla: YA YA* YA – YA* 1 / (YA – YA*) 0,0162 0 0,0162 61, 0,0263 0,0079887 0,0184 54, 0,0365 0,0206671 0,0158 63,
Con lo cual se obtiene que z=23.
Nota: Y * se calcula siguiendo este método
Cálculo de volúmenes de reactores.
Problema 4. 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 esta en contacto con una fase gaseosa de composición 100% dióxido de carbono. Determine el volumen del reactor sabiendo que el flujo de solución es de 1 [lt/s]. 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 problema 5.
El área transversal de la torre se puede calcular como:
2 2 2
0. 201 ft
A =π^ × D =π
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
0
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0 0,02 0,04 0,06 0, x NH
y NH
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:
ln
1 2
- ( A A *)
A A G y y
y y K a P
G z −
−
donde: ( ) (^ )^ (^ ) ( ) ( )
− = − −^ −
2
1
ln^12
ln *
A A
A A A A A A A A y y
y y
y y y y y y
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:
11,06 ft.
*^0.^08250.^0030
* ( *)ln
1 2
=^ −
=^ −
z
y y
y y
K a P
z G
A A
A A G
De esta figura se obtienen los valores de Y* para cada valor de Y y se construye la siguiente tabla:
YA YA* YA – YA* 1 / (YA – YA*) 0.003 0.0000 0.0030 333. 0.010 0.0065 0.0035 296. 0.020 0.0153 0.0047 212. 0.035 0.0275 0.0075 133. 0.055 0.0425 0.0125 80. 0.065 0.0503 0.0147 68. 0.075 0.0508 0.0170 58. 0.090 0.0683 0.0217 47. Luego es posible evaluar el número de unidades de transferencia utilizando la integral respectiva.
NTU = ^ −
2
A A
Y
Y
A A
A
Y Y
dY
Finalmente se obtiene: Z = 4,70 / 4,60 x 10,95 = 11,2 ft.
PROBLEMA 7
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 4.7 moles 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 5.00 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 y que G puede ser aproximado a Gs). P.M. Amoniaco: 17 gr / mol.
Utilize la siguiente expresión:
ln
1 2
- ( A A *)
A A G y y
y y K a P z G − = − con ( ) (^ )^ (^ ) ( ) ( )
− = − −^ −
2
1
ln^12
ln *
A A
A A
A A A A A A y y
y y
y y y y y y
Solución problema 7
Para la fase gaseosa sabemos que: y 1 = 0.0825; y 2 = 0.003; GS = 4.7 mol / min Y 1 = 0.09; Y 2 = 0.003; para la fase líquida: x 2 = 0.00; X 2 = 0.00; LS = 1.39 mol / min 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 = 0.294 x 1 = X 1 / (1+ X 1 ) = 0. Se supone que G varía poco a lo largo de la torre y es identico a GS. En términos del area transversal de la torre, se tiene: A = 0.201 ft^2 G = 1403 mol / hr ft^2 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:
ln
1 2
- ( A A *)
A A G y y
y y K a P z G − = − donde:
( ) (^ )^ (^ ) ( ) ( )
− = − −^ −
2
1
ln^12
ln *
A A
A A
A A A A A A y y
y y
y y y y y y
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 * 0.227 = 0. (y 1 – y 1 *) = 0.0825 – 0.042 = 0. (y 2 – y 2 *) = 0.0030 – 0.000 = 0.
Utilizando los datos de la curva de equilibrio y la información de las concentraciones en base inerte, determinamos la razón mínima líquido / Gas en la columna a partir de la formula:
Donde
Reemplazando se obtiene que: X 1 *= 7 mol de agua / mol de NaOH
(Ls / Gs )min = 0. como la operación se realiza con un flujo líquido 50% superior al mínimo, entonces la razón de operación será: (Ls / Gs ) = 0. Realizando un balance de masa para la operación se tiene que: LS (X 2 – X 1 ) = GS (Y 2 – Y 1 ) en consecuencia X 2 = 5.02 y determinamos gráficamente el número de etapas teoricas necesarias.
El número de etapas teóricas es 2.6, como la eficiencia de cada etapa es un 80%, entonces el número de etapas necesarias será 4.
PROBLEMA 9
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 problema 9 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. Utilizando los datos de la curva de equilibrio y la información de las concentraciones en base inerte, determinamos gráficamente la razón mínima líquido / Gas en la columna.
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0 5 10 15 20 X
Y