ABSORCIN

Ejercicio 1

En una torre se extrae acido clorhdrico difundido en aire mediante una solucin acuosa que tiene

0.350 [kmol de acido clorhdrico/kmol de solucin], esta concentracin se eleva despus del paso

por la columna, mientras que la concentracin en el aire en el mismo tiempo desciende des 0.3

hasta 0.165 [kmol de acido clorhdrico/kmol de gas] en el tope de la columna. La operacin se lleva

de tal manera que se garantiza que las fuerzas impulsoras en el tope y en el fondo de la torre sean

iguales.

Experimentalmente se encontr:

Equilibrio

X Y

0.238 0.0889

0.2593 0.0887

0.2857 0.0979

0.3333 0.1413

0.3548 0.1731

0.371 0.2021

0.3865 0.2334

0.4048 0.2745

a) Determine el porcentaje de aumento en la concentracin de agua una vez abandone la

columna.

b) La pendiente de la lnea de operacin.

c) Flujos de gas y liquido si se desean extraer 2000 kg de acido clorhdrico en 4 horas.

d) Los flujos instantneos en el tope y en el fondo de la columna.

e) Las composiciones en la interface.

Ejercicio 2

Una torre de paredes mojadas se alimenta con soda caustica como liquido en la pared y una

mezcla de CO2-AIRE como gas en la parte central. A cierto nivel de la torre las concentraciones son:

215 ppm de CO2 en el aire y 61ppm en el lquido.

T=26.7C; P=1atm. Se conoce tambin que m=3.6111

Equilibrio

X(ppm) Y(ppm)

15 185

25 325

36 390

45 415

53 444

68 462

79 534

88 615

a) Hallar:

y el porcentaje de resistencia a la fase gaseosa y la fase liquida.

b) Para

encontrar y

Ejercicio 3.

El soluto A se absorbe de una mezcla gaseosa de A y B en una torre de paredes mojadas por el lquido que fluye hacia abajo por la pared como pelcula. En un punto de la torre la concentracin general del gas es yAG = 0.380 fraccin mol y la concentracin general de lquido es xAL = 0.100. La torre opera a 298 K y 1.013 x 105 Pa y los datos de equilibrio son: x 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 y 0 0.022 0.052 0.087 0.231 0.187 0.265 0.385 Mediante correlaciones para soluciones diluidas en torres de paredes mojadas, se predice que el coeficiente de pelcula de transferencia de masa para A en la fase gaseosa es kY = 1.465x10-3 kg mol A / s m2 fraccin mol y para la fase lquida es kX = 1.967 x 10-3 kg mol A/ s m2 fraccin mol. Las concentraciones en la interfaz son yAi = 0.197 y xAi = 0.257 y el flujo especfico es NA = 3.78 x 10-4 kg mol / s m2.

Considere que: a) Existe una difusin equimolar de A y B en sentidos opuestos. b) El soluto A se difunde a travs de B en reposo en la fase gaseosa y despus, a travs de un lquido que no se difunde. Calcule los coeficientes globales de transferencia de masa KX y KX, el flujo especfico y el porcentaje de resistencia en la pelcula gaseosa.

Ejercicio 4 Se absorber NH3 de aire a 68F a presin atmosfrica en una torre rellena en contracorriente utilizando agua como absorbente. Se usar un flujo de gas a la entrada de 1540 ft3/h y un caudal de agua, libre de amonaco, de 75 lb/h.

a) Si la concentracin de NH3 debe reducirse de 3.52 a 1.29% en volumen, determinar la

relacin (Ls/Gs) real/(Ls/Gs)mnimo. Los datos de equilibrio para el sistema a 68F y 1 atm son los siguientes:

X, lbmol NH3/lbmol H2O 0.0164 0.0252 0.0349 0.0455 0.0722

Y, lbmol NH3/lbmol aire 0.021 0.032 0.042 0.053 0.08

Ahora se pretende realizar la misma absorcin pero en cocorriente y utilizando una corriente

de agua equivalente a 1.37 veces el caudal mnimo. Determinar:

b) (Ls/Gs)mnimo c) El caudal de agua de operacin. d) La concentracin de NH3 en el agua de salida de la torre.

Ejercicio 5 Ejemplo 5.2 Treibal. Pg 147 Cuando cierta muestra de jabn hmedo se expone al aire a 75 C, 1 atm de presin, la distribucin en el equilibrio de la humedad entre el aire y el jabn es la siguiente: % en peso de humedad en el jabn

0 2.40 3 .76 4.76 6.10 7.83 9.90 12.63 15 .40 19. 02

Presin parcial de agua en el aire, mm Hg

0 9.66 19.20 28.4 37.2 46.4 5 5 . 0 63.2 71.9 79.5

a) Se colocaron 10 kg de jabn hmedo que contena un 16.7% en peso de humedad, en un tanque que contena 10 m3 de aire hmedo, cuyo contenido inicial de humedad corresponda a la presin parcial agua-vapor de 12 mm Hg. Despus de que el jabn alcanzo un contenido de humedad de 13.0%, el aire en el tanque se reemplaz completamente por aire fresco con el contenido original de humedad y se le permiti al sistema alcanzar el equilibrio. La presin total y la temperatura se mantuvieron a 1 atm y 75 C, respectivamente. cul ser el contenido final de humedad del jabn? . b) Se desea secar el jabn de 16.7 a 4% de humedad continuamente en una corriente de aire a contracorriente cuya presin parcial agua-vapor inicial es 12 mm Hg. La presin y la temperatura se mantuvieron a 1 atm y 75 C. Para 1 kg inicial de jabn hmedo, cul es la cantidad mnima de aire que se requiere? c) Si se utiliza 30% ms de aire que el determinado en (b), cul ser el contenido en humedad del aire que abandona el secador? A cuntas etapas ideales ser equivalente el proceso?.

Ejercicio 6 Para recuperar el benceno contenido en una mezcla de benceno aire de composicin 6% en volumen de benceno se trata en contracorriente en una torre de absorcin, empleando como lquido absorbente un hidrocarburo no voltil de peso molecular 250. La mezcla gaseosa entra en el absorbedor a razn de 500 m3/h a 20C y 1 atm; la absorcin se efecta isotrmicamente e isobricamente a 20C y 1 atm y puede suponerse que la solubilidad del benceno en el hidrocarburo se ajusta a la Ley de Raoult. Calclese:

a) La cantidad mnima de hidrocarburo a emplear si ha de recuperarse el 95% de benceno.

b) El nmero de etapas tericas de la torre de absorcin, si la cantidad de hidrocarburo empleado es 60% superior a la mnima.

Presin de vapor del benceno a 20C es de 76 mmHg. SOLUCIN

a) De acuerdo a la ley de Raoult adems la absorcin se efecta isotrmicamente e isobricamente.

PT*y=pA*x

Para expresar la lnea de operacin como una lnea recta:

;

Entonces:

Hallamos entonces los datos para el equilibrio: Y 0 0.005 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 X 0 0.05235 0.1098 0.2438 0.4110 0.6234 0.9087 1.3041 1.891

Benceno la entrada: 20.81*0.06=1.249 Kmol/h Benceno adsorbido 1.249*0.95=1.186 Kmol/h Benceno sin adsorberse 1.248-1.186=0.062 En el tope

( ) ( )

(

)

De la grfica

(

)

( )

La cantidad de hidrocarburo sera:

( )

b) La relacin (

) sera:

(

) (

) (

)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0 0,5 1 1,5 2

El nmero de etapas es aproximadamente 6. Ejercicio 7 Una solucin acuosa que contiene un soluto valioso esta colorada con pequeas cantidades de una impureza, antes de la cristalizacin se va a eliminar la impureza por adsorcin sobre un carbn decolorante que solo adsorbe cantidades insignificantes de soluto principal, mediante una serie de pruebas se estableci el siguiente equilibrio. X(unidad de color adsorbido/kg de carbn)

1080 1000 825 663 395 223

Y(unidades de color adsorbido/kg de solucin)

9.6 8.6 6.3 4.3 1.7 0.7

Se desea reducir el color al 10% del valor original (9.6). Calcular la cantidad de carbn fresco que se requiere por 1000g de solucin para una operacin a una etapa, para un proceso de dos etapas a corriente cruzada que utiliza la misma cantidad total de carbn y para una operacin en dos etapas a contracorriente.

DESTILACIN Ejercicio 1 Los datos vapor lquido a 1 atm, los calores de solucin, las capacidades calorficas y los calores latentes de evaporacin para el sistema acetona agua son:

Una mezcla lquida que contiene 60% mol de acetona y 40% mol de agua a 26.7C, se va a evaporar instantnea y continuamente a 1 atm de presin, para evaporar el 30% mol de la alimentacin. a) Cul ser la composicin de los productos y la temperatura en el separador, si se establece el equilibrio? b) Cunto calor, en kJ/kmol de alimentacin, se requiere? Ejercicio 2 Se destila diferencialmente la solucin lquida del problema anterior a 1 atm de presin para evaporar el 30% en mol de la alimentacin. Calcule la composicin del destilado, y del residuo compuesto. Compare con los resultados del problema anterior.

Ejercicio 3 Una columna de destilacin continua que posee 5 platos tericos se utiliza para separar 1000 kg/h de mezcla de A y B de composicin 20% molar en A en un producto de cabeza con 90% molar en A y otro de fondo con 10% molar en A. Esta separacin se logra con una temperatura de alimentacin de 50C. La temperatura de ebullicin de la mezcla de alimentacin es de 200C y la de condensacin del destilado a xD = 0.9 es de 180C. Otros datos son: CpA = 4.061 kJ/kg K A = 628 kJ/kg MA = 105 CpB = 3.852 kJ/kg K B = 502.4 kJ/kg MA = 90 Datos de equilibrio del sistema (fracciones molares)

a) Calcular la masa de destilado y residuo, las relaciones de reflujo externa (R) e internas (L/G) en ambas zonas de enriquecimiento y agotamiento, los caudales de vapor en las secciones de enriquecimiento y agotamiento, e indicar el plato en el que entra la alimentacin. b) Si ahora incrementamos la temperatura de alimentacin hasta 190C y mantenemos constante su caudal y su composicin y las relaciones de reflujo en ambas zonas, calcular las composiciones y caudales del destilado y residuo a obtener. c) Alimentando a 190C y deseando un destilado de composicin xD = 0.1 y un residuo con xW = 0.9, calcular las relaciones de reflujo externa e internas que cumplan con lo solicitado.

Ejercicio 4 Debe proyectarse una columna de destilacin continua para separar 2000 kg/h de una mezcla de metanol/agua, de composicin 30% en peso de metanol en un producto de cabeza y otro de cola de composiciones 95% y menor del 4% en peso de metanol respectivamente.

Determinar: a) La cantidad de destilado y residuo obtenidos por hora. b) La relacin de reflujo mnima si la alimentacin entra en un plato intermedio de la columna como mezcla de lquido y vapor saturado en la proporcin 3 a 1 (en peso). c) El nmero de platos necesarios si la relacin de reflujo empleada es un 42% superior a la mnima y la eficiencia media de los platos es de un 69%. d) El plato real de alimentacin. e) La relacin de reflujo a emplear en la columna ya construida si la alimentacin entra como vapor saturado. Datos de equilibrio del sistema (en fracciones msicas)

Ejercicio 5 Una columna de rectificacin de 3 platos ideales se alimenta de 0.4% mol de NH3 y 99.6% mol de agua. La alimentacin es vapor saturado y entra entre los platos 2 y 3. Ln = 1,35. La vaporizacin en el intercambiador de calor es 0.7 mol/molF. El equilibrio viene dado por y=12.6x. Calcular fraccin mol de amoniaco en:

a) Producto residual que sale del hervidor. b) El destilado. c) El lquido de reflujo que sale del plato de alimentacin.

Ejercicio 6 Una corriente de alimentacin liquida en su punto de ebullicin contiene 3.3% mol de etanol y 96.7% mol de agua y entra por el plato superior de una torre de empobrecimiento. Se inyecta el vapor saturado directamente al lquido en el fondo de la torre. El vapor superior que se extrae contiene 99% del alcohol de la alimentacin. Suponga derrame equimolar.

a) Para un nmero infinito de etapas tericas, calcule el mnimo de moles de vapor necesarias por mol de alimentacin.

b) Empleando el doble del mnimo de moles de vapor, calcule el nmero de etapas, composiciones del vapor superior y del residuo.

Ejercicio 7 Se desea destilar una alimentacin de etanol-agua que contiene 50% en peso de etanol a 101.3 kpa, para obtener un destilado con 85% de etanol, un residuo en el que no se pierde ms del 2% de etanol alimentado y su entalpia es de 100.16 Kj/kg. La relacin de reflujo interna en la zona de enriquecimiento (L/G), que es el doble de la relacin de reflujo interna mnima, en dicha zona se estima que estas consideraciones, la eficiencia global de la torre ser de 57%. Calcular:

a) Numero de platos ideales y reales. b) Caudales de residuo y destilado en Kg/h y la capacidad de produccin de vapor

del rehervidor. c) Carga trmica del rehervidor y del destilado.

Cp etanol liquido=2.64 Kj/kg*C Cp agua lquida= 4.189 Kj/kg*C Fraccin msica etanol Entalpia lquida (Kj/kg) Entalpia vapor (Kj/kg) 0 418.9 2675 0.1 371.7 2517 0.3 314 2193 0.5 285.9 1870 0.7 258.4 1544 0.9 224.7 1223 1 207.0 1064

Todas las entalpias estn referidas a 0C Equilibrio liquido vapor a 101.3 kpa (en fraccin msica de etanol) x 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 y 0 0.525 0.65 0.7 0.74 0.76 0.8 0.82 0.85 0.91 1

Ejercicio 8 Una columna de rectificacin en continuo se usa para separar 20000 kg/h de una mezcla de cloroformo-benceno cuya composicin es 0.35 molar de cloroformo, para suministrar un producto de cabeza de composicin 0.97 en fraccin molar de cloroformo y producto de fondo de composicin 0.97 molar de benceno. La columna ha de trabajar a la presin atmosfrica, y la alimentacin entrara a 16C. La cabeza de la columna va provista de un condensador total, y tanto el reflujo como el producto destilado salen del condensador a la temperatura de condensacin. Calcular:

1) Caudales de alimentacin, producto de cabeza y producto de fondo. 2) La ecuacin de la recta q. 3) La relacin de reflujo mnimo. 4) El nmero mnimo de platos tericos. 5) Ecuacin de la recta, seccin de enriquecimiento y empobrecimiento si la relacin de

reflujo es de 20% superior a la mnima. 6) El nmero de platos tericos y la posicin del plato de alimentacin. 7) Calor retirado en el condensador.

Los datos de equilibrio cloroformo benceno a presin atmosfrica. (Composiciones en fraccin molar)

Dentro del intervalo de temperaturas de operacin pueden tomarse los siguientes valores medios para los calores especficos y para los calores latentes.

Cloroformo: Cp=0.23 Kca/KgC =6800 Kcal/Kmol

Benceno: Cp=0.44 Kca/KgC =7420 Kcal/Kmol

El valor medio de la volatilidad relativa es =1.70

El peso molecular promedio ser: El flujo de alimentacin:

1. Haciendo un balance de masa total y de soluto: Resolviendo el anterior sistema,

2. Para determinar la recta q, hay que calcular la fraccin liquida, por lo que

debemos tener las entalpias del lquido y vapor saturados, as como la de la alimentacin.

El calor especfico promedio ser:

De los datos de equilibrio, la temperatura de ebullicin de la mezcla correspondiente a la composicin de la alimentacin es T=76.8C ( ) ( )

Suponiendo que la temperatura de referencia es de 0C, y tomando el promedio.

Sabiendo que es igual al calor latente de vaporizacin de la alimentacin.

Ahora s:

Entonces

La pendiente de la recta ser

. El corte ser

La ecuacin de la recta q es entonces:

3. La relacin de reflujo mnimo la obtenemos grficamente

En el punto Pinch y

Obteniendo:

86

4. Se pude determinar grficamente o analticamente. Analticamente obtenemos:

((

) (

))

= ((

) (

))

5. La relacin de reflujo a emplear ser:

La ecuacin de la recta superior:

6. El nmero de platos tericos se hace partir de la grfica.

El nmero de platos aproximado es de 24, es decir 23 + el reervidor. El plato de alimentacin es el nmero 7.

7. Para calcular el calor retirado del condensador se realiza los balances de energa correspondientes:

S: y adems de un balance en el condensador V=L+D Entonces ( ) De un balance de la seccin superior:

Entonces: ( )

DISEO DE TORRES EMPACADAS Y DE PLATOS

1. Se debe llevar a cabo una desorcin con vapor de agua de una solucin acuosa de metanol. Las condiciones elegidas para el proyecto son:

Vapor: 0.2 kmol/s, 18% molar de metanol Lquido: 0.6 kmol/s, 2.9% molar de metanol T=368K P=101.3 kPa. Se proyect una torre de bandejas perforadas dando un dimetro de 1.57 m. Se desea saber qu dimetro de torre obtendramos para los siguientes proyectos: a) Torre de bandejas con casquetes de burbujeo b) Torre rellena con: anillos Raschig cermicos de 25 mm Monturas Berl de 25 mm Anillos Pall de 25 mm (de plstico) Adoptar una cada de presin de 327 Pa de agua/m de relleno en todos los casos.

2. Se desea calcular el dimetro de la torre, necesario para una absorcin isotrmica, en la cual se absorber el 95% de amonaco contenido en una mezcla amonaco-aire, que posee a la entrada del equipo 2% en volumen de NH3.

El gas se tratar en contracorriente con agua, a un caudal de 1.8 veces el mnimo. La torre operar isotrmicamente a 28C y 1 atm, con un caudal de gas de 3000 kg/h. El relleno ser de anillos Raschig cermicos de 25 mm y la torre operar al 60% de su velocidad de inundacin. A 28C, las soluciones de NH3-agua siguen la ley de Henry hasta el 5% molar de NH3 en el lquido, siendo m = 1.41. Datos: Viscosidad del lquido: 9.5 10-5 N/s m2, densidad del gas a la entrada: 1.17 kg/m3.

ABSORCIN DE GASES EN TORRES EMPACADAS Y DE PLATOS

3. Se absorbe SO2 del aire en agua a 20C, en una columna de planta piloto empacada con anillos Rasching metlicos. La seccin empacada mide 10m de altura. La presin total es 741mmHg. El agua que entra es pura con un flux de 100lb/ft

2h. El agua que sale contiene

una fraccin molar de 0,001 de SO2 y la concentracin del gas de entrada .es de 0,03082 fraccin molar. Ls/Gs=15. La constante de la ley de Henry es H=22,5mmHg/fraccin mol de SO2 lquido. a) (5ptos) Determine si la resistencia de la fase gaseosa o la fase lquida controlan el

proceso de absorcin b) (15ptos) Calcular HtL

Informacin adicional

1

K X=

1

k x+

1

Hky

entrada

salida

entradasalida

entradasalida

tLxAxA

xAxA

xAxAxAxA

xAxA=N ln

4. Se est absorbiendo sulfuro de hidrgeno en agua a 15C. El agua que entra es pura. El

gas alimentado contiene 0.0012 fraccin molar de sulfuro de hidrgeno y se desea eliminar

97% del mismo con el agua. La tasa total de flujo de gas es 10 kgmol/h. La tasa total de

flujo de lquido es 2000 kgmol/h. La presin total es 2.5 atm. Puede suponer soluciones

diluidas. Los datos de equilibrio vienen representados por la siguiente ecuacin:

Presin parcial de sulfuro de hidrgeno (atm) = 423 x

Siendo x la fraccin molar de sulfuro de hidrgeno en agua.

a) Calcule las fracciones molares de sulfuro de hidrgeno en el gas y en el lquido de salida. b) Calcule la cantidad de etapas de equilibrio necesarias, usando un Diagrama de Mc Cabe-

Thiele. Corroborarlo utilizando la ecuacin analtica correspondiente. c) Si L/V = M * (L/V)min calcule el multiplicador M (M>1) d) Por qu no es prctica esta operacin? Qu hara un ingeniero para hacerlo prctico?

d. No es recomendable esta operacin ya que prcticamente se esta trabajando con el caudal mnimo, por esto no esta dando tantos platos, lo cual no resulta viable econmicamente.

5. Determinar el dimetro de la torre y la altura de relleno necesaria para un proceso de absorcin isotrmica en el cual se desorber acetona de una mezcla acetona-aire (1.5% de acetona en volumen) con agua en contracorriente en forma continua. El caudal de agua ser de 1.5 veces el mnimo y se desea absorber el 98% de la acetona del gas de entrada. El caudal gaseoso a tratar ser de 450 kg/h. Considerar la solucin gaseosa con comportamiento ideal. El relleno estar compuesto por anillos Raschig de 2 y se operar la torre al 50% de su velocidad de inundacin. La relacin de equilibrio es y = 2.47 x. La temperatura de operacin es de 75C y la presin de 1 atm. Considerar, para simplificar los clculos, que las propiedades del lquido a la salida de la torre son iguales a las del agua, y las del gas a la salida iguales a las del gas de entrada.

DAB = 341.88 cm2/h (acetona-aire)

DAB = 0.0447 cm2/h (acetona-agua)