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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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?.
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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
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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)