325277058-Tarea-1-Absorcion.pdf

(1)

ITESO ITESO

Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente

Departamento de Procesos Tecnológicos e

Departamento de Procesos Tecnológicos e IndustrialesIndustriales

Procesos de Separación I Procesos de Separación I

Autor:

Autor: Pablos Hernández Sánchez Pablos Hernández Sánchez Expediente:Expediente: 692289 692289 Fecha de entrega:

Fecha de entrega: martes 30 de agosto del 2016 martes 30 de agosto del 2016 Actividad:Actividad: Tarea #1 Absorción Tarea #1 Absorción Docente:

Docente: Dr. Víctor Sevilla GüitrónDr. Víctor Sevilla Güitrón

Problema 10.6-3. Absorción de amoniaco en una torre de platos.

Problema 10.6-3. Absorción de amoniaco en una torre de platos. Se usa una torre de Se usa una torre de platos para

platos para eliminar el eliminar el 99% 99% del del amoniaco de amoniaco de una una corriente de corriente de aire de aire de entrada qentrada que contienue contienee 6% mol de amoniaco a 293 K y 1.013x

6% mol de amoniaco a 293 K y 1.013x101055 Pa. El gasto de agua pura de entrada es de 188 kg Pa. El gasto de agua pura de entrada es de 188 kg de H

de H22O/hrmO/hrm22 y el flujo de aire inerte e de 128 kg de aire/hrm y el flujo de aire inerte e de 128 kg de aire/hrm22. Calcule el número de platos. Calcule el número de platos

teóricos necesarios. (Use datos de equilibrio del apéndice A.3). Para

teóricos necesarios. (Use datos de equilibrio del apéndice A.3). Para el extremo diluido de lael extremo diluido de la torre, trace un diagrama ampliado para aprox

torre, trace un diagrama ampliado para aproximar el número de platos con más imar el número de platos con más precisión.precisión. Solución

Solución

De acuerdo a la fenomenología del problema de separación, se presenta el siguiente diagrama: De acuerdo a la fenomenología del problema de separación, se presenta el siguiente diagrama:

T=293 K

P= 1 atm

L=188 kg H L=188 kg H22O/hrmO/hrm22 X XAA=0=0 V=128 kg de aire/hrm V=128 kg de aire/hrm22 yyBB=0.06=0.06 V=128 kg de aire/hrm V=128 kg de aire/hrm22 yyAA=0.0006=0.0006 L=188 kg H L=188 kg H22O/hrmO/hrm22 X XBB=?=?

Estableciendo la anterior imagen en flujos molares considerando que M

Estableciendo la anterior imagen en flujos molares considerando que Maireaire=29.0 kg/kmol y M=29.0 kg/kmol y MAguaAgua=18=18

kg/kmol, los flujos másicos en estado líquido es L=10.4444 kmol H

kg/kmol, los flujos másicos en estado líquido es L=10.4444 kmol H22O/hrmO/hrm22 y V=4.4138 kmol y V=4.4138 kmol

aire/hrm

aire/hrm22. Sea un balance global de caja. Sea un balance global de caja – – negra por especie de la columna de absorción: negra por especie de la columna de absorción:

 ̇ ̇++ ̇ ̇  = =  ̇ ̇



+ + ̇ ̇



Sustituyendo datos: Sustituyendo datos:

(4.4138

(4.4138 



_{ℎℎ ∙ ∙}



))0.06

0.06+(10.4444

+(10.4444 



ℎℎ ∙ ∙



))00

= (4.4138

= (4.4138 



_{ℎℎ ∙ ∙}



))0.0006

0.0006 +(10.4444

+(10.4444 



ℎℎ ∙ ∙



))



(2)

Sustituyendo para la incógnita de la anterior ecuación,

 



= 0.0251

. Sea la ecuación que . Sea la ecuación que rige la línearige la línea de operación:

de operación:





= = (())

_

+ +



= = 10.4444

10.4444 

_4.4138

_{4.4138 }

 

 

ℎ





ℎℎ ∙ ∙



  ++0.0.000006 06 = 2= 2.3.366663 3 ++0.0.00000606

De la obra de Geankoplis (2006),

De la obra de Geankoplis (2006), Procesos de transporte y principios de procesos de separación,Procesos de transporte y principios de procesos de separación, incluye operaciones unitarias

incluye operaciones unitarias (pp. 999), los datos de equilibrio para el sistema amoniaco(pp. 999), los datos de equilibrio para el sistema amoniaco – – agua a agua a 20°C son: 20°C son: X XAA PPAA (mm (mm Hg) Hg) YYAA 0 0 0 0 0 0 0.0208 0.0208 12 12 0.015790.01579 0.0309 18.2 0.02395 0.0309 18.2 0.02395 0.0405 24.9 0.03276 0.0405 24.9 0.03276 0.0503 31.7 0.04171 0.0503 31.7 0.04171 0.0737 50.0 0.06579 0.0737 50.0 0.06579 Sea la línea de eq

Sea la línea de equilibrio de los datos experimentales realmente útiles (resaltados en la uilibrio de los datos experimentales realmente útiles (resaltados en la anterior tabla)anterior tabla) empleados debido a las concentraciones presentes en el volumen de control:

empleados debido a las concentraciones presentes en el volumen de control:

 =  = (

 =  = (0.065790

0.065790

_{0.00.073737 7 00 ) = 0.8927}

) = 0.8927

El número de platos o etapas en equilibrio se calculan a partir de la relación existente de la línea de El número de platos o etapas en equilibrio se calculan a partir de la relación existente de la línea de equilibrio y la línea de operación calculadas anteriormente a partir de las concentraciones del gas y equilibrio y la línea de operación calculadas anteriormente a partir de las concentraciones del gas y el líquido presentes en las líneas de entrada y salida, respectivamente, de la columna de absorción: el líquido presentes en las líneas de entrada y salida, respectivamente, de la columna de absorción:

N°

N° plato plato Y Y X X Y* Y* XXi+1i+1

1 1 0.06 0.06 0.0251 0.0251 0.0224 0.0224 9.2156x109.2156x10-3-3 2 2 0.0224 0.0224 9.2156x109.2156x10-3-3 8.2267x108.2267x10-3-3 3.2231x103.2231x10-3-3 3 8.2267x10 3 8.2267x10-3-3 3.2231x103.2231x10-3-3 2.8772x102.8772x10-3-3 9.6236x109.6236x10-4-4 4 2.8772x10 4 2.8772x10-3-3 9.6236x109.6236x10-4-4 8.5910x108.5910x10-4-4 1.0949x101.0949x10-4-4 5 5 8.5910x108.5910x10-4-4 1.0949x101.0949x10-4-4 9.7742x109.7742x10-5-5 -2.1225x10-2.1225x10-4-4 Gráficamente, el número de platos teóricos se puede observar de la siguiente manera: Gráficamente, el número de platos teóricos se puede observar de la siguiente manera:

0 0 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 0.05 0.05 0.06 0.06 0 0 00..0022 00..0044 00..0066 00..0088 y y A A

x x_A_A

Línea de operación y de equilibrio

Línea de Operación Línea de Operación Línea de Equilibrio Línea de Equilibrio Platos téoricos Platos téoricos

(3)

Debido a las anteriores pruebas, puede observarse que el

Debido a las anteriores pruebas, puede observarse que el número de platos teóricos para dicho sistemanúmero de platos teóricos para dicho sistema oscila entre 4 y 5. Para descifrar lo anterior, Geankoplis (pp. 681) postula una ecuación analítica para oscila entre 4 y 5. Para descifrar lo anterior, Geankoplis (pp. 681) postula una ecuación analítica para el número teórico de platos o pasos:

el número teórico de platos o pasos:

  == l lnn[[







 



11/

_{lnln  }

11/+1/]

+1/]

Donde A=L/mV=2.6507. Sustituyendo datos para la anterior ecuación: Donde A=L/mV=2.6507. Sustituyendo datos para la anterior ecuación:

  == ln

ln 0.060

0.00060

0.0006011/2.6507

0.060

_{lnln2.6507}

11/2.6507+1/2.6507

_2.6507

+1/2.6507

= = ..  

 é

é

Problema 10.6-4. Flujo mínimo de líquido en una torre empacada.

Problema 10.6-4. Flujo mínimo de líquido en una torre empacada. La corriente de gasLa corriente de gas de un reactor químico contiene 25% mol de amoniaco y el resto son gases inertes. El flujo de un reactor químico contiene 25% mol de amoniaco y el resto son gases inertes. El flujo total 181.4 kg mol/h que pasan a una torre de absorción a 303 K y 1.013x10

total 181.4 kg mol/h que pasan a una torre de absorción a 303 K y 1.013x1055 Pa de presión Pa de presión en donde el líquido limpiador es agua que contiene 0.005 fracción mol de amoniaco. La en donde el líquido limpiador es agua que contiene 0.005 fracción mol de amoniaco. La concentración del gas de salida debe ser 2.0% mol de amoniaco. ¿Cuál es el flujo mínimo concentración del gas de salida debe ser 2.0% mol de amoniaco. ¿Cuál es el flujo mínimo L

Lminmin? Use 1.5 veces el mínimo para graficar las líneas de equilibrio y operación.? Use 1.5 veces el mínimo para graficar las líneas de equilibrio y operación.

Solución Solución

T=303 K

P= 1 atm

L=? kmol H L=? kmol H22O/hrO/hr

X XAA=0.005=0.005 V=181.4 kmol/hr V=181.4 kmol/hr yyBB=0.25=0.25 V=181.4 kmol/hr V=181.4 kmol/hr yyAA=0.02=0.02 L=? kmol H L=? kmol H22O/hrO/hr

X XBB=?=?

Debido a que el problema exhorta a calcular el flujo de líquido mínimo para que se lleve a cabo la Debido a que el problema exhorta a calcular el flujo de líquido mínimo para que se lleve a cabo la operación, es vital conocer la concentración del líquido en el equilibrio cuando y

operación, es vital conocer la concentración del líquido en el equilibrio cuando y b b=0.25. De la obra=0.25. De la obra

de Geankoplis (2006),

de Geankoplis (2006), Procesos de transporte y principios de procesos de separación, incluyeProcesos de transporte y principios de procesos de separación, incluye operaciones unitarias

operaciones unitarias (pp. 999), los datos de equilibrio útiles para el sistema amoniaco(pp. 999), los datos de equilibrio útiles para el sistema amoniaco – – agua a agua a 30°C son: 30°C son: X XAA PPAA(mm (mm Hg) Hg) YYAA 0 0 0 0 0 0 0.175 260 0.3421 0.175 260 0.3421

Sea la línea de equilibrio de los datos experimentales realmente útiles que son empleados debido a Sea la línea de equilibrio de los datos experimentales realmente útiles que son empleados debido a las concentraciones presentes en el volumen de control:

las concentraciones presentes en el volumen de control:

 =  = (

 =  = (0.34210

0.34210

_0.1750

_{0.1750 ) = 1.9549}

) = 1.9549

Por lo tanto, si

 

∗∗

==

 



(4)

(())



==  





∗∗

 

 



Sustituyendo datos: Sustituyendo datos:

(())



== 0.250.02

0.12790.005 = 1.8714

0.12790.005

0.250.02

= 1.8714

Por lo tanto, para determinar

Por lo tanto, para determinar L’min, basta con despejar la anterior ecuación de la siguiente manera:L’min, basta con despejar la anterior ecuación de la siguiente manera:





= 1

= 1.8.8717144∙∙



= 1.8

= 1.8717144∙∙18181.1.44

ℎℎ = .

= . 

 







De acuerdo a datos del p

De acuerdo a datos del problema, si (L/V)roblema, si (L/V)opop=1.5(L/V)=1.5(L/V)minmin entonces: entonces:

(())



= 1.5

= 1.51.8714

1.8714 = 2.8071

= 2.8071

Sea la ecuación de la línea de operación igual a: Sea la ecuación de la línea de operación igual a:





= = (())

_

 + +



= 

= ..++..

Gráficamente, las líneas de equilibrio y de operación lucen de la siguiente forma: Gráficamente, las líneas de equilibrio y de operación lucen de la siguiente forma:

Problema 10.6-6. Absorción de amoniaco en una torre empacada.

Problema 10.6-6. Absorción de amoniaco en una torre empacada. Una corriente de gasUna corriente de gas contiene 4.0% mol de NH

contiene 4.0% mol de NH33 y su contenido de amoniaco se reduce a 0.5% mol en una y su contenido de amoniaco se reduce a 0.5% mol en una torre detorre de

absorción empacada que opera a 293 K y 1.013x10

absorción empacada que opera a 293 K y 1.013x1055 Pa. El flujo de agua pura de entrada es Pa. El flujo de agua pura de entrada es de 68.0 kg mol/h y el flujo total de gas de entrada es de 57.8 kg mol/h. (El diámetro de la de 68.0 kg mol/h y el flujo total de gas de entrada es de 57.8 kg mol/h. (El diámetro de la torre es 0.747 m). Los coeficientes de transferencia de masa de película son k

torre es 0.747 m). Los coeficientes de transferencia de masa de película son k yy’a=0.0739 kg’a=0.0739 kg

mol/sm

mol/sm33fracción mol y k fracción mol y k xx’a=0.16’a=0.169 kg mol/sm9 kg mol/sm33fracción mol. Usando los métodos de diseñofracción mol. Usando los métodos de diseño

para mezclas de gases diluidos, determine a lo siguiente: para mezclas de gases diluidos, determine a lo siguiente: b) Calcule la altura de la torre usando K’

b) Calcule la altura de la torre usando K’yya.a.

Solución Solución

0 0 0.05 0.05 0.1 0.1 0.15 0.15 0.2 0.2 0.25 0.25 0 0 00..0055 00..11 00..1155 y y A A

x x_A_A

Línea de operación y de equilibrio

Línea de Operación Línea de Operación Línea de Equilibrio Línea de Equilibrio

(5)

T=293 K

P= 1 atm

L=68.0 kmol H L=68.0 kmol H22O/hrO/hr

X XAA=0=0 V=57.8 kmol/hr V=57.8 kmol/hr yyBB=0.04=0.04 V=57.8 kmol/hr V=57.8 kmol/hr yyAA=0.005=0.005 L=68.0 kmol H L=68.0 kmol H22O/hrO/hr

X XBB=?=?

Sea la relación de los coeficientes globales y locales de transferencia de masa dada por la siguiente Sea la relación de los coeficientes globales y locales de transferencia de masa dada por la siguiente ecuación:

ecuación:

11′′



== 11







+ + ′′



De la anterior ecuación, es necesario conocer la constante “k” dictaminada por la Ley de Henry para De la anterior ecuación, es necesario conocer la constante “k” dictaminada por la Ley de Henry para el sistema amoniaco

el sistema amoniaco – – agua. De la obra de Geankoplis (2006), agua. De la obra de Geankoplis (2006),Procesos de transporte y principiosProcesos de transporte y principios de procesos de separación, incluye operaciones unitarias

de procesos de separación, incluye operaciones unitarias (pp. 999), los datos de equilibrio útiles(pp. 999), los datos de equilibrio útiles para el sistema amoniaco

para el sistema amoniaco – – agua a 20°C son: agua a 20°C son: X XAA PPAA(mm (mm Hg) Hg) YYAA 0 0 0 0 0 0 0.0503 31.7 0.0416 0.0503 31.7 0.0416

Sea la línea de equilibrio de los datos experimentales realmente útiles que son empleados debido a Sea la línea de equilibrio de los datos experimentales realmente útiles que son empleados debido a las concentraciones presentes en el volumen de control:

las concentraciones presentes en el volumen de control:

 =  = (

 =  = (0.0.040416 

_{0.0.050503 }

16 00

_{03 00) = 0.82703}

) = 0.82703

Por lo tanto: Por lo tanto:

11′′



== 11

0.0739

0.0739



_

_

_{ ++}

0.169 0.169

0.82703



_

_

_

Despejando para K’y Despejando para K’yaa::

′′



= 0.0543

= 0.0543





_

 3600

3600

1ℎ1ℎ = 195.4800

= 195.4800 





_

ℎℎ

Sea la ecuación que rige la altura de unidades de transferencia (HTU), considerando que el área de Sea la ecuación que rige la altura de unidades de transferencia (HTU), considerando que el área de la sección transversal de la torre empacada

la sección transversal de la torre empacada es circular:es circular: 0.747 m

0.747 m

 =

 = //′′



== 57.8

57.8

ℎℎ//440.747

195.4800

195.4800 

0.747



_

_

_{ℎℎ = = 0.6747}





0.6747 

Para obtener el número de unidades de transferencia (NTU), es necesario determinar si las líneas de Para obtener el número de unidades de transferencia (NTU), es necesario determinar si las líneas de equilibrio y de operación de la columna de absorción son paralelas o no paralelas. A continuación, equilibrio y de operación de la columna de absorción son paralelas o no paralelas. A continuación, se muestra lo anterior mencionado:

(6)

El anterior gráfico denota que ambas líneas son

El anterior gráfico denota que ambas líneas son no paralelas,no paralelas, por ende, la ecuación para obtener el por ende, la ecuación para obtener el NTU será: NTU será:

 =

 =  



_∆∆

 





Donde: Donde:

∆∆



= =  



 

_{lnln[[}

∗∗



_

 



_∗∗

 



∗∗







 

∗∗

]]

Por ende, obteniendo las concentraciones en el equilibrio para las composiciones de entrada y de Por ende, obteniendo las concentraciones en el equilibrio para las composiciones de entrada y de salida de la torre de absorción:

salida de la torre de absorción: Sección

Sección x x yy yy** _(y-y_(y-y**₎₎

B 0.02975 B 0.0297511 0.04 0.02460 0.0154 0.04 0.02460 0.0154 A A 0 0 0.005 0.005 0 0 0.0050.005 Por lo tanto: Por lo tanto:

∆∆



= =  0.0154

0.0154  0.005

_{lnln[[0.0154}

0.0154

0.005

0.005

0.005 ] ] = 9.245010

= 9.245010

−−

Sustituyendo los valores obtenidos en la ecuación de NTU: Sustituyendo los valores obtenidos en la ecuación de NTU:

 =

 = 0.040.005

0.040.005

_9.245010

−−

= 3.7858

Si Si





= 

=  ∙∙

Sustituyendo valores: Sustituyendo valores:





= = 0.60.6747

747  ∙ ∙3.73.7858 = .

858 = .

1

1_{Este valor se obtuvo por medio de un balance de caja negra de la especie Amoniaco presente en el volumen}_{Este valor se obtuvo por medio de un balance de caja negra de la especie Amoniaco presente en el volumen}

de control de control 0 0 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 0.05 0.05 0.06 0.06 0 0 00..0011 00..0022 00..0033 00..0044 00..0055 00..0066 y y A A

x x_A_A

Línea de operación y de equilibrio

Línea de Operación Línea de Operación Línea de Equilibrio Línea de Equilibrio Platos téoricos Platos téoricos