Subido por qqmcatlnwjxilxahsf

ercicios-auxiliatura

Anuncio
ABSORCIÓN
Ejercicio 1
En una torre se extrae acido clorhídrico difundido en aire mediante una solución acuosa que tiene
0.350 [kmol de acido clorhídrico/kmol de solución], esta concentración se eleva después del paso
por la columna, mientras que la concentración en el aire en el mismo tiempo desciende des 0.3
hasta 0.165 [kmol de acido clorhídrico/kmol de gas] en el tope de la columna. La operación 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 encontró:
Equilibrio
X
0.238
0.2593
0.2857
0.3333
0.3548
0.371
0.3865
0.4048
Y
0.0889
0.0887
0.0979
0.1413
0.1731
0.2021
0.2334
0.2745
a) Determine el porcentaje de aumento en la concentración de agua una vez abandone la
columna.
b) La pendiente de la línea de operación.
c) Flujos de gas y liquido si se desean extraer 2000 kg de acido clorhídrico en 4 horas.
d) Los flujos instantáneos 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 líquido.
T=26.7°C; P=1atm. Se conoce también que m’’=3.6111
Equilibrio
X(ppm)
15
25
36
45
53
68
79
88
a) Hallar:
b) Para
Y(ppm)
185
325
390
415
444
462
534
615
y el porcentaje de resistencia a la fase gaseosa y la fase liquida.
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 líquido que fluye hacia abajo por la pared como película. En un punto
de la torre la concentración general del gas es yAG = 0.380 fracción mol y la
concentración general de líquido es xAL = 0.100. La torre opera a 298 K y 1.013 x 105
Pa y los datos de equilibrio son:
x
y
0
0
0.05
0.022
0.10
0.052
0.15
0.087
0.20
0.231
0.25
0.187
0.30
0.265
0.35
0.385
Mediante correlaciones para soluciones diluidas en torres de paredes mojadas, se
predice que el coeficiente de película de transferencia de masa para A en la fase
gaseosa es kY = 1.465x10-3 kg mol A / s m2 fracción mol y para la fase líquida es kX =
1.967 x 10-3 kg mol A/ s m2 fracción mol. Las concentraciones en la interfaz son yAi =
0.197 y xAi = 0.257 y el flujo específico es NA = 3.78 x 10-4 kg mol / s m2.
Considere que:
a) Existe una difusión equimolar de A y B en sentidos opuestos.
b) El soluto A se difunde a través de B en reposo en la fase gaseosa y después, a través
de un líquido que no se difunde.
Calcule los coeficientes globales de transferencia de masa KX y KX, el flujo específico y
el porcentaje de resistencia en la película gaseosa.
Ejercicio 4
Se absorberá NH3 de aire a 68ºF a presión atmosférica en una torre rellena en contracorriente
utilizando agua como absorbente. Se usará un flujo de gas a la entrada de 1540 ft3/h y un
caudal de agua, libre de amoníaco, de 75 lb/h.
a) Si la concentración de NH3 debe reducirse de 3.52 a 1.29% en volumen, determinar la
relación (Ls/Gs) real/(Ls/Gs)mínimo. Los datos de equilibrio para el sistema a 68ºF 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 absorción pero en cocorriente y utilizando una corriente
de agua equivalente a 1.37 veces el caudal mínimo. Determinar:
b) (Ls/Gs)mínimo
c) El caudal de agua de operación.
d) La concentración de NH3 en el agua de salida de la torre.
Ejercicio 5
Ejemplo 5.2 Treibal. Pág 147
Cuando cierta muestra de jabón húmedo se expone al aire a 75 °C, 1 atm de presión, la
distribución en el equilibrio de la humedad entre el aire y el jabón es la siguiente:
% en peso de
humedad
en el jabón
0
2.40
3 .76
4.76
6.10
7.83
9.90
12.63
15 .40
19. 02
Presión parcial
de agua
en el aire, mm
Hg
0
9.66
19.20
28.4
37.2
46.4
55.0
63.2
71.9
79.5
a) Se colocaron 10 kg de jabón húmedo que contenía un 16.7% en peso de humedad, en un
tanque que contenía 10 m3 de aire húmedo, cuyo contenido inicial de humedad correspondía
a la presión parcial agua-vapor de 12 mm Hg. Después de que el jabón alcanzo un contenido
de humedad de 13.0%, el aire en el tanque se reemplazó completamente por aire fresco con el
contenido original de humedad y se le permitió al sistema alcanzar el equilibrio. La presión
total y la temperatura se mantuvieron a 1 atm y 75 °C, respectivamente.
¿cuál será el contenido final de humedad del jabón? .
b) Se desea secar el jabón de 16.7 a 4% de humedad continuamente en una corriente de aire a
contracorriente cuya presión parcial agua-vapor inicial es 12 mm Hg. La presión y la
temperatura se mantuvieron a 1 atm y 75 °C. Para 1 kg inicial de jabón húmedo, ¿cuál es la
cantidad mínima de aire que se requiere?
c) Si se utiliza 30% más de aire que el determinado en (b), ¿cuál será el contenido en humedad
del aire que abandona el secador? ¿A cuántas etapas ideales será equivalente el proceso?.
Ejercicio 6
Para recuperar el benceno contenido en una mezcla de benceno aire de composición
6% en volumen de benceno se trata en contracorriente en una torre de absorción,
empleando como líquido absorbente un hidrocarburo no volátil de peso molecular
250. La mezcla gaseosa entra en el absorbedor a razón de 500 m3/h a 20°C y 1 atm; la
absorción se efectúa isotérmicamente e isobáricamente a 20°C y 1 atm y puede
suponerse que la solubilidad del benceno en el hidrocarburo se ajusta a la Ley de
Raoult.
Calcúlese:
a) La cantidad mínima de hidrocarburo a emplear si ha de recuperarse el 95% de
benceno.
b) El número de etapas teóricas de la torre de absorción, si la cantidad de
hidrocarburo empleado es 60% superior a la mínima.
Presión de vapor del benceno a 20°C es de 76 mmHg.
SOLUCIÓN
a) De acuerdo a la ley de Raoult además la absorción se efectúa isotérmicamente e
isobáricamente.
PT*y=pA*x
Para expresar la línea de operación como una línea recta:
;
Entonces:
Hallamos entonces los datos para el equilibrio:
Y
X
0
0
0.005
0.01
0.05235 0.1098
0.02
0.2438
0.03
0.4110
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
(
( )
(
)
)
0.04
0.6234
0.05
0.9087
0.06
0.07
1.3041 1.891
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
0,5
1
1,5
2
De la gráfica
( )
(
)
La cantidad de hidrocarburo sera:
(
)
b) La relación ( ) sera:
( )
(
)
(
)
El número de etapas es aproximadamente 6.
Ejercicio 7
Una solución acuosa que contiene un soluto valioso esta colorada con pequeñas
cantidades de una impureza, antes de la cristalización se va a eliminar la impureza por
adsorción sobre un carbón decolorante que solo adsorbe cantidades insignificantes de
soluto principal, mediante una serie de pruebas se estableció el siguiente equilibrio.
X(unidad de 1080
1000
825
663
395
223
color
adsorbido/kg
de carbón)
Y(unidades
9.6
8.6
6.3
4.3
1.7
0.7
de
color
adsorbido/kg
de solución)
Se desea reducir el color al 10% del valor original (9.6). Calcular la cantidad de carbón
fresco que se requiere por 1000g de solución para una operación a una etapa, para un
proceso de dos etapas a corriente cruzada que utiliza la misma cantidad total de
carbón y para una operación en dos etapas a contracorriente.
DESTILACIÓN
Ejercicio 1
Los datos vapor – líquido a 1 atm, los calores de solución, las capacidades caloríficas y los calores
latentes de evaporación para el sistema acetona – agua son:
Una mezcla líquida que contiene 60% mol de acetona y 40% mol de agua a 26.7ºC, se va a
evaporar instantánea y continuamente a 1 atm de presión, para evaporar el 30% mol de la
alimentación.
a) Cuál será la composición de los productos y la temperatura en el separador, si se establece el
equilibrio?
b) Cuánto calor, en kJ/kmol de alimentación, se requiere?
Ejercicio 2
Se destila diferencialmente la solución líquida del problema anterior a 1 atm de presión para
evaporar el 30% en mol de la alimentación. Calcule la composición del destilado, y del residuo
compuesto. Compare con los resultados del problema anterior.
Ejercicio 3
Una columna de destilación continua que posee 5 platos teóricos se utiliza para separar 1000 kg/h de
mezcla de A y B de composición 20% molar en A en un producto de cabeza con 90% molar en A y otro
de fondo con 10% molar en A. Esta separación se logra con una temperatura de alimentación de 50°C.
La temperatura de ebullición de la mezcla de alimentación es de 200°C y la de condensación del
destilado a xD = 0.9 es de 180°C. Otros datos son:
CpA = 4.061 kJ/kg K λA = 628 kJ/kg MA = 105
CpB = 3.852 kJ/kg K λB = 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 alimentación.
b) Si ahora incrementamos la temperatura de alimentación hasta 190°C y mantenemos constante su
caudal y su composición y las relaciones de reflujo en ambas zonas, calcular las composiciones y
caudales del destilado y residuo a obtener.
c) Alimentando a 190°C y deseando un destilado de composición x D = 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 destilación continua para separar 2000 kg/h de una mezcla de
metanol/agua, de composición 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 relación de reflujo mínima si la alimentación entra en un plato intermedio de la columna como
mezcla de líquido y vapor saturado en la proporción 3 a 1 (en peso).
c) El número de platos necesarios si la relación de reflujo empleada es un 42% superior a la mínima y la
eficiencia media de los platos es de un 69%.
d) El plato real de alimentación.
e) La relación de reflujo a emplear en la columna ya construida si la alimentación entra como vapor
saturado.
Datos de equilibrio del sistema (en fracciones másicas)
Ejercicio 5
Una columna de rectificación de 3 platos ideales se alimenta de 0.4% mol de NH3 y
99.6% mol de agua. La alimentación es vapor saturado y entra entre los platos 2 y 3.
Ln = 1,35. La vaporización en el intercambiador de calor es 0.7 mol/molF. El equilibrio
viene dado por y=12.6x.
Calcular fracción mol de amoniaco en:
a) Producto residual que sale del hervidor.
b) El destilado.
c) El líquido de reflujo que sale del plato de alimentación.
Ejercicio 6
Una corriente de alimentación liquida en su punto de ebullición 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 líquido en el fondo de
la torre. El vapor superior que se extrae contiene 99% del alcohol de la alimentación.
Suponga derrame equimolar.
a) Para un número infinito de etapas teóricas, calcule el mínimo de moles de
vapor necesarias por mol de alimentación.
b) Empleando el doble del mínimo de moles de vapor, calcule el número de
etapas, composiciones del vapor superior y del residuo.
Ejercicio 7
Se desea destilar una alimentación 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 más del 2% de etanol alimentado y su entalpia es de 100.16 Kj/kg. La relación
de reflujo interna en la zona de enriquecimiento (L/G), que es el doble de la relación
de reflujo interna mínima, en dicha zona se estima que estas consideraciones, la
eficiencia global de la torre será de 57%. Calcular:
a) Numero de platos ideales y reales.
b) Caudales de residuo y destilado en Kg/h y la capacidad de producción de vapor
del rehervidor.
c) Carga térmica del rehervidor y del destilado.
Cp etanol liquido=2.64 Kj/kg*°C
Cp agua líquida= 4.189 Kj/kg*°C
Fracción másica etanol
0
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1
Entalpia líquida (Kj/kg)
418.9
371.7
314
285.9
258.4
224.7
207.0
Entalpia vapor (Kj/kg)
2675
2517
2193
1870
1544
1223
1064
Todas las entalpias están referidas a 0°C
Equilibrio liquido vapor a 101.3 kpa (en fracción másica de etanol)
x
y
0
0
0.1
0.2
0.525 0.65
0.3
0.7
0.4
0.74
0.5
0.76
0.6
0.8
0.7
0.82
0.8
0.85
0.9
0.91
1
1
Ejercicio 8
Una columna de rectificación en continuo se usa para separar 20000 kg/h de una mezcla de
cloroformo-benceno cuya composición es 0.35 molar de cloroformo, para suministrar un producto
de cabeza de composición 0.97 en fracción molar de cloroformo y producto de fondo de
composición 0.97 molar de benceno. La columna ha de trabajar a la presión atmosférica, y la
alimentación entrara a 16°C. 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 condensación.
Calcular:
1)
2)
3)
4)
5)
Caudales de alimentación, producto de cabeza y producto de fondo.
La ecuación de la recta q.
La relación de reflujo mínimo.
El número mínimo de platos teóricos.
Ecuación de la recta, sección de enriquecimiento y empobrecimiento si la relación de
reflujo es de 20% superior a la mínima.
6) El número de platos teóricos y la posición del plato de alimentación.
7) Calor retirado en el condensador.
Los datos de equilibrio cloroformo benceno a presión atmosférica. (Composiciones en fracción
molar)
Dentro del intervalo de temperaturas de operación pueden tomarse los siguientes valores medios
para los calores específicos y para los calores latentes.
Cloroformo: Cp=0.23 Kca/Kg°C
λ=6800 Kcal/Kmol
Benceno:
λ=7420 Kcal/Kmol
Cp=0.44 Kca/Kg°C
El valor medio de la volatilidad relativa es α=1.70
El peso molecular promedio será:
El flujo de alimentación:
1. Haciendo un balance de masa total y de soluto:
Resolviendo el anterior sistema,
2. Para determinar la recta q, hay que calcular la fracción liquida, por lo que
debemos tener las entalpias del líquido y vapor saturados, así como la de la
alimentación.
El calor específico promedio será:
De los datos de equilibrio, la temperatura de ebullición de la mezcla correspondiente a
la composición de la alimentación es T=76.8°C
(
)
(
)
Suponiendo que la temperatura de referencia es de 0°C, y tomando el
Sabiendo que
promedio.
es igual al calor latente de vaporización de la alimentación.
Ahora sí:
Entonces
La pendiente de la recta será
La ecuación de la recta q es entonces:
. El corte será
3. La relación de reflujo mínimo la obtenemos gráficamente
En el punto Pinch
y
Obteniendo:
86
4. Se pude determinar gráficamente o analíticamente.
Analíticamente obtenemos:
((
=
((
) (
) (
))
))
5. La relación de reflujo a emplear será:
La ecuación de la recta superior:
6. El número de platos teóricos se hace partir de la gráfica.
El número de platos aproximado es de 24, es decir 23 + el reervidor.
El plato de alimentación es el número 7.
7. Para calcular el calor retirado del condensador se realiza los balances de
energía correspondientes:
Sí:
y además de un balance en el condensador V=L+D
Entonces
(
)
De un balance de la sección superior:
Entonces:
(
)
DISEÑO DE TORRES EMPACADAS Y DE PLATOS
1. Se debe llevar a cabo una desorción con vapor de agua de una solución acuosa
de metanol. Las condiciones elegidas para el proyecto son:
Vapor: 0.2 kmol/s, 18% molar de metanol
Líquido: 0.6 kmol/s, 2.9% molar de metanol
T=368K P=101.3 kPa.
Se proyectó una torre de bandejas perforadas dando un diámetro de 1.57 m. Se desea
saber qué diámetro de torre obtendríamos para los siguientes proyectos:
a) Torre de bandejas con casquetes de burbujeo
b) Torre rellena con: anillos Raschig cerámicos de 25 mm
Monturas Berl de 25 mm
Anillos Pall de 25 mm (de plástico)
Adoptar una caída de presión de 327 Pa de agua/m de relleno en todos los casos.
2. Se desea calcular el diámetro de la torre, necesario para una absorción
isotérmica, en la cual se absorberá el 95% de amoníaco contenido en una
mezcla amoníaco-aire, que posee a la entrada del equipo 2% en volumen de
NH3.
El gas se tratará en contracorriente con agua, a un caudal de 1.8 veces el mínimo. La
torre operará isotérmicamente a 28ºC y 1 atm, con un caudal de gas de 3000 kg/h.
El relleno será de anillos Raschig cerámicos de 25 mm y la torre operará al 60% de su
velocidad de inundación. A 28ºC, las soluciones de NH3-agua siguen la ley de Henry
hasta el 5% molar de NH3 en el líquido, siendo m = 1.41.
Datos:
Viscosidad del líquido: 9.5 10-5 N/s m2, densidad del gas a la entrada: 1.17 kg/m3.
ABSORCIÓN DE GASES EN TORRES EMPACADAS Y DE PLATOS
3. Se absorbe SO2 del aire en agua a 20°C, en una columna de planta piloto empacada con
anillos Rasching metálicos. La sección empacada mide 10m de altura. La presión total es
2
741mmHg. El agua que entra es pura con un flux de 100lb/ft h. El agua que sale contiene
una fracción molar de 0,001 de SO2 y la concentración del gas de entrada .es de 0,03082
fracción molar. Ls/Gs=15. La constante de la ley de Henry es H=22,5mmHg/fracción mol
de SO2 líquido.
a) (5ptos) Determine si la resistencia de la fase gaseosa o la fase líquida controlan el
proceso de absorción
b) (15ptos) Calcular HtL
Información adicional
1
1
1
= +
K X k x Hky
N tL =
 xA   xAsalida 
xAsalida  xAentrada
 ln 
xA   xAsalida  xA   xAentrada  xA   xAentrada 
4. Se está absorbiendo sulfuro de hidrógeno en agua a 15ºC. El agua que entra es pura. El
gas alimentado contiene 0.0012 fracción molar de sulfuro de hidrógeno 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 líquido es 2000 kgmol/h. La presión total es 2.5 atm. Puede suponer soluciones
diluidas. Los datos de equilibrio vienen representados por la siguiente ecuación:
Presión parcial de sulfuro de hidrógeno (atm) = 423 x
Siendo x la fracción molar de sulfuro de hidrógeno en agua.
a) Calcule las fracciones molares de sulfuro de hidrógeno en el gas y en el líquido de salida.
b) Calcule la cantidad de etapas de equilibrio necesarias, usando un Diagrama de Mc CabeThiele. Corroborarlo utilizando la ecuación analítica correspondiente.
c) Si L/V = M * (L/V)min calcule el multiplicador M (M>1)
d) ¿Por qué no es práctica esta operación? ¿Qué haría un ingeniero para hacerlo práctico?
d. No es recomendable esta operación ya que prácticamente se esta trabajando con el caudal
mínimo, por esto no esta dando tantos platos, lo cual no resulta viable económicamente.
5. Determinar el diámetro de la torre y la altura de relleno necesaria para un proceso de
absorción isotérmica en el cual se desorberá acetona de una mezcla acetona-aire (1.5% de
acetona en volumen) con agua en contracorriente en forma continua. El caudal de agua
será de 1.5 veces el mínimo y se desea absorber el 98% de la acetona del gas de entrada.
El caudal gaseoso a tratar será de 450 kg/h. Considerar la solución gaseosa con
comportamiento ideal. El relleno estará compuesto por anillos Raschig de 2” y se operará
la torre al 50% de su velocidad de inundación. La relación de equilibrio es y = 2.47 x. La
temperatura de operación es de 75ºC y la presión de 1 atm. Considerar, para simplificar los
cálculos, que las propiedades del líquido 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.
2
DAB = 341.88 cm /h (acetona-aire)
2
DAB = 0.0447 cm /h (acetona-agua)
Descargar