T = 298K P = 1 bar Líquido

MINISTERIO DE EDUCACIÓN - ARGENTINA
ACCEDE - INGENIERÍA QUÍMICA
PROBLEMA Nº 6
SITUACIÓN
Se desea reducir el contenido de dióxido de azufre de una corriente de aire, desde un 2% molar
hasta un 0.1% molar. Para ello se sugiere tratar el aire con agua líquida en contracorriente, en
una torre rellena que opera en estado estacionario a 298 K y 1 bar. A estas condiciones puede
suponerse que el agua no se evapora y que el aire no se disuelve en el agua. El agua ingresa a la
torre libre de SO 2 .
La siguiente figura esquematiza el proceso de absorción:
Gas tratado
H2 O
0.1% SO 2
T = 298K
P = 1 bar
Gas a tratar
2% SO2
A cierta altura de la torre de absorción se presenta el siguiente perfil de concentraciones en la
interfase gas-líquido:
NA
y AG = 0.0105
Líquido
y Ai = 0.01
Gas
xAi = 0.00025
xAL = 0.0002
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Donde:
NA : flujo molar de SO 2 desde el gas al líquido
yAG , yAi : fracciones molares de SO2 en el seno del gas y en la interfase respectivamente
xAL , xAi : fracciones molares del SO 2 en el seno del líquido y en la interfase respectivamente
Información a tener en cuenta
La relación de equilibrio entre fases gas-líquido está dada por la ley de Henry: p=Hx donde p
representa la presión parcial de SO 2 en el gas, x es la fracción molar de SO 2 en el agua y H es la
constante de Henry del SO 2 en agua. A la temperatura de operación del proceso H = 40 bar.
SUBPROBLEMA 6.1
¿Cuál es el caudal mínimo de agua necesario para efectuar la separación deseada, por cada
mol/h de gas a tratar?
RESPUESTA AL SUBPROBLEMA 6.1
La presión de operación de la columna es de 1 bar. Por lo tanto la relación de equilibrio resulta:
y = (H/P) x
→
y = 40 x
La corriente gaseosa a tratar es diluida. En consecuencia puede suponerse que los caudales
molares de las corrientes del proceso son constantes. El balance de masa para el soluto (SO 2 ) es:
G (yent – ysal ) = L (xsal – xent)
Las líneas de equilibrio y operación del proceso de absorción resultan en este caso líneas rectas
como las que se muestran en la siguiente figura:
y
línea de operación
yent
línea de equilibrio
ysal
x
El caudal mínimo de agua (Lmín) corresponde a una línea de operación de pendiente mínima
(Lmín/G) tal que la concentración de SO 2 en la corriente líquida es el valor x* en equilibrio con
la concentración yent
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y
yent
ysal
x*
x
(Lmín / G) = (yent – ysal) / (x* - 0) = (0.02 – 0.001) / (0.02/40)
Lmín / G = 38 moles de agua / mol de gas a tratar
SUBPROBLEMA 6.2
¿Qué efecto tiene aumentar la presión de operación de la columna sobre el caudal mínimo de
agua requerido para efectuar la separación deseada?
RESPUESTA AL SUBPROBLEMA 6.2
Un aumento en la presión de operación de la columna de absorción origina una disminución de
la pendiente de la línea de equilibrio (y = (H/P) x) y por ende un aumento de las fuerzas
impulsoras para la transferencia de masa del SO 2 desde el gas al líquido. Como consecuencia
disminuye el caudal mínimo de agua requerido para efectuar la separación deseada.
SUBPROBLEMA 6.3
Si la fuerza impulsora para la transferencia de masa en cada fase se expresa como diferencia de
fracciones molares y el coeficiente pelicular de transferencia de masa del lado del gas es k y = 0,4
mol /(s m2 ), ¿cuál es el flujo molar de SO 2 en la interfase y el valor del coeficiente del lado del
líquido (k x) para el perfil de concentraciones mostrado en el enunciado?
RESPUESTA AL SUBPROBLEMA 6.3
En términos de coeficientes peliculares, el caudal NA de SO2 puede expresarse como:
NA = ky (yAG – yAi ) = kx (xAi – xAL )
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NA = 0,4 (0,0105 – 0,01) = 0,0002 mol / (s m2 )
La relación entre coeficientes:
kx / ky = (yAG – yAi ) / (xAi – xAL ) = (0.0105 – 0.01) / (0.00025 – 0.0002) = 10
⇒
k x = 10 k y = 4 mol / (s m2 )
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