Ejemplo 6 86 96 10 [PDF]

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Ejemplo 6.8.- A una columna de absorción entran 40 m3/h de una mezcla gaseosa de composición 35% en volumen de amoniaco y 65% en volumen de aire. La absorción se verifica en contracorriente con agua que contiene el 2% en peso de amoniaco, a 20°C y 1 atm y se ha de recuperar el 90 % del amoniaco contenido en la mezcla gaseosa. Calculese la cantidad minima necesaria de agua Solucion: Calculamos las concentraciones en fracciones molares y relaciones molares correspondientes a las condiciones de equilibrio a partir de los datos kilogramos de amoniaco/100 Kg de agua frente a la presión parcial del amoniaco en la fase gaseosa, a 20°C. para el primer punto dad en la tabla siguiente, los cálculos serán: MW N = 14 MW H = 1.01*3 MW NH3 = 17.03 2% en peso = 2/17 H2O = 16+2(1.01) = 18 Valores de fracción molar del amoniaco en fase liquida:

x=

2/17 =0.207 37 2/17+100/18

Solubilidad vs presión parcial: con la tabla 6-1:

y=

12.0 =0.0157 760

La composición del gas de entrada será: Del 35% Yent=0.35

Yent=

0.35 =0.5385 1−0.35

Composicion de liquido de entrada:

x=

2/17 =0.02115 2/17+98 /18

X=

0.02115 =0.0216 1−0.02115

Sobre el diagrama X-Y el punto correspondiente a la cúspide de la columna tendrá coordenadas: A(0.0216;0.05385) La máxima concentración de liquido a la salida de la columna, que corresponde al empleo de la minima cantidad de agua, será la de equilibrio con el gas de entrada, que leída sobre el diagrama resulta: Xsal = Xn = 0.2960 Por consiguiente, el punto corresponde a la base de la columna, tiene coordenadas: B(0.2960;0.5385) El coeficiente angular de la recta AB da el valor de (L´/G´)min:

( L ´ /G¨ )min =

0.5385−0.05385 =1.766 0.296−0.0216

El numero de moles de gas que entra al sistema por hora es:

G=

pV 40 Kmol = =1.665 RT 0.082∗293 h

G ¨ =G ( 1− y )=1.665 ( 1−0.35 ) =1.082 Kmol de

air e h

L ¨ min =1.766∗1.082=1.911 Kmol de agua=34.39 Kg de agua

La cantidad total de liquido que entra al sistema es:

L=

L¨ 1.911 Kmol = =1.952 1− X 1−0.02114 h

La cantidad de amoniaco que entra en la corriente liquida es:

L−L ´ =1.952−1.911=0.041

Kmol h

Ejemplo 6.9.- De una mezcla de cloro aire de composición 8% en volumen de Cl2 se ha de recuperar el 75% del Cl2 por absorción en agua. La mezcla gaseosa entra en la torre de absorción a 1 Atm y 30°C con un caudal de 50 m3/min. a) Calculese la cantidad minima de agua a emplear b) Repitase los cálculos si la presión total es de 10 Atm y se ha de absorber la misma cantidad de cloro. Los datos de equilibrio para este sistema a 30°C son los siguientes P Cl2 (mmhg) g Cl2/litro H2O Kg Cl2/Kg aire

5 0.424 0.0162

10 0.553 0.0326

30 0.873 0.0101

50 1.106 0.172

100 1.573 0.371

150 1.966 0.602

200 2.34 0.874

250 2.69 1.2

300 3.03 1.597

Solucion: Los datos de equilibrio que encontramos tabulados son la presión parcial de Cl2 en mmHg en la dase gaseosa frente a la concentración de Cl2 en la fase liquida en g/litro de agua. Hemos de expresar las composiciones de la fase gaseosa referidas al kilogramo de aire (componente inerte). El calculo para el primer punto de los datos tabulados será:

5 ∗71 ( 760−5 )=755 =0.01621 KgCl 2/ Kgaire 29 La concentración inicial de la fase gaseosa, en Kg Cl2/Kg de aire será: 8% del 100%

8 ∗71 92 Cl 2 Y inicial = =0.2128 Kg 29 Kgaire Se ha de recuperar el 75% (queda 25%) por tanto:

Y final =0.21287∗0.25=0.0532 KgCl 2/ Kgaire

La cantidad de aire que entra por minuto es: 50*.92=46 m3/min

m=

pV 1∗46 Kg M= 29=53.7 RT 0.082∗303 min

Se empleara la cantidad minima de agua si se alcanzaran las condiciones de equilibrio en la cúspide. Graficamente se observa que las condiciones de equilibrio para Y=0.2128 Kg Cl2/Kg aire son: X=1.22 g Cl2/litro de agua Por aplicación de un balance de materia resulta:

53.7 ( 0.2128−0.0532 )=Lmin 1.22∗10−3 Lmin =

53.7∗0.1586 =6981< de agua 1.22∗10−3

B) Es necesario expresar la composición de la fase gaseosa referida al kilogramo de aire, a la presión de 10 atm. Este calculo se efectua de acuerdo a la exresion:

P Cl 2 ∗M Cl 2 P−P Cl 2 M aire Los valores calculados se indican en la ultima fila de la tabla siguiente: P Cl2 100 (mmhg) g Cl2/litro 1.576 H2O KgCl2/Kgaire 0.0326

200

300

400

500

600

700

800

2.34

3.03

3.69

4.3

4.91

5.50

6.08

0.0677

0.101

0.136

0.167

0.210

0.249

0.288

Las concentraciones de la fase gaseosa a la entrada y salida serán las mismas que en el caso a):

Y n +1=0.2128Y 1=0.05322 La concentracion del liquido en equilibrio a la salida leida gráficamente resulta:

X n=4.9

g ¿

Por aplicación de un balance de materia resulta:

53.7 ( 0.2128−0.0532 )=L´ min∗4.9∗10−3 L ´ min =

53.7∗0.1586 =1738litros de agua 4.9∗10−3

Disminuye la cantidad de agua a emplear, ya que al aumentar la presión del sistema aumenta la solubilidad del cloro en agua. Ejemplo 6-10.- Para separar el amoniaco contenido en uuna mezcla amoniaco aire de composición 8% en volumen de amoniaco se lava a 20°C con agua que contiene una pequeña cantidad de

amoniaco (0.01 mol NH3/mol H2O). Calculese la concentración minima de amoniaco en el gas lavado si se emplean: a) 3 moles de agua por mol de aire b) 1 mol de agua por 3 moles de aire Los datos de equilibrio para este sistema a 20°C y 1 atm son: mol NH3 / mol aire mol NH3 / mol H2O

0.015

0.032

0.05

0.072

0.093

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Solucion: la concentración inicial del amoniaco en el aire, expresada en mol NH3/mol aire será:

Y n +1=

8 =0.087 92

Moles de amoniaco perdidos por el aire:

G¨¿ Moles de amoniaco ganados por el agua:

L ¨ ( X ¿¿ n−0.01) ¿ Por consiguiente,

G ¨ ( 0.087−Y 1 )=L ¨ ( X n−0.01 ) En el caso a) en que L¨=3 y G¨=1

Y 1=0.117−3 X n La concentración minima del amoniaco en el gas seria la que se alcanzaría en el equilibrio entre fases. Esta concentración puede leerse gráficamente en la intersección de la recta (A) con la curva de equilibrio, resultando:

Y 1=0.024

molNH 3 0.024 o y= =0.0234=2.34 % en volumen molaire 1+0.024

La concentración del liquido en equilibrio resulta:

X n=0.031

molNH 3 molH 2 O

B) En este caso L¨=3 y G¨= 1 De un balance de materia:

3(0.087−Y ¿¿ 1)=X n−0.01 ¿ Y 1=0.09−

Xn 3

Operando igual que para el caso a) resulta:

Y 1=0.0655

molNH 3 molH 2O

y 1=0.0614=6.14 % en volumen X n=0.074

molNH 3 molH 2O