Operaciones Básicas de Transferencia de Materia

Problemas Tema 6

1º.- En una torre de relleno, se va a absorber acetona de una corriente de aire. La sección de la torre es de 0.186 m2, la temperatura de trabajo es 293 K y la presión total es de 101.32 kPa. La corriente de aire, tiene una concentración de acetona de 2.6% y de 0.5% en moles, a la entrada y salida respectivamente. El caudal de aire en la torre es 13.65 mol-kg aire/h. El caudal de agua es de 45.36 mol-kg/h. Los coeficientes de película en la torre son: k´ya=3.78*10-2 mol-kg/(s m3 fracc. molar) y k´xa=6.16*10-2 mol-kg/(s m3 fracc. molar). Calcular la altura de la torre: a) empleando k´ya b) empleando k´xa c) empleando K´ya

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2º.- Repetir el problema anterior usando los conceptos de altura de una unidad de transferencia y número de unidades de transferencia.

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3º.- Una corriente gaseosa procedente de un reactor químico, contiene un 25% en moles de amoniaco; el resto de la corriente son gases inertes. El flujo total de gas es de 181.4 mol-kg/h. En una torre de absorción de lecho fijo, se reduce la concentración de amoniaco hasta un 2%. Como fluido absorbente, se emplea agua con una fracción molar en amoniaco de 0,005. La temperatura es de 30 ºC. a) ¿Cuál es el caudal mínimo de agua que se puede emplear? b) Si se usa una línea de operación, de pendiente 1,5 veces superior a la correspondiente a la del caudal mínimo de agua, ¿qué caudal de agua hay que emplear?

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4º.- Absorción de NH3 en una torre de relleno. Datos: - Corriente gaseosa con 4,0% en moles de NH3. - Se desea reducir a 0,5% de moles. - Se trabaja a 293 K y 1,013*105 Pa. - La corriente de agua pura a emplear es 68,0 mol-kg/h - El flujo total de gas a la entrada es 57,8 mol-kg/h - Diámetro de la torre es d=0,747 m - k'xa =0,169 mol-kg/(s m3 fracción molar) - k'ya =0,0739 mol-kg/(s m3 fracción molar) - Temperatura: 20 ºC Considerando el sistema como diluido, calcula la altura de la torre empleando k'y a

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5º.- Considerando el sistema como diluido, calcula, en el problema anterior, la altura de la torre empleando los conceptos de altura de una unidad de transferencia y número de unidades de transferencia.

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6º.- Se tiene que diseñar una torre para absorber, mediante agua pura, el SO2 que acompaña a una corriente de aire. Se trabajará a 293 K y 1.013*105 Pa. El gas de entrada contiene un 20% en moles de SO2 y el que deja la torre, un 2%. El flujo de aire es de 6.53*10-4 mol-kg aire/s y el de agua es 4.2*10-2 mol-kg agua/s. La torre tiene una sección transversal de 0.0929 m2. Los coeficientes de película de transferencia son: k´ya=0.0594 Gy0.7Gx0.25, y k´xa=0.152 Gx0.82 ; [k´ya]=mol-kg/(s m3 fracc. mol.), [k´xa]= mol-kg/(s m3 fracc. mol.), [Gx y Gy]=kg totales/(s m2). Calcular la altura de la torre

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7º.- Se ha estudiado la absorción de CO2 a partir de una mezcla de CO2-aire con una disolución de sosa. Se ha empleado una columna de 25 cm de diámetro interno rellena con anillos Raschig. La altura de la columna es de 3 m. En uno de los experimentos, a presión atmosférica, se ha trabajado con 0.34 Kg de aire/(m2*s) y 3.94 Kg de disolución de sosa/(m2*s); la concentración de CO2 en el gas de entrada es de 315 ppm y en el de salida 31 ppm. ¿Cuál es el valor del coeficiente volumétrico global de transferencia de materia para el gas?. Nota: se recuerda que el CO2 y la sosa reaccionan entre si.

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8º.-Se pretende efectuar la absorción de CO2 a partir de una mezcla de CO2aire con agua pura. Se desea emplear una columna de 25 cm de diámetro interno rellena con anillos Raschig. La altura de la columna es de 3 m. Se quiere trabajar, a presión atmosférica, con 0.34 Kg de aire/(m2*s) y 3.94 Kg de agua/(m2*s); la concentración de CO2 en el gas de entrada es de 315 ppm y en el de salida se quiere llegar a 31 ppm. La presión es de 1 atm y la temperatura de 30 ºC. a.- ¿Sería posible?. Justifíquese. b.- Si la respuesta al apartado anterior es negativa, y atendiendo sólo a consideraciones basadas en la relación de equilibrio y balance de materia, ¿qué se podría hacer?. Si procede alguna respuesta a este apartado, cuantifíquese.

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9º.-Se quiere recuperar, por absorción en agua, el 98% del SO2 contenido en una mezcla SO2-aire. La composición en SO2 de la mezcla gaseosa a tratar es del 10% en volumen. La presión total es de 2 atm y la temperatura 20 ºC. La mezcla gaseosa se introduce por la base de una columna de relleno y el agua por la parte superior. Determínese: a.- la cantidad mínima de agua a emplear. b.- si se usa un caudal de agua superior al valor determinado en el apartado anterior, ¿cambia la concentración de SO2 en la corriente gaseosa que sale de la torre?. Discútase.

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10º.- El dióxido de carbono obtenido durante la producción de alcohol etílico por fermentación contiene una fracción molar de 0.01 de vapor de alcohol. Se propone eliminar el alcohol por absorción con agua en una torre de relleno de anillos Raschig de una pulgada. Se considera que la absorción ocurre isotérmicamente a 40ºC y 1 atm. El agua para la absorción contiene una fracción molar de alcohol de 0.0001. Se quieren procesar 500 mol-lb h-1 de gas. En las condiciones de operación, se puede considerar que la solubilidad del alcohol en agua puede expresarse aproximadamente por la relación y=1.0682 x (siendo x e y fracciones molares). La sección de la columna es de 16 ft2. La corriente de alimentación de líquido a la columna es de 752 mol-lb/h. La altura de una unidad de transferencia para la fase gaseosa es de 1.79 ft y la de la fase líquida es de 0.98 ft. Con el objetivo de absorber el 98% del alcohol de la corriente gaseosa, determínese: a) k’y a y k’x a b) la altura de la torre, usándose el coeficiente volumétrico de transferencia de materia en la película gaseosa c) la altura de una unidad global de transferencia de materia basada en la fase líquida d) el porcentaje de la resistencia total correspondiente a la película líquida e) el número de unidades globales de transferencia de materia basadas en la fase líquida f) la altura de la torre, basándose en HOL y NOL

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11º.- En una columna de absorción se trata una corriente gaseosa que contiene un 9% en volumen de un contaminante. Se consigue eliminar el 90% de dicho contaminante empleando agua como fluido absorbente. Se sabe que el número de unidades transferencia referido a la fase gaseosa es el doble que el referido a la fase líquida. La relación entre el caudal molar del disolvente y la del gas es igual a dos. La relación de equilibrio es y=x. a.- Determínese el porcentaje de la resistencia total a la transferencia de materia que corresponde a cada fase. Considérese que la única transferencia que se produce es la del contaminante que pasa desde el gas a la fase líquida. b.- Determínese el valor de la resistencia total a la transferencia de materia. c.- Determínese el valor de K’y Nota: considérese k´y=1.5*10-3 mol-kg/(s m2 fracción molar)

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12º.- En una torre de relleno, de 0.254 m de diámetro, se lleva a cabo una operación de absorción de acetona. La fase gaseosa está formada por acetona y aire y la fase absorbente agua. Se trabaja a una temperatura de 293 K y 1 atm de presión. La altura de la torre es de 4.88 m, el caudal de gas inerte es de 3.3 mol-kg/h, la fracción molar de acetona en el gas de entrada es de 0.01053 y a la salida de la torre es de 0.00072. El caudal de agua es de 9.03 mol-kg/h, y la concentración de acetona en agua a la salida de la torre es de 0.00363. a.- ¿es una operación en la que existe un transporte equimolar en contracorriente? b.- Determínese el valor del coeficiente volumétrico global de transferencia de materia (para concentraciones en fase gaseosa) adecuado a la realidad del problema.

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13º.- Se emplea una torre de relleno para absorber con agua parte de un gas que acompaña a una corriente de aire. El agua entra en la torre libre de soluto y sale con una concentración x = 0.08. Las composiciones de las corrientes de entrada y salida de la fase gaseosa son y1=0.08 e y2=0.009. Las alturas de las unidades de transferencia basadas en las películas del gas y líquido son 1 y 0.5 m respectivamente. La relación de equilibrio viene dada por la ecuación y=0.06*x. Calcúlese la altura de la torre.

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14º.- El aire residual de una planta de tostación de sulfuros metálicos contiene el 6% de SO2 en volumen y se quiere reducir al 0.5% antes de liberarlo a la atmósfera. La depuración se lleva a cabo en una torre de relleno empleando agua en contracorriente. La columna funciona a 2 atm. Los caudales de aire y de agua son 488.2 y 8800 kg m-2h-1. La temperatura de operación es de 20 ºC. El coeficiente volumétrico global de transferencia de materia es Kya =25.62 mol-kg m-3 h-1 fracción molar-1. ¿Qué altura debe tener la torre?

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15º.- Se va a utilizar una torre de relleno para absorber el 99.9% de un disolvente que acompaña a una corriente de aire. Como líquido absorbente se utilizará 0.1 mol-kg de agua/(s m2). El caudal de aire es de 0.07 mol-kg/(s m2). La concentración de disolvente en la corriente gaseosa a la entrada de la torre es del 2% en moles. La relación de equilibrio para el sistema es la siguiente: pA=20 xA, las unidades de la presión parcial del disolvente en la fase gaseosa (pA) son Pa. El coeficiente global de transferencia de materia para ser utilizado con concentraciones en fase gaseosa es: KGa=5.6*10-7 mol-kg/(s m3 Pa). Determínese la altura de la torre. Considérese una presión total de 1 atm.

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16º.- Se utiliza una torre de relleno para absorber etanol desde una corriente de gases en la que está en una concentración del 2% en moles. Se empleará una corriente de agua pura (90 mol-kg/h) como fluido absorbente. La corriente total de gases es de 100 mol-kg/h. Se trabajará a 303 K y 101.3 kPa. Se desea que a la salida de la torre, la corriente gaseosa tenga una concentración del 0.2% en moles en etanol. Considérese que la relación de equilibrio es y=0.68x. Si el término HOG=0.86 m, determínese la altura de la torre.

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17º.        

Una corriente de aire y H2S se trata en una torre de absorción de relleno. La concentración de H2S en el gas de entrada es del 5% en moles. Se desea absorber el 73% del H2S que entra. El caudal molar total del gas es de 50 mol-kg/h. Como fluido absorbente se utilizará agua. La temperatura de trabajo será de 20ºC. En estas condiciones, la constante del Henry para el sulfídrico en agua es H=0.0483*104 atm/fracción molar. La presión total de trabajo será de 1 atm. ¿Cuál es el caudal mínimo de agua que hay que utilizar?

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18º.- Se desea recuperar todo el SO2 contenido en una corriente gaseosa de un proceso metalúrgico. El contenido de SO2 en dicha corriente es del 5% en volumen. Para el proceso de absorción, se empleará una columna de relleno que será alimentada con 150 m3/h de agua. A la salida de la torre, el fluido absorbente tiene una concentración de 12*10-4 moles de SO2/mol de agua. La torre, con geometría cilíndrica, tendrá un diámetro de 159.6 cm. La temperatura de operación es de 20ºC. El coeficiente volumétrico global de transferencia de materia vale: KXa=0.1861 mol-kg s-1 m-3. ¿Qué altura tendría la torre?. ¿Y en el caso en el que sólo se deseara absorber el 80.8% del SO2 que entra a la torre?. Datos de equilibrio: moles de SO2/1000 moles de agua moles de SO2/1000 moles de gas

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0.056 0.7

0.14 1.6

18

0.28 4.3

0.42 7.9

0.56 11.6

0.84 19.4

1.405 36.3

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2.0 55.3

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19º.- Se alimenta una columna de absorción con 3 mol-Kg/h de una mezcla gaseosa de aire y amoniaco. La presión parcial de amoniaco en la citada mezcla es de 350 mmHg. Como fluido absorbente se emplea una corriente acuosa en la que tenemos una fracción molar de amoniaco de 0.05. El caudal de agua es 3 mol-Kg /h. La composición, en amoniaco, de la corriente líquida cuando ésta abandona la torre es xA=0.258. Las condiciones de operación son 20ºC y 1 atm. a.- ¿Cuántos moles de amoniaco salen de la torre, dentro de la corriente gaseosa, cada hora?. b.- ¿Se podría haber empleado un caudal menor de la fase absorbente para conseguir lo mismo?.

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20º.- Se desea tratar una corriente de aire y SO2 en una torre de relleno para absorber parte del SO2. Los coeficientes de transferencia de materia en la operación son los siguientes:

k ´X a  0.85

mol  Kg s m 3 f .molar

kY´ a  0.034

mol  Kg s m3 f .molar

Como relación de equilibrio puede considerar la siguiente: y  28.9 x Teniendo en cuenta la información que se puede encontrar en la siguiente figura, ¿qué volumen debería tener la torre?

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21º.- En una torre de relleno, se va a absorber acetona de una corriente de aire. La sección de la torre es de 0.5 m2, la temperatura de trabajo es 20 ºC y la presión total es de 1 atm. La corriente de aire, a la entrada, tiene una concentración de acetona de 3.6 % en moles. El caudal de aire en la torre es de 15 mol-kg aire/h. El caudal de agua pura es de 50 mol-kg/h. El coeficiente volumétrico global KX´a=2.6*10-2 mol-kg/(s m3 fracc. molar). Si la concentración de acetona en el agua, a la salida del torre, es de 21 g L-1, calculad la altura de la torre.

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22º.- En una torre de relleno con geometría cilíndrica, se va a absorber acetona de una corriente de aire. El radio de la columna es 0.28 m, la temperatura de trabajo es 20 ºC y la presión total es de 2 atm. La corriente de aire, a la entrada, tiene una concentración de acetona de 3.6 % en moles. El caudal de aire en la torre es de 15 mol-kg aire/h. El caudal de agua pura es de 50 molkg/h. El coeficiente volumétrico global KY´a=1.8*10-2 mol-kg/(s m3 fracc. molar). Si la concentración de acetona en el agua, a la salida del torre, es de 21 g L-1, calculad la altura de la torre.

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23º.- En una columna de absorción entran 40 m3/h de una mezcla gaseosa de composición 35% en volumen de amoniaco y el 65% restante de aire. La absorción se produce en contracorriente con agua que contiene un 2% en peso en amoniaco. Si se trabaja a 20 ºC y 1 atm y se desea recuperar el 90% del amoniaco contenido en la mezcla gaseosa, calcúlese la cantidad mínima de agua necesaria.

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