Problema 393

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

Gass Ga

xAi  = 0.00025

xAL  = 0.0002 ACCEDE – AG AGOSTO 2002 - INGENIERÍA QUÍMICA – PROBLEMA Nº 6

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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 SO2  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 SO2  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 (SO2) 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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yent ysal x*

x

(Lmín / G) = (yent  – ysal ) / (x* - 0) = (0.02 – 0.001) / (0.02/40)

Lmí n / 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 SO2 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  = k y  (yAG – yAi ) = k x (xAi – xAL )

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NA = 0,4 (0,0105 – 0,01) = 0,0002 mol / (s m2) La relación entre coeficientes: k x / k y = (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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