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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Problemas Tema 6
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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Problemas Tema 6
17º.
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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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Problemas Tema 6
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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Problemas Tema 6
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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