Absorcin gaseosa desorcin Ecuaciones de diseo

Absorcin Gaseosa

Ecuaciones de DiseoFacilitador:Ing. Zoraida Carrasquero MSc.

Transferencia de masa en la interfaseLa transferencia de masa depende directamente del gradiente de concentracin de la especie que se difunde dentro de una sola fase.

En el equilibrio, el gradiente de concentracin y, a su vez, la rapidez de difusin neta de la especie que se difunde, se hacen cero dentro de la fase.

Teora de las dos resistencias: sugerida por WhitmanEsta implica tres etapas de transferencia:

Transferencia de masa desde las condiciones en el seno de una fase hasta la superficie interfacial

La trasferencia a travs de la interfase hasta la segunda fase

La transferencia a las condiciones en el seno de la segunda fase.

Esta teora supone:La rapidez de transferencia de masa entre las dos fases esta controlada por las rapideces de difusin a travs de las fases de cada lado de la interfase

No hay resistencia a la transferencia del componente que se difunde a travs de la interfase

La rapidez de difusin en la direccin z a cada lado de la interfase puede escribirse mediante las ecuaciones:

Donde:

kG: es el coeficiente convectivo de transferencia de masa en la fase gaseosa, moles de A transferidos/tiempo*rea interfacial*(p; unidades de concentracin)kL: coeficiente convectivo de transferencia de masa en la fase lquida, moles de A transferidos/tiempo*rea interfacial*(CA; unidades de concentracin)(pAG pAi): Fuerza impulsora necesaria para transferir el componente A desde el seno del gas hasta la interfase(Cai CaL): Fuerza impulsora para continuar la transferencia de A hasta la fase lquida.

En estado estacionario la rapidez de difusin en cada una de las fases se consideran iguales

Coeficientes globales de transferencia de masa

La relacin de la resistencia que existe en una fase individual a la resistencia total, se puede determinar mediante las ecuaciones:

Pendiente mPendiente mPendiente mPendiente kL/kGCurva de Equilibrio

Si la curva de equilibrio es una recta, es decir se cumple la ley de Henry: m = m = m = H

Si m es pequea ===> interviene un gas soluble y

Se dice que el sistema esta controlado por la fase gaseosa

Si m tiene un valor alto ===> intervienen gases de baja solubilidad y

Se dice que el sistema esta controlado por la fase lquida

En los casos en que kL y kG no son casi iguales la relacin kL/kG y m ( m) determinar la localizacin de la resistencia que controla la transferencia de masa.

Expresando las ecuaciones anteriores en trminos de fracciones molares(p pi) = P(y yi)Kya = KGa*P y kya = kGa*P (a: m2/m3)Kxa = KLa*m y kxa = kLa*m

yAyAiyexAxAixe

G + dGL + dLGL12dzGSG1y1Y1GSG2y2Y2LSL1x1X1LSL2x2X2

NomenclaturaCaudales de fluido: L (moles de lquido/h.m2) G (moles de gas/h.m2)

Corrientes exentas: Ls (moles de disolvente/h.m2) Gs (moles de inerte/h.m2)

Composiciones exentas: X = x/(1-x) (moles de soluto/moles de disolvente) Y = y/(1-y) (moles de soluto/moles de inerte)1: Fondo2: Tope

G + dGL + dLGL12dzGSG1y1Y1GSG2y2Y2LSL1x1X1LSL2x2X2Para operaciones en estado estable, balance de materia en la seccin diferencial de la torre,dG = dLBalance por componente en la misma seccin, d(Gy) = d(Lx)

Si la solucin es diluida y la lnea de operacin y la curva de equilibrio es una lnea recta

Combinando las ecuaciones anteriores, se obtiene:

NGHG

NOGHOG

G y L: moles transferidos de A/(tiempo)( seccin transversal del rea)

Alturas de las unidades de transferencia

Fase lquida, HL, Sherwood y Holloway

donde:, n: constantes (ver Tabla 16.4, Foust)GL: Velocidad de la masa de lquido, lb/h.pie2L: viscosidad del lquido, lb/pieNSc: nmero de Schmith para el lquido

Fase gaseosa, HGA partir de los datos para el sistema agua amoniaco, se ha sugerido una ecuacin emprica:

Donde h, p y r son constantes que dependen de los gastos especficos del flujo y de la geometra del empaque utilizado en la operacin. La Tabla 16.5 (Fousts) muestra los valores de las constantes en la ecuacin.

La correlacin para el sistema amoniaco-agua puede ser aplicada a otros sistemas gas-lquido

Y para cualquier sistemaSi las condiciones de operacin para el sistema no especificado son similares con respecto a NRe y a la geometra de la torre, las constantes en las ecuaciones anteriores son las mismas para ambos sistemas, as:

Ejemplo 16.3 (Foust)Una mezcla de gases que contiene 6% de SO2 y 94% de aire seco procedente de un quemador de azufre se va a burbujear en agua fresca dentro de una torre empacada con anillos Raschig de 1 pulgada (2.54 cm) para quitar el SO2 de tal manera que a la salida, el gas no contenga ms de 0.1% mol de SO2. La torre debe tratar 1000 lb (453.6 kg) por hora de gas y se va a disear para utilizarla al 50 % de la velocidad de inundacin. El flujo del agua ser dos (2) veces el mnimo requerido para llevar a cabo esta separacin en una torre de altura infinita. Las condiciones de operacin sern isotrmicas a 30 C y 1 atm de presin. Determine el dimetro de la torre y su altura. El nmero de Schmidt para la fase lquida se tomar como 570.

p SO2, mmHg0.61.74.78.111.819.736.05779C, g SO2/100g H2O0.020.050.10.150.20.30.50.71Densidad lbm/pie362.1662.1762.1962.2162.2262.2562.3262.3862.47

Datos de equilibrio a 30 CEsquema del proceso:

G1 = 1000 lb/hyNH3,1 = 0,06G2 = ? yNH3,2 = 0,001L2 = ?x2 = 0X2 = 0(2)(1)P = 1 atmT = 30 CL1 = ?x1 = ?

xyXY5,62468E-050,000789470,000056250,00079010,0001406050,002236840,000140630,002241860,0002811710,006184210,000281250,006222690,0004216970,010657890,000421880,010772710,0005621840,015526320,00056250,015771180,0008430390,025657890,000843750,026333560,0014042750,047368420,001406250,049723760,0019648820,068421050,001968750,073446330,0028046120,103947370,00281250,11600587

Los datos de equilibrio en fracciones molares y relaciones molares se muestran a continuacin

Curva de equilibrio en funcin de las relaciones molares

G1 = 1000 lb/hyNH3,1 = 0,06G2 = ? yNH3,2 = 0,001L2 = ?x2 = 0X2 = 0(2)(1)P = 1 atmT = 30 CL1 = ?x1 = ?

Figura 2. Lnea de operacin para una altura infinitaXi,max = 0,00178Y1 = 0,064Y2 = 0,001

Con las concentraciones de las corrientes de lquido y vapor a la entrada y salida de la columna, se construye la lnea de operacin.

Se va a absorber amoniaco de aire a 68 F y presin atmosfrica en una torre empacada a contracorriente, de 6,07 plg de dimetro, utilizando como absorbente, agua libre de amoniaco. La rapidez de entrada del gas ser de 390 pie3/hr y la rapidez de entrada del agua ser de 24,6 lb/hr. En estas condiciones, el coeficiente de capacidad total Kya se puede suponer igual a 4,60 lbmol/h.pie3.YNH3. La concentracin de amoniaco se reducir de una fraccin molar de 0,0825 a una de 0,003. La torre se enfriar y la operacin tendr lugar a unos 68 F. Los datos de equilibrio para este sistema se muestran a la tabla 1. Determine la altura de la columna.

390 pie3/hryNH3,1 = 0,0825yNH3,2 = 0,003L2 = 24,6 lb/hrx2 = 0X2 = 0(2)(1)P = 1 atmT = 68 FDc = 6,07 plgKya = 4,60 lbmol/h.pie3.YNH3Expresando las concentraciones en unidades libres de soluto, relaciones molares, Y1 y Y2

X(lbmol NH3/lbmol H2O0,01640,02520,03490,04550,0722Y, lbmol NH3/lbmol aire0,0210,0320,0420,0530,08

El flujo de gas a la entrada de la torre, G1 se calcula, asumiendo que el gas tiene comportamiento ideal, por la ecuacin de gas ideal

El flujo de agua libre de amoniaco, Ls = L2 = 24,6 lb/hr*(1 lbmol/18 lb) = 1,3667 lbmol/hr

Clculo de la concentracin de salida del lquido mediante el balance de materia en soluto,

Gs(Y1 Y2) = Ls(X1 X2)

z = HOG*NOG

El rea bajo la curva es 12,685z = 12,685*1,04 pie

YAYA*YA YA*1/(YA YA*)0,00300,003333,3fi0,010,00650,003529510,020,01530,0047212,520,0350,02750,0075133,330,0550,04250,012580,040,0650,05030,014768,050,0750,0580,01758,960,090,06830,021747,6ff