Problemas*de*Termodinámica*para*Ingenieros*Químicos*!

Carolina(Bermúdez(Salguero(

!

Práctica!3a.!!

Torre de absorción

Cuando se quema un combustible que contiene azufre, el gas producido contiene dióxido de

azufre (SO2). Si este gas se libera directamente a la atmósfera, el SO2 se combina con el oxígeno

del medio ambiente para formar SO3. A su vez, el SO3 reacciona con el vapor de agua de la

atmósfera para dar ácido sulfúrico, el cual precipita como lluvia ácida. Para evitar esto, el gas

producto de la combustión se pone en contacto con una solución líquida en un proceso de

absorción o lavado. El SO2 se disuelve en el solvente y el gas limpio puede liberarse al medio

ambiente.

Problema

Una corriente gaseosa (GE) de 100 mol/h de una mezcla SO2 – aire que contiene 45 mol% de SO2

se pone en contacto con agua líquida (LE) en un absorbedor continuo a 30ºC, como se ilustra en

la Figura.

a) Al analizar el líquido que sale del absorbedor (LS) se determina que contiene 2 g de SO2 por

cada 100 g de agua. Suponiendo que las corrientes de gas (GS) y líquido (LS) que salen del

absorbedor están en equilibrio a 30ºC y 1 bar, calcule el porcentaje de SO2 que se absorbe en el

agua, y el flujo de alimentación de agua que se requirió para obtener esta composición de salida

LE Agua

GE Aire SO2

GS Aire Agua SO2

LS Aire Agua SO2

T = 30ºC

P = 1 bar

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de la corriente líquida. (Considere que la solubilidad del aire en agua es muy pequeña y calcule la

fracción molar de SO2 en la corriente LS despreciando el aire disuelto (2 g SO2/ 100 g agua))

Respuesta: Fracción absorbida = 54%, LE = 4342 mol/h

b) Si se requiere extraer el 70% del SO2 de la corriente gaseosa de entrada (GE), determine el

flujo de alimentación de agua requerida (LE) y la composición de las corrientes GS y LS.

Respuesta: LE = 7736 mol/h, yagua = 0.0425, ySO2 = 0.1889, xagua = 0.9959, xSO2 = 0.0041

Datos

Emplee la Ley de Raoult para el agua y la Ley de Henry para el SO2 y el aire.

Las constantes de Antoine del agua son:

CKTBA

barps

+−=

""

#

$

%%

&

'

/ln

A B C

16.3872 3885.7 -42.98

La constante de Henry del SO2 en el agua como función de la temperatura H31(T) puede

encontrarse en la literatura reportada de la siguiente forma (el subíndice 1 se refiere al agua y el

subíndice 3 al SO2):

Donde H31(T0) es la constante de Henry a T0 = 298.15 K y 31ln(1/ ) disd H Hd T

Δ= es la entalpía de

disolución del SO2 en agua.

H31(T0)

mol·kg-1·bar-1 dlnH31/d(1/T)

1.4 2900

(Lide & Frederikse, 1995. NIST)

0 3131 31 0

0

ln 1 1( ) ( )exp

(1/ )d HH T H Td T T T

! "! "= −$ %$ %$ %& '& '

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Para el aire en agua, se hallaron constantes de Henry experimentales reportadas a diferentes

temperaturas (Perry’s Chemical Engineers’ Handbook)

T / K H21 / kbar T / K H21 / kbar 273.15 43.8 313.15 88.1 278.15 49.4 318.15 92.3 283.15 55.6 323.15 95.8 288.15 61.5 333.15 102 293.15 67.3 343.15 106 298.15 72.9 353.15 108 303.15 78.1 363.15 109 308.15 83.4 373.15 108

Ajuste una curva cuadrática a los datos de la tabla para obtener la función H21(T). Utilice la

función ESTIMACION.LINEAL del Excel. 2

21( )H T AT BT C= + +

Respuesta: A = -0.0080, B = 5.825, C = -953

Guía de Resolución y Programación

1. En la pestaña “Datos” obtenga la función cuadrática H12(T) a partir de los valores

experimentales de la ley de Henry

a) Calcule la T2 (B15:B30)

b) Use la función de Excel ESTIMACION.LINEAL

Seleccione las celdas (A10:C10)

0

20

40

60

80

100

120

270 320 370

H12

/kba

r

T / K

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Escriba: =ESTIMACION.LINEAL(C15:30,A15:B30)

Presione Ctrl + Shift + Enter

c) Calcule H12 con los valores obtenidos de las constantes A, B, C y verifique el

ajuste de esta función cuadrática a los datos experimentales.

2. Calcule la constante de Henry del SO2 en agua en función de la temperatura.

3. En la pestaña “Absorbedor” calcule las fugacidades del aire, agua y SO2 en las corrientes

vapor y líquida de salida GS y LS, que están en equilibrio, de acuerdo a la Ley de Raoult

o a la Ley de Henry según sea el caso.

xi pis(T) = yi p (1)

xi H1i(T) = yi p (2)

Para calcularlas, en la tabla del Balance de Materia dé estimados iniciales de la

composición de las corrientes GS y LS (Celdas H17,H18 e I17). En el problema b) la

fracción molar del SO2 en la corriente LS es función del número de moles de SO2 que se

desean recuperar y del número de moles totales de dicha corriente dado por el balance

global de materia.

4. Plantee el Balance de Materia (Celdas F16:J22)

a) Dé estimados iniciales del flujo de agua de alimentación LE (G16) y del flujo del

vapor de salida GS (H16).

b) Calcule las moles de cada componente en cada corriente y programe los balances de

materia por componente.

5. Solución del problema

En total se tienen 5 incógnitas:

Flujo molar del agua de alimentación, LE

Flujo molar de la corriente vapor de salida, GS

Fracción molar del aire y del agua en la corriente GS, xagua, xaire

Fracción molar de aire en la corriente líquida de salida LS, yaire

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Y 5 ecuaciones:

Balance de materia de aire (Celda J20)

Balance de materia de agua (Celda J21)

Ecuaciones de equilibrio material: xaire H12(T) = yaire p (Celda I8)

xagua paguas(T) = yagua p (Celda I9)

xSO2 H12(T) = ySO2 p (Celda I10)

Por lo que el problema está determinado y puede emplearse Solver para su solución. Como celda

objetivo puede elegirse el balance de aire, y el balance de agua y las ecuaciones de equilibrio

material pueden introducirse como restricciones. Para satisfacer las ecuaciones deben variarse las

celdas G16, H16:H18 e I17. La fracción de SO2 absorbido se calcula inmediatamente a partir de

las moles de SO2 en la corriente GE y LS.