Tarea_Barrera Rodríguez-Rodríguez D.lc. Azcare-RomeroSuárez

1

Barrera-Rodríguez de la C.-Romero 2014

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA

PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERO QUÍMICO

“Resolución de problemas”

TRABAJO QUE PRESENTAN:BARRERA RODRPIGUEZ HÉCTOR ADRIÁN

RODRÍGUEZ DE LA CONCHA AZCÁRATE GABRIELAROMERO SUÁREZ EVELYN JARED

“OPERACIONES DE SEPARACIÓN”Profesor

Dr. César Pérez Alonso

Toluca, Méx. Septiembre 2014

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Tarea1

10.6-6 Absorción de amoniaco en una torre empacada. Una corriente de gas contiene 4.0% mol de NH3 y su contenido de amoniaco se reduce a 0.5% mol en una torre de absorción empacada que opera a 293 K y 1 .013 x lo5 Pa. El flujo de agua pura de entrada es de 68.0 kg mol/h y el flujo total de gas de entrada es de 57.8 kg mol/h. (El diámetro de la torre es 0.747 m. Los coeficientes de transferencia de masa de película son k’ya =0.0739 kg mol/s. m3 3 fracción mol y k’xa= 0.169 kg mol/s m3 fracción mol. Usando los métodos de diseño para mezclas de gases diluidos, determine a lo siguiente:

a) Calcule la altura de la torre usando k’ya.

b) Calcule la altura de la torre usando K’ya

G2= ¿? L2=68 kgmol/h

yA2= 0.005 xA2= 0

G’= ¿? L’= 68 kgmol/h

G1= 57.8kgmol/h L1= ¿?

YA1= 0.04 xA1= ¿?

Datos:

a) Solución.

z=[ G (1− y A ) ℑk 'y aS (1− y A) ]PROM∫yA 2

yA 1 d y Ay A− y Ai

G'=57.8× (1−.04 )=55.49 G2=57.8× (1−.04 )1−0.005

=55.77

GPROM=56.78 kgmol

h=0.01577 kgmol/ s

G'

L' ( y A 11− y A1

−yA 2

1− y A 2 )=x A11−x A1

Por balance de materia: xA1=0.029

Por método gráfico y A1 i=0.0338 x A1 i=0.0418 y A2 i=0.003 x A2 i=0.0041

3


(1− y Aim)=(1− y A1 ) ℑ+(1− y A2 )ℑ

2

(1− y A1 ) ℑ=(1− y A 1 )−(1− y Ai )

ln(1− yA 1 )(1− y Ai )

(1− y A1 ) ℑ=0.9631 (1− y A2 ) ℑ=0.9959 (1− y Aim)=¿.9795

S=0.7472

4∗π=0.4382m2 (1− y A )PROM=0.9957

[ G (1− y A )ℑk ' yaS (1− y A ) ]PROM=.4791 ∫

y A2

y A1 d y Ay A− y Ai

=9.4420 z=0.4483∗9.4420=4.5m

b) Solución

z=[ G (1− y A )∗mk 'y aS (1− y A) ]PROM∫yA 2

yA 1 d y Ay A− y A

¿

Por método gráfico y A1¿=0.0225 x A1

¿=0.0483 y A2¿=0 x A2

¿=0.0068

(1− y A )∗m=(1− y A1 )∗m+(1− y A2 )∗m

2 (1− y A1 )∗m=(1− y A1 )−¿¿

(1− y A1 )∗m=0.9687 (1− y A2 )∗m=0.9975 (1− y A∗m )=¿.9831

(1− y A )PROM=0.9957

K y=1

1k ' y

+ Hk' x

= 0.0543 [ G (1− y A )∗mK ' y aS (1− y A) ]PROM=¿0.6545 ∫

y A2

y A1 d y Ay A− y A

¿=3.5160

z=.6545∗3.5160=2.30m

Gráfica1. Línea de equilibrio y línea de operación

4


0

0.00500000000000001 0.010.015

0.02

0.0250000000000001

0.0300000000000001

0.0350000000000001

0.0400000000000001

0.0450000000000001

0.0500000000000001

0.0550000000000001

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

f(x) = − 0.436987242820694 x + 0.00499978567938766

f(x) = − 0.450529120806125 x + 0.0528164558870119R² = 0.999602780494119

f(x) = 0.827357639847865 x − 0.000907381797732622R² = 0.997063801724376 Linea de

EquilubrioLinear (Linea de Equilu-brio)Linea de operaciónsupLinear (sup)sup2Linear (sup2)xA

yA

Económico

Ético

La ética va de la mano con el impacto ambiental que provoca el verte al ambiente, ya sea de la corriente gaseosa como de la líquida, más de lo que está permitido por la ley. Si no encontramos en un proceso en el cual no se cumple con la norma se debe pensar en tratar de nuevo esa corriente, como ingenieros debemos guardar siempre la integridad del ambiente y hacer las cosas apegadas a las normas.

5


10.6-8 Coeficiente global experimental de transferencia de masa. Se obtienen los siguientes datos experimentales en una torre de 0.254 m de diámetro que absorbe acetona del aire a 293 K y 101.32 kPa usando agua pura. La altura de los anillos de Raschig de 25.4 mm =4.88 m, P = 3.30 kg mol de aire/h, y1= 0.01053 fracción mol de acetona, y2 =0.00072, L’ = 9.03 kg mol de agua/h, x1 = 0.00363 fracción mol de acetona. Calcule el valor experimental de Kya

z=[ G (1− y A )∗mk 'y aS (1− y A) ]PROM∫yA 2

yA 1 d y Ay A− y A

¿ =4.88

G2 L2=9.03 kgmol/h

yA2= 0.00072 xA2= 0

G’ L’=9.03 kgmol/h

G1= 3.3 kgmol/h L1

YA1= 0.01053 xA1= ¿?

G'=3.3× (1−.001053 )=3.2653 G2=3.3× (1−.001053 )1−0.00072

=3.2676 GPROM=3.2838 kgmol /h


Por método gráfico y A1¿=0.0043 x A1

¿=0.0088 y A2¿=0 x A2

¿=0.0006

(1− y A )∗m=(1− y A1 )∗m+(1− y A2 )∗m

2 (1− y A1 )∗m=(1− y A1 )−¿¿

(1− y A1 )∗m=0.9903 (1− y A2 )∗m=0.9996 (1− y A∗m )=¿0.9950

(1− y A )PROM=0.9944

∫y A2


¿=3.9700 k ' y a=[G (1− y A )∗m∫

y A2


¿

4.88 S(1− y A) ]PROM

=52.75 kgmol /hm3

Económico

6


Cantidad 3'' total 4'' 3'' 4''Valvula de mariposa 3 2306.78 6920.34 2962.37 8887.11 2306.78 6920.34 2962.37 8887.11Valvula de globo 1 563 563 672 672 563 563 672 672Codos 4 547.29 2189.16 1463.55 5854.2 23.75 95 51.79 207.16Tuberia 30 1903.258 1903.258 2175.152 2175.152 1223.523 1223.523 1033.1972 1033.1972Bomba 1 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81Ventilador 1 1216.11 1216.11 1216.11 1216.11 137.49 137.49 137.49 137.49

18800.678 24813.382 14948.163 16945.7672TorreEmpaques 1CBM 3562.5Laminas 5 728.54 3642.7Tornillos 200 113.98 22796

30001.2Total con la torre 48801.878 54814.582 44949.363 46946.9672

Acero inoxidable Hierro Galvanizado

Ambiental

La corriente gaseosa tiene 1e-3 ppm, lo que quiere decir que está en la norma, la norma es de 1e-3 ppm.

Ético

Aunque no esté infringiendo la norma, se debe tener en cuenta la concentración de acetona en el líquido, puesto que algo se le debe hacer a esta corriente, podría separarse y purificarse para recuperar la acetona, esto por medio de destilación. Una alternativa que vemos sería viable, lo que habría de hacerse es un análisis económico para determinar si este proceso es rentable para la empresa

Tarea 2.

10.6-1Cantidad de absorción en una torre de platos. Una torre contiene el equivalente de 3.0 platos teóricos, y se utiliza para absorber SO2 del aire por medio de agua pura a 293 K y 1 .013 x105Pa. El gas de entrada contiene 20% mol de SO2 y la masa y velocidad del aire de entrada es de 150kg aire inerte/h m2. El gasto del agua de entrada es 6000kg/h m2 . Calcule la composición de gas de salida. (Sugerencia: La resolución se obtiene por aproximaciones sucesivas. Suponga una composición de gas de salida de y1 = 0.01. Grafique la línea de operación y determine el número de platos teóricos necesarios. Si no son 3.0 platos, suponga otro valor de y1 así sucesivamente.)

G1= ¿? L0=333.33 kgmol/h

yA1= ¿? xA0= 0

G’= 5.17kgmol/h L’=333.33kgmol/h

Gn+1= ¿? L n= ¿?

YA n+1= 0.2 xA n= ¿?

7


yA1 xA1 #Platos teóricos0.01 0.00371 3.250.011 0.00369 3

Composición: yA1=0.011

Gráfica 2.

Hidráulica

DISTANCIA ENTRE ORIFICOS 0.012 mDIAMETRO DEL ORIFICIO 0.018 mESPACIO ENTRE PLATOS 0.6 mAREA DEL ORIFICIO 0.00029387 m2AREA ACTIVA 0.000144 m2DIAMETRO DE LA TORRE 0.35 mESPESOR DEL PLATO 1.98 mCAÍDA DE PRESIÓN TOTAL gas 0.03490584 mCAÍDA DE PRESIÓN DEBIDO AL LÍQUIDO 0.03286883 mVELOCIDAD DEL FLUJO 1.15 m/sVow 1.82 m/sNÚMERO DE PLATOS REALES 3.13EFICIENCIA DE PLATO 0.96ALTURA DE LA TORRE 2 m

RESULTADOS TORRE DE PLATOS

NOTA: Espesor de plato en mm, no en m

Económico

8


Cantidad 3'' total 4'' 3'' 4''Valvula de mariposa 2 2306.78 4613.56 2962.37 5924.74 2306.78 4613.56 2962.37 5924.74Valvula de globo 2 563 1126 672 1344 563 1126 672 1344Valvula de compuerta 2 1,394.79 2789.58 2,390.74 4781.48 1,394.79 2789.58 2,390.74 4781.48Codos 6 547.29 3283.74 1463.55 8781.3 23.75 142.5 51.79 310.74Tuberia 15 951.629 951.629 1087.576 1087.576 611.7615 611.7615 516.5986 516.5986Bomba 1 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81Ventilador 1 1216.11 1216.11 1216.11 1216.11 137.49 137.49 137.49 137.49

19989.429 29144.016 15429.7015 19023.8586TorreCosto referente a la columna 3301.24 Medidor de flujo 3'' 32,442.90 Medidor de flujo 4'' 34,521.78Costo referente a los platos 1851.37 Medidor de flujo gas 5,283.38

5152.61

Total con la torre 25142.039 34296.626 20582.3115 24176.468662,868.32 74,101.79 58,308.59 63,981.63


Ético

Otra parte de la ética son los costos de la inversión y manutención del equipo, como ingenieros debemos mejorar el proceso si es posible reduciendo el costo de éste. Si sabemos que al utilizar cierto tipo de bomba, válvula, tubería o torre que resulta más costosa que la utilizada anteriormente y que este costo no nos va a reducir la ganancia, entonces no tendríamos por que considerarlo, de igual manera si encontramos algo más barato pero que a la larga va a durar menor tiempo, no habría por que sugerirlo.

10.6-3 Absorción de amoniaco en una torre de platos. Se usa una torre de platos para eliminar el 99% del amoniaco de una corriente de aire de entrada que contiene 6 %mol de amoniaco a 293 K y 1.013 x l05 Pa. El gasto de agua pura de entrada es de 188 kgmol de H2O/hm2 y el flujo de aire inerte es de 128 kg de aire/h m2. Calcule el número de platos teóricos necesarios. (Use datos de equilibrio del Apéndice A.3.) Para el extremo diluido de la torre, trace un diagrama ampliado para aproximar el número de platos con más precisión.

G1 L0=188 kgmol/h

yA1= 0006 xA0= 0

G’= 4.4 kgmol/h L’=188 kgmol/h

Gn+1= ¿? L n

YA n+1= 0.06 xA n= ¿?


CONSTRUYENDO LA LINEA DE EQUILIBRIO Y LA LINEA DE OPERACIÓN OBTENEMOS LO SIGUIENTE

9


Este diagrama nos da 3.3 platos teóricos

Hidráulica

DISTANCIA ENTRE ORIFICOS 0.012 mDIAMETRO DEL ORIFICIO 0.018 mESPACIO ENTRE PLATOS 0.6 mAREA DEL ORIFICIO 0.00029387 m2AREA ACTIVA 0.000144 m2DIAMETRO DE LA TORRE 0.25 mESPESOR DEL PLATO 0.00198 mCAÍDA DE PRESIÓN TOTAL gas 0.02107686 mCAÍDA DE PRESIÓN DEBIDO AL LÍQUIDO 0.01884205 mVELOCIDAD DEL FLUJO 1.63 m/sVow 2.48 m/sNÚMERO DE PLATOS REALES 5.00EFICIENCIA DE PLATO 0.94ALTURA DE LA TORRE 3 m

RESULTADOS TORRE DE PLATOS

Económico

Cantidad 3'' total 4'' 3'' 4''Valvula de mariposa 2 2306.78 4613.56 2962.37 5924.74 2306.78 4613.56 2962.37 5924.74Valvula de globo 2 563 1126 672 1344 563 1126 672 1344Valvula de compuerta 2 1,394.79 2789.58 2,390.74 4781.48 1,394.79 2789.58 2,390.74 4781.48Codos 7 547.29 3831.03 1463.55 10244.85 23.75 166.25 51.79 362.53Tuberia 15 951.629 951.629 1087.576 1087.576 611.7615 611.7615 516.5986 516.5986Bomba 1 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81Ventilador 1 1216.11 1216.11 1216.11 1216.11 137.49 137.49 137.49 137.49

20536.719 30607.566 15453.4515 19075.6486TorreCosto referente a la columna 30123.42 Medidor de flujo 3'' 32,442.90 Medidor de flujo 4'' 34,521.78Costo referente a los platos 1351.37 Medidor de flujo gas 5,283.38

31474.79

Total con la torre 52011.509 62082.356 46928.2415 50550.438689,737.79 101,887.52 84,654.52 90,355.60


10


Ambiental

La norma indica 1.0 mg/L (ppm). Con la fracción indicada nos da un resultado de 25x103 ppm, claramente la corriente líquida no cumple la norma, que aunque no es el objetivo del proceso, si se va a desechar esta agua debe tener un tratamiento posterior, las opciones son las siguientes:

Ético

Como ya lo hemos mencionado, se debe de tener en cuenta ambas corrientes (gaseosa y líquida) y aspi tomar una decisión que sea amigable con el ambiente, cumpla las normas, no afecte el bolsillo de la empresa y que no implique una decisión tomada por ser la que nos beneficie personalmente, ya sea porque tenemos tratos con terceras personas o que nos reduce el esfuerzo.

10.6-4 Flujo mínimo de líquido en una torre empacada. La corriente de gas de un reactor químico contiene 25% mol de amoniaco y el resto son gases inertes. El flujo total son 181.4 kg mol/h que pasan a una torre de absorción a 303 K y 1.013 x l05 Pa de presión, en donde el líquido limpiador es agua que contiene 0.005 fracción mol de amoniaco. La concentración del gas de salida debe ser 2.0 %mol de amoníaco. ¿Cuáles el flujo mínimo L’min? Use 1.5 veces el mínimo para graficar las líneas de equilibrio y operación.

G1 L0

yA1= 0.005 xA0= 0.005

G’= 136.06 kgmol/h L’=

Gn+1=181.4 kgmol/h L n

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YA n+1= 0.25 xA n=

L’minG'

=1.781 L ’min=1.781×136.05 =242.3051 L ’min (1.5 )=363.4576 kgmol /h

Por balance de materia: xAn=0.1408

0 0.010.020.030.040.050.060.070.080.09 0.1 0.110.120.130.140.150.160.170.180.19 0.2 0.210.220

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

f(x) = 1.80412371134021 x − 0.00402061855670102R² = 1

Series2

Linea de operación

Linear (Linea de op-eración)

xA

yA

Económico

Cantidad 3'' total 4'' 3'' 4''Valvula de mariposa 3 2306.78 6920.34 2962.37 8887.11 2306.78 6920.34 2962.37 8887.11Valvula de globo 1 563 563 672 672 563 563 672 672Codos 4 547.29 2189.16 1463.55 5854.2 23.75 95 51.79 207.16Tuberia 30 1903.258 1903.258 2175.152 2175.152 1223.523 1223.523 1033.1972 1033.1972Bomba 1 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81 6008.81Ventilador 1 1216.11 1216.11 1216.11 1216.11 137.49 137.49 137.49 137.49

18800.678 24813.382 14948.163 16945.7672TorreEmpaques 1CBM 3562.5Laminas 4 728.54 2914.16Tornillos 150 113.98 17097

23573.66Total con la torre 42374.338 48387.042 38521.823 40519.4272


Ético

El trabajo del ingeniero químico es mejorar los procesos reduciendo los costos, esto sin perder de vista el compromiso que debemos asumir con el ambiente y el trato a las personas, cuidar del ambiente, de las condiciones de seguridad, y de la economía de la empresa, son cosas que no debemos perder de vista

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