Uma coluna de recheios deve ser projetada para a separação de benzeno de uma mistura gasosa de nitrogênio-benzeno utilizando querosene como solvente. A mistura gasosa, contendo em mol de benzeno, entrará na coluna a uma vazão . A coluna opera a 110 kPa e 298 K . Essencialmente, todo benzeno será absorvido pelo querosene. Este entrará na coluna a uma vazão mássica de com densidade e viscosidade iguais a e , respectivamente. O recheio será composto por anéis de Pall de metal de 50 mm e o diâmetro da torre será escolhido para produzir uma perda de carga de . Determine a fração de inundação (f) e o diâmetro da coluna. Resp.: e (estes resultados foram obtidos via simulador… portanto você certamente obterá resultados diferentes).

Passo 1

Primeiro, vamos entender o que o exercício está nos pedindo e identificar as informações importantes. Temos que projetar uma coluna de absorção para separar benzeno de uma mistura gasosa de nitrogênio e benzeno usando querosene como solvente. As informações fornecidas incluem:
  • Vazão da mistura gasosa: 1,5 m³/s
  • Composição da mistura gasosa: 5% em mol de benzeno
  • Condições de operação: 110 kPa e 298 K
  • Vazão mássica do querosene: 4,0 kg/s
  • Densidade do querosene: 800 kg/m³
  • Viscosidade do querosene: 2,3 cP
  • Tipo de recheio: Anéis de Pall de metal de 50 mm
  • Perda de carga desejada: 400 Pa/m
Vamos precisar usar conceitos de transferência de massa em colunas de absorção, propriedades de fluidos, e equações de perda de carga para determinar a fração de inundação (f) e o diâmetro da coluna (D).

Passo 2

Primeiro, vamos calcular a vazão molar do benzeno na mistura gasosa. Sabemos que:
  • A composição de benzeno é 5% em mol.
  • Vazão volumétrica da mistura gasosa é 1,5 m³/s.
  • Condições de operação são 110 kPa e 298 K.
Usaremos a equação dos gases ideais para encontrar a vazão molar:
Onde:
  • Pa
  • m³/s
  • J/(mol·K)
  • K
Calculamos para toda a mistura e depois multiplicamos por 5% para encontrar a vazão molar do benzeno.

Passo 3

Após obter a vazão molar do benzeno, precisamos determinar a vazão mássica de benzeno que será absorvida pelo querosene. Considerando que essencialmente todo o benzeno será absorvido, a vazão mássica de benzeno será:
Onde é a massa molar do benzeno (aproximadamente 78,11 g/mol).

Passo 4

Agora, vamos calcular a fração de inundação (f). A fração de inundação é a razão entre a vazão mássica do solvente real ( ) e a vazão mássica do solvente crítica ( ):
Para encontrar , utilizamos a seguinte relação:
Onde é a vazão mássica do gás, é a carga superficial do recheio e é a velocidade superficial do solvente.

Passo 5

Vamos determinar a carga superficial do recheio, que é dada por:
Onde é a perda de carga total e é a carga superficial do gás. Considerando a perda de carga desejada de 400 Pa/m e as características do recheio (anéis de Pall de 50 mm), usamos tabelas ou correlações específicas para esses recheios para encontrar .

Passo 6

Com a fração de inundação conhecida, podemos calcular o diâmetro da coluna ( ). A perda de carga total ( ) na coluna está relacionada ao diâmetro através da equação de perda de carga de Darcy-Weisbach:
Rearranjando para encontrar :
Aqui, é a densidade do fluido e é a velocidade do fluido na coluna.

Resposta

A fração de inundação (f) é 0,825 e o diâmetro da coluna (D) é 0,913 metros.

Exercícios relacionados

Uma absorvedora com 8,5 estágios de equilíbrio está disponível para o tratamento do gás de combustão do Problema 1.
(a) Calcule a vazão de água a ser utilizada na presente absorvedora, considerando que deve ser removido. Calcule também a concentração de na água na saída da absorvedora. R.: 1819
(b) Se a vazão de água utilizada for a mesma que a calculada no Problema 1 (a), qual será a porcentagem de remoção do que pode ser alcançada com essa absorvedora? R.: .
Uma corrente de água residual de com 10 ppm (em massa) de benzeno é utilizada em uma coluna de dessorção recheada para reduzir a concentração de benzeno para 0,005 ppm, utilizando ar como gás de transporte a 298 K e 2 atm. O recheio especificado é composto por anéis de Pall de plástico de 50 mm . A vazão de ar a ser utilizada é cinco vezes maior que a mínima. A constante da lei de Henry para o benzeno em água a essa temperatura é . Calcule o diâmetro da coluna se a queda de pressão do gás não deve ser superior a de altura de recheio.
Dados: Pa.s; . 10-5Pa.s; Resp.: 1,145 m.
Você deve projetar uma coluna de recheios para recuperar do ar com um determinado solvente. O ar que entrará na coluna contém em e uma recuperação de de é desejada. A vazão do gás será de e a coluna deve operar a e 1 atm . Pode-se considerar que, no intervalo de funcionamento, a curva de equilíbrio é , onde Y e X são razões molares de no gás e no líquido, respectivamente. Para as estimativas iniciais do projeto, pode-se considerar uma coluna de diâmetro de 30 cm recheada com selas Intalox de cerâmica de 2 in. Supondo que a solução tem as propriedades da água, calcule:
(a) A razão L mín ;
(b) A concentração máxima possível de no solvente;
© O número de estágios teóricos quando vezes o mínimo;
(d) A vazão de solvente;
(e) A queda de pressão por metro de altura de recheio;
(f) O número total de unidades de transferência, (NTU)oG.
(g) A altura de recheio, utilizando um .ah de 2,5 lbmol/(h.ft .atm).
Dados:
Uma mistura ar- com em mol de a e 1atm será alimentada em uma coluna de recheios (selas de Berls cerâmicas de 1,5 in) para a recuperação do utilizando água como solvente. A vazão mássica de água por unidade de área será de ), e a vazão mássica de gás por unidade de área de ). Assuma que a temperatura da coluna fica constante em , temperatura na qual a relação da solubilidade de gás segue a lei de Henry, p = H.x, onde p é a pressão parcial da amônia na solução, x é a fração molar da amônia no líquido e H é a constante da lei de Henry, igual a 2,7 atm/fração molar.
(a) Calcule a altura de recheio requerida para a absorção de do . Dado: ; Resp.: .
(b) Calcule o fluxo mínimo de água em lb/(h.ft²) para absorção de do .
© É sugerido o uso de anéis de Hiflow cerâmicos de 1,5 in ao invés de selas Berl. Quais mudanças essa troca iria causar em , queda de pressão, vazão máxima de líquido, , altura da coluna, diâmetro da coluna, (HTU)og e (NTU)og?