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.:
.
(a) Calcule a vazão de água a ser utilizada na presente absorvedora, considerando que
(b) Se a vazão de água utilizada for a mesma que a calculada no Problema 1 (a), qual será a porcentagem de remoção do
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.
Dados:
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:
(a) A razão L mín
(b) A concentração máxima possível de
© O número de estágios teóricos quando
(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
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?
(a) Calcule a altura de recheio requerida para a absorção de
(b) Calcule o fluxo mínimo de água em lb/(h.ft²) para absorção de
© 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