Tópico 6 dos exames profissionais para engenheiros químicos: Absorção de gases
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Este tópico foi editado pela última vez por zhanghp30 em 13/10/2018, às 23:02. 1. Supondo que a razão de operação da tarefa de absorção, a temperatura de entrada do agente absorvente, a concentração do gás na saída, a concentração do agente absorvente na entrada da coluna e a pressão de operação permaneçam constantes, e considerando-se a absorção de um gás misto de dois componentes em baixa concentração, se for utilizado um material de preenchimento com desempenho superior no projeto, então as seguintes afirmações estão incorretas (BCD). A. O número de unidades de transferência de massa necessárias não muda; a altura da camada de preenchimento diminui； O número de unidades de transferência de massa necessárias permanece o mesmo, assim como a altura da camada de material de preenchimento ； O número de unidades de transferência de massa necessárias diminui, e a altura da camada de material de preenchimento também diminui ； O número de unidades de transferência de massa necessárias permanece o mesmo, assim como a altura da camada de material de preenchimento ； O número de unidades de transferência de massa do BCD está relacionado ao equilíbrio de fases e às concentrações nas entradas e saídas. Se esses fatores permanecerem constantes, o número de unidades de transferência de massa também permanecerá constante ； Ao se escolher um bom material de preenchimento, a altura da unidade de transferência de massa diminui. Como o número de unidades de transferência de massa permanece o mesmo, a altura da camada de preenchimento também diminui. Atente-se ao requisito do enunciado: escolha a opção incorreta! 2. Na torre de Preenchimento, a água limpa é utilizada para absorver o amônia presente no ar misturado. Quando a capacidade de bombeamento da água diminui, o número de unidades de transferência de massa por difusão gasosa (A) será: A) aumentar B) diminuir C) permanecer o mesmo D) impossível determinar. A relação S = m*G/L indica que, à medida que L diminui, S aumenta. Portanto, a força motriz para a absorção diminui, enquanto a força motriz para a transferência de massa aumenta. 3. Na torre de enchimento, o solvente puro é utilizado para absorver, em fluxo contrário, os componentes solúveis A presentes na mistura. Sabe-se que a composição inicial de A na mistura gasosa é de 0,06 (fração molar, idem adiante). A composição do gás após a absorção é de 0,005, enquanto a composição da solução após a absorção é de 0,095. Nas condições operacionais, o equilíbrio entre fases gasosa e líquida é dado por y = 0,6x. Os coeficientes de transferência de massa entre as fases líquida e gasosa são proporcionais a Ky*a, que por sua vez é proporcional a G^0,7; e Kx*a é proporcional a L^0,7. Além disso, o processo de absorção é controlado pela camada de gás, sendo HOG = 1 m. Determine: (1) A composição do gás na seção transversal da coluna quando a altura da camada de material de preenchimento é reduzida para metade ； (2) Quando o fluxo da fase líquida aumenta, mantendo-se constantes o fluxo da fase gasosa e a composição da mistura de gás e líquido na entrada, qual será a variação na quantidade de soluto A absorvido? A) Aumenta B) Diminui C) Permanece constante D) Não é possível determinar. 4. Uma empresa conhecida de engenharia ambiental em Xangai foi contratada por uma empresa estrangeira para tratar e purificar os componentes solúveis A presentes em misturas gasosas. Após investigações iniciais realizadas pelos engenheiros, verificou-se que a composição inicial do gás A era de 0,045. Foi utilizado um tanque de carga com solvente puro para realizar a absorção em contracorrente. A composição do gás na saída foi de 0,018, enquanto a composição da solução na saída foi de 0,088. Sob as condições operacionais, a relação de equilíbrio entre as fases gasosa e líquida é y = 0,5x. Sabe-se que esse processo de absorção é controlado pela camada de gás. Determine: (1) O número de unidades de transferência de massa na fase gasosa, NOG ； (2) O cliente exige que, mantendo-se inalteradas as composições na fase gasosa e nas entradas de gás e líquido, quando o fluxo de líquido for duplicado, a concentração na saída após a absorção do gás não deve exceder 0,006. Os engenheiros de processo realizam cálculos técnicos, chegando, por fim, aos indicadores solicitados pelo cliente. A: Pode ser alcançado.B: Não pode ser alcançado.
C: Faltam condições necessárias.
D: Não é possível determinar.
5. Em um ponto específico da torre de absorção, a concentração no estado gasoso é y = 0,025, e a concentração no estado líquido é x = 0,01. O coeficiente de transferência de massa no estado gasoso é ky = 2 kmol/m²·h, enquanto o coeficiente total de transferência de massa no estado gasoso é Ky = 1,5 kmol/m²·h. A relação de equilíbrio é y = 0,5x. Qual é, então, a concentração no estado gasoso na interface gasoso-líquida nesse ponto?
ye = 0,5 * 0,01 = 0,005.
NA = Ky(y – ye) = ky(y – yi). Portanto:
1,5 * (0,025 – 0,005) = 2 * (0,025 – yi).
Assim, yi = 0,01.
6. A altura do material de preenchimento da torre de absorção é de 4,5 m. Água limpa é utilizada para absorver os componentes nocivos presentes nos gases de escape, em fluxo contrário. A relação de equilíbrio é y = 1,5x. A concentração no estado líquido na saída é de 0,008. As concentrações no estado gasoso na entrada e na saída são, respectivamente, 0,02 e 0,004.
(1) NOG;
(2) Qual é o menor valor possível para a razão entre volume de líquido e volume de gás utilizado na operação?
(3) A autoridade ambiental exige que a concentração de emissões seja inferior a 0,003. Quais medidas podem ser tomadas para atingir esse padrão?
(1) V/L = 0,0008 / (0,02 – 0,004) = 0,5.
S = mV/L = 1,5 * 0,5 = 0,75.
NOG = 1 / (1 – S) * Ln = 2,77.
(2) (L/V)min = (y1 – y2) / (x1 – x2) = 1,2.
(L/V) / (L/V)min = 2 / 1,2 = 1,667.
(3) Geralmente, a solução é aumentar a altura do material de preenchimento, mantendo constante a razão entre volume de líquido e volume de gás. Assim, NOG’ = 1 / (1 – S) * Ln. Aqui, y2’ = 0,003. Portanto, NOG’ = 3,53.
O aumento na altura do material de preenchimento é detaH = HOG(NOG’ – NOG) = (4,5 / 2,77) * (3,53 – 2,77) = 1,23 m
7. Utiliza-se uma operação em contracorrente para absorver o benzeno presente no gás misto. Sabe-se que o gás misto contém 5% de benzeno em termos de fração volumétrica; os demais componentes não são inertes. A taxa de recuperação é de 95%. A vazão do gás misto que entra na coluna é de 42,4 kmol/h. O agente de absorção utilizado é querosene sem benzeno. A quantidade de querosene utilizada é 1,5 vezes a quantidade mínima necessária. O diâmetro da coluna é de 0,6 m. Nas condições de operação, a relação de equilíbrio é ye=0,14x. O coeficiente total de transferência de massa no estado gasoso é Kya=125 kmol/m³·h. A massa molar média do querosene é de 170 kg/kmol. (1) Quantidade de querosene consumida por hora (kg/h); (2) Concentração do querosene ao sair da coluna; (3) Altura do material de preenchimento; (4) Quantidade de benzeno recuperado por hora pela coluna? (5) Quais medidas podem ser tomadas para aumentar a taxa de recuperação? (1) y1=0,05, Q=0,95, x2=0; V=42,4 kmol/h, L/V=1,5. (L/V)min =1,5*(y1-y2)/(x1*-x2)=1,5m. Q=1,5*0,14*0,95=0,1995. L=0,1995*42,4=8,459 kmol/h=8,459*170=1438 kg/h. (2) y2=y1(1-Q)=0,0025. X1=G/L(y1-y2); x1=0,238. (3) S=mV/L=0,14/0,1995=0,702. NOG=1/(1-S)*Ln=6,76. HOG=G/Kya=1,2m. H=NOG*HOG=8,1m. (4) Quantidade de benzeno recuperado: M=V(y1-y2)*78=42,4(0,05-0,0025)*78=157 kg/h. (5) As medidas para aumentar a taxa de recuperação visam melhorar a eficiência de absorção, ou seja, aumentando a pressão e a temperatura, e assim aumentando a razão entre líquido e gás.
8. Em uma coluna de preenchimento operando em contracorrente, quando o fator de desabsorção S>1, e se a coluna for infinitamente alta, então as fases gasosa e líquida atingem o equilíbrio em ( ). (A) No topo da coluna; (B) Na base da coluna; (C) No meio da coluna; (D) Em toda a coluna. Resposta: B. Como a inclinação da linha de equilíbrio é maior que a da linha de operação, a linha de operação se estende indefinidamente (pois a altura da coluna é infinita), e assim o equilíbrio é alcançado na base da coluna.
9. Ao utilizar absorção química, a absorção física original pode ser ( ). (A) A resistência da membrana líquida aumenta, enquanto a resistência da membrana gasosa permanece constante; (B) A resistência da membrana líquida diminui, enquanto a resistência da membrana gasosa permanece constante; (C) A resistência da membrana líquida aumenta, enquanto a resistência da membrana gasosa diminui; (D) A resistência da membrana líquida diminui, e a resistência da membrana gasosa também diminui. Resposta: B.
10. Em um sistema de absorção em contracorrente, se S=1, então o número de unidades de transferência de massa no estado gasoso é igual ao número teórico de unidades. Se S>1, então o número de unidades de transferência de massa no estado gasoso é ( ) do número teórico de unidades. (A) Igual a; (B) Menor que; (C) Maior que; (D) Incerto. Resposta: B. Nt/NOG=S-1/LnS. Se s=1, NT=NOG. Se S>1, Nt>NOG.
11. No processo de absorção em contracorrente de gases pouco solúveis em baixas concentrações, se todas as outras condições de operação permanecerem constantes, mas a quantidade de gás que entra na coluna diminuir, então o número total de unidades de transferência de massa no estado líquido, NOG, será ( ). A altura total das unidades de transferência de massa no estado líquido, HOG, será ( ). O número total de unidades de transferência de massa no estado gasoso, NOG, será ( ). A altura total das unidades de transferência de massa no estado gasoso será ( ). A inclinação da linha de operação será ( ). Respostas: C, C, A, B, A. HOL e NOL são pouco afetados pela quantidade de gás, portanto permanecem praticamente constantes. HOG=S*HOL=mV/L*HOL. Como V diminui, HOG também diminui. NOG=A*NOL=L/mV*NOL. Portanto, NOG aumenta.
8. Em uma coluna de preenchimento operando em contracorrente, quando o fator de desabsorção S>1, e se a coluna for infinitamente alta, então as fases gasosa e líquida atingem o equilíbrio em ( ). (A) No topo da coluna; (B) Na base da coluna; (C) No meio da coluna; (D) Em toda a coluna. Resposta: B. Como a inclinação da linha de equilíbrio é maior que a da linha de operação, a linha de operação se estende indefinidamente (pois a altura da coluna é infinita), e assim o equilíbrio é alcançado na base da coluna.
9. Ao utilizar absorção química, a absorção física original pode ser ( ). (A) A resistência da membrana líquida aumenta, enquanto a resistência da membrana gasosa permanece constante; (B) A resistência da membrana líquida diminui, enquanto a resistência da membrana gasosa permanece constante; (C) A resistência da membrana líquida aumenta, enquanto a resistência da membrana gasosa diminui; (D) A resistência da membrana líquida diminui, e a resistência da membrana gasosa também diminui. Resposta: B.
10. Em um sistema de absorção em contracorrente, se S=1, então o número de unidades de transferência de massa no estado gasoso é igual ao número teórico de unidades. Se S>1, então o número de unidades de transferência de massa no estado gasoso é ( ) do número teórico de unidades. (A) Igual a; (B) Menor que; (C) Maior que; (D) Incerto. Resposta: B. Nt/NOG=S-1/LnS. Se s=1, NT=NOG. Se S>1, Nt>NOG.
11. No processo de absorção em contracorrente de gases pouco solúveis em baixas concentrações, se todas as outras condições de operação permanecerem constantes, mas a quantidade de gás que entra na coluna diminuir, então o número total de unidades de transferência de massa no estado líquido, NOG, será ( ). A altura total das unidades de transferência de massa no estado líquido, HOG, será ( ). O número total de unidades de transferência de massa no estado gasoso, NOG, será ( ). A altura total das unidades de transferência de massa no estado gasoso será ( ). A inclinação da linha de operação será ( ). Respostas: C, C, A, B, A. HOL e NOL são pouco afetados pela quantidade de gás, portanto permanecem praticamente constantes. HOG=S*HOL=mV/L*HOL. Como V diminui, HOG também diminui. NOG=A*NOL=L/mV*NOL. Portanto, NOG aumenta.
12. Em uma coluna de enchimento, utiliza-se um solvente puro para absorver, em fluxo contrário, os componentes solúveis A presentes em uma mistura gasosa. Sabe-se que a composição inicial do gás A é de 0,06 (em fração molar). Após a absorção, a composição do gás na saída é de 0,005, enquanto a composição da solução resultante é de 0,095. Nas condições operacionais, a relação de equilíbrio entre fase gasosa e líquida é y = 0,6x. Os coeficientes de transferência de massa entre as fases líquida e gasosa são proporcionais a G^0,7 para Kya e a L^0,7 para Kxa. Além disso, esse processo de absorção é controlado pela camada gasosa, sendo HOG = 1 m. Determine: (1) A altura da camada de enchimento e a composição da fase gasosa na seção transversal da coluna quando a altura da camada de enchimento for metade do valor original; (2) Como varia a quantidade de soluto A absorvido quando o fluxo da fase líquida aumenta, mantendo-se constantes o fluxo da fase gasosa e as composições iniciais das fases líquida e gasosa? Explique o motivo. (1) L/V = y1 – y2 / x1 – x2; L/V = 0,579. S = mL/V = 1,036. NOG = (1/1 – S)·Ln = 14. Portanto, H = NOG·HOG = 14 m. Quando a altura da camada de enchimento é metade do valor original, NOG’ = 7. Como S permanece constante, substituindo no valor anterior, temos y’ = 0,036. (2) Quando o fluxo da fase líquida aumenta, mantendo-se constantes o fluxo da fase gasosa e as composições iniciais das fases líquida e gasosa, a quantidade de soluto A absorvido aumenta. Isso acontece porque o processo de absorção é controlado pela camada gasosa. Com o aumento de L, V permanece constante, Kya também permanece constante, e HOG também permanece constante. Como h permanece constante, NOG também permanece constante. S = mV/L diminui. Pelo fato de NOG = (1/1 – S)·Ln, y2 diminui. Assim, a quantidade de soluto absorvido = V(y1 – y2) aumenta.
13. Em uma coluna de enchimento, utiliza-se água limpa para absorver amônia presente em uma mistura gasosa. Quando a bomba de água falha e o fluxo de água diminui, o número de unidades de transferência de massa na fase gasosa (A) aumenta; B diminui; C permanece constante. L diminui, S aumenta. Isso faz com que a força de absorção diminua, e, portanto, NOG aumenta necessariamente.
14. Conceitos básicos: No processo de absorção de gases, HOG é um parâmetro que indica o desempenho do equipamento de transferência de massa; NOG é um parâmetro que indica a facilidade ou dificuldade de absorção.
15. Fórmulas básicas: m = E/P, E = ps/HMs, y = mx, C* = H·P.
13. Em uma coluna de enchimento, utiliza-se água limpa para absorver amônia presente em uma mistura gasosa. Quando a bomba de água falha e o fluxo de água diminui, o número de unidades de transferência de massa na fase gasosa (A) aumenta; B diminui; C permanece constante. L diminui, S aumenta. Isso faz com que a força de absorção diminua, e, portanto, NOG aumenta necessariamente.
14. Conceitos básicos: No processo de absorção de gases, HOG é um parâmetro que indica o desempenho do equipamento de transferência de massa; NOG é um parâmetro que indica a facilidade ou dificuldade de absorção.
15. Fórmulas básicas: m = E/P, E = ps/HMs, y = mx, C* = H·P.