Lista Adsorção 2021 2

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Lista de Exercícios – Adsorção Exercício 1 – Ar a 25 ªC e 1 atm com uma umidade relativa de 25% está para ser desumificada em uma coluna adsorção cujo recheio é composto por sílica gel. O equilíbrio adsortivo da água na sílica gel é dado pela expressão: X* (kg H2O/100 kg sílica gel) = 12 5 pH2O / p*H2O Em que: pH2O representa a pressão parcial da água no gás que está em contato com a sílica gel e p*H2O representa a pressão de vapor da água na temperatura do sistema. O ar é alimentado numa vazão de 1,50 L/min até que a sílica gel seja saturada (i.e., até que alcance o equilíbrio com o ar alimentado), ponto em que o fluxo é interrompido e a sílica gel substituída. a) Calcule a quantidade mínima necessária de sílica gel na coluna se a substituição ocorrer no máximo a cada duas horas. Declare quaisquer suposições que você fizer; R. a) maga = 0,0083 g/min; m = 33,1 g sílica gel; P e T = cte b) Qual é o processo (projeto) a ser feito? O que acontece dentro da coluna? e, Por que é necessária a substituição da embalagem da coluna? Exercício 2 – Um tanque de 50,0 litros contém uma mistura de ar-tetracloreto de carbono a 1 atm absoluta, 34 ºC e 30,0% de saturação relativa. O carvão ativado é colocado no tanque para adsorver CCl4. A temperatura do conteúdo do tanque é mantida a 34 ºC, e ar limpo é, continuamente, fornecido ao tanque durante todo o processo para manter a pressão total em 1,00 atm. O processo pode ser mostrado esquematicamente da seguinte forma: Calcule a quantidade mínima de carvão ativado necessária para reduzir a fração molar do CCl4 no gás para 0,001. Despreze o volume de carvão ativado e do CCl4 adsorvido. Por que o a quantidade real colocada no tanque é maior do que o valor calculado? R. mads = 20 g CCl4 adsorvida; mcarbono = 320 g Exercício 3 – Um tanque de 50,0 L contém uma mistura gasosa de ar–tetracloreto de carbono em uma pressão absoluta de 1 atm, a temperatura de 34 ºC, e uma saturação relativa de 30%. Carvão ativado é adicionado ao tanque para remover o CCl4 do gás por adsorção e o tanque é então lacrado (selado). O volume de carvão ativado adicionado pode ser assumido como desprezível em comparação ao volume do tanque. a) Calcular pCCl4 quando o tanque é lacrado (selado); assumir que o gás se comporta como gás ideal e desprezar a adsorção que ocorre antes da selagem; R. pCCl4 = 50,7 mmHg b) Calcular a pressão total no tanque e a pressão parcial do tetracloreto de carbono em um ponto quando metade do CCl4, inicialmente no tanque, tem sido adsorvida. Foi evidenciado no Exercício anterior que, a 34 ºC: Em que: pCCl4 representa a pressão parcial (mmHg) de tetracloreto de carbono no gás está em contato com o carvão. R. P = 735 mmHg; pCCl4 = 26,2 mmHg c) Calcular a quantidade de carvão ativado que deve ser adicionado ao tanque para reduzir a fração molar do CCl4 no gás para 0,001. R. m = 400 g de carvão Exercício 4 – Os seguintes dados de equilíbrio foram obtidos para a adsorção de dióxido de nitrogênio (NO2), em sílica gel a 25 ºC e 1 atm: a) Confirmar que estes dados estão razoavelmente correlacionados pela Isoterma de Freundlich e determinar os valores de KF e  que fornecem a melhor correlação. (Usar método gráfico); R. KF=0,140 kg NO2/100 kg gel (mmHg)-1,406; =1,406 b) Verifica-se que coluna de adsorção (figura abaixo) possui um diâmetro interno de 10,0 cm e uma altura de leito de 1,00 m. O leito de sílica gel possui uma densidade aparente de 0,75 kg/L. O adsorvedor deve remover NO2 de uma corrente que contém 1,0 % em mol de NO2 e balanço de ar que entra no adsorvedor a 8,00 kg/h. A pressão e a temperatura são mantidas em 1 atm e 25 ºC. Experiência anterior com este sistema mostrou que um gráfico da razão entre as pressões parciais [(pNO2)saída/(pNO2)entrada] versus tempo produz uma curva de ruptura com a seguinte aparência. Usando a isoterma derivada na parte (a), determine o tempo (em min) necessário para a ruptura do NO2. R. tb = 68 min. Exercício 5 – Várias quantidades de carvão ativado foram adicionadas a uma quantidade fixa de solução bulk (bruto) de cana de açúcar, ou seja, 48% em massa de sacarose em água, a 80 ºC. Um calorímetro foi usado para medir a cor das soluções, que é proporcional à concentração de traços de impurezas desconhecidas na solução. Os seguintes dados foram obtidos: A redução nas unidades de cor é uma medida da massa de impurezas (o adsorvato) adsorvido no carbono (o adsorvente). a) A forma geral da Isoterma de Freundlich é: Em que: X*i é a massa de i adsorvido/massa de adsorvente e ci é a concentração de i na solução. Demonstrar que a isoterma de Freundlich pode ser formulada para o sistema descrito acima como: Em que 𝜗 é representa o % de remoção de cor/ [massa de carbono / massa de sacarose dissolvida]. Então, determine K’F e  ao ajustar esta expressão aos dados fornecidos, usando um dos métodos gráficos. R. a) K’F = 3203 ;= 0,4504 b) Calcule a quantidade de carbono que teria que ser adicionada a uma cuba contendo 1000 kg de solução de açúcar de 48% em massa a 80 ºC para uma redução no conteúdo de cor para 2,5% do valor original. R. b) mA = 20 kg de C Exercício 6 – Dados de isoterma de equilíbrio para adsorção de glicose de uma solução aquosa para alumina ativada são fornecidos: C 0,0040 0,0087 0,019 0,027 0,094 0,195 q (g de soluto/g alumina) 0,026 0,053 0,075 0,082 0,123 0,129 Determine a isoterma que se ajusta aos dados e forneça as constantes da equação usando as unidades fornecidas. Resp. Isoterma de Langmuir, q = 0,145 /(0,0174 + c) Exercício 7 – Os testes em batelada foram realizados em laboratório usando soluções de fenol em água e partículas de carvão ativado granular (R5). Os dados de equilíbrio à temperatura ambiente (de sala) são mostrados na Tabela 12.1-1 abaixo extraída do Geankolis, pg 699. Determinar a isoterma que se ajusta aos dados. R. q = 0,199c0,229 Exercício 8 – A solução de um efluente com um volume de 2,5 m3 contém 0,25 kg de fenol / m3 de solução. Esta solução é misturada completamente em um processo em lote com 3,0 kg de carvão ativado granular até que o equilíbrio seja alcançado. Use a isoterma do Exercício 7, calcule os valores de equilíbrio final e a porcentagem de fenol extraída. R. c = 0,106 kg fenol/m3; q = 0,120 kg fenol/ kg de carvão; %extraída = 57,6% Exercício 9 – Em 1 m3 de volume de uma solução efluente contém 0,21 kg fenol/m3 de solução (0,21 g/L). Um total de 1,40 kg de carvão ativado fresco em grãos é adicionado à solução, que é então completamente misturado para alcançar o equilíbrio. Usando a isoterma do Exercício 7, quais são os valores de equilíbrio final e qual é a porcentagem de fenol extraída? R. q = 0,106 kg fenol/ kg de carvão e c = 0,062 kg fenol/m3; %fenol extraído = 70,5% Exercício 10 – Uma corrente gasosa residual, que contém vapor de álcool em ar, de um determinado processo foi adsorvido por partículas de carvão ativado (recheio) presentes em um leito. As dimensões do leito são: diâmetro de 4 cm e comprimento de 14 cm. A massa de carvão é de 79,2 g. A corrente do gás de entrada possui uma concentração C0 de 600 ppm e uma massa específica de 0,00115 g/cm3 entrou no leito a uma vazão de 754 cm3/s. Os dados na Tabela 12.3-1 (Geankoplis, pg 704) fornecem as concentrações da curva de ruptura. A concentração do ponto de ruptura (interrupção) é definida em C/ C0 = 0,01. Faça o seguinte: a) Determine o tempo do ponto de ruptura, a fração da capacidade total usada até o ponto de ruptura e o comprimento do leito não utilizada. Também determine a capacidade de carga de saturação do carvão; R. a) tb =3,65 h; td = 6,95 h; Hnu = 4,1 cm; capacidade de saturação = 0,1220 g álcool/g carbono b) Se o ponto de ruptura necessário para uma nova coluna é 6,0 h, qual é o novo comprimento total da coluna? R. b) Hb=16,3 cm; HT=20,4 cm; Exercício 11 – Usando o tempo do ponto de ruptura e outros resultados do Exemplo 10, faça o seguinte: a) O tempo do ponto de ruptura para uma nova coluna deve ser 8,5 h. Calcular o novo comprimento total necessário da coluna, diâmetro da coluna e a fração de capacidade total usada até o ponto de interrupção. A vazão volumétrica deve permanecer constante a 754 cm3/s; R. a) HT = 27,2 cm; tu/tt = 0,849; b) Use as mesmas condições da parte a), porém a vazão volumétrica deve ser aumentada para 2000 cm3/s. R. b) D = 6,52 cm; demais valores de a) Exercício 12 – Os dados de equilíbrio para a descoloração de uma amostra de óleo efluente usando um tipo especial de argila coletada de um conjunto de experimentos poderia ser ajustada pela relação do tipo da Lei de Henry => Y = 4,2x10-4X*, em que Y representa o número de unidade de cor por kg de óleo e X* representa o número de unidade de cor por kg de argila em equilíbrio. 1000 kg de um óleo efluente tendo uma concentração de cor inicial de 50 unidades tem que ser tratado para reduzir a concentração a 1 unidade de cor. O adsorvente tem uma área superficial específica efetiva de 25 m2/kg e o coeficiente de transferência de massa na superfície é kL = 5,2x10-6 m/s (em base da concentração em fase sólida). A massa específica do óleo é 950 kg/m3. a) Calcular a quantidade mínima de adsorvente necessário; R.: a) m = 20,58 kg b) Qual é o tempo de contato necessário se for utilizada cerca de 1,2 vezes a quantidade mínima de adsorvente? R. b) t = 733,64 s = 12,22 minutos Exercício 13 – Uma corrente de ar encerra acetona em concentração de 1200 ppm a 35ºC e 1 atmosfera absoluta. Desta mistura, a acetona deverá ser recuperada por adsorção em um leito de carvão ativado com partículas de 6 a 8 mesh (diâmetro médio de 3 mm; densidade aparente do sólido em pellets 0,695 t/m3; densidade do leito 0,480 t/m3), A vazão da mistura nas condições de operação é 2,83 m3/s. A capacidade de adsorção do sólido até o ponto de ruptura é 0,38 kg de acetona por kg de carvão. Calcular: a) as dimensões do equipamento e; R: a) 7,44m2 (1,5x5m) x 0,5 m de espessura b) a perda de carga através do leito para um ciclo de operação de 24 h utilizando-se a Equação de Ergun. R: b) 217,2 mmCA Exercício 14 – Uma determinada água residual, industrial, apresenta o teor de carbono orgânico total (TOC) de 200 mg/L que será tratada com carvão ativado granular (GAC) empregando-se uma vazão volumétrica de 150 m3/dia. Como o TOC permissível no efluente seja 10 mg/L e os dados da planta piloto fornecidos na Tabela abaixo, calcular: a) a taxa de filtração; b) a área da coluna de recheio (ou coluna recheada); c) o tempo de contato do leito vazio da planta piloto; d) a altura da coluna de recheio; e) a área de carvão requerido na coluna de recheios; f) o qe (mg de TOC/kg de Carvão); g) fração da capacidade não utilizada deixada; h) tempo de ruptura da coluna de recheio; i) volume tratado antes da ruptura Dados da planta piloto Curva de ruptura • Q = 50 L/h • Diâmetro da coluna = 9,5 cm • Altura da coluna (leito empacotado) = 175 cm • Densidade do carvão no leito empacotado = 400 kg/m3 •Vruptura= 8400 L •Vexaustão = 9500 L R. a) 705 cm3/(h.cm2); A = 8865 cm2; tespacial = 15 minutos; z = 176 cm; m = 621 kg; qe = 380 mg de C/g; f = 12%; truptura = 7 dias; Volume tratado antes da ruptura = 1050 m3 Exercício 15 – Os dados de equilíbrio para descoloração para um certo sistema usando carvão ativado é dado pela equação: Y = 0,004.X2. Em que: Y é a relação de g de impureza colorida por kg de solução livre de impureza e X é a relação de g de impureza colorida por kg de carvão ativado puro. Calcular a quantidade de carvão ativado requerido por 1000 kg de solução livre de impureza para reduzir a concentração de impureza de 1,2 para 0,2 g/kg de solução livre de impureza usando: a) uma operação de único estágio; R. a) Ls = 141,4 kg de adsorvente; b) uma operação de corrente cruzada com dois estágios com composição intermediária de 0,5 g de impureza colorida por kg de solução livre de impureza. R. b) Ls = 105,04 kg de adsorvente Exercício 16 – 500 kg/min de ar seco a 20 ºC e carreando 5 kg de vapor d’água/minuto está para ser desumidificado com sílica gel para 0,001 kg de vapor d’água por kg de ar seco. A operação tem que ser realizada isotermicamente e contracorrente com 25 kg/min de sílica gel seca. Calcular: a) quantos pratos teóricos são necessários? R. a) n = 4 b) Qual será o teor de água na sílica gel que está saindo no último estágio? R. b) X1 = 0,18 kg de vapor d’água / kg de sílica gel