UNIVERSIDAD RICARDO PALMA FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA AMBIENTAL

CAPTULO N 11: PROBLEMAS SOBRE CONTROL DE LOS SOX1. Se quema 1 tonelada mtrica de madera que tiene 0.08% de azufre como contaminante. Condiciones: 20C de temperatura y 722 mm Hg de presin.

(a) Cuntos litros se producen de SO2?

(b) Cuntos litros de aire se necesitan para quemar solamente el azufre de la madera?

Solucin

Contenido de azufre = 1000,000 gr x 0.08 / 100 = 800 gramos de azufre

Atomo-gramo de azufre = 800 / 32 = 25

S + O2 = SO2

Balance terico, en moles 1 1 1

Balance real, en moles 25 25 25

20C = 293K

722 mm Hg = 0.95 atm

a) PV = nRTV = nRT/P = 25 x 0.08205 x 293 / 0.95 = 632.65 litros SO2 (Respuesta)

b) Moles de aire = 25 mol de O2 x 100 mol aire / 21 mol O2 = 119.05 moles

Volumen de aire = nRT/P = 119.05 x 0.08205 x 293 / 0.95 = 3,012.67 litros aire (Respuesta)

2. Siguiendo con el problema N1: si el gas SO2 se sigue oxidando y reaccionado con vapor de agua y con amoniaco (ver la teora), se formarn sucesivamente trixido de azufre, cido sulfrico y sulfato de amonio. Considerar las mismas condiciones de operacin que el problema N1.

a) Calcular el peso de cido sulfrico que se produce en la atmsfera.

b) Calcular el peso de amoniaco que se ha necesitado para neutralizar todo el cido.

c) Calcular el peso total de las partculas de sulfato de amonio que se forman en la atmsfera.

Solucin

De acuerdo con el problema N1 se obtienen 25 moles de SO2SO2 + O2 = SO3 SO3 + H2O = SO4H2 SO4H2 + 2NH3 = SO4(NH4)2 Balance terico 1 1 1 1 1

1 2

1

Balance real

2512.5 25 25 25 25

25 50

25

a) Peso de cido sulfrico = 25 mol x 98 gr/mol = 2450.00 gr de cido (Respuesta)

b) Peso de amoniaco = 50 mol x 17 gr/mol = 850.00 gr de amoniaco (Respuesta)

c) Peso de partculas de sulfato de amonio = 25 x 132 = 3300.00 gr de sulfato de amonio (Respuesta)

3. Se queman 2 kilos de un carbn mineral que contiene 1.85% de azufre y que deja 68.4 gramos de cenizas.

a) Cuntos gramos de azufre contiene dicho carbn? Respuesta: 37.00 grs b) Cuntos gramos se producen de CO2? Respuesta: 6946.87 gr Cuntos litros se producen de CO2 a CN (condiciones normales)? Respuesta: 3536.51 litros c) Cunto se produce de SO2 expresado en peso y volumen? Respuesta: 74.00 gr y 25.98 litros a CN.

4. En un lavador en hmedo se captura 6400 gramos/hora de SO2 con carbonato de calcio obtenido de la piedra caliza segn la reaccin: CaCO3 + SO2 + O2 CaSO4 + CO2 a) Qu peso de carbonato se requiere para capturar todo el SO2? Respuesta: 10000 gramos/hora b) Cuntos litros de aire se debe proporcionar a la reaccin a CN? Respuesta: 5333.3 litros/hora c) Qu peso se produce de sulfato de calcio? Respuesta: 13600 gramos/hora d) Cunto se produce de CO2 expresado en peso y volumen? Rpta: 4400 gramos/hora, 2240 litros/hora5. En un lavador en hmedo se captura 168 litros/minuto de SO2 a CN usando carbonato de calcio obtenido de una piedra caliza. La reaccin en el lavador es: CaCO3 + SO2 + O2 CaSO4 + CO2 (a) Qu peso de carbonato en gr/min se requiere para capturar todo el SO2? Rpta: 750.00 gr/min (b) Qu volumen de aire se utiliza en lt/min a CN? Rpta: 400.00 litros (c) Cunto se produce del gas de efecto invernadero expresado en peso (gramos/minuto) y volumen (litros/minuto)? Rpta: 330.00 gr/min y 168.00 lt/min6. Una fundicin artesanal de minerales est contaminando fuertemente el medio ambiente vecino. Utiliza el mineral Galena (PbS) para obtener 10.35 kilos diarios de plomo, pero tambin se emiten 1367.50 litros diarios de SO2 a 77C de temperatura.

a) Calcular la presin a la que se efecta este proceso, en milmetros de mercurio (mmHg).

b) Calcular el peso diario, en kilogramos, que se utiliza del mineral Galena.

c) Calcular el volumen estequiomtrico de aire que se necesita para efectuar toda la reaccin.

Solucin

Peso de plomo: 10350 grAt-gr de plomo = 10350 / 207 = 50

77C = 350K

PbS + O2 = Pb + SO2

Balance terico 1 1 1 1

Balance real

50 50 50 50

a) Calculando con el gas SO2:

PV = nRT P = nRT/V = 50 x 0.08205 x 350 / 1367.50 = 1.05 atmsferas

Presin = 1.05 atm x 760 mmHg / atm = 798 mmHg (Respuesta)

b) Peso de Galena = 50 mol x 239 gr/mol = 11950 gr, es decir, 11.95 kg (Respuesta)

c) Volumen de oxgeno = 50 x 0.08205 x 350 / 1.05 = 1367.5 litros

Volumen de aire = 1367.5 litros O2 x 100 litros aire / 21 litros O2 = 6511.90 litros aire (Respuesta)

7. Se funden 549 gramos de chalcopirita segn la reaccin: CuFeS2 + 5/2 O2 Cu + FeO + 2SO2 (a) Calcular el volumen estequiomtrico de aire a CN, requerido para la reaccin. Considerar que el aire tiene 21% de oxgeno y 79 % de nitrgeno. Respuesta: 800.00 litros (b) Cunto se genera de SO2 a CN? Respuesta: 134.40 litros (c) Cunto se produce de cobre y de xido ferroso? Respuesta: 189.00 gr Cu y 216.00 gr FeO8. Una de las mayores fuentes de emisin del contaminante SO2 es el procesamiento de minerales que contienen azufre, como es el caso de la chalcopirita para obtener cobre, segn la siguiente ecuacin:CuFeS2 + 5/2 O2 Cu + FeO + 2 SO2 Si en una fundidora se obtiene 504.00 gramos por minuto de cobre puro, calcular:

(a) El peso de chalcopirita usado para producir el cobre. Rpta: 1464.00 gramos (b) El volumen estequiomtrico de aire a CN, requerido para la reaccin. Considerar que el aire tiene 21% de oxgeno y 79 % de nitrgeno. Rpta: 2133.33 litros (c) El volumen generado del contaminante SO2 a CN? Rpta: 358.4 litros (d) El peso que se produce de xido ferroso. Rpta: 576.00 gramos9. En qu porcentaje se encuentra el azufre en el yeso y en la anhidrita? Respuesta: 18.60% en el yeso y 23.53% en la anhidrita.

10. Escribir las frmulas del Etil Mercaptano y del Butil Mercaptano. Respuestas: C2H5SH y C4H9SH

11. En qu porcentaje se encuentra el azufre en el Metil Mercaptano y en el Etil Mercaptano? Respuesta: 66.67% en el Metil Mercaptano y 51.61% en el Etil Mercaptano.

12. A qu se llama: (a) Mercaptano?, (b) Oro de los tontos?, (c) Chalcopirita? Rpta: ver copias.

13. Tres (3) solventes usados para extraer el SH2 de corrientes gaseosas mediante absorcin y separacin son:

(1) (2) (3)..

14. Completar el esquema que sigue asignando nombres a los equipos y corrientes lquidas y gaseosas:

15. En un sistema de absorcin de SH2 como el de la figura anterior, la mezcla gaseosa de alimentacin (en % en volumen) est compuesta de 15% de oxgeno, 60% de nitrgeno, 10% de propano y 15% de sulfuro de hidrgeno (SH2). Se usa monoetanolamina como solvente absorbedor y que opera al 98.7% de eficiencia. Cuntos litros por hora de SH2 se separan de la mezcla gaseosa de alimentacin si se procesan 2400 litros/hora de esta mezcla? Respuesta: 355.32 litros/hora.

16. En un sistema de absorcin de SH2 como el de la figura de la pregunta N14, la mezcla gaseosa de alimentacin (en % en volumen) est compuesta de 18% de oxgeno, 57% de nitrgeno, 5% de propano y 20% de sulfuro de hidrgeno (SH2). Se usa dietanolamina como solvente absorbedor y que opera al 97.5% de eficiencia. Cul es el flujo de la mezcla gaseosa de alimentacin si se obtienen 585 litros por hora de SH2? Respuesta: 3000 litros/hr.

17. En un sistema de absorcin de SH2 con aminas, la mezcla gaseosa de alimentacin tiene un flujo de 12800 litros por minuto y est compuesta de 18 % de oxgeno, 57 % de nitrgeno, 5 % de propano y 20 % de sulfuro de hidrgeno (SH2). Si por el separador gas/lquido se obtiene 2508.80 litros por minuto de SH2, calcular:a) El porcentaje de eficiencia al que opera el absorbedor. Solucin: Total de SH2 = 12800 x 0.2% = 2560 lt/min

Eficiencia = 2508.80 x 100 / 2560 = 98.00 % (Respuesta)

b) Las prdidas de SH2 por el tope del absorbedor, expresadas en litros por minuto. Solucin:2560 2508.80 = 51.20 lt/min (Respuesta)18. En un sistema de absorcin de SH2 se usa monoetanolamina como solvente, la columna de absorcin opera a 17C de temperatura y a 100 atmsferas de presin. El flujo total de mezcla gaseosa que ingresa a la torre es de 95.17800 litros por hora y la composicin volumtrica de dicha mezcla es la siguiente: 16 % de oxgeno, 42 % de nitrgeno, 36 % de CO2 y 6 % de SH2. Calcular:

(a) El peso molecular de toda la mezcla gaseosa (con 2 decimales) Rpta: 34.76 gr/mol

(b) La composicin de la mezcla gaseosa en % peso (con 2 decimales) Rpta: O2 = 14.73 %, N2 = 33.83 %, CO2 = 45.57 %, SH2 = 5.87 %.(c) Para el contaminante SH2 calcular: (1) Peso en gramos de SH2 en la mezcla gaseosa, y (2) Porcentaje en peso en la mezcla gaseosa. Rptas: 816.00 grs y 5.87 %.19. En la figura de la pregunta N14 la columna de absorcin opera a 27C de temperatura y a 100 atmsferas de presin. El flujo total de mezcla gaseosa que ingresa a la torre es de 492.30 litros por hora y la composicin volumtrica de dicha mezcla es la siguiente: 12% de oxgeno, 42% de nitrgeno, 36% de CO2 y 10% de SH2. Calcular:

(a) Las moles totales de mezcla gaseosa (en mol-gr por hora)

(b) La masa total de mezcla gaseosa (en gramos por hora)

(c) El peso molecular de toda la mezcla gaseosa (con 2 decimales)

(d) La composicin de la mezcla gaseosa en % peso (con 2 decimales)

(e) Para el contaminante SH2 calcular: (1) N de moles en la mezcla gaseosa, (2) Peso en gramos en la mezcla gaseosa, y (3) Porcentaje en peso en la mezcla gaseosa.

Solucin: Una forma de resolver este problema es llenando una Tabla:

1

2

3

4 5

6

7

Gas% volumen% molarn

(moles)PM

(gr/mol)m

(gramos)% peso

O2121224032768011.02

N24242840282352033.75

CO23636720443168045.47

SH210102003468009.76

Mezcla100100200034.8469680100.00

El alumno puede seguir cualquier otro procedimiento lgico. Aqu se han seguido los siguientes pasos:

Columna n1: Se colocan los gases de la mezcla gaseosa.

Columna n2: Se colocan los % (datos dados en el problema)

Columna n3: Se sabe que % volumen = % molar. Se ponen los mismos datos.

Columna n4: Primero se calcula el nmero total de moles (hay datos suficientes):

PV=nRT n= PV/RT = 100 x 492.30 / 0.08205 x 300 = 2000 moles. Respuesta (a)

Luego, en la misma columna n4, este total de 2000 moles se reparte en forma directamente proporcional al % molar de cada gas en la mezcla gaseosa.

Columna n5: Se coloca el peso molecular de cada gas. Queda pendiente calcular el peso molecular de toda la mezcla gaseosa, que debe resultar entre 28 y 44, que son los pesos moleculares de los gases ms ligero y ms pesado respectivamente.

Columna n6: Aqu se calcula la masa de cada gas y la masa de toda la mezcla gaseosa. Para esto se multiplican las columnas 4 y 5 entre s. Luego se debe sumar las masas de cada gas para obtener la masa de toda la mezcla gaseosa. Se obtiene 69680 gramos. Respuesta (b)

Una vez que se obtiene la masa total, se divide sta entre las moles totales para obtener el peso molecular promedio de la mezcla gaseosa:

PM = 69680 gr / 2000 mol = 34.84 gr/mol. Respuesta (c). Entre los lmites 28 y 44. OK.

Columna n7: Tomando como base la columna n6, distribuir porcentualmente cada gas. La masa total de 69680 gramos constituye el 100%. La columna n7 es la Respuesta (d).

Las Respuestas a la pregunta (e) se obtienen directamente de la fila correspondiente al gas SH2. Ya han sido calculadas: (1) En la columna n4: Nmero de moles = 200; (2) En la columna n6: Masa = 6800 gramos; y (3) En la columna n7: Porcentaje en peso = 9.76%.

20. Se tiene azufre en forma elemental (S). Qu es ms econmico: oxidarlo a SO2 o reducirlo a SH2? Por qu? La respuesta es vlida solo si se justifica adecuadamente.

21. Un laboratorio de investigacin efecta la mezcla de 570 gramos de 2, 2, 4 Trimetil Pentano y 124 gramos de Etil Mercaptano. El 2, 2, 4 Trimetil Pentano es un hidrocarburo que tiene un octanaje de 100 y regularmente forma parte de las gasolinas. El laboratorista procede a quemar la mezcla en un motor de combustin interna de un automvil de investigacin. Si la combustin es perfecta, a condiciones normales y el mercaptano se quema segn la ecuacin que se da ms adelante, calcular:

(a) El volumen en litros que se produce del contaminante SO2. (b) El volumen en litros que se produce del contaminante CO2.

El alumno debe proponer la reaccin de quemado del 2, 2, 4 Trimetil Pentano. Para el mercaptano:

C2H5SH + 4 O2 = 2 CO2 + SO2 + 3 H2O

Solucin abreviada:

HidrocarburoFrmulaPeso molecularMasa (gr)% pesoMoles (n)

2,2,4 Trimetil PentanoC8H1811457082.135

Etil MercaptanoC2H5SH6212417.872

Mezcla99.14694100.007

(a) El SO2 solo se produce por la combustin del Etil Mercaptano:C2H5SH + 4 O2 = 2 CO2 + SO2 + 3 H2O

Balance terico 1 4.5 2 1 3

Balance real 2

9 4 2 6

Volumen de SO2 = 2 mol x 22.4 lt/mol = 44.8 litros (Respuesta)

(b) El CO2 se produce por la combustin anterior y por la combustin del 2,2,4 Trimetil Pentano:

C8H18 + 12 O2 = 8 CO2 + 9 H2O

Balance terico 1 12.5 8 9

Balance real 5

62.5 40 45

Total de moles de CO2 emitidas: 1 reaccin (4 moles) + 2 reaccin (40 moles) = 44 moles

Volumen de CO2 = 44 x 22.4 = 985.6 litros (Respuesta)

22. En una refinera de petrleo se obtiene 1200 barriles/da de una gasolina, pero que est contaminada con 3.2% en peso de Propil Mercaptano. Esta es una concentracin demasiado elevada de contaminacin, por lo que se desea utilizar la tecnologa de hidrodesulfurizacin cataltica para eliminar el azufre de la gasolina.

Datos: 1 barril = 42 galones 1 galn = 3.78 litros densidad de la gasolina = 0.75 kg/litro

(a) Escribir la ecuacin de hidrodesulfurizacin cataltica.

Respuesta: C3H7SH + H2 + catalizador C3H8 + SH2 (b) Qu volumen estequiomtrico diario de hidrgeno se requiere a CN para efectuar la reaccin?

Peso de gasolina: 1200 barr x 42 gal/barr x 3.78 litros/gal x 0.75 kg/litro = 142884 kg

Moles de Propil Mercaptano: 142884 kg x 3.2% / 76 = 60.16 kilomolNota: 76=PM del C3H7SHC3H7SH + H2 + catalizador C3H8 + SH2

Balance terico 1 1 1 1

Balance real 60.16 60.16 60.16 60.16 (en kilomoles)

Volumen de hidrgeno: 60.16 kilomol x 22.4 m/kilomol = 1347.58 metros (Rpta)

(c) Qu peso se genera de propano? Rpta: 2647.04 kg (d) Cunto SH2 se genera en peso y volumen a CN? Rpta: 2045.44 kg, 1347.58 metros.

23. En una refinera de petrleo se obtienen 2500 barriles diarios de una gasolina contaminada con Propil Mercaptano. Se estima que la concentracin de Propil Mercaptano es muy elevada y, por lo tanto, se lleva toda la gasolina a la unidad de hidrodesulfurizacin cataltica para extraerle el azufre y as evitar la contaminacin del medio ambiente. Considerar que la reaccin de hidrodesulfurizacin es perfecta.(a) Cul es el porcentaje en peso del Propil Mercaptano en la gasolina? Considerar que en la unidad de hidrodesulfurizacin se necesitan 188 kg diarios de hidrgeno para efectuar toda la reaccin de hidrodesulfurizacin. Rpta: 2.40 % (b) Cunto se produce diariamente del contaminante ambiental SH2, en kilos y en metros cbicos a CN? Rpta: 3196 kg y 2105.60 m de SH224. En una refinera de petrleo se obtiene 1800 barriles/da de una gasolina, pero que est contaminada con 1.5% de Butil Mercaptano. Esta es una concentracin demasiado elevada de contaminacin, por lo que se desea utilizar la tecnologa de hidrodesulfurizacin cataltica para eliminar el azufre de la gasolina.

Datos: 1 barril = 42 galones 1 galn = 3.78 litros densidad de la gasolina = 0.75 kg/litro

(a) Escribir la ecuacin de hidrodesulfurizacin cataltica.

Respuesta: C4H9SH + H2 + catalizador C4H10 + SH2 (b) Qu volumen estequiomtrico diario de hidrgeno se requiere a CN para efectuar la reaccin?

Peso de gasolina = 1800 barr x 42 gal/barr x 3.78 litros/gal x 0.75 kg/litro = 214326 kg

Moles de Butil Mercaptano = 214326 kg x 1.5% / 90 = 35.72 kilomol

90=PM del C4H9SHC4H9SH + H2 + catalizador C4H10 + SH2

Balance terico 1 1 1 1

Balance real 35.72 35.72 35.72 35.72 (en kilomoles)

Volumen de hidrgeno: 35.72 kilomol x 22.4 m/kilomol = 800.13 metros (Respuesta)

(c) Qu peso se genera de Butano? 35.72 kmol x 58 kg/kmol = 2071.76 kg (Respuesta)

(d) Cunto se genera del contaminante SH2 en peso y volumen, a CN?

Peso de SH2 = 35.72 kmol x 34 kg/kmol = 1214.48 kg (Respuesta)

Volumen de SH2 = 35.72 kmol x 22.4 m/kmol = 800.13 metros (Respuesta)

25. En una pequea refinera de petrleo se obtiene 600 barriles/da de una gasolina que tiene 3.5% de azufre en forma de Etil Mercaptano. Esta es una concentracin demasiado alta de azufre en la gasolina y se lleva a sta para extraerle el azufre en la unidad de hidrodesulfurizacin cataltica. Datos: tomarlos del problema anterior. (a) Escribir la ecuacin de hidrodesulfurizacin cataltica. (b) Qu peso se obtiene de etano? Respuesta: 1209.90 kg/da (c) Qu volumen se produce de SH2 a CN? Respuesta: 903.39 metros/da26. Una instalacin industrial quema carbn mineral y, por lo tanto, contamina el medio ambiente vecino con los gases que emite por la chimenea a razn de 3840 gramos por hora. La composicin de estos gases, en % en peso, es la siguiente: oxgeno = 10%, nitrgeno = 40%, CO2 = 40% y SO2 = 10%. Si esta fbrica quisiera controlar las emisiones de SO2 mediante la tecnologa de lavadores con piedra caliza, y si las reacciones fueran perfectas, calcular a condiciones normales:

(a) El peso de SO2 que se neutralizar con la piedra caliza, en gramos por hora.

Solucin: El SO2 est en la mezcla gaseosa. La mezcla tiene 10% de SO2 en % en peso, es decir:

3840 gr x 10% = 384 gr/hr de SO2 (Respuesta)

(b) El peso que se requiere de piedra caliza para neutralizar el SO2, en gramos por hora.

Solucin: Moles de SO2 = 384 gr / 64 gr/mol = 6 moles

CaCO3 + SO2 + O2 = CaSO4 + CO2

Balance terico: 1 1 0.5 1

1

Balance real: 6 6 3 6

6

Peso de carbonato de calcio = 6 moles x 100 gr/mol = 600 gr/hr de CaCO3 (Respuesta)

27. Una instalacin industrial quema carbn mineral y, por lo tanto, contamina el medio ambiente vecino con los gases que emite por la chimenea a razn de 3840 litros por hora. La composicin de estos gases, en % en volumen, es la siguiente: oxgeno = 10%, nitrgeno = 40%, CO2 = 40% y SO2 = 10%. Si esta fbrica quisiera controlar las emisiones de SO2 mediante la tecnologa de lavadores con piedra caliza, y si las reacciones fueran perfectas, calcular a condiciones normales:

(a) El peso de SO2 que se neutralizar con la piedra caliza, en gramos por hora.

(b) El peso que se requiere de piedra caliza para neutralizar el SO2, en gramos por hora.

(c) El peso molecular de toda la mezcla gaseosa.

Solucin

N de moles de toda la mezcla gaseosa: n = PV/RT = 1 x 3840 / 0.08205 x 273 = 171.43 moles

Sabemos que % volumen = % molar

Las moles totales se reparten en forma directamente al % molar.

El peso en gramos se obtiene multiplicando las columnas (n) y (PM)

Gas% molarMoles

(n)Peso molecular

(PM)Peso en gramos

(m)

O21017.1432548.48

N24068.57281919.96

CO24068.57443017.08

SO21017.14641096.96

Mezcla100171.436582.48

(a) Peso de SO2 que se neutralizar con la piedra caliza, en gramos por hora.

Est calculado en la Tabla = 1096.96 gr/hr de SO2 (Respuesta)

(b) Peso que se requiere de carbonato de calcio para neutralizar el SO2, en gramos por hora.

En la Tabla: Moles de SO2 = 17.14 moles

CaCO3 + SO2 + O2 = CaSO4 + CO2

Balance terico: 1 1 0.5 1

1

Balance real: 17.14 17.14 8.57 17.14 17.14

Peso de carbonato = 17.14 moles x 100 gr/mol = 1714 gr/hr de CaCO3 (Respuesta)

(c) Peso molecular de toda la mezcla gaseosa.

PM = 6582.48 gr / 171.43 moles = 38.40 gr/mol (Respuesta)

28. Una instalacin industrial quema carbn mineral y, por lo tanto, contamina el medio ambiente vecino con los gases que emite por la chimenea a razn de 3360 litros por hora. La composicin de estos gases, en % en volumen, es la siguiente: O2 = 15 %, N2 = 45 %, CO2 = 38 % y SO2 = 2 %. Si esta fbrica quisiera controlar las emisiones de SO2 mediante la tecnologa de lavadores con piedra caliza, calcular a CN:

(a) El peso de SO2 que ser neutralizado, en gr/hr. Rpta: 192.00 gr/hr (b) El peso que se requiere de piedra caliza, en gr/hr. Rpta: 300.00 gr/hr (c) El PM de toda la mezcla gaseosa contaminante que se emite por la chimenea. Rpta: 35.40 gr/mol

Reaccin:CaCO3 + SO2 + O2 = CaSO4 + CO2Ingeniera Ambiental

Dr. J. Cabezas

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