CAPITULO IV BALANCE DE ENERGÍA SIN REACCIÓN QUÍMICA SISTEMA CERRADO 1.- Un bloque de fierro de 25 g a 175°C se sumerge en un litro de agua en un recipiente aislado a 20°C y 1 atm. La energía interna específica del fierro esta dada por la expresión u(cal/g) = 4.13 T (T está en °C). Calcular la temperatura final del contenido del recipiente suponiendo que el proceso es adiabático, que se evapora en una cantidad despreciable, y que la energía interna específica del agua a 1 atm, y a la temperatura dada es la del líquido saturado a la misma temperatura. Nota : Solamente se considerará considerará la respuesta respuesta que toma toma como ecuación ecuación del balance balance de energía de un sistema cerrado y no usar tablas 2.- Se permite que el contenido de un tanque (que corresponde a 1 kg de vapor a 600ºC y 150 bar) fluya hacía un tanque inicialmente vacío, de igual igual capacidad, hasta hasta que la presión de ambos tanques, al final final sea la misma, pero pero diferente a la presión inicial (en el sistema combinado de dos tanques).
Tanque 1
Tanque 2
3.- Diez libras de H 2O a 300°F y 14.7 lb / pulg 2 están en un recipiente cerrado de 305.2 ft3 de volumen. ¿ Cuánto calor debe ser removido del recipiente si el 20.66% del agua se hace líquido a la presión de 10 lb / pulg 2 ?
SISTEMA ABIERTO 4.- Se dispone de una corriente de agua saturada a 10 bar, para intercambiar calor con una solución de salmuera a 1 bar y 50°C. Si el flujo de salmuera es el doble del flujo del agua, y si puede enfriarse la corriente de agua hasta 75°C, calcule la temperatura hasta la que puede calentarse la salmuera. La salmuera tiene 40% de sal . Cp sal = 1.2 cal/g °C. 5.- Una mezcla de gases calientes compuestas por CO 2 9%; CO 2%; N2 86%; O2 3% con una humedad de 0.24 pasa a través de un intercambiador de calor donde se enfría de 1200°F a 500°F. Este calor es ganado ganado por el aire del intercambiador, intercambiador, el que entra a 100°F y 0.04 de humedad. La relación molar de aire seco a gases seco es de 1.2. Calcule la temperatura a la que sale el aire del intercambiador, si se pierden a los alrededores el 10% de calor extraído de la mezcla.
6.- Un edificio de oficinas requiere agua en dos pisos distintos. Una tubería grande introduce el abasto de agua municipal al edificio en el nivel del sótano, donde se encuentra una bomba elevadora. El agua que sale de la bomba se transporta por tuberías aisladas mas pequeñas al segundo piso y al cuarto piso, donde se necesita el agua. Calcule la cantidad mínima de trabajo por unidad de tiempo (caballos fuerza) 4to piso
2do piso
60 ft
500 gal/min 60 ft/min p = 1 atm T = 20°C
30 ft
300 gal/min 1200 ft/min p = 1 atm T = 40°C
200 gal/min 600 ft/min p = 1 atm T = 30°C
que debe realizar la bomba para suministrar el agua necesaria. 7.- En el evaporador de compresión el vapor producido se comprime y se pasa por la bobina de calentamiento a fin de suministrar la energía para la vaporización. El vapor de agua que entra en el compresor es 98% de vapor y 2% de líquido a 10 psia; el vapor de agua que sale del compresor está a 50 psia y 400°F y el compresor pierde 6 Btu de calor por cada libra de vapor de agua que se comprime. El condensado que sale de la bobina de calentamiento está a 50 psia y 200°F. Calcular los Btu de calor que la bobina de calentamiento suministra para la evaporación por Btu de trabajo requerido por el compresor para la compresión
8.- Vapor de agua ( que sirve para calentar una biomasa ) entra a la cámara de vapor de agua ( que está separada de la biomasa ) de un reactor como vapor sobrecalentado a 350 C, y se condensa por completo en la cámara a 250 C. Siendo la presión de la cámara 40 bar. La velocidad de pérdida de calor de la cámara de vapor de agua hacia el ambiente entorno es de 1.5 kJ / s. La biomasa se colocan en el recipiente a 20 C y al final del calentamiento el material está a 100 C. Si la carga consiste en 150 kg de material con una capacidad calorífica media de C p = 3.26 J / (g K) , ¿Cuántos kilogramos de vapor de agua se necesitan por kilogramo de carga? La carga permanece en el recipiente de reacción durante 1 h.
Biomasa Cámara de vapor de agua a P = 40 bar
Vapor de agua sobrecalentado 350 C
Condensado saturado 250 C
9.- En un secador se va a usar una corriente de aire que está a 32ºC y que se debe calentar en un intercambiador de calor hasta 66ºC . El flujo de aire es de 1000 kg mol / h. La corriente del vapor de calentamiento es vapor saturado que entra a 150 C , se condensa y sale como líquido a 138 C. Calcular la cantidad de vapor usado en kg / h .
Capacidad Calorifica media en kJ / kg mol C para el aire a 1atm T( C) Aire 25 29.18 100 29.29
Entalpias (Tablas de vapor de agua) en kJ / kg T( C) Líquido Saturado Vapor Saturado 135 568 2727 140 589 2734 145 611 2740 150 632 2747
10.- En una lavandería, la ropa lavada y exprimida entra al proceso de secado con un contenido de humedad de 15% y sale como ropa seca con un contenido de humedad de 7 %. La ropa entra al secador a una temperatura de 18 C y sale con una temperatura de 52 C . Se usa aire para el secado de la ropa . El aire que ingresa al secador a 22 C contiene 16.48 g de agua por metro cúbico de aire y al salir contiene 82.71 g de agua por metro cúbico de aire con 50°C. El secador entrega 600 kg de ropa seca cada hora. Determinar para cada hora : a) Peso del agua extraída b) Volumen de aire requerido c) Calor necesario para calentar la ropa húmeda d) Calor necesario para calentar el aire de secado e) Calor total requerido para el proceso si hay una pérdida de calor al ambiente de 10000 kcal
Calor específico de la ropa Calor específico del vapor de agua Calor latente de evaporación del agua entre 20 C y 60 C Calor específico del N 2 Calor específico del O 2
: 1.35 Btu / lb ºF : 0.5 cal / g C
: 480 cal / g : 6.8 cal / g C : 7.07 cal / g C
Nota : Considerar que el volumen del aire no varía con la temperatura Considerar que el agua se evapora a 50°C Todos los resultados de calor determinarlo en kcal. 11.-Un evaporador es un tipo especial de intercambiador de calor en el que se utiliza vapor para calentar una solución, con el propósito de eliminar algo de solvente por evaporación. En el evaporador ilustrado, se alimenta una salmuera que contiene 1% de sal, a una presión de 1 bar y 50 C. La salmuera de descarga contiene 2% de sal y está en forma de líquido saturado a 1 bar. El agua evaporada corresponde a vapor saturado a 1 bar. Si se utiliza vapor saturado a 2 bar como fuente de calor, y si el condensado producido se supone líquido saturado a 2 bar, calcule los kilogramos de vapor de 2 bar que se requieren por kilogramo de agua evaporada . C p salmuera = 1.1 cal / g C.
Vapor saturado 1 bar
1 bar Salmuera 1%, 1 bar 50 C
Salmuera 2%, 1 bar líquido saturado
Vapor saturado 2 bar
Condensado saturado
12.- Se desea elevar una corriente de 600 L/ min hasta una altura de 20 m, tomando agua desde un río. La densidad del fluido es 1 g / mL. Si la descarga se realiza en un tanque, el cual se encuentra a la misma presión que la que se encuentra el río (presión atmosférica), calcule el trabajo de eje que desarrolla la bomba. Se usa una bomba, la que está conectada a una tubería de succión de 2” de diámetro, mientras que la tubería de descarga tiene 1 ½” de diámetro. Considerar que no existe pérdida
por fricción.
Tubería de descarga
Tubería de succión
Río
13.- Una corriente de gas del proceso a 400 C se debe enfriar rápidamente hasta 200 C, poniéndola en contacto directo con benceno líquido frio a 20 C. Si la composición de la corriente caliente es 40% de C 6H6, 30% de C6H5CH3, 10% de CH4 y 20% de H2, calcule el flujo necesario de benceno para una alimentación de gas de 1000 kg mol / h, suponiendo que el proceso es adiabático.
Capacidades Caloríficas de gases (kJ / kg mol K ) a b x 10 c x 10 2 d x 105 e x 108 C6H6 18.587 - 0.11744 0.12751 - 0.20798 0.10533 C6H5CH3 31.820 - 0.16165 0.14447 - 0.22895 0.11357 CH4 38.387 - 0.73664 0.02910 - 0.02639 0.00801 H2 17.639 +0.67006 - 0.01315 +0.01059 - 0.00292 C p = a + bT+ cT 2 +dT3 + eT4 Δ Hv (353.3 K ) = 30763.4 kJ / kg mol C pl C6H6 = 59.23+0.2336 T 14.- Una propuesta para almacenar Cl 2 como un líquido a presión 1 atm es la que se presenta en la siguiente figura. Línea de venteo Cl2 2.5 ton/día
Descarga al ambiente
Tanque carro 100 tons/día Cl2 líquido -30ºF
El punto de ebullición normal del Cl 2 es -30ºF. El vapor formado en el tanque de almacenamiento sale a través de la línea de venteo y es comprimido a líquido en 0ºF y retornado a la alimentación ( feed ). La razón de vaporización es 2.5 tons/día, cuando la esfera es llenado a su capacidad y la temperatura del aire a los alrededores es de 80ºF. Determinar cual es la potencia requerida de los compresores para hacer que este proceso sea adecuado. Asumir que las líneas de intercambio de calor ( heat exchangers ) están bien aislados Cp Cl2 líquido = 8.1 Btu /( lbmol ) ( ºF ) ∆H Cl2 vaporización = 123.67 Btu/ lb
