DISEÑO DE PROCESOS II Manual de Apoyo
Ejercicio 1 Una mezcla gaseosa que contiene 10% en volumen de n-butano y 90% de n-pentano se encuentra a 140 °C y 1 atm. Si esta mezcla mezcla se somete a un proceso proceso de compresión compresión isotérmic isotérmica, a, ¿Cuál es la presión de rocío?¿Qué rocío?¿Qué modelo termodinámico usará usará y por qué?
Ejercicio 2 El sistema 1-propanol/agua 1-propanol/agua presenta un un azeótropo a 60 °C. Calcule el azeótropo y la presión del sistema. Utilice los siguientes siguientes modelos de propiedades: propiedades: Peng-Robinson, Peng-Robinson, PR.BM, PR-MHV2, PRWS, NRTL, Unifac y compare los resultados.
Ejercicio 3 Una refinería de gas en Argentina produce esencialmente CO 2 puro a 800 psia y 100 °F a una velocidad de 10 millones ft 3/día (reportado como ft 3 a 60 °F y 1 atm). Un ingenier ingeniero o ha propuesto propuesto usar el efecto de enfriamiento Joule-Thomson, producido por la caída de presión del CO 2 de 800 a 100 psia a través de una válvula, para suministrar refrigeración para la operación del condensador a 20 °F, con una diferencia de temperatura mínima entre las dos corrientes de 5 °F en el condensador (eso significa que mientras el enfriador opera a 20 °F, el CO 2 sale del enfriador enfriador a 15 15 °F). Este es un un condensador de CO 2 con CO2. a) ¿Cuánta ¿Cuánta refrigerac refrigeración ión (Btu/h) (Btu/h) puede puede ser obtenida obtenida del del diseño diseño anterior? anterior? b) ¿Cuál es la temperatura de la corriente corriente de CO 2 entrando en el condensador y la presión de la corriente en el producto? c) ¿Cuá ¿Cuáll es el el flu flujo de de CO2 que puede condensarse si se alimenta 65 °F y 800 psia como vapor? Resuelva este inciso efectuando un análisis de sensibilidad que muestre el efecto del flujo de CO 2 vapor sobre la temperatura temperatura del producto (puede analizar el intervalo intervalo de flujo de CO2 de 20 000 a 30 000 pie 3/h). d) Resuelva Resuelva el inciso inciso c usando usando la opción opción de especifica especificación ción de diseño diseño en lugar lugar de un análisis análisis de sensibilidad. Nota: Se recomienda modelar el condensador condensador con Heater para los incisos incisos a y b y con Heatx para los incisos c y d.
Ejercicio 4 La tabla proporciona datos de equilibrio para el sistema benceno (1)/acetonitrilo (2) a 45 °C (datos de: J. M. Smith y H. C. Van Ness, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics , 4ª ed., McGraw Hill Inc., 1987, p. 409). Realizar la regresión de datos de propiedades sobre los datos VLE (usando Aspen Plus). a) Calcular los coeficientes de interacción binarios para cada uno de los modelos de coeficiente de actividad siguientes: Wilson, NRTL y Uniquac. ¿Los datos pasan la prueba de consistencia termodinámica? b) Grafique los datos P-x-y y x-y. c) ¿Cuáles son los valores para x-P azeotrópicos?
Ejercicio 5 Una mezcla de vapor de amoníaco y agua a 250 psia que contiene 80% en peso de amoníaco se pasa a través de un condensador a una velocidad de 10 000 lb/h. El calor es removido de la mezcla a una velocidad de 5 800 000 Btu/h. La mezcla pasa entonces a través de una válvula, donde se expande adiabáticamente hasta una presión de 100 psia. La mezcla pasa después a un separador vaporlíquido. a) ¿Cuál es la temperatura a la salida de la válvula de expansión? b) ¿Cuál es la fracción molar de vapor de la corriente en este punto? c) ¿Cuál es la composición del líquido saliendo del separador?
Resuelva este problema usando los siguientes conjuntos de opciones de propiedades físicas: Ideal, Apisour y Peng-Rob. Compare sus respuestas con respecto a las siguientes obtenidas gráficamente y establezca una conclusión. Temperatura de salida: 80 °F Fracción mol de vapor saliendo de la válvula: 0.38 Fracción mol de amoníaco en la corriente líquida: 0.67 Nota: Este problema es adaptado de Principios y cálculos básicos en ingeniería química. D. Himmelblau, 4ª. Ed., Prentice Hall, 1982. Las condiciones de operación para este proceso se muestran en el diagrama de flujo.
Ejercicio 6 Determine la cantidad de vapor requerida para calentar 1 000 lb/min de agua desde 60 °F hasta 200 °F en un intercambiador de calor. El vapor entra al sistema a 15 psia y con un título de 0.9 y sale como líquido saturado.
Ejercicio 7 Un reactor químico requiere la alimentación de una corriente diluida de ácido sulfúrico. La solución acuosa de ácido sulfúrico contiene 75% en peso de H2SO4 y fluye a 600 kg/h a 25 °C y 1 atm, se diluye con 1 000 kg/h de agua a 25 °C y una atmósfera. El diagrama de flujo de proceso y las condiciones de operación para este ejemplo se muestran en la figura. Se alimentan dos corrientes (una que contiene agua y la otra con una solución de ácido sulfúrico) a un mezclador con una corriente de salida de una solución diluida en ácido sulfúrico.
a) ¿Cuál es el aumento de la temperatura adiabática de la corriente diluida? b) El supervisor determina que ninguna de las corrientes de alimentación al reactor sea mayor que 30 °C, ¿cuál debe ser la energía del intercambiador de calor que enfríe la corriente diluida hasta 30 °C?
Ejercicio 8 Se manejan 22 000 lb/h de agua en el ciclo mostrado en la figura. a) A la salida de la turbina (3) se tiene vapor saturado a una presión de 30 psía. Este vapor entra al intercambiador de calor, en el cual el vapor se condensa y sale agua líquida a 200 °F (4). Si el agua de enfriamiento usada en el condensador entra a 70 °F y sales a 100 °F, calcule el flujo de agua necesario. b) A la salida de la caldera (2) se tiene vapor sobrecalentado a una presión de 500 psia y 200 °F de sobrecalentamiento. Calcule la potencia de la turbina en H.P. c) A la entrada de la caldera se tiene agua líquida a 200 °F. Calcule la cantidad de calor que se requiere añadir a la caldera.
Ejercicio 9 Cavett propuso el siguiente problema como prueba para el diseño auxiliado por computadora; se tienen cuatro tanques de evaporación instantánea conectados en la forma que se muestra en la figura. Se especifican la temperatura y la presión en cada tanque, y la alimentación es la siguiente: Componente
Alimentación lbmol/h
Component e
Alimentació n
Nitrógeno
358.2
n-pentano
1192.9
Bióxido de carbono
4965.6
Hexano
1764.7
Sulfuro de hidrógeno
339.4
Heptano
2606.7
Metano
2995.5
Octano
1844.5
Etano
2395.5
Nonano
1669.0
Propano
2291
Decano
831.7
Isobutano
604.1
Undecano
1214.5
n-butano
1539.9 120 °F y 49 psia
Isopentano
790.4
Obtenga los flujos de las corrientes de salida del diagrama de flujo.
Ejercicio 10 Se requiere mejorar un gas de síntesis que contiene CO, H 2 y una pequeña cantidad de CH 4 (con una proporción de CO a H2 de 1 a 2.9), aumentando su contenido de metano con base en la reacción
Se utilizará el sistema de reacción que se muestra en la figura. El reactor operará con una conversión de 40% y con una temperatura de salida de 1 000 °F, para obtener una corriente de producto que contiene 50% de CH 4 y 12% de CO. La razón de eliminación de calor en el intercambiador 1 se ajusta, de manera que se enfría la corriente de descarga del reactor a 500 °F. El separador se opera de tal manera que se obtiene una corriente de gas de recirculación con 1% de H2O y una corriente de agua líquida pura, ambas a 100 °F. Tanto en la corriente de alimentación como la de producto están a 200 °F. Suponiendo que el sistema completo opera a una presión constante de 100 psia, a) Determine a que fracción del flujo de entrada al divisor debe recircularse para cumplir lo especificado y calcule los flujos y temperaturas de todas las corrientes del proceso. b) Determine que flujo de alimentación debe tener el proceso para una capacidad de producción de metano de 100 lbmol/h a la salida.
Ejercicio 11 Un flujo de aire de 1.99 kg/s a una temperatura de 15 °C entra a un cambiador de calor de corrientes cruzadas para ser calentado hasta 60 °C por 0.475 kg/s de agua que entra a 95 °C. Si el coeficiente global de transferencia de calor es de 70 W/(m 2°C), estime el área de transferencia requerida.
Ejercicio 12 Las regaderas del gimnasio necesitarán en las horas pico, un flujo continuo de 1 ton/min de agua caliente. Una forma de obtener el agua caliente consiste en calentar agua de la red general de 15 a 70 °C en un cambiador de calor en donde el agua fluye por dentro de los tubos mientras que el vapor saturado a una atmósfera entra por el lado de la coraza, condensando y saliendo de ésta como líquido a 100 °C. Si el coeficiente global de transferencia de calor es U = 1500 W/m 2K, encuentre el área del intercambiador de calor y la cantidad de vapor necesario.
Ejercicio 13 Se usa agua para enfriar un aceite; el aceite entra a 20 °C y sale a 70 °C con un flujo de 3 kg/s. El aceite entra a 180 °C y abandona el cambiador a 80 °C . Si el aceite se puede representar por el alcano de 15 carbones (C 15H32) y el coeficiente global de transferencia de calor del cambiador es U = 350 W/m2K; encontrar: a) El flujo de aceite b) El calor intercambiado c) El área de transferencia de calor
Ejercicio 14 100 Kmol/h de aceite caliente A (1-pentadeceno, C 15H30) a 300 °C es enfriado con un fluido B (difenilo) a 0 °C en un intercambiador de calor de tubo y coraza operando a contracorriente. Los dos fluidos deben salir a 200 °C. Si el enfriamiento no es suficiente y se pretende disminuir la temperatura de salida del aceite, investigue el efecto de las siguientes modificaciones y encuentre la temperatura de salida del aceite A: a) Si se adiciona un segundo cambiador idéntico al anterior, conectado en seria y consiguiendo entonces el doble del área original b) Si se duplica el flujo del fluido de enfriamiento, sin cambiar el valor del coeficiente global de transferencia de calor.
Ejercicio 15 El vapor de salida de una columna de destilación que opera a 50 lb/plg siguientes substancias como vapor saturado:
2
(absoluta) contiene las
Lbmol/h C3
170.5
n-C4
284.0
n-C6
56.8
n-C7
341.1
n-C8
284.0
1136.4
Este vapor debe condensarse en un condensador horizontal 1-2 usando agua de enfriamiento que pasará de 80 a 120 °F y que entra a 16 lb/plg 2 (absoluta). Las caídas de presión serán de 2 lb/plg 2 para el vapor y 1 lb/plg 2 para el agua. Si se dispone de tubos de ¾ plg y se planea diseñar un condensador de tubos arreglados en paso triangular de 1 plg con deflectores espaciados 30 plg, encuentre: a) Número de tubos b) Longitud de tubos c) Diámetro de la coraza Que cumplan con el objetivo de la condensación. Nota: incluya en su informe de resultados cualquier suposición que haya hecho en la resolución del problema.
Ejercicio 16 Considere la reacción de síntesis de amoníaco a 450 °C y 101.3 MPa
La alimentación consiste de 1 Kgmol/h conteniendo 60% mol de hidrógeno, 20% mol de nitrógeno y 20% mol de argón. Calcule la composición de los gases de salida, suponiendo que se alcanza el equilibrio en el reactor. Ejercicio 17
El hidrógeno puede manufacturarse a partir del monóxido de carbono por la reacción con vapor de agua siguiente:
Si la reacción se lleva a cabo a 75 atm y 300 °C, ¿qué relación molar de vapor a monóxido de carbono se requiere para producir la mezcla de productos en el cual 90% del CO alimentado es convertido a CO 2? Se puede tomar como base 1 Kgmol/h de CO.
Ejercicio 18 En el laboratorio se estudió la hidratación de propeno a 2-propanol a 353.15 K y 1.013 bar en presencia de nonano inerte. Los moles iniciales de propeno y aagua son 10 y 20 respectivamente. Se quiere estudiar el efecto sobre el equilibrio de agregar nonano al sistema: a) 1 mol, b) 10 mol, c) 100 mol, d) 300 mol y e) 500 mol.
Ejercicio 19 Se desea llevar a cabo un análisis de la reacción entre bióxido de azufre y oxígeno para determinar la influencia de algunas variables. La reacción se llevará a cabo a 750 K.
a) Considerando una alimentación de reactivos en proporción estequiométrica, sin entrada de producto ni inertes, efectúe un análisis de sensibilidad para mostrar la influencia de la presión en la conversión fraccional de la reacción. b) Considerando que la reacción ocurre a 1 atm, muestre por medio de un análisis de sensibilidad el efecto que sobre la conversión fraccional tiene el porcentaje de exceso de oxígeno. c) Considerando una alimentación de reactivos en proporción estequiométrica y una presión de operación de 1 atm, muestre la influencia que sobre la conversión fraccional tiene la presencia de un inerte (el N 2 que acompaña al O2 en el aire).
Ejercicio 20
Una empresa petroquímica piensa producir cloruro de alilo en gran escala a partir de la clorinación de propileno. En experimentos a escala de laboratorio se encontró que ocurren dos reacciones en paralelo
Ambas reacciones se ajustan a expresiones cinéticas de segundo orden; sus expresiones son: r 1 = 6.171 exp(-6.2802E7/RT)T2[Cl2][C3H6] r 2 = 3.5051E-4 exp(-1.5837E7/RT)T 2[Cl2][C3H6]
Kgmol/m3s Kgmol/m3s
la energía de activación de ambas reacciones tiene las siguientes unidades: J/Kgmol y el factor preexponencial tiene las siguientes unidades: m 3/Kgmol-K-s. Se planea simular el reactor de la planta piloto y obtener valiosa para diseñar el reactor industrial. El reactor es un tubo sumergido en un baño muy grande de etilenglicol que se mantendrá a temperatura constante de 200 °C. El coeficiente global de transferencia de calor se estimó en U = 5.0 Btu/(h ft 2 °R). La presión en el reactor se mantendrá en 2 atm sin caída de presión. La longitud del tubo es de 25 pies y el diámetro de 2 pulgadas. Al reactor se alimenta una cporriente a 200 °C conteniendo 0.17 lnmol/h de Cl 2, y 0.68 lbmol/h de C3H6. Determine la temperatura de salida del reactor, el calor generado y/o retirado y las concentraciones de Cl 2 y cloruro de alilo a la salida del reactor, para las tres diferentes formas de operación siguientes: a) El medio de enfriamiento se mantiene a temperatura constante de 200 °C b) No se remueve calor del reactor c) Se retira calor del reactor, mediante una corriente de dietilenglicol de 10 lbmol/h
Ejercicio 21 Una mezcla compuesta por 449 lbmol/h de acetona y 1260 lbmol/h de agua va a ser alimentada a una columna de destilación multietapas a 20 psia y 180 °F. Si la columna va a operar a 15 psia, con una relación de reflujo igual a 2 y alimentándose en el plato 9, estime el número de platos necesarios si se desea obtener un flujo de destilado de 453 lbmol/h y una recuperación de acetona de 99%. a) Utilice las opciones termodinámicas Ideal, NRTL, Wilson y Uniquac b) Escriba una conclusión con relación a los resultados del inciso a. Ejercicio 22
En la columna de destilación mostrada en la figura
a) ¿La alimentación es líquida o vapor? b) Calcule el número de etapas ideales y las cantidades de calor en el condensador y en el rehervidor c) Resuelva el inciso b considerando que la alimentación se va a precalentar aprovechando el calor de la corriente de residuo. Se espera aprovechar al máximo ese calor. d) Establezca una conclusión con relación a los resultados de los incisos b y c.
Ejercicio 23 Las soluciones dioxano-agua forman un azeótropo a presión atmosférica y la separación por destilación es complicada. Por otra parte, el dioxano es bastante soluble en benceno y no forma azeótropo; el agua y el benceno son prácticamente insolubles. Por lo anterior, se ha pensado analizar la posibilidad de separar una solución dioxano-agua en una columna de extracción líquidolíquido usando benceno como solvente y de acuerdo al sistema que se observa en la figura. Efectúe un análisis de sensibilidad para observar cómo varía la recuperación de dioxano en función del flujo de solvente que se alimenta, y que cantidad del agua que entra se va a la fase del solvente.
Ejercicio 24 Con relación al proceso mostrado en la figura
a) Introduzca al simulador el caso base b) ¿Qué recuperación se está logrando de cada compuesto? c) ¿Será posible lograr recuperaciones de n-butano y n-octano mayores de 98% sin modificar el número de etapas, el plato de alimentación ni la relación de reflujo especificadas?
Ejercicio 25 Efectúe la simulación del proceso de recuperación de benceno y monoclorobenceno que se observa en la figura y reporte flujos de las sustancias, fase y condiciones de presión y temperatura de las corrientes 1, 6, 9, 11 y 14.
Alimentación (1) Lbmol/h HCl
10
Benceno
40
Monoclorobenceno (MCB
50
80 °F, 37 psia
Será necesario establecer algunas especificaciones para los equipos, de tal forma que se logre satisfacer el requerimiento de flujo molar de MCB en el domo de la columna de destilación.
