Ejercicios Resueltos – Capitulo 4 Problema 4-1. Considere los dos tanques de gas mostrados en la figura. P4-1. El gas puede ser asumido como isotérmico y para comportarse como un gas idea…Descripción completa
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Ejercicios Resueltos – Capitulo 4 Problema 4-1.
Considere los dos tanques de gas mostrados en la fgura. P4-1. El gas puede ser asumido como isotérmico y para comportarse como un gas ideal tal que la densidad en cada tanque está relacionado con la presión en el tanque por la órmula: Mp ( t ) ρ ( t ) = RT
onde: p !t" # densidad del gas$ l% & t ' ( # peso molecular del gas$ l% & l%mol ) # constante de los gases ideales$ 1*.+' t '-psia & l%mol-,) # temperatura del gas$ ,) p !t" # presión en el tanque$ psia El gas llena comple completam tament ente e los ol/me ol/menes nes de los tanque tanques$ s$ que son constantes. !a" cr0tico !de estrangulación": uye a traés de las álulas. 2i el u3o !en li%ras & min" a traés de la
[
w 2 ( t )=k v 2 √ p 2 ( t ) p2 ( t )− p3
]
donde el 71 y 7 8$ !coefcientes de álula" no son numéricamente el mismo que para u3o u3o cr0tic cr0tico$ o$ y la presi presión ón de descar descarga ga p' puede suponerse constante. constante. >%tener las unciones de transerencia relacionadas con la presión en cada tanque a la entrada que que uye 5acia el primer tanque. i%u3e el diagrama de %loques para los tanques$ que muestra la
Balance de energ0a en estado no estacionario en el tanque 1: ω CpTi ( t )
− ω CpT1 ( t ) = ρ VCv
dT1 ( t )
( 1)
dt
C p = Cv
Porque del l0quido puede asumirse Balance de energ0a en estado no estacionario en el tanque 8: ω CpT1
+ q ( t ) − ω CpT2 ( t ) = ρ VCv
dT2 ( t ) dt
( 2)
Balance de energ0a en estado no estacionario en el tanque ': ω CpT2
− ω CpT3 ( t ) = ρ VCv
dT3 ( t ) dt
( 3)
Ecuaciones !1"$ !8" y !'" Escri%iendo un %alance de energ0a en estado estacionario alrededor del tanque 1$ restarlo de !1" y reordenando:
Γ 2 ( s )=
K 2 ↑2 s + 1
Γ 1 ( s ) +
K 3 ↑2 s + 1
Q (s ) (5)
onde ↑ 2=
ρV C v
´ C p ω
=2 min;K =1 ; K = 2
3
1
´ C p ω
=0.003 ºF
BTU min
Escri%iendo un %alance de energ0a en estado estacionario alrededor del tanque '$ restarlo de !'" y reordenando: ↑3
d Γ 3 (t ) dt
Γ 3 ( s )=
+ Γ (t )= K Γ ( t ) 3
K 4 ↑3 s + 1
onde ρV C
4
Γ 2 ( s ) ( 6 )
2
w # 250
lb moles moles
Ti (t ), FF
T2 (t ), FF
q (t ),
BTU min
T3 (t ), FF
min
Balance de energ0a del tanque ' en estado estacionario: dT ( t ) wC PT2 ( t ) − wCPT3 ( t ) = ρ VCV 3 dt
( 3)
e las ecuaciones !1"$ !8" y !'" orman el modelo matemático. 2e rea realiG liGa a un %alanc %alance e de energ energ0a 0a en estado estado estacio estacionar nario io alrede alrededor dor del tanque 1$ restándole !1" y reordenando: d Γ 1 ( t )
↑ 1
dt
Γ1 ( s ) =
+ Γ1 ( t ) = k1Γ1 ( t ) k 1
↑1 s + 1
Γ 1 ( s )
( 4)
onde: I1 (t) # T1 (t ) - Ti
1
#
r VC V wC
, min
;
I1 (t) # T1 (t ) - Ti
; K 1 # 1
d I3 (t ) 3
J I3 (t ) # K 4 I2 (t )
dt
I3 (s) #
K 4 3 s J1
I2 ( s )
(6)
onde: 3
#
r VC V wC P
# 2 min
; K 4 # 1
Entonces el diagrama de %loques será:
K 3
Γ i ( s ) ° F
K 1
↑1 s + 1 Γ ( s)
Γ 1 ( s ) ° F K K K
K 2
Q(s) BTU
min
1 ↑ 2 s + 1
Γ 2 ( s ) ° F
K 4
Γ 3 ( s )
↑3 s + 1 ° F
Considérese el proceso que se muestra en la fgura 4-1K$ en el que se meGclan dierentes corrientes. Aas corrientes $8 y + son soluciones de agua con el componente =L la corriente 1 es de agua pura. En la ta%la K-4 aparecen los alores de estado estacionario para cada corriente. 2e de%en determinar las unciones de transerencia con alores numéricos: 6 ( s ) 6 ( s ) 6 ( s ) , ! 5 ( s ) 2 ( s ) Qi ( s )
´ 2 # 2 ( t )− ρ " 4 ( t ) # 4 ( t )= ρV ρ " 3 ( t ) # 3 ( t ) + ρ "
d # 4 ( t ) dt
( 3)
Balance total de masas
´ 2− ρ" 4 ( t ) + ρ" 3 ( t )= 0 ρ " ´ 2− " 4 ( t )+ " 3 ( t )=0 "
(4 )
anque anque ': Estado inesta%le %alance de masa M =
´ 3 # 3 ( t )− ρ " 6 ( t ) # 6 ( t )= ρV ρ " 4 ( t ) # 4 ( t ) + ρ " Balance total de masas
´ 7 + ρ" 4 ( t )− ρ" 6 ( t )=0 ρ " ´ 2 + " 4 ( t ) −" 6 ( t )=0 " ´ "
( 6)
+ " ( t ) " ( t )
d # 6 ( t ) dt
( 5)
Para !":
´ s ( t ) # 4 ( t ) +" 1 ( t ) # 4 ( t )+ " ´ 2 # 4 ( t ) + " ´ 7 # 7− " 5 ( t ) # 6 ( t )− " 1 ( t ) # 6 ( t )−" ´ 2 # 6 ( t )− " ´ 2 # 6 ( t )=V " =lineación de términos no lineales
´ 1 # 3 ( t ) + " ´ 1 # 3 ( t ) + " 1 # 3 ( t ) ( 10 ) " 1 ( t ) # 3 ( t )= " onde: # 3 ( t )= # 3 ( t )− # 3 " 1 ( t ) =" 1 ( t )− " 1
´ 1 # 4 ( t ) + " ´ 1 # 4 ( t ) + " 1 # 4 ( t ) ( 11) " 1 ( t ) # 4 ( t )=" onde: # 4 ( t )= # 4 ( t ) − # 4
d # 6 ( t ) dt
(9 )
↑ 1=
k 1=
k 2=
V 7000 = = ´ s+ " ´ 1 (500 + 1900 ) 2.9167 min "
´s " ´ s + " ´ 1 "
#´ s
´ s + " ´ 1 "
=
=
500
( 500 + 1900 )
0.167
( 500 + 1900 )
=0.2083
=6.96 $ 10− ( %pm)− 5
1
2ustituyendo !1*" y !11" en !K":
´ s # s ( t )+ " ´ 1 #3 + " ´ 1 # 3 ( t ) + " 1 # 3 ( t ) −" ´ 1 # 4 ( t )− " ´ 2 # 4 ( t )− " 1 # 4 ( t )− " 5 ( t ) # 4 (t )− " 1 ( t ) # 4 (t )− " ´ 2 # 4 ( t )=V " En
esta es tado do es esta taci cion onar ario io de %ala %alanc nce e de ma masa sa del del tanq tanque ue 8 a%un a%unda da
=sum =sumie iend ndo o que que la co comp mpos osic ició ión n má mási sica ca en la entr entrad ada a al tanq tanque ue 8 es X 2 (t ) = X 2 y
por tan to X 2 ( s ) = 0
constante y no ar0a con el tiempo ! " $ de la misma orma el u3o en la entrada del tanque 1 es constante por tanto: X 6 ( s) X 5 ( s )
=
K 6 K1K 3
( ↑ s + 1) ( ↑ 1
2
s + 1) ( ↑ 3 s +1)
asumiendo que X 5 (s ) = 0 y F1 (s ) = 0 X 6 ( s) X 2 ( s )
=
K 6 K 4
(↑
2
s + 1) ( ↑3 s + 1)
as%minedo &% &%e las co composiciones X 5 y X 2 son onstantes ' &% &%e no no #a #a!ian o on el ti tiempo.
K 6 K 8 ( ↑ 4 s + 1) + K 7 ( ↑1 s + 1) ( ↑ 2 s + 1) =− F1 ( s ) ( ↑1 s + 1) ( ↑2 s + 1) ( ↑3 s + 1)
X 6 ( s)
Problema 4.!.
Consid Considerar erar los dos reactor reactores es de tanque tanque en serie serie con recicla3e recicla3e que se muestra en la
V1 = V2 = V3 = 7000 !al
Rolumenes de los tanques:
Concen Concentra tració ción n alcanc alcance e del transm transmiso isor: r: *$' a *$+ racci racción ón de mas masa. a. Este Este transmisor es dinámica pueden ser descritos por un tiempo muerto de 8 min. Rálula: El u3o es proporci proporcional onal a la posición racción racción de la álula en el interalo de * a 'K** gpm. Aa dinámica de las álulas pueden considerarse insignifcantes. Aa densidad de todos los u3os se puede considerar similar y constante. Ralores de estado estacionario
2tream
1 8 '
1O** 1*** 84**
(ass
C A ( t ) =
lbmol pie 3
concentración del reactante =$ = k =
constant reaction rate coeUcient $
min −1
T Aos reactores están inicialmente en estado estacionario con una C A 0 ( 0 ) concentración de entrada . T El retardo de transporte entre los reactores y en la l0nea de recicla3e es desprecia%le. a" eterminar eterminar las unciones unciones de transeren transerencia cia del proceso. proceso. %" i%u i%u3e 3e el diag diagra rama ma de %loq %loque uess para para los los dos dos rea eact ctor ores es.. C A 2 ( # ) C A0 ( # )
c" eterm eterminar inar la unció unción n de trans transer erenc encia ia para los dos reactores d" eterminar la ganancia y las constantes de tiempo efcaces de esta unción de transeren transerencia$ cia$ en términos términos de los parámetros parámetros del V ,V2 , 0 , $
sistema: e" )esponda
$
a
y 7 las
siguientes
preguntas:
1C A1 ( t ) − V2 k2C A2 ( t ) − 1C A2 ( t ) = V 2
2D2QDHE@> !8" E@ 1 H ' 0C A0 ( t ) − $ CA 2 ( t ) − V1k1C A1 ( t ) − 0 C A1 ( t ) − $ C A1 ( t ) = V 1 1C A1 ( t ) − V2 k2C A 2 ( t ) − 0C A 2 ( t ) − $ C A2 ( t ) = V 2
dC A 2 ( t )
E2C) 2C)QBQ QBQE@> E@> D@ B=A= B=A=@ @CE E (=2= =2= E2=CQ>@=)Q> 0 C A0 + $ C A2 − V1k1 C A1 − 0 C A1 − $ C A1 = V 1
( τ 1s+ 1) C A8 ( s) = K1CA1 ( s) + K8F1 ( s) + K'F8 ( s ) − ( K4 +KEs )H1 ( s ) +K4H8 (s )
( 8')
C A8 ( s) =
1 τ 1s + 1
K1CA1 ( s) + K8F1 ( s) + K'F8 ( s) − ( K4 + KEs ) H1 ( s ) +K4H8 (s )
)emplaGando la ecuación !8*" en el %alance de masa$ y escri%iéndola en unción de aria%les de desiación tenemos: F1 ( t ) + F8 ( t ) − C1 ρ gH gH1 ( t ) + C1ρ gH gH8 ( t ) = A
A dH1 ( t )
+ H1 ( t) =
1
F1 ( t) +
1
dH1 ( t ) dt
F8 ( t) + H8( t)
f'
C A′ 8 ( t ) +
f4 + ARkh8
−
c A′ 8C1 ρ g c′ C ρ g c A'C8 H1 ( t ) − A8 1 H8 ( t) − H8 ( t) f4 + ARkh8 f4 + ARkh8 f4 + ARkh8
c A'C' ARkcA' ARcA' dH8 ( t) ARh8 dC A' ( t ) = + CA' ( t) V p ( t) − H8 ( t) − f4 + ARkh8 f4 + ARkh8 f4 + ARkh8 dt f4 + ARkh8 dt