Problema 9 16

PROBLEMA 9 El agua de alimentación a un caldero que produce vapor saturado a 150 °C se bombea desde un tanque de succión que se encuentra en un nivel a 2m por deba debajo jo del cald calder ero o. El fujo fujo de agua agua es de 10 m3! m3! " circ circul ula a por por un precalentador donde donde su temperatura inicial inicial de 15 °C se eleva eleva !asta #5 °C. El di$metro del sistema de tuber%as es de una pulgada& inclu"endo la tuber%a del precalentador. precalentador. 'a longitud equivalente del circuito circuito es de 150 m. a. (ete (eterrmine mine el trab trabaj ajo o el)c el)ctr tric ico o de la bomb bomba& a& sabi sabien endo do que la e*ciencia es de #0 +. (etalle todos los los pasos en dic!o c$lculo c$lculo b. Calcule Calcule el calor calor trans,e trans,erido rido en en el precale precalentado ntadorr c. (etermine (etermine el coe*ci coe*ciente ente de pel%cul pel%cula a en el precale precalentado ntadorr. Z 1=2 m

Z 2= 0 m

V =10´ m / h= 2.75 × 10 m / s −3

3

T 0 =15 ° C  T 1 =65 ° C  T 2 =150 ° C   Leq =2 m  D =1 pulg =0.0254 cm

a- rabajo rabajo el)ctrico el)ctrico de la bomba bomba /

2

−

∆u1− 2

2 gc

−

2

−

∆u1− 2

2 gc

−

πD

 A =

 g ∆ z 1−2  gc

 g ∆ z 1−2  gc 2

4

 DVρ  μ

ℜ=

=

•

− ∆ P  1− 2 − W   f   −  LW  =

−

∆ P  1− 2

 P 

π 0.0254 4

2

0

•

− W   f   −  LW  =

0

=5.064 × 10−4 m2

3

 ´V 

−3

3

m /s V = = −4 2  = 5.482 m / s  A 5.064 × 10 m

ℜ=

2.75 × 10

.0254 cm× 5.482 m / s × 1000 kg / m

3

−3

1.2 × 10  pa s

ℜ=116035.67 lujo turbulento  Considerando tuber%a d !ierro comercial/ por gra*ca se obtiene la rugosidad relativa ε = 0.0018  D

 omando los valores de e "

ε  D  se obtiene ,

f  =0.0245  EE4 67E/ 2

Lv h f = f  2 D

 150 × 5.482  LW  ¿ h f =0.0245 2 × 0.0254 2

−

∆u1− 2

2 gc

−

 g ∆ z 1−2  gc

−

∆ P  1− 2

 P 

2

= 2174.063

•

− W   f   −  LW  =

0

(u22−u 12)  g ( z 2− z 1)  P2 − P 1 + + + LW  W f = 2 gc

W f =

(−5.4822) 2

gc

+

9.8 ( 2 −0 ) 1

(

+

(

 ρ

)

1034.21−101.325 1000

)+

2174.063

W f =2205.72 J 

=

!f  !"

! "=

2205.72 0.6

=¿ 3#86 

b- calor trans,erido al precalentador ´ m=¿ Vρ

¿´

−3

m=¿ 2.78 × 10 × 1000 =2.78 kg / s

´¿

#=m´cp ( T 1−T 0 ) #=

2.78 kg   4.18 ( 65−15 )

s

95:0.5#;<

c- Coe*ciente d pel%cula en el precalentador/

#=hf  ( T 1−T 0 )

hf =

hf =

#

( T 1−T 0 ) 580560 J 

11.61 $J 

( 65−15 )

°

 =

PROBLEMA 10 7n intercambiador de calor de tubos conc)ntricos se emplea para calentar benceno desde 20 =C !asta 35 =C. >or el tubo interior& cu"o di$metro nominal es de 2 pulgadas& circula el benceno con caudal de 1000 ?g! " por el espacio anular circula agua que entra en el sistema a @0=C. Calcular la cantidad de agua que entra en el sistema para el ,uncionamiento en contracorriente " para el ,uncionamiento en corrientes paralelas. El valor del coe*ciente global de trans,erencia de calor es aproAimadamente igual a 18B m2.; . 'as propiedades del benceno se estiman como 0&# c>oises " :00 ?gm3.

PROBLEMA 11 e dispone de un intercambiador de calor eAperimental de un $rea de B. 'a temperatura de ingreso " salida del fuido caliente es de 250 " 130& respectivamente. 'a emperatura de entrada del fuido ,r%o es de B0. El fujo del fuido caliente es de B0 " su Cp es de 5D en cambio el fuido ,r%o tiene un fujo de 50 " su Cp es de 15. Con los resultados del trabajo eAperimental se desea disear un intercambiador de calor comercial que tiene un a temperatura de ingreso del fuido caliente de 300 " su temperatura de salida es de 120. El calor espec%*co es de 5 " su fujo es de B00. 'a corriente ,r%a ingresa a la temperatura de B0& con capacidad calor%*ca de 15 " fujo de #00. Calcule/ a- El coe*ciente global de trans,erencia de calor b- El $rea del intercambiador de calor comercial a-

El coe*ciente global de trans,erencia de calor Considerando para un FC en paralelo. T h%= 250 ℃

T hs=130 ℃

& T 2 T c%= 40 ℃

 A = 4 m

2

m´ h= 40

kg h(

Cph=5

kJ  kg ℃

m´ c =50

 kg h(

Cph=15

kJ  kg ℃

& T 1 T cs='

El coe*ciente global de trans,erencia de calor se puede determinar de la ecuación. #=)A&T lm

& T lm=

& T 2− & T 1 ln

( ) & T 2 & T 1

ecesitamos temperatura de salida del fujo ,rio. El calor entregado por el FC.

#ce*%*+ =mh Cph & T 

#ce*%*+ =40

( )( )

kg kJ  ( 250 −130 ) ℃ 5 h( kg ℃

#ce*%*+ =24000

kJ   =24000 k!a,,s h(

#ce*%*+ =#gaa*+

2400=50

( ) ( )

kg kJ  ( T − 40 ) ℃ 15 h( kg ℃

T cs=72 ℃

& T lm =

210 −57 ln

( ) 210 57

& T lm =115.43 ℃

) =

#  A & T lm

24000

) =

( )  kJ  h(

2

4 ( m ) 115.43 ( ℃ )

) =52

 k!a,,s 2

m ℃

bEl $rea del intercambiador de calor comercial FC de calor comercial T h%= 300 ℃

T hs=120 ℃

& T 2 T c%= 40 ℃

& T 1 T cs='

 A ='

m´ h= 400

Cph=5

kg h(

kJ  kg ℃

m´ c =600

 kg h(

Cph=15

kJ  kg ℃

) =52

 k!a,,s 2

m ℃

>ara determinar el $rea requerida usamos la ecuación de trans,erencia de calor. #=)A&T lm El calor entregado por el FC.

#ce*%*+ =mh Cph & T 

#ce*%*+ =400

( ) ( )(

kg kJ  5 300 −120 ) ℃ h( kg ℃

#ce*%*+ =360000

kJ   =360000 k!a,,s h(

#ce*%*+ =#gaa*+

360000 =600

( ) ( )( −

kg kJ  15 T  40 ) ℃ h( kg ℃

T cs=80 ℃

& T lm =

240− 40

l

( ) 240 40

& T lm =111.62 ℃

 A =

 A =

# ) & T lm   360000 ( k!a,,s ) 52

(

)

k!a,,s 111.62 ( ℃ ) 2 m ℃

 A = 62.023 m

2

El $rea requerida par aun intercambiador seria #2 m 2

PROBLEMA 12 7n proceso para la producción de *bra de acetato de celulosa genera una corriente de desec!o conteniendo principalmente aire pero con una pequea cantidad de vapor de acetona. El fujo de aire es de 300 ?moles! " el de

acetona es de B&5 ?moles!. e propone recuperar acetona de la corriente de aire& por absorción en agua& seguido de destilación para separar la meGcla acetonaagua. El absorbedor requiere un fujo de agua 2&: veces ma"or que el de acetona. a- Hsumiendo un costo de acetona de 3B&: I?mol& agua de proceso de 0&00B I?mol " el proceso opera por :000 !oras anuales. Calcular el valor neto de productos asumiendo recuperación completa de la acetona. b- i tanto el absorbedor como la columna de destilación operan con una recuperación de @@ + de acetona " si el producto del tope de la columna de destilación debe tener una pureGa del @@ +/ Jb.1- represente el diagrama de fujo del sistemaD Jb.2- calcule los fujos de la acetona " el agua de entrada " salida de la columna de destilación.

Flujos Hire Hcetona lujo de agua 4peración

Costo s 300 ?moles ! B.5 ?moles ! 12.# ?moles ! :000 !orasa o

 

Costo.F lujo

3B.: I?mol

15#.# I!

0.00B I?mol

0.050B I!

 

K>

 

K>

Kalor neto de >roductos 9 Costo. lujo Hcetona L Costo. lujo Hgua >arte JbFlujos Absorbe Entrada alida dor Dest Hbs Hire 300 ?moles ! Hcetona B.5 ?moles B.B55 B.B55 ! lujo de agua 12.# ?moles 12.# 12.# !

15#.5B@ I! # 12523@# Iao .:

Salida Dest B.B10B5 12.#

PROBLEMA 1 El etileno puede ser producido por craqueo t)rmico del etano& con,orme a las reacciones/ C2M# C2MBNM2 

C2M#

O C2MB N CMB



'as reacciones tienen lugar a 1500° " 50 psia. e desea producir :85 mol! de etileno con 85 + de pureGa. Hsumir que la selectividad est$ dada por/ molC 2 H 4  formado 0,0381 S  = = 1− molC 2 H 6 convertido (1 −  X ) 0, 241 'a alimentación de etano contiene 5+ molar de metano " cuesta I1mol. El etileno a @5+ vale I#&15mol. El combustible cuesta IB&0010 # P7. EstableGca/ a- El diagrama de entradasalida del proceso b- El diagrama de entradasalida con reciclos c- El diagrama con principales unidades d- 'a tabla estequiom)trica indicando los fujos *nales de cada componente en t)rminos de la conversión " la selectividad e- 'a concentración de todos los componentes en t)rminos de Q " . ,- El valor neto de productos. El poder calor%*co del !idrógeno es 113:08 P7?g " para el metano es de B8BB3 P7?g. g- Fndique si el presente pro"ecto es económicamente viable. C 2 - 6 . C 2 - 4 + - 2 C 2 - 6 . / 2 C 2 - 4 + C- 4

0=

1−0,0381

( 1− 1 )0,241

a¿

C2M #

C2M # C2M B

EHC4

M2

"¿c ¿

H PNC 

H 12PN( 

85+9:85m

EHC4

dE>ECF

FFCF4

E H

CHPF4 Q1

− 2  A3 1 

2  A3

P

2  A3 1

C

2  A3 1 

(

e 2  A3 V 

=C  A3

C  A3 [ 1− 1 + 2 ( 0 −1 ) ] 1 + 1,9∗ 1 

C  A3 0 − 1  1 + 1,9 1 

C  A31  1 + 1,9 1  2 C  A3 ( 0 −1 ) 1 + 1,9 1 

C  A3 =

/  A3 P

 2  A C  A 9,5 /  A3 = = = =19 5  4T   2 ¿ C ¿

(

19 5 3

C  A3 =

(

0,082 a,m

 P05A∗1 a,m 14.5 P05A

)

)

L ∗108,8  $  m+l∗ $ 

CHPF4 Q2

−2 2  A3 ( 0 −1 )

FH'

2  A3 [ 1− 1 + 2 ( 0 −1 ) ] 2  A3 01 

2 2  A3 ( 0 −1 )

2  A3 1 

2 2  A3 ( 0 −1 )

2 2  A3 ( 0 −1 )

C  A3 =0,7343 C 6=

C  A3 01  1−1,9 1 

 A0)7589D3 C39V840539 D8 0,75

C  A =0,05347 C 6 =0,215

C C =0,2271 C  D=−0,0322

PROBLEMA 1! 'a !idratación del etileno produce etanol a nivel industrial& de acuerdo a las siguientes reacciones/ CM2CM2 N M20 CM3CM24M 2 CM3CM24M  JCM3CM2-24 N M24 e desea producir 8:3 moles! de un aGeótropo que contiene :5&B + molar de etanol en agua& a partir de una alimentación de etileno que contiene B + de CMB " otra corriente de agua pura. e desea reciclar el )ter diet%lico. a- Estructure el diagrama de entradasalida del proceso b- EstableGca un diagrama que inclu"a las corrientes de reciclo c- ormula una tabla estequiom)trica en base a la conversión Q " selectividad  d- (etermine los principales fujos de entra " salida del proceso e- Calcule el valor neto de productos si el costo del aGeótropo es de : ImolD el del etileno& de 3 Imol& el agua de alimentación de 0&5 Imol " el agua residual de R0&08 Imol. M24  

 

>roceso

CMSCM24M

C2MB ,- EstableGca un diagrama que inclu"a las corrientes de reciclo

C2MB M24

>roceso

CM3CM24M

 

JCM3CM2-24

M24

g- ormula una tabla estequiometrica en base a la conversión Q " selectividad  componente

inicio

Cambio 1

Cambio 2

*nal

E

4E

L 4E Q

0

L 4E J1LQ-

H

4H

L 4E Q

E

0

4E Q

N12 4E QJ1L 4E JTH L 4E QJ1L4E Q

(

0

0

F

4F

0

N12 4E QJ1L 0

4E  QJ12-J1L 4E T

A1NA29 FH' 4E QN A29  4E Q A29 4E QL 4E Q A29 4E QJL1- 9 L 4EQJ1L!- (etermine los principales fujos de entra " salida del proceso E N F

H E

1

2

H U E

HN(

PROBLEMA 1" El isooctano Jgasolina- se produce por las siguientes reacciones/ Puteno N Fsobutano Fsooctano Puteno N Fsooctano C12 'as reacciones ocurren en ,ase l%quida a B5 = " @0 psia en un reactor continuo agitado. 'a producción deseada de isooctano es de @1: moles!. 'os costos de los materiales eApresados en Imol son/ buteno 9 1B&5#D isobutano9 1:&5@D isooctano 9 3#&5BD C12 9 12&05. a- (esarrolle un diagrama del proceso inclu"endo entradassalidas " reciclos. b- (etermine los fujos del proceso en t)rminos de la conversión Q " de la selectividad . Q se de*ne como la ,racción de buteno convertida "  como los moles de isooctano producidos por mol de buteno convertido. 



c- Calcule el valor neto de productos en ,unción de la conversión " de la selectividad. 6u,e+= A

 5s+"u,a+= 6  5s++c,a+=C 

c 12 = D  A + 6. C 

 A + C . D a# Dia$ra%a del &ro'eso in'lu(endo entradas ( salidas H& P H& P

H& P&C

C eparador

eactor

(

b# Flujos del &ro'eso en t)r%inos de 'on*ersi+n ( sele'ti*idad Ca%bi Es&e 'ie

,ni'ial

o  41 1

H

2A3

− 2A 3

P

:6 2A3

− 2A 3

C

0

(

0

 2T 3 = 2A 3 ( 1 + :" )

Ca%bio  41 2

− 2A 3 1 (1− 0 ) 0

+ 2A3 1  − 2A 3 1 (1− 0 ) 0

+ 2A 3 1 (1 −0 )

Final

2A= 2A 3 1 (

 1

 1 

−1−1 −0 )

26= 2A3 1 (

:6

 −1)

 1 

2C = 2A 3 01  2D= 2A3 1 ( 1 −0 )

'# -alor neto de &rodu'tos en un'i+n de la 'on*ersi+n ( sele'ti*idad .

∑  2%C%

V9P=

V9P= 2AC C + 2DC  D − 2A C  A ; 26 C 6 ; 2C C C 

V9P= 2DC  D − 2A C  A ; 26 C 6

(

V9P = 2A 3 1 ( 1 −0 ) 12.05

)

(

)

:6 < <  1 − 2A 3 1 (  −1 −1− 0 ) 14.56  ; 2A 3 1 (  − 1 ) ( 18.59 < / m+l ) m+l  1  m+l  1 

PROBLEMA 1/ El an!%drido ac)tico se produce por las reacciones/ Hcetona cetona N CMB Cetona C4 N O C2MB Hmbas reacciones ocurren a 800=C " 1 atm de presión. Complementariamente se da la reacción Cetona N $cido ac)tico an!%drido ac)tico 'a Vltima reacción ocurre a :0 =C " 1 atm. 'a selectividad Jmoles de cetona que abandonan el reactor de pirólisis por mol de acetona convertida- es dada por la ecuación  9 1 R BQ3 a bajas conversiones. 'a producción deseada de an!%drido es 1#&5: moles! con una pureGa del @@ +. 'os costos son/ acetona 9 I 15&##mol& an!%drido 9 I BB&B1molD combustible 9 I B&00millón de P7. a- epresente el diagrama de entrada salida del proceso b- (iagrame los reciclos del proceso c- (esarrolle el diagrama de fujo del proceso d- (esarrolle la tabla estequiom)trica para las reacciones. e- Calcule los fujos de entrada " salida del proceso ,- (esarrolle una eApresión algebraica para el K> del proceso en ,unción de Q " . 





H   &C4&E H 1

 E >

2

 ' H  M

1

( 2

2 

( 1 ( 3

C4>4EE H

FFCFH' 2  A3

Q1 LH4Q

Q2 0

FH' H4QJ1LQ-

C  C4 E

0 0 0 0

H4Q H4Q 0 0

LH4QJ1L0 H4QJ1LH4QJ1L-

H4Q H4QJ1LH4QJ1L-2  9 4W1NUH4QJ3L -2

C4>4EE C  

FFCFH' C4 4 4

Q LC4Q2 LC4Q2 C4Q2

FH' C4J1LQ2C4JXLQ2C4Q2

 2 ¿ = 2 C3 ( 1 + Ѳ  4 ) − 2 C3 1 2  2 T = 2 ¿ ( 1−/ C3 1 2 )

 2 C3 = 2  A3 01 2  2 = 2 C3 1 2 . 2 C3 =

 2  2   1 2

C4>4EE H  C4 E  

VP=

2  2   1 2 0

V9P =

[

1 ( −15,66 ) +

2  2   1 2 0

[

'7<4 >4C C4 C4J1LC4J1LC42J1LC4JXLQ2C4Q2 1∗ - m∗ 4 6

10 6T) 

{

+( 1− 0 ) - C3 4 +

C44 L15&## BYMmYjYMci

BB&B1

( 1− 0 ) 2

}

 -  8 4 + 0 ( : 4 − 1 2 ) C  4 + 0∗44,41

( 1− 0 ) −15,66 + 4  - m + ( 1− 0 ) - C3 + -  + 0 ( : 4− 1 2 ) C  4 + 44,415 2

 8

]

]