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 encuentra en un nivel a 2m por debajo debajo del caldero. El flujo de agua es de 10 m3/h y circula por un precalentador donde su temperatura temperatura inicial de 15 °C se eleva hasta 65 °C. El diámetro del sistema de tuberías es de una pulgada, incluyendo la tubería del precalentador. precalenta dor. La longitud equivalente del circuito es de 150 m. a. Determine Determine el trabajo eléctrico de la bomba, sabiendo que la eficiencia es de 60 %. Detalle todos los pasos en dicho cálculo b. Calcule el calor transferido en el precalentador precalentador c. Determine el coeficiente de película en el precalentador.
̇
a) Trabajo eléctrico de la bomba :
2
u1 2
2 gc
2
u1 2
2 gc
g z 12 gc g z 12 gc
P 1 2 W f LW
P 1 2
P
0
W f LW
0
̇ Flujo turbulento
Considerando tubería d hierro comercial: por grafica se obtiene la rugosidad relativa
Tomando los valores de Re y se obtiene f
TENEMOS QUE:
2
u1 2
2 gc
g z 12 gc
P 1 2
P
W f LW
0
( ) ( ) 3676
b) calor transferido al precalentador
̇ ̇ ̇ ̇ =580.56KJ
c) Coeficiente d película en el precalentador:
PROBLEMA 10
Un intercambiador de calor de tubos concéntricos se emplea para calentar benceno desde 20 ºC hasta 35 ºC. Por el tubo interior, cuyo diámetro nominal es de 2 pulgadas, circula el benceno con caudal de 1000 kg/h y por el espacio anular circula agua que entra en el sistema a 90ºC. Calcular la cantidad de agua que entra en el sistema para el funcionamiento en contracorriente y para el funcionamiento en corrientes paralelas. El valor del coeficiente global de transferencia de calor es aproximadamente igual a 174 W/m2.K . Las propiedades del benceno se estiman como 0,6 cPoises y 800 kg/m3.
PROBLEMA 11
Se dispone de un intercambiador de calor experimental de un área de 4. La temperatura de ingreso y salida del fluido caliente es de 250 y 130, respectivamente. La Temperatura de entrada del fluido frío es de 40. El flujo del fluido caliente es de 40 y su Cp es de 5; en cambio el fluido frío tiene un flujo de 50 y su Cp es de 15. Con los resultados del trabajo experimental se desea diseñar un intercambiador de calor comercial que tiene una temperatura de ingreso del fluido caliente de 300 y su temperatura de salida es de 120. El calor específico es de 5 y su flujo es de 400. La corriente fría ingresa a la temperatura de 40, con capacidad calorífica de 15 y flujo de 600. Calcule: a) El coeficiente global de transferencia de calor b) El área del intercambiador de calor comercial
a)
El coeficiente global de transferencia de calor Considerando para un IC en paralelo.
̇
̇ El coeficiente global de transferencia de calor se puede determinar de la ecuación.
Necesitamos temperatura de salida del flujo frio. El calor entregado por el IC.
) () ( ) () (
b) El área del intercambiador de calor comercial IC de calor comercial
̇ ̇
Para determinar el área requerida usamos la ecuación de transferencia de calor.
El calor entregado por el IC.
) () ( ) () (
El área requerida par aun intercambiador seria 62 m2
PROBLEMA 12
Un proceso para la producción de fibra de acetato de celulosa genera una corriente de desecho conteniendo principalmente aire pero con una pequeña cantidad de vapor de acetona. El flujo de aire es de 300 kmoles/h y el de acetona es de 4,5 kmoles/h. Se propone recuperar acetona de la corriente de aire, por absorción en agua, seguido de destilación para separar la mezcla acetona/agua. El absorbedor requiere un flujo de agua 2,8 veces mayor que el de acetona. a) Asumiendo un costo de acetona de 34,8 $/kmol, agua de proceso de 0,004 $/kmol y el proceso opera por 8000 horas anuales. Calcular el valor neto de productos asumiendo recuperación completa de la acetona. b) Si tanto el absorbedor como la columna de destilación operan con una recuperación de 99 % de acetona y si el producto del tope de la columna de destilación debe tener una pureza del 99 %: (b.1) represente el diagrama de flujo del sistema; (b.2) calcule los flujos de la acetona y el agua de entrada y salida de la columna de destilación.
Flujos
Costos
Aire
300
kmoles/h
Acetona Flujo de agua
4.5 12.6
kmoles/h kmoles/h
Operación
8000
horas/año
34.8 0.004
Costo.Flujo
$/kmol $/kmol VNP VNP
156.6 0.0504 156.5496 1252396.8
Valor neto de Productos = Costo. Flujo Acetona - Costo. Flujo Agua Parte (b) Flujos
Salida Abs
Absorbedor
Aire
300
kmoles/h
Acetona
4.5
kmoles/h
4.455
Entrada Dest
4.455
Salida Dest
4.41045
$/h $/h $/h $/año
Flujo de agua
12.6
kmoles/h
12.6
12.6
12.6
PROBLEMA 13
El etileno puede ser producido por craqueo térmico del etano, conforme a las reacciones: C2H6 C2H4+H2 C2H6 ½ C2H4 + CH4 Las reacciones tienen lugar a 1500°F y 50 psia. Se desea producir 875 mol/h de etileno con 75 % de pureza. Asumir que la selectividad está dada por:
S
molC 2 H 4 formado molC 2 H 6 convertido
1
0,0381 (1 X ) 0, 241
La alimentación de etano contiene 5% molar de metano y cuesta $1,65/mol. El etileno a 95% vale $6,15/mol. El combustible cuesta $4,00/10 6 BTU. Establezca: a) El diagrama de entrada/salida del proceso b) El diagrama de entrada/salida con reciclos c) El diagrama con principales unidades d) La tabla estequiométrica indicando los flujos finales de cada componente en términos de la conversión y la selectividad e) La concentración de todos los componentes en términos de X y S. f) El valor neto de productos. El poder calorífico del hidrógeno es 113807 BTU/kg y para el metano es de 47443 BTU/kg. g) Indique si el presente proyecto es económicamente viable.
C2H6 CH4
REACTOR
C2H6 C2H4 H2 C2H4
75%=875mol/h
AB+C A1/2B+D REACTOR
d) ESPECIE A B C D
e)
INICIO
CAMBIO RX1
CAMBIO RX2
[]
FINAL
[]
PROBLEMA 14
La hidratación del etileno produce etanol a nivel industrial, de acuerdo a las siguientes reacciones: CH2CH2 + H20 CH3CH2OH 2 CH3CH2OH (CH3CH2)2O + H2O Se desea producir 783 moles/h de un azeótropo que contiene 85,4 % molar de etanol en agua, a partir de una alimentación de etileno que contiene 4 % de CH4 y otra corriente de agua pura. Se desea reciclar el éter dietílico. a) Estructure el diagrama de entrada/salida del proceso b) Establezca un diagrama que incluya las corrientes de reciclo c) Formula una tabla estequiométrica en base a la conversión X y selectividad S d) Determine los principales flujos de entra y salida del proceso e) Calcule el valor neto de productos si el costo del azeótropo es de 8 $/mol; el del etileno, de 3 $/mol, el agua de alimentación de 0,5 $/mol y el agua residual de –0,07 $/mol. H2O
Proceso CH·CH2OH C2H4
f)
Establezca un diagrama que incluya las corrientes de reciclo
CH3CH2OH
Proceso
C2H4 H2O
(CH3CH2)2O
H2O
g) Formula una tabla estequiometrica en base a la conversión X y selectividad S componente
inicio
Cambio R1
Cambio R2
final
E
FOE
- FOE X
0
- FOE (1-X)
A
FOA
- FOE X
+1/2 FOE X(1-S)
FOE (ΘA
ET
0
FOE X
- FOE X(1-S)
FOE SX
D
0
0
+1/2 F OE X(1-S)
FOE X(1/2)(1-S)
I
FOI
0
0
FOE Θ
Rx1+Rx2= FINAL FOE X+ Rx2= F OE SX Rx2= FOE SX- FOE X Rx2= FOE X(S-1) = -FOE X(1-S) h) Determine los principales flujos de entra y salida del proceso ET + I
A ET
1
2 A Y ET
A+D
PROBLEMA 15
El isooctano (gasolina) se produce por las siguientes reacciones: Buteno + Isobutano Isooctano Buteno + Isooctano C12 Las reacciones ocurren en fase líquida a 45 ºF y 90 psia en un reactor continuo agitado. La producción deseada de isooctano es de 918 moles/h. Los costos de los materiales expresados en $/mol son: buteno = 14,56; isobutano= 18,59; isooctano = 36,54; C12 = 12,05. a) Desarrolle un diagrama del proceso incluyendo entradas/salidas y reciclos. b) Determine los flujos del proceso en términos de la conversión X y de la selectividad S. X se define como la fracción de buteno convertida y S como los moles de isooctano producidos por mol de buteno convertido. c) Calcule el valor neto de productos en función de la conversión y de la selectividad.
a) Diagrama del proceso incluyendo entradas y salidas
A, B
A, B
A, B,C
C Separador
Reactor
D
b) Flujos del proceso en términos de conversión y selectividad Especie
Inicial
A B C
0
D
0
c)
Cambio
Cambio
0
0
Final
Valor neto de productos en función de la conversión y selectividad .
∑ ⁄ PROBLEMA 16
El anhídrido acético se produce por las reacciones: Acetona cetona + CH4 Cetona CO + ½ C2H4 Ambas reacciones ocurren a 700ºC y 1 atm de presión. Complementariamente se da la reacción Cetona + ácido acético anhídrido acético
La última reacción ocurre a 80 ºC y 1 atm. La selectividad (moles de cetona que abandonan el reactor de pirólisis por mol de acetona convertida) es dada por la ecuación S = 1 – 4X/3 a bajas conversiones. La producción deseada de anhídrido es 16,58 moles/h con una pureza del 99 %. Los costos son: acetona = $ 15,66/mol, anhídrido = $ 44,41/mol; combustible = $ 4,00/millón de BTU. a) Represente el diagrama de entrada salida del proceso b) Diagrame los reciclos del proceso c) Desarrolle el diagrama de flujo del proceso d) Desarrolle la tabla estequiométrica para las reacciones. e) Calcule los flujos de entrada y salida del proceso f) Desarrolle una expresión algebraica para el VNP del proceso en función de X y S.
A F R M,CO,E
A
S E P
R1
R2
F L A S H
R1
D 2
R2 M
D 1 COMPONENTE
INICIAL
RX1
RX2
A
-FAOX
0
FAOX(1-X)
C
0
FAOX
-FAOX(1-S)
FAOXS
M
0
FAOX
0
FAOX(1-S)
CO
0
0
F AOX(1-S)
FAOX(1-S)/2
D 3
FINAL
E
0
0
FAOX(1-S)
FT=FTO[1+YAOX(3-S)/2
COMPONENTE
INICIAL
RX
FINAL
C
FCO
-FCOX2
FCO(1-X2)
R
FRO
-FCOX2
FCO(ѲR-X2)
F
O
FCOX2
FCOX2
COMPONENTE
FLUJO PROC
COSTO
A
FCO/S
-15,66
M
FCO/S(1-S)
4*Hm*Fj*Hci
CO
FCO/S(1-S)
E
FCO/2S(1-S)
R
FCO(ѲR-X2)
F
FCOX2
44,41
{ }
