ejer cco saca rosa

Da Mes Ao

Firma

Comparacin de procesos

En kcal / h m2 C, donde T: C y : cPSol =

1o Caso: 12 H2O en cP2o. 10 H2O

La capacidad calorfica se define para el primer y segundo caso, respectivamente:Cp = 1 - 0.2x - 0.0019t Cp = 1 - 0.19x - 0.002t

donde segn el caso, x es fraccin peso del soluto y t es la temperatura de la solucin diluida o concentrada

INSTITUTO POLITCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA QUMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

Examen extraordinario BACADEMIA OPERACIONES UNITARIAS

Operaciones de separacin IMATERIA

Un sistema de evaporacin de simple efecto de circulacin forzada. Situado en Jalapa, Ver. donde la presin atmosfrica es de 641 mm Hg. Se utiliza para concentrar una solucin de jugo de caa cuyo producto cido ctrico tiene una masa molecular de 342 g /g-mol. La solucin diluda entra 15C por debajo de la temperatura de ebullicin de la solucin en el efecto y contiene 6% de soluto, el producto tiene 45% en peso. Se emplea vapor de agua como medio de calentamiento a 1.5 kgf /cm2 man. y , el vapor de la caldera tomado de la lnea principal tiene un sobrecalentamiento de 8 C. Se procesaran 1500 kg de slidos totales/h. El evaporador cuenta con un condensador de tipo baromtrico: El espacio-vapor tiene un vaco menor en 35% del vaco del condensador. En el condensador el agua de enfriamiento entra a 20C y el agua mezclada lo abandona a 52C

La ecuacin del coeficiente global de transferencia de calor en ambos caso, tiene los exponentes: a = 150, b = 0.88, c = 0.43

Nuevas condiciones de operacin del evaporador:La gerencia ha planeado comparar en mismo SE, el soluto a concentrar. Se planea concentrar una solucin de jugo de caa de Sn Luis cuyo producto sacarosa tiene una masa molecular de 342 g /g-mol, y contiene 7% de soluto, el producto se obtiene 60% en peso . La solucin entra 18C por debajo de la temperatura de ebullicin de la solucin en el efecto. . Se utiliza vapor de agua como medio de calentamiento a 1.4 kgf /cm2 man y de calidad seca y saturada al 100%.Entre el condensador y la cmara de vapor hay una cada de presin de 0.18 kgf/cm2. En el condensador el agua de enfriamiento entra a 20C y el agua con el condensado abandona el condensador a una temperatura de 50C De datos fsicos de la estructura del evaporador:Se establece que existen 1.5 y 1.8% de prdidas por radiacin y conduccin para cada caso.De acuerdo a lo anterior:a). Cul es la producin en slidos de soluto que se obtiene en el segundo caso? (3 puntos).b). Cules son los consumos de vapor y agua en ambos casos? (2 puntos).c). Cul es la variacin de la produccin de producto, evaporado? (1 punto). d). Cul es el rea, la economa, la capacidad evaporativa tericas y reales? (2 puntos) e). Prepare una tabla comparativa. Analize y recomiende el mejor proceso de separacin. (2 puntos).

ALUMNO Grupo Antonio Farrera Cal.PROFESOR

( )cSolb

XTaU+

=

1

Operaciones de Separacin I - Evaporacin en equilibrioOperaciones de Separacin I - Evaporacin en equilibrioOperaciones de Separacin I - Evaporacin en equilibrioOperaciones de Separacin I - Evaporacin en equilibrio

Datos Soln.: U, Cp y supuestos

Solucin:Para iniciar los clculos se debe plantear la secuencia de datos recibidos y completar los no existentes:

Conds. Originales Conds. ComparacinPresin atm 641 mm Hg p B Kg/cm 2 0.8714 641 mm Hg p B Kg/cm 2 0.8714Vaco en C. Bar. 0 0 v C Kg/cm 2 0.7326 0 0 v C Kg/cm 2 0.7456Presin cond. 0 0 p C Kg/cm 2 0.1388 0 0 p C Kg/cm 2 0.1258Temp. Condensacin 52 C t C C 52 50 C t C C 50Vaco cmara 35% 0 V EV Kg/cm 2 0.4762 0 0 V EV Kg/cm 2 0.5656Presin esp-vapor 0 0 p EV Kg/cm 2 0.3952 0 0 p EV Kg/cm 2 0.3058

T EV = 75 C T EV = 69 C

x P = 0.4500 x P = 0.6000Fraccin peso del agua = 1- x P = 1 - 0.45 = 0.5500 Fraccin peso del agua = 1- x P = 1 - 0.6 =

0.4000

Fraccin molar del agua = Fraccin molar del agua =

0.55 / (0.55 + 0.45*18/342) = 0.9587 0.4 / (0.4 + 0.6*18/342) = 0.9268

Determinacin del punto de ebullicin

P w = P EV / x w = 0.3952 / 0.9587 = P w = P EV / x w = 0.3058 / 0.9268 =0.4122 kg f /cm 2 t X = 76 C 0.33 kg f /cm 2 t X = 70 C

EPE = t X - t EV = 76 - 75 = 1 C EPE = t X - t EV = 70 - 69 = 1 C

Para el Calentamiento:Para determinar la temperatura del vapor de calentamiento tenemos que ajustar la presin manomtrica:

p V , man = 0 psig = 1.50 kg f /cm 2 p V , man = 0 psig = 1.40 kg f /cm 2

P VS = P Vm + P Atm = 1.5 + 0.8714 = P VS = P Vm + P Atm = 1.4 + 0.8714 =

T VS = 125 C T VS = 123 C2.3714 kg f /cm 2 2.2714 kg f /cm 2

Vs = 522.7 kcal /kg Vs = 524.1 kcal /kg

Correccin del contenido de calor latente Vs1 ' = 522.7 + 0.5*8 = 526.7 kcal /kg Vs2 ' = 524.1*1 = 524.1 kcal /kg

Diferencias de temperatura para los clculos correspondientes:

T X = T VS - T X = 125 - 76 = 49 C T X = T VS - T X = 123 - 70 = 53 C

Obtenida la temperatura de ebullicin del producto. La prdida de temperatura por elevacin del punto de ebullicin es :

Para calcular la temperatura de ebullicin de la solucin corregida con la concentracin del producto, la ley de Raoult. Por lo que considerando la temperatura del solvente en equilibrio con la solucin producto y su concentracin, tenemos:

Para poder establecer los puntos de comparacin hacemos uso de un truco matemtico con el cual compararemos las propiedades termodinmicas del caso 2 con referencia al caso 1 (que generalmente se encuentra mejor documentado).

=

+

=

1

1w

w

w

PM

x

18

x18

x

x

1V1V

2V2V

1X1

2X2

11E

22E

M

M

TAU

TAU

CITM

CITM

==

=

+

=

1

1w

w

w

PM

x

18

x18

x

x

Ing. Antonio Farrera EjercCOsacarosa.xls C. Forzada


Contenidos de calor de los fluidos

t A = t A =

76 - 15 = 61 C 70 - 18 = 52 C

La entalpa de la solucin alimentada es de:

H A = C P A t A = (1 - 0.2*0.06 - 0.0019*61)*61 = H A = C PA t A = (1 - 0.19*0.6 - 0.002*52)*52 =53.2 kcal / kg 45.9 kcal / kg

La entalpa de la solucin producto a la TX es

H P = (C P ) X t X = (1 - 0.2*0.45 - 0.0019*76)*76 = H P = C P X t X = (1 - 0.19*0.6 - 0.002*70)*70 =58.19 kcal / kg 52.22 kcal / kg

La entapa del solvente evaporado es

H' E @ t EV = 629.3 kcal / kg H' E @ t EV = 626.9 kcal / kgH E = H' E + Cp EPE = 629.3 + 0.45* 1 = 629.75 kcal / kg H E = H' E + Cp EPE = 626.9 + 0.45* 1 = 627.35

CIT = (H E - H P ) + x p /(x p -x A )(H P - H A ) = CIT = (H E - H P ) + x p /(x p -x A )(H P - H A ) =(629.75 - 58.19) + 0.45/(0.45-0.06)*(58.19-53.2) = (627.35 - 52.22) + 0.6/(0.6-0.07)*(52.22-45.9) =

CIT = 577.32 kcal / kg CIT = 582.28 kcal / kg

Determinacin del coeficiente de transferencia

Q = U A T donde

La ecuacin del coeficiente global de transferencia de calor en ambos caso, tiene los exponentes: a = 150, b = 0.88, c = 0.43

Clculo previo:ViscosidadFactor de ajuste 12 @ TX = 76C y 45% Factor de ajuste 10 @ TX = 70C y 60%Soln en funcin de la H2O en cP = 0.36 Soln en funcin de la H2O en cP = 0.405

solucin = 12*0.36 = 4.32 cP solucin = 10*0.405 = 4.05 cP

U = 150*49^0.88 / (1+4.32)^0.43 = 2246 kcal / h m 2 C 150*53^0.88 / (1+4.05)^0.43 = 2461 kcal / h m 2 C

Cuando se conocen los valores numricos:

U = 0 kcal / h m2 C 0 kcal /h m2 C 460 btu/ h ft2 F * 4.8856 (Kcal /h m2 C/ kcal / h m2 C) =

Determinacin del calor requerido (1er. Caso)M A = 25000 kg de solucin diluida/h

M A A = M P P 1500 kg de slidos totales/hM P = 3333 kg de solucin conc/h

3333*(0.45 - 0.06)/0.06 = 21665 kg de solvente evaporado/h

Q = M E CIT = 21665*577.32 = kcal /h

Determinacin del rea de tranferencia requerida

A = Q /U T = 12507637.8/(2246*49) = 113.65 m 2

12507637.8

18C por debajo de la temperatura de ebullicin de la solucin en el efecto

15C por debajo de la temperatura de ebullicin de la solucin en el efecto

( )cSolb

X

1

TaU

+

=

A

APPE

x

xxMM =



C E = M E /A = 21665 /113.65 = 190.63 kg de solvente evaporado/h m 2

Balance materia y calor entre los casos

Sustituyendo los valores conocidos en la ecuacin correlacionante, tenemos:

ME2/ME1*(582.28/577.32) = (2461/2246)*(53/49)

M E2 /M E1 = (2461/2246)*(53/49)*(577.32/582.28)

M E2 /M E1 = 1.1751

M E2 = 21665*1.1751 = 25459 kg de solvente evaporado/h

Q = M E CIT = 25459*582.28 = kcal /h

Comprobacin del rea de tranferencia requerida (Clculo en el 2o Caso)

A = Q /U T = 14824266.52/(2461*53) = 113.65 m 2

C E = M E /A = 25459 /113.65 = 224.01 kg de solvente evaporado/h m 2

Clculo de las variaciones

Para determinar la variacin de produccin los valores de ME1 y ME2 se convierten por la ecuacin:

M P2 /M P1 = 1.1751*0.07*(0.45 - 0.06)/(0.06*(0.6 - 0.07)) = 1.0088

% M P = (M P2 /M P1 - 1)100 = 0.9%

Para determinar la variacin del consumo de vapor los valores de MV1 y MV2 se convierten por la ecuacin:

(M V2 /M V1 ) R = 1.1751*582.28/577.32*526.7/524.1 = 1.1911

% M V Real = (M V2 /M V1 - 1)100 = 19.1%

Notas de clculo. Aunque es posible dismuir el nmero de clculos es este mtodo es aproximado.

1 = 526.7/(577.32(1+0.015) = 0.899 M VR1 = 21665/0.899 = 24099 kg vap/h

2 = 524.1/(582.28(1+0.018) = 0.884 M VR2 = 25459/0.884 = 28800 kg vap/h

Comprobacin : % M V = (M V2 /M V1 - 1)100 = 19.5%

14824266.52

1X1

2X2

11E

22E

TU

TU

CITM

CITM

=

( )( )

( )( )2A2p1A

1A1p2A

E

E

1P

2P

1A1p2A

2A2p1A

1P

2P

1A

1A1p1P

2A

2A2p2P

E

E

E

E

E

E

xxx

xxx

MM

MM

xxx

xxx

MM

x

xxM

x

xxM

MM

MM

MM

1

2

1

2

1

2

1

2

=

=

== LL

'

'

'

'

2V

1V

11E

22E

1V

2V

11E

22E

1V1V

2V2V

CITMCITM

MM

CITMCITM

MM

== L

==

EV

V MMyCIT

'



Conclusin: Los porcentajes con que se manejan ambos mtodos absorven la variaciones

Para determinar la variacin del consumo de agua de enfriamiento los valores de ME1 y ME2 se convierten por la ecuacin:

M W2 /M W1 = 1.1751*(627.35-50)*(52-20)/((629.75-52)*(50-20)) = 1.2526

M W1 = (629.75-52)/(52-20)* 21665 = 391155 kg de agua de enfriamiento/h

M W2 = (627.35-50)/(50-20))*25459 = 489958 kg de agua de enfriamiento/h

% M W = (M W2 /M W1 - 1)100 = (489958.455/391154.8046875-1) = 25.3%

Resumiendo VariacinCaso 1 Caso 2 %(2)/(1)

ProductoM P P 1500.0 2017.6 34.5%M P 3333.3 3362.7 0.9%IntermediosM A 25000 28823 15.3%M E 21665 25459 17.5%ConsumosM V Terico 23929 28501 19.1%M V Real 23747 28285 19.1%M W 391155 489958 25.3%

AccesoriosC E 190.63 224 18% Terico 0.9054 0.9001 -1.0%

Real 0.8990 0.8840 -2.0%

Concluyendo que disminuye la produccin del segundo caso en un -34.51%, apenas perceptible si esto representa una mejora en la calidad

( )( )

( )( )2W2C

1W1C

2C1E

2C2E

1E

2E

1W

2W

HHHH

HHHH

MM

MM

=


ejer cco saca rosa

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