problemario de balance2000

Problema 1.1 Es la ecuación P = 14Lv / D2

dimensionalmente homogénea? P es presión lbf/pie2 L longitud en pies, v es la velocidad del fluido en pies/s, es la viscosidad en lbm /pie s , D es el diámetro del tubo en pies,14 es una constante adimensional. ¿ Es consistente en unidades la ecuación? si no es cuales son las unidades que debe tener el factor 14 para que sea consistente.

Problema 1.2 El volumen de un cultivo microbiano es observado su incremento de acuerdo con la siguiente ecuación.

V ( cm3 ) = e t

Donde t es el tiempo en segundos.Calcule una expresión para V (pulg3 ) en términos de t (h)

Problema 1.3 Una concentración C (mol/litro) varia con el tiempo en (min) de acuerdo con la ecuación. C = 3.00 exp (-2.00 t)a) Cuales son las unidades de 2.00 y 3.00b) Suponga que la concentración es medida a t=0 y t=1min.. Use estos dos

puntos para interpolar o extrapolar para estimar:C (t=0.6min) y t(C=0.1mol/lit), compare los valores interpolados contra los valores verdaderos.

c) Grafique la curva de C contra t, y muestre gráficamente los puntos determinados en b).

Problema 1.4 La presión de vapor del 1-tetraclorodecano a varias temperaturas son tabuladas aquí:

T (C ) 98.5 131.8 148.2 166.2 199.8 215.5P( mmHg) 1 5 10 20 60 100

a) Use dos puntos para interpolar linealmente el valor de P a t=185 C.b) Escriba un programa de computadora en forma de subrutina que calcule un valor de P entre las temperaturas 98.5 C y 215.5 C. Interpolando linealmente. El programa debe reportar los valores empleados en la interpolación y el resultado obtenido.c) Emplear la subrutina de b) para obtener una tabla de presiones de vapor a T = 100 C,105 C, 110 C, ……………215 C

Problema 1.5

FACG PROBLEMARIO DE BALANCE 1

Una corriente que contieneH2O 0.4

C2H5OH 0.3 CH3OH 0.1CH3COOH 0.2

todo en fracciones peso, se alimenta a una columna de destilación a razón de 1000 lbm/h. Convierta estas variables de las corrientes a:(a) Flujos molares por componente.(b) Flujo molar total y fracciones mol.(c) Fracciones mol, en base libre de agua.

Problema 1.6

Un gas que contiene 79.1% de N2, 1.7% de O2 y 19.2% de SO2, se mezcla con otro gas que contiene 50% de SO2, 6.53% de O2 y 43.47% de N2, para producir un gas que contiene 21.45% de SO2, 2.05% de O2 y 76.50% de N2. Todas las composiciones corresponden a porcentaje en mol. Determine:(a) El número de variables de corrientes independientes que hay en el

problema.(b) El número de balances de materia que pueden expresarse y cuántos

serán independientes.(c) En qué proporción deberán mezclarse las corrientes.


Problema 1.7

Puede recuperarse acetona de un gas portador, disolviéndola en una corriente de agua pura en una unidad llamada absorbedor. En el diagrama de flujo de la figura, 200 lbm/h de una corriente con 20% de acetona se tratan con 1000 lbm/h de una corriente de agua pura, lo que produce un gas de descarga libre de acetona y una solución de acetona en agua.(a) Determine el número de variables de corrientes independientes y de

balances de materia que hay en el problema.(b) Exprese todas las ecuaciones de balance de materia.(c) Calcule todas las variables de corrientes desconocidas.

Gas Agua

20% Acetona Solución80% Gas Acetona - Agua


Problema 1.8

Una lechada que consiste de un precipitado de CaCO3 en solución de NaOH y H2O, se lava con una masa igual de una solución diluida de 5% (en peso) de NaOH en agua. La lechada lavada y sedimentada que se descarga de la unidad contiene 2 lbm de solución por cada lbm de sólida (CaCO3). La solución clara que se descarga de la unidad puede suponerse de la misma concentración que la solución acarreada por los sólidos. Si la lechada de alimentación contiene iguales fracciones masa de todos sus componentes, calcule la concentración de la solución clara.

NaOH Solución de H2O LavadoLechada de Aliment. Solución ClaraNaOH NaOHH2O H 2OCaCO3

Lechada lavada NaOH H2O CaCO3


Problema 1.9Puede extraerse el ácido benzoico de una solución acuosa diluida,

mediante el contacto de la solución con benceno en una unidad de extracción de etapa única. La mezcla se separará en dos corrientes: una que contiene ácido benzoico y benceno y la otra que contiene a los tres componentes, como lo muestra el diagrama.

El benceno es ligeramente soluble en agua; por lo tanto, la corriente 4 contendrá 0.07 kg de benceno / kg de agua. El ácido benzoico se distribuirá entre las corrientes 3 y 4 de la siguiente forma:

Masa de ácido benzoico 4 Masa de ácido benzoico Masa de benceno Masa (benceno + agua)

(3) (4)

La solución de alimentación, corriente 1, contiene 2 X 10 -2 kg de ácido / kg de agua y se alimenta a razón de 104 kg/h:(a) Demuestre que el problema está subespecificado.(b) Supóngase que el ácido benzoico extraído en la corriente 3 vale $1 /

kg y que el benceno fresco (corriente 2) cuesta 3 centavos / kg. Construya una gráfica de utilidad neta contra flujo de benceno y seleccione el flujo óptimo de benceno.

Acido Benzoico Acido benzoicoAgua 1 4 Agua Benceno

3 2 Benceno Benceno Acido benzoico


Problema 1.10Típicamente se utilizan los evaporadores para concentrar soluciones,

eliminando por ebullición algo del solvente. Para economizar en las necesidades de energía, frecuentemente se efectúa la evaporación en etapas; cada etapa proporciona algo de las necesidades de energía. En la evaporación en etapas múltiples que se muestra en la figura, se concentra una solución de azúcar con 50% en peso hasta 65% en peso, evaporando cantidades iguales de agua en cada una de las cuatro etapas. Para una alimentación total de 50000 lb m/h, determine las concentraciones de las corrientes intermedias. V4 V3 V2 V1

Alimentación Producto 50,000 lb/h65% azucar 50% azucar

Problema 1.11


43 2 1

Frecuentemente se utiliza un método de purificación de gases que consiste en la absorción selectiva de los componentes indeseables del gas, en un medio líquido específicamente seleccionado. Posteriormente se regenera al medio líquido mediante un tratamiento químico o térmico, para liberar al material absorbido. En una instalación particular se alimentan temporalmente 1000 moles/h a un sistema de purificación (diseñado para eliminar compuestos de azufre), cuya capacidad de diseño es de 820 moles/h. Como el sistema de absorción simplemente puede manejar 82% de este flujo, se propone derivar una corriente con el exceso, de manera que la concentración de H2S en la salida del sistema de absorción se reduzca lo suficiente para que la corriente mezclada de salida contenga únicamente 1% de H2S y 0.3% de COS en base molar. Calcule todos los flujos del sistema. La corriente de alimentación consiste (en base molar) 15% de CO2, 5% de H2S y 1.41% de COS; el resto es CH4.

CH4 CH 4

CO2 CO 2

H2S H 2S 1%COS CH4 CH4 COS 0.3% CO2 CO2

H2S H2S COS H2S COS COS


Sistema de absorción

Problema 1.12

Supóngase que se modifica la operación del sistema de absorción del problema 1.11, de manera que se absorba todo el COS y un mol de CO2 por cada mol de H2S, como se muestra en la figura. La corriente de alimentación contiene en base molar) 15% de CO2, 5% de H2S y 1.41% de COS; el resto es CH4. Nuevamente se deriva un 18% de la alimentación (que no pasa por el sistema). Calcule todos los flujos de todas las corrientes.

CH4 CH 4

CO2 CO 2

H2S H 2S 1%COS CH4 CH4 COS 0.3% CO2 CO2

H2S H2S COS H2S COS CO2


Sistema de absorción

Problema 2.1

A un reactor se alimenta una mezcla equimolar de las sustancias A, B y C, para producir el producto D mediante la reacción

A + 2B + 3/2 C 2D + E

Si la conversión en el reactor es de 50%, calcule el número de moles de D producidas por un mol de alimentación al reactor.


Problema 2.2

El gas de bióxido de cloro se utiliza en la industria papelera para blanquear la pulpa producida en un molino Kraft. El gas se produce haciendo reaccionar clorato de sodio, ácido sulfúrico y metanol, en reactores recubiertos de plomo:

6NaClO3 + 6H2SO4 + CH3OH 6ClO2 + 6NaHSO4 + CO2 + 5H2O

Supóngase que se utilizan 14 moles de una mezcla equimolar de NaClO3 y H2SO4 por mol de CH3OH.

(a) Determine el reactivo limitante.(b) Calcule los flujos de reactivos necesarios para producir 10 toneladas

métricas por hora de ClO2, suponiendo que se obtiene una conversión del 90%.

CH3OH

NaClO3 Productos de H2SO4 reacción Mezcla equimolar


REACTOR

Problema 2.3

El hipoclorito de sodio se forma de acuerdo con la reacción

2 NaOH + Cl2 NaOCl + NaCl + H2O

en un reactor continuo, burbujeando Cl2 a través de una solución concentrada (40% en masa) de NaOH. Supóngase que la solución de NaOH en H2O se alimenta a razón de 1000 kg/h y el gas Cl2, a razón de 10 kgmol/h.(a) Calcule los grados de libertad, suponiendo que se especifica la

conversión.(b) Calcule la composición de salida del reactor, suponiendo una

conversión del 100% del reactivo limitante.(c) Calcule la composición de salida del reactor, suponiendo una

conversión del 60% del reactivo limitante.


Problema 2.4

Puede producirse ácido acético mediante la reacción

3C2H5OH + 2Na2Cr2O7 + 8H2SO4 3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2Na2SO4 + 11H2O

En la corriente de recirculación que se muestra en la figura, se obtiene una conversión global de C2H5OH del 90%, con un flujo de recirculación igual al flujo de alimentación de C2H5OH fresco. Los flujos de alimentación de H2SO4 y Na2Cr2O7 frescos son 20% y 10% respectivamente, de exceso sobre las cantidades estequiométricas requeridas para la alimentación fresca de C2H5OH. Si la corriente de recirculación contiene 94% de H2SO4 y el resto C2H5OH, calcule el flujo de producto y la conversión de C2H5OH en el reactor.

H2SO4 CH3COOH Na2Cr2O7

ProductoC2H5OH de desperdicio

Recirculación H2SO4

C2H5OH


REACTORseparador

Problema 2.5

La figura muestra un posible diagrama de flujo para la producción de ácido perclórico. La reacción sigue la estequiometría

Ba(ClO4)2 + H2SO4 BaSO4 + 2HClO4

Si el H2SO4 alimentado al reactor es un 20% de exceso sobre la cantidad estequiométrica requerida para la reacción con la alimentación fresca de Ba(ClO4)2, y se alimentan 1000 lb/h de la corriente 1, calcule todas la variables desconocidas de las corrientes. Suponga que todas las composiciones están en fracción masa.

H2SO4

5H2SO4

2 3 6 HClO 4

1 4 790% Ba(ClO4)2

10% HClO4

Ba(ClO4)2

8 BaSO4

Ba(ClO4)2 2%


REACTOR

Problema 2.6

Se utiliza hidrógeno para reducir 1 tonelada/h de Fe2O3 hasta hierro metálico, de acuerdo con la reacción

Fe2O3 + 3 H2 2 Fe + 3 H2O

El agua se condensa y se recircula el hidrógeno que no reacciona. Debido a que el hidrógeno en la alimentación fresca contiene 1% de CO2 como impureza, debe purgase algo de hidrógeno que no reaccionó. Calcule el flujo y la composición de la corriente de purga necesaria para limitar a 3.5% de CO2 en la alimentación al reactor, si la proporción de recirculación a alimentación fresca es de 5 a 1 en base molar.

RECIRCULACION

Alim. Purga

fresca

Fe2O3 Fe H2O


REACTOR CONDENSADOR

Problema 2.7

El producto C se obtiene de los reactivos A y B de acuerdo con la reacción

2 A + B 2 D + E A + D 2 C + E

C + 2 B 2F

Con una proporción en la alimentación de 2 moles de A por mol de B, una conversión de A del 80%, se obtiene una mezcla como producto que contiene 4 moles de A por mol de B , y 6 moles totales combinados de los productos C, D y F, por mol de reactivos residuales A y B. Suponiendo que el problema está especificado correctamente y usando una alimentación de 200 moles/h de A(a) Calcule las 3 velocidades de reacción y los flujos de salida del

reactor.(b) Calcule el rendimiento fraccional de C a partir de A. 2 A B A/B = 4/1

1 C 3 3 D A/B = 2/1 E

F Conversión de A de 80%

F2/F3 = 1/6


REACTOR

Problema 2.8.

El ácido sulfúrico se produce mediante la oxidación sucesiva de azufre hasta SO3, seguida de reacción con H2O. En el diagrama de flujo mostrado en la figura, primero se hacen reaccionar el azufre y el aire en el quemador de azufre, para producir SO2 según la reacción

S + O2 SO2

En esta reacción, todo el azufre se convierte a SO2. Suponga que el aire es 21% mol de oxígeno y 79% de N2 y que se utiliza 50% más oxígeno que la cantidad estequiométrica necesaria para convertir el azufre a SO2. La corriente gaseosa que sale del quemador se envía al convertidor en donde todo el SO2 se oxida hasta SO3, con ayuda de un catalizador. A continuación se pone en contacto con la torre de óleum a la corriente gaseosa que contiene SO3 con una corriente de H2SO4 concentrado. El SO3 reacciona con el agua presente en la corriente del ácido mediante la reacción

H2O + SO3 H2SO4

Además, el SO3 se disuelve en el H2SO4 puro para obtener un producto que contiene 37.5 % de SO3 y el resto H2SO4. En seguida, la corriente gaseosa a la salida de la torre de óleum que contiene 12% mol de SO3, se pone en contacto con una corriente de ácido más diluida en la torre de ácido. En esta unidad, todo el SO3 restante reacciona hasta H2SO4. El ácido diluido se prepara recirculando algo del ácido concentrado y mezclándolo con el agua en el tanque de dilución. Calcúlese todos los flujos en el proceso, suponiendo que la planta va a producir 2000 lb/día de producto (H2SO4 al 90%).


Aire 21% mol O2 O2

79% N2 N2 H2SO4 80% peso 2 H2O 20 %

11 12

1

azufre 13

3 Agua

12%mol SO3 10 9O2

N2

8 6 7

Acido como SO3 producto 4 O2 90% peso H2SO4

N2 10% H2O

5 oleum

37.5 % peso de SO3

Problema 3.1


Quemador de azufre

CONVERTIDOR

Torre deOLEUM

Torre de Acido

Tanque dedilución

La capacidad calorífica de un gas en Jmol.K está dada por

Cp= 25 + 0.1T + 0.001T2 – 10-6T3 + 10-9T4

En donde T está en K. Desarrolle una ecuación para la capacidad calorífica, en la que Cp esté en BTU/lbmol.°R, expresando T en la fórmula en °R.

Problema 3.2

La ecuación para la presión de vapor de una determinada sustancia es

Ln[p(kPa)] = A -

En donde p está en psia y t en °F.(a) Determine el valor de las constantes A,B y C, para una ecuación en la cual

la presión esté en kPa y la temperatura en K:(b) Compruebe la ecuación obtenida, evaluando ambas presiones de vapor

para p= 100 psia y T=212°F.

Problema 3.3

Se transporta un gas dentro de una tubería horizontal, con un flujo de 10 000 lbm/min. Si el gas se mueve a razón de 10 pies/s, calcule la razón de trabajo (en hp) que deberá desempeñarse sobre el gas para aumentar su velocidad a 200 pies/s, a la misma temperatura y presión. (1 hp = 550 pies.lb/s).

Problema 3.4

Se expanden diez kilogramos de vapor a 500 bar, a presión constante, hasta que su volumen sea siete veces mayor que su volumen inicial (de 0.01 m3).

(a) Estime la temperatura inicial y final, usando las tablas de vapor.

(b) Calcule el calor necesario para efectuar el proceso.


B .T(°K) + C

Problema 3.5

Vapor a 10 bar y 400C se expande adiabáticamente hasta 0.5 bar en una turbina que se utiliza para generar una potencia de 1500 kW. El vapor que descarga la turbina se enfría mediante la eliminación de calor a razón de 1.25X1010 J/h, para producir un líquido saturado a 0.5 bar.

(a) Calcule el flujo de vapor de 10 bar necesario.

(b) Calcule la calidad del vapor que se descarga de la turbina.

10 bar 400 C

0.5 bar 1.25 x 1010 J/h

0.5 bar liquido saturado


TURBINA

Generador: carga 1500 KW

Problema 3.6

Se dispone de una corriente de agua saturada a 10 bar, para intercambiar calor con una solución de salmuera a 1 bar y 50C. Si el flujo de salmuera es el doble del flujo del agua, y si puede enfriarse la corriente de agua hasta 75C, calcule la temperatura hasta la que puede calentarse la salmuera. Puede suponerse que la salmuera tiene las mismas propiedades del agua.

Agua saturada Agua 10 bar 10 bar

75 C

salmuera salmuera 1 bar 1 bar T ? 50 C


INTERCAM-BIADOR

Problema 3.7

Se desea precalentar un carbón pulverizado que está a 50C (cuyo análisis aproximado es: 60% de carbono fijo, 30% de materia volátil, 5% de cenizas y 5% de humedad) hasta 300C, mezclándolo con una corriente de vapor sobrecalentado a 10 bar y 600C. Calcule la proporción necesaria de vapor a carbón, suponiendo que la presión de salida es de 10 bar.

capacidad calorifica en BTU/lb F y t en F Cp = a + bt + ct2 + dt3

a b x 104 c x 107 d x 10 11

CARBON FIJO 0.145 4.7 -2.63 5.25CENIZAS 0.180 0.778MATERIA VOLATIL 0.381 4.5

Carbon 50 C Mezcla de carbon y vaporPulverizado 10 bar

300 C Vapor 10 bar 600 C


TUBO

Problema 3.8

En el proceso de anhídrido acético, se van a enfriar 100 moles/h de una corriente de proceso que está a 700 hasta 400C , mediante enfriamiento por contacto directo con ácido acético glacial líquido a 50C. La composición de la corriente de proceso es: 4% de queteno, 10% de ácido acético, 43% de metano y 43% de bióxido de carbono (porcentaj en mol).

(a) De acuerdo con los datos proporcionados en seguida, calcule el flujo de ácido acético de enfriamiento que se requiere y la composición del gas frío.

Capacidades caloríficas de gases (cal/gmolK)Compuesto a b x 102 c x 105 d x 109

CH4 4.750 1.2 0.303 -2.63CO2 6.393 1.01 -0.3405

CH3COOH 8.20 4.805 -3.056 8.31CH2O 4.11 2.966 -1.793 4.72

Hvl (CH3COOH, 391.4 K) = 5.83 Kcal/gmol

Cp medio (CH3COOH líquido) = 36 cal/gmolK

(b) Supóngase que se especifica que se utilicen 40 mol/h de ácido acético para el enfriamiento. Calcule la temperatura de salida del gas.


Problema 3.9

Un evaporador de simple efecto concentra una solución acuosa del 20% en peso de H2SO4 al 70%. La velocidad de alimentación es 25 lbm/s y la temperatura de alimentación es 80F. El evaporador se mantiene a una presión absoluta de 1.5 psia, presión a la cual el punto de ebullición de la solución de H2SO4 al 70% es 217F.

¿ Cuál es la velocidad de transferencia de calor en el evaporador ?

Problema 3.10

Se estrangula a 1 atm vapor saturado a 40 psia y se mezcla adiabáticamente con (y se condensa por) ácido sulfúrico al 45% en peso a 80 F, en un proceso de flujo que eleva la temperatura del ácido a 160F.

¿ Cuánto vapor se requiere para cada libra de masa del ácido que entra y cuál es la concentración del ácido caliente ?


Problema 4.1

Calcule los calores de reacción estándar de las siguientes reacciones, a partir de datos de calores de formación.

(a) 2 C2H4 (g) + O2 (g) 2 C2H4O (g)

(b) SO2 (g) + ½ O2 (g) + H2O (lq) H2SO4 (lq)

(d) CO2 (g) + 4 H2 (g) CH4 (g) + 2 H2O (g)

(e) 2 CH4 (g) + 3 O2 (g) 4 H2O (g) + 2 CO (g)

Problema 4.2

Calcule el calor de reacción a 500C de la reacción

N2 (g) + O2 (g) 2 NO (g)

usando los datos correspondientes de tablas.


Problema 4.3

Calcule el calor de reacción a 450C de la reacción

CO (g) + 3 H2 (g) CH4 (g) + H2O (g)

usando los datos de tablas.

Problema 4.4

A un reactor se alimentan amoniaco y oxígeno a 450C y 5 bar, en donde 90% del NH3 reacciona para formar NO, siguiendo la reacción

4 NH3 (g) + 5 O2 (g) 4 NO (g) + 6 H2O (g)

Suponiendo que se alimentan 1.5 moles de O2, y 5 moles de N2 diluyente por mol de NH3, calcule la temperatura de salida del reactor que opera adiabáticamente. Use un valor de Cp constante a 1200C para obtener un estimado inicial de la temperatura de salida.

Problema 4.5

Se quema completamente monóxido de carbono, a una presión de 1 atm, con un exceso de aire. Si los reactivos entran a 200C, los productos salen a 1800F, y las pérdidas de calor son despreciables, calcule el porcentaje de exceso de aire utilizado.

Problema 4.6


El dióxido de azufre puede oxidarse catalíticamente hasta trióxido de azufre, sobre un catalizador de V2O5 a 425C y 1 atm. Suponiendo que esta reacción se complete en 97%, calcule la cantidad de calor liberada (en Btu/día) en un convertidor de una planta que produce 500 toneladas por día de ácido sulfhídrico al 100%.


Problema 4.7

A un reactor catalítico se carga una alimentación que contiene 5 moles de H2 por mol de CO2, a 400C y 5 bar. Dentro del reactor ocurren las reacciones

CO (g) + 3 H2 (g) CH4 (g) + H2O (g)

CO2 (g) + H2 (g) CO (g) + H2O (g)

Con 90% de conversión de CO2. Si el reactor opera en forma adiabática, y la corriente de descarga está a 400C, calcule la composición de la corriente de descarga.

dQ = 0 dt H2

CO2 Productos 400 C 400 C


Reactor Catalitico

Problema 4.8

El dióxido de azufre se convierte a trióxido de azufre mediante la oxidación sobre un catalizador de V2O5, a presión atmosférica. En la configuración del reactor, el SO2 y el O2 (disponibles a 300C y 25C, respectivamente) se precalientan hasta 425C y se alimentan en proporción estequiométrica al reactor. La conversión es del 96% y, para evitar que se eleve demasiado la temperatura del reactor, se eliminan 10 kcal directamente del reactor por cada gmol de alimentación combinada. El último intercambiador de calor en el proceso se utiliza para generar vapor de 300 psia, mediante el enfriamiento de la corriente de descarga del reactor hasta 400C. Calcule todos los flujos y temperaturas desconocidas. Supóngase que no hay pérdida de calor hacia los alrededores. Utilice los valores de Cp (cal/gmolC) siguientes:

O2 SO2 SO3

Cp promedio 25-425C 7.6 10.4 15.3Cp promedio 300-900C 7.8 11.8 17.2

SO2 300 C Vapor saturado 300 psia

425 C 400 C SO2

SO3

O2

425 C

O2 Agua saturada 25 C 300 psia


Reactor 1 2

Problema 4.9En la producción de óxido de etileno mediante la oxidación parcial del

etileno, sobre un catalizador de plata, ocurre la reacción exotérmica

2 C2H4 (g) + O2 (g) 2 C2H4O (g)

y la reacción secundaria (aún más exotérmica)C2H4 (g) + 3 O2 (g) 2 CO2 (g) + 2 H2O (g)

El control de la temperatura es esencial y se logra haciendo hervir un fluido de transferencia de calor (un hidrocarburo) por la parte exterior de los tubos del reactor. Este fluido vaporizado se condensa posteriormente en un intercambiador de calor, mediante la transferencia de calor a una corriente de agua líquida saturada a 100 bar, para producir vapor saturado a 100 bar. La alimentación al reactor es 10% de C2H4, 12% de O2 y el resto N2, a 360C y 10 bar. La corriente de producto del reactor está a 375C y 10 bar, y la conversión de C2H4 es de 20%, con una selectividad de 85% para el C2H4O. A la presión de operación utilizada en el sistema, el fluido de transferencia de calor hierve a 350C, con un calor de vaporización de 500 Btu/lbm y una capacidad calorífica en fase líquida de 0.8 Btu/lbmF, y en fase vapor de 0.4 Btu/lbmF. El flujo del fluido de transferencia de calor se ajusta, de manera que entra al reactor como líquido a 340C y sale en forma de una mezcla de dos fases, con 20% en fase vapor.

(a) Calcule la masa de vapor de agua que se genera por mol de C2H4O producida.

(b) Calcule la razón de recirculación del fluido de transferencia de calor, por mol de C2H4O producida.

(c) ¿ Por qué se utiliza fluido, en lugar de la transferencia de calor directa, usando agua ? (d) ¿ Qué presión tendrían que soportar los tubos del reactor, si se hirviera agua a 350C por la parte exterior de los mismos ? ReactorC2H4 ProductosO2 375 CN2 360 C 20% Vap. Liq. A a 350 C 340 C

Vapor saturado Agua saturada De 100 bar 100 bar

Problema 5.1


Intercambiador

Se incrementa el contenido de metano de un gas de síntesis mediante el sistema de recirculación que se ilustra en la figura. El gas alimentado contiene una pequeña cantidad de metano, y su análisis es 22% de CO, 13% de CO 2 y 65% de H2 (porcentaje en mol) en base libre de metano. El análisis de la corriente de producto (corriente 6) corresponde a (porcentaje en mol): CO 5%, H2 9%, CH4 50%, CO2 27% y H2O 9%. Tanto el gas alimentado como el gas producido se encuentran a 200F. En el reactor ocurren las siguientes reacciones

CO + 3 H2 CH4 + H2OCO + H2O CO2 + H2

La corriente de salida del reactor se enfría hasta 500F en el intercambiador 1, y posteriormente se enfría más aún en el intercambiador 2. Parte de la corriente de salida se desvía como producto, enviando el resto a un separador, en donde se enfría la corriente hasta 90F y se separa 95% del H2O como líquido. La corriente gaseosa restante se calienta nuevamente en el intercambiador 2, se mezcla con la alimentación fresca y se regresa al reactor. Supóngase que el mezclador, el divisor, el intercambiador 2 y el reactor operan adiabáticamente.

Utilizando los valores de Cp promedio listados en el diagrama de flujo,

(a) Construya una tabla de grados de libertad y demuestre que el proceso está especificado correctamente.

(b) Determine un orden de cálculo para el problema.

(c) Calcule la temperatura de salida del reactor.

Cp(g) Cp(l)Btu/lbmol F Btu/lbmol F

CO 7.3 -H2 7.0 -

CH4 12.0 -CO2 11.4 -H2O 8.7 18


% libre CH4

22 CO 1 2 3 13 CO2

65 H2

CH4

200 F dQ dT

10 4

9 5

90 F CO 5 H2 9 CH4 50 %mol H2O(i) 8 7 6 CO 2 27 90 F H 2O 995 % elimina. de H2O 212 F dQ gas dT

Problema 5.2Se desea producir agua potable a razón de 5 millones de litros por día,

mediante la evaporación de agua de mar. El agua de mar contiene 3.5% en peso de sales y está disponible a 20C. La evaporación se efectuará en un evaporador


MEZ

REACTOR

IC1

IC2

SEPARADOR

Divisor

de alimentación progresiva de dos etapas, que produce una concentración final de salmuera del 7% en peso. Nótese que el vapor producido en la primera etapa se utiliza como fuente de calor para la segunda etapa, mientras que en la primera se utiliza vapor saturado a 1 atm.

La segunda etapa está a 46C y la temperatura de la etapa 1 se ajusta para que la diferencia de temperaturas entre la corriente 4 y la etapa 1 sea idéntica a la diferencia de temperaturas entre la corriente 5 y la etapa 2. Es decir, T4 T2 T5 T3. Algunas veces esto se conoce como diseñar al sistema con fuerzas impulsoras de temperaturas iguales. Sucede también que las temperaturas del vapor y del líquido a la salida de cada etapa son iguales a la temperatura de la etapa. Es decir, T2 T5, T6 T3 46C. Nótese que, para que ocurra la ebullición a las diferentes temperaturas de las etapas, éstas deben operarse a diferentes presiones. Para fines de cálculos de balance, se desprecian los efectos de la presión sobre la entalpía. Supóngase que el agua de mar y la salmuera tienen capacidades caloríficas constantes de 1 cal/gC y calores de vaporización de 555 cal/g.(a) Construya una tabla de grados de libertad y demuestre que el problema está especificado correctamente.(b) Deduzca un orden de cálculo para resolución manual.(c) Calcule la economía de vapor del sistema, definida como

Masa de vapor producido corrientes 5 + 6 Masa de vapor consumido corriente 4

Vapor saturado 6 Agua liq. Pura sat. 5

Agua de 1 2 3 salmuerade mar A al 7%

Vapor a .1 atm. 4

condensado saturado vapor de agua (no potable) pura saturado


Etapa 1 Etapa 2

problemario de balance2000

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