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PROBLEMAS PARA REALIZAR EN UN SIMULADOR
PROBLEMA 1.-JAIME PADILLA VARGAS
Un evaporador es un tipo especial de intercambiador de calor en el que se utiliza vapor para calentar una solución con el propósito de eliminar algo del solvente por evaporación. En el evaporador ilustrado en la figura, se alimenta una salmuera que contiene 1 % en peso de sal en agua, a una presión de 1 bar y 50 ºC. La salmuera de descarga contiene 5 % en peso de sal y está en forma de líquido saturado a 1 bar. El agua evaporada corresponde a vapor saturado. Si se utiliza vapor saturado a 2 bares como fuente de calor, y si el condensado producido se supone líquido saturado a 2 bares, calcule los kilogramos de vapor de 2 bares que se requieren por kilogramo de agua evaporada. Suponga que la salmuera tiene las mismas propiedades del agua líquida.
Vapor saturado 1 bar
Condensado saturado 2 bares
Vapor saturado 2 bares
PROBLEMA 2. ALVARO ROMAN PERALES PERALES
Las sucesivas crisis energéticas que han venido ocurriendo desde la crisis del petróleo en la década del 70, ha forzado a los ingenieros a buscar formas cada vez más eficientes de emplear la energía disponible. Adicionalmente la mayor conciencia en los últimos años de las consecuencias del uso excesivo de combustibles y del efecto invernadero han llevado a muchas empresas a aprovechar mejor sus recursos energéticos, incluidos aquellos de desechos. En éste marco de acción, la empresa del problema anterior ha decidido aprovechar el calor que llevan asociados los gases producto de la combustión, que actualmente se descargan a alta temperatura a la atmósfera, para producir vapor de agua que requiere en otra parte del proceso. Suponga que se descargan 1000 Kgmol/h de gases de combustión, cuya entalpía es 2000 kJ/Kgmol y que la temperatura de dichos gases sólo podría disminuir hasta un punto en el que la entalpía fuera 800 kJ/Kgmol (para evitar problemas de corrosión). Por otra parte para la producción de vapor de d e agua a gua se dispone de de agua líquida a 30 ºC y 50 bar. Determine la cantidad de vapor de agua saturado a 50 bar que se pueden obtener.
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PROBLEMA 3. ROGER CARDENAS RIVERA
300 gmol/h de una mezcla gaseosa de 20 % molar de propano y 80 % molar de butano, a 10 ºC y 1.1 at y 200 mol/h de una segunda mezcla gaseosa de 40 % molar de propano y 60 % molar de butano a 25 ºC y 1.1 at, se mezclan, sin reacción química, en un mezclador adiabático y luego la mezcla resultante se calientan hasta 227 ºC a presión constante. i. Haga un esquema del proceso ii. Establezca los balances de materia del proceso y determine la composición de la mezcla resultante. iii. Establezca el balance de energía y calcule el calor necesario para calentar la mezcla resultante hasta 227 ºC. Considere que las mezclas gaseosas se comportan idealmente y que las entalpías del propano y del butano son las siguientes: Temperatura, T (ºC) 10 25 227
Entalpías, H (J/mol) Propano 100 1772 20685
Butano 120 2394 27442
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PROBLEMA 4.- ALICIA NORMA QUISPE IBARRA
Una mezcla que contiene 46 % en peso de acetona (CH3COCH3), 27 % de ácido acético (CH3COOH) y 27 % de anhídrido acético (CH3CO-O-OCCH3) se destila a presión atmosférica. La alimentación entra a una columna de destilación a T= 348 K a una velocidad de 15000 kg/h. El destilado (que sale por el tope de la torre de destilación) es esencialmente acetona pura, y el producto de la parte inferior contiene 1% de la acetona en la alimentación. El vapor de salida de la cabeza de la columna entra a un condensador a 329 K y sale como líquido a 303 K. La mitad del condensado se extrae del sistema en tanto que el resto se retorna como reflujo a la columna. El líquido que sale por la base de la torre va a un calentador de vapor, donde es parcialmente evaporado. La fracción vaporizada (3.2 % de acetona, 73.8 % de ácido y 23 % de anhídrido acético) vuelve a la columna a una temperatura de 398 K, y el líquido residual, también a 398 K y en equilibrio con el vapor, constituye el producto inferior o también llamado producto de cola de la torre. Determine: a.- Las velocidades de flujo y las composiciones de los flujos de productos b.- El que es necesario retirar en el condensador, QC (kJ/h) QC
QR
Cpl kJ/kg-K Acetona 2.30 Acid. Ac. 2.18 Anh. Ac. ?
Cpv kJ/kg-K 0.459 0.688 0.751
Hv
kJ/kg 521 407 ?
PROBLEMA 5.- ALEXANDER MAMANI RUIZ
Una corriente que contiene 60 % de n-octano y 40 % de n-decahexano (en base molar), a 5 bares y 400 K, se separa en corrientes de líquido y vapor a 4 bares y 400 K. Se puede suponer que la alimentación entra al sistema en dos fases y que la caída de presión ocurre totalmente en la válvula de expansión. Calcule la fracción vaporizada a la salida del flash si las corrientes de descarga de líquido y de vapor están en equilibrio y sus fracciones molares están relacionadas a través de ecuaciones de la forma: K i = yi / xi
i=1,2
donde K O = 2.262 y K H = 0.058
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Vapor, V yi 400 K, 4 bares
Alimentación, F zO = 0.6 zH = 0.4 400 K, 5 bares
válvula
F L A S H
Líquido, L xi 400 K, 4 bares
PROBLEMA 6.-FREDDY MOJIANO ROMERO
Se suministra vapor de freón 12 que sale de una columna de destilación y entra a un condensador en forma de vapor saturado a 200 psia a una velocidad de 3.00*103 ft3/h, y sale del condensador como un líquido saturado. El condensador opera a presión constante de 200 psia. El agua de enfriamiento entra al serpentín del condensador a 80 ºF y no puede sufrir un aumento de temperatura mayor de 15 ºF. Calcule: a.- La velocidad de transferencia de calor en el condensador, en Btu/h. b.- La velocidad de flujo mínima del agua de enfriamiento, en lb/h.
PROBLEMA 7.- KAREN CHOQUE CORONEL
Se alimentan 1000 moles/h de metanol a 675 ºC y 1 bar a un reactor adiabático en donde el 25 % del metanol se deshidrogena hasta formaldehído, según la reacción: CH30H(g) HCHO(g) + H2(g) Suponiendo que pueden utilizarse capacidades caloríficas promedio constantes (para este rango de temperaturas) de 17,12 y 7 cal/gmol-ºC, para el CH30H(g), HCHO(g) y H2(g), respectivamente, calcule la temperatura de los gases a la salida del reactor. Metanol a T I = 675 ºC
REACTOR ADIABATICO
Productos a TS
¿Q?
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PROBLEMA 8.RUTH PADILLA MEZZA
En la operación que se muestra en el diagrama de flujo adjunto, se requiere precalentar un aceite liviano que se va a alimentar a una columna de destilación haciéndolo pasar a través de un intercambiador de calor, en el cual el medio de calefacción es el aceite caliente que proviene del fondo de la columna. Las siguientes condiciones se aplican para cada corriente que entra al precalentador: Aceite Liviano Producto de Cola 3 flujo volumetrico, m /h 160 120 densidad, kg/l 0.72 0.74 calor específico, kJ/kg-K 1.76 1.81 Temperatura de entrada, K 300 480 a. b.-
Si el aceite liviano sale del intercambiador de calor a 360 K, ¿a qué temperatura sale el producto de cola de dicho intercambiador? ¿cuál es la temperatura máxima que podría alcanzar el aceite liviano en el intercambiador de calor, sí las temperaturas de salida del mismo deben tener una diferencia mínima de 10 ºC?
Precalentador Aceite Liviano
Torre de destilación
Producto de cola caliente de la torre de destilación
PROBLEMA 9. ALEJANDRA GUZMAN NINA
Se utiliza un evaporador de doble efecto (dos evaporadores en serie) para producir agua pura a partir de agua de mar que contiene 3.5 % en peso de sales disueltas. El agua de mar entra al primer evaporador a 300 K a una velocidad de 5000 kg/h, y el vapor saturado a una presión de 4.00 bares alimenta a un conjunto de tubos en el primer evaporador. El vapor se condensa a 4.00 bares, y el condensado se extrae a la temperatura de saturación que corresponde a esta presión. El calor generado por el vapor que condensa en los tubos ocasiona que el agua se evapore de la disolución de salmuera a una presión de 0.60 bares, constante en el evaporador. La salmuera contiene a la salida 5.5 % de sal. El vapor generado en el primer evaporador alimenta un conjunto de tubos en el segundo evaporador. El condensado de los tubos y el vapor generado en el segundo evaporador a una presión de 0.20 bares constituyen el agua pura que se produce durante el proceso. Considerando que las disoluciones de salmuera en ambos evaporadores tienen las propiedades físicas del agua pura, y que éstos operan adiabáticamente: a.- Etiqueta el diagrama de flujo del proceso, y proporciona la temperatura y la entalpía específica de cada flujo. b.- Determina la velocidad a la que debe entrar el vapor al primer evaporador.
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c.- Determina la velocidad de producción de agua pura y la concentración de sal (porcentaje en peso) de la disolución final de salmuera d.- Indica por qué es necesario que la presión disminuya al pasar de un evaporador a otro.
PROBLEMA 10.- ROSA MILENA COCA HERRERA
Del tope de una columna de destilación sale metanol como vapor saturado a 20 bares de presión. En estas condiciones entra a un condensador de donde sale como líquido saturado. Para llevar a cabo la condensación se dispone de una corriente de agua a 20 ºC y 1 atmósfera. Sabiendo que el agua solo puede calentarse hasta 50 ºC (para evitar problemas de corrosión) determine la cantidad de agua necesaria por cada 100 kg de metanol alimentado.
PROBLEMA 11.-
20 litros/min de benzoato de n-propilo se mezclan, adiabaticamente a 25 ºC y 1 atmósfera, con 15 litros/min de benceno, y luego la mezcla se calienta de 25 ºC a 75 ºC.
Formula
Tfusión ºC
Tebullición ºC
Cplíquido cal/g-ºC
Cpvapor Densidadlíquido cal/gmol-ºC g/l
C6H5CO2C3H7
– 51.6
231
0,398
99.5
C6H6
5.5
80.1
0,419
48.5
Densidadvapor gmol/l (*)
Calor de vaporización cal/gmol
1,021
72
11700
0,885
58
7352
(*) Valores válidos sólo para este problema. Determine:
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i. ii. iii.
Un esquema del proceso e indique el estado de agregación de las sustancias presentes en él (sólido, líquido o gaseoso). El flujo de la mezcla, en kg/h. El calor necesario para calentar la mezcla, en Kcal/h.
haciéndolos pasar a través de un intercambiador de calor, como se muestra en la figura. Sí se dispone de 800 kg/h de refrigerante 22, determine: a.- la cantidad de amoniaco, en lb/h, que puede ser procesada. b.- La velocidad de flujo de calor, en Btu/h Evaporador Refrigerante 22
Amoniaco líquido saturado P = 100 KPa
PROBLEMA 12.- RUBIO CHACAE
Se está separando una mezcla de benceno y tolueno en una columna de pisos. La eficacia individual de los mismos es del 100%. El destilado que descarga con un caudal de 100 kmol/h contiene 95% moles de benceno. El líquido que rebosa del piso 9º (contando a partir de la caldera) contiene 58.6% moles de benceno, y el que rebosa del piso 8º contiene 50% moles de benceno. Ambos pisos están en la zona de enriquecimiento. Si se utiliza un condensador total y el reflujo se introduce en la columna a su temperatura de ebullición. Calcular: a) Caudal de reflujo (en kmol/h). b) Composición del vapor que sale del piso 10. c) kcal/h eliminadas en el condensador, suponiendo que el calor latente de vaporización de una mezcla de benceno y tolueno de igual composición que el destilado es de 7000 kcal/kmol. Datos: Considérese
que la mezcla se comporta como ideal con volatilidad relativa
de 2.46.
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PROBLEMA 13.-
Ha de desdoblarse en una columna de rectificación una mezcla de benceno y tolueno conteniendo 40% en moles de benceno, de modo que se obtenga un producto con el 90% molar de benceno y un residuo con un 10% molar, como máximo, de benceno. La mezcla alimento se calienta antes de su entrada en la columna, de manera que alcance su temperatura de ebullición y el vapor que sale por la cabeza de la misma se condensa (en un condensador total), y no se enfría, proporcionando el producto y el reflujo. Se propone trabajar en la columna con una razón de reflujo de 3 moles/mol de producto. Se pide el número de pisos teóricos necesarios y la posición de entrada del alimento. Aplíquese el método de Sorel-Lewis.
CARLOS EDUARDO CHURA ARROYO
se desea proyectar una columna de rectificación de pisos para la producción continua de destilado conteniendo 95% en moles de benceno y un residuo conteniendo 5% en moles de benceno. La composición del alimento es de 50% en moles de benceno y 50% en moles de tolueno y entra en la columna, en el piso apropiado, como una mezcla mitad vapor, mitad líquido, con un caudal de 875 kmol/día. El vapor se generará en una caldera situada en la base de la columna calentada indirectamente con vapor de agua y de la que se extraerá continuamente el residuo. La columna operará a presión atmosférica y estará dotada de un condensador total desde donde el reflujo a su temperatura de ebullición retornará al piso superior de la columna. Calcular: a) Razón de reflujo mínima. b) Número mínimo de pisos teóricos que corresponderán a una razón de reflujo LD/D infinita. c) Para una razón de reflujo 1.25 veces superior a la mínima calcular: 1)
Diámetro interior de 2) Número de pisos reales 3) Localización del piso de alimentación.
la que
se
columna. requieren.
Datos: La velocidad superficial del vapor en el tope de la columna no debe exceder de 0.65 m/s. La eficacia global de los pisos es ET = 0.60. Curva de equilibrio en las fracciones molares de benceno:
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JUAN VICENTE FERNANDEZ
11. Se desea construir una columna de platos de campanas para separar, por rectificación, una mezcla de pineno y limoneno. Se partirá de una corriente líquida, a su temperatura de ebullición, conteniendo un 70% en moles de pineno, y se desea obtener un destilado con un mínimo del 98% en moles de pineno y un residuo con un máximo del 2% de dicho componente. Debido a que una mezcla de esos dos componentes, que contiene un 90% de pineno, tiene gran demanda en el mercado, se decide extraer una corriente lateral, con dicha composición, a razón de 10 moles por cada 100 moles de alimento. Dado que en otra unidad de la planta se obtiene como subproducto un vapor que contiene un 20% de pineno y un 80% de limoneno, se decide introducirlo (saturado) en la columna que se quiere dimensionar, con un caudal tal que entren 15 moles por cada 100 moles del alimento antes citado. Calcular: a) Cantidad de destilado y residuo que se obtendrá por cada 100 kgmol de alimento (conteniendo un 70% de pineno) que se introduzcan. b) Si se utiliza una razón de reflujo de LD/D = 3, y la eficacia total es del 50%, ¿cuántos pisos reales se requerirán?. c) Indicar en qué piso teórico se introducirá cada una de las dos corrientes de alimento y de qué piso teórico se extraerá la corriente lateral. Datos:
La columna funcionará a una presión media de 1 bar (abs). A esta presión la volatilidad relativa media del pineno respecto al limoneno vale 1.77. El reflujo se introduce a su temperatura de ebullición. ALEXIS LEINER CAMACHO
12. Se desea tratar en una columna de rectificación continua una disolución acuosa de etanol a fin de desdoblarla en tres fracciones con 80, 70 y 5% en moles de etanol. Se dispone de una disolución de alimento con un caudal de 7470 kg/h con una composición del 35% en peso de etanol, a una temperatura de 80ºC. La columna opera con vapor directo. La razón de reflujo en la columna es igual a 3.5. Calcular:
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a) Nº de pisos necesarios para obtener un caudal de disolución del 70% de 940 kg/h. b) Piso en que se introducirá el alimento. c) ¿Se podría efectuar la separación si el alimento entrara como vapor a su temperatura de rocío?
Datos: (x,
y, fracciones molares).
El calor latente de vaporización del etanol-agua alimentado es de 452 kcal/kg, el calor específico del líquido es de 0.85 kcal/kgºC y el calor específico del vapor es de 0.40 kcal/kgºC.
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