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PROBLEMA 9.4 LOS DATOS VAPOR LIQUIDO EN EL EQUILIBRIO A 1 ATM ABS, LOS CALORES DE SOLUCION, LAS CAPACIDADES CALORIFICAS Y LOS CALORES LATENTES DE EVAPORACION PARA EL SISTEMA "ACETONA-AGUA" SON: x fracción mol de acetona en el líquido Calor int. De sol. A 15 °C, kJ/kmol sol y* fracción mol en equil. De acetona en el vapor temperatura vapor líquido °C Capac. Calor. A 17.2 °C, kJkg sol, °C Peso molecular de la mezcla kg/kmol (liq) Peso molecular de la mezcla kg/kmol (vap) cap calor acetona, kJ/kg.°C 0.0000 0 0.000 100.000 4.187 18.0160 18.0160 2.452 0.0100 -95.8 0.253 91.700 4.179 18.4166 28.1522 2.425 0.0200 -188.4 0.425 86.600 4.162 18.8173 35.0432 2.408 0.0500 -447.3 0.624 75.700 4.124 20.0192 43.0159 2.372 0.1000 -668.7 0.755 66.600 4.020 22.0224 48.2643 2.343 0.1500 -770 0.798 63.400 3.894 24.0256 49.9871 2.333 0.2000 -786 0.815 62.200 3.810 26.0288 50.6682 2.329 0.3000 -719 0.830 61.000 3.559 30.0352 51.2691 2.326 0.4000 -509 0.839 60.400 3.350 34.0416 51.6297 2.324 0.5000 -350.1 0.849 60.000 3.140 38.0480 52.0303 2.323 0.6000 -252.6 0.859 59.500 2.931 42.0544 52.4310 2.321 0.7000 -179.3 0.874 58.900 2.763 46.0608 53.0319 2.319 0.8000 -124.2 0.898 58.200 2.554 50.0672 53.9935 2.317 0.9000 -69.6 0.935 57.500 2.387 54.0736 55.4758 2.315 0.9500 -37.7 0.963 57.000 2.303 56.0768 56.5976 2.314 1.0000 0 1.000 56.500 2.22 58.0800 58.0800 2.312 T, °C cap calor acetona, kJ/kg.°C Calor lat. De evap., kJ/kg T, °C cap calor agua, cal/g °C cap calor agua, kJ/kg °C T, °F Calor lat. De evap. agua, Btu/lb 20.0 2.22 1013 20 0.99947 4.185 70 1054.048 37.8 2.26 976 38 0.99864 4.181 100 1037.101 65.6 2.34 917 66 1.00079 4.190 150 1008.15 93.3 2.43 863 93 1.00574 4.211 200 977.91 100.0 850 100 1.00763 4.219 212 970.33 CALCULE LAS ENTALPIAS DE LOS LIQUIDOS Y VAPORES SATURADOS CON LA RELACION ACETONA-AGUA A 15 ºC Y GRAFIQUE EL D IAGRAMA DE ENTALPIA CONCENTRACION, A 1 atm abs. TENGASE PRESENTE LO ANTERIOR PARA UTILIZARLO EN LOS PROBLEMAS 9.5, 9.6 Y 9.9

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PROBLEMA 9.4 LOS DATOS VAPOR LIQUIDO EN EL EQUILIBRIO A 1 ATM ABS,

LOS CALORES DE SOLUCION, LAS CAPACIDADES CALORIFICAS Y LOS CALORES

LATENTES DE EVAPORACION PARA EL SISTEMA "ACETONA-AGUA" SON:

x fracción molde acetona en

el líquido

Calor int. De sol.A 15 °C, kJ/kmol

sol

y* fracción mol

en equil. Deacetona en el

vapor

temperatura

vapor líquido °C

Capac. Calor. A17.2 °C, kJkg sol,

°C

Peso

molecular de

la mezclakg/kmol (liq)

Peso

molecular de

la mezclakg/kmol (vap)

cap caloracetona,

kJ/kg.°C

0.0000 0 0.000 100.000 4.187 18.0160 18.0160 2.452

0.0100 -95.8 0.253 91.700 4.179 18.4166 28.1522 2.425

0.0200 -188.4 0.425 86.600 4.162 18.8173 35.0432 2.408

0.0500 -447.3 0.624 75.700 4.124 20.0192 43.0159 2.372

0.1000 -668.7 0.755 66.600 4.020 22.0224 48.2643 2.343

0.1500 -770 0.798 63.400 3.894 24.0256 49.9871 2.333

0.2000 -786 0.815 62.200 3.810 26.0288 50.6682 2.329

0.3000 -719 0.830 61.000 3.559 30.0352 51.2691 2.326

0.4000 -509 0.839 60.400 3.350 34.0416 51.6297 2.3240.5000 -350.1 0.849 60.000 3.140 38.0480 52.0303 2.323

0.6000 -252.6 0.859 59.500 2.931 42.0544 52.4310 2.321

0.7000 -179.3 0.874 58.900 2.763 46.0608 53.0319 2.319

0.8000 -124.2 0.898 58.200 2.554 50.0672 53.9935 2.317

0.9000 -69.6 0.935 57.500 2.387 54.0736 55.4758 2.315

0.9500 -37.7 0.963 57.000 2.303 56.0768 56.5976 2.314

1.0000 0 1.000 56.500 2.22 58.0800 58.0800 2.312

T, °C

cap calor

acetona,

kJ/kg.°C

Calor lat. De

evap., kJ/kg T, °C

cap calor

agua,

cal/g °C

cap calor

agua,

kJ/kg °C T, °F

Calor lat. De

evap. agua,

Btu/lb20.0 2.22 1013 20 0.99947 4.185 70 1054.048

37.8 2.26 976 38 0.99864 4.181 100 1037.101

65.6 2.34 917 66 1.00079 4.190 150 1008.15

93.3 2.43 863 93 1.00574 4.211 200 977.91

100.0 850 100 1.00763 4.219 212 970.33

CALCULE LAS ENTALPIAS DE LOS LIQUIDOS Y VAPORES SATURADOS CON LA

RELACION ACETONA-AGUA A 15 ºC Y GRAFIQUE EL DIAGRAMA DE ENTALPIA

CONCENTRACION, A 1 atm abs. TENGASE PRESENTE LO ANTERIOR PARA

UTILIZARLO EN LOS PROBLEMAS 9.5, 9.6 Y 9.9

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-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

0.0000 0.5000 1.0000 1.5000

y = 2612.6x3 - 6302.4x2 + 5590.1x -1900.4

R² = 0.9999

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

0.0000 0.5000 1.0000 1.5000

y = -85262x3 + 53995x2 - 11357x + 7.5268R² = 0.9995

-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

0.0000 0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 0.2500

y = -9.7340E-08x3 + 2.5839E-05x2 + 1.0053E-

03x + 2.1903E+00

R² = 1.0000E+00

2.2

2.252.3

2.35

2.4

2.45

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0

   A   x   i   s   T   i   t    l   e

Axis Title

Capacidad Calorifica de la acetona a 17.2 °C, kJkg sol, °C

y = -2.0391x + 1,052.9585

R² = 0.9997

800

850

900

950

1000

1050

0.0 50.0 100.0 150.0

   A   x   i   s

   T   i   t    l   e

Axis Title

Calor latente de evaporación de la acetona

en kJ/kg

4.175

4.180

4.185

4.190

4.195

4.200

4.205

4.210

4.215

4.220

4.225

0 20 40 60 80

   A   x   i   s   T   i   t    l   e

Axis Title

y = -0.00186x2 - 2.24058x +

2,499.83244

R² = 1.00000

2200.0

2250.0

2300.0

2350.0

2400.0

2450.0

2500.0

0.0 50.0 100.0 150.0

   A   x   i   s   T   i   t    l   e

Axis Title

Calor latente de evap. Agua kJ/kg

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Calor lat. De

evap., kJ/kg

cap caloragua,

kJ/kg °C

calor lat evap

agua

x fracción peso

acetona líquido

y fracción peso

acetona, vapor Hliq kJ/kg Hvap kJ/kg Hliq kJ/kmol

849.0 4.2185 2257.17444 0.000000 0.000000 346.68 2606.47 6245.85

866.0 4.2100 2278.73072 0.031537 0.521957 306.13 1785.55 5637.97

876.4 4.2052 2291.84903 0.061730 0.704388 278.83 1498.79 5246.84

898.6 4.1962 2319.56182 0.145061 0.842523 218.91 1277.95 4382.41

917.2 4.1902 2342.35967 0.263731 0.908547 168.22 1171.59 3704.68

923.7 4.1885 2350.30329 0.362613 0.927197 147.85 1141.57 3552.27

926.1 4.1878 2353.27232 0.446275 0.934220 141.25 1130.33 3676.64

928.6 4.1872 2356.236 0.580119 0.940262 131.95 1120.59 3963.01

929.8 4.1870 2357.71583 0.682459 0.943820 129.77 1114.93 4417.50930.6 4.1868 2358.70164 0.763246 0.947715 125.19 1108.86 4763.25

931.6 4.1865 2359.93307 0.828641 0.951550 117.97 1102.84 4961.36

932.9 4.1863 2361.40955 0.882659 0.957195 111.32 1094.05 5127.66

934.3 4.1860 2363.13042 0.928033 0.965966 102.23 1080.52 5118.58

935.7 4.1857 2364.84947 0.966682 0.978891 94.91 1060.76 5132.06

936.7 4.1855 2366.07624 0.983936 0.988222 90.99 1046.52 5102.30

937.7 4.1853 2367.30209 1.000000 1.000000 87.25 1028.61 5067.25

T, °C

Calor lat. De

evap. agua,

kJ/kg21.1 2451.8

37.8 2412.4

65.6 2345.0

93.3 2274.7

100.0 2257.1

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100 120

Series1

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Hvap kJ/kmol

46916.41

50215.05

52463.00

54904.87

56473.53

56989.77

57196.87

57376.58

57487.7857618.26

57746.36

57942.50

58263.13

58767.22

59149.80

59659.50

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

   E   n   t   a    l   p    í   a    k   J    /    k   g

Fracción peso de acetona

Diagrama de equilibrio Entalpía contra concentración.

Sistema Acetona-Agua a 760 mm Hg. kJ/kg vs f. peso

y = -1,090.51x6 + 3,601.92x5 - 4,316.32x4 + 2,290.00x3 - 542.70x2 +14.26x + 100.00

R² = 1.00

80.000

100.000

120.000

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y = 3441.5x6 - 11728x5 + 15639x4 - 10315x3 + 3499.3x2 - 577.19x +

97.986

R² = 0.9956

0.000

20.000

40.000

60.000

0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.00

   A   x   i   s   T   i   t    l   e

Axis Title

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-60000

-40000

-20000

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000

   E   n   t   a    l   p    í   a    k   J    /    k

   m   o    l

Fracción mol de acetona

Diagrama de equilibrio Entalpía contra concentración.

Sistema Acetona-Agua a 760 mm Hg. kJ/kmol vs f. mol

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00

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Se van a fraccionar diez mil libras por hora de una solución de acetona agua, que contiene 25 %

en peso de acetona, a 1 atm de presión. Se desea recuperar 99.5 % de la acetona en el destilado a

una concentración de 99.0 % en peso. La alimentación se va a tener a 26.7 °C (80 °F) y se va a

precalentar mediante un intercambio de calor con el producto residual del fraccionador, que a su

vez se va a enfriar a 51.7 °C (125 °F). Los vapores destilados se van a condensar y enfriar a 37.8 °C

mediante agua de enfriamiento que entra a 26.7 °C y sale a 40.6 °C. El reflujo se va a regresar a

37.8 °C con una relación de reflujo Lo/D = 1.8. Se va a utilizar vapor vivo, a 70kN/m2, en la base dela torre. La torre va a estar aislada para reducir la pérdida calorífica a valores despreciables. Las

propiedades físicas se dan en el problema 9.4. Calcule:

a) El flujo y composición del destilado y reflujo, por hora.

b) La carga calorífica del condensador y el flujo de agua de enfriamiento, por hora.

c) El flujo del vapor y del residuo y la composición del residuo, por hora.

d) La entalpía de la alimentación al entrar en la torre y su condición (expresada cuantitativamente)

e) El número de platos ideales requeridos si la alimentación se introduce en la óptima ubicación.

Utilizar papel para graficar grande y un lápiz afilado. Resp. 13.1

f) El flujo, kg/h, del líquido y del vapor en el plato superior, en x= 0.6, 0.1, 0.025 y en el plato

inferior. Para una torre de diámetro uniforme, las condiciones del plato que controla el diámetro,

si el criterio en un límite del 75 % a la inundación.

10000 lb/h

25 % acetona

Ta= 26.7 °C

Se recupera el 99.5 % de la

acetona

xD= 99 %TR2 = 51.7 °C

TLo= 37.8 °C

Lo/D = 1.8

Agua de enfriamiento

TE = 26.7 °C

Vapor a 70 kN/m2

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x fracción mol

de acetona en

el líquido

Calor int. De sol.

A 15 °C, kJ/kmol

sol

y* fracción mol

en equil. De

acetona en el

vapor

temperatura vapor

líquido °C

Capac. Calor. A 17.2

°C, kJkg sol, °C

Peso

molecular de

la mezcla

kg/kmol (liq)

Peso molecular de

la mezcla kg/kmol

(vap)

0.0000 0 0.000 100.000 4.187 18.0160 18.0160

0.0100 -95.8 0.253 91.700 4.179 18.4166 28.1522

0.0200 -188.4 0.425 86.600 4.162 18.8173 35.04320.0500 -447.3 0.624 75.700 4.124 20.0192 43.0159

0.1000 -668.7 0.755 66.600 4.020 22.0224 48.2643

0.1500 -770 0.798 63.400 3.894 24.0256 49.9871

0.2000 -786 0.815 62.200 3.810 26.0288 50.6682

0.3000 -719 0.830 61.000 3.559 30.0352 51.2691

0.4000 -509 0.839 60.400 3.350 34.0416 51.6297

0.5000 -350.1 0.849 60.000 3.140 38.0480 52.0303

0.6000 -252.6 0.859 59.500 2.931 42.0544 52.4310

0.7000 -179.3 0.874 58.900 2.763 46.0608 53.0319

0.8000 -124.2 0.898 58.200 2.554 50.0672 53.9935

0.9000 -69.6 0.935 57.500 2.387 54.0736 55.4758

0.9500 -37.7 0.963 57.000 2.303 56.0768 56.5976

1.0000 0 1.000 56.500 2.22 58.0800 58.0800

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Alimentación:

F= 10000 lb/h

4536 kg/h

Ta= 26.7 °C

xa= 25 % peso

AcetonaF*xa= 1133.99 kg/h de acetona en la alimentación

Acetona al destilado

F*xa*0.995= 1128.32 kg/h de acetona en el destilado

Acetona en el residuo

F*xa-F*xa*0.995= 5.67 kg/h de acetona en el residuo

Flujo de destilado

xD= 99 % peso de acetona en el destilado

D*xD = F*xa*0.995

D = F*xa*0.996/xD = 1139.72 kg/h de destilado

Flujo de Residuo

R = F-D = 3396 kg/h de residuo

xR= F*xa-F*xa*0.995/R 0.001669 f. peso

xR = 0.1669 % peso acetona en el residuo

Reflujo

RD = Lo/D = 1.8

Lo = RD*D= 2051.50 kg/h de reflujo

composición y temperatura igual al destilado

Carga al condensador

QC= D[(RD+1)*HG1-RD*HLo-HD]

Para y1 = xD = xLo 0.99 f. peso

HG1= 1044 kJ/kg

HD saturación 88.8 kJ/kg

TD saturación 56.8 °C

TD 37.8 °CCp 2.27 kJ/kg sol °C

HD=Hlo=HD sat - cp(TDsat-TD)= 45.67 kJ/kg

QC= 3185886.1 kJ/h

760935.822 Kcal/hr

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cap calor

acetona,

kJ/kg.°C

Calor lat. De

evap., kJ/kg

cap calor

agua,

kJ/kg °C

calor lat evap

agua

x fracción peso

acetona líquido

y fracción peso

acetona, vapor Hliq kJ/kg

2.452 849.0 4.2185 2257.17444 0.000000 0.000000 346.68

2.425 866.0 4.2100 2278.73072 0.031537 0.521957 306.13

2.408 876.4 4.2052 2291.84903 0.061730 0.704388 278.832.372 898.6 4.1962 2319.56182 0.145061 0.842523 218.91

2.343 917.2 4.1902 2342.35967 0.263731 0.908547 168.22

2.333 923.7 4.1885 2350.30329 0.362613 0.927197 147.85

2.329 926.1 4.1878 2353.27232 0.446275 0.934220 141.25

2.326 928.6 4.1872 2356.236 0.580119 0.940262 131.95

2.324 929.8 4.1870 2357.71583 0.682459 0.943820 129.77

2.323 930.6 4.1868 2358.70164 0.763246 0.947715 125.19

2.321 931.6 4.1865 2359.93307 0.828641 0.951550 117.97

2.319 932.9 4.1863 2361.40955 0.882659 0.957195 111.32

2.317 934.3 4.1860 2363.13042 0.928033 0.965966 102.23

2.315 935.7 4.1857 2364.84947 0.966682 0.978891 94.91

2.314 936.7 4.1855 2366.07624 0.983936 0.988222 90.99

2.312 937.7 4.1853 2367.30209 1.000000 1.000000 87.25

1020.00

1030.00

1040.00

1050.00

1060.00

1070.00

1080.00

1090.00

0.96000.97000.98000.99001.0000

   A   x   i   s   T   i   t    l   e

Axis Title

85.00

90.00

95.00

100.00

105.00

0.9000 0.9500 1.0000

   A   x   i   s   T   i   t    l   e

Axis Title

56.000

56.500

57.000

57.500

58.000

58.500

0.92000.94000.96000.98001.0000

   A   x   i   s   T   i   t    l   e

Axis Title

2.200

2.250

2.300

2.350

2.400

2.450

2.500

2.550

2.600

0.9200 0.9400 0.9600 0.9800 1.0000

   A   x   i   s   T   i   t    l   e

Axis Title

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Flujo de agua

TE= 26.7 °C

TS= 40.6 °C

Cp H20 4.184 kJ/kg °C

0.9993 Kcal/kg

Qagua=QC = Wcp(TS-TE)

W=QC/cp(TS-TE) = 54780.22 kg/h

Balance de calor a la alimentación

Carga del rehervidor

QB=D*HD + R*HR + QC + F*HF

Vapor

P= 70 kN/m2

70000 Pa

0.7138 kg/cm2

10.4925

25.1925 lb/plg2

p t hl hv

20 227.96 196.27 1156.330 250.34 218.9 1164.1

25.2 239 207.5 1160.2

Calor latente del vapor 952.7 Btu/lb

529.28 kcal/kg

2215.99474 KJ/kg

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Hvap kJ/kg Hliq kJ/kmol Hvap kJ/kmol

2606.47 6245.85 46916.41

1785.55 5637.97 50215.05

1498.79 5246.84 52463.001277.95 4382.41 54904.87

1171.59 3704.68 56473.53

1141.57 3552.27 56989.77

1130.33 3676.64 57196.87

1120.59 3963.01 57376.58

1114.93 4417.50 57487.78

1108.86 4763.25 57618.26

1102.84 4961.36 57746.36

1094.05 5127.66 57942.50

1080.52 5118.58 58263.13

1060.76 5132.06 58767.22

1046.52 5102.30 59149.80

1028.61 5067.25 59659.50