DISEO DE PROCESOS IIManual de ApoyoEjercicio 1

Una mezcla gaseosa que contiene 10% en volumen de n-butano y 90% de n-pentano se encuentra a 140 C y 1 atm. Si esta mezcla se somete a un proceso de compresin isotrmica, Cul es la presin de roco?Qu modelo termodinmico usar y por qu?Ejercicio 2

El sistema 1-propanol/agua presenta un azetropo a 60 C. Calcule el azetropo y la presin del sistema. Utilice los siguientes modelos de propiedades: Peng-Robinson, PR.BM, PR-MHV2, PR-WS, NRTL, Unifac y compare los resultados.

Ejercicio 3Una refinera de gas en Argentina produce esencialmente CO2 puro a 800 psia y 100 F a una velocidad de 10 millones ft3/da (reportado como ft3 a 60 F y 1 atm). Un ingeniero ha propuesto usar el efecto de enfriamiento Joule-Thomson, producido por la cada de presin del CO2 de 800 a 100 psia a travs de una vlvula, para suministrar refrigeracin para la operacin del condensador a 20 F, con una diferencia de temperatura mnima entre las dos corrientes de 5 F en el condensador (eso significa que mientras el enfriador opera a 20 F, el CO2 sale del enfriador a 15 F). Este es un condensador de CO2 con CO2.

a) Cunta refrigeracin (Btu/h) puede ser obtenida del diseo anterior?

b) Cul es la temperatura de la corriente de CO2 entrando en el condensador y la presin de la corriente en el producto?

c) Cul es el flujo de CO2 que puede condensarse si se alimenta 65 F y 800 psia como vapor? Resuelva este inciso efectuando un anlisis de sensibilidad que muestre el efecto del flujo de CO2 vapor sobre la temperatura del producto (puede analizar el intervalo de flujo de CO2 de 20 000 a 30 000 pie3/h).

d) Resuelva el inciso c usando la opcin de especificacin de diseo en lugar de un anlisis de sensibilidad.

Nota: Se recomienda modelar el condensador con Heater para los incisos a y b y con Heatx para los incisos c y d.

Ejercicio 4La tabla proporciona datos de equilibrio para el sistema benceno (1)/acetonitrilo (2) a 45 C (datos de: J. M. Smith y H. C. Van Ness, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 4 ed., McGraw Hill Inc., 1987, p. 409). Realizar la regresin de datos de propiedades sobre los datos VLE (usando Aspen Plus).

a) Calcular los coeficientes de interaccin binarios para cada uno de los modelos de coeficiente de actividad siguientes: Wilson, NRTL y Uniquac. Los datos pasan la prueba de consistencia termodinmica?b) Grafique los datos P-x-y y x-y.

c) Cules son los valores para x-P azeotrpicos?

Ejercicio 5Una mezcla de vapor de amonaco y agua a 250 psia que contiene 80% en peso de amonaco se pasa a travs de un condensador a una velocidad de 10 000 lb/h. El calor es removido de la mezcla a una velocidad de 5 800 000 Btu/h. La mezcla pasa entonces a travs de una vlvula, donde se expande adiabticamente hasta una presin de 100 psia. La mezcla pasa despus a un separador vapor-lquido.

a) Cul es la temperatura a la salida de la vlvula de expansin?

b) Cul es la fraccin molar de vapor de la corriente en este punto?

c) Cul es la composicin del lquido saliendo del separador?

Resuelva este problema usando los siguientes conjuntos de opciones de propiedades fsicas: Ideal, Apisour y Peng-Rob. Compare sus respuestas con respecto a las siguientes obtenidas grficamente y establezca una conclusin.Temperatura de salida: 80 F

Fraccin mol de vapor saliendo de la vlvula: 0.38

Fraccin mol de amonaco en la corriente lquida: 0.67

Nota: Este problema es adaptado de Principios y clculos bsicos en ingeniera qumica. D. Himmelblau, 4. Ed., Prentice Hall, 1982.

Las condiciones de operacin para este proceso se muestran en el diagrama de flujo.

Ejercicio 6Determine la cantidad de vapor requerida para calentar 1 000 lb/min de agua desde 60 F hasta 200 F en un intercambiador de calor. El vapor entra al sistema a 15 psia y con un ttulo de 0.9 y sale como lquido saturado.

Ejercicio 7

Un reactor qumico requiere la alimentacin de una corriente diluida de cido sulfrico. La solucin acuosa de cido sulfrico contiene 75% en peso de H2SO4 y fluye a 600 kg/h a 25 C y 1 atm, se diluye con 1 000 kg/h de agua a 25 C y una atmsfera.El diagrama de flujo de proceso y las condiciones de operacin para este ejemplo se muestran en la figura. Se alimentan dos corrientes (una que contiene agua y la otra con una solucin de cido sulfrico) a un mezclador con una corriente de salida de una solucin diluida en cido sulfrico.

a) Cul es el aumento de la temperatura adiabtica de la corriente diluida?

b) El supervisor determina que ninguna de las corrientes de alimentacin al reactor sea mayor que 30 C, cul debe ser la energa del intercambiador de calor que enfre la corriente diluida hasta 30 C?

Ejercicio 8

Se manejan 22 000 lb/h de agua en el ciclo mostrado en la figura.a) A la salida de la turbina (3) se tiene vapor saturado a una presin de 30 psa. Este vapor entra al intercambiador de calor, en el cual el vapor se condensa y sale agua lquida a 200 F (4). Si el agua de enfriamiento usada en el condensador entra a 70 F y sales a 100 F, calcule el flujo de agua necesario.

b) A la salida de la caldera (2) se tiene vapor sobrecalentado a una presin de 500 psia y 200 F de sobrecalentamiento. Calcule la potencia de la turbina en H.P.

c) A la entrada de la caldera se tiene agua lquida a 200 F. Calcule la cantidad de calor que se requiere aadir a la caldera.

Ejercicio 9

Cavett propuso el siguiente problema como prueba para el diseo auxiliado por computadora; se tienen cuatro tanques de evaporacin instantnea conectados en la forma que se muestra en la figura. Se especifican la temperatura y la presin en cada tanque, y la alimentacin es la siguiente:ComponenteAlimentacin lbmol/hComponenteAlimentacin

Nitrgeno358.2n-pentano1192.9

Bixido de carbono4965.6Hexano1764.7

Sulfuro de hidrgeno339.4Heptano2606.7

Metano2995.5Octano1844.5

Etano2395.5Nonano1669.0

Propano2291Decano831.7

Isobutano604.1Undecano1214.5

n-butano1539.9120 F y 49 psia

Isopentano790.4

Obtenga los flujos de las corrientes de salida del diagrama de flujo.

Ejercicio 10Se requiere mejorar un gas de sntesis que contiene CO, H2 y una pequea cantidad de CH4 (con una proporcin de CO a H2 de 1 a 2.9), aumentando su contenido de metano con base en la reaccin

Se utilizar el sistema de reaccin que se muestra en la figura. El reactor operar con una conversin de 40% y con una temperatura de salida de 1 000 F, para obtener una corriente de producto que contiene 50% de CH4 y 12% de CO. La razn de eliminacin de calor en el intercambiador 1 se ajusta, de manera que se enfra la corriente de descarga del reactor a 500 F. El separador se opera de tal manera que se obtiene una corriente de gas de recirculacin con 1% de H2O y una corriente de agua lquida pura, ambas a 100 F. Tanto en la corriente de alimentacin como la de producto estn a 200 F. Suponiendo que el sistema completo opera a una presin constante de 100 psia,a) Determine a que fraccin del flujo de entrada al divisor debe recircularse para cumplir lo especificado y calcule los flujos y temperaturas de todas las corrientes del proceso.b) Determine que flujo de alimentacin debe tener el proceso para una capacidad de produccin de metano de 100 lbmol/h a la salida.

Ejercicio 11Un flujo de aire de 1.99 kg/s a una temperatura de 15 C entra a un cambiador de calor de corrientes cruzadas para ser calentado hasta 60 C por 0.475 kg/s de agua que entra a 95 C. Si el coeficiente global de transferencia de calor es de 70 W/(m2C), estime el rea de transferencia requerida.Ejercicio 12

Las regaderas del gimnasio necesitarn en las horas pico, un flujo continuo de 1 ton/min de agua caliente. Una forma de obtener el agua caliente consiste en calentar agua de la red general de 15 a 70 C en un cambiador de calor en donde el agua fluye por dentro de los tubos mientras que el vapor saturado a una atmsfera entra por el lado de la coraza, condensando y saliendo de sta como lquido a 100 C. Si el coeficiente global de transferencia de calor es U = 1500 W/m2K, encuentre el rea del intercambiador de calor y la cantidad de vapor necesario.Ejercicio 13

Se usa agua para enfriar un aceite; el aceite entra a 20 C y sale a 70 C con un flujo de 3 kg/s. El aceite entra a 180 C y abandona el cambiador a 80 C . Si el aceite se puede representar por el alcano de 15 carbones (C15H32) y el coeficiente global de transferencia de calor del cambiador es U = 350 W/m2K; encontrar:a) El flujo de aceite

b) El calor intercambiado

c) El rea de transferencia de calor

Ejercicio 14

100 Kmol/h de aceite caliente A (1-pentadeceno, C15H30) a 300 C es enfriado con un fluido B (difenilo) a 0 C en un intercambiador de calor de tubo y coraza operando a contracorriente. Los dos fluidos deben salir a 200 C. Si el enfriamiento no es suficiente y se pretende disminuir la temperatura de salida del aceite, investigue el efecto de las siguientes modificaciones y encuentre la temperatura de salida del aceite A:

a) Si se adiciona un segundo cambiador idntico al anterior, conectado en seria y consiguiendo entonces el doble del rea original

b) Si se duplica el flujo del fluido de enfriamiento, sin cambiar el valor del coeficiente global de transferencia de calor.

Ejercicio 15

El vapor de salida de una columna de destilacin que opera a 50 lb/plg2 (absoluta) contiene las siguientes substancias como vapor saturado:

Lbmol/h

C3170.5

n-C4284.0

n-C656.8

n-C7341.1

n-C8284.0

1136.4

Este vapor debe condensarse en un condensador horizontal 1-2 usando agua de enfriamiento que pasar de 80 a 120 F y que entra a 16 lb/plg2 (absoluta). Las cadas de presin sern de 2 lb/plg2 para el vapor y 1 lb/plg2 para el agua. Si se dispone de tubos de plg y se planea disear un condensador de tubos arreglados en paso triangular de 1 plg con deflectores espaciados 30 plg, encuentre:

a) Nmero de tubos

b) Longitud de tubos

c) Dimetro de la coraza

Que cumplan con el objetivo de la condensacin.

Nota: incluya en su informe de resultados cualquier suposicin que haya hecho en la resolucin del problema.Ejercicio 16

Considere la reaccin de sntesis de amonaco a 450 C y 101.3 MPa

La alimentacin consiste de 1 Kgmol/h conteniendo 60% mol de hidrgeno, 20% mol de nitrgeno y 20% mol de argn. Calcule la composicin de los gases de salida, suponiendo que se alcanza el equilibrio en el reactor.

Ejercicio 17El hidrgeno puede manufacturarse a partir del monxido de carbono por la reaccin con vapor de agua siguiente:

Si la reaccin se lleva a cabo a 75 atm y 300 C, qu relacin molar de vapor a monxido de carbono se requiere para producir la mezcla de productos en el cual 90% del CO alimentado es convertido a CO2? Se puede tomar como base 1 Kgmol/h de CO.

Ejercicio 18

En el laboratorio se estudi la hidratacin de propeno a 2-propanol a 353.15 K y 1.013 bar en presencia de nonano inerte. Los moles iniciales de propeno y aagua son 10 y 20 respectivamente. Se quiere estudiar el efecto sobre el equilibrio de agregar nonano al sistema: a) 1 mol, b) 10 mol, c) 100 mol, d) 300 mol y e) 500 mol.

Ejercicio 19

Se desea llevar a cabo un anlisis de la reaccin entre bixido de azufre y oxgeno para determinar la influencia de algunas variables. La reaccin se llevar a cabo a 750 K.

a) Considerando una alimentacin de reactivos en proporcin estequiomtrica, sin entrada de producto ni inertes, efecte un anlisis de sensibilidad para mostrar la influencia de la presin en la conversin fraccional de la reaccin.

b) Considerando que la reaccin ocurre a 1 atm, muestre por medio de un anlisis de sensibilidad el efecto que sobre la conversin fraccional tiene el porcentaje de exceso de oxgeno.

c) Considerando una alimentacin de reactivos en proporcin estequiomtrica y una presin de operacin de 1 atm, muestre la influencia que sobre la conversin fraccional tiene la presencia de un inerte (el N2 que acompaa al O2 en el aire).

Ejercicio 20

Una empresa petroqumica piensa producir cloruro de alilo en gran escala a partir de la clorinacin de propileno. En experimentos a escala de laboratorio se encontr que ocurren dos reacciones en paralelo

Ambas reacciones se ajustan a expresiones cinticas de segundo orden; sus expresiones son:r1 = 6.171 exp(-6.2802E7/RT)T2[Cl2][C3H6]

Kgmol/m3sr2 = 3.5051E-4 exp(-1.5837E7/RT)T2[Cl2][C3H6]

Kgmol/m3sla energa de activacin de ambas reacciones tiene las siguientes unidades: J/Kgmol y el factor preexponencial tiene las siguientes unidades: m3/Kgmol-K-s.Se planea simular el reactor de la planta piloto y obtener valiosa para disear el reactor industrial. El reactor es un tubo sumergido en un bao muy grande de etilenglicol que se mantendr a temperatura constante de 200 C. El coeficiente global de transferencia de calor se estim en U = 5.0 Btu/(h ft2 R). La presin en el reactor se mantendr en 2 atm sin cada de presin. La longitud del tubo es de 25 pies y el dimetro de 2 pulgadas.Al reactor se alimenta una cporriente a 200 C conteniendo 0.17 lnmol/h de Cl2, y 0.68 lbmol/h de C3H6. Determine la temperatura de salida del reactor, el calor generado y/o retirado y las concentraciones de Cl2 y cloruro de alilo a la salida del reactor, para las tres diferentes formas de operacin siguientes:

a) El medio de enfriamiento se mantiene a temperatura constante de 200 C

b) No se remueve calor del reactor

c) Se retira calor del reactor, mediante una corriente de dietilenglicol de 10 lbmol/h

Ejercicio 21Una mezcla compuesta por 449 lbmol/h de acetona y 1260 lbmol/h de agua va a ser alimentada a una columna de destilacin multietapas a 20 psia y 180 F. Si la columna va a operar a 15 psia, con una relacin de reflujo igual a 2 y alimentndose en el plato 9, estime el nmero de platos necesarios si se desea obtener un flujo de destilado de 453 lbmol/h y una recuperacin de acetona de 99%.

a) Utilice las opciones termodinmicas Ideal, NRTL, Wilson y Uniquac

b) Escriba una conclusin con relacin a los resultados del inciso a.

Ejercicio 22

En la columna de destilacin mostrada en la figura

a) La alimentacin es lquida o vapor?

b) Calcule el nmero de etapas ideales y las cantidades de calor en el condensador y en el rehervidorc) Resuelva el inciso b considerando que la alimentacin se va a precalentar aprovechando el calor de la corriente de residuo. Se espera aprovechar al mximo ese calor.

d) Establezca una conclusin con relacin a los resultados de los incisos b y c.

Ejercicio 23Las soluciones dioxano-agua forman un azetropo a presin atmosfrica y la separacin por destilacin es complicada. Por otra parte, el dioxano es bastante soluble en benceno y no forma azetropo; el agua y el benceno son prcticamente insolubles. Por lo anterior, se ha pensado analizar la posibilidad de separar una solucin dioxano-agua en una columna de extraccin lquido-lquido usando benceno como solvente y de acuerdo al sistema que se observa en la figura.

Efecte un anlisis de sensibilidad para observar cmo vara la recuperacin de dioxano en funcin del flujo de solvente que se alimenta, y que cantidad del agua que entra se va a la fase del solvente.

Ejercicio 24Con relacin al proceso mostrado en la figura

a) Introduzca al simulador el caso base

b) Qu recuperacin se est logrando de cada compuesto?

c) Ser posible lograr recuperaciones de n-butano y n-octano mayores de 98% sin modificar el nmero de etapas, el plato de alimentacin ni la relacin de reflujo especificadas?

Ejercicio 25

Efecte la simulacin del proceso de recuperacin de benceno y monoclorobenceno que se observa en la figura y reporte flujos de las sustancias, fase y condiciones de presin y temperatura de las corrientes 1, 6, 9, 11 y 14.Alimentacin (1)

Lbmol/h

HCl10

Benceno40

Monoclorobenceno (MCB5080 F, 37 psia

Ser necesario establecer algunas especificaciones para los equipos, de tal forma que se logre satisfacer el requerimiento de flujo molar de MCB en el domo de la columna de destilacin.