UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

REGIÓN POZA RICA - TUXPAN

INGENIERÍA QUÍMICA

IQ-VII-1

INGENIERÍA DE PROCESOS

DR. MIGUEL ÁNGEL MORALES CABRERA

TAREA 4. SELECCIÓN DE VARIABLES DE DISEÑO DE 3 PROCESOS QUÍMICOS Y ESTIMACIÓN DE GRADOSDE LIBERTAD

CARLOS ALEJANDRO AVELINO GARCÍA

S12005440

PROBLEMA #1

Considere el sistema de reacción siguiente:

Una corriente consiste de reactivo A puro que pasa por un intercambiador de calor y de ahí a un reactor continuo tipo tanque agitado donde ocurre la reacción A que da B. El reactor opera a 100° C y la reacción es incompleta. Se conocen además los coeficientes globales de transferencia de calor del intercambiador y de la chaqueta del reactor, casi como el volumen del RCTA.

a) ¿Cuántos grados de libertad tiene el sistema?b) Indica cuáles son los mejores variables de diseño (si tienen algunas) y la secuencia de cálculo para la

solución del sistema.c) Suponga que se especifica una carga de calor al reactor en vez de la temperatura de 100º C. Repitan

los incisos a y b.

NOTA: La temperatura del reactivo A puro es de 25º C y la corriente de salida del reactor se emplea para calentar la corriente de entrada.

Ecuaciones del proceso:

C A0=

F0

v

Ecuación primer proceso 1

k= x

tC A (1−x )∝

Ecuación primer proceso 2

C A=e−k ( t−t 0)

1∝−1

Ecuación primer proceso 3

F A2=C A0

v

Ecuación primer proceso 4

C p ρv (T−T 0 )=Q1−∆ HV (C A0−C A )

Ecuación primer proceso 5

Q2=UA ∆T

Ecuación primer proceso 6

∆ T=(T 1−T 2)−(T 2−T 3 )

ln(T1−T 2 )(T2−T 3 )

Ecuación primer proceso 7

U=U 1 (F A 0, T F , T 1 , FA 2

,T 2 ,T 3 )

Ecuación primer proceso 8

QT=Q1+Q2

Ecuación primer proceso 9

Variables:

F A0, v , x , t ,CA ,Q1 ,U ,∆ T , FA 2

, T 1 , T 2 , T3 , Q2

a) Grados de libertad:

F=13−9=4

Ec/Va F A0 v x t U ∆ T T 1 T 2 T 3 Q2 C A F A2Q1

1 X X2 X X3 X X4 X X5 X X X6 X X7 X X X X8 X X X X9 X X

Ec/Va F A0 v x t U ∆ T T 2 T 3 Q2 C A F A2Q1

1 X X2 X X3 X X4 X X5 X X X6 X X8 X X X X9 X X

Ec/Va F A0 v x t U T 2 T 3 Q2 C A F A2Q1

1 X X2 X X3 X X4 X X5 X X X8 X X X X9 X X

Ec/Va F A0 v x t U T 2 Q2 C A F A2Q1

1 X X2 X X3 X X4 X X5 X X X9 X X

Ec/Va F A0 v x t U T 2 C A F A2Q1

1 X X2 X X3 X X4 X X5 X X X

Ec/Va F A0 v x t U T 2 C A F A2

1 X X2 X X3 X X4 X X

Ec/Va F A0 v x t U T 2 F A2

1 X X2 X X4 X X

b) Las mejores variables de diseño son:

F A0=Flujo molar

v=Flujo volumétrico

x=Grado de conversión

t=Tiempo

Secuencia de cálculo:

Para los valores de F A0, v , x , t

Can F A0 y v resuelvo la ecuación 1 y se obtiene C A0.

Con C A0 y el valor de x se resuelve la ecuación 2 y se obtiene k.

Con la ecuación 2 se obtiene CA de la ecuación 3 y se emplea la variable t.

De la ecuación 5 se obtiene el valor Q.

Con la ecuación 6 se obtiene A con la ayuda de la ecuación 7 y 8.

PROBLEMA #2

Se tienen un sistema de mezclado como el que se muestra en la figura. 2 corrientes disponibles a diferentes temperaturas con diferentes concentraciones de un soluto se alimentan a un tanque, el cual tiene un serpentín de calentamiento para ajustar la temperatura de salida hasta un nivel deseado. No se lleva a cabo ninguna reacción química. Las variables conocidas, las concentraciones de soluto, las temperaturas de soluto, las temperaturas de alimentación, la temperatura del vapor de calentamiento, el coeficiente global de transferencia de calor u y todas las propiedades termodinámicas de la mezcla y de los componentes.

a) Escriba las ecuaciones que modelan el sistema.

b) ¿Cuántos grados de libertad existen?

Ecuaciones del proceso:

F1 x1+F2 x2=F3 x3

Ecuación segundo proceso 1

F1H 1+F2 H 2+Q1=F3H 3

Ecuación segundo proceso 2

Q1=m v ( H v−h1 )

Ecuación segundo proceso 3

Variables:

F1, F2 , F3 , Q ,m v

Grados de libertad:

F=5−3=2

Ec / Var F1 F2 F3 Q mv

1 X X X

2 X X X X

3 X X

Ec / Var F1 F2 F3 Q

1 X X X

2 X X X X

Ec / Var F1 F2 F3

1 X X X

Las mejores variables de diseño son:

F1 y F2

PROBLEMA #3

Una mezcla de 2 componentes a y b donde a es más volátil que b va a separarse adiabáticamente en un separador de vaporización dábitz (separador flash). La siguiente figura muestra esquemáticamente las variables de interés.

a) Desarrollen un modelo que represente este sistema.

b) Calculen los grados de libertad.

Ecuaciones del proceso:

FxF=Vyv+LxL

Ecuación tercer proceso 1

K i=yv

x A

Ecuación tercer proceso 2

T v=T L

Ecuación tercer proceso 3

Variables

T F , L , x L , xF , k i

Grados de liberta:

F=5−3=2

Ec / Var T L L xL xF K

1 X X X

2 X X

3 X

Ec / Var T L L xL xF

1 X X X

3 X

Ec / Var T L L xL

1 X X

Las mejores variables de diseño son:

L y x L

BibliografíaJiménez, G. A. (2003). Diseño de procesos en ingeniería química. Guanajuato, México: Reverté, S. A.Kern, D. Q. (1999). Procesos de transferencia de calor. México, D. F.: CECSA.McCabe, W. L., Smith, J. C., & Harriott, P. (1998). Operaciones unitarias en ingeniería química (Cuarta ed.).

Madrid, España: McGraw Hill, Inc.