Problemas 3.5 Y 3 - OCON TOJO PDF

Preview

Summary

“Universidad Nacional de SanAgustín”Facultad de Ingeniería de ProcesosEscuela Profesional de Ingeniería QuímicaCurso: Operaciones Unitarias 3Docente a cargo: Ing. Marleni Gonzales IquiraTRABAJO: Problemas propuestos 3 y 3.Presentado por:Diaz Olivera Jeremy RubénQuispe Ayqui Jimmy Diego EduardoSegovi...

Description

“Universidad Nacional de San Agustín” Facultad de Ingeniería de Procesos Escuela Profesional de Ingeniería Química

Curso: Operaciones Unitarias 3 Docente a cargo: Ing. Marleni Gonzales Iquira TRABAJO: Problemas propuestos 3.5 y 3.9

Presentado por: Diaz Olivera Jeremy Rubén Quispe Ayqui Jimmy Diego Eduardo Segovia del Carpio Jessica Fabiola Soncco Tintaya David Joel Vera Apaza Keyco Frida FECHA: 5 de Mayo Arequipa – Perú 2020

PROBLEMA PROPUESTO (LIBRO DE OCONTOJO/CAPITULO 3: EVAPORACION) (PAG 209) SIN EPE

EJERCICIO 3.5. Una disolución acuosa de glicerina ha de concentrarse en un evaporador simple desde el 5% hasta el 30% en peso, empleando vapor de calefacción a 1.4 at de presión absoluta, manteniendo en la cámara de evaporación una presión absoluta de 100 mmHg. Para las propiedades de la disolución pueden tomarse las del agua y considerar que la glicerina tiene una volatilidad despreciable en las condiciones de operación. Si las pérdidas de calor al exterior son nulas, la disolución entra a 18 °C, el coeficiente integral de transmisión de calor vale 1000Kcal/m2.h.°C, y la superficie de calefacción es de 60 m2, calcúlese: a) La capacidad del evaporador b) La cantidad de vapor de calefacción necesario por hora c) La economía del proceso SOLUCIÓN 1) ESQUEMA V= ? F= ?

TV= ?

XFA= 0.05

λV= ?

TF= 18 °C

U = 1000 Kcal/m2.h.°C A = 60 m2 P = 100 mmHg = 0.133 bar

S= ? S

TS= ? PS= 1.4 at = 1.373 bar

L= ?

λS= ?

XLA= 0.30 TL= ?

2) CÁLCULOS Debido a que el coeficiente integral de transmisión de calor (U) se encuentra en las unidades de Kcal/m2.h.°C, decidimos trabajar con estas unidades en el desarrollo de todos los cálculos. 2.1) Hallamos λS utilizando las tablas de vapor para Ps = 1.373 bar Interpolando…

1.25 −1.373

2241.0−x = 1 373−1 5 x−2226.5 0.9685 ( x−2226.5 )=2241.0−x

1.9685 x =2241.0 + 2156.365 KJ Kcal =λ s x=2233.9 =533.9 kg kg 2.2) Hallamos TS utilizando las tablas de vapor para Ps = 1.373 bar Interpolando… 1.25 −1.373 105.99−x = 1.373−1.5 x−111.37 0.9685 ( x−111.37 )=105.99−x 1.9685 x =105.99+ 107.86 x=108.6 °C=T s 2.3) Hallamos TL utilizando las tablas de vapor para P = 0.13332 bar Interpolando… 0.12349−0.13332 50−x = 1.3332−0.15758 x−55 0.40519 ( x−55 )=50−x 1.40519 x =50 + 22.28854 x=51.4 ° C=TL 2.4) Hallamos λV utilizando las tablas de vapor para P = 0.13332 bar Interpolando… 0.1−0.13332 2392.8−x = 1.3332−0.15 x−2373.1 0.40519 ( x−2373.1 )=2392.8−x 1.40519 x =2392.8 + 961.5564 kcal KJ =λ V =567.6 x=2374.68 kg kg 2.5) Hallamos Q Q = A U (TS – TL) Q=60 m2∗1000

Kcal ∗ (108.6 −51.4 ) ° C m2 . h .° C Q = 3.43*106 kcal/h

2.6) Hallamos S = Cantidad de vapor necesario por hora Q = S* λ s kcal kcal )/533.9 S=(3.43∗10 6 kg h

S = 6424.42 kg/h 2.7) BALANCE DE MATERIA TOTAL F=L+V 6(L) = L + V V = 5(L) 2.8) BALANCE DE MATERIA PARCIAL (A) F(XFA) = L(XLA) F(0.05) = L(0.3) F = 6(L) 2.8) BALANCE DE ENERGÍA En este caso, consideramos el Cp de la disolución como el Cp del agua = 1 kcal/kg°C

F(Cp(TF – TL)) + Q = V(λV) kcal kcal kcal ( 6 L)∗ 1 ( 18 −51.4 ) °C +3.43∗106 =(5 L)( 567.6 ) kg ° C h kg

( ) L (−200.4 kcal ) +3.43∗10 kcal=L ( 2841.9 kcal ) h kg kg 6

3.43∗10 6

(

kcal kcal =L 3038.4 h kg

L=1128.04

)

kg h

2.9) Hallamos F = Capacidad del evaporador, del BMP F = 6(L) F = 6(1128.04 kg/h) F = 6768.24 kg/h

2.10) Hallamos V = Vapor eliminado, del BMT V = 5(L) V = 5(1128.04 kg/h) V = 5650.2 kg/h 2.11) Economía del proceso

E = V/S E = (5650.2 kg/h) / ( 6424.42 kg/h) E = 0.88

1) ESQUEMA COMPLETO V= 5650.2 kg/h TV= 51.4 °C F= 6768.24 kg/h

λV= 567.6 kcal/kg

XFA= 0.05 TF= 18 °C

U = 1000 Kcal/m2.h.°C A = 60 m2 P = 100 mmHg = 0.133 bar

S= 6424.42 kg/h S

TS= 108.64 °C PS= 1.4 at = 1.373 bar

L= 1128.04 kg/h

λS= 533.9 kcal/kg

XLA= 0.30 TL= 51.4 °C

Tabla de resultados a. La capacidad del evaporador

F = 6768.24 kg/h

b. La cantidad de vapor de calefacción necesario por

S = 6424.42 kg/h

hora c. La economía del proceso

E = 0.88

PROBLEMA PROPUESTO (LIBRO DE OCONTOJO/CAPITULO 3: EVAPORACION) (PAG210) con EPE EJERCICIO 3-9. En un evaporador simple se tratan 10000 kg/h de una solución de NaOH al 20% y han de concentrarse hasta el 50% en peso. El vapor empleado como medio de calefacción es vapor saturado a 4at de sobre presión. En la cámara de evaporación se mantiene una presión absoluta de 150mmHg. El coeficiente integral de transmisión del calor vale 2500 kcal/m2*h*°C. Si la alimentación entra en el evaporador a 20°C, calcúlese:

a.

La superficie de calefacción

b.

El consumo horario de vapor de calefacción.

c.

La economía.

Solución: 1. Datos: V = 6000 Kg/h Yv= 1 Hev=Hv+ cΔe= 2692,76

F= 10000 kg/h XF= 0.20 TF= 20°C hF= S= TS=142.87ºC PS= 4at λS=2136 KJ/kg

P = 150mmg T= 60ºC

2. BALANCE DE MATERIA TOTAL

L=4000kg/h XL=0.5 TL=106 hL= 556.47

BMT: F=L+ V

REEMPLAZANDO VALORES 10000

kg kg =V +4000 h h

V =10000

kg kg −4000 h h kg h

V =6000

BMA: (SOLUTO)

F X F =V X V + L X L

REEMPLAZAMOS VALORES

DE DONDE: EL VAPOR DE AGUA PURA ” V ” NO CONTIENE NINGUN PORCENTAJE DE SOLUTO, ENTONCES:

kg ∗0.20=L∗0.50 h kg L=4000 h 10000

V XV = V V

(0)

(0) = 0

AHORA HALLAMOS EL TOTAL DE SOLUCION DILUIDA POR EL PORCENTAJE EN PESO TOTAL MENOS EL PORCENTAJE EN PESO DE SOLUTO INICIAL. F ( 1−X F ¿ = 10000 * (1- 0.2) = 8000 Kg/h Y LUEGO HALLAMOS EL LIQUIDO CONCENTRADO SALIENTE POR EL PORCENTAJE EN PESO TOTAL MENOS EL PORCENTAJE EN PESO DE SOLUTO FINAL. L ( 1−L F ¿ = 4000 * (1- 0.5) = 2000 Kg/h BALANCE DE MATERIA REPRESENTADO EN UNA TABLA (OCONTOJO)

componente SOLUCION DILUIDA AGUA EVAPORADA SOLUCION CONCENTRADA

SIMBOLO

TOTAL (Kg/h)

SOLUTO (Kg/h)

SOLVENTE (Kg/h)

F

F

F(XF)

F - F(XF)

V

F - F(XF/ XL)

L

F(XF/ XL)

F - F(XF/ XL) F(XF)

F(XF/ XL) - F(XF)

REEMPLAZANDO DATOS (TABLA RESUMEN DE BALANCE DE MATERIA)

componente

SIMBOLO

TOTAL (Kg/h)

SOLUTO (Kg/h)

SOLVENTE (Kg/h)

SOLUCION DILUIDA

F

10000

2000

8000

AGUA EVAPORADA

V

6000

SOLUCION CONCENTRADA

L

4000

BALANCE DE ENERGÍA:

6000 2000

ENTRADA = SALIDA

E=S F h F +S λ S=V ∗H V + L∗hL Q=S λ S F h F +Q=V∗H V +L∗h L



Tablas de vapor saturado de H2O:

Determinando temperaturas: P = 150 mmHg convertiremos a bar

¯ 1.01325 ¿ =0.199 ¿¯ 1 atm mmHg∗1 atm ∗¿ 150 760 mmHg Buscamos en tablas de presión saturado Corresponde a T= 60°C

Ps= 4 at convertiremos a bar ¿¯ ∗1 kPa 100 kPa =3.924 ¯¿ 1 1000 Pa at∗9.81∗104 Pa ∗¿ 4 1 at Interpolando corresponde a:

Ts= 142.87°C

y

λs= 2136.03 kJ/kg

P (x)

T (y)

Ts(x)

Λ(s-l)(y)

3.613

140°C

140

2144.7

3.92

143

143

2136.04

4.154

145°C

145

2129.6

2000



entalpia de vapor sobre calentado de H2O: Hev

T = 60°C

H V= 2609.6 kJ/kg (tablas)

Cp : capacidad calorífica de vapor sobrecalentado: interpolamos 1.884 kJ/ kg °K = 0.46 kcal/kg °C

Cp (kJ/ kg °K ) 1.885 1.89 1.892 

T (°C) 40 44 45

Diagrama de Duhring NaOH : TL

EPE=Δe =T L−T , para un XL=0.50 y una T =60 º C corresponde → T L=106 ° C EPE=Δe =106−60 EPE=Δe =46 ° C

DIAGRAMA DE DUHRING



Calculo de hF, hL: diagrama entalpia – concentración

Solución al 20%

X F=0.2→ TF=20 °C

h F=14

kcal kJ kJ =58.57 ∗1 kg de solución kg de solución 0.2388 kcal

h F=58.57

kJ kg desolución

Solución al 50%

X L=0.5→ TL=106 ° C

h L=133

kcal kg de solución

h L=133

kJ kJ kcal =556.47 ∗1 kg de solución 0.2388 kcal kg de solución

h L=556.47

kJ kg de solución



Entalpia de vapor de agua sobrecalentado: H ev Hv =2609.6 kJ/kg (tablas)

T = 60°C

Ahora hallamos la entalpia con la que sale el vapor, del evaporador

H eV =H V +(Cp∗Δe) H eV =2609.6

kJ kJ +1.89 ∗(46 ° C) kg kg ° K

H eV =2696.54 kJ /kg



Del Balance de energía:

F h F + S λ S=V ∗H eV + L¿ h L reemplazando para hallar el flujo de la calefacción de vapor

(

)

(

)

(

B . E :10000

kg kJ kg kJ kg kJ kJ =6000 ∗ 2696.54 +4000 ∗ 556.47 +S∗ 2136.03 ∗58.57 kg de sol kg kg s h h kg de sol h

S=8342.40

kg h

Hallamos el calor suministrado para el vapor entrante

Q=S∗λ S

Q=8342

kJ kg ∗2136.04 kgsol h

Q=17818845.68

Q=1.78∗107

kJ h

kJ h

Hallamos, la superficie de calefacción:

A=

S∗λ S U∗( T S−T L )

kcal ∗1kJ m ∗h∗° C kJ U=2500 =10469.01 2 0.2388 kcal m ∗h∗° C 2

(8342.40 kgh ∗2136.04 kgkJsol )

A=

10469.01

kJ ∗( 142.87 −106) °C m ∗h∗° C 2

A=46.16 m 2 evaluamos la economía del sistema:

V E= = S

kg h =0.71 kg 8342.4 h 6000

E = 0.71 Kg de agua evaporado por Kg de vapor vivo

Tabla de resultados a. La superficie de calefacción

46.16 m 2

b. Consumo horario de vapor de calef.

8342.4 kg / h

c. La economía

0.71...