Problemario 1 de Balances de Energia (2)

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UNIVERSIDAD AUTÒNOMA DE NUEVO LEÒN 
FACULTAD DE CIENCIAS QUÌMICAS
INGENIERÌA QUÌMICA 
Balances de Energía
PROBLEMARIO 1
Docente: María De La Luz Díaz De León Garza 
Grupo: 005 Equipo: 3
	NOMBRE
	MATRICULA
	Cerda González Kamila Isabel
	1842883
	Hernández Rangel Brandon Antonio
	1856347
	Pineda Sevilla Carla Ivanna
	1849323
	Torres Orozco Katya Monserrat
	1872298
	Zamora Tolentino Clara Edith
	1988409
Semestre: Agosto- Diciembre 2021 
San Nicolás de los Garza, a 31 de Agosto del 2021
7.29
El vapor sobrecalentado a 40 bar absolutas y 500ºC fluye a razón de 250 kg/min hacia una turbina adiabática, donde se expande a 5 bar. La turbina desarrolla 1500kW. Desde la turbina el vapor fluye a un calentador, donde se recalienta a presión constante hasta su temperatura inicial. Desprecie los cambios de energía cinética.
a) Haga un balance de energía para la turbina y utilícelo para determinar la temperatura de la corriente de salida.
b) Escriba un balance de energía para el calentador y úselo para determinar la alimentación necesaria (kW) al vapor.
c) Verifique que el balance total de energía del proceso de dos unidades se satisfaga.
d) Suponga que las tuberías de entrada y de salida de la turbina tienen, ambas, un diámetro de 0.5 metros. Demuestre que es razonable despreciar el cambio de energía cinética para esta unidad.
7.35 
Una turbina descarga 200 kg/h de vapor saturado a 10.0 bar absolutas. Se desea generar vapor a 250 ˚C 10.0 bar de mezclado la descarga de la turbina con una segunda corriente de vapor sobrecalentado a 300 ˚C y 10.0 bar.
a) Se van a generar 300 kg/h del producto en fase vapor,¿ cuánto calor debe agregarse a la mezcla?
b) Si, por otro lado, la mezcla se lleva acabo de forma adiabática, ¿a qué velocidad se genera el producto en fase vapor?
7.36
El agua líquida a 60 bar y 250 °C pasa por una válvula de expansión adiabática y emerge a presión Pf y temperatura Tf. Si Pf es lo bastante baja, parte del líquido se evapora.
1. Si Pf=1.0 bar, determine la temperatura de la mezcla final (Tf) y la fracción de alimentación líquida que se evapora (yv) escribiendo un balance de energía en torno a la válvula y despreciando ∆Ėk.
	Tabla B.7 Propiedades del vapor sobrecalentado
	P(bar)
(Tsat. °C)
	Ĥ
	Agua
sat.
	Vapor
sat.
	Temperatura (°C)
250
	1.0
(99.6)
	
	417.5
	2675.4
	-
	60
(275.6)
	
	-
	-
	1085.8
 
 
1. Si tomó en cuenta ΔĖk en el inciso a), ¿cómo se compararía la temperatura de salida calculada con el valor que determinó? ¿Qué ocurre con el valor calculado de yv? Explique su respuesta.
R= Si tomamos en cuenta la energía cinética en el balance de energía, la temperatura no sufriría cabio, ya que, seguiría siendo la Tsat a la presión que se da al final, por consiguiente, la mv sería menor, puesto que, habría menos agua evaporada, porque la energía que se evaporaría con el agua se convertiría en energía cinética
1. ¿Cuál es el valor de Pf por arriba del cual no se produciría evaporación?
R= Seria Pf=38.9, ya que, es la presión a la que el agua se encuentra aún en estado líquido.
1. Dibuje las formas de las gráficas de Tf contra Pf y yv contra Pf para 1 bar ≤ Pf ≤ 60 bar. Explique su respuesta. 
R= Cuando Pf ≤ 39.8 bar, la temperatura no incrementa, ya que, a una mayor temperatura incrementa la entalpia. Así mismo, cuando Pf ≥ 39.8 bar, el producto es líquido, quiere decir que no ocurre evaporación.
7.42 
Una mezcla que contiene 65.0 mol% de acetona (A) y el balance de ácido acético (B), se separa en una columna de destilación continua a 1 atm. El diagrama de flujo de la operación es como sigue:
 La corriente de producto del domo de la columna es un vapor que pasa por un condensador. El líquido condensado se divide en dos corrientes iguales: una se toma como producto del domo(destilado) y la otra (reflujo) se regresa a la columna. La corriente del producto de fondos de la columna es un líquido que se vaporiza en forma parcial en un rehervidor. La corriente de líquido que emerge de este último se toma como producto de fondos y el vapor se regresa a la columna, como vapor rehervido. La columna pierde una cantidad despreciable de calor, de modo que los únicos sitios del sistema donde se realiza la transferencia externa de calor son el condensador y el rehervidor.
a) Tomando como base 100 mol de alimentación, Calcule los requerimientos netos de calor(cal) para el proceso. (puede despreciar los calores de mezcla, aunque hacer esto para líquidos diferentes como acetona y ácido acético puede introducir cierto grado de error.)
a) Empleando la misma base, calcule la alimentación de calor necesaria al rehervidor y el calor que se debe eliminar del condensador.
7.52 
Una solución acuosa con gravedad especifica de 1.12 fluye por un canal con corte trasversal variable. A continuación, se muestran los datos tomados en dos posiciones axiales del canal:
	
	Punto 1
	Punto 2
	
	
	
	
	
	?
El punto 2 esta 6.00 metros más arriba que el 1.
a) 
Despreciando la fricción, calcule la velocidad en el punto 2(Vea el ejemplo 7.7-1.)
b) Si el diámetro de la tubería en el punto 2 es de 6.00 cm. ¿Cuál es su diámetro en el punto 1?
y	0	20	40	60	0.3	0.15	0	1E-4	Pf (bar)
yv
y	1	5	10	15	20	25	30	36	39.799999999999997	60	100	130	155	180	200	210	220	231	235	250	Pf (bar)
Tf (°C)
(
)
21
21
Balance de energia en la turbina 
0, 0, 0
ˆˆ
ˆˆ
34451500min60
3085
2501min
ˆ
30)
310º
85,5 (Tabla B.7
pk
ss
s
EQE
HWmHHW
W
HH
m
kJkJskJ
kgskgkg
kJ
HPbar
kg
TC
D==D@
D=-®-=-
®=-
æö
æöæö
®-=
ç÷
ç÷ç÷
èøèø
èø
==®
=
&
&&
&&&
&
&
(
)
(
)
32
i
Br
1662.5
alance de
0, 
e nergía e
0, 0
ˆˆ
34843085
 
2501min1
mn601/
n elintercambiador de calo
pk
kW
EQE
QHmHH
kJ
kgkW
kgskJs
D==D@
=D=-
-
æö
æöæöæö
®=
ç÷
ç÷ç÷ç÷
èøèøèø
èø
&
&&
&
&
&
(
)
(
)
31
n
B
1
alan
0
ce en
5
ergéti
1
co glob
0, 0, 0
ˆˆ
34843445
2501min1101
mi6
a
16.
0/
l
5
/
62
pk
s
s
s
kW
EQE
HQW
mHHQW
QHW
kJ
kgkWkJkW
kgskJsskJs
D==D@
=-
®-=-
=D+D
-
æö
æöæöæöæöæö
®+
ç÷
ç÷ç÷ç÷ç÷ç÷
èøèøèøèøèø
èø
=
&
&&
&
&
&
&
&
&
3
21
3
22
3
1
22
3
2
(,40 ,500º)0.0864(Tabla B.7)
(,5 ,310º)0.5318(Tabla B.7)
2501min0.08641
1.83
min600.5/4
2501min0.5318
min60
m
HOvbarCV
kg
m
HOvbarCV
kg
kgmm
u
skgms
kgm
u
skg
p
==
==
æö
æöæöæö
==
ç÷
ç÷ç÷ç÷
èøèøèø
èø
æ
æöæö
=
ç÷ç÷
èøèø
è
&
&
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
22
22
21
22
2
2
23
1
11.3
0.5/4
2
11.31.83
1
25011min1
min260
1/1
0.26
0
1500
k
kWkW
m
ms
m
Euu
m
kWs
kgN
ss
kgmsNm
p
ö
æö
=
ç÷
ç÷
èø
ø
éù
D=-
ëû
æö
éù
-
æöæö
æöæöæö
ëû
ç÷
ç÷ç÷
®
ç÷ç÷ç÷
ç÷
ç÷ç÷
èøèøèø
ø
<<
ç÷
èèø
èø
=
&
&
23
32
3
2
4
3
2
200 n
(2993)200(2726.2)(3052)
300
200
100
(300)(2943)200(2776.2)(100))
2.2510
(3052
BM
n
BE
n
Qx
QHnn
n
n
n
QH
+=
==--
=
=-
=
=
=
=--
V
V
2
3233
3
2
(2943)200(2776.2)(3052)(2943)200(2776.
5
2)(200)(3052)0
506.055
5065
306.0
0200
QO
mnnn
n
n
n
=
=-----
=
-=
=
=--
2
Tenemos que:
60 
1 
250
?
?
Por la Tabla B.7 sabemos que:
T1 99.62
99.6
i
f
i
f
v
sa
f
t
Pbar
Pbar
TC
T
y
barC
T
=
=
=°
=
=
=
==°
\
Balance de materia:
Ec.1:
100 
100 
Balance de energía:
vl
lv
k
mmkg
mkgm
E
+=
=-
D
&
p
E
+D
&
HQ
+D=
&
&
s
W
-
&
(
)
(
)
21
Ec.2
0
ˆˆˆ
vlT
H
HHHmHmHmH
D=
D=-=+-
&
&
(
)
(
)
Remplazamos que despejamos de la .1 en 
.2
2,675.4417.5108,580 0
2,675.4417.5108,580 
2,675.4417.510
0
8,580
k
 
10 g
v
l
l
l
v
v
v
EcEc
kjkj
mkj
kgkg
kjkj
mkj
kgkg
kjkj
mk
m
kgkg
m
m
m
æöæö
+-=
ç÷ç÷
èøèø
æöæö
+=
ç÷ç÷
èøèø
æöæö
+=
ç÷ç÷
ø
-
èèø
j
(
)
Sustituyendo valores de las entapías:
02,675.4417.5100 1,085.8
vl
kjkjkj
mmkg
kgkgkg
æö
æöæöæö
=+-
ç÷
ç÷ç÷ç÷
èøèøèø
èø
(
)
Simplificando:
2,675.441,750 417.5108,580 
2,675.4417.5108,580 41,750 
2,257.966,830 
vv
vv
v
kjkj
mkjmkj
kgkg
kjkj
mmkjkj
kgkg
kj
mkj
kg
æöæö
+-=
ç÷ç÷
èøèø
æöæö
-=-
ç÷ç÷
èøèø
æö
=
ç÷
èø
Despejando :
66,830 
v
v
m
kj
m
=
2,257.9
kj
29.6 
Sustituimos en .1:
100 
100 29.6 
70.4 
v
lv
l
l
kg
kg
mEc
mkgm
mkgkg
mkg
=
=-
=-
=
Calculamos para :
29.
0
6
6
 
100 100 
 
.29
v
v
v
kgvapor
kg
y
m
kgvapor
y
kgkg
===
25
25
5
2
5
5
55
5
5
balance de masa total
100=0.5N+N
balance de masa para el acetona 
0.65(100)0.98(0.5N)0.155(N)100-N
=N
0.5
100-N
0.65(100)0.98(0.5())0.155(N)
0.5
65980.98N0.155(N)
330.825N
33
N40 mo
0.825
=+
=+
=-+
-=-
-
==
-
µ
5
2
2
2
5
l
N40 mol
100-(40)
N=
0.5
N120 mol
calculamos las corrientes 
para N
A(0.5)(120)(0.98)58.6mol
AA(0.5)(120)(0.02)1.2mol
para N
A0.155(40)6.3mol
AA0.845(40)33.8mol
balance de energia 
W=0
0
i
sa
E
QHnH
=
=
==
==
==
==
D=
=D=
µ
µ
4
para las ultimos valores de 
98.763
T=67.2 por ello se uso el valor de la ta
bla 67.5
2
58.8(0)1.2(0)6.2(1385)33.8(1312)65(354)3
5(335
1.82
)
10
i
lidasentradas
xcal
nH
H
Q
Q
-
-
=
=+++--
=
åå
(
)
5
5
balance de masa para el condensador 
2(58.8)=117.6 moles de A
2(1.2)=2.4 moles de AA
balance de energia en el condensador 
117.6 073222.4(06807)8.7710cal 
 se retira del conde
8.7710cal
c
c
c
QH
Qx
x
Q
=D
=-+-=
-
-
=
455
5
nsador 
1.8210(8.7710)8.9510cal
 se debe añadir al rehervidor 
8.9510cal
rc
r
QQQxx
Q
x
x
=-=--=
=
2
45232
32
2
22
222
22
2
2
2
22
222
21
22
21
0
2
(9.77101.510)(1/)()
46.69
()(1.1210)
9.8(6)
58.8
(46.6958.8)
12.1
2
212.1
__
212.
Pu
gz
PxPaxPaNmmm
Paxkgs
mmm
gz
ss
umm
ss
Despejando
m
u
s
udifdeu
uuu
uu
r
r
DD
++D=
D-
==-
D==
D-
==-
æö
D=-
ç÷
èø
D=\
D=-
=+-
2
2
222
22
2
222
2
2
2
1
(5.00)(2)(12.1)0.8
0.80.894
m
s
mmm
u
sss
mm
u
ss
æö
ç÷
èø
=-=
==
3
22
12
12
2
12
1
1
44
0.894/
(6)2.54
5.00/
uu
m
Vdd
s
u
dd
u
ms
dcmcm
ms
pp
æö
==
ç÷
èø
=
==
&
21
21
ˆ
(,40 ,500º)3445(Tabla B.7)
ˆ
(,5 ,500º)3484(Tabla B.7)
kJ
HOvbarCH
kg
kJ
HOvbarCH
kg
==
==