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Ingeniería de Procesos

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Published on June 4, 2008

Author: nestorbalcazar

Source: slideshare.net

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Ingeniería de Procesos
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1. Introducción al diseño de Procesos Ingeniería de Procesos 1

1.2 Diseño de procesos Objetivo (Especificaciones de diseño) Colección de datos Propiedades físicas Métodos de diseño Generación de posibles diseños Selección y evaluación (Optimización) Diseño final Ingeniería de Procesos 2

Restricciones en el diseño Región de Recursos todos los diseños rid es ad se cion Le ye Materiales de gula ce del gu Co pro sf de pro ción ísic nd ces so Re icio o as lec ne Se Diseños s plausibles l Mé na os rso to Re onó dig do Pe ec str mic s có Tiempo icc y ion as res es da Diseños posibles tán Es Control del Gobierno Ingeniería de Procesos 3

1.3 Anatomía de un proceso de manufactura química Subproductos Reciclo de material que no ha reaccionado. Residuos Preparación de la Separación del Purificación del Reacción alimentación producto producto Almacenamiento Almacenamiento de materia prima del producto Venta Ingeniería de Procesos 4

Selección entre procesos continuos y procesos batch Continuo: 1. Tasa de producción superior a 5 x 106 kg/h 2. Producto único 3. Buen periodo de vida del catalizador 4. El proceso es conocido 5. Mercado establecido 6. No existen severas limitaciones Ingeniería de Procesos 5

Batch 1. Tasa de producción inferior a 5 x 106 kg/h 2. Rango de productos o especificaciones del producto 3. Corto periodo de vida del catalizador 4. El producto es nuevo 5. Incertidumbre en el diseño 6. Severas limitaciones Ingeniería de Procesos 6

1.4 Organización de un proyecto de Ing. Química Fases para el diseño: Fase 1. Diseño de proceso - Selección de proceso - Diagramas de flujo - Selección, especificación y diseño de equipos - Diagramas de tubería e instrumentación Fase 2. Ingeniería de detalle - Diseño mecánico detallado de equipos - Diseño estructural, civil y eléctrico - Especificación y diseño de equipos auxiliares Ingeniería de Procesos 7

Sección de construcción Construcción Puesta en marcha Sección de proceso Sección de planificación Director del Evaluación del proceso Inspección proyecto Diagramas de flujo Estimación Especificaciones de equipo Planificación Sección de especialistas en diseño Tanques, Instrumentación y control, Compresores, bombas, turbinas, obras civiles, utilidades, intercambiadores de calor. Ingeniería de Procesos 8

1.5 Documentación del proyecto La documentación incluirá: a. Correspondencia general con el grupo de diseño y con: departamento de gobierno vendedores de equipo personal cliente b. Hojas de cálculo cálculos de diseño costos Ingeniería de Procesos 9

c. Dibujos Diagramas de flujo Diagramas de tuberías e instrumentos Diagramas de planta Planos de ubicación Detalles de equipo Diagramas de sistemas de tuberías Dibujo arquitectónico d. Hojas de especificaciones Intercambiadores de calor Bombas e. Ordenes de compra Cotizaciones Facturas Ingeniería de Procesos 10

Ejemplo 1.1 Diagrama de flujo de proceso de una planta para la manufactura de benceno por desalquilación de tolueno Ingeniería de Procesos 11

Ejemplo 1.2 Diagrama P&I de una planta para la desalquilación de benceno Ingeniería de Procesos 12

1.6 Códigos y estándares 1. Materiales, propiedades y composición 2. Procedimientos de ensayo para rendimiento, composición y calidad. 3. Tamaños estándar: por ejemplo, tubos, platos, secciones. 4. Métodos de diseño, inspección, fabricación. 5. Códigos de práctica, para operación y seguridad de plantas. Ingeniería de Procesos 13

1.7 Factores de diseño El diseño es un arte inexacto. Existirán errores e incertidumbres en las propiedades físicas y las aproximaciones realizadas para los cálculos de diseño. En diseño mecánico y estructural, se usa un factor de diseño de 4 para la fuerzas de tensión y 2.5 para los esfuerzos. La magnitud del flujo de las corrientes de proceso calculadas a partir de los balances de materia son incrementados en un factor del 10 % para dar flexibilidad en la operación del proceso. Ingeniería de Procesos 14

1.8 Representación matemática del proceso Corrientes Corrientes de entrada de salida Información Información de entrada de salida Métodos de cálculo Ingeniería de Procesos 15

Grados de libertad La diferencia entre el número de variables involucradas en un diseño y el número de relaciones de diseño, se denomina grados de libertad. Si Nv, representa el número de variables en un problema de diseño, Nr el número de relaciones de diseño, entonces los grados de libertad Nd están dados por: Nd = Nv – Nr Si Nv = Nr, Nd = 0 ; el problema tiene solución única. Si Nv < Nr, Nd < 0 ; el problema es sobredefinido, únicamente es posible un solución trivial. Si Nv > Nr, Nd > 0 ; hay un número infinito de posibles soluciones. Ingeniería de Procesos 16

Ejercicio 1.1: Calcular los grados de libertad en una corriente de proceso. Ejercicio 1.2: Calcular los grados de libertad en un proceso de destilación flash. Ingeniería de Procesos 17

Ejercicio 1.3: Considerar los siguientes procesos típicos representados por sus respectivas figuras, y para cada uno plantear la pregunta: ¿Cuántas variables es necesario especificar? [es decir, ¿Cuántos grados de libertad hay?] para que la resolución de los balances de materia y de energía combinados esté determinado. Todos los procesos serán en estado estacionario, y las corrientes que entran y salen consistirán en una sola fase. Ingeniería de Procesos 18

a. Divisor de corriente: Suponer que Q = W = 0, y que en el proceso no interviene el balance de energía. Implícito en el divisor está el hecho de que las temperaturas, presiones y composiciones de las corrientes de entrada y de salida son idénticas. Ingeniería de Procesos 19

b. Mezclador: Para este proceso suponer que W = 0, pero no Q. Ingeniería de Procesos 20

c. Intercambiador de calor C-1 T-1 T-2 E-2 C-2 d. Bomba: Suponer que Q=0 Ingeniería de Procesos 21

Ejercicio 1.4 Grados de libertad cuando ocurre una reacción en el sistema Una reacción clásica para producir H2 es la llamada reacción de “desplazamiento de agua”: CO + H20 ↔ CO2 + H2 La figura muestra los datos del proceso y la información conocida. ¿Cuántos grados de libertad quedan por satisfacer? Por sencillez, suponga que la temperatura y la presión de todas las corrientes que entran y salen son iguales y que todas las corrientes son gases. La cantidad de agua en exceso de la requerida para convertir todo el CO a CO, está previamente determinada. Ingeniería de Procesos 22

Ejercicio 1.5 Grados de libertad para el caso de múltiples reacciones Se quema metano en un horno con 10% de aire en exceso; la combustión no es completa, así que sale algo de CO del horno, pero nada de CH4. Las reacciones son: CH4 + 1 SO2 → CO + 2H2O CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O CO +0.5O2 → CO2 Realice un análisis de grados de libertad para este problema de combustión. Ingeniería de Procesos 23

Ejercicio 1.6 Se produce amoniaco por reacción de N2 y H2: N2 + 3H2 → 2NH3 La figura muestra un diagrama de flujo simplificado. Todas las unidades excepto el separador y las tuberías son adiabáticas. El amoniaco líquido producido está prácticamente libre de N2, H2 y Ar. Suponga que el gas de purgado está libre de NH3. Considere que el proceso está formado por cuatro unidades individuales para un análisis de grados de libertad, y luego quite las variables redundantes y agregue las restricciones redundantes a fin de obtener los grados de libertad del proceso global. La fracción de conversión en el reactor es del 25%. Ingeniería de Procesos 24

Flujo de información y estructura de los problemas de diseño Ejemplo 1.7 Plantear un esquema de solución para el siguiente sistema de ecuaciones f1(x1,x2)=0 f2(x1,x2,x3,x5)=0 f3(x1,x3,x4)=0 f4(x2,x4,x5,x6)=0 f5(x5,x6,x7)=0 Ingeniería de Procesos 25

Solución x3 x4 f1 f2 f3 f4 f5 x1 x2 x5 x6 x7 x3 x5 x3 x1 x2 x7 f1 f2 f3 f4 f5 x4 x4 x2 Diagrama de flujo de información (Sistema acíclico) Ingeniería de Procesos 26

Ejercicio 1.8 Plantear un esquema de solución para el siguiente sistema de ecuaciones. f1(x1,x2)=0 f2(x1,x3,x4)=0 f3(x2,x3,x4,x5,x6)=0 f4(x4,x5,x6)=0 Ingeniería de Procesos 27

2. Balances de materia Ingeniería de Procesos 28

2.1 Conservación de la materia Para cualquier sistema que no involucre procesos nucleares, la ecuación general de conservación de la materia puede ser escrita en la forma: Entrada de materia - Salida de materia + Generación – Consumo = Acumulación Para procesos en estado estacionario: Entrada de materia = Salida de materia Ingeniería de Procesos 29

Ejercicio 2.1: 2000 kg de una solución de hidróxido de calcio al 1% en agua, será preparada por dilución de una solución al 20%. Calcular las cantidades requeridas. Los porcentajes se dan en peso. P-2 P-1 1 2 1,H2O W/W 2,NaOH W/W E-1 P-3 3 3,NaOH W/W Ingeniería de Procesos 30

2.2 Unidades usadas para expresar composiciones Cuando se expresa una composición como un porcentaje, es importante establecer claramente la base: peso, molar o volumen. Las abreviaciones w/w y v/v son usadas para designar como base el peso o el volumen. Ejercicio 2.2: Ácido clorídrico de grado técnico tiene una concentración de 20% w/w , exprese la concentración como % molar. Ingeniería de Procesos 31

2.3 Estequiometría Estequiometría ( del griego stoikeion – elemento ) es la aplicación práctica de la ley de proporciones múltiples. La ecuación estequiométrica de una reacción química, establece sin ambigüedad el número de moléculas de reactantes y productos que intervienen en una reacción. Ejercicio 2.3: Balancear la ecuación global para la manufactura de cloruro de vinilo a partir de etileno, cloro y oxígeno. A(C2H4) + B(Cl2) + C(O2) → D(C2H3Cl) + E(H2O) Ingeniería de Procesos 32

2.4 Selección de fronteras de control Ejercicio 2.4: El diagrama muestra los principales pasos en un proceso para la producción de un polímero. Dados los siguientes datos, calcule los flujos de corriente para una tasa de producción de 10000 kg/h. Reactor: Rendimiento sobre el polímero 100 % Corriente para polimerización 20 % monómero / H2O Conversión 90 % Catalizador 1 kg / 1000 kg monómero Agente short - stopping 0.5 kg / 1000 kg monómero no reaccionante. Filtro: Agua de lavado aproximadamente 1 kg / kg Hpolímero Columna de recuperación: 98 % recuperación de monómero Secadero: Alimentación 5% agua, especificación de producto 0.5% H2O. Pérdidas de polímero en secador y filtro: aprox. 1% Calcular la cantidad de monómero alimentado al proceso. Ingeniería de Procesos 33

Monómero reciclo E-5 Recuperador de monómero P-10 P-5 V-1 Válvula de mezcla P-12 P-1 Efluente Monómero P-7 E-1 Short Step P-3 Agua Reactor Pérdidas P-2 E-2 Mezclador P-8 E-3 P-4 Catalizador Filtro P-11 P-6 Polímero 10000 kg polímero P-9 0.5% agua E-4 Secadero Ingeniería de Procesos 34

2.5 Selección de la base de cálculo 1. Tiempo. Seleccionar la base de tiempo utilizada para presentar los resultados. Por ejemplo kg / h, Ton / h 2. Para procesos batch, utilizar una unidad batch. 3. Seleccionar como base másica la corriente de flujo para la cual existe mayor información. 4. Es más fácil trabajar en moles que en peso cuando no existen reacciones químicas involucradas. 5. Para gases, si las composiciones están dadas en base volumétrica, usar como base una unidad de volumen. Recordar que las fracciones en volumen son equivalentes a fracciones molares siempre y cuando las presiones sean moderadas. Ingeniería de Procesos 35

2.6 Número de componentes independientes Sistemas físicos, sin reacción El número de componentes independientes es igual al número de especies químicas. Sistemas químicos, con reacción. El número de componentes independientes puede ser calculado por la expresión: Nº componentes independientes = Nº de especies químicas – Nº de ecuaciones químicas independientes Ingeniería de Procesos 36

Ejercicio 2.5: Calcular el número de componentes independientes del siguiente proceso HNO3/H2O Oleum H2SO4/H2O/SO3 SO3+H2O→H2SO4 P-2 P-1 E-1 H2O HNO3 H2SO4 P-3 Ingeniería de Procesos 37

2.7 Restricciones sobre el flujo y las composiciones Los flujos de los componentes en una corriente son completamente definidos especificando: 1. El flujo (o cantidad) de cada componente. 2. El flujo total (o cantidad) y la composición. 3. El flujo de un componente (o cantidad) y la composición. Recordar que la suma de las fracciones en peso o molares de los componentes de una corriente debe ser igual a 1. Ingeniería de Procesos 38

Ejercicio 2.6: Una corriente de alimentación a un reactor contiene: 16% de etileno, 9% de oxígeno, 31% de nitrógeno, y ácido clorhídrico. Si el flujo de etileno es 5000 Kg/h, calcular los flujos individuales y el flujo total. Todos los porcentajes están en peso. Ingeniería de Procesos 39

2.8 Componentes de enlace Ejercicio 2.7: Se añade dióxido de carbono a una velocidad de 5 kg / h en una corriente de aire y el aire es muestreado a una distancia corriente abajo lo suficientemente grande para asegurar una mezcla completa. Si el análisis muestra 0.45% v/v CO2 , calcular la velocidad de flujo de aire. Contenido de CO2 en el aire = 0.03% Ingeniería de Procesos 40

Ejercicio 2.8: En un ensayo sobre un horno que quema gas natural (96% de metano, 4% nitrógeno), se obtuvo el siguiente análisis: 9.1% de dióxido de carbono, 0.2% de monóxido de carbono, 4.6% de oxígeno, 86.1% de nitrógeno, todos los porcentajes en volumen. Calcular el porcentaje de aire en exceso. Reacción: CH4+2O2 → CO2+2H2O Ingeniería de Procesos 41

2.9 Reactivo en exceso cantidad suministra da - cantidad estequiomé trica % exceso = × 100 cantidad estequiomé trica Ejercicio 2.9: Para asegurar una combustión completa, 30% de aire en exceso es suministrado a un quemador para la combustión de gas natural. La composición del gas (por volumen) es 95% de metano, 5% de etano. Calcular los moles de aire requerido por mol de combustible. CH4+2O2 → CO2+2H2O C2H6+(3/2)O2 → 2CO2+3H2O Ingeniería de Procesos 42

2.10 Conversión y rendimiento CONVERSIÓN. Es una medida de la fracción de reactivo que reacciona. cantidad de reactivo consumido Conversión = cantidad suministra da cantidaden la corrientede alimentaci - cantidaden la corrientede producto ón = cantidaden la corrientede alimentaci ón Ingeniería de Procesos 43

Ejericio 2.10: En la manufactura de cloruro de vinilo (VC) por pirolisis de dicloroetano (DCE), la conversión de un reactor está limitada al 55% para reducir la formación de carbón, el cual puede deteriorar los tubos del reactor. Calcular la cantidad de dicloroetano necesaria para producir 6000 kg / h VC. C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl Ingeniería de Procesos 44

RENDIMIENTO. Es una medida de la eficiencia de un reactor o una planta. Para un reactor : moles de productoproducido× factor estequiomé trico Rendimient = o moles de reactivoconvertido Para una planta : moles de productoproducido× factor estequiométrico Rendimient = o moles de reactivoalimentado al proceso s Ingeniería de Procesos 45

Ejercicio 2.11: En la producción de etanol por la hidrólisis de etileno, se produce dietileter como subproducto. Una composición típica de la corriente de alimentación es: 55% etileno, 5% inertes, 40% agua, y una corriente de producto: 52.26% etileno, 5.49% alcohol, 0.16% eter, 36.81% de agua, 5.28% de inertes. Calcular el rendimiento de etanol y eter basado en etileno. C2H4+H2O→C2H5OH 2C2H5OH→(C2H5)2O+H2O C2H4 55% Inertes 5% H2O 40% E-1 C2H4 52.26% C2H5OH 5.49% (C2H5)2O 0.16% H2O 36.81% Inertes 5.28% Ingeniería de Procesos 46

Ejericicio 2.12: En la cloración de etileno para producir dicloroetano (DCE), la conversión de etileno es reportada como 99%. Si 90 moles de DCE son producidos por 100 moles de etileno alimentado, calcular el rendimiento global y el rendimiento del reactor basado en etileno. El etileno que no ha reaccionado no es recuperado. C2H4+Cl2→C2H4Cl2 Ingeniería de Procesos 47

2.11 Procesos con reciclo, purga y derivación Ingeniería de Procesos 48

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Ejercicio 2.13: Una columna de destilación separa 10000 kg / h de una mezcla de 50% de benceno y 50% de tolueno. El producto D recuperado del condensador en la parte superior de la columna contiene 95% de tolueno. El flujo de vapor V que entra en el condensador desde la parte superior de la columna es de 8000 kg / h. Una porción del producto del condensador se devuelve a la columna como reflujo, y el resto se extrae para usarse en otro sitio. Suponga que la composición del flujo en la parte superior de la columna (V), del producto extraído (D), y del reflujo (R) son idénticas porque el flujo V se condensa por completo. Calcule la razón entre la cantidad reflujada R y el producto extraído D. Ingeniería de Procesos 50

Ingeniería de Procesos 51

3. Balances de Energía Ingeniería de Procesos 52

3.1 Conservación de la energía Energía que sale = Energía que entra + generación – consumo - acumulación Ingeniería de Procesos 53

3.2 Formas de energía Energía Potencial Energía Potencial = gz donde z = altura sobre un base de referencia (m) g = acelaeración gravitacional (9.81 m/s 2 ) Energía Cinética u2 Energía Cinética = 2 donde u = velocidad, m/s. Ingeniería de Procesos 54

Energía Interna U = f (T ) donde U es la energía interna y T es la temperatura del material. Trabajo l W = ∫ Fdx 0 donde F = Fuerza, N. x y l = distancia, m. 2 W = ∫ Pdv 1 donde P = Presión, Pa (N/m 2 ), v = volumen por unidad de masa, m 3 / kg Ingeniería de Procesos 55

Para una expansión isotérmica (expansión a temperatura constante) : P·v = ctte Para una expansión adiabática reversible : P·v γ = ctte donde γ = C p / C v Calor La energía es transferida como calor y como trabajo. Un sistema no tiene calor pero puede transferir calor o trabajo. Energía Eléctrica La energía eléctrica será significativa únicamente en procesos Electroquímicos. Ingeniería de Procesos 56

3.3 El balance de energía Q salida W 2 z2 entrada 1 z1 2 2 u u U1 + P1 v1 + 1 + z1g + Q = U 2 + P2 v 2 + 2 + z 2 g + W 2 2 Ingeniería de Procesos 57

Es conveniente tomar los términos U y P·v juntos, definiendo el término entalpía como H = U + P·v = f(T,P) La entalpía puede ser calculada a partir de los datos de calor latente y específico. Si los términos de energía cinética y potencial son despreciables, Se obtiene, H2 - H1 = Q - W Para muchos procesos el trabajo será igual a cero o se puede despreciar, obteniéndose, Q = H2 – H1 Ingeniería de Procesos 58

3.4 Cálculo de cambios entalpía Ingeniería de Procesos 59

Para materiales puros sin cambio de fase, T H T = ∫ C p dT Td H T = entalpía específica a la temperatura T. donde : C p = capacidad calorífica del material, presión constante. Td = temperatura de referencia Si ocurre un cambio de fase, entre la temperatura especificada y la temperatura de referencia, es necesario adicionar los calores latentes de cambio de fase. Tp T H T = ∫ Cp1dT + ∆H cambio de fase + ∫ Cp 2 dT Td Tp Tp = temeperatura de cambio de fase donde : C p1 = capacidad calorífica de la primera fase C p2 = capacidad calorífica de la segunda fase Ingeniería de Procesos 60

El calor específico a presión constante varía con la temperatura. Para sólidos y gases, es usualmente expresada mediante una ecuación en serie de potencias. C p = a + b·T + c·T 2 o C p = a + b·T + c·T −1 / 2 Ingeniería de Procesos 61

Ejercicio 3.1 La capacidad calorífica del dióxido de carbono gaseoso es función de la temperatura y en una serie de experimentos repetidos se han obtenido los siguientes valores: Obtenga los valores de los coeficientes de la ecuación Cp=a+b·T+c·T 2 que producen el mejor ajuste a los datos. Ingeniería de Procesos 62

Ejercicio 3.2 Cálculo de ∆H para una mezcla de gases empleando ecuaciones de capacidad calorífica La conversión de desechos sólidos en gases inocuos se puede realizar en incineradores siguiendo un método aceptable desde el punto de vista ambiental. Sin embargo, los gases de escape calientes a menudo tienen que enfriarse o diluirse con aire. Un estudio de factibilidad económica indica que los desechos municipales sólidos pueden quemarse para producir un gas con la siguiente composición (en base seca): CO2 9.2%, CO 1.5%, O2 7.3%, N2 82%. ¿Cuál es la diferencia de entalpía para este gas por Ib mol entre la parte inferior y la superior de la chimenea si la temperatura en la parte inferior es de 550°F, y la de la parte superior, 200°F? Ignore el vapor de agua en el gas. Puede ignorar también los efectos energeticos que resulten del mezclado de los componentes gaseosos. Ingeniería de Procesos 63

3.3 El efecto de la presión sobre la capacidad calorífica Ingeniería de Procesos 64

Ejercicio 3.3 La capacidad calorífica (estado de gas ideal) del etileno está dada por la ecuación: C o = 3.95 + 15.6 × 10 −2 T − 8.3 × 10 −5 T 2 + 17.6 × 10 −9 T 3 J/mol·K p Estime el valor a 10 bar y 300 K. Datos adicionales para el etileno: Pc=50.5 bar Tc=283 K Ingeniería de Procesos 65

3.4 Entalpía de mezclas Para gases, el calor de mezcla es despreciable, Cp(mezcla) = xaCpa+xbCpb+xcCpc+… Para mezclas líquidas y soluciones, el calor de mezcla puede ser Significativo. A la temperatura T, la entalpía específica de la mezcla está dada por: Hmezcla,T=xaHa,T+xbHb,T+∆Hm,T donde Ha,T y Hb,T son las entalpías específicas de los componentes a y b, y –∆Hm,T es el calor de mezcla cuando se forma un mol de solución a la temperatura T. Ingeniería de Procesos 66

Calores integrales de solución Los calores de solución son dependientes de la concentración. El calor integral de solución a cualquier concentración dada es el calor absorbido o generado en la preparación de una solución a partir de un solvente y soluto puros. El calor integral de solución a una dilución infinita se llama calor integral estándar de solución. Ingeniería de Procesos 67

Ejercicio 3.4 Una solución de NaOH en agua es preparada diluyendo una solución concentrada en un tanque agitado con chaqueta de enfriamiento. La solución concentrada tiene una concentración del 50% w/w, y se requieren 2500 kg de solución al 5% por batch. Calcule el calor removido por el agua de enfriamiento si la solución es descargada a una temperatura de 25 ºC. La temperatura de la solución alimentada al tanque puede ser tomada como 25 ºC. mol H2O/mol NaOH 2 4 5 10 Infinito 22.9 34.4 37.7 42.5 42.9 -∆Hºsolución kJ/mol NaOH Ingeniería de Procesos 68

3.5 Calores de reacción El calor de reacción se puede calcular mediante la expresión: ∆H r ,T = ∆H o + ∆H productos − ∆H reactivos r donde –∆Hr,T = Calor de reacción a la temperatura T ∆Hreactivos = Cambio de entalpía para los reactivos ∆Hproductos= Cambio de entalpía de los productos Ingeniería de Procesos 69

Efectos de la presión sobre los calores de reacción ⎡⎛ ∂H producto ⎞ ⎛ ∂H reactivos ⎞ ⎤ P = ∆H + ∫ ⎢⎜ ⎜ ∂P ⎟ − ⎜ ∂P ⎟ ⎥dP + ..... ∆H r ,P ,T o ⎟ r ⎠T ⎝ ⎠T ⎥ 1 ⎢⎝ ⎣ ⎦ ⎡⎛ ∂H producto ⎞ ⎛ ∂H reactivos ⎞ ⎤ T ..... ∫ ⎢⎜⎜ ∂T ⎟ − ⎜ ∂T ⎟ ⎥dT ⎟ ⎠P ⎝ ⎠P ⎥ 298 ⎢⎝ ⎣ ⎦ Ingeniería de Procesos 70

H Ingeniería de Procesos 71

3.6 Calores estándar de formación ∆H o = ∑ ∆H o,productos − ∑ ∆H fo,reactivos r f 3.7 Calores estándar de combustión ∆H o = ∑ ∆H o,reactivos − ∑ ∆H o,productos c c c Ingeniería de Procesos 72

Ejercicio 3.5 Calcular los calores estándar de la siguiente reacción, dadas las entalpías de formación. 4NH3(g)+5O2(g) → 4NO(g)+6H2O(g) Las entalpías de formación estándar en kJ/mol son NH3(g) -46.2 NO(g) +90.3 H2O(g) -241.6 Ingeniería de Procesos 73

Ejercicio 3.6 Calcular el calor estándar de reacción para la siguiente reacción: la hidrogenación de benceno a ciclohexano. (1) C6H6(g)+3H2 → C6H12(g) ∆Hco= -3287.4 kJ (2) C6H6(g)+7.5O2(g) → 6CO2(g)+3H2O(l) ∆Hco=-3949.2 kJ (3) C6H12(g)+9O2 → 6CO2(g)+6H2O(l) ∆Hco=-393.12 kJ (4) C(s)+O2(g) → CO2(g) ∆Hco=-285.58 kJ (5) H2(g)+0.5O2(g) → H2O(l) Las presiones y temperaturas estándar son 25ºC, 1 atm. Ingeniería de Procesos 74

Ejercicio 3.7 Se quema por completo monóxido de carbono a 10°C y una presión de 2 atm con 50% de aire en exceso que está a 538°C. Los productos de la combustión salen de la cámara de combustión a 426°C. Calcule el calor generado en la cámara de combustión expresado en kJ por kg de CO que entra. 800 ºF P lbmol CO 50ºF CO2? x1 O2? x2 N2? x3 W=0 Q=? Reactor CO(g)+0.5 O2(g) →CO2(g) 50% aire exceso, 1000 ºF 0.21 O2 0.79 N2 Ingeniería de Procesos 75

Datos adicionales C o = a + b·T + c·T −2 p T ≡º C C o ≡ J /(g mol)(º C) p ∆Hfo (kJ/g mol) Compuesto a b c 4.233 x 10-2 -2.887 x 10-5 36.11 -393.51 CO2 0.411 x 10-2 0.3548 x 10-5 28.95 -110.52 CO 1.158 x 10-2 -0.6076 x 10-5 29.10 0 O2 0.2199 x 10-2 0.5723 x 10-5 29.00 0 N2 Ingeniería de Procesos 76

Ejericicio 3.8 Temperatura de reacción (flama) adiabática Calcule la temperatura de flama teórica para CO gaseoso quemado a presión constante con 100% de aire en exceso, si los reactivos entran a 100°C y 1 atm. Ingeniería de Procesos 77

3.7 Compresión y expansión de gases 2 − W = ∫ Pdv 1 Si la compresión o expansión es isotérmica, Pv = constante P R ·T1 P2 - W = P1 v1 ln 2 = ln P1 M P1 Si el proceso es politrópico, Pv n = cons tan te n ⎡⎛ P2 ⎤ RT1 n ⎡⎛ P2 ⎤ ( n −1) / n ( n −1) / n ⎞ ⎞ ⎢⎜ ⎟ ⎢⎜ ⎟ − 1⎥ = Z − 1⎥ − W = P1 v1 n − 1 ⎢⎜ P1 ⎟ M n − 1 ⎢⎜ P1 ⎟ ⎥ ⎥ ⎣⎝ ⎠ ⎣⎝ ⎠ ⎦ ⎦ Ingeniería de Procesos 78

Ingeniería de Procesos 79

Ingeniería de Procesos 80

Ingeniería de Procesos 81

3.8 Integración de Procesos y Tecnología Pinch Ingeniería de Procesos 82

Ejercicio 3.9 Ingeniería de Procesos 83

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