Balance de materia y energía. Bloque de corrección (Rellena el ayudante)

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Contenido

Ejercicio 1:        

Ejercicio 2:        

Ejercicio 3:        

Sección conceptual        

Referencias        

Figura 1 Proceso de destilación        

Figura 2 Proceso ejercicio 2        

Figura 3 Entalpía vs fracción en masa        

Tabla 1 Entalpías de vaporizacion        

Tabla 2  Capacidades caloríficas        

Ejercicio 1:

Uno de los procesos más importantes y estudiados en ingeniería de procesos corresponde a la

destilación. La destilación consiste en separar mediante la diferencia en los puntos de ebullición una

mezcla de fluidos. Generalmente en la parte de fondo de la torre se utiliza un rehervidor que entrega la

energía necesaria para llevar a cabo la separación. En la parte superior se condensa una corriente cuya

composición es mayoritariamente el compuesto más volátil y por la parte inferior se obtiene el

compuesto más pesado. En el proceso de separación de una mezcla benceno – tolueno una columna de destilación separa 1500 kg/h de esta solución que contiene 55% en masa de benceno. El producto recuperado del condensador en el tope (parte superior) de la columna contiene 91% de benceno e ingresa a él a 82°C. La corriente de vapor que entra al condensador de la parte superior de la columna es 1200 kg/h que luego de ser condensada se dirige a un estanque acumulador en el cual una parte del producto se regresa a la columna como reflujo y el resto es tomado para utilizarlo en otra sección de proceso (destilado). Suponga que las composiciones de las corrientes en la parte superior de la columna; el producto retirado (destilado) y el reflujo (recirculación) son idénticas. El fondo de ésta torre contiene 96% de tolueno, corriente que abandona el proceso a 105°C. El tolueno obtenido de esta corriente es utilizado para la producción de pegamento, el cual debe ingresar a otra sección del proceso a 60 °C. Para lograr esta disminución de temperatura se utiliza un intercambiador de calor.

Determine:

a) Realice el diagrama de proceso (PFD) correspondiente para la situación presentada.

b) Realice el o los balances de materia necesarios para la torre de destilación.

c) Determine la corriente de destilado y de reflujo en (kg/h)

d) Realice los balances de energía para el condensador y el intercambiador de calor.

e) Obtenga los requerimientos de agua de enfriamiento para el condensador y el intercambiador de

calor.

f) Identifique las posibles causas de pérdidas de energía.

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Figura 1 Proceso de destilación

1.  Utilizando la expresión de balance de masa:

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Como no existe acumulación, puesto que se encuentra en estado estacionario, No existe generación ni transferencia de materia, El balance queda:

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Realizando un balance de masa global del proceso y otro por la cantidad de tolueno, se tiene que:

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Como el valor de  es conocido y es igual a 1500 [kg/h] se procede a resolver el sistema de ecuaciones, obteniendo asi:[pic 8]

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Realizando un balance de materia en la torre de destilacion se tiene que:

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Teniendo el valor de   y  se obtiene que . [pic 12][pic 13][pic 14]

1. Destilado = 879,3 [kg/h] y Reflujo = 320,7 [kg/h].
2. Utilizando la expresión de balance de energía:

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En ambos equipos no existe acumulación de energía, ni generación de esta, por lo tanto, la expresión de balance de energía queda:

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Condensador:

Para obtener el balance en el condensador se supondrá que es un condensador total, está perfectamente aislado y la presión se mantiene constante, Así

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        Dado que el fluido que pasa por el equipo es una mezcla se procederá a calcular un  de la mezcla con un promedio ponderado entre las dos entalpias de vaporización.[pic 18]

Tabla 1 Entalpías de vaporizacion

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Intercambiador de calor:

Puesto que la mayoría de la mezcla contiene tolueno y a presión atmosférica la temperatura de ebullición es inferior a 105 °C, se asume que el fluido está completamente líquido.

Análogamente al balance realizado en el condensador obtendremos que el calor intercambiado es:

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Se procede a obtener el valor de  con la expresión: [pic 24]

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Para obtener el valor del cp de la mezcla se realizará un ponderado entre los cp de cada uno de los compuestos:

Tabla 2  Capacidades caloríficas

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Con todos los datos, finalmente se obtiene que el calor recibido es: [pic 27]

1. Se utilizará el agua líquida como fluido de servicio para llevar a cabo la condensación y el intercambio de calor en el proceso. Se ingresará a temperatura ambiente (aprox 20°C) y se calentará hasta un máximo de 50 °C, debido a que pasada de esta temperatura comienza a precipitar los minerales que contiene el agua formando sarro.

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1. Existirán perdidas naturales provocada por la entropía y perdidas del proceso provocadas por la fricción entre las tuberías y el fluido, también parte de la energía se traspasará a los alrededores en el condensador y el intercambiador de calor, puesto que estos equipos en la realidad no están perfectamente aislados.

Ejercicio 2:

A continuación, se presenta un sistema similar al instalado en el Laboratorio. En este proceso hay dos ciclos involucrados, el ciclo de enfriamiento y el de calefacción. El primero está conformado por las líneas 1, 2, 3 y 4 y el segundo por las líneas 5, 6, 7 y 8. El segundo ciclo cumple la función de simular el calor de reacción producido por una reacción química en el reactor CSTR1. Esto se logra calentado el agua que entra al reactor mediante una resistencia R1. El primer ciclo utiliza agua de la matriz para enfriar el reactor CSTR1. El agua que sale del reactor debe ser enfriada antes de ser devuelta al alcantarillado y es por eso que el agua que viene desde la matriz intercambia calor con el agua que va hacia el alcantarillado en el intercambiador de tubos y coraza HX1.

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