INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA I. MÓDULO 10: Las relaciones termodinámicas y los diagramas

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1 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA I GUÍA DE TRABAJOS PRÁCTICOS MÓDULO 10: Las relaciones termodinámicas y los diagramas

2 LAS RELACIONES TERMODINÁMICAS Y LOS DIAGRAMAS - desarrollos prácticos - Tipo A A.1.- Desarrollar las siguientes relaciones termodinámicas: a) G/ T v b) G/ A P c) h/ P G A.2.- El diagrama de flujo de la figura corresponde al de una planta generadora de vapor sobrecalentado que opera en una refinería. Parte del vapor se emplea como fluido de media presión para: a) fuente de energía para las turbinas que accionan las bombas de: agua de alimentación suministro a caldera entrada de condensado a desobrecalentadora entrada de fuel - oil a caldera b) como fuente de energía para las turbinas que accionan el compresor de aire de instrumentos y el ventilador de la caldera c) como fuente de calor para el intercambiador de fuel - oil d) como vapor para atomización del combustible líquido en la entrada a los quemadores de la caldera. e) el vapor de baja presión de las descargas de las turbinas mencionadas se utiliza como fuente de calentamiento en el serpentín del tanque de fuel - oil y en el acompañamiento (tracing) de las líneas de fuel-oil. El vapor de baja restante se envía al desaereador. Con los datos consignados a continuación plantear los balances de materia y energía y determinar: 1.- cuánto vapor de media presión se necesita degradar en la válvula V 1? 2.- cuánto vapor de alta presión se produce en forma neta como vapor de proceso? DATOS: - Propiedades del: vapor de alta presión p = 32 kg/cm 2 (m) t = 400 ºC vapor de media presión p = 17 kg/cm 2 (m) t = 260 ºC vapor de baja presión p = 1,33 kg/cm 2 (m) t = 124 ºC - Masa de vapor generada en la caldera 150 tn/h - Porcentaje de purga sobre la masa de vapor generada 2 % - Temperatura del expansor de purgas 125 ºC - Masa de vapor para serpentín de calentamiento en tanque de fuel-oil 0,3 tn/h - Masa de vapor para acompañamiento de líneas de fuel-oil 0,1 tn/h - Masa de vapor para intercambiador de fuel -oil 1,3 tn/h - Masa de vapor por T6, para accionamiento compresor 2,3 tn/h - Masa de vapor para atomización de combustible 1,2 tn/h - Masa de vapor por T5 para accionamiento ventilador 5,8 tn/h - Masa de vapor por T4 para accionamiento de bomba de fuel-oil 0,5 tn/h - Presión en el desaereador 7 psig - Temperatura de agua de alimentación 10 ºC - Temperatura de condensación 100 ºC Para conocer los consumos de vapor de las turbinas T1, T2 y T3 que accionan las bombas B1, B2 y B3 se dispone de los siguientes datos de consumos específicos de vapor: T1 S = 24,40 kg/hr HP T2 S = 14,75 kg/hr HP T3 S = 24,40 kg/hr HP Rendimiento total de las bombas: B1 = 75 % B2 = 80 % B3 = 40 %

3 Relación entre la altura manométrica z (en metros) entre succión y descarga y un caudal másico cualquiera G (en miles de kg/h) que impulsan las bombas: B1: H = 75-0,00021 G 2 B1: H = 596-0,00104 G 2 B1: H = 353-0,1333 G 2 A CALDERA G S V vapor a proceso C P F.O. válvula Atomización Bomba B3 Expansor de M8 Desobreca - condensado Purgas lentadora T D M M1 M2 M3 M4 M5 M6 M Intercambiador de F.O. B Bomba B2 Z Desaereador Tanque Fuel oil Bomba B4 de F.O. X Y F Bomba B1 acompañamiento de Agua de alimentación línea de Fuel oil Fuel-oil Agua de alimentación Vapor de alta presión Vapor de baja presión Vapor de media presión Respuesta: a) 7,78 t/h, b) 126,6 t/h

4 LAS RELACIONES TERMODINÁMICAS Y LOS DIAGRAMAS - desarrollos prácticos - Tipo B B.1.- Expresar la v/ T s en función de P,V,T y c V : B.2.- Una planta produce vapor sobrecalentado a 25 kg/cm 2 y 350ºC. Se necesitan 1000 kg de vapor saturado seco a esa misma presión para lo cual se emplean un saturador o desobrecalentadora, que mezcla al vapor sobrecalentado con agua a 26 kg/cm 2 y 40ºC. Calcular la cantidad de agua y de vapor necesarios. Respuesta: 125,7 kg B.3.- Un tanque contiene 8,15 kg de C 3 H 8 gaseoso a 2,04 atm y 15,6ºC. Si se le entrega una cierta cantidad de calor de forma tal que la presión se eleva hasta 3,06 atm, determinar; a) la capacidad del tanque, b) la temperatura final, c) la variación de energía interna, d) la cantidad de calor transferida, y e) la variación de entropía del C 3 H 8 El propano gaseoso obedece a la relación P-v-T P.V/n.R.T = 1-0,4 Tc.P/Pc.T Se sabe que su capacidad calorífica a volumen constante responde a: cv* = 4 + 0,0378.T; (cv* en kcal/kmol) (T en K) Respuesta: a) 2,09 m 3, b) 433 K, c) 470,6 kcal, d) 470,6 kcal, y e) 1,45 kcal/kmol B.4.- Un recipiente rígido contiene inicialmente 1% en volumen de agua saturada y el resto vapor saturado en equilibrio a la presión atmosférica. a) Calcular la presión final cuando se lo calienta a volumen constante hasta llegar al vapor saturado total. b) Determinar la temperatura final si se lo calienta hasta la presión de 50 kg/cm 2 y la variación de energía interna. Respuesta: a) 21,4 kg/cm 2, b) 1000 K kcal/kg B.5.- Aguas arriba de una válvula reguladora circula agua a presión de 120 kg/cm 2, siendo la temperatura de 260,2 ºC, descargando a 20 kg/cm 2. Después del derrame el líquido saturado separado del vapor se elimina por drenaje y el vapor saturado seco se expande isoentrópicamente en una turbina, hasta alcanzar la presión de 0,08 kg/cm 2. Operando con diagramas termodinámicos: determinar el trabajo de circulación de la turbina por cada kg de agua que pasa por la válvula. Válvula Separador Turbina Respuesta: 24,6 kcal/kg agua B.6.- Una caldera generadora de vapor de agua, de 1000 ft 3 de capacidad, contiene agua líquida saturada y vapor saturado en equilibrio a 100 psia. Inicialmente el líquido y el vapor ocupan volúmenes iguales. Durante un determinado intervalo de tiempo se extrae vapor de agua de la caldera y simultáneamente se añaden lbm de agua líquida a 100ºF. Durante el proceso la caldera se mantiene a presión constante con adición de calor. Al finalizar el proceso, el líquido saturado que queda en la caldera ocupa una cuarta parte de su volumen total. Determinar el calor suministrado. Respuesta: Btu

5 LAS RELACIONES TERMODINÁMICAS Y LOS DIAGRAMAS - desarrollos prácticos - Tipo C C.1.- Expresar en función de P, T, V, S, c p, v/ p T y v/ T P, los siguientes diferenciales: a) dh considerando h = f(t,p) considerando h = f(t,v) b) dg considerando G = f(t,v) c) ds considerando S = f(t,p) C.2.- Ubicar en un diagrama T-S para el 1-buteno los siguientes puntos: a) Líquido y vapor saturado a Tr = 0,7 y Tr = 0,9 b) Líquido y vapor saturados para Tr = 0,8 y Tr = 1 c) Isobara a P = 19,3 ata desde Tr = 0,7 hasta Tr = 1,1 d) Isobara a P = 1,25 ata desde Tr = 0,6 hasta Tr = 1 El origen de entropía es el líquido saturado a 32ºF Respuesta: a) S= 2,46 y 11,25 kcal/kgmolk, b) 30,14 y 18,3 kcal/kgmolk C.3.- Un recipiente rígido contiene agua saturada y vapor saturado seco en equilibrio a la presión atmosférica de 1 ata. Calcular a) la proporción volumétrica inicial del líquido necesaria para que al calentarse a volumen constante llegue al estado crítico, b) la variación de energía interna del sistema. Respuesta: a) 32,3%, b) 385,78 kcal/kg C.4.- Una planta genera kg/h de vapor a 20 kg/cm 2 abs, que se degrada para accionar la turbina indicada en la figura. Determinar a) la potencia de la turbina b) la irreversibilidad que introduce la estrangulación en la válvula. El rendimiento de la turbina es del 80 %. 20 kg/cm 2 5 kg/cm 2 350ºC VÁLVULA 0.07 kg/cm 2 Respuesta: a) 2280 HP b) 21% C.5.- Vapor de agua a la presión de 13 kg/cm 2 y 300ºC circula por una tubería. Conectada a esta por medio de una válvula, se dispone de un tanque de 0,191 m 3 que contiene vapor de agua húmedo a la presión de 1 kg/cm 2 y calidad 0,98. La válvula se abre y se mantiene abierta mientras el tanque se llena con vapor hasta el preciso momento en que se igualan ambas presiones, luego se cierra. Determinar: a) la cantidad de vapor que ingresó al tanque y la temperatura final de la mezcla si el proceso se considera adiabático, b) el calor intercambiado si el proceso se considera isotérmico. Respuesta: a) 0,678 kg ºC b) kcal C.6.- El diagrama de flujo de la figura corresponde a una planta generadora de vapor. Efectuar los balances de materia y energía y encontrar la cantidad F que ingresa a la desobrecalentadora para que la entrada de vapor al desaereador tenga una entalpía de 1200 Btu/lb. Datos de la turbina T 1 extracción de alta: 30 lb/hph extracción de baja: 8 lb/hph

6 1500 psig A Caldera Turbina 1 W = HP A otras plantas P=600 psig i = 1380 Btu/lb B g= lb/h A D h= lb/h C F Turbina 2 Al proceso nisoentróp.= 0,75 z= lb/h Desobrecalentador 50 psig i = ivs Condensador E ie=1200 Btu/lb t = 20ºC t = 20ºC Bomba de alimentación 15 psig Desaereador Entrada agua alimentación m= lb/h Respuesta: 0,69 C.7.- Vapor de agua a presión de 13 kg/cm 2 (a) y 300 ºC circula por una tubería. Conectada a ésta por una válvula, se dispone de un cilindro con un pistón cargado, que puede desplazarse cuando la presión interior llega a igualar la presión de admisión. El cilindro contiene inicialmente 0,191 m 3 de vapor a la presión de 1 kg/cm 2 (a) y calidad 0,98. La válvula se abre lentamente hasta que ingresó 1 kg de vapor al cilindro y luego se cierra. Calcular la temperatura final del vapor en el cilindro y su volumen. Respuesta: 375ºC - 0,257 m 3