TAREA 3 IIQ2133 Procesos Químicos Fecha de entrega: 23/6/2015

Prof. José Cuevas Los ítemes de cada ejercicio serán evaluados siguiendo la metodología desarrollada por Jim Stice de la Universidad de Texas (J. Stice, “A first step toward improved teaching”. Engineering Education, 66, 394-398 (1976). Esta metodología considera el siguiente esquema:

• Método correcto, sin errores: 100% del puntaje del ítem. • Método correcto, pero presenta errores algebraicos: -10% del puntaje del ítem por cada error. • La resolución presenta un error teórico/conceptual menor: -20% del puntaje del ítem. • La resolución presenta un error teórico/conceptual más serio: -30% del puntaje del ítem. • La resolución presenta un error teórico/conceptual grave: -50% del puntaje del ítem. • La resolución presenta más de un error teórico/conceptual de cualquier tipo: -70% del puntaje del ítem. • No tenemos idea de lo que trató de hacer: -100% del puntaje del ítem.

Instrucciones Realice su tarea en grupos de 2-3 personas (no más ni menos). Recuerde que una de las competencias consideradas en el programa de curso apunta a fortalecer el trabajo en equipo. Procure usar Excel para la resolución de ecuaciones y cálculos más complejos, se le exigirá adjuntar las planillas correspondientes.

Entregue cada ejercicio en hojas separadas, de tal manera de facilitar la correción. Esta vez, la entrega se realizará vía correo electrónico a jocuevas@ing.puc.cl antes de las 23:59 hrs del día 23 de junio de 2015. Las notas de esta tarea estarán el día 30 de junio.

Ejercicio 1. Se produce amoníaco (NH3) mediante la reacción,

N2 + 3H2 à 2NH3

usando el proceso cuyo diagrama de flujo se muestra en la Figura 1 (adjunta). Este incluye dos reactores (1 y 2) en los que ocurre la misma reacción arriba descrita, todo esto con el fin de maximizar la productividad. Los productos del reactor 1 se enfrían hasta 425°C mediante el mezclado con alimentación fresca que está más fría (utilizando el mezclador). Los productos del reactor 2 que salen a 535°C, se enfrían primero mediante el intercambio de calor con la alimentación al reactor 1 y finalmente se refrigeran dentro del separador para recuperar el producto NH3 por condensación junto con rastros de N2 y H2. Datos:

• Calores específicos promedio (𝑐!) para los gases: 9,5 [cal/(mol °C)] para el NH3, 7 [cal/(mol °C)] para el N2 y 7 [cal/(mol °C)] para el H2.

• Calor específico promedio (𝑐!) para el amoníaco (NH3) líquido: 30 [cal/(mol °C)]

• Entalpía de vaporización (∆HLV) para el NH3 a - 33,4°C (punto de ebullición normal): 5,581 kcal/mol.

• Calor de reacción, ∆𝐻! 𝑇! = 425°𝐶 = - 25,64 kcal/mol. Con estos datos y asumiendo que el problema puede resolverse (GL del proceso completo son cero), calcule el calor que debe extraerse del separador para que la refrigeración sea efectiva. Para ello, siga los siguientes pasos:

• Defina el proceso global correspondiente. Haga el diagrama de flujo y plantee los balances de masa y energía respectivos.

• Haga un análisis de grados de libertad de cada unidad de proceso y del proceso global. Para ello use la Tabla 1 adjunta.

• Defina una secuencia de resolución adecuada para este problema (para ello, vaya actualizando la tabla, sin hacer cálculos). Considere como base de cálculo (BC) el flujo de entrada al reactor 1 (N7).

• Resuelva el problema siguiendo la secuencia definida. En cada etapa de la secuencia debe procurar: (i) plantear los balances de masa total y de cada componente, (ii) plantear el balance de energía, (iii) resolver balances usando datos y relaciones correspondientes. Considere que N7 = 400 moles/h.

Ejercicio 2. Una corriente que contiene 50% benceno y 50% de naftaleno a 3 bar y 150°C, se va a separar en fracciones ricas en benceno y ricas en naftaleno mediante dos unidades flash (Figura 2, adjunta). En la primera unidad, se añade calor para permitir que ocurra el flash a 200°C y 2 bar; en la segunda unidad se extrae calor, para poder alcanzar una temperatura de 150°C a 2 bar. Puede suponerse que es aplicable la ley de Raoult. Teniendo en cuenta lo anterior, determine los flujos de calor 𝑄! y 𝑄! asociados a cada una de las unidades flash. Para ello, siga los siguientes pasos:

• Defina el proceso global correspondiente. Haga el diagrama de flujo y plantee los balances de masa y energía respectivos.

• Haga un análisis de grados de libertad de cada unidad de proceso y del proceso global. Para ello use la Tabla 2 adjunta.

• Defina una secuencia de resolución adecuada para este problema (para ello, vaya actualizando la tabla, sin hacer cálculos). Considere como base de cálculo (BC) el flujo de alimentación a la unidad 1 de destilación flash (N1).

• Resuelva el problema siguiendo la secuencia definida. En cada etapa de la secuencia debe procurar: (i) plantear los balances de masa total y de cada componente, (ii) plantear el balance de energía, (iii) resolver balances usando datos y relaciones correspondientes. Considere que N1 = 1000 moles/h.

Datos:

𝐶!,!  !"#$"#% = 18.5868− 1.17439 ∙ 10!!𝑇 + 1.27514 ∙ 10!!𝑇! − 2.07984 ∙ 10!!𝑇!

+ 1.05329 ∙ 10!!𝑇!  𝐽

𝑚𝑜𝑙  𝐾  

𝐶!,!  !"#$"%&!' = −53.8889+ 7.5316 ∙ 10!!𝑇 − 4.33264 ∙ 10!!𝑇! − 5.52149 ∙ 10!!𝑇!

+ 5.75071 ∙ 10!!!𝑇!  𝐽

𝑚𝑜𝑙  𝐾

𝑇!"#$%&$'(#) = 491.116𝐾     ∧  ∆𝐻!"!!"#$"%&!' = 42180.9𝐽

𝑚𝑜𝑙

𝑇!"#$%&$%' = 353.261𝐾     ∧  ∆𝐻!"!!"#$"#% = 30763.4𝐽

𝑚𝑜𝑙 𝐶!,!  !"#$"#% = −7.27329+ 7.70541 ∙ 10!!𝑇 − 1.64818 ∙ 10!!𝑇!

+ 1.89794 ∙ 10!!𝑇!  𝐽

𝑚𝑜𝑙  𝐾  𝐶!,!  !"#$"%&!' = −63.27+ 1.24334 ∙ 𝑇 − 1.76851 ∙ 10!!𝑇!

+ 1.21897 ∙ 10!!𝑇!  𝐽

𝑚𝑜𝑙  𝐾   Ecuación de Antoine para presiones de vapor de componentes puros (unidades SI, kPa, K):

𝐵𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜:   ln  𝑃 = 14.1603−2948.78

𝑇  − 44.5633

𝑁𝑎𝑓𝑡𝑎𝑙𝑒𝑛𝑜:   ln  𝑃 = 13.7520−3701.48

𝑇  − 85.8319

Figura 1. Diagrama de flujo para el proceso de producción de amoníaco del Ejercicio 1.

E-1

E-2 E-3

P-7 P-8 P-9

P-10

E-4

P-13

P-14

P-20

Reactor 2 Reactor 1Mezclador

Intercambiador

de Calor

Separador

Q

6

25% N2, H2 @ 50°C

5 NH3, N2 y H2 @ -50°C

7

4

82

1

P-25

25% N2, H2 @ 50°C

@ 425°C

3

@ 535°C

Figura 1. Diagrama de flujo para la generación de amoníaco

25% N2, H2 @ 425°C

Tabla 1. GL para unidades y proceso global del proceso de producción de amoníaco (Ejercicio 1).

 Mezclador Reactor 2 IdeC Separador Reactor 1

Proceso Global

 BM Comb BM Comb BM Comb BM Comb BM Comb BM Comb

NVc +NVu

-NE

- D

- Rel = GL - BC                                 = GL

Figura 2. Diagrama de flujo para el proceso del Ejercicio 2.

Vapor  

Líquido  

Alimentación  Líquido  1  

2  

3  

5  

4  

 

�̇�!    

�̇�!  

Unidad  1  200°C  2bar  

Vapor  

Unidad  2  150°C  2bar  

Tabla 2. GL para unidades y proceso global del proceso de producción de amoníaco (Ejercicio 1).

 Unidad 1 Unidad 2

Proceso Completo

Proceso Global

 BM Comb BM Comb BM Comb BM Comb

NVc +NVu

-NE

- D

- Rel = GL - BC                         = GL