Soluciones EJEMPLOS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Ejemplo 7.1 La presión de vapor de la acetona puede obtenerse a través de

ln p = 16.7321 - 2975.95T - 34.5228

en donde p está en mm de Hg y T en K. Se sabe que existe una mezcla de líquido y vapor de acetona en equilibrio a 100 mm de Hg. Calcule la temperatura de equilibrio.Solución

Ejemplo 7.2 Considérese el diagrama P-T para agua de la figura 7.1. Supóngase que un sistema que contiene únicamente agua está en equilibrio a

1.- 300 K y 1.3 kPa2.- 300 K y 13 kPa.3.- 350 K y 41.69 kPa.Identifique las fases presentes.

Solución

1. Vapor

2. Líquido3. Equilibrio líquido-vapor

Volver arribaEjemplo 7.3 Se almacena una mezcla equimolar de benceno y tolueno a

1000 mm de Hg (133.22 kPa). ¿Cuál es la máxima temperatura a la que podría existir esta mezcla exclusivamente como líquido? ¿Cuál es la mínima temperatura a la podría existir esta mezcla exclusivamente como gas?

La curva de presión de vapor para los componentes puros puede aproximarse mediante la ecuación de Antoine:

Benceno: ln p mm de Hg = 16.1753 - 2948.78T - 44.5633

Tolueno: ln p mm de Hg = 16.2665 - 3242.38T - 47.1806

en las que T está en K. Supóngase que la ley de Raoult es suficientemente precisa para este sistema.SoluciónSuponiendo aplicable la ley de Raoult

Punto de burbuja

Punto de rocío

Volver arribaEjemplo 7.4 Calcule las composiciones de las fases de la mezcla

descrita en el ejemplo 7.3, si la mezcla está a 378.15 K y 133.22 kPa.

Solución

Volver arribaEjemplo 7.5 Repita los cálculos del ejemplo 7.4 , utilizando la ecuación

de flash isotérmico.Solución

Volver arribaEjemplo 7.6 (a) Evalúe la entalpía de 1 kg de agua líquida saturada a 80 ºC y calcule

la presión de saturación.(b) Evalúe la entalpía de 10 kg de vapor saturado a 1.0 bar y calcule su

volumen específico.(c) Evalúe la energía interna de 1 kg de vapor saturado a un volumen

específico de 2.20 m3/kg.(d) Evalúe la entalpía de 100 kg de vapor a 20 bar y 500 ºC, y calcule los

grados de sobrecalentamiento.(e) Calcule la entalpía específica del agua líquida en el punto triple.

Solución

En esta página podéis encontrar e instalar el programa Propagua para las propiedades del vapor de agua.

http://www.uco.es/dptos/quimica-fisica/termodinamica/ a) P de saturación = 0.474 bar

b)

c) De las Tablas de vapor saturado

d)

e) De las Tablas de vapor saturado

Volver arribaEjemplo 7.7 Calcule la entalpía y volumen específicos para vapor a 5 bar

y 320 ºC.Solución

Ejemplo 7.8 Determine la presión, volumen específico, entalpía y energía interna de un vapor húmedo a 320 ºC, cuya calidad es 0.4.Solución

De las Tablas de vapor

Volver arriba

Ejemplo 7.9 Un recipiente a presión, cuyo volumen es de 0.3 m3, contiene 10 kg de agua a una presión de 60 bar. Calcule la temperatura, calidad y entalpía específica del vapor.Solución

Volver arribaEjemplo 7.10 Un kilogramo de vapor a una presión de 1 bar, que está

contenido en un cilindro de área transversal de 1.69 m2, soporta libremente a una cubierta móvil hermética, de un determinado peso (fig. 7.10). Se calienta externamente al cilindro, para elevar la temperatura del vapor de 100 ºC hasta 300 ºC. Suponiendo que no hay pérdidas de calor hacia los alrededores, calcule la cantidad de calor que requiere el proceso.

Figura 7.10 Ejemplo del cilindro de vapor

SoluciónSistema cerrado de presión constante

sistema en reposo EC = 0

durante este proceso, el sistema sí desempeña trabajo de expansión

entonces

Volver arribaEjemplo 7.11 Un kilogramo de vapor a 100 ºC y 1 bar está contenido en

un recipiente a presión. Calcule la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura del vapor hasta 300 ºC, y su presión final.Solución

Sistema cerrado de volumen constante

De las Tablas de vapor

Volver arribaEjemplo 7.12 Calcule el calor necesario para elevar la temperatura de 1

kg de vapor a 885 bar, de 500 ºC a 816 ºC, sabiendo que la entalpía específica en esta última temperatura es de 1130 kJ/kg, relativa a vapor saturado a 1.01325 bar (1 atm).Solución

De las Tablas de vapor

Volver arribaEjemplo 7.13 A una tobera horizontal entra vapor a 200 ºC y 7 bar con

una velocidad constante de 60 m/s. El vapor sale a una velocidad de 600 m/s y presión reducida a 1.4 bar. Calcule la temperatura y calidad del vapor de salida.Solución

Volver arribaEjemplo 7.14 En el sistema que se muestra en la figura 7.14, una

corriente de vapor saturado a 145 psia, con una velocidad global de 100 pies/s, se pasa a través de un sobrecalentador, que transfiere calor a la corriente a razón de 300 Btu/lbm. A continuación, se expande el vapor sobrecalentado a

través de una turbina a contrapresión, para desarrollar 50 hp de trabajo de flecha, y finalmente sale por un difusor a 15 psia y una velocidad de 1 pie/s. El cambio de elevación entre la entrada y la salida del sistema es de 200 pies. Calcule la temperatura de descarga y la calidad del vapor, suponiendo que la caída de presión debido a la fricción es despreciable. El flujo de entrada de vapor es de 300 lb/h.

Figura 7.14 Ejemplo de la turbina de vapor

Solución

Volver arribaEjemplo 7.15 Se utiliza vapor de agua para precalentar 300 kg/h de agua

de proceso a 5 bar, desde 50 ºC hasta 150 ºC, usando el intercambiabor de calor de doble tubo que se ilustra en la figura 7.15. Se dispone de vapor a 10 bar, saturado. El condensado se descarga en forma de líquido saturado. Calcule el flujo requerido de vapor.

Figura 7.15 Calentador de vapor de doble tubo

Solución

Cálculos con EES

Volver arribaEjemplo 7.16 Calcule la capacidad calorífica de un carbón cuyo análisis

aproximado (en peso) corresponde a 54 % de carbono fijo, 21 % de materia volátil, 5 % de cenizas y 20 % de humedad, a 100 ºF.Solución

Las capacidades caloríficas de los componentes Btu/lbm.ºF que se citan en el Coal Conversion Systems Data Book, basadas en el trabajo de Kirov, son:

Para carbono fijo:Cp = 0.145 + 4.7*10-4*t - 2.63*10-7*t2 + 5.25*10-11*t3

Para cenizas:Cp = 0.180 + 7.78*10-5*tPara materia volátil primaria:Cp = 0.81 + 4.50*10-4*tPara materia volátil secundaria:Cp = 0.699 + 3.39*10-4*tSe define la materia volátil secundaria como equivalente al 10% del

carbón seco y libre de cenizas. La materia volátil primaria corresponde a la diferencia entre ese valor y la materia volátil total.

Materia volátil secundaria

Materia volátil primaria

Cp del carbono fijoCp = 0.145 + 4.7*10-4*102 - 2.63*10-7*104 + 5.25*10-11*106 = 0.189 Btu/lbmºF

Cp materia volátil primaria:Cp = 0.81 + 4.50*10-4*100 = 0.426 Btu/lbmºFCp materia volátil secundaria:Cp = 0.699 + 3.39*10-4*100 = 0.733 Btu/lbmºFCp cenizas:Cp = 0.180 + 7.78*10-5*100 = 0.188 Btu/lbmºFCp agua líquida a 100 ºF = 1 Btu/lbmºFCp del carbón:

Volver arribaEjemplo 7.17 Calcule el cambio de entalpía de un mol de vapor de

benceno a 1 atm, para un cambio de temperatura de 800 ºF a 1000 ºF, usando (a) la integral completa, (b) la suposición de Cp promedio y (c) la aproximación

con dos términos. Solucióna)

Calculado con EES

b) Calculado con EES

c) Calculado con EES

Volver arribaEjemplo 7.18 Una corriente de oxígeno a 1 bar, cuyo flujo es de 100

kgmol/h, se va a calentar de 25 a 200 ºC en un intercambiador de calor aislado, mediante la condensación de vapor saturado disponible a 1.5 bar. Determine el consumo de vapor.SoluciónCalculado con EES

Volver arribaEjemplo 7.19 Supóngase que el intercambiador de calor del ejemplo 7.18

se limita a un flujo de vapor de 150 kg/h, Calcule la temperatura de salida de la corriente de O2.

SoluciónCalculado con EES

Volver arribaEjemplo 7.20 Usando el calor de vaporización del agua a 90 ºC, estime

el calor de vaporización del agua a 110 ºC mediante las fórmulas aproximada y exacta.SoluciónUtilizando la aproximación

Fórmula exacta

De las Tablas de vapor

Volver arribaEjemplo 7.21 Repita el estimado del calor de vaporización del agua a

110 ºC, usando la correlación de Watson con n = 0.38.Solución

Volver arribaEjemplo 7.22 La corriente de oxígeno del ejemplo 7.18 se calienta

mediante un intercambio de calor con vapor de benceno sobrecalentado, disponible a 5.5 bar y 250 ºC. Calcule el flujo de benceno, suponiendo que sale del intercambiador en forma de líquido saturado.Solución

Resuelto con Hysys

Volver arribaEjemplo 7.23 Una corriente de vapor de agua a 200 ºC y 5 bar se

despresuriza hasta 48 psia y se mezcla adiabáticamente con una corriente de amoniaco a 100 ºF y 48 psia, para obtener una corriente compuesta a 300 ºF. Calcule el flujo de vapor de agua, si el flujo de NH3 es de 1000 kg/h. Use las

tablas de vapor y los datos de entalpía del amoníaco que se proporcionan en la tabla 7.1

Figura 7.23 Diagrama de flujo. Mezclado de corrientes

Solución

Calculado con EES

Volver arribaEjemplo 7.24 En el sistema de la turbina de vapor del ejemplo 7.14,

supóngase que se especifica que las condiciones en la descarga deben ser 1 bar y una calidad de 0.9. Calcule el flujo de alimentación de vapor necesario, por hp producido en la turbina.Solución

Volver arribaEjemplo 7.25 Una corriente de gas del proceso a 400 ºC se debe enfriar

rápidamente hasta 200 ºC, poniéndola en contacto directo con benceno líquido frío a 20 ºC. Si la composición de la corriente caliente es: 40 % de C6H6, 30 % de C6H5CH3, 10 % de CH4 y 20 % de H2, calcule el flujo necesario de benceno

para una alimentación de gas de 1000 kgmol/h, suponiendo que el proceso es adiabático. En la figura 7.25 se ilustra el diagrama de flujo del proceso.

Figura 7.25 Diagrama de flujo. Sistema de enfriamiento

SoluciónResuelto con Hysys

Volver arribaEjemplo 7.26 Desarrolle el análisis de grados de libertad para el

problema del ejemplo 7.25.Solución

VariablesCorrienteTªQ,W

932

BalancesMateriaEnergía

41

EspecificacionesComposicionesTemperaturasQ,W

332

Base 1

Grados de libertad 0

Volver arribaEjemplo 7.27 Analizar los ejemplos 7.18, 7.19 y 7.25, para determinar si

los balances están desacoplados.Solución7.18

Materia CombinadosVariablesCorrienteTªQ,W

4--

442

BalancesMateriaEnergía

2-

21

EspecificacionesComposicionesTemperaturasQ,W

---

-42

Base 1 1

Grados de libertad 1 0

7.19

Materia CombinadosVariablesCorrienteTªQ,W

4--

442

BalancesMateriaEnergía

2-

21

EspecificacionesComposicionesTemperaturasQ,WFlujo

---1

-321

Base 1 1

Grados de libertad 0 0

7.25Materia Combinados

VariablesCorrienteTªQ,W

9--

432

BalancesMateriaEnergía

4-

41

EspecificacionesComposicionesTemperaturasQ,W

3--

332

Base 1 1

Grados de libertad 1 0

Volver arriba