Operaciones Unitarias Agroindustriales I
Eliana Jara Morante Setiembre 4, 2014
Operaciones Unitarias Agroindustriales I
BALANCE DE ENERGÍA 2
Balance de Energía W
Q
P2 C2 U2 P1 C1 U1
ʋ2
Proceso
ʋ1
z1
z2
Eliana Jara Morante Referencia
Agosto 28, 2014
Ecuación de Energía •
Basada en la primera ley de la termodinámica C ambio en la energía acumulada en el sistema
Energía neta transferid o al sistema
Energía neta transferid o por trabajo
dV Q in Qout e W W in out Dt sistema sistema sistema
D
4
Balance de Energía •
La contribución total de energía del fluido en cualquier punto (e): –
Energía interna ( ΔU )
–
Energía potencial debido a la cambio en nivel ( ΔE p)
–
Energía cinética ( ΔE c )
–
Energía requerida para que el fluido fluya a través del fluido ( ΔPV )
5
Balance de Energía •
Q: considera la energía transferida al volumen de control debido a la diferencia en temperatura (radiación, conducción o convección)
•
W: trabajo realizado por el sistema (+W ) o sobre el sistema (-W ) – A
través de turbinas
–
Propulsores
–
Ventiladores
–
compresores 6
Balance de Energía •
En forma general:
P e dV U gz ( .n)dA Q neto W s 2 t vc 2
ˆ
•
Para un sistema de flujo y reemplazando U=f(H): U H PV H E c E p Q W s 7
Problema 1 •
La biomasa se encuentra en un reactor, se usa vapor saturado (250°C) para calentar la biomasa y sale como líquido condensado. El flujo del calor perdido de la chaqueta de calentamiento hacia los alrededores de 1.5 kJ/s. Los reactantes se localizan en el reactor a 20°C y al final del calentamiento alcanza los 100°C.
•
¿Cuántos kilogramos de vapor se requieren por kilogramo de carga? La carga permanece en el reactor por 1 hora. 8
…Problema 1
•
La carga consiste de 150 kg de material con una capacidad calorífica de 3.26 J/g-K.
Pérdida de calor: 1.5 kJ/s
Biomasa Líquido condensado 250°C
Vapor saturado 250°C
9
Balance de Energía •
Capacidad calorífica: cantidad de calor que absorbe el sistema por cada grado de incremento – –
•
Cv: a volumen constante Cp: a presión constante
R
C P
C V
Energía interna: –
Energía contenida en un sistema de volumen constante
U
dQ W s 10
Balance de Energía •
Entalpía: –
•
Calor sensible –
•
Energía contenido en un proceso de flujo
Energía absorbida o cedida por un sistema sin que exista cambio de fase
Calor latente –
Cantidad de energía absorbida o cedida por la masa de un sistema durante el cambio de fase a T y P cte.
Q s
mC p T Ql m 11
Problema 2 •
En un reactor químico se generan 4500 kcal/h para regular su temperatura y para que la presión en el reactor no se incremente, se hace pasar por las tuberías que rodean al reactor enchaquetado, agua a una temperatura de 20 °C. Se sabe que para que exista una perfecta regulación, el agua debe salir del enchaquetado como vapor a 150 °C.
•
Determine la cantidad de agua que se debe alimentar al intercambiador de calor por minuto para lograr la regulación de la temperatura
•
Considere que el calor latente de vaporización del agua es de 540 cal/g y capacidad calorífica de 1 cal/g- °C y que el reactor tiene una eficiencia en la transferencia de calor del 65%. 12
Problema 3 •
Un secador de textiles consume 4m 3/h de gas natural con una capacidad calorífica de 800 kJ/mol. Si el secador logra secar 60 kg de ropa húmeda por hora, desde un contenido de humedad de 55% a 10%.
•
Estime la eficiencia térmica del secador tomando en cuenta el calor de vaporización
13
Problema 4 •
Un autoclave contiene 100 latas de sopa que se calienta hasta una temperatura de 100°C. si las latas se enfrían hasta 40°C antes de salir del autoclave, determine la cantidad de agua de refrigeración que se requiere, si se alimenta a una temperatura de 15°C y sale a 35°C.
•
El calor específico de la sopa y de las latas es de 4.1 kJ/kg-°C y 0.50 kJ/kg-°C respectivamente. El peso de cada lata es 60 g y contiene 0.45 kg de sopa 14
Balance de Energía •
Sistemas reactivos
•
Moles que quedan en el sistema luego de la reacción
n n0,i
: avance de
i i j ,
la reacción
j 0..nrx
•
Calor reacción estandar H rx i H f ,i 0
i
prod
i
H f ,i i H f ,i react 15
Balance de Energía •
Una o más de una reacción (para el reactor)
H j H rx i H f ,i i H f ,i 0
j
prod
react
T 2
H mC P dT •
T 1
Una sola reacción 0
H H rx
i H f i i H f i ,
prod
,
react 16
Problema 5 •
Se quema metano con aire en un reactor de combustión continua en estado estacionario y se obtiene una mezcla de CO y CO2 y H2O. CH 4
CH 4
3
O2
CO 2 H 2O
2O2
CO2
2
2 H 2O
•
Se alimenta una mezcla de composición 7.80% CH4, 19.4% O2 y 72.8% N2. La conversión del metano es del 90% y el gas que sale del reactor contiene 8 mol de CO2/CO.
•
Realice el balance de masa 17
Problema 6 •
Monóxido de carbón (CO) a 50 °F se quema completamente a una presión de 2 atm con 50% de aire en exceso a 1000 °F. Los productos de la combustión salen de la cámara de combustión a 800°F.
•
Calcular el calor que se genera en la cámara de combustión en BTU por libra de CO que se alimenta a la cámara CO( g ) 12 O2 ( g ) CO2 ( g ) 18
Problema 7 •
Se lleva a cabo la deshidrogenación de etanol para formar acetaldehído. C 2 H 5OH ( g ) CH 3CHO( g ) H 2 ( g ) 0
H rx •
68.95 kJ / mol @ 25C
En un reactor adiabático. El reactor se alimenta con el vapor de etanol a 300 ºC, y se obtiene una conversión de 30%. Calcule la temperatura del producto, usando las siguientes capacidades caloríficas. –
C 2 H 5 OH(g): Cp= 0.110 KJ/mol-ºC
–
CH 3CHO(g): Cp= 0.080 KJ/mol-ºC
–
H 2 (g): Cp= 0.029 KJ/mol-ºC
19
Problema 8 •
La producción de una máquina de papel es de 340 toneladas por día (TPD). El contenido seco de la entrada y salida es de 40% y 95% respectivamente. La temperatura de evaporación de la humedad es de 80°C y para evaporar la muestra se requiere vapor que se alimenta a 3.5 kg/cm 2. Asumiendo 24 horas por día de operación
•
Estime la cantidad de mezcla que se puede evaporar
•
La cantidad de vapor que se requiere alimentar para evaporar la humedad (kg de vapor por hora) –
Calor latente del vapor: 513 kcal/kg a 3.5 kg/cm2
–
Entalpía de vaporización de la humedad: 632 kcal/kg 20
Problema 9 •
El calor estándar de la reacción de combustión del n-hexano líquido para formar CO2(g) y H2O(l), con todos los reactivos y productos a 77 °F y 1 atm, es ΔHrx= -1.791×106 BTU/lbmol. El calor de vaporización del hexano a 77°F es 13 550 BTU/lbmol y el del agua es 18 934 BTU/lbmol.
•
Indique si la reacción es exotérmica o endotérmica a 77°F. ¿Necesita calentar o enfriar el reactor para mantener constante la temperatura? ¿Qué pasaría con la temperatura si el reactor fuera adiabático?
•
Calcule el ΔHrx (BTU/lbmol) en la combustión del vapor de n-hexano para formar CO2(g) y H2O(g).
•
Si Q= ΔH, ¿a qué velocidad en BTU/s se absorbe o libera calor (indique cuál) si se consumen 120 lbm/s de O2 en la combustión de vapor de hexano, el producto vapor de agua y los reactivos y productos están todos a 77°F?
21
Problema 10 •
El n-butano se convierte en isobutano en un reactor continuo de isomerización que opera a temperatura constante de 149 °C. La alimentación al reactor contiene 93% mol de n-butano, 5% isobutano y 2% de HCl a 149 °C, y se logra transformar 40% de
n-butano. •
Tomando como base 1 mol de gas alimentado, calcule los moles de c ada componente de las mezclas de alimentación y producto y el grado de avance de la reacción.
•
Calcule el calor estándar de la reacción de isomerización (kJ/mol). Después, calcule las cantidades de los componentes (mol) y sus entalpías especificadas (reactantes y productos)
•
Calcule la velocidad de transferencia de calor necesaria (kJ) hacia o desde el reactor
(especificando que ocurre). Determine la velocidad requerida de transferencia de calor (kW) para una alimentación de 325 mol/h al reactor
22
