9.4 treybal

PROBLEMA 9.4 LOS DATOS VAPOR LIQUIDO EN EL EQUILIBRIO A 1 ATM ABS, LOS CALORES DE SOLUCION, LAS CAPACIDADES CALORIFICAS Y LOS CALORES LATENTES DE EVAPORACION PARA EL SISTEMA "ACETONA-AGUA" SON:

x fracción mol de acetona en el líquido

Peso Peso y* fracción mol molecular de molecular de Calor int. De sol. en equil. De Capac. Calor. A cap calor la mezcla la mezcla A 15 °C, kJ/kmol acetona en el temperatura 17.2 °C, kJkg sol, kg/kmol (liq) kg/kmol (vap) acetona, sol vapor vapor líquido °C °C kJ/kg.°C

0.0000

0

0.000

100.000

4.187

18.0160

18.0160

0.0100

-95.8

0.253

91.700

4.179

18.4166

28.1522

0.0200

-188.4

0.425

86.600

4.162

18.8173

35.0432

0.0500

-447.3

0.624

75.700

4.124

20.0192

43.0159

0.1000

-668.7

0.755

66.600

4.020

22.0224

48.2643

0.1500

-770

0.798

63.400

3.894

24.0256

49.9871

0.2000

-786

0.815

62.200

3.810

26.0288

50.6682

0.3000

-719

0.830

61.000

3.559

30.0352

51.2691

0.4000

-509

0.839

60.400

3.350

34.0416

51.6297

0.5000

-350.1

0.849

60.000

3.140

38.0480

52.0303

0.6000

-252.6

0.859

59.500

2.931

42.0544

52.4310

0.7000

-179.3

0.874

58.900

2.763

46.0608

53.0319

0.8000

-124.2

0.898

58.200

2.554

50.0672

53.9935

0.9000

-69.6

0.935

57.500

2.387

54.0736

55.4758

0.9500

-37.7

0.963

57.000

2.303

56.0768

56.5976

1.0000

0

1.000

56.500

2.22

58.0800

58.0800

cap calor acetona, kJ/kg.°C

T, °C

Calor lat. De evap., kJ/kg

cap calor agua, cal/g °C

T, °C

cap calor agua, kJ/kg °C

2.452 2.425 2.408 2.372 2.343 2.333 2.329 2.326 2.324 2.323 2.321 2.319 2.317 2.315 2.314 2.312 Calor lat. De evap. agua, Btu/lb

T, °F

20.0

2.22

1013

20

0.99947

4.185

70

1054.048

37.8

2.26

976

38

0.99864

4.181

100

1037.101

65.6

2.34

917

66

1.00079

4.190

150

1008.15

93.3

2.43

863

93

1.00574

4.211

200

977.91

850

100

1.00763

4.219

212

970.33

100.0

CALCULE LAS ENTALPIAS DE LOS LIQUIDOS Y VAPORES SATURADOS CON LA RELACION ACETONA-AGUA A 15 ºC Y GRAFIQUE EL DIAGRAMA D IAGRAMA DE ENTALPIA CONCENTRACION, A 1 atm abs. TENGASE PRESENTE LO ANTERIOR PARA UTILIZARLO EN LOS PROBLEMAS 9.5, 9.6 Y 9.9

0 -1000.0000

100 0.5000

1.0000

1.5000

-200

0 -1000.0000

-300

-200

-400

-300

0.0500

0.1000

0.1500

0.2000

0.2500

-400

-500

y = -85262x 3 + 53995x 2 - 11357x + 7.5268 R² = 0.9995

-500

-600

-600

-700

-700

-800

-800

-900

-900

0 -1000.0000

0.5000

1.0000

1.5000

-200 -300 -400

y = 2612.6x 3 - 6302.4x 2 + 5590.1x 1900.4 R² = 0.9999

-500 -600 -700

Capacidad Calorifica de la acetona a 17.2 °C, kJkg sol, °C

y = -9.7340E-08x 3 + 2.5839E-05x 2 + 1.0053E2.45 03x + 2.1903E+00 2.4    e     l R² = 1.0000E+00    t 2.35    i    T    s    i    x    A

2.3

2.25 2.2 0.0

20.0

-800

40.0

60.0

80.0

100.0

Axis Title Calor latente de evaporación de la acetona en kJ/kg

4.225

1050

4.220

y = -2.0391x + 1,052.9585 R² = 0.9997

1000

   e     l    t    i    T    s    i    x    A

950

4.215

900 4.210

850 800 0.0

50.0

100.0

150.0

4.205    e     l    t    i    T 4.200    s    i    x    A

Axis Title

Calor latente de evap. Agua kJ/kg

4.195

2500.0 y = -0.00186x 2 - 2.24058x + 2,499.83244 R² = 1.00000

2450.0    e 2400.0     l    t    i    T 2350.0    s    i    x    A2300.0

4.190 4.185 4.180

2250.0 2200.0 0.0

50.0

100.0

Axis Title

150.0

4.175 0

20

40

60 Axis Title

80

Calor lat. De evap., kJ/kg

849.0 866.0 876.4 898.6 917.2 923.7 926.1 928.6 929.8 930.6 931.6 932.9 934.3 935.7 936.7 937.7

cap calor agua, kJ/kg °C

4.2185 4.2100 4.2052 4.1962 4.1902 4.1885 4.1878 4.1872 4.1870 4.1868 4.1865 4.1863 4.1860 4.1857 4.1855 4.1853 Calor lat. De evap. agua, kJ/kg

T, °C

21.1 37.8 65.6 93.3 100.0

2451.8 2412.4 2345.0 2274.7 2257.1

calor lat evap agua

2257.17444 2278.73072 2291.84903 2319.56182 2342.35967 2350.30329 2353.27232 2356.236 2357.71583 2358.70164 2359.93307 2361.40955 2363.13042 2364.84947 2366.07624 2367.30209

x fracción peso y fracción peso acetona líquido acetona, vapor

Hliq kJ/kg

Hvap kJ/kg

Hliq kJ/kmol

0.000000

0.000000

346.68

2606.47

6245.85

0.031537

0.521957

306.13

1785.55

5637.97

0.061730

0.704388

278.83

1498.79

5246.84

0.145061

0.842523

218.91

1277.95

4382.41

0.263731

0.908547

168.22

1171.59

3704.68

0.362613

0.927197

147.85

1141.57

3552.27

0.446275

0.934220

141.25

1130.33

3676.64

0.580119

0.940262

131.95

1120.59

3963.01

0.682459

0.943820

129.77

1114.93

4417.50

0.763246

0.947715

125.19

1108.86

4763.25

0.828641

0.951550

117.97

1102.84

4961.36

0.882659

0.957195

111.32

1094.05

5127.66

0.928033

0.965966

102.23

1080.52

5118.58

0.966682

0.978891

94.91

1060.76

5132.06

0.983936

0.988222

90.99

1046.52

5102.30

1.000000

1.000000

87.25

1028.61

5067.25

Series1

100

120

Diagrama de equilibrio Entalpía contra concentración. Sistema Acetona-Agua a 760 mm Hg. kJ/kg vs f. peso 8000

Hvap kJ/kmol

6000

46916.41 50215.05 52463.00 54904.87

4000

56473.53 56989.77 57196.87 57376.58 57487.78 57618.26 57746.36 57942.50

   g 2000     k     /    J     k    a     í    p     l    a    t    n    E 0 0.00

58263.13

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

58767.22 59149.80 59659.50

-2000

-4000

-6000

Fracción peso de acetona

120.000

100.000

80.000

y = -1,090.51x 6 + 3,601.92x 5 - 4,316.32x 4 + 2,290.00x 3 - 542.70x 2 + 14.26x + 100.00 R² = 1.00

   e     l    t    i    T    s    i    x    A

60.000

40.000

y = 3441.5x 6 - 11728x 5 + 15639x 4 - 10315x 3 + 3499.3x 2 - 577.19x + 97.986 R² = 0.9956

20.000

0.000 0.0000

0.2000

0.4000

0.6000

Axis Title

0.8000

1.00

Diagrama de equilibrio Entalpía contra concentración. Sistema Acetona-Agua a 760 mm Hg. kJ/kmol vs f. mol 120000

100000

80000

60000

    l    o    m 40000     k     /    J     k    a     í    p     l    a    t 20000    n    E

0

0.0000

0.2000

0.4000

0.6000

-20000

-40000

-60000

Fracción mol de acetona

0.8000

1.0000

00

Se van a fraccionar diez mil libras por hora de una solución de acetona agua, que contiene 25 % en peso de acetona, a 1 atm de presión. Se desea recuperar 99.5 % de la acetona en el destilado a una concentración de 99.0 % en peso. La alimentación se va a tener a 26.7 °C (80 °F) y se va a precalentar mediante un intercambio de calor con el producto residual del fraccionador, que a su vez se va a enfriar a 51.7 °C (125 °F). Los vapores destilados se van a condensar y enfriar a 37.8 °C mediante agua de enfriamiento que entra a 26.7 °C y sale a 40.6 °C. El reflujo se va a regresar a 37.8 °C con una relación de reflujo Lo/D = 1.8. Se va a utilizar vapor vivo, a 70kN/m2, en la base de la torre. La torre torr e va a estar aislada para reducir la pérdida calorífica a valores despreciables. Las propiedades físicas se dan en el problema 9.4. Calcule: a) El flujo y composición del destilado y reflujo, por hora. b) La carga calorífica del condensador y el flujo de agua de enfriamiento, por hora. c) El flujo del vapor y del residuo y la composición del residuo, por hora. d) La entalpía de la alimentación al entrar en la torre y su condición (expresada cuantitativamente) e) El número de platos ideales requeridos si la alimentación se introduce en la óptima ubicación. Utilizar papel para graficar graficar grande y un lápiz afilado. Resp. 13.1 f) El flujo, kg/h, del líquido y del vapor en el plato superior, en x= 0.6, 0.1, 0.025 y en el plato inferior. Para una torre de diámetro uniforme, las condiciones del plato plato que controla el diámetro, si el criterio en un límite del 75 % a la inundación. Agua de enfriamiento TE = 26.7 °C

TR2 = 51.7 °C

TLo= 37.8 °C Lo/D = 1.8

Se recupera el 99.5 % de la acetona xD= 99 %

10000 lb/h 25 % acetona Ta= 26.7 °C

Vapor a 70 kN/m2

x fracción mol de acetona en el líquido

y* fracción mol Calor int. De sol. en equil. De A 15 °C, kJ/kmol acetona en el temperatura vapor Capac. Calor. A 17.2 sol vapor líquido °C °C, kJkg sol, °C

Peso molecular de la mezcla kg/kmol (liq)

Peso molecular de la mezcla kg/kmol (vap)

0.0000

0

0.000

100.000

4.187

18.0160

18.0160

0.0100

-95.8

0.253

91.700

4.179

18.4166

28.1522

0.0200

-188.4

0.425

86.600

4.162

18.8173

35.0432

0.0500

-447.3

0.624

75.700

4.124

20.0192

43.0159

0.1000

-668.7

0.755

66.600

4.020

22.0224

48.2643

0.1500

-770

0.798

63.400

3.894

24.0256

49.9871

0.2000

-786

0.815

62.200

3.810

26.0288

50.6682

0.3000

-719

0.830

61.000

3.559

30.0352

51.2691

0.4000

-509

0.839

60.400

3.350

34.0416

51.6297

0.5000

-350.1

0.849

60.000

3.140

38.0480

52.0303

0.6000

-252.6

0.859

59.500

2.931

42.0544

52.4310

0.7000

-179.3

0.874

58.900

2.763

46.0608

53.0319

0.8000

-124.2

0.898

58.200

2.554

50.0672

53.9935

0.9000

-69.6

0.935

57.500

2.387

54.0736

55.4758

0.9500

-37.7

0.963

57.000

2.303

56.0768

56.5976

1.0000

0

1.000

56.500

2.22

58.0800

58.0800

Alimentación: F=

10000 4536 4536 26.7 25

Ta= xa= Acetona F*xa= Acetona al destilado F*xa*0.995= Acetona en el residuo F*xa-F*xa*0.995=

lb/h kg/h kg/h °C % peso

1133.99 kg/h de acetona en la alimentación 1128.32 kg/h de acetona en el destilado 5.67 kg/h de acetona en el residuo

Flujo de destilado xD= D*xD = F*xa*0.995 D = F*xa*0.996/xD =

99 % peso de acetona en el destilado 1139.72 kg/h de destilado

Flujo de Residuo R = F-D =

3396 kg/h de residuo

xR= F*xa-F*xa*0.995/R xR =

0.001669 f. peso 0.1669 % peso acetona en el residuo

Reflujo RD = Lo/D = Lo = RD*D=

1.8 2051.50 kg kg/h de reflujo composición y temperatura igual al destilado

Carga al condensador QC= D[(RD+1)*HG1-RD*HLo-HD] Para y1 = xD = xLo

0.99 ff.. peso

HG1= HD saturación TD saturación TD Cp HD=Hlo=HD sat - cp(TDsat-TD)= QC=

1044 88.8 56.8 37.8 37.8 2.27

kJ/kg kJ/kg °C °C kJ/kg sol °C 45.67 kJ/kg

3185886.1 kJ/h 760935. 760935.822 822 Kcal/h Kcal/hrr

cap calor acetona, kJ/kg.°C

Calor lat. De evap., kJ/kg

2.452 2.425 2.408 2.372 2.343 2.333 2.329 2.326 2.324 2.323 2.321 2.319 2.317 2.315 2.314 2.312

cap calor agua, kJ/kg °C

849.0 866.0 876.4 898.6 917.2 923.7 926.1 928.6 929.8 930.6 931.6 932.9 934.3 935.7 936.7 937.7

4.2185 4.2100 4.2052 4.1962 4.1902 4.1885 4.1878 4.1872 4.1870 4.1868 4.1865 4.1863 4.1860 4.1857 4.1855 4.1853

1090.00

calor lat evap agua

x fracción peso y fracción peso acetona líquido aceto acetona na,, vapo vaporr

2257.17444 2278.73072 2291.84903 2319.56182 2342.35967 2350.30329 2353.27232 2356.236 2357.71583 2358.70164 2359.93307 2361.40955 2363.13042 2364.84947 2366.07624 2367.30209

Hliq Hliq kJ/ kJ/kg kg

0.000000

0.000000

346.68

0.031537

0.521957

306.13

0.061730

0.704388

278.83

0.145061

0.842523

218.91

0.263731

0.908547

168.22

0.362613

0.927197

147.85

0.446275

0.934220

141.25

0.580119

0.940262

131.95

0.682459

0.943820

129.77

0.763246

0.947715

125.19

0.828641

0.951550

117.97

0.882659

0.957195

111.32

0.928033

0.965966

102.23

0.966682

0.978891

94.91

0.983936

0.988222

90.99

1.000000

1.000000

87.25

105.00

1080.00 100.00

1070.00

   e     l    t 1060.00    i    T    s    i    x 1050.00    A

   e     l    t    i    T    s    i    x    A

1040.00

95.00 90.00

1030.00 1020.00 0.96000.97000.98000.99001.0000

85.00 0.9000

Axis Title

0.9500

1.0000

Axis Title

2.600

58.500

2.550 2.500

58.000

   e 2.450     l    t    i    T 2.400    s    i    x    A2.350

   e     l    t 57.500    i    T    s    i    x 57.000    A

2.300

56.500

2.250

56.000 0.92000.94000.96000.98001.0000 Axis Title

2.200 0.92 0.9200 00 0.94 0.9400 00 0.96 0.9600 00 0.98 0.9800 00 1.00 1.0000 00 Axis Title

Flujo de agua TE= TS= Cp H20

26.7 40.6 4.184 0.999 0.9993 3

Qagua=QC = Wcp(TS-TE) W=QC/cp(TS-TE) =

°C °C kJ/kg °C Kcal Kcal/k /kg g

54780.22 kg/h

Balance de calor a la alimentación

Carga del rehervidor QB=D*HD + R*HR + QC + F*HF Vapor P=

70 7000 70000 0 0.713 0.7138 8 10.4925 25.1925 25.1925

p

t 20 30 25.2

hl 227.96 250.34 239

Calor latente del vapor

kN/m2 Pa kg/c kg/cm2 m2 lb/plg lb/plg2 2 hv

196.27 218.9 207.5

1156.3 1164.1 1160.2 952.7 Bt Btu/lb 529.28 529.28 kcal/k kcal/kg g 2215.99 2215.99474 474 KJ/kg KJ/kg

Hvap kJ/kg

Hliq kJ/kmol

Hvap kJ/kmol

2606.47

6245.85

46916.41

1785.55

5637.97

50215.05

1498.79

5246.84

52463.00

1277.95

4382.41

54904.87

1171.59

3704.68

56473.53

1141.57

3552.27

56989.77

1130.33

3676.64

57196.87

1120.59

3963.01

57376.58

1114.93

4417.50

57487.78

1108.86

4763.25

57618.26

1102.84

4961.36

57746.36

1094.05

5127.66

57942.50

1080.52

5118.58

58263.13

1060.76

5132.06

58767.22

1046.52

5102.30

59149.80

1028.61

5067.25

59659.50