Tarea 2

UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO DIVISIÓN DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS Materia: Diseño y Simulación de Procesos y Productos II (IQ30716) Responsable del curso: Dr. Fernando Israel Gómez C astro Fecha de Entrega: 14 de Agosto de 2014

TAREA 2: Modelado de Procesos 1.- Se desea analizar el sistema de condensación mostrado en la Figura 1. El diseño del equipo se basará en agua de enfriamiento como medio de condensación y se conocen otras variables de acuerdo a la información proporcionada.

Figura 1. Temperatura de la corriente D: 80°C Flujo de D: 100 kg/h Para el equipo, U = 1000 kcal/h m2 °C Propiedades termodinámicas conocidas

Escriba las ecuaciones que modelan el sistema y determine el número de grados de libertad para este caso.

2.- Se tiene un sistema de mezclado como el que se muestra en la Figura 2. Dos corrientes disponibles a diferentes temperaturas con diferentes co ncentraciones de un soluto se alimentan al tanque, el cual tiene un serpentín de calentamiento para ajustar la temperatura de salida hasta un nivel deseado. No se lleva a cabo ninguna reacción química. Las variables conocidas son x 1, x 2, T 1, T2, T v, el coeficiente global de transferencia de calor U y todas las propiedades termodinámicas de la mezcla y de los componentes. Escriba las ecuaciones que modelan el sistema y determine el número de grados de libertad existentes.

Figura 2.

3.- Una mezcla de dos componentes A y B, donde A es más volátil que B, va a separarse adiabáticamente en un separador flash. La Figura 3 muestra esquemáticamente las variables de interés.

Figura 3.

Desarrolle el modelo que representa al sistema. Determine el número de grados de libertad para los siguientes casos: (a) Se conocen las condiciones de alimentación, la presión del separador, el flujo de vapor y su composición, así como las propiedades termodinámicas de la mezcla. (b) Se conocen las condiciones de alimentación, la presión del separador y las propiedades termodinámicas de la mezcla. 4.- Los microbios E. Coli   crecen en un medio con glucosa, de acuerdo con una cinética de tipo Monod con k = 40 y un valor de 40 para la constante de Monod. Se alimenta un flujo conocido de solución de glucosa a un sistema de reacción de tipo tanque agitado. Se desean probar tres configuraciones distintas: un solo reactor, dos reactores en serie y dos reactores en paralelo. Establezca el modelo para cada situación, así como el número de grados de libertad en cada caso. 5.- El cracking irreversible en fase vapor de la acetona (A) para generar cetena (B) y metano (C), que viene dado por la reacción:   →   + 

se lleva a cabo adiabáticamente en un reactor tubular. La reacción es de primer orden con respecto a la acetona y la velocidad de reacción específica se puede expresar por: 34.222 ln = 34.34 −



donde k  se mide en s-1 y T en K. La velocidad de flujo de alimentación de la acetona e n el reactor es, la temperatura de entrada y la presión de operación son conocidas, así como el volumen del reactor. Establezca un modelo para la operación del reactor, incluyendo los balances correspondientes de materia y energía. 6.- Dos líquidos de proceso, A y B, se mezclan en un tanque después de calentarse cada uno en respectivos intercambiadores de calor, como se muestra en la Figura 4. Para calentar el líquido A se usa vapor de calentamiento, mientras que para calentar el líquido B se usa una corriente caliente del proceso con el fin de ahorrar energía. a) Escriba las ecuaciones que modelan el sistema. Suponga que los coeficientes globales de transferencia de calor de los intercambiadores, así como el volumen del tanque de mezclado, son conocidos. b) Suponiendo que todas las propiedades termodinámicas de cualquier corriente son conocidas, y que se conocen los flujos F A y FB, así como las temperaturas TA1, TB1 y TL1, indique cuales son los grados de libertad del sistema. c) Aplique el algoritmo de Lee y Rudd para sugerir las mejores variables de diseño y el orden de solución de las ecuaciones. 7.- Considere el sistema de evaporación mostrado en la Figura 5. Escriba las ecuaciones que modelan el proceso. Si se conoce la alimentación y todas sus características, indique cual es el número de grados de libertad. Finalmente, utilice el algoritmo de Lee y Rudd para obtener las mejores variables de diseño y el orden de solución de las ecuaciones.

8.- Considere la alimentación a un reactor de producción de estireno, consistente de una mezcla de vapor y etilbenceno, con sus re spectivos valores de flujos, temperaturas y presiones de acuerdo al diagrama mostrado en la Figura 6. Se establecen las siguientes restricciones: i) Para mantener el catalizador en condiciones óptimas se requiere que FV/FE = 10. ii) La alimentación al reactor debe cumplir con T A = 600°C, PA = 1.8 atm. iii) Se conocen el consumo de et ilbenceno y sus condiciones, FE = 55 T/h, TE = 80°F, PE = 1 atm. Tomando en cuenta esta información, desarrolle los siguientes puntos: a) Escriba el modelo que describe este proceso de mezclado. Suponga que las entalpias de las corrientes son función tanto de la temperatura como de la presión. b) Indique cuantos grados de libertad tiene el sistema. c) Aplique el algoritmo de Lee y Rudd para identificar el orden de solución de las ecuaciones y las mejores variables de diseño.

Figura 4.

Figura 5.

Figura 6.

Rubrica de Tarea 2 (Modelado de Procesos) Materia:  Diseño y Simulación de Procesos y Productos II Docente: Dr. Fernando Israel Gómez Castro OBJETIVO Que el estudiante aplique sus conocimientos al modelado de distintos procesos, y practique lo aprendido en el aula para la determinación de las mejores variables de decisión en diversas situaciones.

ASPECTO

VALOR MÁXIMO

OBSERVACIONES

Portada

0.5

Introducción

1.0

Desarrollo

8.0

Referencias bibliográficas

0.5

Debe contener al menos: número y tema de la tarea, nombre de los integrantes del equipo, materia, nombre del docente y fecha de entrega. Debe contener algunos antecedentes relevantes al tema de la tarea. Mínimo una cuartilla. Incluye el desarrollo y la solución de los problemas propuestos. Debe hacerse evidente cualquier suposición que se haga. El proceso de solución debe estar completo. En caso de hacer uso de software para resolver alguna parte de un problema, se debe indicar y se debe entregar un archivo electrónico de esa parte de la solución. Debe incluir al menos tres referencias bibliográficas. No son válidas páginas como: el rincón del vago, wikipedia, etc.

TOTAL

10

ASPECTOS ADICIONALES 1.- La tarea se entrega por equipos de máximo 4 personas, y el líder de cada equipo debe entregar un reporte de actividades 2.- Se tomará en cuenta el orden, la ortografía y la redacción 3.- Tareas entregadas después de la fecha establecida por el docente tendrán una penalización de hasta 4 puntos sobre la calificación obtenida. 4.- La tarea se puede entregar a mano, pero debe cuidarse la caligrafía 5.- Material copiado directamente de la fuente (a t ravés de las herramientas copy-paste) será penalizado