Ingeniería de Procesos 1
1. Introducción al diseño de Procesos
Ingeniería de Procesos 2
1.2 Diseño de procesos
Objetivo(Especificaciones de diseño)
Colección de datosPropiedades físicasMétodos de diseño
Generación de posiblesdiseños
Selección y evaluación(Optimización)
Diseño final
Ingeniería de Procesos 3
Restricciones en el diseño
Recursos
Leyes físicas
Control del GobiernoEs
tánd
ares
y c
ódig
os
Regu
lacion
es
de s
egur
idad
Restricciones
económicas
Sele
cció
n de
lpr
oces
o
Materiales Condiciones
de proceso
Pers
onal
Tiempo
Métodos
Región de todos los diseños
Diseños posibles
Diseños plausibles
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1.3 Anatomía de un proceso de manufactura química
Almacenamiento de materia prima
Preparación de la alimentación
Purificación del producto
Almacenamiento del producto
Reacción Separación del producto
Venta
Reciclo de material que no ha reaccionado. Residuos
Subproductos
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Selección entre procesos continuos y procesos batch
Continuo:
1. Tasa de producción superior a 5 x 106 kg/h2. Producto único3. Buen periodo de vida del catalizador4. El proceso es conocido5. Mercado establecido6. No existen severas limitaciones
Ingeniería de Procesos 6
Batch
1. Tasa de producción inferior a 5 x 106 kg/h2. Rango de productos o especificaciones del producto3. Corto periodo de vida del catalizador4. El producto es nuevo5. Incertidumbre en el diseño6. Severas limitaciones
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1.4 Organización de un proyecto de Ing. Química
Fases para el diseño:
Fase 1. Diseño de proceso- Selección de proceso- Diagramas de flujo- Selección, especificación y diseño de equipos- Diagramas de tubería e instrumentación
Fase 2. Ingeniería de detalle- Diseño mecánico detallado de equipos- Diseño estructural, civil y eléctrico- Especificación y diseño de equipos auxiliares
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Director del proyecto
Sección de proceso
Evaluación del procesoDiagramas de flujo
Especificaciones de equipo
Sección de construcción
ConstrucciónPuesta en marcha
Sección de planificación
InspecciónEstimación
Planificación
Sección de especialistas en diseño
Tanques, Instrumentación y control, Compresores, bombas, turbinas, obras civiles, utilidades,
intercambiadores de calor.
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1.5 Documentación del proyecto
La documentación incluirá:
a. Correspondencia general con el grupo de diseño y con:departamento de gobierno vendedores de equipopersonalcliente
b. Hojas de cálculo cálculos de diseñocostos
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c. Dibujos Diagramas de flujo Diagramas de tuberías e instrumentos Diagramas de plantaPlanos de ubicaciónDetalles de equipoDiagramas de sistemas de tuberíasDibujo arquitectónico
d. Hojas de especificaciones Intercambiadores de calorBombas
e. Ordenes de compra CotizacionesFacturas
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Ejemplo 1.1 Diagrama de flujo de proceso de una planta para la manufactura de benceno por desalquilación de tolueno
Ingeniería de Procesos 12
Ejemplo 1.2 Diagrama P&I de una planta para la desalquilación de benceno
Ingeniería de Procesos 13
1.6 Códigos y estándares
1. Materiales, propiedades y composición2. Procedimientos de ensayo para rendimiento, composición y
calidad.3. Tamaños estándar: por ejemplo, tubos, platos, secciones.4. Métodos de diseño, inspección, fabricación.5. Códigos de práctica, para operación y seguridad de plantas.
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1.7 Factores de diseño
El diseño es un arte inexacto. Existirán errores e incertidumbresen las propiedades físicas y las aproximaciones realizadaspara los cálculos de diseño.
En diseño mecánico y estructural, se usa un factor de diseño de 4para la fuerzas de tensión y 2.5 para los esfuerzos.
La magnitud del flujo de las corrientes de proceso calculadas apartir de los balances de materia son incrementados en un factordel 10 % para dar flexibilidad en la operación del proceso.
Ingeniería de Procesos 15
1.8 Representación matemática del proceso
Corrientes de salida
Corrientes de entrada
Información de entrada
Información de salidaMétodos
de cálculo
Ingeniería de Procesos 16
Grados de libertad
La diferencia entre el número de variables involucradas en un diseño y el número de relaciones de diseño, se denomina grados de libertad. Si Nv, representa el número de variables en un problema de diseño, Nrel número de relaciones de diseño, entonces los grados de libertad Ndestán dados por:
Nd = Nv – Nr
Si Nv = Nr, Nd = 0 ; el problema tiene solución única.Si Nv < Nr, Nd < 0 ; el problema es sobredefinido, únicamente es posible un solución trivial.Si Nv > Nr, Nd > 0 ; hay un número infinito de posibles soluciones.
Ingeniería de Procesos 17
Ejercicio 1.1: Calcular los grados de libertad en una corriente de proceso.
Ejercicio 1.2: Calcular los grados de libertad en un proceso de destilación flash.
Ingeniería de Procesos 18
Ejercicio 1.3: Considerar los siguientes procesos típicosrepresentados por sus respectivas figuras, y para cada unoplantear la pregunta: ¿Cuántas variables es necesario especificar?[es decir, ¿Cuántos grados de libertad hay?] para que la resoluciónde los balances de materia y de energía combinados estédeterminado. Todos los procesos serán en estado estacionario, ylas corrientes que entran y salen consistirán en una sola fase.
Ingeniería de Procesos 19
a. Divisor de corriente: Suponer que Q = W = 0, y que enel proceso no interviene el balance de energía. Implícito en eldivisor está el hecho de que las temperaturas, presiones ycomposiciones de las corrientes de entrada y de salida sonidénticas.
Ingeniería de Procesos 20
b. Mezclador: Para este proceso suponer que W = 0, perono Q.
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c. Intercambiador de calor
E-2
T-1 T-2
C-1
C-2
d. Bomba: Suponer que Q=0
Ingeniería de Procesos 22
Ejercicio 1.4 Grados de libertad cuando ocurre una reacción en el sistemaUna reacción clásica para producir H2 es la llamada reacción de “desplazamiento de agua”:
CO + H20 ↔ CO2 + H2La figura muestra los datos del proceso y la información conocida. ¿Cuántos grados de libertad quedan por satisfacer? Por sencillez, suponga que la temperatura y la presión de todas las corrientes que entran y salen son iguales y que todas las corrientes son gases. La cantidad de agua en exceso de la requerida para convertir todo el CO a CO, está previamente determinada.
Ingeniería de Procesos 23
Ejercicio 1.5 Grados de libertad para el caso de múltiples reaccionesSe quema metano en un horno con 10% de aire en exceso; la combustiónno es completa, así que sale algo de CO del horno, pero nada de CH4.Las reacciones son:CH4 + 1 SO2 → CO + 2H2OCH4 + 2O2 → CO2 + 2H2OCO +0.5O2 → CO2
Realice un análisis de grados de libertad para este problema de combustión.
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Ejercicio 1.6 Se produce amoniaco por reacción de N2 y H2:N2 + 3H2 → 2NH3
La figura muestra un diagrama de flujo simplificado. Todas las unidades excepto el separadory las tuberías son adiabáticas. El amoniaco líquido producido está prácticamente libre de N2,H2 y Ar. Suponga que el gas de purgado está libre de NH3. Considere que el proceso estáformado por cuatro unidades individuales para un análisis de grados de libertad, y luego quitelas variables redundantes y agregue las restricciones redundantes a fin de obtener los gradosde libertad del proceso global. La fracción de conversión en el reactor es del 25%.
Ingeniería de Procesos 25
Flujo de información y estructura de los problemas de diseño
Ejemplo 1.7 Plantear un esquema de solución para el siguientesistema de ecuaciones
f1(x1,x2)=0f2(x1,x2,x3,x5)=0f3(x1,x3,x4)=0f4(x2,x4,x5,x6)=0f5(x5,x6,x7)=0
Ingeniería de Procesos 26
Solución
x3 x4
x2
f1 f2
x1 x5 x6 x7
f3 f4 f5
f1 f2 f3 f4 f5
x3
x3
x4 x4
x1 x2
x5
x7
x2
Diagrama de flujo de información(Sistema acíclico)
Ingeniería de Procesos 27
Ejercicio 1.8 Plantear un esquema de solución para el siguientesistema de ecuaciones.
f1(x1,x2)=0f2(x1,x3,x4)=0f3(x2,x3,x4,x5,x6)=0f4(x4,x5,x6)=0
Ingeniería de Procesos 28
2. Balances de materia
Ingeniería de Procesos 29
2.1 Conservación de la materia
Para cualquier sistema que no involucre procesos nucleares, la ecuación general de conservación de la materia puede ser escrita en la forma:
Entrada de materia - Salida de materia + Generación –Consumo = Acumulación
Para procesos en estado estacionario:
Entrada de materia = Salida de materia
Ingeniería de Procesos 30
Ejercicio 2.1: 2000 kg de una solución de hidróxido de calcio al 1% en agua, será preparada por dilución de una solución al 20%. Calcular las cantidades requeridas. Los porcentajes se dan en peso.
E-1
P-1 P-2
P-3
2
2,NaOH W/W
3
3,NaOH W/W
1
1,H2O W/W
Ingeniería de Procesos 31
2.2 Unidades usadas para expresar composiciones
Cuando se expresa una composición como un porcentaje,es importante establecer claramente la base: peso, molar ovolumen. Las abreviaciones w/w y v/v son usadas para designar como base el peso o el volumen.
Ejercicio 2.2: Ácido clorídrico de grado técnico tiene una concentración de 20% w/w , exprese la concentración como% molar.
Ingeniería de Procesos 32
2.3 Estequiometría
Estequiometría ( del griego stoikeion – elemento ) es la aplicación práctica de la ley de proporciones múltiples. Laecuación estequiométrica de una reacción química, establece sin ambigüedad el número de moléculas de reactantes yproductos que intervienen en una reacción.
Ejercicio 2.3: Balancear la ecuación global para la manufactura de cloruro de vinilo a partir de etileno, cloro y oxígeno.
A(C2H4) + B(Cl2) + C(O2) → D(C2H3Cl) + E(H2O)
Ingeniería de Procesos 33
2.4 Selección de fronteras de control
Ejercicio 2.4: El diagrama muestra los principales pasos en un procesopara la producción de un polímero. Dados los siguientes datos, calcule losflujos de corriente para una tasa de producción de 10000 kg/h.Reactor: Rendimiento sobre el polímero 100 %
Corriente para polimerización 20 % monómero / H2OConversión 90 %Catalizador 1 kg / 1000 kg monómeroAgente short - stopping 0.5 kg / 1000 kg monómero
no reaccionante.Filtro: Agua de lavado aproximadamente 1 kg / kg HpolímeroColumna de recuperación: 98 % recuperación de monómeroSecadero: Alimentación 5% agua, especificación de producto
0.5% H2O. Pérdidas de polímero en secador y filtro: aprox. 1%Calcular la cantidad de monómero alimentado al proceso.
Ingeniería de Procesos 34
V-1Válvula de mezcla
E-1Reactor
P-1Monómero
P-5
P-2
P-4Catalizador
P-3Agua
E-2Mezclador
P-6
P-7Short Step
E-3Filtro
P-8
P-9
P-10
E-5Recuperador de monómero
P-12Efluente
Monómero reciclo
E-4Secadero
P-11Polímero
Pérdidas
10000 kg polímero0.5% agua
Ingeniería de Procesos 35
2.5 Selección de la base de cálculo
1. Tiempo. Seleccionar la base de tiempo utilizada para presentar los resultados. Por ejemplo kg / h, Ton / h
2. Para procesos batch, utilizar una unidad batch.3. Seleccionar como base másica la corriente de flujo para la
cual existe mayor información.4. Es más fácil trabajar en moles que en peso cuando no
existen reacciones químicas involucradas.5. Para gases, si las composiciones están dadas en base
volumétrica, usar como base una unidad de volumen. Recordar que las fracciones en volumen son equivalentes a fracciones molares siempre y cuando las presiones sean moderadas.
Ingeniería de Procesos 36
2.6 Número de componentes independientes
Sistemas físicos, sin reacciónEl número de componentes independientes es igual al número deespecies químicas.
Sistemas químicos, con reacción.El número de componentes independientes puede ser calculadopor la expresión:Nº componentes independientes = Nº de especies químicas – Nºde ecuaciones químicas independientes
Ingeniería de Procesos 37
Ejercicio 2.5: Calcular el número de componentes independientesdel siguiente proceso
E-1
P-1P-2
P-3
SO3+H2O→H2SO4
OleumH2SO4/H2O/SO3
HNO3/H2O
H2OHNO3H2SO4
Ingeniería de Procesos 38
2.7 Restricciones sobre el flujo y las composiciones
Los flujos de los componentes en una corriente soncompletamente definidos especificando:1. El flujo (o cantidad) de cada componente.2. El flujo total (o cantidad) y la composición.3. El flujo de un componente (o cantidad) y la composición.
Recordar que la suma de las fracciones en peso o molares de loscomponentes de una corriente debe ser igual a 1.
Ingeniería de Procesos 39
Ejercicio 2.6: Una corriente de alimentación a un reactorcontiene: 16% de etileno, 9% de oxígeno, 31% de nitrógeno, yácido clorhídrico. Si el flujo de etileno es 5000 Kg/h, calcular losflujos individuales y el flujo total. Todos los porcentajes están enpeso.
Ingeniería de Procesos 40
2.8 Componentes de enlace
Ejercicio 2.7: Se añade dióxido de carbono a una velocidad de 5kg / h en una corriente de aire y el aire es muestreado a unadistancia corriente abajo lo suficientemente grande para aseguraruna mezcla completa. Si el análisis muestra 0.45% v/v CO2 ,calcular la velocidad de flujo de aire.Contenido de CO2 en el aire = 0.03%
Ingeniería de Procesos 41
Ejercicio 2.8: En un ensayo sobre un horno que quema gas natural(96% de metano, 4% nitrógeno), se obtuvo el siguiente análisis:9.1% de dióxido de carbono, 0.2% de monóxido de carbono, 4.6%de oxígeno, 86.1% de nitrógeno, todos los porcentajes envolumen.Calcular el porcentaje de aire en exceso.
Reacción:CH4+2O2 → CO2+2H2O
Ingeniería de Procesos 42
2.9 Reactivo en exceso
100tricaestequiomécantidad
tricaestequiomé cantidad - dasuministra cantidad exceso % ×=
Ejercicio 2.9: Para asegurar una combustión completa, 30% deaire en exceso es suministrado a un quemador para la combustiónde gas natural. La composición del gas (por volumen) es 95% demetano, 5% de etano. Calcular los moles de aire requerido pormol de combustible.CH4+2O2 → CO2+2H2OC2H6+(3/2)O2 → 2CO2+3H2O
Ingeniería de Procesos 43
2.10 Conversión y rendimiento
CONVERSIÓN. Es una medida de la fracción de reactivo que reacciona.
ónalimentaci de corriente laen cantidadproducto de corriente laen cantidad -ónalimentaci de corriente laen cantidad
dasuministra cantidadconsumido reactivo de cantidadConversión
=
=
Ingeniería de Procesos 44
Ejericio 2.10: En la manufactura de cloruro de vinilo (VC) porpirolisis de dicloroetano (DCE), la conversión de un reactor estálimitada al 55% para reducir la formación de carbón, el cual puededeteriorar los tubos del reactor. Calcular la cantidad dedicloroetano necesaria para producir 6000 kg / h VC.
C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl
Ingeniería de Procesos 45
RENDIMIENTO. Es una medida de la eficiencia de un reactor ouna planta.
proceso al salimentado reactivo de molestricoestequioméfactor producido producto de moles oRendimient
:planta una Para
convertido reactivo de molestricoestequioméfactor producido producto de molesoRendimient
:reactorun Para
×=
×=
Ingeniería de Procesos 46
Ejercicio 2.11: En la producción de etanol por la hidrólisis deetileno, se produce dietileter como subproducto. Una composicióntípica de la corriente de alimentación es: 55% etileno, 5% inertes,40% agua, y una corriente de producto: 52.26% etileno, 5.49%alcohol, 0.16% eter, 36.81% de agua, 5.28% de inertes. Calcularel rendimiento de etanol y eter basado en etileno.
E-1
C2H4+H2O→C2H5OH2C2H5OH→(C2H5)2O+H2O
C2H4 55%Inertes 5%H2O 40%
C2H4 52.26%C2H5OH 5.49%(C2H5)2O 0.16%H2O 36.81%Inertes 5.28%
Ingeniería de Procesos 47
Ejericicio 2.12: En la cloración de etileno para producirdicloroetano (DCE), la conversión de etileno es reportada como99%. Si 90 moles de DCE son producidos por 100 moles deetileno alimentado, calcular el rendimiento global y el rendimientodel reactor basado en etileno. El etileno que no ha reaccionado noes recuperado.
C2H4+Cl2→C2H4Cl2
2.11 Procesos con reciclo, purga y derivación
Ingeniería de Procesos 48
Ingeniería de Procesos 49
Ingeniería de Procesos 50
Ejercicio 2.13: Una columna de destilación separa 10000 kg / h de unamezcla de 50% de benceno y 50% de tolueno. El producto D recuperadodel condensador en la parte superior de la columna contiene 95% detolueno. El flujo de vapor V que entra en el condensador desde la partesuperior de la columna es de 8000 kg / h. Una porción del producto delcondensador se devuelve a la columna como reflujo, y el resto se extraepara usarse en otro sitio. Suponga que la composición del flujo en laparte superior de la columna (V), del producto extraído (D), y del reflujo(R) son idénticas porque el flujo V se condensa por completo. Calcule larazón entre la cantidad reflujada R y el producto extraído D.
Ingeniería de Procesos 51
Ingeniería de Procesos 52
3. Balances de Energía
Ingeniería de Procesos 53
3.1 Conservación de la energía
Energía que sale = Energía que entra + generación – consumo - acumulación
Ingeniería de Procesos 54
3.2 Formas de energía
Energía Potencial
Energía Cinética
)m/s (9.81 nalgravitacioón acelaeraci g (m) referencia de baseun sobre altura z donde
gz Potencial Energía
2=
=
=
m/s. , velocidadu donde2
u Cinética Energía2
=
=
Ingeniería de Procesos 55
Energía Interna
Trabajo
material. del ra temperatula es Ty interna energía la es Udonde)T(fU =
kg/m masa, de unidadpor volumen v ),(N/m Pa Presión,P donde
PdvW
m. distancia, ly x N. Fuerza, F donde
FdxW
3
2
2
1
l
0
=
=
=
==
=
∫
∫
Ingeniería de Procesos 56
vp C/C dondectteP·v
:reversible adiabáticaexpansión una ParactteP·v
:constante) ra temperatua (expansión isotérmicaexpansión una Para
=γ=
=
γ
CalorLa energía es transferida como calor y como trabajo. Un sistema no tiene calor pero puede transferir calor o trabajo.
Energía EléctricaLa energía eléctrica será significativa únicamente en procesos Electroquímicos.
Ingeniería de Procesos 57
3.3 El balance de energía
z1
z2
WQ
1
2
entrada
salida
Wgz2
uvPUQgz2
uvPU 2
22
2221
21
111 ++++=++++
Ingeniería de Procesos 58
Es conveniente tomar los términos U y P·v juntos, definiendo eltérmino entalpía comoH = U + P·v = f(T,P)La entalpía puede ser calculada a partir de los datos de calorlatente y específico.Si los términos de energía cinética y potencial son despreciables,Se obtiene,H2 - H1 = Q - WPara muchos procesos el trabajo será igual a cero o se puededespreciar, obteniéndose,Q = H2 – H1
Ingeniería de Procesos 59
3.4 Cálculo de cambios entalpía
Ingeniería de Procesos 60
fase. de cambio de latentes calores losadicionar necesario es ,referenciade ra temperatulay daespecifica ra temperatula entre fase, de cambioun ocurre Si
referencia de ra temperatu T
constante.presión material, del calorífica capacidad C T. ra temperatula a específica entalpíaH :donde
dTCH
fase, de cambiosin puros materiales Para
d
p
T
T
TpT
d
=
==
= ∫
fase segunda la de calorífica capacidad C
fase primera la de calorífica capacidadC
fase de cambio de ratemeperatuT :donde
dTCpHdTCpH
p2
p1
p
T
Tp2fase de cambio
Tp
Td1T
=
=
=
+∆+= ∫∫
Ingeniería de Procesos 61
El calor específico a presión constante varía con la temperatura. Para sólidos y gases, es usualmente expresada mediante unaecuación en serie de potencias.
2/1p
2p
T·cT·baCo
T·cT·baC
−++=
++=
Ejercicio 3.1La capacidad calorífica del dióxido de carbono gaseoso es funciónde la temperatura y en una serie de experimentos repetidos se hanobtenido los siguientes valores:
Obtenga los valores de los coeficientes de la ecuaciónCp=a+b·T+c·T 2
que producen el mejor ajuste a los datos.
Ingeniería de Procesos 62
Ingeniería de Procesos 63
Ejercicio 3.2 Cálculo de ∆H para una mezcla de gases empleandoecuaciones de capacidad calorífica
La conversión de desechos sólidos en gases inocuos se puede realizar enincineradores siguiendo un método aceptable desde el punto de vistaambiental. Sin embargo, los gases de escape calientes a menudo tienenque enfriarse o diluirse con aire. Un estudio de factibilidad económicaindica que los desechos municipales sólidos pueden quemarse paraproducir un gas con la siguiente composición (en base seca):CO2 9.2%, CO 1.5%, O2 7.3%, N2 82%.¿Cuál es la diferencia de entalpía para este gas por Ib mol entre la parteinferior y la superior de la chimenea si la temperatura en la parte inferiores de 550°F, y la de la parte superior, 200°F? Ignore el vapor de agua enel gas. Puede ignorar también los efectos energeticos que resulten delmezclado de los componentes gaseosos.
Ingeniería de Procesos 64
3.3 El efecto de la presión sobre la capacidad calorífica
Ingeniería de Procesos 65
Ejercicio 3.3 La capacidad calorífica (estado de gas ideal) deletileno está dada por la ecuación:
Estime el valor a 10 bar y 300 K.
Datos adicionales para el etileno:Pc=50.5 barTc=283 K
J/mol·K T106.17T103.8T106.1595.3C 39252op
−−− ×+×−×+=
Ingeniería de Procesos 66
3.4 Entalpía de mezclas
Para gases, el calor de mezcla es despreciable,Cp(mezcla) = xaCpa+xbCpb+xcCpc+…Para mezclas líquidas y soluciones, el calor de mezcla puede serSignificativo. A la temperatura T, la entalpía específica de lamezcla está dada por:Hmezcla,T=xaHa,T+xbHb,T+∆Hm,T
donde Ha,T y Hb,T son las entalpías específicas de los componentesa y b, y –∆Hm,T es el calor de mezcla cuando se forma un mol desolución a la temperatura T.
Ingeniería de Procesos 67
Calores integrales de solución
Los calores de solución son dependientes de la concentración. Elcalor integral de solución a cualquier concentración dada es elcalor absorbido o generado en la preparación de una solución apartir de un solvente y soluto puros. El calor integral de solución auna dilución infinita se llama calor integral estándar de solución.
Ingeniería de Procesos 68
Ejercicio 3.4
Una solución de NaOH en agua es preparada diluyendo unasolución concentrada en un tanque agitado con chaqueta deenfriamiento. La solución concentrada tiene una concentración del50% w/w, y se requieren 2500 kg de solución al 5% por batch. Calcule el calor removido por el agua de enfriamiento si lasolución es descargada a una temperatura de 25 ºC. Latemperatura de la solución alimentada al tanque puede ser tomadacomo 25 ºC.
mol H2O/mol NaOH 2 4 5 10 Infinito
-∆Hºsolución kJ/mol NaOH 22.9 34.4 37.7 42.5 42.9
Ingeniería de Procesos 69
3.5 Calores de reacción
El calor de reacción se puede calcular mediante la expresión:
reactivosproductosorT,r HHHH ∆−∆+∆=∆
donde –∆Hr,T = Calor de reacción a la temperatura T∆Hreactivos = Cambio de entalpía para los reactivos∆Hproductos= Cambio de entalpía de los productos
Ingeniería de Procesos 70
Efectos de la presión sobre los calores de reacción
dTT
HT
H.....
.....dPP
HP
HHH
T
298 P
reactivos
P
producto
P
1 T
reactivos
T
productoorT,P,r
∫
∫
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂
∂
+⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂
∂+∆=∆
Ingeniería de Procesos 71
H
Ingeniería de Procesos 72
3.6 Calores estándar de formación
∑∑ ∆−∆=∆ oreactivos,f
oproductos,f
or HHH
3.7 Calores estándar de combustión
∑∑ ∆−∆=∆ oproductos,c
oreactivos,c
oc HHH
Ingeniería de Procesos 73
Ejercicio 3.5Calcular los calores estándar de la siguiente reacción, dadas lasentalpías de formación.
4NH3(g)+5O2(g) → 4NO(g)+6H2O(g)
Las entalpías de formación estándar en kJ/mol sonNH3(g) -46.2NO(g) +90.3H2O(g) -241.6
Ingeniería de Procesos 74
Ejercicio 3.6Calcular el calor estándar de reacción para la siguiente reacción: la hidrogenación de benceno a ciclohexano.
(1) C6H6(g)+3H2 → C6H12(g)(2) C6H6(g)+7.5O2(g) → 6CO2(g)+3H2O(l) ∆Hc
o= -3287.4 kJ(3) C6H12(g)+9O2 → 6CO2(g)+6H2O(l) ∆Hc
o=-3949.2 kJ(4) C(s)+O2(g) → CO2(g) ∆Hc
o=-393.12 kJ (5) H2(g)+0.5O2(g) → H2O(l) ∆Hc
o=-285.58 kJ
Las presiones y temperaturas estándar son 25ºC, 1 atm.
Ingeniería de Procesos 75
Ejercicio 3.7Se quema por completo monóxido de carbono a 10°C y una presión de 2atm con 50% de aire en exceso que está a 538°C. Los productos de lacombustión salen de la cámara de combustión a 426°C. Calcule el calorgenerado en la cámara de combustión expresado en kJ por kg de COque entra.
Reactor
CO 50ºF
50% aire exceso, 1000 ºF0.21 O20.79 N2
800 ºFP lbmolCO2? x1O2? x2N2? x3
W=0
Q=?
CO(g)+0.5 O2(g) →CO2(g)
Ingeniería de Procesos 76
Datos adicionales
)C)(ºmol g/(JCCºT
T·cT·baC
op
2op
≡
≡
++= −
Compuesto a b c ∆Hfo (kJ/g mol)
CO2 36.11 4.233 x 10-2 -2.887 x 10-5
0.3548 x 10-5
-0.6076 x 10-5
0.5723 x 10-5
-393.51
CO 28.95 0.411 x 10-2 -110.52
O2 29.10 1.158 x 10-2 0
N2 29.00 0.2199 x 10-2 0
Ingeniería de Procesos 77
Ejericicio 3.8 Temperatura de reacción (flama) adiabáticaCalcule la temperatura de flama teórica para CO gaseoso quemado apresión constante con 100% de aire en exceso, si los reactivos entran a100°C y 1 atm.
Ingeniería de Procesos 78
3.7 Compresión y expansión de gases
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=−
=
==
=
=−
−−
∫
1PP
1nn
MRT
Z1PP
1nnvPW
tetanconsPv o,politrópic es proceso el Si
PP
lnMT·R
PP
lnvPW-
constantePv ,isotérmica esexpansión o compresión la Si
PdvW
n/)1n(
1
21
n/)1n(
1
211
n
1
21
1
211
2
1
Ingeniería de Procesos 79
Ingeniería de Procesos 80
Ingeniería de Procesos 81
3.8 Integración de Procesos y Tecnología Pinch
Ingeniería de Procesos 82
Ejercicio 3.9
Ingeniería de Procesos 83