UNIVERSIDAD DE GUAUAQUIL FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA TAREAS N1 APLICACIN DE LAS LEYES TERMODINAMICAS (SIN REACCION QUMICA) AUTORES:CARLOS ALVARES KATHERIN BASTIDAS JEFFERSON HERNNDEZ GABRIELA PAZMIO SHIRLEY RENDN

PRINCIPIOS BASICOS DE LOS PROCESOS QUMICOS

RICHARD M. FELDER RONALD W. ROUSSAUCURSO: 3AO PARALELO: A 2011-2012

INTRODUCCIONy La energa es una magnitud fsica que asociamos con la capacidad que

y

y y y y

y

tiene los cuerpos para producir trabajo mecnico, emitir luz, generar calor, etc. Para obtener energa se tendr que partir de algn cuerpo que la tenga y pueda experimentar una transformacin. A estos cuerpos se les llama fuentes de energa. De una forma ms amplia se llama fuente de energa a todo fenmeno natural, artificial o yacimientos que puede suministrarnos energa Energa cintica.- la energa debida al movimiento Energa potencial.- energa debida a la posicin del sistema en un campo potencial Energa interna.- energa debida al movimiento de molculas respecto del centro de masa del sistema, debida al movimiento rotacional y vibracional La energa puede transferirse en dos formas distintas entre tal sistema y sus alrededores

como CALOR o energa que fluye como resultado de una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores. El calor se define como positivo cuando se transfiere al sistema desde sus alrededores, y como TRABAJO o energa que fluye en respuesta a cualquier fuerza impulsadora diferente de una diferencia de temperatura, tal como una fuerza, un momento o un voltaje El principio que sirve de base a todos los clculos de balance de energa es la ley de conservacin de la energa, la cual establece que la energa no puede crearse ni destruirse. Esta ley tambin recibe el nombre de primera ley de la termodinmica.

EJERCICIO 8.6-1: BALANCE DE ENERGIA EN UN POCESO DE UN COMPONENTE.Se mezclan dos corrientes de agua a fin de formar la alimentacin a una caldera. A continuacin figuran datos del proces. Corriente de alimentacin 1: 120 Kg/min @ 30 C Corriente de alimentacin 2: 175 Kg/min @ 65 C Presin de la caldera: 17 bares (absoluto) El vapor de salida emerge de la caldera a travs de una tubera de 6 cm de dimetro interno (DI). Calcular la alimentacin de calor requerida en la caldera, KJ/min, si el vapor que emerge se encuentra saturado a la presin de la caldera. Despreciar las energas cinticas de las corrientes de lquido a la entrada.

= 295 Kg/min * 2793 KJ/Kg 120 Kg/min * 125.7KJ/Kg 175 Kg/min * 271.9 Kj/ min = 7.61 * 10-5 Kj/min A= *r2 A=(3.14*0.032 )

A= 2.83*10-3 m2La velocidad del vapor es: u= 295kg/min*1min/60seg*0.116m3/kg*1/2.83*10-3m2 u= 202 m/s Entonces como se supone que las energas de las corrientes de entrada son insignicativas

Ek= 6.

*

s kj/min

kg m/s

Q= 7.61 *1EZ05 + 6.02 * 103 kj/min = 767020 Kcal

Ek=

kg/mi

(

) m

kj

m

EJERCICIO 8.6-2: BALANCE DE ENERGIA EN UN PROCESO DE DOS COMPONENTES.Debe calentarse una corriente gaseosa que contiene 60% en peso de etano y 40% de butano, desde 70 F hasta 220 F, a una presin de 30 PSIA. Calcular el suministro de calor requerido por libra de mezcla, despreciando cambios de energa cintica y potencial y e3mpleando datos tabulados de entalpia para C2C6 y C4H10.

calentador

Balance de materia sobre el agua: 1000+n1=n2 (kg/hr) Balance de energia: Q+Ws= H+ Ek+ Ep

n i n i

Q=0 (el proceso es adiabatico) Ws=0 (no hay partes mviles) Ek=0, Ep=0 (por hpotesis)

H = ni ni = 0 salida entrada

1000kg hr

2676 Kj + (ni)(3278)=(n2)(3074) Kg

ni= 1951 kg /hr n2= 2951 kg7hr (flujo de productos) De la tabla B-6,el volumen especifico del vapor a 400C y 1 atm es de 3.11 m3 / kg. El flujo volumetrico de esta corriente resulta entonces : 1951 kg hr 3.11 m3 = kg 6070 m3 / hr

EJERCICIO 8.6-3: BALANCE SIMULTANEOS DE MATERIA Y ENERGIA.Se descarga vapor saturado a 1 atm de una turbina con un flujo de 1000 Kg/hr. Se requiere vapor sobrecalentado a 300 C y 1 atm como alimentacin a un intercambiador de calor; para producirlo, se mezcla la corriente de descarga de la turbina con vapor sobrecalentado disponible a partir de una segunda fuente a 400 C y 1 atm. La unidad de mezclado opera adiabticamente. Calcular la cantidad de vapor producida a 300 C, y el flujo volumtrico requerido de la corriente a 400 C.

Q + WS + =

H+

EK+

EP

Q= 0 (el proceso es adiabtico) WS = 0 (no hay partes mviles) EK 0, EP 0 (por hipotesis) H = ni i(salida) - ni i(entrada) = 0

1000kg hr

2676 kJ kg

La resolucin simultanea de (1) y (2) da: n1 = 1951 kg/hr N2 = 2951 kg/hr (flujo de productos) De la tabla B-6 el volumen especifico del vapor a 400 C y un atm equivalente a 1 bar es de 3.11 m/kg . El flujo volumtrico de esta corriente resulta entonces:

1951 kg hr

3.11 m kg

6070 m/hr

Ecuacin de BernoulliP(N/m2 ) (kg/m3 )

+

v2 (m2 /s2 ) 2. gc(kg . m/s . J)

+

g(m/s2) z(m) gc(kg .m/s . J)

=0

P2-P11000

- 135.5 + 490 = 0 (J/kg)

P1 = 4.56 x 105N/m2 = 4.56 x 105 Pa = 4.56 bares

EJERCICIO 8-6 Se bombea agua desde la torre de enfriamiento hasta un condensador ubicado sobre una plataforma colocada 20 m por encima de la torre. Si el flujo de agua es de 10 Lt/ min, a que ritmo, en J/min est cambiando la energa potencial?

DATOS: H= 20m Q=10lt/min P=1000 kg/m3 Ep=mgh Ep= (10 kg/min) * (9.8 m/s2) *(20m) Ep= 1960 j/min

(10lt/min)*(0.01m3/1lt) * (1000kg/m3) = 10kg/min EJERCICIO 8-7Entra metano a una tubera de 3 cm de DI, a 30 C y 10 ba, con una velocidad media de 5 m/s, y emerge en un punto ubicado 200 m por debajo del punto de entrada, a 30 C y 9 ba. Calcular EK y Ep para el gas en J/s (watts) suponiendo que el metano se comporta como un gas ideal, y suponiendo que significa (valor inicial valor final). Base:1s Q=V.A Q=(S.m/2)[ (0.03)2/4] P.V= (m/M)(RT) Q=3.53*10-3m3/s m=MPV/RT m= [(16grmol)(10/1.01325)atm(3.53l)]/[(0.082)(303)] Ps.Vs=NRT Vs=Pe Vs.A=Pe m=22.4grmol*1kgmol/1000grmol Pe.Ve NRT Ve Ps Ve.A Ps m=0.0224kg/s Vs=Ve(Pe/Ps) =(5m/s)(10bar/9bar) Vs=5.55 m/s Ek=1/2m(Vs2-Ve2)=(0.5)(0.0225kg/s)(5.552-52)m2/s2 EK=0.0659W Ep=mg(Ys-Ye)=(0.0225kg/s)(9.8m/s2)(-200) Ep=-441W

EJERCICIO 8-8 El lector ha adquirido recientemente una gran superficie de terreno en la jungla amaznica, a un costo extremadamente bajo. Se encuentra satisfecho consigo mismo hasta llegar a dicho lugar y descubrir que la fuente de energa elctrica mas cercana se encuentra a 1500 millas de distancia, un hecho que el cuado del lector, quien actu como agente de bienes races, olvido mencionar por algn motivo. Dado que la tienda de abarrotes de la localidad no posee cables de extensin de 1500 millas de longitud, el lector decide construir un pequeo generador hidroelctrico, al pie de una cascada cercana a 75 m de altura. El flujo de la cascada es de 105 m3/hr, y se anticipa un consumo de 750 kW*hr/semana para el funcionamiento de la iluminacin, aire acondicionado y televisin. Calcular la mxima energa tericamente disponible en la cascada, y comprobar si alcanza para cubrir dichas necesidades.

Ep=mg Y Ep=[(105m3/h)*(103L/1m3)*(1kgH2o/1L)]*(9.8m/s2)*(-75m)*(2.778*10-7Kw.h/1J) Ep=-2.04*104Kw.h/h [2.04*104Kw.h](24h)(7dias) =3.43*106Kwh/semana H 1dia 1 semana

EJERCICIO 8-9 Representar y simplificar la ecuacin de balance de energa de sistema cerrado para cada uno de los siguientes procesos, y establecer si los trminos de calor y trabajo distintos de cero resultan positivos o negativos. Se presenta la solucin de la parte.

Como ilustracin. El contenido de un recipiente cerrado se calienta desde 25C hasta 80C. El recipiente de la parte a) se quita del mechero, y se enfra nuevamente hasta 25C. Se lleva a cabo una reaccin qumica en un reactor adiabtico cerrado (perfectamente aislado). El sistema consiste en el contenido del reactor. Repetir c), solo que suponiendo que el reactor es isotrmico en vez de adiabtico y que cuando la reaccin se llevo a cabo adiabticamente aumento la temperatura dentro del reactor.Q+W= U+ Ek+ Ep W=0 (no hay partes mviles o Corrientes generadas) Ek=0 (el sistema est esttico) Ep=0 (no se produce cambio de altura) Q= U Q>0 (se agregan calor al sistema) Q-W= U+ Ek+ Ep Ek=0 Ep=0 (no hay cambio de altura) Q-W= U, Q0 Q-W= U+ Ek+ Ep Q=0 (adiabtico) W=0 Ep0 (no hay cambio Y) Ek 0 U=0 Q+W= U+ Ek+ Ep W=0 U=0 Q= Ek Ep=0

EJERCICIO 8-10 Se calienta un cilindro vertical provisto de un gran pistn mvil, lo cual provoca que el gas dentro del cilindro se expanda; esto traslada al pistn hasta una nueva posicin de equilibrio. Elaborar el balance de energa para este proceso, tomando al gas en el cilindro como el sistema y despreciando EP. Q+W = U + Ep + Ek Ep = 0 no hay cambios de altura. Ek = 0 no hay cambios de masa no velocidad. W = 0 no hay lmites mviles Q= U EJERCICIO 8-11 Se agregan 200 Cal a un sistema cerrado, y se efecta trabajo sobre el sistema en una cantidad equivalente a 3.622 Lt*atm. Calcular U(J) para este proceso, suponiendo que los cambios en energa cintica y potencial resultan despreciables. DATOS:

Q = 200 calora W = 3.622 lt.atm

Q+W = U + Ep + Ek Ek = 0; Ep = 0 (por hiptesis) Q+W = U U = (200cal * 4.184 j/1cal) + (3.622 atm * 101.3278 j/1lt.atm) U = 1203.809 j

EJERCICIO 8-12 Un cilindro con un pistn mvil contiene 3 Lt de un gas a 30C y 5 atm. Se introduce el pistn lentamente, comprimiendo el gas hasta 8 atm. a) Si se considera que el gas en el cilindro es el sistema, y despreciando EP, establecer y simplificar la ecuacin de balance de energa. b) Suponer que el proceso se lleva a cabo isotrmicamente, y que el trabajo de compresin sobre el gas equivale a 7.05 Lt*atm. Si el gas es ideal de tal modo que U es una funcin solo de T, Cunto calor (en joule) se intercambia con los alrededores?(Establecer si el gas gana o pierde dicho calor). c) Suponer que el sistema es adiabtico en vez de isotrmico, y que U aumenta a medida que lo hace T. La temperatura final del sistema resultara mayor, igual o menos de 30C? a) Ec + Ep + U = Q + W Ec = 0 Ep = 0 U=Q+W