Operaciones Unitarias

Agroindustriales I

Eliana Jara Morante

Setiembre 4, 2014

BALANCE DE ENERGÍA

Operaciones Unitarias Agroindustriales I

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Balance de Energía

Eliana Jara Morante

Agosto 28, 2014

ProcesoP1

C1

U1

ʋ1

P2

C2

U2

ʋ2

Q W

z1 z2

Referencia

Ecuación de Energía

• Basada en la primera ley de la termodinámica

4

trabajo

por otransferid

neta Energía

sistema

al otransferid

neta Energía

sistema

el en acumulada

energía la en ambioC

sistema

outin

sistema

outin

sistema

WWQQdVeDt

D

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 (ΔEp)

– Energía cinética (ΔEc)

– Energía requerida para que el fluido fluya a través del

fluido (ΔPV)

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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

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Balance de Energía

• En forma general:

• Para un sistema de flujo y reemplazando

U=f(H):

7

sneto

vc

WQdAngzP

UdVet

)ˆ.(2

2

spc WQEEH

PVHU

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.

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…Problema 1

• La carga

consiste de

150 kg de

material

con una

capacidad

calorífica de

3.26 J/g-K.

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Biomasa

Vapor saturado 250°C

Líquido condensado 250°C

Pérdida de calor: 1.5 kJ/s

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

• Energía interna:

– Energía contenida en un sistema de volumen

constante

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sWdQU

VP CCR

Balance de Energía

• Entalpía:

– Energía contenido en un proceso de flujo

• Calor sensible

– 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.

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mQTmCQ lps

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%.

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Problema 3

• Un secador de textiles consume 4m3/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

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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

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Balance de Energía

• Sistemas reactivos

• Moles que quedan en el sistema luego de la

reacción

• Calor reacción estandar

15

reacción la

de avancenn

nrxj

jiii

:

..0

,,0

react

ifi

prod

ifi

i

ifirx HHHH ,,,

0

Balance de Energía

• Una o más de una reacción (para el reactor)

• Una sola reacción

16

2

1

,,

0

T

T

P

react

ifi

prod

ifirx

j

j

dTmCH

HHHH

react

ifi

prod

ifirx HHHH ,,

0

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.

• 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

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OHCOOCH

OHCOOCH

2224

2223

4

22

2

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

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)()()( 2221 gCOgOgCO

Problema 7

• Se lleva a cabo la deshidrogenación de etanol para formar

acetaldehído.

• 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.

– C2H5OH(g): Cp= 0.110 KJ/mol-ºC

– CH3CHO(g): Cp= 0.080 KJ/mol-ºC

– H2(g): Cp= 0.029 KJ/mol-ºC

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CmolkJH

gHgCHOCHgOHHC

rx

25@/95.68

)()()(

0

2352

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/cm2. 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

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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?

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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 cada

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

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