• Author / Uploaded
• Larissa Andrade

Citation preview

8.4. Use los datos de la tabla B.2 para calcular lo siguiente: (a) La capacidad calorífica (Cp) del benceno líquido a 40°C. (b) La capacidad calorífica a presión constante del vapor de benceno a 40°C. (c) La capacidad calorífica a presión constante del carbón sólido a 40°C. (d) A//(kJ/mol) para vapor de benceno que pasa de 40°C a 300°C. (e) A//(kJ/mol) para carbón sólido que pasa de 40°C a 300°C.

8.8. La tabla B.2 da los valores de capacidad calorífica del etanol liquido a dos temperaturas. Utilice los valores tabulados para derivar una expresión lineal para Cp(Ty, después use la expresión derivada y los datos de la tabla B. 1 para calcular la velocidad de transferencia de calor (kW) que se requiere para llevar una corriente de etanol líquido que fluye a 55.0 L/s de 20°C hasta el punto de ebullición a 1 atm.

8.12. Ralph Rackstraw, su vecino, le dio una sorpresa a su esposa en enero instalando un jacuzzi en su palio trasero, mientras ella estaba de viaje de negocios. Desde luego que la soprendió, pero, en lugar de considerarlo agradable, se sintió horrorizada. “¿Te has vuelto loco, Ralph?” farfulló. “Costará una fortuna mantener caliente esta tina”. “No seas tonta, Josefina”, respondió él. “Sólo costará algunos centavos diarios, aun en lo peor del invierno”. “No te creo, ¿y desde cuándo eres experto en esto?". “Te garantizo que costará muy poco, y tampoco veo que tengas tu certificado de doctorado colgado en la pared de la cocina”. Discutieron por un rato y después, recordando que usted es ingeniero químico, decidieron consultarlo. Usted les hizo algunas preguntas, efectuó diversas observaciones, convirtió todo a unidades métricas y llegó a los siguientes datos, todos correspondientes a una temperatura promedio a la intemperie cercana a 5°C. • El jacuzzi contiene 1230 litros de agua. • Rackstraw por lo general mantiene la temperatura del mismo a 29°C y la eleva a 40°C cuando planea usarlo, la mantiene a 40°C durante una hora y después la regresa a 29°C, cuando termina de usarlo. • Durante el calentamiento, el agua requiere de casi tres horas para que su temperatura aumente de 29°C a 40°C. Cuando se deja de aplicar calor, el agua tarda ocho horas en regresar a 29°C. • La electricidad cuesta 10 centavos por kilowatt-hora. Considerando que la capacidad calorífica del contenido del jacuzzi es la del agua líquida pura, y despreciando la evaporación, responda lo siguiente: (a) ¿Cuál es la velocidad promedio de pérdida de calor (kW) del agua de la tina hacia el aire exterior? (,Sugerencia: considere el periodo durante el cual la temperatura del agua desciende de 40°C a 29°C.) (b) ¿A qué velocidad promedio (kW) aporta energía al agua el calentador del jacuzzi durante el calentamiento? ¿Qué cantidad total de electricidad (kW-h) debe suministrar el calentador en este periodo? [Considere el resultado del inciso (a) al hacer los cálculos.] (c ) (Estas respuestas deben poner fin a la discusión.) Considere que un dia el jacuzzi se emplea una vez. Utilice los resultados de los incisos (a) y (b) para estimar el costo (dólares) de calentar el agua de 29°C a 40°C y el costo (dólares) de mantenerla a temperatura constante. (No hay costo para el periodo en el cual T desciende.) ¿Cuál será el costo

diario en total de utilizar el jacuziil Suponga que la velocidad de pérdida de calor es independiente de la temperatura del agua. (d) La tapa de la tina es aislante y se retira cuando dicha tina está en uso. Explique cómo podría afectar esto a su estimación del costo del inciso (c).

8.14. Estime la velocidad de enfriamiento (kW) necesaria para llevar 300 kg/min de monóxido de carbono de 450°C a 50°C, realizando los cálculos (a) empleando la tabla B.2 y (b) con la tabla B.8. Considerando que el segundo cálculo es mucho más sencillo, ¿por qué en ocasiones es necesario emplear las fórmulas poli- nomiales de la tabla B.2 en lugar de las entalpias tabuladas para calcular los cambios de entalpia?

8.22. Un gas combustible que contiene 95 mol% de metano y el balance de etano se quema en su totalidad con 25% de aire en exceso. El gas de combustión sale del horno a 900°C y se enfría hasta 450°C en una caldera de recuperación, que es un intercambiador de calor en el cual el calor que pierden los gases al enfriarse se usa para producir vapor a partir de agua líquida para calentamiento, generación de electricidad o aplicaciones de proceso. (a) Tomando como base de cálculo una alimentación al homo de 100 mol de gas combustible, calcule la cantidad de calor (kJ) que debe transferirse del gas en la caldera de recuperación para lograr el enfriamiento indicado. (b) ¿Cuánto vapor saturado a 50 bar puede producirse a partir del agua de alimentación de la caldera a 40°C empleando la misma base de cálculo? (Suponga que todo el calor transferido del gas se utiliza para producir vapor.) (c) ¿A qué velocidad (kmol/s) se debe quemar el gas para producir 1250 kg de vapor por hora (cantidad necesaria en otro sitio de la planta) en la caldera de recuperación? ¿Cuál es la velocidad de flujo volumétrico (m3/s) del gas que sale de la caldera? (d) Explique, en forma breve, cómo contribuye la caldera de calor de recuperación a la redituabilidad de la planta. (Piense en lo que se requeriría en su ausencia.)

8.26. Se utiliza una unidad adiabática de separación por membrana para secar (eliminar el vapor de agua) una mezcla gaseosa que contiene 10.0 mol% de H20(v), 10.0 mol% de CO, y el balance de CO;. El gas entra a la unidad a 30°C y atraviesa una membrana semipermeable. El vapor de agua permea cruzando la membrana hacia una corriente de aire. El gas seco sale del separador a 30°C y contiene 2.0 mol% de H20(v) y el balance de CO y C 02. El aire entra al separador a 50°C con humedad absoluta de 0.002 kg H20/kg aire seco y sale a 48°C. Cantidades despreciables de CO, CO?, 0 2 y N2 atraviesan la membrana. La presión aproximada de todas las corrientes de gas es 1 atm. (a) Dibuje y marque el diagrama de flujo del proceso y haga el análisis de grados de libertad para verificar si puede determinar todas las cantidades desconocidas en el diagrama. (b) Calcule (i) la relación de aire de entrada respecto al de salida (kg aire húmedo/mol gas) y (ii) la humedad relativa del aire de salida. (c) Mencione varias propiedades deseables de la membrana. (Piense en otras cosas además de lo que deja o no permear.

8.34 Como parte de un cálculo de diseño es necesario evaluar el cambio de entalpia de un vapor orgánico raro, que se enfriará de 1800°C a 150°C en un intercambiador de calor. Busca en todas las referencias estándar de entalpias tabuladas o en los datos de capacidad calorífica del vapor, pero no tiene suerte, hasta que por fin se topa con un artículo de mayo de 1922 del Antarctican Journal of Obscure Organic Vapors que contiene una gráfica de Cp [cal/(g-°C)] en escala logarítmica contra [T(0C)]I/2 en escala lineal. Esta gráfica es una línea recta que pasa por los puntos Cp = 0.329, P a = 7.1) y Cp = 0.533, P 12 = 17.3). (a) Derive una ecuación para Cp en función de T. (b) Suponga que la relación del inciso (a) es la siguiente Cp = 0.235 exp[0.04737'1'2] y que usted desea evaluar 1 scrc AW(cal/g) = C„ dT 1 I800°C Primero, realice la integración de manera analítica empleando una tabla de integrales en caso necesario; después, elabore una hoja de cálculo o un programa de computadora para realizarla, aplicando la regla de Simpson (Apéndice A.3). Pida al programa que evalúe Cp en 11 puntos equidistantes desde 150°C a 1800°C, estime e imprima el valor de AH, y repita los cálculos con 101 puntos. ¿Qué puede concluir respecto a la exactitud del cálculo numérico?

8.56. Un lodo acuoso a 30°C que contiene 20.0% por peso de sólidos se alimenta a un evaporador, en el cual se vaporiza suficiente agua a 1 atm para producir un lodo de producto que contiene 35.0% por peso de sólidos. Se suministra calor al evaporador alimentándolo con vapor saturado a 1.6 bar absolutas a través de un serpentín sumergido en el líquido. El vapor se condensa sobre el serpentín y el lodo hierve en el punto de ebullición normal del agua pura. La capacidad calorífica de los sólidos puede considerarse como la mitad de la capacidad calorífica del agua líquida. h 20 ( v) Lodo acuoso a 30°C 20.0% por peso de S (sólidos) P = 1 atm H20 ( v) Saturada, 1.6 bar EVAPORADOR Lodo 35.0% por peso de S H20(l) Saturada, 1.6 bar (a) Calcule la velocidad de alimentación de vapor necesaria (kg/h) para una velocidad de alimentación de lodo de 1.00 x 103 kg/h. (b) La recompresión de vapor se usa con frecuencia en la operación de los evaporadores. Suponga que el vapor generado en el evaporador descrito arriba se comprime a 1.6 bar, y se calienta en forma simultánea a la temperatura de saturación a 1.6 bar,

de modo que no hay condensación. El vapor comprimido y el vapor saturado adicional a 1.6 bar se alimentan entonces al serpentín de evaporación, donde se produce una condensación isobárica. ¿Cuánto vapor adicional se requiere? (c) ¿Qué más necesitaría saber para determinar si la recompresión de vapor representa o no una ventaja económica en este proceso?