Diseño de Plantas Químicas Examen Final

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Diseño de Plantas Químicas Examen Final

La alimentación a una torre de destilación es de 5000 lbmol/h, de una solución de 35 mol por ciento de dicloro de etileno (EDC) en xileno. No hay ninguna acumulación en la torre, el flujo de vapores destilados contiene 80 % de dicloro de etileno, y el flujo de residuos contiene 15 mol por ciento de dicloro de etileno. El agua de enfriamiento al condensador de vapores está ajustada para dar una relación de recirculación de 10:1 (10 moles vuelven a entrar a la columna por cada mol de producto de vapores salientes). El calor al equipo de transferencia calorífica, ver figura, se ajusta de modo que la relación de circulación sea de 5:1 (5 moles vuelven a entrar a la columna por cada mol de producto residual, con un desvió de 2:15 (2 moles se desvían al equipo de transferencia calorífica por cada 15 moles que pasan por dicho equipo).

a) De acuerdo con el diagrama de flujo mostrado en la figura, plantear el diagrama de proceso utilizado la nomenclatura necesaria (20 puntos).

b) Balance total de masa de todas las corrientes del proceso que se describe (40 puntos)

c) Balance de energía (40 puntos).

Vapor destilado

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Datos Adicionales

La torre de destilación tiene la temperatura y las condiciones térmicas que se muestran en la figura, el equipo de transferencia de calor es calentado por vapor que condensa a

280 ℉

. El agua de enfriamiento entra al condensador de vapores de salida a 70℉ y sale a 120℉ . En el condensador, el vapor de salida entra a 184

℉

antes de enfriarse a 175

℉

que es la temperatura de recirculación de líquidos y del producto destilado. El calor de condensación ∆ H del vapor de salida es de 14210 Btu/lbmol y 14820 Btu/lb/mol para los residuos de la torre. La capacidad calorífica de todas las corrientes liquidas es de 40 Btu/lbmol

℉

.

Diseño de Plantas Químicas Segundo Parcial DESTILADO 175 Agua 280 Vapor a 280 EQUIPO DE TRANSFERENCIA DE CALOR 120 70 RECICLO REFLUJO CONDENSADO R ALIMENTACION 80

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24000 lb/hr de un destilado de 35 ° API se enfria de 400 a 300 ℉ por 50000 lb/hr de un aceite crudo de

34 ° API

que se calienta desde una temperatura inicial de 250℉ . Si se permite caídas de presión de 19 lb/pulg2

y se requiere un factor de obstrucción de 0.006. usando horquillas de 4X3 pulg. IPS por 20 pies:

a) Cuantas horquillas se requieren? b) Como deben arreglarse?

Diseño de Plantas Químicas Primer Parcial

Una corriente de alimentación de 16000 lb/hr de disolución al 7 % en peso de NaCl se concentra hasta 40% en peso en un evaporador de serpentín con un tiempo de residencia de 2 horas. En el evaporador la alimentación se calientas a

180 ℉

. El vapor de agua de la disolución y la disolución concentrada salen a 180℉ . El vapor de agua entra como saturado y sale como condensado. La salida de la disolución concentrada se enfría en un intercambiador de calor hasta

100 ℉

.

a) Preparar el balance de masa y energía b) Diseñar el intercambiador de calor

45000 Kg/h de aceite lubricante (40 ° API , DO , PM =240) son producidos por la descomposición térmica del aceite de castor acetilado (ACO, similar a la glicerina) de acuerdo a la siguiente reacción:

AC O

₍_l)

340° API

→

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El proceso para producir DO se describe a continuación:

ACO se alimenta por gravedad desde un tanque de almacenamiento a un tanque de pulmón, el líquido a 30℃ se transporta mediante una bomba a una presión de 2 bares hacia un horno de calentamiento, controlando el flujo mediante válvula de control en el lado de descarga de la bomba. En el horno, la temperatura del líquido se incrementa a

340 ℃

mediante la combustión de aceite combustible (Combustible residual N ° 6 ) con un 10% de exceso de aire. El flujo de salida del horno se introduce directamente a un reactor que contiene un empaque cerámico inerte en el que se da la reacción de descomposición. La conversión en un solo paso en el reactor es de 40%.

La corriente de salida del reactor es alimentado a un separador Gas-Liquido, donde todo el acido acético formado se elimina en forma de vapor por la parte superior del separador. El material liquido pesado DO y ACO tienen muy bajas presiones de vapor y consecuentemente no se vaporizan apreciablemente y dejan el separador como liquido caliente. La corriente liquida a

310 ℃

se alimenta a un intercambiador donde el aceite se calienta a 160℃ por intercambio de calor, produciéndose vapor saturado a la presión de 10 bar. El nivel de agua en el evaporador se controla ajustando el flujo de alimentación de agua, el aceite enfriado a la presión de 1.3 bar es enviado a la siguiente etapa del proceso.

Para el proceso descrito anteriormente, calcular: a) Balance de masa y energía completo b) Calcular la potencia de la bomba

c) Calcular las dimensiones del intercambiador

Se desea diseñar un proceso en el que se contempla una columna de

rectificación, que se alimenta con 15000 kg/h de una mezcla a

20 ℃

a una atmosfera que contiene 40% de benceno y 60% de tolueno. El producto

destilado tiene 97% de benceno y en la corriente del fondo 98 % de tolueno (todas las corrientes están en % en peso).

a) Elaborar el diagrama de flujo de proceso con todos los servicios y equipamiento requerido.

b) El combustible requerido para la producción Importante: Haga las suposiciones necesarias.

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En una unidad productiva se elimina una corriente de 1600 lb/h de una disolución al 7% en peso de NaCl a un evaporador y se concentra hasta 40 % en peso.

En el evaporador la alimentación se calienta a 180℉ vapor de agua a razón de 15000 lb/h entra a

230 ℉

y sale como condensado a

230 ℉

.

Para el proceso, preparar un diagrama de flujo completo con las unidades de servicio mas importantes, en base al diagrama de flujo, preparar el balance de masa y energía de la unidad productiva, requerimiento de agua combustible, etc. Haga las suposiciones necesarias y justifique:

a) Preparar un diagrama de flujo

b) Preparar el balance de masa y energía Requerimiento de agua combustible, etc. Haga las suposiciones necesarias y justifique.

La separación de una mezcla de benceno, tolueno y xileno se lleva a cabo en dos columnas de destilación.

A la primera columna se la alimentan 100 kgmol/h de una mezcla del 40% en mol de benceno y el resto de tolueno y xileno. En el domo de la primera

columna se obtiene 40 kgmol de destilado con una composición de del 95% en mol de benceno, y el resto de tolueno y xileno, los cuales están en relaciones de 10 a 1 respectivamente.

Los fondos de la primera columna alimentan a la segunda. De esta columna sale un destilado que contiene 5% de benceno en mol y el resto de tolueno y xileno, los cuales están también en relación de 10 a 1 respectivamente. Por el fondo de la segunda columna se obtiene xileno con 100% de pureza.

Para el proceso propuesto, desarrollar:

a) Diagrama de flujo de proceso completo para la unidad productora descrita (30%).

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c) Si el xileno que sale de la segunda columna está a 60℃ y se desea enfriar a

30 ℃

para su uso en otro proceso. Diseñar el intercambiador de calor adecuado (30%).

En el diseño preliminar de un horno para caldera industrial, el metano a 25℃ _{se quema en su totalidad con 20% de aire en exceso, también a}

25 ℃

_{. La velocidad de alimentación del metano es 450 kmol/h. Los gases} calientes de combustión salen del horno a 300℃ y se descargan a la atmosfera. El calor transferido desde el horno

(

Q

´

)

se utiliza para transformar el agua de alimentación de la caldera a

25 ℃

en vapor sobrecalentado a 17 bar y 250℃ .

Emplee las siguientes capacidades caloríficas aproximadas

[

KJ /(mol ∙

℃)

]

para resolver este problema: CH4 (g) = 0.0431, CO2 (g) = 0.0423, H2O (g) =

0.0343, O2 (g) = 0.0312, N2(g) = 0.0297.

a) Dibuje y marque un diagrama de flujo para este proceso [ este debe ser similar al que se muestra en el inciso b) sin el precalentador] y calcule la composición del gas que sale del horno. Después empleando las capacidades caloríficas constantes dadas, calcule la capacidad calorífica molar promedio del gas. (Vea la ecuación 8.3-13.) por último, calcule

´

Q (KJ /h)

_{y la velocidad de producción de vapor en la caldera (kg/h).} b) En el diseño real de la caldera, el aire alimentado a 25℃ y el gas de

combustión que sale del horno a

300 ℃

pasan por un intercambiador de calor (el precalentador de aire). El gas de combustión se enfría a 150℃ _{en el precalentador y luego se descarga a la atmosfera, y el} gas calentado se alimenta al horno. Calcule la temperatura del aire que entra al horno (se requiere una solución por prueba y error) y la velocidad de producción de vapor (Kg/h).

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El cumeno (

C

6

H

5

C

3

H

7

¿

_{se produce haciendo reaccionar benceno con}

propileno

[

∆ H

°r

(77

℉)

]

=−39.520 [Btu /lbmol]

_.

Se introduce al reactor una alimentación liquida que contiene 75 mol% de propileno y 25% de n-butano y una segunda corriente liquida que contiene esencialmente benceno puro. El benceno fresco y el recirculado, ambos a 77

℉

_{, se mezclan en una proporción de 1:3 (1 mol de alimentación fresca/3} moles recirculados) y se pasan por un intercambiador de calor, donde el efluente del reactor los calienta antes de alimentarlo al reactor. El efluente del reactor entra al intercambiador a 400 ℉ y sale a 200 ℉ .

Tras enfriarse en el intercambiador de calor, el efluente del reactor se alimenta a una columna de destilación (T1). Todo el butano y el propileno sin reaccionar se retiran como producto del domo de la columna, y el cumeno y el benceno sin reaccionar se retiran como producto de fondos y se alimentan a una

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segunda columna de destilación (T2), donde se separan. El benceno que sale de la parte superior de la segunda columna es la recirculación que se mezcla con la alimentación de benceno fresco. Del propileno alimentado al proceso, 20% no reacciona y sale en el producto del domo de la primera columna de destilación. Las velocidades de producción de cumeno es 1200 lbm/h.

a) Calcule las velocidades de flujo másico de las corrientes alimentadas al reactor, la velocidad de flujo molar y la composición del efluente del reactor, y la velocidad del flujo molar y la composición del producto del domo de la primera columna de destilación (TI).

b) Calcule la temperatura de la corriente de benceno que se alimenta al

reactor y la velocidad necesaria de adición o eliminación de calor del reactor. Use las siguientes capacidades caloríficas aproximadas en sus cálculos: Cp [Btu/ (lbm ∙℉ )] = 0.57 para el propileno, 0.53 para el