Post on 28-Dec-2015
Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Química e
Industrias Extractivas.
Departamento de Ingeniería Química Petrolera.
OPERACIONES DE SEPARACION II
TAREA DEL PRIMER DEPARTAMENTAL
PROFESOR:
ING. ALBERTO CABRALES TORRES
ALUMNO:
Fragoso Montes De Oca Andrés Arturo
Grupo: 7PV2
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
2
TAREA 1
Un tubo contiene un gas formado por metano y helio a 101.32 kPa de presion y
298 k. En un punto la presion parcial del metano es y un punto
separado 0.02m la presion parcial del metano es 20.26 kPa. Si la presión total es
constante en todo el tubo. Calcular el flujo especifico del metano en estado estable
en el S.I.
Datos:
P=101.32kPa
T=298k
y2-y1=0.02m
PA1=60.79kPa
PA2=20.26kPa
JA=?
Solución:
Aplicando la ley de Fick para difusión molecular.
Separando variables y resolviendo la ecuación diferencial.
∫
∫
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
3
( )
( )
( )
TAREA 2
Una corriente de gaseoso se está difundiendo en estado estable a través de
un tubo de 20cm de longitud y un diámetro de 1cm que contiene a 298°K. La
presión total es constante o igual a 1atm, la presión parcial del en un extremo
es 456mm de Hg y 76mm de Hg en el otro extremo. La difusividad del en el
es de 0.167
. Calcular el flujo de en unidades de cgs y SI.
Datos:
P=101.32kPa=1 atm
T=298k
y2-y1=0.2m=20cm
PA1=456mmHg=0.6 atm
PA2=76mmHg=0.1 atm
JA=?
Solución:
Aplicando la ley de Fick para difusión molecular.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
4
Separando variables y resolviendo la ecuación diferencial.
∫
∫
( )
Para el Sistema Internacional:
( )
( )
=
Calculando el área:
Afectando el área con el flujo específico:
JA=
=
Para el cgs:
( )
( )
=
Calculando el área:
Afectando el área con el flujo específico:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
5
TAREA 3
Un tanque circular de 8m de diámetro que contiene n-propanol a 25°C se
encuentra abierto a la atmosfera de tal manera que el líquido soporta una película
de aire estancado de 5mm de espesor. La concentración del n-propanol por
encima de dicha película se considera despreciable. La presión de vapor a 25°C
es de 20mm de Hg sabiendo que el n-propanol cuesta $1.2 por litro. ¿Cuál es el
valor de las pérdidas diarias de n-propanol en $ si la difusividad del n-propanol en
el aire es 0.011
y su gravedad especifica es de 0.8.
8m
DATOS:
D=8m T=25°c P @25°C = 20mmHg
Costo=1.2 dólares /litro D AB= 0.011cm2 /seg
(
)
( )
(
) ( )( ) (
)
5mm de aire
PA2= 0
PA1= 20mmHg
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
6
Calculando el área.
( )
Calculando las pérdidas.
( ) (
)
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
7
TAREA 4
Tabla de datos
P NH3(mmHg)
kgNH3/100kgH2O xa(NH3) T=10°C T=40°C
70 14.4827586 780
60 14.025974 600
50 13.4328358 439
40 12.6315789 301
30 11.4893617 190 692
25 10.7142857 144 534
20 9.72972973 103.5 395
15 8.4375 70.1 273
10 6.66666667 41.8 167
5 4.09090909 19.1 76.5
4 3.42857143 16.1 60.8
3 2.7 11.3 45
2 1.89473684 30
1 1 15.4
Aplicando la Ley de Raoult:
P NH3(mmHg) ya@ P=1.5atm ya@ P=3atm
kgNH3/100kgH2O Fracción peso (NH3)
xa (NH3) T=10°C T=40°C ya @10°C ya @40°C ya @10°C ya @40°C
70 0.7 0.71186441 780 0.48706512 0.24353256
60 0.6 0.61363636 600 0.32296651 0.16148325
50 0.5 0.51428571 439 0.19804511 0.09902256
40 0.4 0.4137931 301 0.1092559 0.05462795
30 0.3 0.31213873 190 692 0.05202312 0.18947368 0.02601156 0.09473684
25 0.25 0.26086957 144 534 0.03295195 0.1221968 0.01647597 0.0610984
20 0.2 0.20930233 103.5 395 0.01900245 0.07252142 0.00950122 0.03626071
15 0.15 0.1574344 70.1 273 0.00968083 0.0377014 0.00484042 0.0188507
10 0.1 0.10526316 41.8 167 0.00385965 0.01542013 0.00192982 0.00771006
5 0.05 0.05278592 19.1 76.5 0.0008844 0.00354221 0.0004422 0.00177111
4 0.04 0.04225352 16.1 60.8 0.00059674 0.00225352 0.00029837 0.00112676
3 0.03 0.03170875 11.3 45 0.00031431 0.00125166 0.00015715 0.00062583
2 0.02 0.02115159 30 0.00055662 0.00027831
1 0.01 0.01058201 15.4 0.00014295 7.1475E-05
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
8
T1>T2
P2>P1
Conclusión: En absorción favorece el proceso a presiones altas y temperaturas
bajas. En agotamiento favorece el proceso a presiones bajas y temperaturas
elevadas.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 0.2 0.4 0.6 0.8
T = 10°C
T = 40°C
GRAFICA 1 @ P=1.5atm yA
xA
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 0.2 0.4 0.6 0.8
P=1.5atm
P=3 atm
GRAFICA 2 @ T=10°C yA
xA
GRAFICA 2 @ T=10°C
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
9
TAREA 5
10 Kg de y 10 de aire (medidos a 20°C y 1 atm) se ponen en contacto con
50Kg de agua en un recipiente donde el gas ocupa un volumen de 20 , cuando
el sistema alcanza el equilibrio a 20°C permaneciendo cte el volumen de la fase
gaseosa. Calcular:
a) La concentración del en la fase liquida.
b) La presión parcial del en la fase gas en mm Hg.
Calculando los moles iniciales de amoniaco.
10 kg NH3
Como el volumen total de la mezcla de gas se mantiene contante, la ecuación a
utilizar de los gases ideales para el cálculo de los moles finales de amoniaco es:
( )
(
) (
) ( )
Calculo de los Kg perdidos de fase gas
V= 20m3
10 kg NH3
50 Kg H20
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
10
( )
( )
Calculo de los Kg ganados en la fase líquida
(
) ( )
Igualando (1) y (2)
( ) ( )
Ceq P NH3 (mmHg)
Ceq P NH3 (mmHg)
kgNH3/100kgH2O T=20°C kgNH3/100kgH2O
70 19 26.8673
60 945 18 53.7336
50 686 17 80.5999
40 470 16 107.4662
30 298 15 134.3325
25 227 14 161.1988
20 166 13 188.0651
15 114 12 214.9314
10 69.6 11 241.7977
5 52 10 268.664
4 31.7 9 295.5303
3 24.9 8 322.3966
2 18.2 7 349.2629
1 12 6 376.1292
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
11
Respuesta obtenida de la gráfica vs
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 10 20 30 40 50 60
P N
H3
(m
mH
g)
Ceq (kgNH3/100kg H2O)
Linea de operacion
Ecuacion
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
12
TAREA 6
15Kg de y 15 de aire (medidos a 20°C y 1atm) se ponen en contacto con
75Kg de agua en un recipiente en el que el gas ocupa un volumen de 25 ,
cuando el sistema alcanza en el equilibrio a 40°C permaneciendo constante el
volumen de la fase gas. Calcular:
a) Concentración del en la fase liquida.
b) La presión parcial en la fase gas.
Calculando los moles iniciales de amoniaco.
15 kg NH3
Como el volumen total de la mezcla de gas se mantiene contante, la ecuación a
utilizar de los gases ideales para el cálculo de los moles finales de amoniaco es:
( )
(
) (
) ( )
V= 25m3
15 kg NH3
75 Kg H20
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
13
Calculo de los Kg perdidos de fase gas
( )
( )
Calculo de los Kg ganados en la fase líquida
(
) ( )
Igualando (1) y (2)
( ) ( )
Ceq P NH3 (mmHg)
Ceq P NH3 (mmHg)
kgNH3/100kgH2O T=40°C kgNH3/100kgH2O
70 17 103.1257 60 16 137.5926 50 15 172.0595 40 14 206.5264 30 692 13 240.9933 25 534 12 275.4602 20 395 11 309.9271 15 273 10 344.3940 10 167 9 378.8609 5 76.5 8 413.3278 4 60.8 7 447.7947 3 45 6 482.2616 2 30 5 516.7285 1 15.4 4 551.1954
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
14
Respuesta obtenida de la gráfica vs
0
100
200
300
400
500
600
700
0 5 10 15 20 25 30 35
P N
H3
(m
mH
g)
Ceq (kgNH3/100kg H2O)
Linea de operacion
Ecuacion
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
15
TAREA 7
Una mezcla de 3 m3 de Cloro y 3 m3 de Nitrógeno saturada con vapor de agua a
15°C y 760mm Hg se ponen en contacto en 25 Kg de H2O manteniéndose el
sistema a 15°C y 1 atm despreciando la solubilidad del N2 en el H2O y admitiendo
que el Cloro no reacciona apreciablemente con el H2O a estas condiciones.
Calcular las composiciones de las dos fases líquido y gas cuando se alcanzan las
condiciones de equilibrio, sabiendo que la relación de equilibrio entre las fases
para este sistema viene dada por la Ley de Henry:
PCl2= 495*xCl2
Donde la presión parcial del Cloro está dada en atmosferas y su composición en la
fase liquida en fracción mol.
Calculando los moles iniciales de cloro.
( )
(
) (
) ( )
Calculando los moles iniciales de N2
( )
(
) (
) ( )
25Kg H2O
3m3 N2 T=15°C
3m3 Cl2 P=760mmHg
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
16
Calculando los moles finales de cloro y nitrógeno.
( )
( )
Despejando a VT de las ecuaciones (I) y (II).
( )
( )
Igualando las ecuaciones (III) y (IV)
( )
Sabemos que la presión total es igual a la suma de las presiones parciales.
Por lo tanto:
( )
Despejando a nfCl2 de (V) y sustituyendo (VI).
( )
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
17
Sustituyendo los moles finales de nitrógeno en la ecuación (VII).
( )
Calculando los moles perdidos de Cl2 fase gas
( )
Calculando los moles ganados de Cl2 fase liquida:
[ ]
Pasando de relación mol a fracción mol.
……(X)
Se iguala a (IX) y (X).
( )
Se sabe de la Ley de Henry que
Sustituyendo la ecuación de la ley de Henry en la ecuación XI .
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PETROLERA
18
Resolviendo la ecuación:
Donde la fracción mol del cloro es: