Ejercicios de Termodinámica: Destilación Flash y Equilibrio Líquido-Vapor, Ejercicios de Calor y Transferencia de Masa

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1.-Encuentre la temperatura en el punto de burbuja y punto de rocío de una mezcla de 0.4 mol de tolueno y 0.6 mol de butanol a 101.3 kPa. Resuelva considerando un sistema no ideal y que el coeficiente de actividad se puede estimar a partir de la ecuación de van Laar, para el cual A12=0.855 y A21=1.306. ¿Si esta

Destilación

Flash

compuestos

binarios

Transferencia de Masa I

b) Encuentre la temperatura de rocío de la mezcla: Trocio=74.1°C c) La mezcla presenta un azeótropo? Si es así, indique la temperatura y composición: T=72.3°C, x=y=0. d) En qué condiciones sometería usted esta mezcla a destilación flash y cuál sería la fracción vaporizada buscada? T=73.6°C, v=0. T(°C) x1 y 78.292006 0 0 75.5009568 0.1 0. 73.9070978 0.2 0. 72.979882 0.3 0. 72.4614806 0.4 0. 72.2333166 0.5 0. 72.2617539 0.6 0. 72.579042 0.7 0. 73.2876519 0.8 0. 74.5944427 0.9 0. 76.9132943 1 1

3. Una mezcla que contiene 25% mol de benceno y 75% de alcohol etílico, es calentada a presión constante de 1 atm desde 60°C a 90°C. Usando los datos experimentales T-xy que se dan a continuación, calcule lo siguiente:

L= ¿? X= ¿? P=1atm Zb=0. Za=0. V=0. V=0. T (ºC) %Mol de benceno en vapor %Mol de benceno en líquido 78.4 0 0 77.5 7.5 1. 75 28 5 72.5 42 12 70 54 22 68.5 60 31 67.7 68 68 68.5 73 81 72.5 82 91 75 88 95 77.5 95 98 80.1 100 100 a) ¿A qué temperatura comienza a vaporizar la mezcla? b) ¿Cuál es la composición de la primera gota que se forma en el equilibrio? c) ¿Cuál es la composición del líquido residual cuando se ha vaporizado un 25%? d) ¿Cuál es la composición del líquido residual cuando se ha vaporizado un 90%? e) ¿Cuál es la composición del líquido residual, si ese 25% vaporizado del inciso c) se vuelve a vaporizar hasta un 90%, a la misma presión? f) Grafique la fracción vaporizada en función de la temperatura g) Use los datos de presión de vapor que se dan a continuación y usando la ley de Raoult construya un diagrama T-xy y compare sus respuestas del inciso a) al f). ¿Que concluye de aplicar la ley de Raoult a este sistema?

Fracción Vaporizada en función de la temperatura.

76 75 74 73 72 71 70 69 68 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 v

6. Al intentar realizar los incisos anteriores (a al f) con la gráfica usando la ley de Raoult, resulta imposible obtener gráficamente dichos parámetros pues tiene una desviación muy pequeña. Se puede concluir que es necesaria la aplicación de la ley de Raoult modificada para obtener un ajuste mejor.

4. Suponiendo que la Ley de Raoult se aplica al sistema benceno/etilbenceno.

V vs Z1 (Benceno)

• vaporizada y cuál es la composición de las dos fases? Tm=107.9°C,v=0.58, x1=0.57 y y1=0.
  • T(°C) x1 y
    • 110.633784
    • 108.438047 0.1 0.
      • 107.22246 0.2 0.
    • 106.629529 0.3 0.
    • 106.462585 0.4 0.
    • 106.609289 0.5 0.
      • 107.02391 0.6 0.
    • 107.751667 0.7 0.
    • 109.025155 0.8 0.
    • 111.565991 0.9 0.
    • 117.698761 1 0.
• actividad sigue la ecuación de Van Laar A12=0.855 y A21=0. temperatura en el punto de burbuja a 101.3kPa y la composición de vapor, considerando que el coeficiente de
  • 80, Diagrama T-xy Ideal para Benceno/ Alcohol etílico.
  • 80,
  • 79,
  • 79,
  • 79,
  • 79,
  • 79,
  • 78,
  • 78,
  • 78,
  • 78,
• 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95
  • x1 y
  • 0.1 0.14 0.18 0.22 0.26 0.3 0.34 0.38 0.42 0.46 0.5 0.54 0.58 0.62 0.66 0.7 0.74 0.78 0.82 0.86 0.
• 1. • V vs Z
       • Z

Con la ecuación se pueden obtener valores para V vs Z1: V = ( z − x ) ( y − x ) a) Para T=55°C y zi=0.5 grafique P, xi, yi en función de "v" (Resuelva analíticamente). Para la gráfica de P vs V, se utilizó la función objetivo en Excel. Ptotal = x 1 P 1 sat +( 1 − x 1 ) P 2 sat ∴ x 1 = Ptotal − P 2 sat P 1 sat − P 2 sat y Ptotal = x 1 P 1 sat ∴ y = x 1 P 1 sat Ptotal ∴ y =

P 1

sat

Ptotal (^

Ptotal − P 2 sat P 1 sat − P 2

sat )

Con la ecuación para z y sustituyendo x1 y “y”: z = V ∗ y +( 1 − V )∗ x z = V ∗

[

P 1

sat

Ptotal (^

Ptotal − P 2 sat P 1 sat − P 2

sat )]+(^1 − V^ )∗[

Ptotal − P 2 sat P 1 sat − P 2

sat ]

En Excel se utiliza de la siguiente forma: 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

V vs Z1 (benceno)

Z V

Una mezcla binaria de fracción mol z 1 se vaporiza de manera instantánea en condiciones de T y P. Para cada uno de los siguientes casos establezca: las fracciones mol de equilibrio xi y yi de las fases vapor y líquido formadas, la fracción mol v del vapor que se forma. Suponga aplica la ley de Raoult. a) Acetona/acetonitrilo z 1 = 0.75; T = 340K, P = 115 kPa T (K) x y V 340 0.646 0.808 0. b) Benceno/etilbenceno, z 1 = 0.5; T= 100°C, P = 0.75 atm T burbuja (°C) x1 y1 V 340 0.283 0.675 0.

ENUNCIADO DEL PROBLEMA 7. COMPUESTOS BINARIOS

7. Para el sistema acetona(1)/metanol(2) una mezcla de vapor en la cual z 1 =0.25 y z 2 =0.75 se enfría a la temperatura T en la región de dos fases y fluye a una cámara de separación a una presión de 1 bar. Si la composición del producto líquido es de x 1 =0.175, ¿Cuál es el valor requerido de T, y cuál es el valor de y 1? Para mezclas líquidas de este sistema una buena aproximación es: lnγ1=0.64x 22 lnγ2=0.64x 12 RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA

1. Calcular las temperaturas de saturación con los parámetros anteriormente mostrados para la ecuación de Antoine. T (^) i sat ( ° C )=

B

A − LnPi sat − C T (^) 1 sat =55.813 ° C ∨ T (^) 2 sat =64.364 ° C

2. Para comenzar el proceso iterativo, es necesario definir una temperatura inicial que se calcula con el promedio de las temperaturas de saturación calculadas anteriormente: T =60.088 ° C
3. Una vez calculada esa nueva temperatura de saturación promedio se requiere conocer las presiones de saturación de cada compuesto, utilizando nuevamente Antoine. P 1 sat =115.60 kPa ∨ P 2 sat =84.29 kPa
4. Se obtiene la volatilidad relativa, α= P 1 sat / P 2 sat F= Acetona(1)/metanol(2) z1=0.25, z2=0. 1 bar=100 kPa 0. DATOS TEÓRICOS EC. ANTOINE P(kPa), T(°C) i Componentes A B C 1 Acetona 14.3145 2756.22 228. 2 Metanol 16.5785 3638.27 239.