Problemas de Termodinámica II

Problemas de Termodinámica II
(SVN) Prob. 6.43 Se tiene vapor (H2O) que experimenta un cambio desde un estado inicial a
450C y 3000 kPa hasta uno final de 140C y 235 kPa. Determine H y S:
a) A partir de los datos de las Tablas de Vapor
b) Mediante las ecuaciones para un gas ideal
c) Mediante correlaciones generalizadas apropiadas
(SVN) Prob. 6.54 Un flujo de gas etileno a 250C y 3800 kPa se expande isoentrópicamente
en una turbina hasta 120 kPa. Determine la temperatura del gas expandido y el trabajo
producido si las propiedades de etileno se calculan por:
a) Ecuaciones de un gas ideal
b) Correlaciones generalizadas apropiadas
(SVN) Prob. 10.3 Una corriente de nitrógeno que fluye a la velocidad de 2 kg/s y otra
corriente de hidrógeno que fluye a la velocidad de 0.5 kg/s se mezclan adiabáticamente en un
proceso de flujo uniforme. Si se considera que los gases son ideales, ¿cuál es la velocidad de
aumento de la entropía como resultado del proceso?
(SVN) Prob. 10.9 Estime la fugacidad del isobutileno como un gas:
a) a 280C y 20 bar.
b) a 280C y 100 bar.
(SVN) Prob. 10.27 El volumen molar (cm3/mol) de una mezcla líquida binaria a T y P está
dada por:
V = 120X1 + 70X2 + (15X1 + 8X2)X1X2
Para la T y P dadas,
a) Encuentre expresiones para los volúmenes molares parciales de las especies 1 y 2.
b) Demuestre que cuando estas expresiones se combinan de acuerdo con la ecuación
(10.11), se recupera la ecuación dada para V
c) Demuestre que estas expresiones satisfacen la ecuación de Gibbs-Duhem
(SVN) Prob. 11.23 Para una solución acuosa al 50% en peso de H2SO4 a 140F, ¿cuál es la
entalpía en exceso HEX en BTU/lbm? ¿Cuál es la entalpía en exceso HiEX para cada
componente en la mezcla en BTU/lbm?
(SVN) Prob. 11.28 Una masa de 140 lbm de solución al 15% en peso de H2SO4 en agua a
160F se mezcla a la presión atmosférica con 230 lbm de H2SO4 al 80% en peso a 100F.
Durante el proceso, una cantidad de calor de 20,000 BTU se transfiere del sistema. Determine
la temperatura de la solución producto.
(SVN) Prob. 11.30 Se estrangula (pasar por una válvula) a 1 atm vapor saturado
originalmente a 40 psia y se mezcla adiabáticamente con (y se condensa por) ácido sulfúrico
al 45% en peso a 80°F, en un proceso de flujo que eleva la temperatura del ácido a 160°F.
¿Cuánto vapor se requiere para cada libra de masa del ácido que entra y cuá, es la
concentración del ácido caliente?
(SVN) Prob. 11.37 Los líquidos siguientes, todos ellos a la presión atmosférica y 120°F, se
mezclan: 25 lbm de agua pura, 40 lbm de ácido sulfúrico puro y 75 lbm de ácido sulfúrico al
25% en peso.
a) ¿Cuánto calor se libera si el mezclado es isotérmico a 120°F?
b) El proceso de mezclado se lleva a cabo en dos etapas: primero, se mezclan el ácido
sulfúrico puro y la solución al 25%, y se extrae el calor total de la parte a);
segundo se añade adiabáticamente el agua pura. ¿Cuál es la temperatura de la
solución intermedia formada en la primera etapa?
(SVN) Prob. 10.34 Determine los grupos funcionales que componen los siguientes
compuestos:
a) Acetona
b) Ciclohexano
c) Anilina
d) Diclorometano
e) Benceno
f) Disulfuro de carbono
g) n-Hexano
h) Cloroformo
i) Etanol
j) n-nonano
Ejercicios con UNIFAC Calcular el Hmezclado que se obtiene al combinar:
1. 1 mol de tolueno y 3 moles de fenol, ambos a 25C, para formar una mezcla a
25C.
2. 1 mol de tolueno y 1 mol de fenol, ambos a 25C, para formar una mezcla a
30C
3. La combinación de ambas mezclas para formar una tercera a 25C
Prob. de HABS Calcular las fracciones molar y másica de H2O en aire cuando el aire presenta
una humedad relativa de 40% a 20C. ¿A qué temperatura empezará a experimentar
condensación?
Elliot 9.10. Un producto farmacéutico es cristalizado y lavado con etanol absoluto. Se va a
secar un lote de 100 kg, que contiene 10% en peso de etanol, hasta 0.1% de etanol mediante el
paso de 0.2 m3/min de nitrógeno a 50C a través del secador. Estimar la velocidad (mol/min)
a la cual se remueve etanol de los cristales, suponiendo que etanol ejerce la misma presión de
vapor como si fuera pura. Con base en lo anterior estimar el tiempo de residencia de los
cristales en el secado. El secador opera a 0.1 Mpa y la presión de vapor del producto es
despreciable.
(SVN) Prob. 12.1 Suponiendo que la Ley de Raoult sea válida, prepare un diagrama Pxy para
una temperatura de 90°C y un diagrama txy para una presión de 90 kPa, para el sistema
benceno(1)/etilbenceno(2).
(SVN) Prob. 12.8 (casi) El sistema cloroformo(1)/etanol(2) a 55°C no forma una solución
ideal y se puede estimar los coeficientes de actividad con el UNIFAC calculator.
Las presiones de vapor del cloroformo y el etanol a 55°C son
P1* = 82.37 kPa
P2* = 37.31 kPa
Calcule Pburbuja a 55°C para las fracciones mol de la fase líquida de 0.25, 0.50 y 0.75.
(SVN) Prob. 12.11 Para metanol(1) y benceno(2), elabore el diagrama Pxy a 60°C, utilizando
el UNIFAC calculator, y determine los siguientes valores:
a) Pburbuja a t =60°C y X1 = 0.3
b) Procío a t =60°C y Y1 = 0.3
c) La composición de la evaporación instantánea de Z1 =0.3 a t = 60°C y P = ½(
Pburbuja + Procío)
d) Si existe un azeótropo a 60°C, PAZ y X1AZ = Y1AZ
(SVN) Prob. 12.13 Para metanol(1) y benceno(2), elabore el diagrama Txy a 101.33 kPa,
utilizando el UNIFAC calculator, y determine los siguientes valores:
a) tburbuja a P =101.33 kPa y X1 = 0.3
b) trocío a P =101.33 kPa y Y1 = 0.3
c) La composición de la evaporación instantánea de Z1 =0.3 a P =101.33 kPa y t = ½(
tburbuja + trocío)
d) Si existe un azeótropo a P =101.33 kPa, tAZ y X1AZ = Y1AZ
Elliot 10.29 Estimar la solubilidad de etileno en n-octano a 1 bar de presión parcial de etileno
y 25C. Calcular la Constante de Henry (considerando que la Xetileno  0).
Elliot 13.13 Utilizar el programa de UNIFAC para determinar la solubilidad de fenol en las
siguientes solventes a 25C:
1. n-heptano
2. etanol
3. una mezcla de 50% mol de heptano en etanol
Elliot 12.3 Un medicamento nuevo (M) tiene la siguiente fórmula: CH3CH2(C6H4)
CH2CH2COOH, donde C6H4 significa un anillo de benceno. Un método útil para valorar el
grado de partición entre la sangre y los lípidos del cuerpo es determinar el coeficiente de
partición a dilución infinita para el medicamento entre agua y n-octanol. Utilize el programa
de UNIFAC para determinar el valor (considerando que la XM  0). ¿Quedaría el
medicamento en la sangre o se asimilaría en las partes grasosas del cuerpo?
Elliot 12.7 Utilice el programa de UNIFAC para predecir la composición de las fases líquidas
en equilibrio para el sistema ciclohexano + agua a 298K y a 310K.
(SVN) Prob. 15.1 Desarrolle expresiones para las fracciones mol de las especies que
reaccionan, como funciones de la coordenada de reacción para:
a) Un sistema que inicialmente contiene 2 moles de NH3 y 5 moles de O2 y que
experimenta la reacción
4NH3(g) + 5O2(g)  4NO(g) + 6H2O(g)
b) Un sistema que inicialmente contiene 3 moles de H2S y 5 moles de O2 y que
experimenta la reacción
2H2S(g) + 3O2(g)  2H2O(g) + 2SO2(g)
c) Un sistema que inicialmente contiene 3 moles de NO2, 4 moles de NH3 y 1 mol de N2
y que experimenta la reacción
6NO2 + 8NH3(g)  7N2(g) + 12H2O(g)
(SVN) Prob. 15.16 La reacción siguiente alcanza equilibrio a 500°C y 2 bar:
4HCl(g) + O2(g)  2H2O(g) + Cl2(g)
Si el sistema contiene inicialmente 5 moles de HCl para cada mol de oxígeno, ¿cuál es la
composición del sistema en el equilibrio? Suponga que son gases ideales.
(SVN) Prob. 15.25 Para la reacción de síntesis de amoniaco:
½N2(g) + 3 2 N2(g)  NH3(g)
La conversión en el equilibrio a amoniaco es elevada a 300°K, pero decrece rápidamente al
aumentar T. No obstante, las velocidades de reacción se hacen apreciables solamente a
temperaturas superiores. Para una mezcla de alimentación de hidrógeno y nitrógeno en
proporciones estequiometrícas,
a) Determine la fracción mol de amoniaco en la mezcla en equilibrio a 1 bar y 300°K
b) ¿A qué temperatura disminuye a 0.50 la fracción mol de amoniaco en equilibrio para
una presión de 1 bar?
c) ¿A qué temperatura disminuye a 0.50 la fracción mol de amoniaco en equilibrio para
una presión de 100 bar, asumiendo a la mezcla en equilibrio como un gas ideal?
d) ¿A qué temperatura disminuye a 0.50 la fracción mol de amoniaco en equilibrio para
una presión de 100 bar, asumiendo que la mezcla en equilibrio es una solución ideal
de gases?
(SVN) Prob. 15.20 La corriente gaseosa proveniente de un quemador de azufre se compone
de 15% mol de SO2, 20% mol de O2 y 65% mol de N2. Esta corriente gaseosa a 1 bar y 480°C
entra a un convertidor catalítico, en donde el SO2 es posteriormente oxidado a SO3.
Suponiendo que la reacción llega a equilibrio, ¿cuánto calor se debe remover del convertidor
para mantener las condiciones isotérmicas? Base su respuesta en 1 mol de gas que entra.
(SVN) Prob. 13.48 La desintegración de propano es un camino para la producción de olefinas
ligeras. Supongamos que ocurren dos reacciones de desintegración en un reactor de flujo:
C3H8(g)  C3H6(g) + H2(g)
C3H8(g)  C2H4(g) + CH4(g)
Calcule la composición del producto si ambas reacciones llegan al equilibrio a 1.2 bars y
a) 750°K
b) 1,000°K
c) 1,250°K
(SVN) Prob. 15.38 El gas hidrógeno es producido por la reacción del vapor de agua con “gas
de agua”, una mezcla equimolar de H2 y CO obtenido por la reacción de vapor con carbón.
Una corriente de “gas de agua” se mezcla con vapor de agua y se pasa sobre un catalizador
para convertir el CO en CO2 mediante la reacción:
H2O(g) + CO(g)  H2(g) + CO2(g)
Posteriormente, el agua que no reaccionó se condensa y el dióxido de carbono es absorbido,
dejando un producto que es hidrógeno en su mayor parte. Las condiciones de equilibrio son 1
bar y 800°K.
a) ¿Habría alguna ventaja de llevar a cabo la reacción a presiones por arriba de 1 bar?
b) Si se elevara la temperatura de equilibrio, ¿se aumentaría la conversión de CO?
c) Para las condiciones de equilibrio dadas, determine la relación molar de vapor a “gas
de agua” (H2 + CO) requerida para producir un gas producto que contenga solamente
2% mol de CO después de enfriarse a 20°C, en donde el H2O que reaccionó ha sido
prácticamente condensada afuera.
d) Diga se existe algún peligro de que se forme carbón sólido en las condiciones de
equilibrio mediante la reacción
2CO(g)  CO2(g) + C(s)
(SVN) Prob. 15.41 El óxido de etileno como un vapor y agua como un líquido, ambos a 25°C
y 101.33 kPa, reaccionan para formar una solución acuosa de etilenglicol (1,2-etanodiol) en
las mismas condiciones:
([CH2]2)O + H2O  CH2OHCH2OH
Si la relación molar inicial de óxido de etileno con agua es 3, estimar la conversión en el
equilibrio del óxido de etileno a etilenglicol.
En el equilibrio, el sistema consiste en líquido y vapor en equilibrio, y el estado del
sistema se fija por la especificación de T y P. Suponga que la regla de Lewis/Randall se aplica
al agua en la fase líquida y que la fase vapor es un gas ideal. La presión parcial del óxido de
etileno sobre la fase líquida está dada por
POE = 415 XOE
donde POE es la presión parcial de óxido de etileno. La presión de vapor de etilenglicol a 25°C
es tan baja que su concentración en la fase vapor se puede despreciar.
Correlaciones para Gases a Medianas y Altas Presiones (Smith and Van Ness)
PV  ZRT
Z  1
 BP  P
BP
 1  C  r
RT
 RTC  Tr
BPC
 B(0)  B(1)
RTC
donde,
B(0)  0.083 
Entonces,
P
Z  1  r  B(0)  B(1) 
Tr
0.422
1.6
Tr
y B(1)  0.139 
0.172
4.2
Tr
P
f
dP
ln    Z  1
P 0
P
 0.083 0.422
 0.139 0.172  
 1  Pr 
 2.6   
 5.2  
T
T
T
Tr  
r
 r
 r
ZRT
V
P
2
ZRT
 V   Z  RT ZR
 V   Z  RT


T



  

  
P
P
 T P  T  P P
 T  P  T  P P
2
2
 Z  RTr 2Tc

 V   ZRT ZRT  Z  RT
 Z  RT


 
 

V  T 
 


P
P
 T  P 
 T  P P
 T  P P

 Tr P Pr Pc
Derivando Z,
 0.083  2.6  0.422 
 0.139  5.2  0.172   
 Z 

  



  Pr 
2
3.6
2
6.2

T
T
T
T
Tr

 r P
r

r
 
 r

 Z  RTr 2Tc RTc 
1.097
0.894  


0.083




0.139





1.6
4.2  
Pc 
Tr
Tr  
 Tr P Pr Pc


RTc
 V  
 V  T 
 
Pc
 T P 



1.097
0.894  
 0.083  1.6    0.139  4.2  
Tr
Tr  


Por el mismo Procedimiento
 Z  
 V   Z  RT ZR  Z  RTr ZR R 



 Z  T 

 

 

P  Tr  P P
P
P 
 T  P  T  P P
 Tr P 

R R  0.675
0.722 
  2.6   5.2 
P PC  Tr
Tr 