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UNIVERSIDAD DE CONCEPCION FACULTAD DE INGENIERIA DEPTO DE INGENIERIA QUIMICA TERMODINAMICA DE PROCESOS QUIMICOS I. 2004/I. PROBLEMAS GENERALES RESUELTOS Y PROPUESTOS

Vimos en el problema 7 que el desempeño global (COP) de un proceso de refrigeración se ve limitada por la temperatura disponible del medio condensante. En este problema vemos cómo se puede resolver esta limitante para un ciclo derefrigeración de alto requerimiento (entendido como un proceso donde el medio a refrigerar alcanza una temperatura inusualmente baja). Este problema está basado en la forma en cómo se resolvió un apoyo refrigerante óptimo para una planta criogénica de Nitrógeno en la planta de Methanex en Magallanes. Problema 8. Una planta de refrigeración utiliza un medio a refrigerar, 230 K circuito doble derefrigeración de modo de mantener un medio criogénico a una temperatura evaporador frío de 230 K (-43.15 °C), como se muestra en la 4 1 Figura 8.1. El ciclo de baja temperatura opera con propileno y es asistido por un ciclo de amoníaco ciclo de propileno que utiliza el ambiente como medio condesante J-1 (Tamb = 25 °C). Puede suponerse que la eficiencia de los compresores es del orden del 100 % y queel criterio de diseño de los intercambiadores de calor 2 3 (evaporadores y condensadores) admite una evaporador / condensador temperatura de enfrentamiento de 5 °C (esto es, la 5 8 mínima diferencia entre las temperaturas de las corrientes que circulan por los respectivos intercambiadores). Se necesita optimizar el trabajo ciclo de amoníaco J-2 de compresión requerido por la configuración en lasunidades J-1 y J-2, entendido como el costo operativo más relevante del proceso. 7 6 • Plantee la función objetivo válida para resolver condensador el problema.. • Calcule el trabajo total requerido para T3 = 290 ambiente, 298.15 K K. • En función a los resultados anteriores, indique Figura 8.1. Ciclo compuesto de refrigeración porqué la configuración es una alternativa adecuada, y superior a hacerla compresión utilizando sólo un ciclo de propileno. Para efectos de simplificar el cálculo puede suponerse que la fase gaseosa se comporta idealmente. Ya hemos visto que el gas ideal es un excelente estimador cualitativo y semicuantitativo de un proceso con gases . Se pueden despreciar las pérdidas de carga en los intercambiadores de calor.

Propiedades físicas de los refrigerantesRefrigerante amoníaco propileno A 16.9481 15.7027 B 2132.50 1807.53 C -32.98 -26.15 ∆Hvn cal mol-1 5580 4400
B T /K +C

Cp v / R 3.582 1.671

ln P 0 / mmHg = A −

Solución : del esquema del proceso y recordando los detalles de un circuito de refrigeración, podemos establecer que las corrientes 1 y 5 son vapores saturados. Estos vapores se comprimen adiabáticamente, de modo que el proceso decompresión elevará su temperatura hasta el grado de sobrecalentamiento. De esta forma, el circuito de los compresores J-1 y J-2 opera con fase gaseosa que puede ser aproximada por un gas ideal. Se sigue del balance de energía que el trabajo de cada máquina adiabática es & W % = ∆H = C p gi & n

mH

(Td − Ts )

(8.1)

Por otro lado, toda máquina real puede ser escalada desde la máquina reversibleutilizando el concepto de eficiencia

& & W 1 W rev % 1 % = ⇒ ∆H = ∆H rev ⇒ C p gi & & n η n η

mH

(Td − Ts )

=

1 Cp η

mH

(T

rev d

− Ts )

(8.2)

Del balance de entropía también tenemos que la temperatura de descarga reversible de una máquina adiabática es Tdrev  Pd  =  Ts  Ps 
R / Cp
mS

(8.3)

Supongamos para todo efecto práctico que la capacidad calórica delos gases involucrados es constante, independiente de la temperatura e igual a Cp. En tal caso, si combinamos las ecs. 8.1, 8.2 y 8.3 tenemos

  P R / Cp  & W 1 = C pTs   d  − 1   Ps   & n η  
y, adicionalmente, se deduce que la temperatura de descarga real de cada máquina será

(8.4)

T  P  Td = Ts + s   d  η   Ps  

R / Cp

 − 1  

(8.5)

Entonces,...