PROCESOS QUIMICOS INDUSTRIALES UNIDAD N° 2: GASES IDEALES Y NO IDEALES

FACULTAD DE INGENIERIA

Escuela de Ingeniería Industrial[pic 1]

PROCESOS QUIMICOS INDUSTRIALES

UNIDAD N° 2: GASES IDEALES Y NO IDEALES

Tema 2.1: Gases Ideales y No Ideales

Tema 2.2: Coeficiente de Joule-Thomson y Curvas de Inversión

1.- Para los siguientes casos, realice a mano alzada y sin escala el diagrama P-v y explique si es razonable o no utilizar el modelo de Gas Ideal. Verifique luego en cada caso su respuesta calculando el valor del factor de compresibilidad (Z):

1. Agua a 1300 °C y 3 MPa (Tc = 647.3 K y Pc = 22.09 MPa)
2. Agua a 50 °C y 10 MPa
3. Agua a 30 °C y 10 MPa
4. Nitrógeno a 30 °C y 3 MPa (Tc = 126.2 K y Pc = 3.39 MPa)
5. Dióxido de carbono a 30 °C y 3 MPa (Tc = 304.2 K y Pc = 7.39 MPa)

Respuesta: a) sí b) y c) no (es líquido !!!) d) sí e) mejor tomarlo como Gas No Ideal

2.- Un tanque con un volumen de 1 m3 soporta hasta una presión de ruptura de 30 bar y por motivos de seguridad, se le quiere utilizar con una presión máxima de operación igual al 50% de dicha presión de ruptura y una temperatura de 100 °C. Se desea saber la cantidad máxima de propano que se puede almacenar en el tanque a las condiciones de operación señaladas. Datos del C3H8: Tc = 370 K, Pc = 4260 kPa y PM = 44.097 kg/kmol

Respuesta: 24.65 kg

3.- Estimar la presión de un recipiente con un volumen de 1 m3 que contiene 53 kg de óxido nitroso a 21 °C, utilizando la carta generalizada de compresibilidad.

Datos del N2O: Tc = 309.7 K, Pc = 7270 kPa y PM = 44.013 kg/kmol

Respuesta: 2470 kPa

4.- A un tanque que contiene helio a 40 °C y 6 bar, se le extrae 1 kg del gas y pasa a 30 °C y 4 bar. Haga las suposiciones pertinentes para estimar el volumen del tanque.

Datos del He: Tc = 5.3 K, Pc = 230 kPa y PM = 4.003 kg/kmol

Respuesta: 3.48 m3

5.- Un recipiente con un volumen de 7.4 L contiene 2 kg de oxígeno a 26.85 °C. Estime la presión que ejerce el gas de acuerdo a los siguientes modelos y calcule el porcentaje de error al comparar el resultado con el reportado en las tablas termodinámicas (tablas de vapor):

1. Gas Ideal
2. van der Waals
3. Gas No Ideal (factor de compresibilidad)

Datos del O2: Tc = 154.8 K, Pc = 5080 kPa y PM = 31.999 kg/kmol Respuesta: por las tablas termodinámicas, P = 20000 kPa

a) 21066.9 kPa, 5.33% b) 18946.2 kPa, 5.27% c)19802.9 kPa, 0.99%

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6.- Un recipiente con un volumen de 1000 L contiene 354.61 kg de metano a -73.15 °C. Estime la presión que ejerce el gas de acuerdo a los siguientes modelos y calcule el porcentaje de error al comparar el resultado con el reportado como real de 400 bar:

1. Gas Ideal
2. Redlich - Kwong
3. Gas No Ideal (factor de compresibilidad)

Datos del CH4 : Tc = 190.6 K, Pc = 4660.95 kPa y PM = 16.043 kg/kmol Respuesta: a) 36756.9 kPa, 8.11% b) 38843.6 kPa, 2.89% c) 40065.0 kPa, 0.16%

7.- Para los siguientes casos, realice a mano alzada y sin escala el diagrama P-v y verifique como varía el valor del factor de compresibilidad (Z) para el metano:

1. Compresión isotérmica a 150 K desde 1 atm hasta 500 atm
2. Calentamiento isobárico a 0.5 atm desde 150 K hasta 1200 K Datos del CH4: Tc = 190.6 K, Pc = 4660.95 kPa

Respuesta: a) Z1 ≈ 0.99 → Z2 ≈ 1.30 b) Z1 ≈ 1.00 → Z2 ≈ 1.00

8.- Un tanque con un volumen de 500 L contiene un gas a 90 atm y 373 K. Las constantes del modelo de van der Waals para dicho gas son las siguientes:

9.- Se construyó un tanque de acero con un volumen de 10400 L para almacenar 460 kg de dióxido de carbono a 16.85 °C. Las constantes del modelo de Redlich – Kwong son las siguientes:

1. Estime la presión que ejerce el gas.
2. La presión de ruptura del tanque es de 3500 kPa y por motivos de seguridad se quiere operar el tanque con una presión máxima de aproximadamente la tercera parte (1200 kPa), en ese caso, estime cuál será la cantidad máxima de gas que se podrá almacenar. Hágalo con el modelo de Redlich – Kwong y con la carta generalizada de compresibilidad.

Datos del CO2: Tc = 304.2 K, Pc = 7390 kPa y PM = 44.01 kg/kmol Respuesta: a) 2476.5 kPa

1. 226.5 kg por el modelo de Redlich – Kwong

1. kg por la carta generalizada de compresibilidad

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10.- Un neumático de automóvil tiene un diámetro externo de 24 plg., diámetro interno de 14 plg. y ancho de 30 cm. Se infla introduciéndole 205 gramos de aire hasta que la presión indica 30 psig. Estime la temperatura del aire justo al terminar de llenar el neumático por:

1. Gas Ideal
2. Gas No Ideal (factor de compresibilidad)
3. van der Waals
4. Redlich – Kwong

Datos del aire: Tc = 133 K, Pc = 37.7 bar y PM = 28.97 kg/kmol

Respuesta: a) 302.4 K b) No se puede (la Tr está fuera del rango del gráfico y la tabla) c) 303.1 K d) 302.8 K

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