Problemas Resueltos de BalaNCE de MATERIA TEMA 5
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TEMA 5.
BALANCES DE ENERGÍA
INDICE
1. INTRODUCCIÓN2. LEY DE CONSERVACIÓN DE ENERGÍA2.1. BALANCES ENTÁLPICOS3. EJEMPLOS RESUELTOS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA4. RELACIÓN DE PROBLEMAS PROPUESTOS
Tema 5 Balances de energía
Sistema formado por una conducción de sección variable
*V2
V1
S2
S1
S
1
2
Tema 5 Balances de energía
Tema 5 Balances de energía
SISTEMAW > 0 W < 0
Q < 0
Q > 0
REACCIÓN POR APARICIÓNSALIDAENTRADANACUMULACIÓ
WSVpSVpSqqSSqSVKESVKEKEdtd
TTT 2221112211222222111111
WSVpSVpQSVKESVKEKEdtd
TTT 222111222222111111
WSVpSVpQSVKESVKE 2221112222221111110
Convección forzada Convección natural
Despreciando la convección natural y haciendo Q´= qs:
Para régimen estacionario
Tema 5 Balances de energía
Dividiendo por m y haciendo:
Tema 5 Balances de energía
m/QQ m/WW
021
22
112
22
12121 WppQ)VV()EE()ZZ(g
pEH
Introduciendo la entalpía:
021 2
22
12121 WQ)VV()HH()ZZ(g
(J/kg)
(J/kg)
Despreciando las variaciones de energía potencial y cinética frente a las entálpicas y suponiendo que no se intercambia trabajo útil con el exterior,
Tema 5 Balances de energía
QHH 21Balance entálpico
c
i
c
irefpi
irefTfi
i )TT(CHH1 1
La entalpía relativa es:
)TT(C)TT(C piirefpii
Si hay cambio de estado
Teniendo en cuanta la expresión de la entalpía relativa:
Tema 5 Balances de energía
La diferencia de los dos últimos términos del primer miembro de esta ecuación representa la suma de las entalpías de reacción
QHH)TT(C)TT(Cc
i
refTfi
ic
i
refTfi
ic
irefpi
ic
irefpi
i 1 1
1
1 2
2
11
1
1
12
2
2
reaccrefT
Ric
i
refTfi
ic
i
refTfi
i HHH1 1
1
1 2
2
De las ecuaciones anteriores:
Tema 5 Balances de energía
y si en el sistema no se desarrolla ninguna reacción química:
QH)TT(C)TT(Creacc
refTRi
c
irefpi
ic
irefpi
i 1
11
1
12
2
2
Q)TT(Cc
ipi
i 1
122
Si se desea referirlas a la unidad de tiempo, bastará con multiplicarlas por el caudal másico, m, siendo mi= m(i/):
Tema 5 Balances de energía
QHm)TT(Cm)TT(Cmreacc
refTRi
c
irefpii
c
irefpii
111
122
Q)TT(Cmc
ipii
112
Como la mayoría de los procesos industriales se desarrollan a presión constante, el calor necesario para calentar una masa i de una sustancia desde T1 a T2 será:
Tema 5 Balances de energía
2
1
T
Tpisi dTCQ
)TT(CmQ piisi 12
considerando un valor medio del calor específico en el intervalo T1-T2 :
Para gases reales se han propuesto ecuaciones empíricas de tipo cuadrático:
2cTbTaCpi
Tema 5 Balances de energía
Reaccionantes Elementos constituyentes
ProductosProductos de la combustión
oR,fH
op,fH o
R,cH
oP,cH
oRH
oP,c
oR,c
oR,f
oP,f
oR HHHHH
Tema 5 Balances de energía
Reaccionantes a 25ºC Productos a 25ºC
Productos a TReaccionantes a T
oRH
TRH
c
ipRR )T(Cm
125 )T(Cm
c
ipPP
125
c
ipPP
c
iRpRR
TR )T(CmH)T(CmH
11
0 2525
Tema 5 Balances de energía
El óxido nítrico se obtiene por oxidación parcial del amoníaco con aire según:4 NH3 (g) + 5 O2 (g) 4 NO (g) + 6 H2O (g)
cuya variación entálpica de reacción a 920°C vale:HR
25°C = -216.42 kcal /4 mol NH3
En un reactor que trabaja a presión atmosférica se alimentan NH3 (g), a 25°C, y aire precalentado a 750°C, alcanzándose una conversión del 90% para el amoníaco. La composición molar de los gases efluentes, en base seca, es:
NH3 (0.855%); O2 (11.279%); NO (7.962%); N2 (79.874%) Si la temperatura de los gases efluentes del reactor no puede exceder los 920°C, calcular:
a) Los kmoles totales de gas efluente por cada 100 kmoles de NH3 alimentados
b) Los kmoles de H2O que acompañan a 100 kmoles de gas efluente secoc) El porcentaje de aire alimentado en exceso respecto del aire teórico necesario para la
oxidación completa del amoníaco.d) El caudal de calor a eliminar en el reactor por cada 100 kmoles de NH3 alimentados
Problema 3.1.
PRODUCTO CAPACIDAD CALORIFICA MEDIA(J/mol °C)
INTERVALO DE TEMPERATURA(°C)
NH3 39.71 25-920
AIRE 31.40 25-920
NO 32.05 25-920
H2O 33.10 25-920
Tema 5 Balances de energía
Base de cálculo = 100 kmoles de corriente S en base seca.
0.885 % NH3
11.279 % O2
7.962 % NO
79.874 % N2
X O2
Y N2
A NH3
4NH3+ 5O2 --- 4NO + 6H2O
Z H2O
Balance N: A + 2Y = 0.885 +7.962+2*(79.874) = 168.595
Balance H: 3A = 2Z + 3 (0.885)= 2Z + 2.655
Balance O: 2X = z + 2 (11.279) + 7.962 = Z + 30.52
Aire: X/Y = 21/79
X= 21.232
Y = 79.874
Z = 11.943
A = 8.847
Tema 5 Balances de energía
a) kmoles totales de gas efluente por cada 100 kmoles de NH3 alimentados =
= (100 + 11.943) (100/8.847) = 1265.32 kmoles
b) kmoles de H2O que acompañan a 100 kmoles de gas efluente seco = 11.943
c) El porcentaje de aire alimentado en exceso respecto del aire teórico necesario para la oxidación completa del amoníaco
kmoles O2 teóricos necesarios = 8.847 (5/4) = 11.058
EXCESO = (21.232 - 11.058)/ (11.058) *100 = 92 %
0.885 kmol NH3
11.279 kmol O2
7.962 kmol NO
79.874 kmol N2
21.232 kmol O2
79.874 kmol N2
8.847 kmol NH3
4NH3+ 5O2 --- 4NO + 6H2O
11.943 kmol H2O
Tema 5 Balances de energía
0.885 kmol NH3
11.279 kmol O2
7.962 kmol NO
79.874 kmol N2
21.232 kmol O2
79.874 kmol N2
8.847 kmol NH3
4NH3+ 5O2 --- 4NO + 6H2O
11.943 kmol H2O
d) Tomamos ahora como base de cálculo 100 kmoles de A. Las corrientes se calculan multiplicando por el factor (100/8.847)
10 kmol NH3
126.532 kmol O2
89.989 kmol NO
902.83 kmol N2
239.99 kmol O2
902.837 kmol N2
100 kmol NH3
4NH3+ 5O2 --- 4NO + 6H2O
134.98 kmol H2O
Tema 5 Balances de energía
Balance de energía:
Q = HProductos - HReactivos + HReacción =
(10)(39.71) + (126.532)(31.40) + (902.8)(31.40) +
(89.989)(32.05) + (33.10)(134.98)(920-25) - (1142.82)
(31.40)(750 - 25) + (90)(-216420/4)(4.18) = -1.054 107
KJ = - 2.521 106 kcal.
10 kmol NH3
126.532 kmol O2
89.989 kmol NO
902.83 kmol N2
239.99 kmol O2
902.837 kmol N2
100 kmol NH3
4NH3+ 5O2 --- 4NO + 6H2O
134.98 kmol H2O
NH3 O2 N2
NO H2O
AIRE
920ºC 750ºC
25ºC
Tema 5 Balances de energía
En un proceso continuo y estacionario para la fabricación de ácido nítrico, según la reacción:NO + ¾ O2 + ½ H2O HNO3
se logra una conversión del 90% del NO alimentado al reactor. La mezcla gaseosa que se introduce al reactor a 125°C, proviene de la oxidación catalítica de NH3 en un convertidor con aire adicional, teniendo la siguiente composición molar : 7.68% de O2, 7.52% de NO, 14.05% de H2O y 70.75% de N2. Por otra, se introduce el agua necesaria para la reacción, también a 125°C.La mezcla de reacción se lleva a un separador del que se obtienen dos corrientes: una gaseosa que puede considerarse libre de agua y una líquida con un 65% en peso de HNO3, esta última a razón de 55000 kg/día.El reactor está dotado de un sistema de refrigeración, que es capaz de eliminar del reactor 475000 kcal/h. Determinar:a) La composición molar y los caudales másicos (kg/h) de todas las corrientes del sistema.b) La temperatura de salida de los gases que abandonan el reactor.
Problema 3.2.
PRODUCTO CALOR ESPECIFICO(Kcal/kmol °C)
H2O 8.22
O2 8.27
NO 8.05
N2 6.5
HNO3 32.44
PRODUCTO CALOR DE FORMACIÓNHf
25°C (kcal/kmol °C)
H2O -68317
NO 21600
HNO3 -41350
Tema 5 Balances de energía
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3 Separador
7.68 kmol O2
7.52 kmol NO
14.05 kmol H2O
70.75 kmol N2 X H2O
65 % HNO3
35 % H2O
O2
NO
N2
A S T
PX
Base de cálculo : 100 kmoles/h de A
CORRIENTE S:HNO3: (7.52)(0.9) = 6.768 kmoles
O2 : (7.68 - (3/4) 6.768) = 2.604 kmoles
NO : (7.52)(0.1) = 0.752 kmoles N2 : 70.75 kmoles
H2O : (14.05 + x ) - (1/2)(6.768) = ?
Tema 5 Balances de energía
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3 Separador
7.68 kmol O2
7.52 kmol NO
14.05 kmol H2O
70.75 kmol N2
X H2O
6.768 kmol HNO3
?? kmol H2O
A S T
PX
CORRIENTE T:
O2 : 2.604 kmoles
NO : 0.752 kmoles N2 : 70.75 kmoles
TOTAL : 74.106 kmoles
6.768 kmoles HNO3
2.604 kmoles O2
0.752 kmles NO70.75 kmoles N2
?? kmoles H2O
2.604 kmol O2
0.752 kmol NO
70.75 kmol N2
CORRIENTE P:
HNO3: 6.768 kmoles <> (6.768)(63) = 426.38 kg
H2O : (426.38)(0.35/0.65) = 229.59 kg <> (229.59)/(18) = 12.75 kmoles
Balance de agua :
(14.05 + x ) - (1/2)(6.768) = 12.75 kmoles; luego x = 2.084 kmol H2O/100 kmol A
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3 Separador
X H2O
65 % HNO3 6.768 kmol = 426.38 kg
35 % H2O
2.604 kmol O2
0.752 kmolNO
70.75 kmol N2
A T
PX
Tema 5 Balances de energía6.768 kmoles HNO3
2.604 kmoles O2
0.752 kmles NO70.75 kmoles N2
?? kmoles H2O
7.68 kmol O2
7.52 kmol NO
14.05 kmol H2O
70.75 kmol N2
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3 Separador
2.084 kmol H2O
6.768 kmol = 426.38 kg HNO3
12.75 kmol = 229 kg H2O
2.604 kmol O2
0.752 kmolNO
70.75 kmol N2
A T
PX
Tema 5 Balances de energía6.768 kmoles HNO3
2.604 kmoles O2
0.752 kmles NO70.75 kmoles N2
12.75 kmoles H2O
7.68 kmol O2
7.52 kmol NO
14.05 kmol H2O
70.75 kmol N2
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3 Separador
100% H2O
34.67% HNO3
65.33% H2O
3.51 % O2
1.01 NO
95.47 % N2
A T
PX
7.23 % HNO3
2.78 % O2
0.80 %s NO75.56 % N2
13.61% H2O
7.68 % O2
7.52 % NO
14.05 % H2O
70.75% N2
COMPOSICION DE LAS CORIENTES (% moles)
Producción de P = (229.59 + 426.38) = 655.97 kg
Para una producción de 55000 kg/día, es decir 2291.66 kg/h, hay que recalcular las corrientes teniendo en cuenta el factor:
(2291.6/655.97) = 3.493
El resultado final es:
A = 349.35 kmol/h < > 9449.47 kg/h
X = 7.279 kmoles < > 131.03 kg/h
S = 327.03 kmoles < > 9580.50 kg/h
T = 258.85 kmol/h < > 7289.50 kg/h
P = 68.18 kmol/h < > 2291.00 kg/h
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3 Separador
2.084 kmol H2O
426.38 kg HNO3
229 kg H2O
2.604 kmol O2
0.752 kmolNO
70.75 kmol N2
A T
PX
Tema 5 Balances de energía6.768 kmoles HNO3
2.604 kmoles O2
0.752 kmles NO70.75 kmoles N2
12.75 kmoles H2O
7.68 kmol O2
7.52 kmol NO
14.05 kmol H2O
70.75 kmol N2
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3 Separador
2.084 kmol H2O 426.38 kg HNO3
229 kg H2O
2.604 kmol O2
0.752 kmolNO
70.75 kmol N2
125ºC
Tema 5 Balances de energía6.768 kmoles HNO3
2.604 kmoles O2
0.752 kmles NO70.75 kmoles N2
12.75 kmoles H2O
b) Balance de Energía: HProductos - HReactivos + Hreacción = Q Hproductos = (3.493) (6.768)(32.445) + (0.752)(8.05) + (2.604)(8.27) + (70.75)(6.5) + (12.75)(8.22) (T- 25) = 2835.8 T - 70895 Hreactivos = (3.493) (7.68)(8.27) + (7.52)(8.05) + (14.05)(8.22) + (70.75)(6.5) + (2.084)(8.22) (125 - 25) = 250289.55 Kcal/h Hreacción
25°C = (3.493)(6.768)(-41350)-(21600-( 68317/2)) = - 680649 kcal/h
2835.8 T - 70895 – 250289.55 - 680649 = -475000
T = 185.78 °C
125ºC
7.68 kmol O2
7.52 kmol NO
14.05 kmol H2O
70.75 kmol N2
Tema 5 Balances de energía
Para fabricar formaldehído se hace reaccionar una mezcla de metano y aire en un lecho catalítico, en el que tiene lugar la reacción:
CH4 + O2 HCOH + H2OAl reactor se alimenta aire fresco y metano a 177°C y presión atmosférica.Para mejorar el rendimiento se introduce 100% de exceso de aire respecto al estequiométrico. A pesar de ello, sólo se transforma en formaldehído el 13% del metano alimentado, quemándose 0.5% del mismo a dióxido de carbono y agua. Los gases calientes abandonan el reactor a 192°C. Para eliminar el calor desprendido en la reacción se hace circular agua a 27°C por una camisa exterior, de la que sale a 41°C.En un ensayo de 4 horas se obtuvieron en los productos de reacción 13.3 kg de agua. Calcular el caudal de agua de refrigeración necesario.
Problema 3.3.
Componente Calor específico molar medio (kJ/kmol.K)
Entalpía de formación a 25°C
(kJ/mol)Metano (g) 129.6 -75.03
Formaldehido (g) 129.6 -40.00
Agua (v) 34.6 -241.60
Dióxido de carbono (g)
43.2 -393.10
Oxígeno (g) 32.2 --
Nitrógeno (g) 29.1 --
Tema 5 Balances de energía
Base de cálculo = 100 kmoles/h CH4
Aire alimentado:O2 estequiométrico = 100 kmoles
O2 alimentado = (100)(2) = 200 kmoles
N2 alimentado = (200) (0.79/0.21) = 752.4 kmolesTotal aire = 952.38 kmoles
Gases de salida:N2: 752.4 kmoles -------------------------------------------- 71.49%
CH4 : 100 - (0.13)(100) -(0.005)(100) = 86.5 kmoles -- 8.22%HCOH: (0.13)(100) = 13 kmoles ------------------------- 1.23%CO2 : (0.005)(100) = 0.5 kmoles --------------------------- 0.05%
O2 : (200 - 13 - (2)(0.5)) = 186 kmoles ------------------ 17.67%
H2O : 13 + (0.5)(2) = 14 kmoles ---------------------------- 1.34%TOTAL : 1052.4 kmoles -------------------------------------- 100%
Aire, 100% exceso
CH4
CH4
O2
CO2
N2
H2O
HCOH
CH4 + O2 == HCOH + H2O (13% conversión)
CH4 + 2O2 == CO2 + 2H2O (0.5% conversión)
H2O, 27ºC
H2O, 41ºC
Tema 5 Balances de energía
Como realmente se producen 13.3 kg H2O/4 h, el caudal de agua será:13.3/18/4= 0.1847 kmol/h
Hay que recalcular todas las corrientes utilizando el factor (0.1847/14) = 0.01319La solución será:
Metano alimentado = 1.319 kmolesAire alimentado:O2 alimentado = 2.638 kmoles
N2 alimentado = 9.927 kmolesTotal aire = 12.56 kmoles
Gases de salida:N2: 9.927 kmoles ; CH4 : 1.141 kmoles ; HCOH: 0.1715 kmoles
CO2 : 0.00659 kmoles; O2 : 2.454 kmoles; H2O : 0.1847 kmoles
100 kmol CH4
86.5 kmol CH4
186 kmol O2
0.5 kmol CO2
752.4 kmol N2
14 kmol H2O
13 kmol HCOH
CH4 + O2 == HCOH + H2O (13% conversión)
CH4 + 2O2 == CO2 + 2H2O (0.5% conversión)
200 kmol O2
752.38 kmol N2
Tema 5 Balances de energía
El balance entálpico queda: HProductos - HReactivos + Hreacción = Q Hproductos = (129.6)(1.141) + (129.6)(0.1715) + (34.6)(0.1847) + (43.2)(0.00659) + (32.2)(2.454) + (29.10)(9.927) (192- 25) = 90959 KJ/h Hreactivos = (1.319)(129.6) + (2.368)(32.2) + (9.927)(29.1) (177 - 25) = 81482 KJl/h Hreacción
25°C = (0.1715)(-40000 - 241600 - (-75030)) + (0.00659)(393100 - (2)(241600) - (-75030)) = - 40706 kJl/h Q = 90959.8 - 81482 - 40706 = - 31228.5 KJ/h = m (4.18) (27-41)
m = 533.64 kg/h
1.319 kmol CH4
1.141 kmol CH4
2.454 kmol O2
0.0065 kmol CO2
9.927 kmol N2
0.1847 kmol H2O
0.1715 kmol HCOH
CH4 + O2 == HCOH + H2O (13% conversión)
CH4 + 2O2 == CO2 + 2H2O (0.5% conversión)
2.638 kmol O2
9.927 kmol N2
177ºC
177ºC192ºC
Tema 5 Balances de energía
1500 Kg/h de un fuel que contiene un 88% de C y un 12% en peso de H se queman en un horno dando un gas de chimenea que contiene CO2, O2, N2 y H2O, con la siguiente composición molar en base seca:CO2: 13.1%, O2: 3.7 %, N2: 83.2%El aire y el fueloil entran al horno a 25°C y el horno pierde por las paredes 4.5106 kcal/h. Calcular:
a) Los kmol de gas de chimenea producidos.b) Los kmoles de agua de combustión en el gas de chimenea por cada 100 kmoles de gas
de chimenea seco.c) El exceso de aire empleadod) La temperatura de salida de los gases de chimenea.
DATOS: Calores específicos de los gases (kcal/kmol °C): CO2: 10.2 ; O2: 7.3; N2: 7.9; H2O (v): 8.3 Variación entálpica de la reacción a 25°C: C + O2 => CO2 AH0=-94502 kcal/kmolEntalpía de formación de H2O(1) a 25°C : -68320 kcal/kmolCalor latente de vaporización del H2O a 25°C: 10600 kcal/kmol.
Problema 3.4.
3.7 % O2
13.1 % CO2
83.2 % N2
C + O2 == CO2
H2 + 1/2O2 == H2O
Aire, 25ºC
1500 kg/h fuel-oil, 25ºC
88% C12 % H X
Y
H2O
Tema 5 Balances de energía
3.7 % O2
13.1 % CO2
83.2 % N2
C + O2 == CO2
H2 + 1/2O2 == H2O
O2
N2
88% C12 % H2 X
Y
Base de cálculo: 100 kg de fuel-oil
ENTRADA FUEL-OIL:
C = (88)/(12) = 7.33 kmol
H2 = (12/2) = 6 kmol
H2O
Tema 5 Balances de energía
3.7 % O2
13.1 % CO2
83.2 % N2
C + O2 == CO2
H2 + 1/2O2 == H2O
O2
N2
7.33 kmol C6 kmol H2 X
Y
GAS DE CHIMENEA:
CO2 = 7.33 kmol
H2O = 6 kmol
Balance de carbono (kmoles) : 7.33 = Y (0.131) => Y = 55.95 kmoles
Balance de nitrógeno (koles) : X (0.79) = Y (0.832) => X = 58.93 kmoles aire
O2 = (0.21)(58.93) = 12.38 kmoles
N2 = (0.79)(58.93) = 46.55 kmoles
H2O
Tema 5 Balances de energía
2.07 kmol O2
7.33 kmol CO2
46.55 kmol N2
C + O2 == CO2
H2 + 1/2O2 == H2O 7.33 kmol C6 kmol H2 X
Y
Por lo tanto, la composición del gas de chimenea queda:
Compuesto Base húmeda Base seca
CO2 7.33 7.33
O2 (55.95)(0.037)=2.07 2.07
N2 (55.95)(0.832)=46.55 46.55
H2O 6 --
TOTAL 61.95 55.95
12.38 kmol O2
46.55 kmol N2
6 kmol H2O
Tema 5 Balances de energía
1500 kg/h fuel-oil, 25ºC
a) (61.95)(1500/100) = 929.25 kmol/h gas de chimenea.
b) (6)(100/55.95) = 10.72 kmol H2O/100 kmol gas chimenea seco.
c) O2 teórico = 7.33 + (6/2) = 10.33 kmoles < > (10.33)(100/21)=49.21 kmol aire
% exceso = (58.93 - 49.21)/(49.21) x 100 = 19.75 %
2.07 kmol O2
7.33 kmol CO2
46.55 kmol N2
C + O2 == CO2
H2 + 1/2O2 == H2O 7.33 kmol C6 kmol H2 X
Y12.38 kmol O2
46.55 kmol N2
TOTAL= 58.93 kmol aire
6 kmol H2O
Tema 5 Balances de energía
Balance de energía: HProductos - HReactivos + Hreacción = Q
Hproductos = (7.33)(10.2) + (2.07)(7.3) + (46.55)(7.0) + (6.0)(8.3) (T- 25) +
[(10600)(6)] = 465.53 (T - 25) + 63600 kcal /100 kg fueloil
Hreactivos = 0
Hreacción25°C = (7.33)(-94502) + (6)(-68320) = - 1102620 kcal/100 kg fueloil
Q = (-4.5 106)(100)/(1500) = - 3 105 kcal/100 kg fueloil
465.53 T - 11638.3 + 63600 - 1102620 = - 3.0 105
T = 1612.5°C
1500 kg/h fuel-oil, 25ºC2.07 kmol O2
7.33 kmol CO2
46.55 kmol N2
C + O2 == CO2
H2 + 1/2O2 == H2O 7.33 kmol C6 kmol H2 25ºC
T
12.38 kmol O2
46.55 kmol N2
TOTAL= 58.93 kmol aire
6 kmol H2O
Tema 5 Balances de energía
Butano a 25ºC se quema con aire a 25ºC. Suponiendo que la combustión es completa y tiene lugar adiabáticamente, determinar la temperatura que alcanzan los gases de combustión (temperatura teórica de llama) en los siguientes casos:
a) El aire se encuentra seco y se introduce en la proporción estequiométricab) El aire se encuentra seco y se introduce en un 75% de exceso c) El aire lleva humedad (0.03225 mol agua/mol aire) y se introduce en un 75 % en
exceso.Datos:2 C4H10 + 13 O2 10H2O + 8 CO2 ; HR
25ºC = - 635348 kcal/kmolLos calores molares de los gases de combustión están en función de la temperatura (K):
Cp = a + bT (kcal/kmol)
Problema 4.1.
GASES a b102
CO2 6,339 1,014
H2O 7,136 0,264
O2 6,117 0,3167
N2 6,457 0,1389
Tema 5 Balances de energía
A un horno se alimenta un gas de coquería con la siguiente composición molar: H2= 56%; CH4=28%; CO=10%; CO2=5%; N2=1%. Se quema con un 50% en exceso de aire. El gas se introduce a 50ºC y el aire a 125ºC.
a) Escriba y ajuste las reacciones de combustión b) Calcule la composición de la corriente de salida del horno.c) Calcule la máxima temperatura (temperatura adiabática) a que pueden salir los gases de
combustión suponiendo que esta se completa.
Problema 4.2.
COMPUESTO ENTALPÍA DE FORMACIÓN A 25º C
kcal/molCH4 -17.9
CO -26.4
CO2 -94.1
H2O (v) -57.8
COMPUESTO CALORES MOLARES MEDIOS PARA EL
INTERVALO 200-2000 Kcal/mol K
CH4 21.2
CO 7.5
CO2 12.9
O2 8.35
N2 8.05
H2 7.6
H2O (v) 8.1
Tema 5 Balances de energía
En un horno se queman totalmente con aire seco 1500 kg/h de un fuel-oil con una relación másica C/H2 = 7.33, obteniéndose un gas de chimenea. El aire y el fuel-oil entran al horno a 25ºC y en éste se producen unas pérdidas de 4.5 106 kcal/h.Calcular:a) El caudal molar y la composición del gas de chimenea si se introduce aire seco en proporción estequiométrica. b) Si se introduce aire húmedo (2 kg de vapor de agua por cada 100 kg de aire seco) y en un exceso del 20% sobre el estequimétrico, calcular el nuevo caudal y la composición del gas de chimenea. c) La temperatura de salida del gas de chimenea para el caso contemplado en el apartado b).
DATOS:Entalpías de combustión a 25ºC:
C + O2 CO2 Hº =-94502 cal/mol de CH2 + ½ O2 H2O (v) Hº =-57800 cal/mol de H2
Calor latente de vaporización del agua a 25ºC: 10517 cal/mol
Problema 4.3.
COMPUESTO CALOR ESPECÍFICO MOLAR MEDIO
(cal/mol ºC)CO2 10.2
O2 7.3
N2 7.0
H2O (v) 8.3
Tema 5 Balances de energía
Se quema metanol (CH3OH) líquido con 100% de aire en exceso. El ingeniero que diseña el horno debe calcular la temperatura más alta que deben soportar las paredes del mismo, de manera que pueda seleccionar un material apropiado de construcción. Efectúe este cálculo, suponiendo que el metanol se alimenta a 25ºC y que el aire entra a 100ºC. (El sistema es adiabático).DATOS:
CH3OH (l) + 3/2 O2 CO2 + 2 H2O HR (25ºC) = -726.6 kJ/mol
Capacidades caloríficas: Cp = a + b T + c T2
Problema 4.4.
Compuesto a b c
CO2 36.11 4.233 10-2 -2.887 10-5
H2O 33.46 0.688 10-2 0.7604 10-5
O2 29.10 1.158 10-2 -0.6076 10-5
N2 29.00 0.2199 10-2 0.5723 10-5