tema 5. balances de energÍa

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TEMA 5. BALANCES DE ENERGÍA INDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. LEY DE CONSERVACIÓN DE ENERGÍA 2.1. BALANCES ENTÁLPICOS 3. EJEMPLOS RESUELTOS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA 4. RELACIÓN DE PROBLEMAS PROPUESTOS Tema 5 Balances de energía

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Balances de energía. Tema 5. TEMA 5. BALANCES DE ENERGÍA. INDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. LEY DE CONSERVACIÓN DE ENERGÍA 2.1. BALANCES ENTÁLPICOS 3. EJEMPLOS RESUELTOS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA 4. RELACIÓN DE PROBLEMAS PROPUESTOS. Balances de energía. Tema 5. S 2. 2. S. V 2. *. 1. - PowerPoint PPT Presentation

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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