Ingeniería Química

Unidad II.

Balance de materia

con reacción química

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

VICERRECTORADO BARQUISIMETODEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

Clase Nº8

Autor: Prof. Ing. Juan E. Rodríguez C

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Unidad II: Balance de Materia en Procesos Reactivos

ÍNDICE

Combustión

Combustible

Tipos de Combustibles

Ejercicios propuestos para esta clase

Química de la combustión

Fuente de Oxigeno

Condiciones que favorecen las Reacciones de Combustión

Términos importantes en las reacciones de combustión

Diagrama de flujo para una unidad de combustión

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Balance de Materia con reacción químicaLA COMBUSTIÓN

Y como

FLUIDO DE CALENTAMIENTO

En equipos

Transferencia de calor

(Condensadores, Tanques, Rehervidores, etc.)

usa

OPERACIÓN DE TURBINAS

(GENERADORES DE ELECTRICIDAD)

CALOR

aprovechado (calderas)

PRODUCCIÓN DE VAPOR DE AGUA,

C2H6 + 4O2 2CO2 + 3H2O + Q↑

Es una reacción violenta de oxidación entre un COMBUSTIBLE y OXÍGENO, y cuya finalidad principal

es la obtención de ENERGÍA EN FORMA DE CALOR (Q).

COMBUSTIBLE (C,H) + O2 → Q↑ + CO2 + H2O

COMBUSTIÓN

COMBUSTIBLE

Son sustancias que por lo general es de origen fósil, compuestos por Carbono (C) e Hidrogeno (H), aunque

puede contener elementos como Azufre (S), Nitrógeno (N) y Oxígeno (O).

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Balance de Materia con reacción químicaTIPOS DE COMBUSTIBLES

Estado Tipo Estructura (Ejemplo)

Sólidos

Carbón de HullaUna mezcla de: Carbono(C), H2O y Cenizas no combustible,

Hidrocarburos y Azufre(S).

Coque Principalmente: Carbón(C).

Madera y desperdicios (Basura) Composición variada.

Líquidos

Destilados del Petróleo (Crudo)Gasolina, Gasoil, Kerosenes y otros: Son una mezcla de

Alcanos, Alquenos y otros compuestos orgánicos.

Alquitrán y Aceites Una mezcla de: Hidrocarburos Pesados y algo de Azufre(S).

Alcoholes CH3OH: Alcohol metílico.

Gaseosos

Gas NaturalUna mezcla: 80-95% Metano(CH4), y el resto Etano, Propano

y pequeñas cantidades de otros gases.

Hidrocarburos Ligeros Compuestos Orgánicos.

Acetileno C2H2

Hidrógeno H2

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Balance de Materia con reacción químicaQUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN

Combustión Completa• Todo el Carbono que reacciona forma: Dióxido de Carbono (CO2)

• El carbono pasa a su máximo estado de oxidación(+4)

• Esta reacción es la Reacción Principal, pues genera la mayor cantidad de Energía

OH 2

mCOn O 4

mnHC 222mn

• Todo el Carbono que reacciona forma: Monóxido de Carbono (CO)

• El carbono pasa a un estado de oxidación intermedio (+2)

• Esta reacción es la Reacción Secundaria, pues genera la menor cantidad de Energía

Combustión Incompleta

OH 2

COn O 4

m2

nHC 22mnm

Ejemplos de Reacciones de Combustión

Combustión Completa

Combustión Incompleta

Combustión del Etano

Completa

Incompleta

Favorece 1ª reacción

22 CO O C

CO O 2

1 C 2

OH 3CO 2 O 2

7 HC 22262

OH 3CO 2 O 2

5 HC 2262

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Balance de Materia con reacción químicaReacciones de Combustión

Condiciones que favorecen las Reacciones de Combustión

Relación de Proporciones en las reacciones:

•Relación masa o moles entre el Combustible y el oxígeno

Poco O2 ------------------------- CO o combustible no reacciona

Exceso de O2 ------------------ no reacciona

Exceso adecuado -------------- favorece la combustión completa

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Balance de Materia con reacción químicaReacciones de Combustión

21%79%

Fuente de Oxígeno

El oxígeno se obtiene deAire

Aire

Es un mezcla de gases constituida por nitrógeno (N2) y oxígeno (O2) como elemento básico en un 99 %, y el

resto como gases nobles, vapor de agua, Dióxido de Carbono y partículas.

Sustancia % (v/v)

Nitrógeno (N2) 78,08 %

Oxígeno (O2) 20,95 %

Argón (Ar) 0,93 %

Anhídrido Carbónico (CO2) 0,03 %

Neón (Ne) 0,018 %

Helio (He) 0,005 %

N2 O2

Para efectos de cálculos

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Balance de Materia con reacción químicaReacciones de Combustión

Términos Importantes

Gas de Chimenea: Son todos los gases que provienen del proceso de combustión, incluyendo el vapor de

agua: H2O, CO, CO2, N2, O2 , combustible sin reaccionar (gas) y otros.

También llamado: Gas de Combustión, Gas de Salida, Gas residual o Gas de Emisión

Composición en Base Húmeda: Es la composición del gas de chimenea con todos sus componentes

(incluyendo el agua).

Composición en Base Seca: Es la composición del gas de chimenea exceptuando el Agua es decir, en una

base libre de agua. También llamada: ANALISIS ORSAT.

Oxígeno Teórico: Es la cantidad de oxígeno requerida para que: Se consuma TODO el combustible en la

reacción de Combustión Completa.

Aire Teórico (Aire Requerido): Es la cantidad de Aire que contiene el Oxígeno Teórico.

Exceso de Aire (o Exceso de Oxígeno): Es la cantidad de aire o de oxígeno que excede la cantidad teórica

o requerida.

Análisis Orsat: Es un procedimiento de análisis mediante el cual se recoge una muestra gaseosa en

diferentes soluciones acuosas que absorben todos los componentes del mismo. Como se recogen sobre

soluciones acuosas es imposible determinar la cantidad de agua por este método.

100%n

nnExceso%

teóricosi reactivo

teóricosi reactivosalimentado i reactivo

i reactivo

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Balance de Materia con reacción químicaReacciones de Combustión

Diagrama de flujo para una unidad de combustión

Ejercicios

1) Se alimentan C2H6 a una unidad de combustión en la relación 2:10 con el agente oxidante, la fuente de

oxígeno es el aire. En el cual se procesa 250 moles de etano. En el reactor se dan las siguientes reacciones:

C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3H2O

C2H6 + 5/2 O2 2 CO + 3 H2O

Calcular:

a) Cantidad teórica de Oxígeno

b) Cantidad teórica de aire

c) Porcentaje de exceso de oxígeno

d) Porcentaje de exceso de aire

Cámara de

Combustión

Combustible(s)

Fuente de Oxigeno

Gas de Chimenea

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Balance de Materia con reacción químicaReacciones de Combustión

Solución:

Cámara de combustión

C2H6, 40% , XC2H6 = 0,40

C3H8, 20%, XC3H8 = 0,20

H2 , 40% , XH2 = 0,40

F1

F2

N2 79% , Xn2 = 0,79

O2 21% , XO2 = 0,21

70% exceso de AIRE

AIRE

F3

CO2

H2O

O2

N2

CO

C2H6 + O2 CO2 + H2O

C3H8 + O2 CO2 + H2O

C3H8 + O2 CO + H2O

H2 + O2 H2O

Reacciones involucradas

2) Se tiene una mezcla de combustible gaseoso cuya composición es de 40% C2H6, 20% C3H8 y 40% de H2.

El etano reacciona según combustión completa. El 95% del propano reacciona por combustión completa, el

5% por combustión incompleta y el hidrogeno reacciona completamente. Se utiliza un 70% de exceso de aire

y se procesan 100 moles/hora de combustible.

Realice:

a) El análisis de los grados de libertad

b) Cálculos para determinar el flujo y la composición en base seca del gas de chimenea

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Lo que debe haberse aprendido en esta clase

Ejercicios propuesto para esta clase:

Balance de materia con reacción química

Himmelblau (6º Edición) Felder (2º Edición)

CAP Problemas CAP Problemas

Una etapa con reacción 3 15, 43-50, 53, 56, 57-60 4

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Haber aprendido y reflexionado sobre el abordaje y las formas de resolución de balance de materia en los que intervienen reacciones de combustión

Haber repasado términos anteriormente vistos como combustión, combustibles, tipos de combustibles, reacciones de combustión, composición del aire

Haber aprendido nuevos conceptos como gas de chimenea, base seca, base húmeda, análisis Orsat, exceso de aire, entre otros

Balance de Materia con reacción química