SOLUCIÓN TALLERES DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA 3 CORTE

1. Puede deshidrogenarse el etano para producir acetileno en la siguiente reacción:C2H6 = C2H2 + 2H2

Suponiendo que se cargan 1000 Kg de etano a un reactor intermitente y que se alcanza una conversión del 80%. calcular en el producto:a) moles totales b) Relación molar de acetileno a hidrógenoc) Masa molecular promedio de la mezcla gaseosa: acetileno e hidrógenod) Fracción en masa de acetilenoSOLUCIÓN:Balance de masa: Moles acetileno n acet= m et / M et*C= (1000 kg/ 30kg/kgmol et)*0.8 kmol acet/kmol et= 26.67 kmol acetileno

Moles de etano que no reacciona: 1000kg*0.2/30kg/kmol = 6.67 kmol de etano Moles de hidrógeno que salen: 1000 kg/ 30 kg/kmol * 0.8* 2 kmol H2/Kmol etano = 53.3 kmol Hidrógeno

a) Moles totales: 26.67 + 6.67 + 53.3 = 87.673 *1000 = 86673.3 moles totales a la salidab) Relación molar acetileno a hidrógeno: 26.67/53.3 = 0.5 moles de acetileno a moles de hidrógenoc) M = (26.67/(26.67+53.3)*26)+(53.3/(53.3+26.67)*2) = 8.67 + 1.33 = 10 kg/kmol = 10 g / mold) W acet = m acet / (m acet + m H2 + m etano) = (26.67* 26) / [(26.67*26)+(6.67*30)+(53.3*2)] = 693.42 / 1000.12 = 0.693

2. Puede deshidrogenarse el etano para producir acetileno en la siguiente reacción:C2H6 = C2H2 + 2H2

Suponiendo que se cargan 100 kg mol de etano a un reactor intermitente y que se alcanza una conversión del 80%. calcular en el producto:e) moles totales f) Relación molar de acetileno a hidrógenog) Masa molecular promedio de la mezcla gaseosa: acetileno e hidrógenoh) Fracción en masa de acetilenoSOLUCIÓN:Balance de masa: Moles acetileno n acet= m et / M et*C= (100 kgmol et)*0.8 kmol acet/kmol et= 80 kmol acetileno

Moles de etano que no reacciona: 20 kmol de etano Moles de hidrógeno que salen: 100 kmol * 0.8* 2 kmol H2/Kmol etano = 160 kmol Hidrógeno

a) Moles totales: 80 + 20 + 160 = 260 kmoles = 260000 moles totales a la salidab) Relación molar acetileno a hidrógeno: 80/160 = 0.5 moles de acetileno a moles de hidrógenoc) M = (0.5*26)+(0.5*2) = 13 + 1 = 14 kg/kmol = 14 g / mold) W acet = m acet / (m acet + m H2 + m etano) = (80* 26) / [(80*26)+(20*30)+(160*2)] = 2080 / 3000 = 0.693

3. El ácido acético se puede obtener mediante la reacción de etanol con dicromato de sodio y ácido sulfúrico como se muestra en la ecuación:

3C2H5OH + 2Na2Cr2O7 + 8H2SO4 = 3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2Na2SO4 + 11H2

En la corriente de recirculación que se muestra en la figura se obtiene una conversión global de C 2H5OH del 90% con un flujo de recirculación igual al flujo de alimentación de C2H5OH fresco. Los flujos de alimentación de H2SO4 y Na2Cr2O7 frescos con 20% y 10% respectivamente de exceso sobre las cantidades requeridas estequiométricamente para la alimentación fresca del C2H5OH. Si la corriente de recirculación contiene 94% deH2SO4 y el resto es C2H5OH calcule el flujo de producto y la conversión de C2H5OH en el reactor.

SOLUCIÓN:Corrección al enunciado: “En el proceso con recirculación que se muestra (…)”Base de cálculo: 1000 moles de Etanol = 46 kg de etanol1000*0.90 * 3/3 = 900 moles de CH3COOH en la corriente que sale del separador = 54 kg de ácido acético1000*2/3 *1.1 = 733.3 moles de Na2Cr2O7 o sea: 733.3*262 = 192.14 kg de dicromato de sodio

1000*8/3 *1.2 = 3200 moles de H2SO4 O sea 3200*98 = 313.6 kg de ácido sulfúricoEntonces, corriente 2: 660 + 2880 = 3540 moles; m2 = 192.14 + 313.6 kg = 505.74 kgLuego la masa de los productos de desperdicio, por el balance global de masa, será: m 1 + m2 – m ácido acético = 46 + 505.74 - 54 = 497.74 kg de productos de desperdicio. Balance en el separador: m3 = m ácido acético + m productos de desperdicio + m recirculaciónEntonces, m3= 54 + 497.74 + m recirculación = 551.74 + m recirculación (1)Pero se sabe que el flujo de recirculación es igual al flujo de alimentación fresco, es decir, m recirculación = m etanol fresco = 46 kgEntonces, m3 = 551.74 + 46 = 597.74 kgY la masa que entra al reactor también será la misma, prueba: 46 + 505.74 + 46 = 597.74 kgConversión del etanol:(0.06*46/60 + 1)Kmol etanol – Cp*3/3*(0.06*46/60 + 1) etanol = (0.06*46/60 + 1)- 0.900 KmolesEntonces, la conversión POR PASO DEL ETANOL es Cp= 0.8609 = 86.09%

4. Acetaldehído, CH3CHO, se puede obtener por medio de la deshidrogenación catalítica del etanol, C2H5OH, según la reacción:

C2H5OH = CH3CHO + H2

No obstante, se presenta una reacción paralela que produce acetato de etilo, CH3COOC2H5:

2C2H5OH = CH3COOC2H5 + 2H2

Ahora, suponiendo que en un reactor se ajustan las condiciones para que se alcance una conversión de etanol del 96% con un rendimiento del 90% de acetaldehído, calcule la composición del producto del reactor, asumiendo que el alimento es 100% puro etanol.

SOLUCIÓN:

Base de cálculo: 100 moles de etanol. Productos: ACETALDEHIDO: 100*0.96*0.9 = 86.4 molesETANOL NO REACCIONANTE: 100-86.4=13.6 molesACETATO DE ETILO: 100*0.9*(1-0.96)*1/2= 1.8 molesHIDRÓGENO: [100*0.9*0.96] + [100*0.9*(1-0.96)*2/2]= 90 moles

Composición molar:Acetaldehído: 86.4/(86.4+1.8+13.6+90)= 0.45046Etanol: 0.0709Acetato de etilo: 0.00938Hidrógeno: 0.46923

5. Se utiliza un sistema de purificación con recirculación, para recuperar un solvente DMF de un gas de desperdicio que contiene 55% de DMF en aire (porcentaje másico). El producto deberá tener únicamente 10% de MDF en masa. Calcule la fracción de recirculación suponiendo que la unidad de purificación puede eliminar las dos terceras partes del DMF presente en la alimentación combinada a la unidad.

SOLUCIÓN:Balance global: m1= m3+m6; tomando base de cálculo en m1: 1000 kg; balance de aire: 450 = 0.9*m6; entonces m6=500 kg=m3La composición en el divisor es igual en todas las corrientes; m4*0.9=450+0.9*m5; m4+m5=500;Balances en la unidad: m2=m3+m4, o sea: m2=500+m4; balances del DMF: w2*m2+500=0.1*m4

Pero se sabe, por el enunciado, que las 2/3 partes del DMF que entra a la unidad salen por la corriente 3, eliminadas, mientras que la tercera parte sale por la corriente 4, entonces:500 = 2/3 w2*m2; w2*m2=500*3/2=750 kg. Y por m4: 0.1*m4=1/3*750=250 kg de DMF. Entonces, m4=250/0.1=2500. Luego, La corriente 2, m2= m3+m4=500+2500=3000 kg.Y haciendo un balance en el divisor: m4=m5+m6; entonces m5=m4-m6=2500-500=2000 kg.La prueba es que m2=m1+m5=3000=1000+2000. Ahora, la relación de recirculación, m5/m1= 2000/1000=2

6. Una unidad de cracking de etano procesa 1000 kg/día de dicho hidrocarburo. La conversión por paso es de 20%. Se desea llegar a una conversión final del 96%. Determinar el reciclo necesario (Reactivo Límite Recirculado, RLR) y la producción de etileno diario. Reacción: C2H6 = C2H4 + H2

Solución:PD=RLF*Ct

PD=(RLF+RLR)*CpRLF=1000/30=33.33Kmoles de etanoCp=20%=0.2Ct=96%=0.96Entonces, igualando ambas expresiones: 33.33*0.96=0.2*(33.33+RLR); Despejando RLR: RLR= (31.9968-6.666)/0.2=126.65 kmolSe recirculan 126.65 kmoles Y la producción diaria de etileno será: PD=33.33*0.96=31.9968 kmoles de eteno (etileno)

7. A un tanque de leche de 2000 litros de capacidad se le agrega leche a razón de 100 L/min y se le quita al mismo ritmo. La temperatura inicial de la leche en el tanque es de 40°C. La leche entra al tanque a 20°C. Si un serpentín de calentamiento adiciona 2000 Kcal/mi, calcule cuál será la temperatura del tanque al estabilizarse la temperatura? El cp de la leche es 1. Su densidad relativa es 1.032.

Solución:2000kcal/min + 103.2kg*1 [kcal/(kg*°C)]*( T2-20)°C=2064kg*1[kcal/(kg*°C)]*(T2-40)°C + 103.2kg*1 [kcal/(kg*°C)]*(T2-40)°C2000+2064+82560+4128=T2*(103.2+103.2+2064)T2=39.97°C

C2H4

Columna de

Deshi

C2H4

Columna de

Deshi

C2H4

Columna de

Deshi

H2

C2H6

C2H4

C2H6

C2H4

1000 kg / día

Columna de destila

ción

Deshidrogen

Reactor

8. Calculate the theoretical flame temperature of a gas having 30% CO and 70% N 2 when burnt with 200% excess air. Both the reactants are at 25oC.Data:Ho

f of CO2 = -94052 cal/gmolHo

f of CO = -26412 cal/gmolMean heat capacities in cal/gmol.oC are CO2 = 12, O2 = 7.9, N2 = 7.55

Solución:Base de cálculo: 1 mol de gas (con 30% CO y 70% N2)

Reacción de combustión:

CO + 1/2 O2 CO2

Calor de reacción a 25oC para la reacción se calcula como:

Calor de reacción = calor de formación de productos - calor de formación de reactivos= -94052 - (-26412) = -94052 + 26412 = -67640 cal/gmol de CO convertido

Calor total liberado = 67640 x 0.3 = 20292 cal.

Si se asume una base de temperatura de 25oC, entonces, la entalpía de reactivos a 25oC = 0 cal

Entalpía Total de la corriente de producto = entalpía de reactivos + calor añadido por la reacción = 0 + 20292 = 20292 cal.

CO2 en la corriente de productos = 0.3 gmol

O2 necesario teóricamente = 0.3 x 0.5 = 0.15 gmol.

O2 que ingresa realmente (200% exceso) = 0.15 x 3 = 0.45 gmol

N2 entrando junto con O2 en el aire = 0.45 x 79/21 = 1.69 gmol

O2 en los gases de salida (asumiendo combustión completa de CO a CO2) = 0.45 - 0.15 = 0.3 gmol

N2 en los gases de salida = 1.69 + 0.7 = 2.39 gmol.

La temperatura adiabática (T) se calcula como sigue:

20292 = 0.3 x 12 x (T - 25) + 0.3 x 7.9 x (T - 25) + 2.39 x 7.55 x (T - 25)

Entonces, 20292 = 24.0145 (T - 25)

844.989 = T – 25

T = 844.989 + 25 = 869.1°C

Temperatura adiabática o teórica de llama: 942.07 oC

9. Calculate the theoretical flame temperature of a gas having 20% CO and 80% N 2 when burnt with 150% excess air. Both the reactants are at 25oC.Data:Ho

f of CO2 = -94052 cal/gmolHo

f of CO = -26412 cal/gmolMean heat capacities in cal/gmol.oC are CO2 = 12, O2 = 7.9, N2 = 7.55

Solución:Base de cálculo: 1 mol de gas (con 20% CO y 80% N2)

Columna de

Deshi

Columna de

Deshi

Columna de

Deshi

Reacción de combustión:

CO + 1/2 O2 CO2

Calor de reacción a 25oC para la reacción se calcula como:

Calor de reacción = calor de formación de productos - calor de formación de reactivos= -94052 - (-26412) = -94052 + 26412 = -67640 cal/gmol de CO convertido

Calor total liberado = 67640 x 0.2 = 13528 cal.

Si se asume una base de temperatura de 25oC, entonces, la entalpía de reactivos a 25oC = 0 cal

Entalpía Total de la corriente de producto = entalpía de reactivos + calor añadido por la reacción = 0 + 13528 = 13528 cal.

CO2 en la corriente de productos = 0.2 gmol

O2 necesario teóricamente = 0.2 x 0.5 = 0.1 gmol.

O2 que ingresa realmente (150% exceso) = 0.1 x 2.5 = 0.25 gmol

N2 entrando junto con O2 en el aire = 0.25 x 79/21 = 0.9405 gmol

O2 en los gases de salida (asumiendo combustión completa de CO a CO2) = 0.25 - 0.1 = 0.15 gmol

N2 en los gases de salida = 0.9405 + 0.8 = 1.7405 gmol.

La temperatura adiabática (T) se calcula como sigue:

13528 = 0.2 x 12 x (T - 25) + 0.15 x 7.9 x (T - 25) + 1.7405 x 7.55 x (T - 25)

Entonces, 13528 = 16.726 (T - 25)

808.8 = T – 25

T = 808.8 + 25 = 833.8oC

Temperatura adiabática o teórica de llama: 833.8oC

10. En un proceso continuo y estacionario para la fabricación de ácido nítrico, según la reacción:NO + 3/4O2 + 1/2H2O = HNO3

Se logra una conversión del 90% del NO alimentado al reactor. La mezcla gaseosa que se introduce al reactor a 125°C, que proviene de la oxidación catalítica del amoníaco, tiene la siguiente composición molar: 7.68% de O2. 7.52% de NO, 14.05% de H2O y 70.75% de N2. Por otra parte se introduce agua necesaria para la reacción a 125°C. La mezcla que sale del reactor se lleva a un separador del que se obtiene dos corrientes, una gaseosa que puede considerarse libre de agua y otra líquida con 65% de HNO 3, 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 las composiciones y todas las corrientes. Y la temperatura de salida de los gases del reactor.

Esquema:

Base de cálculo : 100 kmoles/h de A CORRIENTE DE SALIDA, 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) = ?

CORRIENTE T:O2 : 2.604 kmoles NO : 0.752 kmoles N2 : 70.75 kmoles TOTAL : 74.106 kmoles

CORRIENTE P:HNO3: 6.768 kmoles <> (6.768)(63) = 426.38 kgH2O : (426.38)(0.35/0.65) = 229.59 kg <> (229.59)/(18) = 12.75 kmolesBalance de agua : (14.05 + x ) - (1/2)(6.768) = 12.75 kmoles; luego x = 2.084 kmol H2O/100 kmol A

Producción de P = (229.59 + 426.38) = 655.97 kgPara 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) = 3.493El resultado final es: A = 349.35 kmol/h < > 9449.47 kg/h

X = 7.279 kmoles < > 131.03 kg/hS = 327.03 kmoles < > 9580.50 kg/hT = 258.85 kmol/h < > 7289.50 kg/hP = 68.18 kmol/h < > 2291.00 kg/h

Entonces, recalculando todo, nos queda un factor de conversión para usar en el balance de energía; igual a 3.493

2.604 kmol O2

0.752 kmol NO 70.75 kmol N2

2.604 kmol O2

0.752 kmol NO 70.75 kmol N2

P S

TSA

X H2O

6.768 kmoles HNO3

2.604 kmoles O2

0.752 kmles NO70.75 kmoles N2

?? kmoles H2O

7.68 kmol O27.52 kmol NO 14.05 kmol H2O 70.75 kmol N2

NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3 Separador

9.09 kmol O2 (3.51%)2.63 kmol NO (1.02%)247.13 kmol N2

28.82 kmol O2 (8.82%)

26.26 kmol NO (7.5%)

49.07 kmol H2O (13.95%)

247.13 kmol N2 (70.91%)

125ºC

23.64 kmoles HNO3 9.09 kmoles O22.63 kmoles NO 247.13 kmoles N244.53 kmoles H2O

125ºC1489.34 kg HNO3800.24 kg H2O 7.26 kmol H2O

SeparadorNO + 3/4O2 + 1/2H2O

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

11. En una fábrica de conservas de pescado se va a procesar 5000 kg de pescado por hora. Durante la etapa de cocción se controlan los siguientes datos:

TEMPERATURA INICIAL DEL PESCADO: 20°CTEMPERATURA FINAL DEL PESCADO: 100°C (después de cocinado)TEMPERATURA DEL VAPOR ALIMENTADO: 104°CCe del vapor: 0.48 Kcal/Kg * °C de vaporización: 536.8 Kcal/KgTEMPERATURA DE SALIDA DEL VAPOR: 100°C (0% de calidad)

Determinar: Cantidad de vapor a utilizarDATO FALTANTE: - Ce pescado = 1 kcal/kg°cSOLUCIÓN:

12. Puré de durazno está saliendo concentrado de un evaporador continuo al vacío a una velocidad de 50Kg/h, El material de alimentación tiene una temperatura inicial de 13°C y un contenido de sólidos totales del 12%. El producto concentrado sale con un 45% de sólidos totales, a 40°C. El vapor producido pasa por un condensador del cual sale a 38°C. Dato: calor específico de los sólidos 0.5 Kcal/Kg°C.

Elabore el diagrama de flujo respectivo. Calcule: a) velocidad de flujo del producto y del condensado; b) Si el vapor saturado usado para producir la evaporación, entra a 120°C, calcule el consumo de vapor de servicio en Kg/h.

Diagrama de flujo

a) Velocidad del producto y del condensadoBalance de masa GLOBAL: P1=P2+V4=50+V4

Balance de masa de S: 0.12*P1=0.45*P2=0.44*50; Entonces, P1=22/0.12=187.5kg/h; entonces, V4=187.5-50=137.5kg/hVelocidad del producto: 50 kg/h (ya nos lo decía el enunciado); velocidad del condensado es 187.5 kg/h

b) Consumo de vaporBalance de energía: Q consumido por el vapor producido = Q cedido por el vapor de servicioQ cedido= Q consumido V7*Cp v*(T v) + V7*Cp L*(T L) +V7 * cond =[0.12*P1*Cp sólidos+0.88*P1*Cp agua] *(T puré) + V3* evap

V7= {[187.5*0.12*0.5 + 187.5*0.88*1]*(40-13)°C + 137.5*425.7}/[0.5*(120-100)+ 1*(100-40)+425.7] = 127.68 kg/h

13. Se requiere calentar 1000 L/h de pasta de tomate desde 20°C hasta 80°C. El vapor disponible es vapor saturado a 130°C, que luego del proceso sale a como líquido saturado a 100°C. Si el cp de la pasta de tomate es 0.85 Kcal/Kg°C y su densidad es 1.09 Kg/L, ¿Cuánto vapor se necesita?SOLUCIÓN:

Entalpía de vaporización del agua a 120°C: vap= 425,7 kcal/kg

Cp vapor=0,5kcal/kg*°C

14. When 1 mol of methane is burned at constant pressure, 890.3kJ of energy is released as heat. Calculate ΔH for a process in which a 5.8 gram sample of methane is burned at constant pressure.

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) + 890.3 Kj

−5.8gC H 4

1

1molC H 4

16.04 gC H 4

890.3kJ1molC H 4

H = -321 kJ15. A sample of 1.16 kg of ethyl alcohol (Specific Heat = 0.587 Cal/g°*C) is at a temperature of 79.4 oC; What is the final temperature of the sample if 895 calories of energy are removed from it? Solution:

∆T= Qm∙ S . H .

∆T= −895Cal

1160 g ∙[0.587Calg ∙ °C ]

ΔT=-1.31°C

So, T f=∆T+T i=−1.31° C+79.4 ° C=78.1 °CAnswer: The final temperature of the sample is 78.1°C

16. When a student mixes 50 mL of 1 M HCl and 50 mL of 1 M NaOH in a coffee cup calorimeter, the temperature of the resultant solution increases from 21 to 27.5°C. Calculate the enthalpy change for the reaction in kJ/mol HCl, assuming that the calorimeter loses only a negligible quantity of heat, that the total volume of the solution is 100 mL, that its density is 1 g/mL, and that its specific heat is 4.18 J/g - KSoluciónComo la densidad es 1 g/mL, entonces la masa es: 100 mL*1g/mL = 100 gEl cambio de temperatura es: 27.5°C - 21.0°C = 6.5°C = 6.5 K. Ya que la temperatura aumenta, la reacción es exotérmica:

QrXn = - (Calor específico de la solución)*(Gramos de solución)*T

Q=−(4.18Jg ∙K )(100 g ) (6.5K )=−2700J=2.7kJ

Ya que el proceso ocurre a presión constante, ΔH = qP = -2.7 kJ. Para poner la entalpia en función de las moles, se usa el hecho de que el número de moles de HCl y NaOH está dado por el producto de los volúmenes de solución respectivos (50 mL = 0.050 L) y las concentraciones, así: 0.05L*1 mol/L = 0.05 molEntonces, el cambio de entalpia molar del HCl (o del NaOH) (enthalpy change) es:

H=-2.7kJ/0.05 mol = -54 kJ/molRespuesta: El cambio de entalpía de la reacción, es el mismo para el NaOH o para el HCl, siendo -54 kJ/mol, el molar, o 2.7 kJ el total.

17. Se quema monóxido de carbono a 300 ºC bajo presión atmosférica con aire seco a 600 ºC en un exceso del 50 % del necesario teóricamente para asegurar la combustión completa. Los productos de combustión abandonan la cámara de reacción a 1200 ºC. Calcular el calor desprendido en la cámara de reacción. (Datos: ΔHc(CO) 18 ºC= -67410 Kcal/Kmol. Cpco 300ºC = 7.06 Kcal/Kmol ºC; CpO2 300ºC = 7.59 Kcal/Kmol ºC; CpN2 300ºC = 7.17 Kcal/kmol ºC; Cpco2 1200ºC = 12.18 Kcal / Kmol ºC; CpO2 1200ºC = 8.04 Kcal / Kg ºC; CpN2 1200ºC = 7.58 Kcal / Kmol ºC)Solución:

Q=Σni , p ∙CP ∙∆T P−Σni , R ∙CP ∙∆T R+∆ H reacción

Tomando base de cálculo de 1 mol de CO:

Q={(1molCO2∗12.18cal

mol∗° C )+(0.25molO 2∗8.04cal

mol∗°C )+(2.82mol N2∗7.58cal

mol∗°C )} (1200−18 ) °C

−{(1molCO∗7.06cal

mol∗° C∗(300−18 ) °C )+(0.75molO 2∗7.59

calmol∗° C

∗(600−18 )° C)+(2.82mol N 2∗7.17cal

mol∗°C∗(600−18 )° C)}+{(−67410

calmol

∗1molCO )}Q= {42038.54−17071.6458−67410 }=−42443.1058Cal

Respuesta: Q=-42.443 Kcal

18. 1500 Kg/h de un combustible 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 combustible entran al horno a 25°C y el horno pierde por las paredes 4.5*106 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 H0=-94502 kcal/kmol Entalpía de formación de H2O(L) a 25°C : -68320 kcal/kmol Calor latente de vaporización del H2O a 25°C: 10600 kcal/kmol

Solución:

O2 CO2 (1200°C)N2

Aire seco (600°C)

CO (300°C)

CO + 1/2O2→CO2

3.7 % O2 13.1 % CO283.2 % N2

Y

X

H2O

88% C12 % H Aire, 25ºC

(0,21 O2 y 0,79 N2)

1500 kg/h Fuel oilC + O2 == CO2

H2 + 1/2O2 == H2O

Moles de reactivos:0,88*1500=1320/12=110 kmoles de C 120,12*1500=180/2= 90 kmoles de H2 (o 180 kmoles de H) 2Balance por elementos:

Entra SaleC: 110 kmol 0.131YN: 0.79*2X 0.832*2YSolucionando este sistema de ecuaciones, Y: 839.69 kmoles; X: 884.34 kmoles de aire.Entonces, moles de oxígeno en el Aire: 0.21*884.34=185.71 kmoles de O2; moles de nitrógeno: 698.62 kmoles de N2.Moles de oxígeno que reaccionan: [110 kmol de C*1 kmol O2/1 kmol de C]+[ 90 kmol de H2*1/2kmol O2/1 kmolH2]=155kmol O2;Entonces, moles de O2 que salen sin reaccionar: 185.71-155 = 30,71 kmol O2.

Balance de H: 90*2 kmol de H 90*2 kmol de H Entonces la salida de agua es también 90 kmoles.

Composición de los gases de salida:Compuesto Base húmeda Base Seca

CO2 110 110O2 30.71 30.71N2 698.62 698.62

H2O 90 ---TOTAL 929.33 kmoles 839.33 kmoles

Respuestas:a) Los kmol de gas de chimenea producidos: 929.33 kmolesb) Los kmoles de agua de combustión en el gas de chimenea por cada 100 kmoles de gas de chimenea seco: (90/839.33)*100 = 10.72 kmol de agua para cada 100 kmoles de gas de chimenea secoc) El exceso de aire (U oxígeno) empleado:% E = [O2 real – O2 consumido / O2 consumido]*100 = [(185.71 – 155) / 155]*100 = 19.81% de exceso

Balance de energía para ver la temperatura de salida de los gases:Balance de energía: H Productos - H Reactivos + H reacción = QHproductos = (110) (10.2) + (30.71)(7.3) + (698.62)(7.0) + (90)(8.3) (T- 25) + [(10600)(90)] = 6983.52 (T - 25)kcal + 954000 kcal Hreactivos = 0Hreacción

25°C = (110)(-94502) + (90)(-68320) = - 16544020 kcal Q = -4.5 106kcal

6983.52 T - 174588 + 954000 - 16544020 = - 4.5 *106

6983.52 T = 11264608Respuesta: T = 1613.03°C