Procesos Industriales.Balance de masa con reacciones químicas: combustión y fermentación. Cuando acontece una reacción química dentro de un proceso: “La ecuación estequiométrica de la reacción impone restricciones sobre las cantidades relativas de reactivos y productos en las corrientes de entrada y salida. Además, el balance de materia de una sustancia reactiva no tiene la forma sencilla Entrada = salida, sino que debe incluir un término de generación o uno de consumo, o ambos” (Felder & Rousseou) 2 Fermentación El etanol se produce por fermentación según la ecuación: C6H12O6 -- 2CH3CH2OH + 2CO2 ¿Cuántos kg de etanol se pueden obtener por fermentación de 200 ton de azúcar? 3 Combustión. Combustión: Oxidación rápida de una sustancia acompañada de transformación de la energía química en energía molecular y aumento sustancial de temperatura. Genera calor. Combustible + comburente + Temperatura necesaria = combustión. 4 Poder calorífico. Cantidad de calor que liberan los productos de la combustión completa de 1kg de combustible, cuando estos son enfriados hasta una condición final = a las condiciones iniciales de la mezcla airecombustible [25oC y 1 atm]. 5 Se obtiene cuando el vapor de agua formado durante la combustión condensa totalmente al enfriar los productos hasta la temperatura de los reactantes.Poder calorífico superior. 6 . Poder calorífico inferior: Es el que se obtiene cuando el vapor de agua no condensa al enfriar los productos hasta la temperatura de los reactantes. 7 . 8 . Productos: resultan del procesos de combustión. Reactantes: combustible y comburente. Ecuación de reacción: expresión cuantitativa de las sustancias que intervienen en la reacción.Procesos de combustión. Combustión ideal o teórica: definida por una simple ecuación química equilibrada. Combustión incompleta: en cuyos productos se encuentra CO..Procesos de combustión. Combustión completa: en sus productos no se encuentra CO... 9 . 10 ...Procesos de combustión.. Aire estequiométrico o aire teórico: cantidad de aire que proporciona el O2 estrictamente necesario para la combustión completa. Es la que contiene el aire estequeométrico.. Mezcla estequiométrica: contiene las proporciones de aire y combustible mínimos necesarios para la combustión completa. 11 .Procesos de combustión... .. Combustión del hidrógeno. Relación aire combustible: ra/c = ma/mc Combustión ideal con oxígeno. Combustión con aire: utilizan aire atmosférico que contiene oxígeno. Combustión del azufre.Procesos de combustión.. 12 . . Aire real (ar). ex = {[ar . Exceso de aire (ex).cantidad de aire que ingresa a proceso combustión.Combustión ideal con exceso de aire.at]/at} * 100 Porcentaje de aire teórico. % at = [ar/at] * 100 13 . O2: 21 %. Composición aire atmosférico.76 kmol de N2. 14 .. Por cada kmol de O2 ingresan 79 / 21 = 3.Composición volumétrica promedio: Nitrogeno: 78%.. 100 kmol de aire = 21 kmoles de O2. otros gases 1%..Procesos de combustión. La composición del aire varía con la altura. Procesos de combustión... “si se considera que cada uno de los componentes de una muestra de productos secos de combustión analizados es un gas ideal. los porcentajes en volumen son también porcentajes en moles” 15 .. 082 16 . PV=nRT Con R= 0..Procesos de combustión.. El volumen que ocuparían los gases de combustión si la presión es 01 atmósfera y la temperatura 25 C se determina a partir de.. Analizador ORSAT Mediante su uso se determina la composición en volumen de CO2 . 17 . N2 y CO de una muestra de productos. O2 . Equipos de combustión: quemadores y reactores. 18 . no olvidar de incluir al N2 en la entrada y salida. H2O.76 x O2 alimentado (Aire total)alimentado = 4. Cuando se rotula el diagrama de flujo. así como la cantidad de combustible sin reaccionar y el O2 junto con los producidos CO2. Si hay varias Rx simultánea es más conveniente balances atómicos 19 . sin embargo se debe considerar: 1. 2. Si se conoce % de exceso de aire se puede calcular: (O2)alimentado = O2(teórico) (1 – exceso fraccionario de aire) (N2)alimentado = 3. CO.Balances de materia en reactores de combustión Básicamente son los mismos que los ejecutados en otros sistemas reactivos.76 x O2 alimentado Si hay una sola Rx involucrada da lo mismo trabajar con balances moleculares u atómicos. (Felder & Rousseou.147 Se quema etano (C2H6) con un 50% de exceso de aire. 25% reacciona para formar CO y el resto forma CO2. 2003) p.76 q moles de N2 20 . Calcular la composición de los gases de chimenea y la relación que existe entre el agua formada y los gases de chimenea secos: Base 100 moles de etano alimentados: q1 moles de C2H6 q2 moles de O2 q3 q4 q5 q6 moles moles moles moles de de de de N2 CO CO2 H2O 100 moles C2H6 50% exceso de aire q moles de O2 3. la conversión porcentual del etano es de 90% del etano quemado. 100 moles C2H6 50% exceso de aire q moles de O2 3. 2. Como hay exceso de aire debe aparecer O2 entre los productos. 3. No se conocen fracciones molares del flujo de productos. Se emplea información conocida de la composición del aire.76 q moles de N2 q1 moles de C2H6 q2 moles de O2 q3 q4 q5 q6 moles moles moles moles de de de de N2 CO CO2 H2O C2H6 + 7/2 O2 Consideraciones: 2 CO2 + 3 H20 2 CO + 3 H20 C2H6 + 5/2 O2 1. 21 . Si el etano reaccionaría por completo no se muestra q1. Rotular cantidad de componentes en forma individual en lugar de hacerlo respecto a una cantidad total y de fracciones molares. 4. 9) (100) = 90 moles C2H6 consumidos Balance de C2H6 Salida = entrada .5) 350 = 525 moles de O2 alimentado N2 alimentado = (3.974 moles N2 alimentado C2H6 consumido (0.O2 teórico = 100 moles C2H6 (3.76) (525) = 1.consumo q1 = 100 – 90 = 10 moles Balance N2 Entrada = salida 1974 moles de N2 = q3 22 .5 moles O2) (mol C2H6) O2 alimentado = q = (1. Balance de CO Salida = generación q4 = (0.25) (0.90 moles de C2H6 reacciona) (2 moles CO formal) (mol C2H6 consumido) q4 = 45 moles de CO Balance total de C 100 moles de C2H6 (2 moles C) 1 mol C2H6 100 = 20 + 45 + q5 = q1 (2) + q4 (1) + q5 (1) q5 = 135 moles de CO2 23 . 5 moles de O2 24 .Balance total de H2 100 moles C2H6 (3 moles H2) mol C2H6 entrada = salida = q1 moles C2H6 (3 moles H2) mol C2H6 + q6 moles H2O 300 = 30 + 270 moles de H2O= q6 Balance total de O2 525 moles O2 aliment = q2 moles de O2 + q4 (1) +q5 (2) + q6 (1 mol O2) 2 moles CO (1 mol O2) 2 moles H2O + 135 moles O2 525 moles de O2 = q2 + 45 moles CO (1 molO2) + 270 moles H2O (1 mol CO2) (1 molO2) (2 mol O2) q2 = 232. Análisis de gas de chimenea: q1 = q2= q3= q4= q5= 10 moles de C2H6 232 moles de O2 1974 moles de N2 45 moles de CO 135 moles de CO2 2396 moles totales de gas seco q6= 270 moles de H2O 2666 moles totales de gas húmedo 25 . 5 moles de O2 = 2396 moles de gas seco 0.097 mol O2 mol 1974 moles de N2 = 0.0563 mol CO2 mol 26 .8237 mol N2 2396 moles de gas seco mol 45 moles de CO 2396 135 moles de CO2 2396 = 0.00417 mol C2H6 2396 moles de gas seco mol 232.0188 mol CO mol 0.La composición gases en la chimenea: Y1 = Y2 = Y3 = Y4 = Y5 = 10 moles de C2H2 = 0. 27 . lográndose una composición aproximada del combustible. Analizando la producción de la reacción de combustión y balances de materia.Frecuentemente se quema combustible de composición molecular desconocida. se puede determinar la relación entre H y C en el combustible. Prob. las diferentes sustancias que participan en el balance de masa. se pide calcular la composición porcentual del gas de chimenea. Prepare un diagrama de flujo colocando en él. Sabiendo que un 80% del propano se convierte en dióxido de carbono y un 10% en CO. 28 . se quema con un 200% de exceso de aire. (fuente por confirmar) En el quemador de una caldera se alimenta la mezcla de propano y oxígeno con 80% de propano. 6% de CO2. La composición en base seca del producto gaseoso es 1.2% de O2 y 84. 2003) p. Después calcule el % de aire en exceso alimentado al reactor.5 mol % de CO.3% de N2. 8. 29 . Calcule la proporción de hidrógeno respecto al carbono en el gas combustible.Adaptado de (Felder & Rousseou.149 Metano CH4 se quema con aire. Se emplea información conocida de la composición del aire.5 moles de CO 6 moles de CO2 q6 moles de H2O CH4 + 2 O2 CH4 + 3/2 O2 Consideraciones: CO2 + 2 H20 CO + 2 H20 1.2 moles de O2 84. 4. 30 .76 q moles de N2 8. Se conocen fracciones molares del flujo de productos (secos).x moles CH4 (d %) exceso de aire q moles de O2 3.3moles de N2 1. 3. Si el metano reaccionaría por completo no aparece en los productos. Hay exceso de aire porque aparecer O2 entre los productos. 2. 3 moles N2 alimentado CH4 consumido = x moles CH4 consumidos Balance de C2H6 Entrada x = consumo Balance N2 Entrada = salida 84.76) (q) = 84.O2 teórico = x moles CH4 (2 moles O2) (mol CH4) O2 alimentado = q = (a%) 2 x = 22.4 moles de O2 alimentado N2 alimentado = (3.3 moles de N2 31 . 5 (1) + 6 (1) x = 6.5 moles de CH4 32 .5 + 6 = 1.Balance total de C x moles de CH4 (1 mol C) 1 mol CH4 x = 1. 4 moles O2 aliment = 8.2 moles H2O 33 .1(1) + 6 (2) + q6 (1 mol O ) 2 2 moles H2O q6 = 2.2 moles de H2O x = 1.Balance total de H2 x moles CH4 (2 moles H2) mol CH4 entrada = salida = q6 moles H2O 2 x = 2.1 Balance total de O2 22.2 moles de O2 + 1. 34 . 15 Se quema butano C4 H10 con 90 % de aire teórico . 1978) p. Hallese la ecuación de la combustión y la relación aire combustible.(Cruz. 44 N2 35 .5 [O2 + 3.76 N2] 4 CO2 + 5H2O + 24.76 N2] i CO2 + j CO + e H2O + f N2 La reacción con aire estequiométrico será : C4 H10 + 6.Esta combustión es incompleta. Se formará CO. La reacción será: C4 H10 + B [O2 + 3. Suponga una combustión completa y una presión total de 1 atm. y determine la temperatura de punto de rocío de los productos. 36 . con el siguiente análisis volumétrico: 72% CH4.758 Gas natural. se quema con la cantidad estequiométrica de aire que entra a la cámara de combustión a 20 C. 14% N2. 9% H2. 1 atm y 80 % HR. 2% O2 y 3% CO2.(Cengel & Boles. 2007) p. Los productos secos son analizados y se obtiene las siguientes proporciones volumétricas: 8 CO2 .(adaptado de Cruz. 20 En un proceso de combustión. de flujo y estado estables. 1 CO . 1978) p. a presión constante de 1 bar. 83 N2 Poder calorífico del butano es de 10 900 kCal / kg 37 . 8 O2 . se quema butano C4 H10. … a) Hallar el % de aire total: (% at ) b) Si se determinase que la combustión hubiera implicado un consumo de 300 kg de aire. 38 . se pide determinar la cantidad de calor liberada. c) Cuantas moles de combustible habrían combustionado? d) Determinar el volumen que ocuparían los gases de combustión si la presión es de 01 atmósfera y la temperatura 25 oC. 2 % C3H8 .8 % O 2 y 82.3 % C H4 .2 % N2 39 .(Cruz.3 % C2H6 . 1978) p.0 % C O2 .8 % N2 Este gas combustible es quemado y al analizar los productos de la combustión con el método ORSAT.4 % C4H10 y 5. 16.0 % C O . 8. 1. 7. se obtiene : 8. 16. 21 Un gas natural tiene la composición: 54. 83.(Cruz. 5.5 % CO.23 Para la combustión de un hidrocarburo se utiliza aire.7 % N2 Determinar la composición del combustible y el % at utilizado.1978) p. 40 .3 % O2 . 0. El análisis ORSAT de los productos arroja lo siguiente : 10.5 % CO2. Solución : Sea un hidrocarburo de la forma CxHy.… continuación.5 CO + 5. La ecuación de la combustión será: CxHy + b [O2 + 3.3 O2 + 83.76 N2] 10.7N2 + dH2O 41 .5 CO2 + 0. 42 . r (a/c) t = 15.06 kg aire/kg combustible. r (a/c) r = 19.… continuación.48 kg aire/kg combustible. 2007-1 La combustión de una mezcla de gas natural y bagazo se realiza en el horno de una caldera mezclando 37% en peso de gas natural y 63 % en peso de bagazo en el cual se utiliza 40 % de aire en exceso.Adaptado a partir de 1er. El 95% del gas natural da lugar a la combustión completa y el resto a la incompleta y en la combustión del bagazo el 80 % da lugar a CO2 y el resto a CO. 43 .Ex. 02H6.7O2. 44 .82 con un peso molecular empírico de 100 tiene 50 % de agua en porcentaje en peso.… Asuma que el gas natural en su totalidad es metano (CH4) y el bagazo y el bagazo que responde a la siguiente formula empírica C4. 45 . Determinar la cantidad de aire caliente necesaria para el proceso de combustión.… Si se alimenta 100 ton de bagazo/hora al proceso de secado (50% de humedad) de donde saldrá con 35% de humedad. 46 . determine: Cual es el flujo de masa de bagazo y de gas natural que ingresa al caldero. Calcule el porcentaje de aire en exceso. 47 .1. A un reactor de combustión se alimenta 100 moles por hora de butano (C4H10) y 5 000 moles por hora de aire. 2 % de H. La hulla esta formado por 75.1% N2. 48 . 6.9% O2.4 S y cenizas.3. 4. Si la presión del medio es 760 torr y 17 oC.6% de C. cuantos litros de aire se requiere teóricamente para la combustión de 10 kg de hulla. 0. 1. Los gases formados pasan al convertidor. 49 . 16. Supóngase que no se forma nada de SO3 en el horno. donde se oxida el 95% de SO2 a SO3.4. Una pirita de hierro tiene la siguiente composición en peso: Fe 40. Calcular la composición de los gases que entraron y que abandonaron el convertidor. S 43.4% material mineral inerte.0%.6%. Esta pirita se quema con un 100% de exceso de aire sobre la cantidad requerida para quemar todo el hierro a Fe2O3 y todo el azufre a SO2. 50 . Calcular el porcentaje del SO2 que se convierte en SO3. El gas que sale del convertidor contiene 0.5. El análisis del gas que entra en el convertidor secundario de una planta de ácido sulfúrico de contacto es 4 % SO2.45 % SO2 en base libre de SO3 (en volumen). 13 % O2 y 83 % N2 (en volumen). 1%.6. Una mezcla de dióxido de carbono puro e hidrógeno se pasa por un catalizador de níquel. La temperatura del catalizador es 315 ºC y la presión del reactor 20. Las reacciones que tienen lugar en el reactor son: CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O CO2 + H2 CO + H2O Determinar: a) la conversión de CO2 b) el rendimiento de CH4 referido al CO2 reaccionado c) la composición de la alimentación.68% y CO 0.1 atm. CH4 1.1%. 51 .12% (en volumen) en base seca. El análisis de los gases que salen del reactor es CO2 57. H2 41.