Sec. 5.4 Balances de energía que dan cuenta de la reacción química EJEMPLO 5.23 Aplicación del balance de energía cuando ocurre una reacción Un mineral de hierro (pirita) que contiene 85% de FeS, y 15.0% de ganga (tierra inerte, rocas, etc.), se tuesta con una cantidad de aire equivalente a un 200% de aire en exceso según la reacción 4FeS2 + 110, -+ 2Fe,O, + 8S0, con objeto de producir SO,. Toda la ganga, junto con el Fe,O, van a dar al producto de desecho sólido (ceniza) que tiene un análisis de 4.0% de FeS,. Determine la transferencia de calor por kilogramo de mineral necesaria para mantener la corriente de producto a 25“C si las corrientes de entrada están a 25°C. Solucih Es preciso resolver el balance de materia del problema antes de determinar la transferencia de calor que es igual al calor de reacción estándar. Se trata de un proceso en estado estacionario con reacción; el sistema es el reactor. Pasos 1, 2, 3 y 4 El proceso es un sistema abierto en estado estacionario (véase la figura E5.23). El aire en exceso se calcula con base en la reacción del enunciado como si todo, el FeS, hubiera reaccionado para dar FeZ03, a pesar de que una parte del FeS, no lo hizo. Los pesos moleculares son Fe (55.85), Fe,O, (159.70) y FeS, (120.0). Paso 5 Base de cálculo: 1 OO kg de mineral de pirita Pasos 6 y 7 Hay seis incbgnitas (incluido el N, en P) y podemos escribir cinco balances elementales; se da la fiaccion de FeS,, asi que el problema de balance de materia tiene una solucibn única. Usaremos cinco balances elementales, 0, N, S, ganga y Fe, más la información relativa al FeS, para calcular los moles de SO,, 0, y N2 en el producto gaseoso y los kg de ganga, Fe,O, y FeS, en la ceniza. Wnerel: Producto: P F Cenize: t1 kn ganga Xl FMa x2 FeS TOkl Figura E5.23 Paso 4 (continúa) C El aire en exceso es 85.0 Moles de FeS, = - = 0.7083 kg mol 120.0 X3 XI + x2 + x3 453 656 x lo3 kJ/kg de mineral El signo negativo indica que se remueve calor del proceso.4 Balances de energía que dan cuenta de la reacción química Q = [-691. Pasos 3 y 4 (continuación) Cantidad de aire que entra: 1 Ib mol CO 0. 5. 1 Ib mol aire = 3.007)](103) = -565.57 Ib mol aire 0.79 N2 7 ? x2 x3 t O=? C0(g)+~02(9)-cC02(g) Figura E5.5 Ib mol O2 1 Ib mol CO compuesto por: 1.24. Se requiere un balance de materia para poder realizar el balance de energía.2. Los productos de la combustión salen de la cámara de combustión a 800°F.(-126. EJEMPLO 5.21 Ib mol O2 455 . así que podemos efectuar tres balances independientes. Paso 5 Base de cálculo: 1 Ib mol de CO (más fácil de usar que 1 Ib de CO) Qz N2 0.24 Pasos 6 y 7 Tenemos tres elementos.5 Ib mol OZ usado 1.634 x lo3 kJ/lOO kg de mineral o bien Q = -5. existe una solución única.3 y 4 Refiérase a la figura E5. la cual puede obtenerse por suma o resta directas.0 Ib O2 mol req. Como tenemos tres composiciones desconocidas.Sec.641 . Calcule el calor generado en la cámara de combustión expresado en Btu por libra de CO que entra. Solución Pasos 1.24 Aplicación del balance de energía a un proceso en el que las temperaturas de las corrientes entrantes y salientes no son iguales Se quema por completo monóxido de carbono a 50°F y una presión de 2 atm con 50% de aire en exceso que está a 1000°F. E5.35b EJEMPLO 5. iCuánta agua puede enfriarse en libras por hora si el agua que se va a enfriar no se recicla. son los siguientes (vea la Fig. 5.10 = 55.0.82 208 55.Sec.05 .0098 0.7 Diagramas de humedad y su uso 499 Línea de enfriamiento adiabhtico 27'C 4O'C Figura E5.93 13.26): A B 0.36 Balances combinados de materia y de energía para una torre de enfriamiento Se le ha pedido rediseñar una torre de enfriamiento de agua que tiene un soplador con una capacidad de 8.30 x lo6 R3/h de aire húmedo (a 80°F y temperatura de bulbo húmedo de 65°F).12 = 29.0297 69 30. humedad y volumen húmedo para el aire.0.93 . tomados de la carta de humedad.65 . El aire de salida esta a 95°F y 90°F bulbo húmedo.83 14. ingresa en la torre a 120°F y sale a 90”F? Solución Los datos de entalpía. 000 BWN(fi3).OH + H. E+F En equilibrio. se introduce con el flujo de alimen- . J.119. la fracción de conversibn de una pasada por el reactor fue de 0. [Can. * A& 1. Dependiendo del volumen del lecho. la velocidad es de 100.000 Btu/(h)(ft3) en un generador de vapor de agua de 40 fi3.48.040 x 109 J/g mol La fracción de conversión es función de la velocidad de flujo a través del reactor y del tamaño del reactor. 64 (1986): 5531 describieron el uso de enzimas inmovilizadas (E) en un biorreactor para convertir glucosa (G) en fructosa (F): G+E*EGt--. Suponga que se generan 200. Si se cuenta el espacio de horno abierto por arriba del lecho. y tambien que 0.O.118.OH CH. Si el vapor de agua que sale de los serpentines inferiores esta a 1200’F y 400 psia. la liberación de calor es de 300.Cap. 5 531 Problemas El carbón se quema con rapidez en un lecho fluidizado. con HZ: CO. Suponga que la alimentacion bruta entra en el reactor en las cantidades estequiométricas requeridas para la reacción. M.5% de N.000-400. Calcule el calor de reacción a 25°C por mol de G convertida.??.000 Btu/(h)(ft3). + CH. Beck et al.990 x lo9 JJg mol 5.44 m. Ch. incluso a 1500’F. que el agua entra a los dos juegos de espirales a 70°F y que en los serpentines superiores la velocidad de flujo del agua es de 3. Un método propuesto para producir etanol (que podría usarse como combustible alternativo) es hacer reaccionar CO.000 lb/h que sale como vapor a 900°F y 380 psia. ¿cuál será la velocidad de flujo del agua en los serpentines inferiores? 5.. puede considerarse que la reaccibn global es G + E c) E + F. pero para una velocidad de flujo de 3 x 1 0-3 m/s y una altura de lecho de 0. + 3H.OH I CHOH CHOH CHOH CHOH CHOH CHOH CHOH CH.OH A& 0.000 a 200. glucosa CH0 CH. ) Se puede producir metano1 por oxidación catalítica de metano empleando la cantidad estequiométrica de 0. jcuál será la temperatura del gas de salida si el convertidor está bien aislado? Gas de reciclaje a 90°C: CO. y 81. Si la temperatura máxima del gas antes de pasar al siguiente convertidor (donde se completa la reacción) es de 700 K.122..SO. H. 9. y el SO. que todos los gases son ideales y que el sistema de reacciones es el que se muestra en la figura P5.0% de SO. 5..50% de N.5% de 0.(g) 5. diluido para formar H. SO. La concentración de N.120. por kg mol de S que entra en el proceso? Si en el proceso presentado en el problema 5. 5.532 Balances de energía CH (9) 4 50” c 200” c Reactor b Cap.OH líquido en el intervalo de 0 a 98°C es de 0.121 el gas que entra está a 700 K. ¿Cuánto calor se debe agregar al sistema completo o eliminarse de él? La capacidad calorífica del CH. Sólo el 75% del SO. que entra reacciona al pasar por el primer convertidor. como se muestra en la figura P5. (Vea la figura P5.SO. En el primer convertidor los gases que entran a 400 K y 1 atm contienen 9. Una vez que el azufre se oxida a SO.68 cal/(g)(T) según Perry. en la alimentación bruta al reactor no puede exceder el 2%.119 100°C tación nueva..119. Suponga que el proceso está en estado estacionario.121. N. éste se oxida aún más en los convertidores (reactores) a SO.. 5 CH.120.) El ácido sulfúrico es un compuesto químico que se usa en grandes cantidades en una amplia variedad de industrias. ll 9..120 con un rendimiento de CH. jcuánto calor deberá extraerse del gas antes de introducirlo en el segundo convertidor. concentrado. se absorbe en H.OH de 30% de la cantidad teórica.(g) + 112 q(g) _+ SO. (Véase la figura P5. En una pasada por el reactor se logra una conversión del 57%. Figura PS120 . Determine la cantidad de calor que es preciso introducir en el proceso o que se desprende de él por cada 100 kg mol de metano1 formado.(g) W) CWHM 0 (9) 2 Figura P5. Cap. está en J/(g mol)(‘C) y T está en “C: SO. 5.40 x 10-9T’ 5.8. Varios carros que participaron en la Clean Air Car Race (Carrera automovilística del aire limpio) funcionaban con LPG.5O. entra a 300 K.H.(g) + CO.104 x IO-sp + 8.(g). Un convertidor catalítico para la producción de SO. Como se usa en la fase de vapor. donde también se muestra el balance de materia para una hora de funcionamiento.O(g) Los productos salen del sistema a 800 K y el C. a partir de SO. funciona como se ilustra en la figura P5.50 + 9.02884 x 10-2T + 0.10+ 1. SO.H. La tabla que se presenta en seguida indica sus resultados junto con los del gas natural. alimentado? 5. En el proceso se usa un exceso del 25% (respecto a la cantidad indicada en la ecuación) de C.2199 x 10-2T.123. contamina menos que la gasolina pero más que el gas natural. Determine el requerimiento de calor de un enfriador para el convertidor que se encargue de mantener la temperatura mencionada.158 x 10-2T-0. pero la fracción de conversión global del C.280 J/g mol La unidad esta aislada y las pérdidas de calor son insignificantes.904 x 10-2T.) gaseoso a presión atmosférica mediante la siguiente reacción C.(g) . entra a 450 K..: Cp = 29.188 x lo-2T .0. El propano.3.900 + 0.606 x lo-?@ SO. es de sólo el 40%.) gaseoso a partir de propano (C.124.540 x lo-512 + 32.2.: Cp = 38. Se ha visto que es posible reducir considerablemente la corrosión si se mantiene la temperatura de descarga a unos 400°C.H. 5 Problemas 533 Datos: Para el aire C.: Cp = 48.5723 x 10-5p .125.02429 x IO-sp .H.00 + 0. ¿Cuánto calor se agrega al proceso o se extrae de él por mol de C.H.5403 AH i5 = -98.(g) + 2O. en tanto que el 0. está en Btu/(lb mol)(“F) y T está en ‘F: Cp = 6.(g) + 2H.=29.H.(g) ---+ C.H.0. .91 + 3.(g) + 0. 02: C. el butano y el gas de petróleo licuado (LPG) se han utilizado en la práctica para impulsar automóviles de pasajeros durante 30 años o más.08052 x 1 O-sp Para estos compuestos C.6076x 10-5p+ 1.124.H.311 x 10-9p N.871 x 10-9T3 Se ha propuesto un nuevo proceso para producir etileno (C. Exprese sus resultados en Btu/lb mol. se enfría a presión constante hasta un volumen de 0. 5.) T=? Figura PS.? 5..134. o c) C.H.H. c ) Calcule Q y W siempre que sea posible para cada paso del proceso.15 J/(g)(T)) sale de la cámara de combustibn sin llevar carbono y a 527°C. Un cambio de fase (condensación. se calienta a presión constante hasta volver al estado original. Un gas se quema con 300% de aire en exceso. 5 Problemas 535 a 18°C y la ceniza (C.K b ) Calcule AU y AH para cada paso y para todo el proceso. Por último.13 1. ¿Cuál es la temperatura de flama adiabática teórica (en “C) que se alcanza? Ca la figura P5. .4625 m3/kg (estado 4) y en seguida se comprime adiabáticamente a 2700 kPa y 425°C (estado 5). iCuál sustancia producirá la temperatura de flama teórica más alta si el porcentaje de aire en exceso y las condiciones de temperatura en la entrada son idénticas: a) CH. 5. Exprese su resultado en Btu. 5. a) Bosqueje el camino de cada paso en un diagrama p. b) C. El aire entra a 25°C y el CH. etc. #uede calcular el trabajo realizado por el butano a partir del balance de energía únicamente? 5.OW 5. fusión. Calcule el trabajo realizado cuando 1 Ib mol de agua se evapora por completo a 212°F en los siguientes casos.(g) a 1 atm cuando se quema con 10% de aire en exceso. el gas y el aire entran en la cámara de combustión a 25°C.(g) + CO. a 300 K. Calcule la temperatura de flama adiabática del C. Calcule la temperatura de flama adiabática de CH. = 1.(g) + 2H. Calcule el trabajo realizado cuando 1 Ib mol de agua en un recipiente abierto se evapora por completo a 2 12°F.(g) + 2O.130.133.131.(g) a 1 atm cuando se quema con 20% de aire en exceso y los reactivos entran a 25°C. Utilice la definición de trabajo para calcular el trabajo realizado cuando 1 kg de butano líquido saturado a 70 kPa se vaporiza por completo.135. y luego se enfría a volumen constante a 400 kPa (estado 3).129.131 Sección 5. A continuación se expande isotérmicamente al estado 2. ¿Cuál combustible produce la temperatura más alta? 5. que es a 700 kPa.). de un componente puro es un ejemplo de proceso reversible porque la temperatura y la presión permanecen constantes durante el cambio.132.H. Un kg de vapor de agua pasa por el siguiente proceso reversible. En su estado inicial (estado 1) esta a 2700 kPa y 54OT.128.Cap. Después. La reacción es W.5 5.