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
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2
S
1
V1
S1
S2
V2
*
Sistema formado por una conducción de sección variable
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Q<0
W>0
W<0
SISTEMA
Q>0
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ACUMULACIÓ
d
 T
dt
 ET  K T

N  ENTRADA
  1  E1  K 1  1V1 S1   2
 SALIDA
  APARICIÓN
POR REACCIÓN

 E 2  K 2  2V 2 S 2   q1 S1  qS  q 2 S 2    p1V1 S1  p 2V 2 S 2  W  
Convección forzada
Convección natural
Despreciando la convección natural y haciendo Q´= qs:
d
dt
 T
 E T  K T   1  E1  K 1  1V1 S 1   2  E 2  K 2  2V 2 S 2   Q    p1V1 S 1  p 2V 2 S 2  W  
Para régimen estacionario
0 
1 
E1  K 1  1V1 S1   2  E 2  K 2  2V 2 S 2   Q    p1V1 S 1  p 2V 2 S 2  W  
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Dividiendo por m y haciendo:
Q  Q / m
W  W / m
p
p
2
2
g ( Z 1  Z 2 )  ( E1  E 2 )  1 ( V1  V 2 )  Q  1
 2
W  0
2
1
2
(J/kg)
Introduciendo la entalpía:
H  E 
p

2
2
g ( Z 1  Z 2 )  ( H 1  H 2 )  1 ( V1  V 2 )  Q  W  0
2
(J/kg)
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Despreciando las variaciones de energía potencial y cinética frente a las
entálpicas y suponiendo que no se intercambia trabajo útil con el exterior,
H1  H 2  Q
Balance entálpico
La entalpía relativa es:
c
H  
i
T ref
H fi
i 1 
c
 
i
i 1 
C pi ( T  Tref )
Si hay cambio de estado
i

C pi ( T   T ref )   i  C pi ( T  T  )
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Teniendo en cuanta la expresión de la entalpía relativa:
c

 i2
i 1  2
c
C pi ( T 2  T ref )  
 i1
i 1  1
c
C pi ( T1  T ref )  
 i2
i 1  2
Tref
H fi
c

 i1
i 1  1
La diferencia de los dos últimos términos del primer miembro de esta
ecuación representa la suma de las entalpías de reacción
c

i2
i 1  2
T ref
H fi
c

 i1
T ref
H fi
i 1  1
T ref
  reacc  H Ri
Tref
H fi
Q
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De las ecuaciones anteriores:
c

i2
i 1  2
c
C pi ( T2  Tref )  
 i1
i 1  1
C pi ( T1  Tref ) 

reacc
y si en el sistema no se desarrolla ninguna reacción química:
c

i
i 1 2
C pi ( T2  T1 )  Q
T ref
 H Ri
Q
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Si se desea referirlas a la unidad de tiempo, bastará con multiplicarlas por
el caudal másico, m, siendo mi= m(i/):
c
c
i 1
i 1
 m i 2 C pi ( T2  Tref )   m i1C pi ( T1  Tref )  m 
c
 m i C pi ( T2  T1 )  Q 
i 1
reacc
T ref
 H Ri
 Q
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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:
T2
Q si   C pi dT
T1
considerando un valor medio del calor específico en el intervalo T1-T2 :
Q si  m i C pi ( T 2  T1 )
Para gases reales se han propuesto ecuaciones empíricas de tipo cuadrático:
C pi  a  bT  cT
2
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o
 H f ,R
Reaccionantes
o
 H c ,R
o
o
 H R
Productos de
la combustión
o
Elementos
constituyentes
o
 H f ,p
o
 H c ,P
o
Productos
o
o
 H R    H f ,P    H f ,R    H c ,R    H c ,P
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o
Reaccionantes a 25ºC
 H R
Productos a 25ºC
c
c
 m P C pP ( T  25 )
 m R C pR ( 25  T )
i 1
i 1
Productos a T
Reaccionantes a T
T
H R
c
c
T
0
 H R   m R C pR ( 25  T )   H R   m P C pP ( T  25 )
i 1
i 1
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Problema 3.1.
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:
HR25°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 seco
c) 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
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
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Z H2O
A NH3
4NH3+ 5O2 --- 4NO + 6H2O
0.885 % NH3
11.279 % O2
7.962 % NO
X O2
Y N2
79.874 % N2
Base de cálculo = 100 kmoles de corriente S en base seca.
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
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11.943 kmol H2O
8.847 kmol NH3
4NH3+ 5O2 --- 4NO + 6H2O
0.885 kmol NH3
11.279 kmol O2
7.962 kmol NO
21.232 kmol O2
79.874 kmol N2
79.874 kmol N2
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 %
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11.943 kmol H2O
8.847 kmol NH3
4NH3+ 5O2 --- 4NO + 6H2O
0.885 kmol NH3
11.279 kmol O2
7.962 kmol NO
21.232 kmol O2
79.874 kmol N2
79.874 kmol N2
d) Tomamos ahora como base de cálculo 100 kmoles de A. Las
corrientes se calculan multiplicando por el factor (100/8.847)
134.98 kmol H2O
100 kmol NH3
4NH3+ 5O2 --- 4NO + 6H2O
10 kmol NH3
126.532 kmol O2
89.989 kmol NO
239.99 kmol O2
902.837 kmol N2
902.83 kmol N2
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134.98 kmol H2O
100 kmol NH3
25ºC
126.532 kmol O2
4NH3+ 5O2 --- 4NO + 6H2O
750ºC
920ºC
239.99 kmol O2
902.837 kmol N2
10 kmol NH3
89.989 kmol NO
902.83 kmol N2
Balance de energía:
Q = HProductos - HReactivos + HReacción =
NH3
O2
N2
(10)(39.71) + (126.532)(31.40) + (902.8)(31.40) +
NO
(89.989)(32.05)
+
H2O
(33.10)(134.98)(920-25)
AIRE
-
(1142.82)(31.40)(750 - 25) + (90)(-216420/4)(4.18) =
-1.054 107 KJ = - 2.521 106 kcal.
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Problema 3.2.
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.
PRODUCTO
H2O
CALOR ESPECIFICO
(Kcal/kmol °C)
8.22
CALOR DE FORMACIÓN
Hf25°C
(kcal/kmol °C)
O2
8.27
H2O
-68317
NO
8.05
NO
21600
N2
6.5
HNO3
32.44
HNO3
-41350
PRODUCTO
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7.68 kmol O2
7.52 kmol NO
O2
A
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3
S
T
Separador
14.05 kmol H2O
NO
N2
70.75 kmol N2
X
X H2O
P
65 % HNO3
35 % H2O
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) = ?
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7.68 kmol O2
7.52 kmol NO
14.05 kmol H2O
A
S
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3
6.768 kmoles HNO3
T
Separador
0.752 kmles NO
X
X H2O
P
70.75 kmoles N2
??
kmoles H2O
6.768 kmol HNO3
??
CORRIENTE T:
O2 : 2.604 kmoles
NO : 0.752 kmoles
N2 : 70.75 kmoles
TOTAL : 74.106 kmoles
0.752 kmol NO
70.75 kmol N2
2.604 kmoles O2
70.75 kmol N2
2.604 kmol O2
kmol H2O
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6.768 kmoles HNO3
7.68 kmol O2
7.52 kmol NO
14.05 kmol H2O
A
2.604 kmoles O2
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3
0.752 kmles NO
70.75 kmoles N2
??
70.75 kmol N2
X
T
Separador
2.604 kmol O2
0.752 kmolNO
70.75 kmol N2
kmoles H2O
P
X H2O
65 % HNO3 6.768 kmol = 426.38 kg
35 % H2O
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
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6.768 kmoles HNO3
7.68 kmol O2
7.52 kmol NO
A
14.05 kmol H2O
2.604 kmoles O2
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3
0.752 kmles NO
70.75 kmoles N2
T
Separador
X
0.752 kmolNO
70.75 kmol N2
12.75 kmoles H2O
70.75 kmol N2
2.604 kmol O2
P
2.084 kmol H2O
6.768 kmol = 426.38 kg HNO3
12.75 kmol = 229 kg H2O
COMPOSICION DE LAS CORIENTES (% moles)
7.68 % O2
7.52 % NO
7.23 % HNO3
A
2.78 % O2
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3
14.05 % H2O
0.80 %s NO
75.56 % N2
T
Separador
X
100% H2O
1.01 NO
95.47 % N2
13.61% H2O
70.75% N2
3.51 % O2
P
34.67% HNO3
65.33% H2O
Balances de energía
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6.768 kmoles HNO3
7.68 kmol O2
7.52 kmol NO
14.05 kmol H2O
A
2.604 kmoles O2
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3
0.752 kmles NO
70.75 kmoles N2
T
Separador
X
2.084 kmol H2O
0.752 kmolNO
70.75 kmol N2
12.75 kmoles H2O
70.75 kmol N2
2.604 kmol O2
P
426.38 kg HNO3
229 kg H2O
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
Balances de energía
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6.768 kmoles HNO3
7.68 kmol O2
2.604 kmoles O2
125ºC
7.52 kmol NO
14.05 kmol H2O
NO + 3/4O2 + 1/2H2O =HNO3
0.752 kmles NO
70.75 kmoles N2
2.604 kmol O2
Separador
70.75 kmol N2
12.75 kmoles H2O
70.75 kmol N2
125ºC 2.084 kmol H2O
0.752 kmolNO
426.38 kg HNO3
229 kg 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
Hreacción25°C = (3.493)(6.768)(-41350)-(21600-( 68317/2)) = - 680649 kcal/h
2835.8 T - 70895 – 250289.55 - 680649 = -475000
T = 185.78 °C
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Problema 3.3.
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 + H2O
Al 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.
Componente
Calor específico molar medio
(kJ/kmol.K)
Metano (g)
129.6
Entalpía de formación a
25°C
(kJ/mol)
-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
--
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H2O, 41ºC
Aire, 100% exceso
CH4
CH4 + O2 == HCOH + H2O (13% conversión)
CH4 + 2O2 == CO2 + 2H2O (0.5% conversión)
CH4
O2
CO2
H2O, 27ºC
N2
H2O
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 kmoles
Total 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%
HCOH
Balances de energía
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200 kmol O2
752.38 kmol N2
100 kmol CH4
CH4 + O2 == HCOH + H2O (13% conversión)
CH4 + 2O2 == CO2 + 2H2O (0.5% conversión)
86.5 kmol CH4
186 kmol O2
0.5 kmol CO2
752.4 kmol N2
14
kmol H2O
13
kmol HCOH
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) = 0.01319
La solución será:
Metano alimentado = 1.319 kmoles
Aire alimentado:
O2 alimentado = 2.638 kmoles
N2 alimentado = 9.927 kmoles
Total 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
Balances de energía
Tema 5
177ºC
2.638 kmol O2
9.927 kmol N2
1.319 kmol CH4
CH4 + O2 == HCOH + H2O (13% conversión)
CH4 + 2O2 == CO2 + 2H2O (0.5% conversión)
177ºC
192ºC
1.141 kmol CH4
2.454 kmol O2
0.0065 kmol CO2
9.927 kmol N2
0.1847 kmol H2O
0.1715 kmol HCOH
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
Hreacción25°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
Balances de energía
Tema 5
Problema 3.4.
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 4.5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 empleado
d) 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/kmol
Entalpía de formación de H2O(1) a 25°C : -68320 kcal/kmol
Calor latente de vaporización del H2O a 25°C: 10600 kcal/kmol.
H2O
1500 kg/h fuel-oil, 25ºC
C + O2 == CO2
H2 + 1/2O2 == H2O
88% C
12 % H
3.7 % O2
13.1 % CO2
X
83.2 % N2
Aire, 25ºC
Y
Balances de energía
Tema 5
C + O2 == CO2
H2 + 1/2O2 == H2O
88% C
12 % H2
3.7 % O2
13.1 % CO2
X
O2
N2
Base de cálculo: 100 kg de fuel-oil
ENTRADA FUEL-OIL:
C = (88)/(12) = 7.33 kmol
H2 = (12/2) = 6 kmol
H2O
83.2 % N2
Y
Balances de energía
Tema 5
C + O2 == CO2
H2 + 1/2O2 == H2O
7.33 kmol C
6 kmol H2
H2O
3.7 % O2
13.1 % CO2
X
O2
83.2 % N2
N2
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
Y
Balances de energía
Tema 5
C + O2 == CO2
6 kmol H2O
H2 + 1/2O2 == H2O
7.33 kmol C
6 kmol H2
Y
X
12.38 kmol O2
2.07 kmol O2
7.33 kmol CO2
46.55 kmol N2
46.55 kmol N2
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
Balances de energía
Tema 5
1500 kg/h fuel-oil, 25ºC
C + O2 == CO2
6 kmol H2O
H2 + 1/2O2 == H2O
7.33 kmol C
6 kmol H2
Y
X
12.38 kmol O2
2.07 kmol O2
7.33 kmol CO2
46.55 kmol N2
46.55 kmol N2
TOTAL= 58.93 kmol aire
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 %
Balances de energía
Tema 5
1500 kg/h fuel-oil, 25ºC
C + O2 == CO2
H2 + 1/2O2 == H2O
7.33 kmol C
6 kmol H2
6 kmol H2O
T
2.07 kmol O2
7.33 kmol CO2
25ºC
12.38 kmol O2
46.55 kmol N2
46.55 kmol N2
TOTAL= 58.93 kmol aire
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
Balances de energía
Tema 5
Problema 4.1.
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 estequiométrica
b)
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
;
HR25ºC = - 635348 kcal/kmol
Los calores molares de los gases de combustión están en función de la temperatura (K):
Cp = a + bT (kcal/kmol)
GASES
a
b102
CO2
6,339
1,014
H2O
7,136
0,264
O2
6,117
0,3167
N2
6,457
0,1389
Balances de energía
Tema 5
Problema 4.2.
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.
COMPUESTO
COMPUESTO
CH4
ENTALPÍA DE
FORMACIÓN A 25º C
kcal/mol
-17.9
CO
-26.4
CO2
-94.1
H2O (v)
-57.8
CH4
CALORES MOLARES
MEDIOS PARA EL
INTERVALO 200-2000 K
cal/mol K
21.2
CO
7.5
CO2
12.9
O2
8.35
N2
8.05
H2
7.6
H2O (v)
8.1
Balances de energía
Tema 5
Problema 4.3.
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 C
H2 + ½ O2
H2O (v)
Hº =-57800 cal/mol de H2
Calor latente de vaporización del agua a 25ºC: 10517 cal/mol
COMPUESTO
CO2
CALOR ESPECÍFICO MOLAR
MEDIO
(cal/mol ºC)
10.2
O2
7.3
N2
7.0
H2O (v)
8.3
Balances de energía
Tema 5
Problema 4.4.
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
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
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Balance de energía