FUNDAMENTOS DE LOS
PROCESOS INDUSTRIALES
Profesor:
Danny Guzmán Méndez
[email protected]
Departamento de Metalurgia
Clase 4.
1. BALANCE DE MASA.
Se quema metano en un reactor de combustión continua en
estado estacionario y se obtiene una mezcla de monóxido de
carbono y agua.
CH4+3/2O2 => CO + 2H2O
La alimentación del reactor contiene 7,8 % molar de CH4, 19,4%
molar de O2 y 72,8% molar de N2. El % de conversión del
metano es 90% . Determine la composición del gas que sale del
reactor.
1. BALANCE DE MASA.
Procesos con reacciones químicas:
Ejercicio (Jueves 11 secretaria de Metalurgia)
Un gas combustible que contiene 27,2% CO, 5,6 % de CO2,
0,5% de O2 y 66,7% de N2, se quema con 20 % exceso de
oxígeno. La combustión del CO sólo se completa al 98 %. Para
100 mol/h de gas de combustible, calcule los moles de cada
componente en el gas de salida.
CO+1/2O2=>CO2
2. BALANCE DE ENERGÍA.
Energía Cinética:
Aquella debida al movimiento trasnacional del sistema como
un todo en relación con determinado marco de referencia.
Energía Potencial:
La que se debe a la posición del sistema en un campo
potencial (gravitacional o electromagnético).
Energía Interna:
Toda la que posee un sistema además de sus energías
cinética y potencial.
2. BALANCE DE ENERGÍA.
Transferencia de energía
Calor:
Energía que fluye como resultado de la diferencia de
temperatura.
Trabajo:
Energía que fluye en respuesta a cualquier fuerza impulsora
que no sea una diferencia de temperatura.
2. BALANCE DE ENERGÍA.
Balance de Calor:
Energía o calor
que se añade o
quita del sistema
Energía o calor que entra al proceso
con los materiales alimentados
Energía o calor producto
de reacciones químicas
Energía o calor que sale del proceso
con los materiales de salida
- reac. Exotérmica
ΔH298=
- sale calor
q=
+ reac. Endotérmica
+ entra calor
2. BALANCE DE ENERGÍA.
Balance de Calor:
Aire a 30ºC se bombea a velocidad de 2000 Kg/h a través de un
intercambiador de calor, donde su temperatura se eleva a 70ºC. El
agua caliente de que se usa para el calentamiento entra a 95ºC y sale
a 85ºC. La capacidad calorífica promedio del Aire es 4,06 KJ/KgK, y
la del agua, 4,21 KJ/KgK. Las corrientes de aire y agua están
separadas por una superficie metálica a través de la cual se transfiere
calor y se impide la mezcla física de ambas. Establezca un balance
de calor completo en el sistema. Calcule el flujo de agua y la
cantidad de calor añadida al Aire.
2. BALANCE DE ENERGÍA.
Balance de Calor:
2000 Kg/h Aire
2000 Kg/h Aire
Intercambiador de 70ºC
30ºC
W Kg/h Agua
85ºC
Calor
W Kg/h Agua
95ºC
0
0
2. BALANCE DE ENERGÍA.
Balance de Calor:
Términos de entrada:
ΣHR sumatoria de las entalpías de las dos corriente de entrada
H aire = 2000Kg/h * 4,06 KJ/Kg K * (303-298) K = 4,06 104 KJ/h
H agua = W Kg/h * 4,21 KJ/Kg K * (368-298) K = 2,947 102 W KJ/h
Términos de salida:
ΣHP sumatoria de las entalpías de las dos corriente de entrada
H aire = 2000Kg/h * 4,06 KJ/Kg K * (343-298) K = 3,65 105 KJ/h
H agua = W Kg/h * 4,21 KJ/Kg K * (358-298) K = 2,526 102 W KJ/h
2. BALANCE DE ENERGÍA.
Balance de Calor:
Igualando:
ΣHR = ΣHP
4,06 104 KJ/h + 2,947 102 W KJ/h = 3,65 105 KJ/h + 2,526 102 W KJ/h
Despejando:
W = 7720 Kg/h Agua
La cantidad de calor que se agrega al aire es simplemente entre la
entalpía del aire de salida y de entrada:
Salida – Entrada = 3,65 105 KJ/h - 4,06 104 KJ/h = 3,244 105 KJ/h
2. BALANCE DE ENERGÍA.
Aire residuo de combustión a 800ºC se bombea a velocidad de 500
Kg/h a través de un intercambiador de calor, donde su temperatura
se reduce a 500ºC. El oxígeno que entra al intercambiador de calor
tiene una temperatura de 30ºC y lo hace a una velocidad de 300
Kg/h. La capacidad calorífica promedio del aire es 4,06 KJ/Kg K,
mientras que la capacidad calorífica promedio del oxígeno es de 5,0
KJ/Kg K. Considerando que el intercambiador de calor posee una
resistencia eléctrica la cual genera 0,5 KW determine la temperatura
de salida del oxígeno.
2. BALANCE DE ENERGÍA.
Ejercicio
El gas de desperdicio de un proceso es de 1000 mol/h de CO, el cual se
encuentra a 473 K, se quema en un horno usando aire a 373 K. La combustión
es completa y se usa 90% de exceso de oxígeno. El gas de combustión de
salida está a 1273 K. Calcule el calor que genera el horno.
Datos:
CO(g)+ ½ O2(g) => CO2 (g) ΔH298 = -282 103 KJ/mol
Cpm CO = 29,38 KJ/mol K
Cpm CO2 = 29,29 KJ/mol K
Cpm O2 = 33,25 KJ/mol K
Cpm N2 = 31,43 KJ/mol K
Cpm CO2 = 49,91 KJ/mol K
2. BALANCE DE ENERGÍA.
1000 mol/h CO
473 K
M1 Aire
373 K
M2 Gas de combustión
1273 K
HORNO
Calor generado (-q)
CO(g)+ ½ O2(g) => CO2 (g)
La combustión es completa y se usa 90% de exceso de oxígeno
1 mol CO => ½ mol O2
1000 mol CO = x mol O2
Gas de salida
nO2 = n’O2 – x/2
nCO2= n’CO2 + x
nN2=n’N2
500 mol O2
950 mol O2
3574 mol N2
x = moles consumidos CO = 1000 mol/h
nO2 = 950 – 1000/2 = 450 mol/h
nCO2= 0 + 1000 = 1000 mol/h
nN2=3574 mol/h
2. BALANCE DE ENERGÍA.
1000 mol/h CO
473 K
950 mol/h O2
3574 mol/h N2
373 K
HORNO
Calor generado (-q)
450 mol/h O2
1000 mol/h CO2
3574 mol/h N2
1273 K
Términos de entrada:
ΣHR sumatoria de las entalpías de las dos corriente de entrada
1000*29,38*(473-298)+950*33,25*(373-298)+3574*31,43*(373-298) = 15936 103 KJ/h
-ΔH298 = 282 103 *1000 = 282 106 KJ/h
q=?
Términos de salida:
ΣHR sumatoria de las entalpías de la corriente de salida
450*33,25*(1273-298)+1000*49,91*(1273-298)+3574*31,43*(1273-298)=172773 103 KJ/h
2. BALANCE DE ENERGÍA.
1000 mol/h CO
473 K
950 mol/h O2
3574 mol/h N2
373 K
HORNO
Calor generado (-q)
15936 103 + 282 106 + q = 172773 103
q = - 125163 103 KJ/h
2. BALANCE DE ENERGÍA.
Ejercicio (Viernes 12 de Septiembre oficina Metalurgia)
Ingresa a un reactor 1000 mol/h de H2 a 200 ºC y 1429 mol/h de Aire a
100ºC, reaccionan según:
H2 + ½ O2 = H2O
ΔG298 = -237 KJ/mol
Calcule la temperatura final de los gases de salida, considere:
Cpm O2 = 33,25 KJ/mol K
Cpm N2 = 31,43 KJ/mol K
Cpm H2 =30 KJ/mol K
Cpm H2O = 38 KJ/mol K
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2. balance de energía.