Combustión de carbón con ciclo de vapor

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En una caldera de carbón pulverizado a presión atmosférica se lleva a cabo la combustión total de un carbón seco (a una temperatura inicial de 25 ºC) que tiene las propiedades siguientes:
Datos del análisis inmediato: 9,8% cenizas.
Datos del análisis elemental (en base libre de cenizas): 76% C; 4,8% H.
P.C.S. = 25,8 MJ/kg.
Se dispone de aire seco a 30 ºC que se precalienta con los gasesde combustión en un intercambiador de carcasa y tubos. El exceso de aire es del 20%. Los gases de combustión abandonan el intercambiador a 150 ºC. En la caldera se genera un vapor sobrecalentado a 1,5 MPa y 411 ºC a partir de agua líquida a 30 ºC. Las pérdidas de calor al exterior de la caldera se estiman en un 10%. Para el ciclo Rankine, considerar un rendimiento isentrópico del 80% para laturbina. La presión absoluta de condensación es de 25 kPa.
Suponer que todo el carbón se convierte y que la ceniza se descarga a una temperatura de 450 ºC. Para el carbón y la ceniza, se puede considerar un valor medio de Cp igual a 0,95 kJ/kg-K.
Determinar:
La composición de los gases de combustión en base seca.

Lo primero que hay que hacer para resolver este apartado es definir una basepara resolver el problema, la base elegida para la resolución de este problema es 1 kg de carbón, y por tanto todos los resultados dados a partir de ahora se referirán a dicha base.
Para empezar hay que calcular los kg de C y de H que hay en un kg de carbón ya que, los porcentajes de C y de H que se dan en el problema son en base libre de cenizas. Por tanto y ya que el porcentaje de cenizas deese carbón son 9.8% se puede establecer que:
(76 kgC)/(100kgcarbón libre de cenizas)*(100kgcarbón libre decenizas)/((100+9.8)kg de carbón)=0.692kgC⁄kgcarbón
(4.8 kgH)/(100kgcarbón libre de cenizas)*(100kgcarbón libre decenizas)/((100+9.8)kg de carbón)=(0.044 kgH)⁄kgcarbón
Una vez hallado este valor se pueden calcular los moles de los diversos gases a la salida del combustor con ayuda de lascorrespondientes ecuaciones de oxidación para cada gas:
C + O2  CO2; por tanto, por cada mol de C alimentado habrá un mol de CO2 a la salida:
kmol C = Kg C/Mm C = 0.057 kmol C = kmol CO2
H2 + ½ O2  H2O; por tanto: mol H2 = mol H2O
kmol H2 = Kg H2/Mm H2 = 0.022 kmol H2 = kmol H2O
Para el cálculo de lo moles de O2 a la salida del combustor hay que tener en cuenta que hay oxígeno en exceso y,por tanto, los moles que hay a la salida serán los moles entrantes (20% en exceso) menos los moles agotados en la reacción de oxidación:
kmoles O2 (out) = kmoles O2 (in) – kmoles O2 (estequiométricos) = 0,00139 kmol
kmoles O2 (in) = kmoles O2 (estq)*1.2
kmoles O2 (estq) = kmol C + 1/2 kmol H2
Para hallar el porcentaje de los gases en base seca se hallan los moles totales a la salida,excepto el agua ya que es en base seca, y luego se dividen los moles de cada sustancia por los moles totales para obtener el porcentaje:
kmoles totales = kmoles CO2 + kmoles O2 + kmoles N2 = 0.3775 kmol
% CO2 = (kmoles CO2/ kmoles totales)*100= 15.13 %
% O2 = (kmoles O2/ kmoles totales)*100= 3.6 %
% N2 = (kmoles N2/ kmoles totales)*100= 81.27 %
La cantidad de vapor generado por kilogramo decarbón.
Para hallar la cantidad de vapor generado por kilogramo carbón lo primero que hay que hacer es plantear el balance de energía que se produce en el combustor e intercambiador. Según el primer principio de la termodinámica:
Q – W = Δu  Q – W = ΔH (ya que es un proceso a presión constante). Ya que no hay trabajo en el sistema: Q = ΔH, o lo que es lo mismo:
Q = Hs – He
Siendo Q elcalor total producido en el combustor, Hs la entalpía de salida y He la entalpia de entrada. Se toma para el balance de materia el combustor + intercambiador ya que si no la deficiencia de datos haría imposible la resolución del balance.
He = HO2(in) + HN2(in) + Hcarbón
HO2(in) = HfO2 + (kmolO2(in)*Mm(O2)*Cp(O2)*ΔT)
Siendo HfO2 la entalpía de formación del O2, (HfO2=0 KJ), los kmolO2(in)...
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