Fundamentos de ingeniería de procesos

BALANÇOS D’ENERGIA
BALANÇOS D’ENERGIA EN SISTEMES AMB REACCIÓ Una reacció química és aquell fenomen pel qual els àtoms de les molècules dels reactius es recombinen entre si per tal de donar lloc a altres molècules En aquesta recombinació d’àtoms hi ha sempre un requeriment d’energia. Es defineix Calor de Reacció (o Entalpia de reacció) com la calor que es consumeix (o el canvi d'entalpia que esgenera) en avançar un grau la reacció, mantenint constant i igual la temperatura de reactius i productes.
a A  bB  c C  d D ˆ ΔH r (kJ / mol)

BALANÇOS D’ENERGIA
La calor de Reacció és la diferencia d’entalpies entre els productes de reacció i els reactius mesurats en les condicions d’operació i en l’estat d’agregació especificat per cada substància.

CaCO (s)  2HCl (l) CaCl2 (s)  CO(g)  H2O (l) 3 2 ˆ ΔH T, P   H   H  ˆ  ˆ
r i PROD i i i REAC

ˆ ΔH r  0 ˆ Reacció ENDOTERMICA : agafa calor dels voltants ΔH  0
Reacció EXOTERMICA : dona calor als voltants
r

BALANÇOS D’ENERGIA
En els balanços d’energia dels sistemes on hi ha reacció química cal tenir en compte la calor alliberada per la reacció que es pot calcular com:
a A  bB  c C  d D ˆ H r T , P (kJ / mol)

n A,reac ˆ n B,reac ˆ  Calor total alliberada QREAC  H r T , P   H r T , P ..... a b

ACUM  0 

ENTR

 n

i

ˆ Hi 

SORT

 n

i

  ˆ  H i  QREAC  QTRANS  WEIX





BALANÇOS D’ENERGIA
L’expressió anterior també es pot posar en termes d’entalpia de reacció
 H T , P   n A,reac H T , P   n B,reac H T , P ..... ˆ ˆ Canvi d'Entalpia  ˆ r r r b a

i llavors el balanç s’expressa
ACUM  0   n ˆ Hi   n  ˆ  ˆ  H i  H r T , P   Q  WEIX

i

i

ENTR

SORT

BALANÇOS D’ENERGIA
La calor de reacció es pot trobar tabulat a la bibliografia Normalment es troba especificat en les CONDICIONS ESTANDARD , és a dir 25°C i 1 atm. S'anomena llavors CALOR ESTANDARD DE REACCIÓ Per cercar la calor de reacció aaltres condicions de pressió i temperatura, cal tenir en compte que l’entalpia es una funció d’estat
To

H
T,P
REAC

ˆ H R (T, P)

T,P

PROD

T0,P0
REAC

ˆ H 0 (T 0 , P 0 ) R

T0,P0
PROD

ˆ ΔH r (T , P) 

REAC



T

ˆ  iCpi dT  ΔH 0 (T 0 , P 0 )  r

PROD



T

To

 iCpi dT

BALANÇOS D’ENERGIA
La reacció de combustió del propà en una atmosferad’oxigen és la següent: C3H8 (g) + 5 O2 (g)  3 CO2 (g) + 4 H2O(l) Sabent que la calor standard d’aquesta reacció és: Ĥr0 = -2220 kJ/mol de propà Calcula la calor de reacció a 200°C i 1 atm La calor alliberada al reaccionar 440 g de propà en un excés d’aire en aquestes condicions de temperatura i pressió.

EXEMPLE

BALANÇOS D’ENERGIA
C3H8 (g) + 5 O2 (g)  3 CO2 (s) + 4 H2O(l)
ˆ ΔH r (T , P)  
25 200 To

REAC



To

T

ˆ  iCpi dT  ΔH 0 (T 0 , P 0 )  r

PROD



T

To

 iCpi dT

REAC

T

 iCpREAC dT   1 [68.032·103  22.59·105 T  13.11·108 T 2  31.71·1012 T 3 ] dT 
200

25



5  [29.1·103  1.158·105 T  0.6076·108 T 2  1.311·1012 T 3 ] dT  1 (16.02)  5  (5.31)  42.57

REAC

 
200 25

T
o

T

 iCpPROD dT  3  [36.11·103  4.233·105 T  2.877·108 T 2  7.464·1012 T 3 ] dT 
25

200



4  [75.4·103 ] dT  3  7.08  4  13.20  74.01

ˆ ΔH r (200,1)   42.57  2220  74.01  2189 kJ/mol ˆ N ΔH Calor de la reacció  - A r  - 440/44  2189  - 21890 kJ

A

BALANÇOS D’ENERGIA
LLEI DE HESS Si una reacció química es por expressar com una combinació lineal d’una sèrie dereaccions químiques elementals, llavors la calor de reacció de la primera es pot calcular com la mateixa combinació lineal de les calors de reacció de les elementals

a A  bB  c C  d D d D  eE  f F  g G c C  gG  e E  h H a A  bB  f F  h H

ˆ ΔHr (1) ˆ ΔHr (2) ˆ ΔHr (3) ˆ ˆ ΔHr   ΔHr (i)
i

BALANÇOS D’ENERGIA
Trobar la calor estàndard de la reacció per a la obtenció de...