Fisico Quimica

FISICO-QUIMICA METALURGICA
FUNDAMENTOS TERMODINÁMICOS Clase 05

Prof. Dr. Leandro Voisin A.

Balances de calor
Ejemplo 3: Como agente gaseoso se dispone de un gas que contiene 20 % de CO y 80% de N2 en volumen y que es precalentado a 800 oC e inyectado a un horno reverbero en donde combustiona completamente con la cantidad estequiométrica de aire. Si los gases salen a 1150 oC. Calcular latemperatura de llama y la cantidad de calor sumistrada al horno por metro cúbico de gas.

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Balances de calor
Ejemplo 3:
CO/N2 800 oC (20/80 % vol) combustible

1150 oC gases

aire

TM

Horno reverbero

Considere que:

C p = a + bT ⋅ 10 −3 + cT −2 ⋅ 10 5

J/Kmol
3

Balances de calor
Ejemplo 3, Solución: a CO CO2 O2 N2 28.43 44.17 29.98 27.88 b 4.10 9.04 4.19 4.27 c -0.46-8.54 -1.66 0
∆H o 298 K ( J / mol )

-110500 -393700 0 0

La reacción de combustion es:

2CO( g ) + O2( g ) = 2CO2( g )
y el calor de la reacción a 298 K será:

∆H o = [(2 ⋅ −393700 ) − (2 ⋅ −110500 ) − 0 ]

J

∆H o = −566400

J
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Balances de calor
Ejemplo 3, Solución: El cambio en la capacidad calórica es:

C p = 1.50 + 5.69T ⋅ 10 −3 − 14.49T −2 ⋅ 10 5

(

) (

)J/K

∆ H − ∆ H 0 = ∫ ∆C p dT
o T

T

(ec. 1)

− 566400 = ∆H 0 + 1.50T + 2.85T 2 ⋅ 10 −3 + 14.49T −1 ⋅ 10 5

(

0

) (

)

∆H 0 = −571962

J

Luego utilizando la ec.(1) y considerando la temperatura requerida en el lugar de T calculamos el calor de la reacción.
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Balances de calor
Ejemplo 3, Solución:
o ∆ H T − ∆ H 0 = ∫ ∆C p dT 0 T

(ec. 1)

o ∆H 1073 = −571962+ (1.5 ⋅ 1073) + (2.85 ⋅ 1073 2 ⋅ 10 −3 ) + ...

... 14.49 ⋅ 1073 ⋅ 10

(

−1

5

)

J Para la reacción de 10 moles de gas conteniendo 2 moles de CO.

∆H

o 1073

= −565727

J

La entalpía anterior calentará los productos de combustión y además el nitrogeno proveniente del aire en el gas de inyección a la máxima temperatura de llama.
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Balances de calor
Ejemplo 3,Solución: Por simplicidad asumiremos que el aire esta compuesto por 20% O2 y 80% N2 en volumen. Los gases de salida del horno contienen 2 moles de CO2 de la combustión del CO y 12 moles de N2 (8 del gas de entrada y 4 del aire). Por lo tanto:

565727 =

 2C  p + 12C p dT  ∫  CO2 N2  1073
2 −3

TM

565727 = 422.9T + 34.66 ⋅ T ⋅ 10

[

(

)+ (17.08 ⋅ T
) (

−1

⋅ 10

5

)]TM 1073

2 − 1061000 = 422.90TM + 34.66 ⋅ TM ⋅ 10 −3 + 17.08 ⋅ TM 1 ⋅ 10 5

(

)
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Balances de calor
Ejemplo 3, Solución:

1061000 = 422.90TM + 34.66 ⋅ T ⋅ 10
2 M

(

−3

) + (17.08 ⋅ T

−1 M

⋅ 10

5

)

Siendo que TM es mucho mayor que la temperatura de precalentamiento, el valor numérico del último termino de la ec. es menor que 1000 y por ende puede serignorado, dejando una ec. cuadrática que tiene por resultado:

TM = 2135 K = 1862 o C
El calor suministrado al horno es la diferencia entre el calor de combustión y las perdidas de calor en los gases de salida, este último termino será:
1423

  2C p + 12C p dT = 177900  ∫  CO2 N2  1073

J
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Balances de calor
Ejemplo 3, Solución: Por lo tanto, el calor suministrado al horno por 10moles de gas de inyección será:

(565727 − 177900 ) = 387827

J

Siendo que un mol de cualquier gas corresponde a 22.4 litros bajo condiciones standard, el volumen de 10 moles a la temperatura de precalentamiento (1073 K) será:

[10 ⋅ 22.4 ⋅ (1073 / 273)] = 880

l = 0.88

m3

Por lo tanto el calor suministrado al horno por m3 del gas de entrada será:

(387827 / 0.88 ) = 440713

J/m39

Balances de masa
Ejemplo 4: Un concentrado calcopirítico con 29% de Cu, 31.5% de Fe, 32% de S y 7.5% de SiO2 es alimentado a un horno Flash. Como combustible, aire es inyectado a 2000 m3/min a NTP para generar una mata de cobre, Cu2S-FeS, con ley 50% de Cu. Mediante la adición de silice se genera además una escoria que contiene 60% de FeO. Todas las concentraciones son en peso. Se asume...