Problemas de balance de materia

1. El análisis de cierto coque exento de hidrógeno es como sigue: humedad, 4.2%; cenizas, 10.3%; carbono 85.5%. El coque se somete a la combustión con lo cual se obtiene un gas de chimenea seco cuyo análisis es: CO2, 13.6%; CO,1.5%; O2, 6.5%; N2, 78.4%. Calcular:
(a) Porcentaje de exceso de aire utilizado.
(b) Pies cúbicos de aire a 80 ºF y 740 mm de Hg que entran por libra de carbono quemada.(c) Lo mismo que en (b) pero por libra de coque quemada.
(d) Pies cúbicos de gas de chimenea seco a 690 ºF / lb de coque.
(e) Pies cúbicos de gas de chimenea húmedo a las condiciones estándar / lb de coque.
Solución
Datos
Coque Análisis de gases de combustión
Humedad (H2O) = 4.2 % CO2 = 13.6 %
Cenizas = 10.3 % CO = 1.5 %
Carbono (C) = 85.5 % O2 = 6.5 %
N2 = 78.4 %
Base: 100 moles degases de combustión
n(CO2) = 13.6 → W(CO2) = 598.4 lb
n(CO) = 1.5 → W(CO) = 42.0 lb
n(O2) = 6.5 → W(O2) = 208.0 lb
n(N2) = 78.4 → W(N2) = 2195.2 lb
Procedemos a hallar el peso total de carbono y de oxígeno (exceptuando el oxígeno que entra como parte del agua en la humedad) que ingreso a partir del análisis de los gases de combustión:
1.     
 

 
Hallamos ahora el aire teórico:
C O2→ CO2
12.0 lb de C → 32 lb de O2
181.2 lb de C → x
x = 483.2 lb de O2
Tenemos que calcular ahora la cantidad de O2 que entra con la humedad:
181.2 lb de C → 85.5 %
y → 100.0 %
y = 211.93 lb de coque
Pero la humedad solamente representa el 4.2 % del peso total de coque:
W(Humedad) = 0.042 x 211.93 lb = 8.90 lb de H2O
Por lo tanto el peso de O2 será:
1.     
 
 
Y con estos datos yapodemos hallar el porcentaje de exceso de oxígeno:

 
 

 
 
 
(a)
 
(b) V = ? (pies3)
T = 80 ºF
P = 740 mm Hg
R = 0.7302 atm x pies3 / mol lb x ºR
Para usar la ecuación de los gases ideales solamente nos faltaría conocer el número de moles del aire / lb de carbono.
181.2 lb de C → 635.2 lb de O2
1.0 lb de C → z
z = 3.51 lb de O2 → n(O2) = 0.109
Ahora hallamos las moles deO2 que entran / lb de carbono quemado.
1.     

V = 210 pies3
 
(c) Wtotal de coque = 211.93 lb
211.93 lb de coque → 635.2 lb de O2
1.0 lb de coque → α
α = 2.997 lb O2 → n(O2) = 0.094
1.     
 
 

V = 181.424 pies3
 
(d) 100 moles de gas chimenea seco → 211.93 lb de coque
 → 1.0 lb de coque
 = 0.472 moles de gas de chimenea seco
PV = nRT

V = 407.065 pies3
 (e)
 
 
100.494 moles de gas chimenea húmedo → 211.93 lb de coque
 → 1.0 lb de coque
 = 0.474 moles gas chimenea húmedo
PV = nRT
V = 0.224 pies3
2. En una prueba realizada en una caldera con alimentación de aceite no fue posible medir la cantidad de aceite quemado, aunque el aire que se empleó se determinó insertando un medidor ventura en la línea de aire. Se encontró que sehabía utilizado 5000 pies3 / min de aire a 80 ºF y 10 lb / plg2 man. El análisis del gas de chimenea seco es: CO2, 10.7%; CO, 0.55%; O2, 4.75%; N2, 84.0%. Si se supone que el aceite está formado únicamente por hidrocarburos, calcular los galones por hora de aceite que se queman. El peso específico del aceite es 0.94.
Solución
Datos del Aire
Base: 1 min
V = 5000 pies3; T = 80 ºF = 540 ºR; Pabs =Pman Patm = (10 14.7) psia = 14.7 psi
Aplico la ecuación de los gases ideales para determinar el número de moles de aire:
PV = nRT
24.7 x 5000 = naire x 10.73 x 540 → naire = 21.31
Por lo tanto tendremos también:
n(O2)= 0.21 x 21.31 = 4.475; n(N2) = 0.79 x 21.31 = 16.835
W(O2)= 4.475 x 32 = 143.2 lb; W(N2) = 16.835 x 28 = 471.38 lb

Datos para los gases de combustión secos
CO2 = 10.70 %
CO= 0.55 %
O2 = 4.75 %
N2 = 84.00 %
Aplicando una regla de tres para el N2 que no reacciona tendremos:
ntotales = 16.835 x 100 / 84 = 20.042
Lo que nos daría los siguientes datos:
n(CO2) = 2.144 → W(CO2) = 94.336 lb
n(CO) = 0.110 → W(CO) = 3.080 lb
n(O2) = 0.952 → W(O2) = 30.464 lb
n(N2) = 16.835 → W(N2) = 471.380 lb

Ahora ya sabemos el O2 que se encuentra en el agua.
W(O2)en agua...