Temotecnia

Tarea 1 termotecnia |
“Balance de materia y energía para una reacción de combustión” |

Introducción

Tarea 1:
Se sabe que a cierta caldera de un proceso industrial, se le alimenta con una corriente de agua a 25°C de temperatura y a una presión de 5 bar, la cual es evaporada por el calor entregado de una reacción de combustión, abandonando la caldera a 400 ° C. El calor es proporcionadopor la combustión al interior de un horno de una mezcla de gases combustibles compuesta por 25% de CH4, 25% de CO, 25% de H2, 15% de C2H4, 5% de H2O y un 5% de N2. El aire se alimenta en 20% en exceso, como aire húmedo a una temperatura de bulbo seco de 30°C, y una humedad relativa del 40%. Se sabe que el horno tiene un 80% de conversión. Considere que se alimenta una mezcla de gas combustible a10 kmol/h y a 40°C. Se conoce que la temperatura de salida de los gases a la salida del horno es de 300°C.
Determine:
a) la composición molar de los gases a la salida del horno,
b) el calor generado por la combustión que tiene lugar en el horno,
c) el flujo másico del agua en la caldera.

Solución:

Caldera
a)
H20
T°=25°C; P=5 barT°=400°C

Horno
%Xconv=80%
CO
CH4 (25%) 40°C T°=300°C CO2
CO(25%) H2O
H2(25%) 10 kmol/hN2
C2H4(15%) O2
H2O(5%) CH4
N2(5%) Aire húmedo H2C2H4

20% exceso; T°bs=30°C; HR=40%

Ecuación de reacción:

*) CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
**) CO + ½ O2 CO2
***) H2 + ½ O2 H2O
****) C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O

dηdt= ηe- ηs+ ηg- ηc

Balance de materia:

Supuesto: Estado estacionario

dηdt=0
Por lo tanto:

ηe- ηs+ ηg- ηc=0

*CH4:

ηe- ηs+ηg-ηc=0 ; con ηg=0 (reactivo)
0,25*10 kmol/h - ηs-ηc=0

ηc= ηecomb*%Xconv=2,5kmolh*0,8=2kmolh

⇒ ηs=2,5kmolh- 2kmolh =0,5kmolh

* CO:

ηe- ηs+ηg-ηc=0 ; con ηg=0
0,25*10 kmol/h - ηs-ηc=0

ηc= ηecomb*%Xconv=2,5kmolh*0,8=2kmolh

⇒ ηs=2,5kmolh- 2kmolh =0,5kmolh

* H2:

ηe- ηs+ηg-ηc=0 ; con ηg=0 (reactivo)
0,25*10 kmol/h - ηs-ηc=0

ηc=ηecomb*%Xconv=2,5kmolh*0,8=2kmolh

⇒ ηs=2,5kmolh- 2kmolh =0,5kmolh

* C2H4:

ηe- ηs+ηg-ηc=0 ; con ηg=0 (reactivo)
0,15*10 kmol/h - ηs-ηc=0

ηc= ηecomb*%Xconv=1,5kmolh*0,8=1,2kmolh

⇒ ηs=1,5kmolh- 1,2kmolh =0,3kmolh

* O2:

ηe- ηs+ηg-ηc=0 ; con ηg=0 (reactivo)

ηe= ηe(*)+ηe(**)+ηe(***)+ηe(****)

* ηe(*)=ηteo (*)O2+ηexc (*)O2

ηteo(*)O2=ηeCH4*(RE)(*)=2,5kmolh*2kmolhO21kmolhCH4=5kmolh

ηexc (*)O2=ηteo (*)O2*% Exceso

ηexc (*)O2=5kmolh*0,2=1kmolh

ηe*=5kmolh+ 1kmolh=6kmolh

* ηe(**)=ηteo (**)O2+ηexc (**)O2

ηteo (**)O2=ηeCO*(RE)(**)=2,5kmolh*12kmolhO21kmolhco=1,25kmolh

ηexc (**)O2=1,25kmolh*0,2=0,25kmolh

ηe(**)=1,25kmolh+ 0,25kmolh=1,5kmolh

* ηe(***)=ηteo (***)O2+ηexc (***)O2

ηteo(***)O2=ηeH2*(RE)(***)=2,5kmolh*12kmolhO21kmolhH2=1,25kmolh

ηexc (***)O2=1,25kmolh*0,2=0,25kmolh

ηe(***)=1,25kmolh+ 0,25kmolh=1,5kmolh

* ηe(****)=ηteo (****)O2+ηexc (****)O2

ηteo (****)O2=ηeC2H4*(RE)(****)=1,5kmolh*3kmolhO21kmolhC2H4=4,5kmolh

ηexc (****)O2=4,5kmolh*0,2=0,9kmolh

ηe(*)=4,5kmolh+ 0,9kmolh=5,4 kmol/h

Por lo tanto:

ηeO2=ηe(*)+ηe(**)+ηe(***)+ηe(****)=6kmolh+ 1,5kmolh+ 1,5kmolh+5,4kmolh=14,4kmolh...