Procesos Industriales. Balance de masa con reacciones químicas: combustión y fermentación.

Combustión. Combustión: Oxidación rápida de una sustancia acompañada de transformación de la energía química en energía molecular y aumento sustancial de temperatura. Genera calor. Combustible + comburente + Temperatura necesaria = combustión.

Poder calorífico. Cantidad de calor que liberan los productos de la combustión completa de 1kg de combustible, cuando estos son enfriados hasta una condición final = a las condiciones iniciales de la mezcla aire-combustible [25oC y 1 atm].

Poder calorífico superior. Se obtiene cuando el vapor de agua formado durante la combustión condensa totalmente al enfriar los productos hasta la temperatura de los reactantes.

Poder calorífico inferior: Es el que se obtiene cuando el vapor de agua no condensa al enfriar los productos hasta la temperatura de los reactantes.

Procesos de combustión. Ecuación de reacción: expresión cuantitativa de las sustancias que intervienen en la reacción. Reactantes: combustible y comburente. Productos: resultan del procesos de combustión.

...Procesos de combustión. Combustión ideal o teórica: definida por una simple ecuación química equilibrada. Combustión completa: en sus productos no se encuentra CO. Combustión incompleta: en cuyos productos se encuentra CO.

...Procesos de combustión. Aire estequiométrico o aire teórico: cantidad de aire que proporciona el O2 estrictamente necesario para la combustión completa.

...Procesos de combustión. Mezcla estequiométrica: contiene las proporciones de aire y combustible mínimos necesarios para la combustión completa. Es la que contiene el aire estequeométrico.

...Procesos de combustión. Relación aire combustible: ra/c = ma/mc Combustión ideal con oxígeno. Combustión del hidrógeno. Combustión del azufre. Combustión con aire: utilizan aire atmosférico que contiene oxígeno.

Combustión ideal con exceso de aire. Aire real (ar).- cantidad de aire que ingresa a proceso combustión. Exceso de aire (ex).- ex = {[ar - at]/at} * 100 Porcentaje de aire teórico.- % at = [ar/at] * 100

...Procesos de combustión. Composición aire atmosférico.- Composición volumétrica promedio: Nitrogeno: 78%, O2: 21 %, otros gases 1%. 100 kmol de aire = 21 kmoles de O2. Por cada kmol de O2 ingresan 79 / 21 = 3,76 kmol de N2. La composición del aire varía con la altura.

...Procesos de combustión. “si se considera que cada uno de los componentes de una muestra de productos secos de combustión analizados es un gas ideal, los porcentajes en volumen son también porcentajes en moles”

...Procesos de combustión. El volumen que ocuparían los gases de combustión si la presión es 01 atmósfera y la temperatura 25 C se determina a partir de. P V = n R T Con R= 0,082

Analizador ORSAT Mediante su uso se determina la composición en volumen de CO2 , O2 ; N2 y CO de una muestra de productos.

Equipos de combustión: quemadores y reactores.

(Felder & Rousseou, 2003) p.147 Se quema etano con 50% de aire en exceso. El % de conversión del etano es 90%; del etano que se quema, 25% reacciona para formar CO y el resto para formar CO2. Calcule la composición molar de los gases de combustión en base seca y la relación molar de agua con respecto al gas de combustión seco.

… continuación. Base: 100 mol de alimentación de C2H6 C2H6 + 3,5 O2  2CO2 + 3 H2O C2H6 + 2,5 O2  2CO + 3 H2O 0,113 mol H2O / mol gas de combustión seco.

(Felder & Rousseou, 2003) p.149 Un gas de hidrocarburos se quema con aire. La composición en base seca del producto gaseoso es 1,5 mol % de CO, 6% de CO2, 8,2% de O2 y 84,3% de N2 y no hay oxígeno atómico en el combustible. Calcule la proporción de hidrógeno respecto al carbono en el gas combustible y especule sobre que combustible podría ser. Después calcule el % de aire en exceso alimentado al reactor.

… continuación. Las reacciones pueden escribirse como: C + O2  CO2 4H + O2  2H2O 3,97 mol H / mol C 49,8 % de aire en exceso.

(Cruz, 1978) p. 15 Se quema butano C4 H10 con 90 % de aire teórico . Hallese la ecuación de la combustión y la relación aire combustible.

Esta combustión es incompleta. Se formará CO. La reacción será: C4 H10 + B [O2 + 3,76 N2]  i CO2 + j CO + e H2O + f N2 La reacción con aire estequiométrico será : C4 H10 + 6,5 [O2 + 3,76 N2]  4 CO2 + 5H2O + 24,44 N2

(Cengel & Boles, 2007) p.758 Gas natural, con el siguiente análisis volumétrico: 72% CH4; 9% H2; 14% N2; 2% O2 y 3% CO2, se quema con la cantidad estequiométrica de aire que entra a la cámara de combustión a 20 C, 1 atm y 80 % HR. Suponga una combustión completa y una presión total de 1 atm, y determine la temperatura de punto de rocío de los productos.

(adaptado de Cruz, 1978) p. 20 En un proceso de combustión, de flujo y estado estables, a presión constante de 1 bar, se quema butano C4 H10. Los productos secos son analizados y se obtiene las siguientes proporciones volumétricas: 8 CO2 ; 8 O2 ; 1 CO ; 83 N2 Poder calorífico del butano es de 10 900 kCal / kg

… a) Hallar el % de aire total: (% at ) b) Si se determinase que la combustión hubiera implicado un consumo de 300 kg de aire; se pide determinar la cantidad de calor liberada. c) Cuantas moles de combustible habrían combustionado? d) Determinar el volumen que ocuparían los gases de combustión si la presión es de 01 atmósfera y la temperatura 25 oC.

(Cruz, 1978) p. 21 Un gas natural tiene la composición: 54,3 % C H4 ; 16,3 % C2H6 ; 16,2 % C3H8 ; 7.4 % C4H10 y 5.8 % N2 Este gas combustible es quemado y al analizar los productos de la combustión con el método ORSAT, se obtiene : 8,0 % C O2 , 1,0 % C O , 8,8 % O 2 y 82,2 % N2

(Cruz,1978) p.23 Para la combustión de un hidrocarburo se utiliza aire. El análisis ORSAT de los productos arroja lo siguiente : 10,5 % CO2; 5,3 % O2 ; 0,5 % CO; 83,7 % N2 Determinar la composición del combustible y el % at utilizado.

… continuación. Solución : Sea un hidrocarburo de la forma CxHy. La ecuación de la combustión será: CxHy + b [O2 + 3.76 N2]  10,5 CO2 + 0,5 CO + 5,3 O2 + 83,7N2 + dH2O

… continuación. r (a/c) t = 15,06 kg aire/kg combustible. r (a/c) r = 19,48 kg aire/kg combustible.

Adaptado a partir de 1er.Ex. 2007-1 La combustión de una mezcla de gas natural y bagazo se realiza en el horno de una caldera mezclando 37% en peso de gas natural y 63 % en peso de bagazo en el cual se utiliza 40 % de aire en exceso. El 95% del gas natural da lugar a la combustión completa y el resto a la incompleta y en la combustión del bagazo el 80 % da lugar a CO2 y el resto a CO.

… Asuma que el gas natural en su totalidad es metano (CH4) y el bagazo y el bagazo que responde a la siguiente formula empírica C4,02H6,7O2,82 con un peso molecular empírico de 100 tiene 50 % de agua en porcentaje en peso.

… Si se alimenta 100 ton de bagazo/hora al proceso de secado (50% de humedad) de donde saldrá con 35% de humedad, determine: Cual es el flujo de masa de bagazo y de gas natural que ingresa al caldero. Determinar la cantidad de aire caliente necesaria para el proceso de combustión.

1. A un reactor de combustión se alimenta 100 moles por hora de butano (C4H10) y 5 000 moles por hora de aire. Calcule el porcentaje de aire en exceso.

3. La hulla esta formado por 75,6% de C; 6,2 % de H; 4,9% O2, 1,1% N2, 0,4 S y cenizas, cuantos litros de aire se requiere teóricamente para la combustión de 10 kg de hulla. Si la presión del medio es 760 torr y 17 oC.

4. Una pirita de hierro tiene la siguiente composición en peso: Fe 40 4. Una pirita de hierro tiene la siguiente composición en peso: Fe 40.0%; S 43.6%; 16.4% material mineral inerte. Esta pirita se quema con un 100% de exceso de aire sobre la cantidad requerida para quemar todo el hierro a Fe2O3 y todo el azufre a SO2. Supóngase que no se forma nada de SO3 en el horno. Los gases formados pasan al convertidor, donde se oxida el 95% de SO2 a SO3. Calcular la composición de los gases que entraron y que abandonaron el convertidor.

5. El análisis del gas que entra en el convertidor secundario de una planta de ácido sulfúrico de contacto es 4 % SO2, 13 % O2 y 83 % N2 (en volumen). El gas que sale del convertidor contiene 0,45 % SO2 en base libre de SO3 (en volumen). Calcular el porcentaje del SO2 que se convierte en SO3.

6. Una mezcla de dióxido de carbono puro e hidrógeno se pasa por un catalizador de níquel. La temperatura del catalizador es 315 ºC y la presión del reactor 20,1 atm. El análisis de los gases que salen del reactor es CO2 57,1%, H2 41,1%, CH4 1,68% y CO 0,12% (en volumen) en base seca. Las reacciones que tienen lugar en el reactor son: CO2 + 4 H2  CH4 + 2 H2O CO2 + H2  CO + H2O Determinar: a) la conversión de CO2 b) el rendimiento de CH4 referido al CO2 reaccionado c) la composición de la alimentación.