Source: http://calculosingenieriaquimica.blogspot.com/2014_05_01_archive.html
Timestamp: 2017-04-23 05:23:00+00:00

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Solución de Combustión con datos imprecisos (III)
No hay un balance exacto, pero las respuestas concuerdan bastante bien aquí. En muchos problemas de combustión errores pequeños en los datos causan diferencias grandes en los flujos calculados y en el porcentaje de aire en exceso. Si suponemos que no se cometieron errores matemáticos (es prudente comprobarlo), la mejor solución es aquella en la que intervienen datos más precisos. Usaremos estos dos valores para el oxígeno y determinaremos qué diferencias resultan en el cálculo del aire en exceso.
Ahora podemos contestar las preguntas del problema:
Si examinamos la matriz de coeficientes, sabremos por inspección que el determinante distinto de cero más grande posible es de orden 3, por lo que cuando más tres de los balances pueden ser independientes, y lo son, así que el problema tiene una solución única.
Las ecuaciones están desacopladas y se pueden resolver comenzando con C, luego N2 y por último H2 (para obtener W, aunque no se pide W)
Este problema ilustra una dificultad que se presenta con frecuencia al resolver problemas de combustión. El proceso está en estado estacionario acompañado por una reacción química. Tomemos como sistema la llamarada y el equipo asociado.
Pasos 1, 2, 3 y 4 Los datos necesarios se indican en la figura E3.13. No olvide el vapor de agua y use sólo el análisis de Orsat para los gases de salida.
La ventaja principal de la incineración catalítica de gases olorosos y otras sustancias molestas respecto a la combustión es su menor costo. Los incineradores catalíticos operan a temperaturas más bajas (500 a 900°C en comparación con 1100 a 1500°C para los incineradores térmicos) y gastan mucho menos combustible. Como las temperaturas de operación son más bajas, los materiales de construcción no tienen que ser tan resistentes al calor, lo que reduce los costos de instalación y construcción.
En una prueba, un líquido que se propone como combustible para una llamarada y que tiene una composición de 88% de carbono (c) y 12% de hidrógeno (H2) se vaporiza y quema con aire seco para producir un gas de chimenea (gch) con la siguiente composición en base seca:
O2 3.6%
N2 83.0%
Como parte del diseño del equipo para el dispositivo de combustión continua en estado estacionario, determine cuántos kilogramos mol de gch seco se producen por cada 100 kg de alimentación líquida. Qué porcentaje de aire en exceso se usó?
Pasos 1,2,3 y 4 Se trata de un proceso en estado estacionario con reacción; supongamos una combustión completa. El sistema es el quemador. Se han completado los cuatro pasos al colocar los datos en la figura E3.12. Como la salida del proceso es un gas, la composición se dará en fracción molar o moles, así que resulta más conveniente usar moles en lugar de masa en este problema, a pesar de que las cantidades de CH4 y aire se dan en kg.
La generación de biogas rico en metano es una forma de evitar los elevados costos de la disposición de desechos, y su combustión puede satisfacer hasta el 60% de los costos de operación de estas plantas que obtienen energía a partir de desechos. Es más, en la Comunidad Europea (CE) las plantas de biogas están exentas de los impuestos de energía y de carbón, lo que las hará más atractivas si la CE aprueba la propuesta del impuesto al carbón. En Europa ya están funcionando cuatro proyectos de demostración a escala industrial.
Consideremos sólo la combustión del metano. LA figura E3.12 muestra un proceso de combustión simple, cuyos detalles mecánicos podemos ignorar.
La corrosión por oxígeno de las tuberías de las calderas puede reducirse si se emplea sulfito de sodio, el cual elimina oxígeno del agua de alimentación de la caldeara por medio de la siguiente reacción:
Cuántas libras de sulfito de sodio se requieren en teoría (reacción completa) para eliminar el oxígeno de 8,330,000 lb de agua (10^6 gal) que contienen 10.0 partes por millón (ppm) de oxígeno disuelto y al mismo tiempo mantener un 35% de exceso de sulfito de sodio?
Pasos 1, 2, 3 y 4 ÉSte es un proceso en estado estacionario con reacción. El sistema es la tubería. Los datos conocidos se han colocado en la figura E3.11.
Conceptos principales Resolución de problemas de balance de materia en los que intervienen reacciones químicas (VI)
Al calcular la cantidad de aire en exceso, recuerde que el exceso es la cantidad de aire que entra en el proceso de combustión en exceso de la requerida para la combustión completa. Suponga que hay algo de oxígeno en el material que se quema. Por ejemplo, suponga que se quema un gas que contiene 80% de C2H6 y 20% de O2 en un motor con 200% de aire en exceso. El 80% del etano se convierte en CO2, el 10% se convierte en CO y el 10% no se quema. Qué cantidad de aire en exceso hay por cada 100 moles del gas? En primer lugar, podemos ignorar la información acerca del CO y del etano que no se quema, porque la base para el cálculo del aire en exceso es la combustión completa. En términos específicos, C se convierte en CO2, S en SO2, H2 en H2O, CO en CO2, etcétera.
En segundo lugar, no podemos ignorar el oxígeno contenido en el combustible. Con base en la reacción.
C2H6 + (7/2)O2 → 2CO2 + 3H2O
80 moles de C2H6 requieren 3.5(80) = 280 moles de O2 para quemarse por completo. Sin embargo, el gas contiene 20 moles de O2, por lo que sólo se requieren 280-20 = 260 moles de O2 en el aire que entra para la combustión completa. Por tanto, 260 moles de O2 es el O2 requerido, y el cálculo del 200% de O2(aire) en exceso se basa en 260, no 280, moles de O2.
Entra con el aire Moles de O2
O2 requerido: 260
O2 en exceso (2)(260): 520
O2 total (3)(260): 780
En los siguientes problemas identificaremos cada uno de los pasos de la tabla 3.1 para que el lector pueda seguir la estrategia de resolución.
Se están contemplando combustibles distintos de la gasolina para los vehículos de motor porque general niveles más bajos de contaminantes que la gasolina. Se ha sugerido el propano comprimido como fuente de potencia económica para vehículos. Suponga que en una prueba se queman 20 kg de C3H8 con 400kg de aire para producir 44 kg de CO2 y 12 kg de CO.
Cuál fue el porcentaje de aire en exceso?
En este problema interviene la siguiente reacción (está correctamente balanceada la ecuación?)
Conceptos principales Resolución de problemas de balance de materia en los que intervienen reacciones químicas (V)
La precisión que se logre con estas diferentes relaciones para calcular el porcentaje de aire en exceso tal vez no sea la misma. Si en un problema se especifican el porcentaje de aire en exceso y la ecuación química, sabremos cuánto aire entra con el combustible y con ello se reducirá en uno el número de incógnitas.
Exploremos ahora estos conceptos mediante ejemplos.
Conceptos principales Resolución de problemas de balance de materia en los que intervienen reacciones químicas (IV)
La cantidad calculada de aire en exceso no depende de qué tanto el material se quema realmente, sino de lo que puede quemarse. Incluso si sólo hay una combustión parcial, como cuando C se quema para dar tanto CO como CO2, el aire (u oxígeno) en exceso se calcula como si el proceso de combustión produjera sólo CO2. El porcentaje de aire en exceso es idéntico al porcentaje de O2 en exceso ( y a menudo es un cálculo más cómodo):
De acuerdo con la definición de reactivo en exceso dada en el capítulo 1, el aire (u oxígeno) en exceso sería la cantidad de aire (u oxígeno) en exceso de la requerida para una combustión completa según lo calculado en (3).
La cantidad de aire (u oxígeno) que se debe introducir en el proceso para lograr combustión completa. Esta cantidad también se conoce como aire (u oxígeno) requerido.
1. Gases de chimenea o gases residuales de la combustión
Todos los gases que resultan de un proceso de combustión, incluido el vapor de agua, a veces denominado en base húmeda.
Conceptos principales Resolución de problemas de balance de materia en los que intervienen reacciones químicas (III)
Observe que puede evitar usar los términos de generación y consumo de la ecuación (3.1) si realiza balances de elementos.
En ocasiones resulta cómodo hacer los balances de elementos en moles con un carbono y dos oxígenos denotados en este texto con O2, lo que no se refiere al compuesto O2, sino a dos O.
Antes de presentar algunos ejemplos, es preciso subrayar algunos términos que se usan comúnmente en los problemas de combustión. Al enfrentar este tipo de problemas, debemos conocer esos términos especiales.
Conceptos principales Resolución de problemas de balance de materia en los que intervienen reacciones químicas (II)
Cuáles serían los balances de moles de C y de CO2 como compuestos? Tenga presente que los balances para los elementos C y O expresados en moles se siguen cumpliendo cuando los términos de generación son cero:
Compare estos dos balances con los balances de masa de los elementos. En qué difieren los balances de masa de los elementos de los balances de moles de los mismos? Examine el siguiente conjunto de ecuaciones después de decidir:
Conceptos principales Resolución de problemas de balance de materia en los que intervienen reacciones químicas (I)
Recuerde que la ecuación (3.1) se aplica a los balances de masa total y de masa de los componentes, y que los términos de generación y consumo fueron cero en la sección 3.3. En muchos casos queremos efectuar balances de moles en lugar de balances de elementos, pero es común que en los balances de componentes y totales los moles no queden equilibrados si no se toman en cuenta los términos de generación y consumo. Tomemos como ejemplo el sencillo proceso de combustión en estado estacionario de la figura 3.7.
Los moles totales que entran son 2 y los que salen son 1. Los moles de O2 que entran son 1 y los que salen (como O2) son 0.
Si tomamos en cuenta la ecuación de reacción y suponemos que el O2 reaccionó por completo, el término de generación para el O2 en la ecuación (3.1) tendrá un valor de 0, y el de consumo, de 1 mol. Así, el balance de materia para el O2 en moles sería.
Temas por tratar Resolución de problemas de balance de materia en los que intervienen reacciones químicas
En esta sección analizaremos y resolveremos balances de materia en procesos en los que ocurren reacciones químicas. Después de definir ciertos términos especializados, analizaremos varios ejemplos en los que se emplean balances de materia para resolver los problemas planteados. La idea nueva principal es que los términos de generación y consumo pueden desempeñar un papel en el cálculo de balances molares de componentes. Un concepto que sigue siendo válido es que los balances de los elementos mismos no requieren la inclusión de los términos de generación y consumo de la ecuación (3.1).
Resolución de problemas de balance de materia en los que intervienen reacciones químicas
DEfinir gas de chimenea, análisis de Orsat, base seca, base húmeda, aire (oxígeno) requerido y aire (oxígeno) en exceso.
Dados dos de los tres factores: gas (oxígeno) entrante, aire (oxígeno) en exceso y aire (oxígeno) requerido, calcular el tercer factor.
Entender la forma de aplicar la ecuación de balance de materia cuando ocurren reacciones químicas.
Aplicar la estrategia de 10 pasos para resolver problemas en los que intervienen reacciones.
Retrospectiva de resolución de problemas de balance sin reacciones químicas
En esta sección explicamos por medio de ejemplos cómo analizar problemas en los que intervienen balances de materia en ausencia de reacciones químicas. La dificultad principal en todos estos problemas no radica en la resolución de los balances de masa sino en su formulación, sobre todo en la determinación de los valores de las composiciones de los flujos. Si el lector siguió el procedimiento de 10 pasos bosquejados en la tabla 3.1, deberá haber aprendido una estrategia sólida para atacar los problemas, sin importar cuál sea el proceso.
El análisis de este problema es un poco más complicado que el de los anteriores porque no sólo requieren una decisión en cuanto a qué compuestos intervienen en el problema, sino que también implica que la disolución final está saturada a la temperatura final sin decirlo explicitamente. No hay reacción. Aunque el problema se podría configurar como un problema en estado estacionario con flujos que entran en el sistema (el tanque) y salen de él, es igualmente justificado tratarlo como un proceso en estado no estacionario. La dificultad principal de este problema radica en obtener toda la información necesaria acerca de las composiciones de las disoluciones y el precipitado sólido. Si podemos calcular la concentración final de Na2CO3 en el tanque, podremos consultar la temperatura correspondiente en un manual que contenga datos de solubilidad. Escogeremos Na2CO3 y H2O como los componentes del sistema en lugar de Na2CO3.10H2O y H2O porque se requieren menos pasos para realizar los cálculos necesarios.
Pasos 1,2 y 3 La figura E3.9a es un diagrama del proceso.
Un tanque contiene 10,000 kg de una disolución saturada de Na2CO3 a 30°C. Queremos cristalizar de esta disolución 3000kg de Na2CO3.10H2O sin agua en exceso. A qué temperatura es preciso enfriar la disolución.?
Solucion Secado Tweet
Pasos 1,2,3 y 4 La figura E3.8 es un diagrama del proceso, el cual es en estado estacionario sin reacción. El sistema es el secador.
Los peces que atrapan los pescadores se pueden convertir en harina de pecado, la cual puede servir como alimento para animales en la producción de carne para consumo humano o utilizarse directamente como alimento. El uso directo de la harina de pescado incrementa mucho la eficiencia de la cadena alimenticia, pero el concentrado de proteína de pescado, principalmente por razones estéticas, se usa principalmente como suplemento proteinico. Como tal, compite con la soya y otras proteínas de oleaginosas.
En el procedimiento del pescado, una vez que se extrae el aceite, la torta de pescado se seca en secadores de tambor rotatorio, se muele finamente y se empaca. El producto resultante contiene 65% de proteína. En un lote dado de torta de pecado que contiene 80% de agua (el resto es torta seca), se eliminan 100 kg de agua, y se determina entonces que la torta de pescado tiene 40% de agua. Calcule el paso de la torta de pescado que se introdujo originalmente en el secador.
Pasos 1,2,3 y 4 Todos los valores de composición se conocen y están en la figura E3.7. No hay reacción. Debemos tratar el proceso como en estado estacionario o en estado no estacionario? Si el tanque es el sistema, e inicialmente contiene disolución de ácido sulfúrico, hay un cambio dentro del sistema y tenemos una acumulación (la masa aumenta). Este punto de vista requiere usar el balance de masa: acumulación = entra - sale.
Desde otro punto de vista, podría considerarse que el tanque inicialmente está vacío, la disolución original se introduce en el sistema junto con los 200 kg de disolución al 77.7%, las disoluciones se mezclan y por último el contenido total del tanque se saca para dejar un tanque vacio. En tal caso, el balance de masa se reduce a un proceso de flujo en estado estacionario: entra = sale porque no hay acumulación en el tanque.
Resolvamos primero el problema tratando el mezclado como un proceso en estado no estacionario, y luego repetiremos la solución tratando el mezclado como proceso en estado estacionario.
Paso 5 Tomar 200 kg de A como base de cálculo.
Paso 6, 7 y 8 Las dos cantidades desconocidas son F y P. Hay dos componentes presentes, H2SO4 y H2O, de modo que podemos escribir dos balances de masa independientes y hay una solución única.
Los balances se harán en kilogramos.
En las estaciones de servicio es preciso añadir ácido sulfúrico diluido a las baterias secas a fin de activarlas. Se nos pide preparar un lote nuevo de ácido al 18.63% utilizando una disolución más débil que contiene 12.43% de H2SO4 (el resto es agua pura) y que se encuentra en un tanque. Si se agregan 200 kg de H2SO4 al 77.7% al tanque, y la disolución final que tiene que ser H2SO4 al 18.63%, cuántos kilogramos de ácido de batería se han preparado? Vea la figura
Aunque la unidad de destilación consta de dos o tres equipos individuales, hemos escogido un sistema que incluye dentro de su frontera todos los equipos, así que podemos ignorar todos los flujos internos. Designaremos con ω la fracción de masa y supondremos que el proceso está en estado estacionario. No hay reacción, de modo que la ecuación (3,1) se reduce a Entra = sale en kg.
Pasos 1, 2, 3 y 4.
Todos los símbolos y datos conocidos se han colocado en la figura E3.6
Escogemos como base de cálculo la alimentación dada.
Base de cálculo: F = 1000 kg e alimentación
Un industrial que fabrica por primera vez alcohol para gasohol ha tenido ciertos problemas con una columna de destilación. La operación se muestra en la figura E3.6. Los técnicos creen que se pierde demasiado alcohol en las colas (desperdicio). Calcule la composición de las colas y la masa de alcohol que se pierde en ellas.
Éste es un proceso en estado estacionario sin reacción química, así que el término de acumulación y los términos de generación y consumo de la ecuación (3.1) son cero. El sistema es la membrana. Sea X02 la fracción molar el oxígeno y xN2 la fracción molar del nitrógeno, y sean no2 y nN2 los moles respectivos.
Las membranas representan una tecnología relativamente nueva para separar gases. Una aplicación que ha llamado la atención es la separación de oxígeno y nitrógeno del aire. La figura E3.5 ilustra una membrana con poros del orden de 10^-9 m que se fabrica aplicando un recubrimiento muy delgado de polímero a una capa de soporte de grafito poroso.
Cuál es la composición del flujo de desecho si este se equivale al 80% de la entrada?

References: Resolución 
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