Balance de energia
- 1. FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES Profesor: Danny Guzmán Méndez danny.guzman@uda.cl Departamento de Metalurgia Clase 4.
- 2. 1. BALANCE DE MASA. Se quema metano en un reactor de combustión continua en estado estacionario y se obtiene una mezcla de monóxido de carbono y agua. CH4+3/2O2 => CO + 2H2O La alimentación del reactor contiene 7,8 % molar de CH4, 19,4% molar de O2 y 72,8% molar de N2. El % de conversión del metano es 90% . Determine la composición del gas que sale del reactor.
- 3. 1. BALANCE DE MASA. Procesos con reacciones químicas: Ejercicio (Jueves 11 secretaria de Metalurgia) Un gas combustible que contiene 27,2% CO, 5,6 % de CO2, 0,5% de O2 y 66,7% de N2, se quema con 20 % exceso de oxígeno. La combustión del CO sólo se completa al 98 %. Para 100 mol/h de gas de combustible, calcule los moles de cada componente en el gas de salida. CO+1/2O2=>CO2
- 4. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Energía Cinética: Aquella debida al movimiento trasnacional del sistema como un todo en relación con determinado marco de referencia. Energía Potencial: La que se debe a la posición del sistema en un campo potencial (gravitacional o electromagnético). Energía Interna: Toda la que posee un sistema además de sus energías cinética y potencial.
- 5. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Transferencia de energía Calor: Energía que fluye como resultado de la diferencia de temperatura. Trabajo: Energía que fluye en respuesta a cualquier fuerza impulsora que no sea una diferencia de temperatura.
- 6. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Balance de Calor: Energía o calor que entra al proceso con los materiales alimentados Energía o calor producto de reacciones químicas Energía o calor que se añade o quita del sistema Energía o calor que sale del proceso con los materiales de salida ΔH298= - reac. Exotérmica + reac. Endotérmica q = - sale calor + entra calor
- 7. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Balance de Calor: Aire a 30ºC se bombea a velocidad de 2000 Kg/h a través de un intercambiador de calor, donde su temperatura se eleva a 70ºC. El agua caliente de que se usa para el calentamiento entra a 95ºC y sale a 85ºC. La capacidad calorífica promedio del Aire es 4,06 KJ/KgK, y la del agua, 4,21 KJ/KgK. Las corrientes de aire y agua están separadas por una superficie metálica a través de la cual se transfiere calor y se impide la mezcla física de ambas. Establezca un balance de calor completo en el sistema. Calcule el flujo de agua y la cantidad de calor añadida al Aire.
- 8. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Intercambiador de Calor 2000 Kg/h Aire 30ºC 2000 Kg/h Aire 70ºC W Kg/h Agua 85ºC W Kg/h Agua 95ºC Balance de Calor: 0 0
- 9. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Balance de Calor: Términos de entrada: ΣHR sumatoria de las entalpías de las dos corriente de entrada H aire = 2000Kg/h * 4,06 KJ/Kg K * (303-298) K = 4,06 104 KJ/h H agua = W Kg/h * 4,21 KJ/Kg K * (368-298) K = 2,947 102 W KJ/h Términos de salida: ΣHP sumatoria de las entalpías de las dos corriente de entrada H aire = 2000Kg/h * 4,06 KJ/Kg K * (343-298) K = 3,65 105 KJ/h H agua = W Kg/h * 4,21 KJ/Kg K * (358-298) K = 2,526 102 W KJ/h
- 10. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Balance de Calor: Igualando: ΣHR = ΣHP 4,06 104 KJ/h + 2,947 102 W KJ/h = 3,65 105 KJ/h + 2,526 102 W KJ/h Despejando: W = 7720 Kg/h Agua La cantidad de calor que se agrega al aire es simplemente entre la entalpía del aire de salida y de entrada: Salida – Entrada = 3,65 105 KJ/h - 4,06 104 KJ/h = 3,244 105 KJ/h
- 11. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Aire residuo de combustión a 800ºC se bombea a velocidad de 500 Kg/h a través de un intercambiador de calor, donde su temperatura se reduce a 500ºC. El oxígeno que entra al intercambiador de calor tiene una temperatura de 30ºC y lo hace a una velocidad de 300 Kg/h. La capacidad calorífica promedio del aire es 4,06 KJ/Kg K, mientras que la capacidad calorífica promedio del oxígeno es de 5,0 KJ/Kg K. Considerando que el intercambiador de calor posee una resistencia eléctrica la cual genera 0,5 KW determine la temperatura de salida del oxígeno.
- 12. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Ejercicio El gas de desperdicio de un proceso es de 1000 mol/h de CO, el cual se encuentra a 473 K, se quema en un horno usando aire a 373 K. La combustión es completa y se usa 90% de exceso de oxígeno. El gas de combustión de salida está a 1273 K. Calcule el calor que genera el horno. Datos: CO(g)+ ½ O2(g) => CO2 (g) ΔH298 = -282 103 KJ/mol Cpm CO = 29,38 KJ/mol K Cpm CO2 = 29,29 KJ/mol K Cpm O2 = 33,25 KJ/mol K Cpm N2 = 31,43 KJ/mol K Cpm CO2 = 49,91 KJ/mol K
- 13. 2. BALANCE DE ENERGÍA. HORNO 1000 mol/h CO 473 K M2 Gas de combustión 1273 K Calor generado (-q) M1 Aire 373 K CO(g)+ ½ O2(g) => CO2 (g) La combustión es completa y se usa 90% de exceso de oxígeno 1 mol CO => ½ mol O2 1000 mol CO = x mol O2 500 mol O2 950 mol O2 3574 mol N2 Gas de salida nO2 = n’O2 – x/2 nCO2= n’CO2 + x nN2=n’N2 x = moles consumidos CO = 1000 mol/h nO2 = 950 – 1000/2 = 450 mol/h nCO2= 0 + 1000 = 1000 mol/h nN2=3574 mol/h
- 14. 2. BALANCE DE ENERGÍA. HORNO 1000 mol/h CO 473 K 450 mol/h O2 1000 mol/h CO2 3574 mol/h N2 1273 KCalor generado (-q) 950 mol/h O2 3574 mol/h N2 373 K Términos de entrada: ΣHR sumatoria de las entalpías de las dos corriente de entrada -ΔH298 = q = ? 1000*29,38*(473-298)+950*33,25*(373-298)+3574*31,43*(373-298) = 15936 103 KJ/h 282 103 *1000 = 282 106 KJ/h Términos de salida: ΣHR sumatoria de las entalpías de la corriente de salida 450*33,25*(1273-298)+1000*49,91*(1273-298)+3574*31,43*(1273-298)=172773 103 KJ/h
- 15. 2. BALANCE DE ENERGÍA. HORNO 1000 mol/h CO 473 K Calor generado (-q) 950 mol/h O2 3574 mol/h N2 373 K 15936 103 + 282 106 + q = 172773 103 q = - 125163 103 KJ/h
- 16. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Ejercicio (Viernes 12 de Septiembre oficina Metalurgia) Ingresa a un reactor 1000 mol/h de H2 a 200 ºC y 1429 mol/h de Aire a 100ºC, reaccionan según: H2 + ½ O2 = H2O ΔG298 = -237 KJ/mol Calcule la temperatura final de los gases de salida, considere: Cpm O2 = 33,25 KJ/mol K Cpm N2 = 31,43 KJ/mol K Cpm H2 =30 KJ/mol K Cpm H2O = 38 KJ/mol K