BALANCES DE ENERGÍA (2horas)

Transcripción

1 BALANCES DE ENERGÍA (2ras) Cncepts teórics -La base teórica para la realización de este tip de prblemas la prprcina el Primer Principi de la Termdinámica: U = Q + W. Cm estudiantes de Ingeniería de la Energía, cnsiderarems el siguiente cnveni de signs: q>0 SISTEMA q<0 DÍA 4b: 3 de abril de Vams a encntrar ds tips de prblemas en este blque, que estarán determinads pr el tip de reactr y que exigirán determinar incógnitas diferentes: 1) Reactres isterms: Habrá que determinar el calr que ay que prprcinar quitar al reactr; es decir: H reactr = Heat duty 2) Reactres adiabátics: Cm su Heat Duty es igual a 0, abrá que determinar la temperatura de salida de ls gases: T S -Hay que tener en cuenta que, cm mucs prcess sn a presión cnstante, se cumplirá: H = q 6. -Hay ds métds para la realización de ests prblemas. A cntinuación, intrducirems el primer, mientras que el segund l cnsiderarems a partir de un ejempl práctic (P-32) más adelante: H 789:;<7 = H 7 < n? + n C A H A n A H A? B9CAD9 FG;79D9 Siend: ü H reacción = Prducts H f Reactivs H f, a partir de las entalpías de frmación. ü C A : el ceficiente estequimétric del reactiv A (C? A C T B + C V C). ü n A : ls mles que reaccinan realmente del reactiv A. ü n i : ls mles de entrada y de salida de ls diferentes cmpuests. ü H i : la entalpía latente de cada cmpuest, la cual es cncida a la temperatura de 25ºC, y se calcula: H A = Y Z C 6 dt = C 6^ T 298 en numerss [\] prblemas, ya que se aprxima la expresión del calr específic a presión cnstante: C 6^ = a + b T + c T [ + a -Para la reslución de ls prblemas, se recmienda la realización de una tabla que sintetice las sustancias y sus parámetrs (se requiere un pequeñ balance de masa al principi de cada prblema). 1 Apuntes descargads de wula.cm

2 Prblema 31 (Heat Duty) 31.- El calr nrmal de reacción a 25 ºC y 1 atm para la xidación de amníac: 4NH3 (g) + 5O2 (g) 4NO (g) + 6H2O (g) es Hºr = - 904,6 kj. Cien mles de NH3/ y 200 mles de O2/ a 25 ºC se alimentan a un reactr en el cual se cnsume cmpletamente el amníac. La crriente de prduct emerge cm un gas a 300 ºC. Calcular el calr transferid desde acia el reactr, supniend que la peración se realiza a 1 atm. aprximadamente. Dat: Capacidades calríficas O2 H2O NO (J/mlºC) (30,8) (34,8) f(t) Cp_NO = (29,50 + 0,8188 x 10-2 t 0,2925 x 10-5 t^2 + 0,3652 x 10-9 t^3) Slución: H = kj/. -Buscams allar el Heat Duty, pr l que debems determinar ls siguientes parámetrs (empleand 1 ra cm base de cálcul): H 789:;<7 = H 7 < n? + n C A H A? B9CAD9 FG;79D9 n A H A -Dnde, de acuerd cn la estequimetria de la reacción: C A = 4. Y, cm reaccina td el amniac: n A = 100; quedand el primer términ perfectamente definid: = H 7 < n? = 904,6 C? 4 kj 100 = kj -Pr tr lad, para ls trs ds términs, ns servims de la tabla. En este prblema cncret, el términ de las entradas será igual a 0 ya que se prducen a 25ºC, siend las entalpías latentes igual a 0: SUSTANCIA ne (ml) HE (kj/mlºc) ns (ml) HS (kj/mlºc) NH O ,47 NO ,1125 H2O ,57 Dnde ls ceficientes de las salidas se allan pr estequimetría de la reacción a partir del reactiv limitante y las entalpías latentes a partir de ls respectivs calres específics (Para el NO, cnsiderams: C 6st = [\,uv ) w<c ºV -Quedand: H reactr = kj 2 Aximasbks: Vende tus librs de estudiante. Es muy fácil!!

3 Prblema 33 (Temperatura de salida adiabática) DÍA 5: 4 de abril de Se lleva a cab la desidrgenación de etanl, para frmar acetaldeid, C2H5OH (g) CH3CHO (g) + H2 (g) Hºr (25 ºC) = + 68,95 kj/ml. en un reactr adiabátic. Se alimenta vapr de etanl al reactr, a 300 ºC, bteniéndse una cnversión del 30%. Calcular la temperatura del prduct, utilizand las siguientes capacidades calríficas: C2H5OH (g): Cp = 0,110 kj/ml ºC. C2H4O (g): Cp = 0,080 kj/ml ºC. H2 (g): Cp = 0,029 kj/ml ºC. Slución: Ts = 112 ºC. -Partirems de una base de cálcul de 100 mles de etanl. -Cm se trata de un reactr adiabátic, el Heat Duty: H 789:;<7 = ~ G B9CAD9 n A H A FG;79D9 n A H A = 0. V + -Dnde, de acuerd cn la estequimetria de la reacción: C A = 1. Y, cm reaccina un 30% del etanl de entrada, según la cnversión: n A = 30; quedand el primer términ perfectamente definid: = H 7 < n? = +68,95 kj ml 30 = +2068,5kJ C? 1 -Pr tr lad, para ls trs ds términs, ns servims de la tabla: SUSTANCIA ne (ml) HE (kj/mlºc) ns (ml) HS (kj/mlºc) C2H5OH ,25 70 (Ts-25)*0,11 CH3CHO 0-30 (Ts-25)*0,08 H (Ts-25)*0,029 -Lueg, en la expresión inicial: H 789:;<7 = 2068,5 kj + T B 25 0, , , kj [100 30,25]kJ = 0 -Quedand: T S = 112ºC 3 Aximasbks: Vende tus librs de estudiante. Es muy fácil!!

4 Prblema 32 (Heat Duty, más de una reacción química) 32.- Se xida metan cn aire a fin de prducir frmaldeíd en un reactr cntinu. Una reacción cmpetitiva es la cmbustión de metan para frmar CO2. 1) CH4 (g) + O2 HCHO (g) + H2O (g); Cnv. mlar = 30% 2) CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O (g); Cnv. mlar = 10% A cntinuación, se incluye un diagrama de fluj del prces para una base supuesta de 100 mles de metan de alimentación. La presión es l suficientemente baja cm para que pueda supnerse cmprtamient de gas ideal. Si el metan entra en el reactr a 25 ºC y el aire entra a 100 ºC. Cuánt calr debe eliminarse para que la crriente de prduct salga a 150 ºC? Slución: H = kj. -Cnsiderand una simplificación del primer métd, en la que la entalpía latente englba: H A = H < Y A + Z C 6 dt; es decir, incluims las entalpías de frmación. De [\] esta frma, la expresión del Heat Duty queda: H reactr = Salida n i H i Entrada n i H i -OJO: N se pueden tacar ls cmpuests inertes de la tabla, ya que entran y salen a distintas temperaturas. -Una vez ecas estas cnsideracines, prcedems a la realización de la tabla: SUSTANCIA ne (ml) HE (kj/mlºc) ns (ml) HS (kj/mlºc) CH4 100 (-74,85)+0 60 (-74,85)+(39,2*10^-3*(150-25)) O (29,8*10^-3*(100-25)) 50 (30*10^-3*(150-25)) N (29,16*10^-3*(100-25)) 376 (29,24*10^-3*(150-25)) HCHO 0-30 (-115,9)+(9,12*10^-3*(150-25)) CO (-393,5)+(39,52*10^-3*(150-25)) H (-241,83)+(34,16*10^-3*(150-25)) -Quedand: H r = 15400kJ 4

5 Prblema 43 (Heat Duty) 43.- El eptan nrmal se desidrcicliza catalíticamente a tluen, en un prces de idrfrmación en fase vapr: C7H16 (g) C7H8 (g) + 4H2 (g) La reacción se lleva a cab en un reactr istérmic a 400 ºC y 1 atm. El reactr se alimenta cn eptan pur, y se alcanza una cnversión del 35%. 1º Calcular el calr de reacción a 400 ºC, usand las entalpías estándar de frmación y las capacidades calríficas tabuladas para reactivs y prducts. 2º Calcular la velcidad (kj/) a la que se debe transferirse calr desde acia el reactr (indicar el sentid) para una velcidad de prducción de tluen de 200 kg/ ( Heat duty del reactr). Slución: a) Hr400 ºC = + 242,6 kj/ml C7H8 prducid; b) H = 527,4 MJ/ -En el primer apartad, tenems que cnsiderar la entalpía de reacción a 400ºC. Para ell, debems allar la entalpía de frmación de ls diferentes cmpuests a dica temperatura (cn las crrespndientes expresines de ls calres específics): ºV H V ~ < = H V ~ + [u C 6V ~ dt 10 = 83,74 kj ml ºV H V ~] = 115,6 v ; H w<c ºV ~[ = 10,82 v OJO: Aunque la entalpía de w<c frmación estándar del H 2 g es 0, n l es a 400ºC. -Quedand: H reacción = 242, 58 kj/ml Para la realización del segund apartad, ns valdrems del segund métd, que se rige pr la expresión: H reactr = H r Tr n A C A ; en la que se an simplificad ls demás términs, ya que abría que cmparar las entalpías latentes cn T r -Lueg, alland ls mles que reaccinan de eptan (en este cas, iguales a ls mles que se btienen de tluen): n V ~] = [ œ ž \[ Ÿ = 2174 ml/ -Quedand: H reactr = kj 242,58 ml 2174ml = 527, kj = 527, 4 MJ 1 5 Aximasbks: Vende tus librs de estudiante. Es muy fácil!!