UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA. Ingeniería Química

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Ingeniería Química Unidad II. Balance de materia con reacción química Clase Nº8 Autor: Prof. Ing. Juan E. Rodríguez C

2 Unidad II: Balance de Materia en Procesos Reactivos ÍNDICE Combustión Combustible Tipos de Combustibles Química de la combustión Condiciones que favorecen las Reacciones de Combustión Fuente de Oxigeno Términos importantes en las reacciones de combustión Diagrama de flujo para una unidad de combustión Ejercicios propuestos para esta clase

3 LA COMBUSTIÓN CALOR aprovechado (calderas) PRODUCCIÓN DE VAPOR DE AGUA, usa OPERACIÓN DE TURBINAS (GENERADORES DE ELECTRICIDAD) Y como FLUIDO DE CALENTAMIENTO En equipos Transferencia de calor (Condensadores, Tanques, Rehervidores, etc.) COMBUSTIÓN Es una reacción violenta de oxidación entre un COMBUSTIBLE y OXÍGENO, y cuya finalidad principal es la obtención de ENERGÍA EN FORMA DE CALOR (Q). COMBUSTIBLE (C,H) + O Q + CO + H O C H 6 + 4O CO + 3H O + Q COMBUSTIBLE Son sustancias que por lo general es de origen fósil, compuestos por Carbono (C) e Hidrogeno (H), aunque puede contener elementos como Azufre (S), Nitrógeno (N) y Oxígeno (O). 3

4 TIPOS DE COMBUSTIBLES Estado Tipo Estructura (Ejemplo) Sólidos Líquidos Gaseosos Carbón de Hulla Coque Madera y desperdicios (Basura) Destilados del Petróleo (Crudo) Alquitrán y Aceites Alcoholes Gas Natural Hidrocarburos Ligeros Acetileno C H Hidrógeno H Una mezcla de: Carbono(C), H O y Cenizas no combustible, Hidrocarburos y Azufre(S). Principalmente: Carbón(C). Composición variada. Gasolina, Gasoil, Kerosenes y otros: Son una mezcla de Alcanos, Alquenos y otros compuestos orgánicos. Una mezcla de: Hidrocarburos Pesados y algo de Azufre(S). CH 3 OH: Alcohol metílico. Una mezcla: 80-95% Metano(CH4), y el resto Etano, Propano y pequeñas cantidades de otros gases. Compuestos Orgánicos. 4

5 QUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN Combustión Completa Todo el Carbono que reacciona forma: Dióxido de Carbono (CO ) El carbono pasa a su máximo estado de oxidación(+4) Esta reacción es la Reacción Principal, pues genera la mayor cantidad de Energía n m O n CO m H O CnHm 4 Combustión Incompleta Todo el Carbono que reacciona forma: Monóxido de Carbono (CO) El carbono pasa a un estado de oxidación intermedio (+) Esta reacción es la Reacción Secundaria, pues genera la menor cantidad de Energía Combustión del Etano n m O n CO m H O CnHm 4 C Ejemplos de Reacciones de Combustión C O CO 1 O CO 7 O CO 3 H O 5 O CO 3 H O CH6 CH6 Combustión Completa Combustión Incompleta Completa Incompleta Favorece 1ª reacción 5

6 Reacciones de Combustión Condiciones que favorecen las Reacciones de Combustión Relación de Proporciones en las reacciones: Relación masa o moles entre el Combustible y el oxígeno Poco O CO o combustible no reacciona Exceso de O no reacciona Exceso adecuado favorece la combustión completa 6

7 Reacciones de Combustión Fuente de Oxígeno El oxígeno se obtiene de Aire Aire Es un mezcla de gases constituida por nitrógeno (N ) y oxígeno (O ) como elemento básico en un 99 %, y el resto como gases nobles, vapor de agua, Dióxido de Carbono y partículas. Sustancia % (v/v) Nitrógeno (N ) 78,08 % Oxígeno (O ) 0,95 % Argón (Ar) 0,93 % Anhídrido Carbónico (CO ) 0,03 % Neón (Ne) 0,018 % Helio (He) 0,005 % Para efectos de cálculos 79% N O 1% 7

8 Reacciones de Combustión Términos Importantes Gas de Chimenea: Son todos los gases que provienen del proceso de combustión, incluyendo el vapor de agua: H O, CO, CO, N, O, combustible sin reaccionar (gas) y otros. También llamado: Gas de Combustión, Gas de Salida, Gas residual o Gas de Emisión Composición en Base Húmeda: Es la composición del gas de chimenea con todos sus componentes (incluyendo el agua). Composición en Base Seca: Es la composición del gas de chimenea exceptuando el Agua es decir, en una base libre de agua. También llamada: ANALISIS ORSAT. Análisis Orsat: Es un procedimiento de análisis mediante el cual se recoge una muestra gaseosa en diferentes soluciones acuosas que absorben todos los componentes del mismo. Como se recogen sobre soluciones acuosas es imposible determinar la cantidad de agua por este método. Oxígeno Teórico: Es la cantidad de oxígeno requerida para que: Se consuma TODO el combustible en la reacción de Combustión Completa. Aire Teórico (Aire Requerido): Es la cantidad de Aire que contiene el Oxígeno Teórico. Exceso de Aire (o Exceso de Oxígeno): Es la cantidad de aire o de oxígeno que excede la cantidad teórica o requerida. % Exceso reactivo i n reactivo i alimentados n n reactivo reactivo i teóricos i teóricos 100% 8

9 Reacciones de Combustión Diagrama de flujo para una unidad de combustión Combustible(s) Cámara de Combustión Gas de Chimenea Fuente de Oxigeno Ejercicios 1) Se alimentan C H 6 a una unidad de combustión en la relación :10 con el agente oxidante, la fuente de oxígeno es el aire. En el cual se procesa 50 moles de etano. En el reactor se dan las siguientes reacciones: C H 6 + 7/ O CO + 3H O C H 6 + 5/ O CO + 3 H O Calcular: a) Cantidad teórica de Oxígeno b) Cantidad teórica de aire c) Porcentaje de exceso de oxígeno d) Porcentaje de exceso de aire 9

10 Reacciones de Combustión ) Se tiene una mezcla de combustible gaseoso cuya composición es de 40% C H 6, 0% C 3 H 8 y 40% de H. El etano reacciona según combustión completa. El 95% del propano reacciona por combustión completa, el 5% por combustión incompleta y el hidrogeno reacciona completamente. Se utiliza un 70% de exceso de aire y se procesan 100 moles/hora de combustible. Realice: a) El análisis de los grados de libertad b) Cálculos para determinar el flujo y la composición en base seca del gas de chimenea Solución: F 1 C H 6, 40%, X CH6 = 0,40 C 3 H 8, 0%, X C3H8 = 0,0 H, 40%, X H = 0,40 Reacciones involucradas Cámara de combustión AIRE F O 1%, X O = 0,1 N 79%, X n = 0,79 70% exceso de AIRE F 3 CO H O O N CO C H 6 + O CO + H O C 3 H 8 + O CO + H O C 3 H 8 + O CO + H O H + O H O 10

11 Lo que debe haberse aprendido en esta clase Haber repasado términos anteriormente vistos como combustión, combustibles, tipos de combustibles, reacciones de combustión, composición del aire Haber aprendido nuevos conceptos como gas de chimenea, base seca, base húmeda, análisis Orsat, exceso de aire, entre otros Haber aprendido y reflexionado sobre el abordaje y las formas de resolución de balance de materia en los que intervienen reacciones de combustión Balance de materia con reacción química Ejercicios propuesto para esta clase: Himmelblau (6º Edición) Felder (º Edición) CAP Problemas CAP Problemas Una etapa con reacción 3 15, 43-50, 53, 56,