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

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Igeería Químca Udad IV. Balace de eergía e procesos reactvos Clase Nº17 Autor: Prof. Ig. Jua E. Rodríguez C

2 Udad IV: Balace de Matera y Eergía ÍNDICE Balace de eergía e procesos reactvos Calor de reaccó Ley de Hess Calor de formacó Ecuacoes e el balace de eergía e procesos reactvos Reaccoes a temperaturas dferetes de la estádar Combustbles y Combustó Ejerccos Ejerccos propuestos para esta clase

3 Balace de Eergía e procesos reactvos Cosderemos la sguete Reaccó Químca: CH 4 + O CO + H O ES DECIR: Por qué se produce cambos de Etalpía (ΔĤ) durate ua reaccó químca? Se rompe elaces de los reactvos. Se forma uevos elaces e los productos. 3

4 EJEMPLO: Balace de Eergía e procesos reactvos CALOR DE REACCIÓN ΔĤr (T,P) També se le cooce como etalpía de reaccó, es la dfereca de etalpía etre los productos y los reactvos para ua reaccó que se lleva a cabo bajo las crcustacas sguetes: 1. Se sumstra catdades estequométrcas de reactvos, y la reaccó se efectúa completamete.. Los reactvos se sumstra a la temperatura T y presó P, y los productos sale a la msma T y P. Es decr: Para la sguete reaccó: CaC (s) + H O(l) Ca(OH) (s) + C H (g) Observacoes ΔĤ r (T, P) Ĥ productos (T, P) Ĥ S ΔĤr (T,P)<0, la reaccó es EXOTÉRMICA S ΔĤr (T,P)>0, la reaccó es ENDOTÉRMICA reactvos Ĥ (5ºC, Δ r (T, P) 1atm) 15,4kJ/mol El valor del Calor de Reaccó ΔĤr (T,P) depede de la forma como esté escrta la ecuacó estequométrca. CaC (s) + H O(l) Ca(OH) (s)+ C H (g) Ĥ (5ºC, Δ r 1atm) 15,4 kj/mol CaC (s) + 4 H O(l) Ca(OH) (s)+ C H (g) Ĥ (5ºC, 1atm) 50,8 kj/mol Δ r 4

5 Balace de Eergía e procesos reactvos El valor del Calor de Reaccó ΔĤr(T,P) depede de los estados de agregacó (gas, líqudo ó sóldo) de reactvos y productos. CH 4 (g) + O (g) CO (g)+ H O(l) Ĥ (5ºC, Δ r 1atm) 890,3 kj/mol CH 4 (g) + O (g) CO (g)+ H O(g) Ĥ (5ºC, Δ r 1atm) 80,3 kj/mol La úca dfereca etre estas reaccoes es que el agua que se forma es líquda e la prmera y vapor e la seguda. Como la etalpa es ua fucó de estado, la dfereca etre los dos calores de reaccó debe ser el cambo de etalpa asocado co la vaporzacó de mol de agua a 5ºC S el proceso ocurre a temperatura, T=5ºC y presó, P=1atm el calor de reaccó se deoma CALOR DE REACCIÓN ESTÁNDAR ΔĤº r E térmos mas geerales, s σ A es el coefcete estequométrcos de u reactvo o de u producto de la reaccó A, y se cosume o se produce A moles de A a T =To, el cambo total de etalpía es: ΔH ΔĤr(T σ A o ) * A 5

6 Balace de Eergía e procesos reactvos LEY DE HESS S ua sere de reactvos reaccoa para dar ua sere de productos, el calor de reaccó lberado o absorbdo es depedete de s la reaccó se lleva a cabo e ua, dos o más etapas, esto es que los cambos de etalpía so adtvos: ΔH eta = ΣΔH r. ΔĤº r3 ΔĤº r1 ΔĤº KJ/mol r 6

7 EJEMPLOS Balace de Eergía e procesos reactvos CALOR DE FORMACIÓN ΔĤ f (T,P) Es el cambo de etalpía para ua reaccó de formacó de u compuesto a partr de sus costtuyetes elemetales e la forma e que se ecuetra ormalmete e la aturaleza. S la reaccó ocurre a 5ºC y 1 atm, se deoma CALOR DE FORMACIÓN ESTÁNDAR, ΔĤº f. Reaccó de Formacó de Metao: C(s) + H (g) CH 4 (g) ; ΔĤº f = -74,85 kj/mol Reaccó de Formacó de Agua(g): ½ O (g) + H (g) H O(g) ; ΔĤº f = -41,83 kj/mol De forma geeral, etoces el CALOR ESTÁNDAR DE LA REACCIÓN es: ΔĤº ΔĤº f Σ σ * ΔĤ f r Σ σ * º Productos Reactvos NOTA: El calor estádar de formacó de u elemeto es cero. 7

8 Balace de Eergía e procesos reactvos BALANCES DE ENERGÍA EN PROCESOS REACTIVOS El procedmeto cosste e seleccoar los estados de refereca para todas las sustacas que etra y sale del sstema, e calcular las etalpías de todos los compoetes de los flujos co respecto a los estados de refereca, del modo: ΔH Σ salda *Ĥ Σ etrada Cuado se elge estos estados de refereca, el cambo de etalpía para el proceso puede determarse s se costruye y se llea la tabla de velocdades de flujo de los compoetes de los flujos de etrada y de salda,, y de las etalpías especfcas Ĥ, como sgue: ΔH AR * Ĥº A r Σ salda *Ĥ Dode: A: Cualquer reactvo o producto AR : Moles de A que se produce o se cosume durate el proceso σ A : Coefcete estequométrco de A. *Ĥ Σ etrada Ejemplo: Determe el calor estádar de reaccó para la combustó del -petao líqudo, asumedo que el agua sale como líqudo e el producto de la combustó. Solucó: ) Escrbmos y balaceamos la ecuacó: C H 8O 5CO 6H ) De la ecuacó sguete, se determa el calor de reaccó ΔĤº r 5*(ΔĤº ) * Ĥ 5 1(l) (g) (g) O(l) 6*(ΔĤº ) - (ΔĤº ) f CO (g) f HO(l) f C5H1 (l) 8

9 Balace de Eergía e procesos reactvos REACCIONES A TEMPERATURAS DIFERENTES DE LA ESTÁNDAR Los procesos dustrales dode ocurre reaccoes químcas raramete se lleva a cabo a codcoes e codcoes estádar, stuacoes e las cuales se debe crear ua ruta magara que os permta obteer el cambo deseado, utlzado la formacó dspoble de maera smlar a la utlzada para los procesos de cambo de fase. Reactvos T 1 Productos T Ĥ 1 Ĥ Etoces ΔĤ ΔĤ ΔĤ 1 T 1 p j1 σ σ ΔĤ 1 j * * 5ºC T1 T 5ºC Cp Cp j Reactvos 5ºC *dt *dt ΔĤº r ΔĤ Productos 5ºC Ĥº r Dode: σ : coefcete estequométrco del reactvo σ j : coefcete estequométrco del producto j Ĥ T : Cambo de etalpía especfca total para la reaccó NOTA: Estas ecuacoes so aplcables tato a sstemas abertos, como a sstemas cerrados a presó costate. 9

10 Balace de Eergía e procesos reactvos Ejemplo 1: El calor estádar de reaccó a 5 ºC y 1 atm para la oxdacó del amoaco es Ĥºr= KJ/mol. U reactor se almeta co 100 mol de NH 3 /h y 00 mol de O /h, a 5 ºC, e dode el amoaco se cosume completamete. El flujo de productos sale como u gas a 300 ºC. Asuma que todo el Reactvo Lmtate se cosumó por completo e la reaccó. Calcule el calor trasferdo, a 1 atm. 4NH3(g) 5O(g) 4NO(g) 6HO(g) Solucó: ) Determe las etalpías descoocdas: O, NO y H O ) De la ecuacó sguete, se determa el calor de reaccó 100mol NH * 904.6KJ ΔH Σ 4mol NH 3 *Ĥ Σ * Ĥ salda etrada 3 Ejemplo : Se oxda metao co are para producr formaldehdo e u reactor cotuo. La combustó del metao para formar CO es ua reaccó que compte co la ateror CH (g) O (g) HCHO(g) H O(v) CH 4 4 (g) O (g) CO (g) H O(v) 100 mol CH 4 T=5ºC 100 mol O 376 mol N T=100ºC Reactor 60 mol CH 4 30 mol HCHO(g) 10 mol CO 50 mol H O(v) 50 mol O 376 mol N T=150ºC 10

11 Balace de Eergía e procesos reactvos COMBUSTIBLES Y COMBUSTION Alguos coceptos prevos: El valor de caletameto (o valor calórco): Es el valor egatvo del calor estádar de combustó, geeralmete expresado por udad de masa de sustaca. El valor mayor de caletameto o el valor total de caletameto o el valor bruto de caletameto (VBC): VBC VNC *ΔĤv (H O, 5ºC) El valor meor de caletameto o el valor eto de caletameto (VNC): es el valor basado e H O (v) como producto. S se está e preseca de ua mezcla de combustbles, su valor de caletameto es: VC Σ x *(VC) TEMPERATURA DE LLAMA ADIABÁTICA Σ salda *Ĥ *T AD f *ΔĤº c Σ etrada Ĥºc: Calor de combustó del combustble a 5ºC : Moles del -ésmo compoete e la etrada o e el producto Ĥ : Etalpía específca del -ésmo compoete co respecto a este compoete a 5ºC e el estado de agregacó para el que se especfca Ĥºc T 11 AD : Temperatura del producto, que por defcó es la T de llama adabátca. *Ĥ *T ALIM

12 Ejerccos: Balace de Eergía e procesos reactvos 1) Determe el calor estádar de reaccó para la combustó completa del -petao líqudo, supoedo que H O(l) es u producto de la combustó. C5H1(l) 8O (g) 5CO (g) 6HO(l) ) El metao se oxda para producr formaldehído e u reactor cotuo. La combustó del metao para formar CO es ua reaccó de competeca, como se muestra: CH 4 (g) + O HCHO(g) + H O(g) CH 4 (g) + O CO (g) + H O(g) La presó es lo sufcetemete baja para que se cosdere que el gas se comporta dealmete. S el metao etra al reactor a 5ºC y el are etra a 100ºC. Cuáto calor debe extraerse para que el flujo de productos salga a 150ºC? 3) Se produce etaol, medate la reaccó e fase gaseosa del etleo y agua: CH4(g) HO(g) CH5OH(g) Los reactvos se almeta al reactor e proporcó 1:1 co u flujo de 100 mol/h. La temperatura de la almetacó es de 150ºC y la temperatura de la correte de productos es de 75ºC. La coversó es del 100%. Determe, el calor que se debe trasferr haca o desde el reactor. 4) Se lleva a cabo la deshdrogeacó de etaol para formar acetaldehído e u reactor adabátco. C H 5 OH(g) CH 3 CHO(g) + H (g) ΔĤºr(5ºC) = +68,95 KJ/mol El reactor se almeta co el vapor de etaol a 300ºC, y se obtee ua coversó de 30%. Determe la temperatura del producto. 1

13 Balace de Eergía e procesos reactvos EJEMPLO: El amoíaco se oxda co are para formar óxdo ítrco e el prmer paso de la produccó de ácdo ítrco. Ocurre dos reaccoes prcpales: 4NH O NO + 6 H O CH 4 (g) + O (g) CO (g)+ H O(l) S se almeta al proceso 100 mol/m de NH 3 gaseoso a 5 ºC y 8 bar de presó, y 900 mol/m de are a 150 ºC y 8 Bar, producédose 105 mol/m de u flujo gaseoso a 700ºC y 8 Bar que cotee: NO: 8,78%, H O: 14,7%, N : 69,85% y O : 6,73% Calcule: El flujo de calor ecesaro para este proceso. Datos para el proceso Sustaca ΔĤº f (kj/mol) (Tabla B.1) Cosderado la correte de almetacó F 1 Cosderado la correte de almetacó F Datos de Cp (kj/mol) (Tabla B.) a x10 3 b x10 5 c x10 8 d x10 1 NO 90,37 9,5 0,8188-0,95 0,365 H O -41,83 33,46 0,6868 0,7604-3,593 N CERO 9,0 0,199 0,573-8,71 O CERO 9,10 1,158-0,6076 1,311 Ĥ 1 46,191 Ĥ 3,666 kj/mol kj/mol Cosderado la correte de almetacó F 3 Falmete el Calor para el Proceso: Ĥ 3 7,19 Q 611,7 kj/mol kj/m 13

14 Balace de Eergía e procesos reactvos METODOS DE SOLUCION DE BALANCES DE ENERGIA Trayectoras Hpotétcas Método 1) Se dvde el Proceso e trayectoras smples: Cambos de P:Ctte. Cambos de T:Ctte. Cambos de P:Ctte y T: Ctte. Reaccoes P:Ctte y T: Ctte. ) Se calcula cada cambo dvdual, luego el cambo total será: ΔĤ TOTAL 1 ΔĤ ΔÛ Estados de refereca Método 1) Se defe u estado de refereca dode la Etalpía Específca y la Eergía Itera es CERO: S solo ocurre cambos de temperatura Refereca: sustacas y temperatura. S además ocurre cambos de Fase Refereca: sustacas, fases y temperatura. S además ocurre reaccó químcas Refereca: elemetos, fases y temperatura. ) Se calcula las Etalpías Específcas para cada etrada y salda sguedo trayectoras hpotétcas: TOTAL 1 ΔÛ Ĥ Δ K Ĥ Edo.de Edo.del késmo Flujo Refereca 3) Se calcula las Etalpías Absolutas de cada flujo: H K m 4) Se evalúa el cambo de Etalpía Total del sstema como: ΔHTOTAL HK H K Hˆ K SALIDAS k ENTRADAS 14

15 Balace de Eergía e procesos de sstemas o reactvos Lo que debe haberse apreddo e esta clase Haber apreddo uevos coceptos acerca calor de reaccó, calor de formacó, ley de Hess, etre otros Saber detfcar las trayectoras hpotétcas de etalpías para procesos reactvos Haber apreddo y reflexoado sobre el abordaje y las formas de resolucó de balace de eergía e procesos reactvos Balace de eergía e sstemas reactvos Ejerccos propuesto para esta clase: Hmmelblau (6º Edcó) Felder (º Edcó) CAP Problemas CAP Problemas Procesos 5 91, 93-98, 108, 111, , 10-18,