“AÑO DEL CENTENARIO DE MACHU PICCHU PARA EL MUNDO”

CURSO : OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS.

DOCENTE : MIÑANO CALDERON, BENIGNO.

FACULTAD : INGENIERÍA.

ESCUELA : INGENIERÍA INDUSTRIAL

CICLO : VI

INTEGRANTES :

ALEGRE HINOSTROSA, FRANKLYN.BLAS TONGOMBOL LUÍS ALBERTO.CORTES VILCHES, GIAN CARLOS.GARCIA MORENO, JUAN.GAYOSO OLIVERA, JAIME.GURRIONERO PAULOMILUTINOVICH ESCARATE, ZDORKA.PARDO ARTEAGA, ERASMO. VALDIVIEZO LA ROSA, ANDRES MARVIN.VILLACORTA SIFUENTES, VICTOR.

AÑO :

PROBLEMA N°1: En un horno se pretende utilizar gas metano (CH4) puro como combustible utilizando un exceso de aire de combustión del 40 %.

Se dispone de los siguientes datos:- ΔHf(J/mol): CO2(g)=-393520, CH4(g)=-74850, H2O(g)=-241820, H2O(l)=-285830 - Capacidades caloríficas a presión constante en KJ/(Kmol*K): Cp(CO2)=40.1, Cp(O2)=30.0, Cp(N2)=29.2, Cp(H2O)=30.9- Temperatura ambiente TA=15°C.- Temperatura de humos a chimenea 160ºC- Calor específico de humos (promedio) Ce=1.015KJ/ (kg*K).- Peso molecular del aire: 28.9 g/mol, Densidad del aire: 1.293 kg/m3 - Se desprecia la humedad del aireSe desea saber:a) Poder calorífico superior e inferior del gas metano en KJ/kg.b) Consumo de combustible en kg/s y aire en m3/s para un aporte de calor de 104 KJ/s.c) Rendimiento calorífico de la instalación.

Solución:

Ingresan Salen

Rx: 1CH4 + 2O2 1CO2 + 2H2O ……………………. + Calor∆H f -74850 -393520 -241820

∆HR= [-393520 + 2(-241820)] – [-74850]∆HR= -877160 + 74850∆HR= -802.31 KJ/mol PCI (negativo por ser exotérmico)

Donde:- 597: Calor de Condensación del H2O a 0oC (Kcal/Kg) 597Kcal * 4.18 KJ * 16 Kg = 39927.36 KJ/mol KgCH4

1Kcal 1molCH 4

- G: Porcentaje del H2O formado por la combustión del Hidrógeno más la humedad propia del combustible:

HORNO

CO2 (g) H2O (vapor) O2 N2

CCH4 (g)

Aire Seco

O2 = 21% N2 = 79% Exceso: 40%

PCI= PCS – (597*G)

G= (A*%) + H2O

∆HR= R=∑ ∆ H f P−∑ ∆H f R

Aire = O2 Exceso

0.21

Donde:A: Kg de H2O que se forman al oxidar un Kg de Hidrógeno.%: Porcentaje de impurezas que puede tener el Hidrógeno en el combustible; pero debido a que es un gas metano puro, no se considera.

PCS= PCI + 39927.36 KJ/molPCS= -802.31 KJ/mol+39927.36 KJ/molPCS= 39125.05 KJ/mol

Respuesta (a): PCI= -802.31 KJ/mol y PCS= 39125.05 KJ/mol

Base de Cálculo: 100 kgmol/s de CH4:Rx:1CH4 + 2O2 1CO2 + 2H2O1kgmol/s 2kgmol/s 1kgmol/s 2kgmol/s100kgmol/s 200kgmol/s 100kgmol/s 200kgmol/s

∆HR=-80231KJ/molX …………………………………………………………….. Q=-10000KJ/s (energía útil)

Combustible (CH4):100Kgmol/sCH4 -80231 KJX Kgmol/sCH4 -10000 KJ/s

X= 100*10000 = 12.46 Kgmol / sCH 4 * 16 Kg X= 199.36 Kg/s

80231 1 KgmolCH4

O2 Necesario:12.46 Kgmol / sCH 4

XO 2

1 Kgmol / sCH 42 Kgmol / sO2

XO 2= 24.92Kmol/s de O2 (necesario o teórico)

O2 Exceso= 1.4*24.92O2 Exceso= 34.89 Kgmol/s de O2 Aire = 34.89 Kgmol/s

0.21(Aire seco) Aire = 166.14 Kgmol/s

∂Aire=mV

V= m∂Aire

; ∂Aire=¿ 1.2Kg/m3

V=166.14Kg / s1.2Kg /m3

V= 138.45m3/s

Respuesta (b): Consumo de Combustible: X= 199.36 Kg/s

O2 Exceso= 1.4*O2 necesario

Consumo del aire: V= 138.45m3/s

Rendimiento Calorífico de la Instalación:

Q= m*Cp*(160oC – 15oC) Q= m*Cp*(145oK)Q=[ (mCO2

∗CpCO2 )+ (mH 2O∗CpH 2O )+(mN 2

∗CpN2 )+(mO2∗CpO2 )]∗145K

Q= [ (0.044∗40.1 )+(0.036∗30.9 )+(0.064∗30)+(0.056∗29.2)]∗145KQ= 6.432 Kg/s K x 145 K = 932.64 Kg/s

R=εuεa

∗100→R=( εa−ε p )ε a

∗100

R= 10000(932.64∗12.46 )

∗100

Respuesta (c) = 86.05 %

HORNO

εP

ε uε a

Q= m*Cp*∆T

PROBLEMA N° 4: Cuantos m3 de aire se necesitan para la combustión completa de una tonelada de carbón. Se supondrá que el aire contiene 1/5 de su volumen en oxigeno

Solución:

C + O2 CO2

12g. C 22,4 Lt. O

106 g. C X Lt. O

1Mol de carbono

1Mol de oxigeno

Dato teórico

X = 10 6 g. C * 22,4 Lt. O

X = 1,87 *106 Lt. O.

V aire = V O2 * 5 = 9.35 *106 Lt. Aire.

V aire = 9350 m3

12 g. C

1 m 3 103 Lt.

22,4 Lt. De oxigeno

PROBLEMA N° 7: Un horno quema carbón de composición: C = 87%, H = 5%, O2 = 1%, S = 1%, N2 = 1%, cenizas = 5%. El análisis de los humos secos producidos da: CO2 = 14.8%, SO2 = 0.1%, O2 = 4.1%, N2 = 81%.

Calcular el exceso de aire utilizado y el volumen de los humos producidos sabiendo que salen a una temperatura de 250°C y a una presión de 730 mm Hg en la combustión de 1 TN de carbón.

Solución:

C= 87%H2= 5% CO2= 14.8% S= 1% SO2= 0.1%N2= 1% O2= 4.1% O2= 1% Aire seco N2= 81%Cenizas=5% (O2, N2)

Entran Salen

Base de Cálculo: 1000 kg de Carbón

C= 870kgH2= 50kg O2= 10kg S= 10Kg N2= 10kg Cenizas= 50Kg

Reacción SalidasO2 CO2 H2O SO2

1C + 1O2 1CO2 870 870 ----- -----2H2 + 1O2 2H2O 25 ----- 50 ----1S + 1O2 1SO2 10 ----- ---- 10Total (Kg necesarios) 905 870 50 10

A partir del CO2 en la salida:Salen % Total (gases secos)

870kgCO2 14.8 X kgCO2 100

X=5878.4 kgCO2 gases secos

HORNO

V=nRTP

O2 salida = (0.041) (5878.4) O2 salida = 241 kg

O2 neto = O2 necesario - O2 propio del carbón

O2 neto = 905 – 10 O2 neto = 895 kg

O2 ingresa = O2 neto + O2 salida

O2 ingresa = 895 + 241 O2 ingresa = 1136 kg

O2 exceso= * 100 O2 exceso = 26.93%

Aire en exceso = 26.93 * 100 Aire en exceso = 128.2% 21

Cálculo del volumen de los humos producidos:

T°= 250 +273 R= 0.0821 (L*atm)/(mol*°K)

T°= 523 °K R= 8.2x10-3 (m3*atm)/ (mol*°K)

P= 730 mmHg * 1atm P = 0.96 atm 760 mm Hg

V= (5878.4mol) (8.2x10 -3 (m 3 *atm)/(mol*°K)(523°K) V= 262.6 m3

0.96atm

Rpt: Exceso de aire: 128 % Volumen: V= 262.4 m3

O2 ingresa

O2 neto

PROBLEMA N° 10: Un horno se alimenta de un gas de coqueria con la siguiente composicion molar: H2 = 56%, CH4 = 28%, CO = 10%, CO2 = 5%, N2 = 1%. Se quema con un 50% en exceso de aire. El gas se introduce a 50°C y el aire a 125 °C.

a) Escriba y ajuste las reacciones de combustión.b) Calcule la composición de la corriente de salida del horno.c) Calcule la máxima temperatura (temperatura adiabática) a que pueden salir los gases de

combustión suponiendo que esta se completa.

COMPUESTO ENTALPIA DE FORMACIÓN A 25°C Kcal/molCH4 -17.9CO -26.4CO2 -94.1H2O -57.8

Solución:

H2= 56% CO2 CH4= 28% H2OCO= 10% O2

CO2= 5% Aire seco N2

N2=1% Exceso 50% (O2, N2)

T2 = 125 °CEntran Salen

T1 = 50 °C

a.

1H2 + 1/2O2 1 H2O56 Kg/mol 28 Kg/mol 56 Kg/mol

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O28 Kg/mol 56 Kg/mol 28 Kg/mol 56 Kg/mol

HORNO

CO + 1/2O2 CO2

10 Kg/mol 5 Kg/mol 10 Kg/mol

(O2) requerido 89 Kg/mol(O2) entrante = 89 Kg/ mol * 1.5 = 133.5 Kg/ mol.Entrada de aire = 133.5 Kg/ mol = 635.71 Kg/ mol

0.21 (% O2 )

N2 entrante = 635.71 Kg/ mol * 0.79 = 502.21 Kg/ mol

(aire) O2 exceso = (133.5 Kg/ mol) – (89 Kg/ mol) = 44.5 Kg/ mol

b.

Humos secos ( producto) Caudal molar (Kg/ mol) %CO2 38 5.45H2O 112 16.08O2 44.5 6.39N2 502.21 72.08

TOTAL 696.71 100

(Q1) T1 = 50°C (Q3) Ts = ?

2

(Q2) T2 =125°C

Aire

Q1 + Q2 = Q3

( mH2 * CpH2) * ( Ts – 323 K) + ( mO2 * CpO2) + ( mN2 * Cp N2) * (Ts -398 K) = ( mCO2* CpCO2) ( Ts-te)

(56 Kg/mol * 7.6 cal/mol*K) * ( Ts – 323 K) + (44.5 Kg/mol *7.3cal/mol*K) + 502.21 Kg/mol * 7 cal/mol*K) * (Ts -398 K) = ( 38 Kg/mol * 10.2 cal/mol*K) ( Ts-298)

425.6 ( Ts – 323k) + 3840.32 ( Ts – 398) = 387.6 (Ts-298K)

HORNO

Se asume que es un proceso adiabático lo cual indica que no perdida de calor. Q = 0

Asumimos una te CO2 = 298K

Ts (425.5 + 3840.32 – 387.6) = - 115504.8 + 137468.8 + 1528447.36

3878.32 Ts = 1550411.36

Ts = 399.76K

PROBLEMA N°8: Un combustible cuya composición en masa es: 82% de C, 12% de H, 6% de O. Se quema con 250% de aire teórico. Se debe que en la combustión, el 90% de C reacciona formando CO2, el resto del carbono, reacciona formando CO. Calcular:

a) Aire teórico y el aire real en Kg de aire/ Kg de combustible.b) El análisis gravimétrico (% en masa) de los productos.

Solución:

CO2

CO H2O

O2

N2

a) Aire (100%) estequiométrico = ? Aire real/ Kg de combustibleBase de cálculo: 1Kg de combustible

Comp. Kg/mol RxO

estequiométrico

O libre

C(0.82)(0.9)/12 1C + 1O2 CO2 0.06 ------(0.82)(0.1)/12 1C + ½ O2 CO 0.006 ------

H2 0.12/2 1H + ½ O2 H2O 0.06 -------O2 0.06/32 ---------- --------- 1.87 * 10-3

total -------------- ------------- 0.126 --------

CO2 CO H2O

HORNOCombustible

Aire Seco 250% exceso

0.06 --------- --------------- 0.003 --------------- --------- 0.03-------- --------- --------

Aire teórico o estequiométrico:

1C + 1 O2 1 CO2

0.82/12 0.82/12

O entrada = Estequiométrico - O Libre

O2 = 0.82/12 - 1.87*10-3

O2 = 0.07

Aire = 0.07/0.21 = 0.33 Kg/mol

Aire Real:

ONeto = Oestequometrico - Olibre

Oneto = 0.124

Aire = ONeto/0.21 = 0.59 Kg/mol

Airereal = (0.59) 3.5 = 2.07 Kg/mol

b) Composición de productos

Componentes Kg/mol x mol Kg %CO2 0.06 x 44 mol 2.64 4.76H2O 0.03 x 18 mol 0.54 0.97CO 0.003 x 28 mol 0.08 0.14O2 0.31 x 32 mol 9.92 17.89N2 1.51 x 28 mol 42.28 76.24

Total -------- 55.46 100

Calculando O2 y N2:

O2 = Oentrante - Oneto

O2 = 0.21 (2.07) – 0.124 = 0.31 Kg/mol

N2 = 0.79 (2.07) – 0.124 = 1.51 Kg/mol