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CAPITULO V BALANCE DE ENERGÍA CON REACCIÓN QUÍMICA 1.- Hidracina líquida ( N2H4 ) se inyecta a una cámara de combustión a chorro a 400K y se quema con 100% de aire en exceso que entra a 700K . La cámara de combustión tiene una chaqueta de agua. Los productos de la combustión salen en el chorro de escape a 900K . En la prueba si se queman 50 kg mol/h, y agua a 25C entra a la chaqueta de agua de enfriamiento a razón de 100 kg/min ¿podrá la línea de salida de agua manejar esa gran cantidad de vapor a 1 atm.? N2H4 ( l ) + O2

N2 + 2 H2O

Datos : Δ Hof de N2H4 ( l ) = 44.77 kJ / gmol C p de N2H4 ( l ) = 139 J / g mol C 2.- El óxido de fierro ( Fe2O3 ) se reduce a hierro metálico por reacción con el carbono en un horno de lecho fluidizado de acuerdo a : 2 Fe2O3 (s) + 3 C (s)

4 Fe(s) + 3 CO2 (g)

La fluidización se lleva a cabo por adición de oxígeno a alta presión y temperatura, el cual no interviene en la reacción química, pero aporta el calor necesario para el proceso. El óxido y el coque ( que es carbono puro ) se cargan al horno a 50C ; el oxígeno puro ingresa a 600C y 5 atm, el hierro metálico puro y los productos gaseosos se descargan a 400C y 1 atm. Si las pérdidas totales de calor en el horno son de 20000 kcal/h y al horno ingresan 500 m3/ h de oxígeno puro, se pide determinar : a.- La cantidad de hierro producido por hora b.- El volumen de productos gaseosos obtenidos en m3/ h Datos : C p ( cal/mol K ) Entalpia del O2 ( cal/mol ) Fe2O3 (s) = 24.72 + 0.016T Fe (s) = 4.13 + 0.006T C (s) = 2.67 + 0.004T C m del CO2 ( cal/mol C ) a 25 C = 8.716 a 400 C = 10.36

a 25C = 175.00 a 400C = 2950.94 a 600C = 4150.18 Calor de formación ( a 25 C ) Fe2O3 (s) = -196.5 kcal/mol CO2 (g) = -94.1 kcal/mol

Peso atómico del Fe = 56 g / at-gr

3.- En la fabricación de Benzaldehido, se pasa una mezcla de tolueno y aire a tráves de un lecho catalítico donde se produce la siguiente reacción :

C6H5CH3 + O2 = C6H5CHO + H2O Se alimentan al convertidor aire seco y tolueno gaseoso a temperatura de 356°F y presión atmosférica. Para mantener un alto rendimiento, se alimenta aire con 80% de exceso sobre el requerido para la conversión completa de tolueno cargado. Sin embargo, el grado de conversión de la reacción es únicamente 15%. Debido a la alta temperatura del lecho catalítico, un 0.5% del tolueno cargado se quema formando CO2 y H2O. C6H5CH3 + 9 O2

=

7 CO2 + 4 H2O

Se circula agua de enfriamiento a través de las camisas del convertidor entrando a 86°F y saliendo a 113°F. Los gases calientes que salen del convertidor están a 410°F. Durante una prueba que duró cuatro horas, se recolectó una capa de agua de 30 lbs una vez que se habían enfriado los gases de salida. Calcule : a.- Composición de la alimentación al convertidor b.- Composición de los gases que salen del convertidor c.- Galones por hora de agua de enfriamiento requerida en las camisas del convertidor Datos adicionales: Calor de formación del Tolueno líquido a 25°C es 2.90 kcal/mol Calor de vaporización del tolueno 98.6 cal / g a 25°C Cp tolueno gaseoso = 31.8–1.62x10-2 T+ 1.44x10-3 T2 en joule/mol K Calor de formación del Benzaldehído líquido a 25°C es –21.3 kcal/mol Calor de vaporización del Benzaldehido 86.5 cal/g a 210°C Calor específico del Benzaldehido líquido 0.43 cal/g°C 4.-El etilbenceno se convierte en estireno por la reacción de deshidrogenación catalítica C8H10 (g)

C8H8 (g) + H2

ΔHr ( 600°C ) = + 124.5 kJ / mol

Se combina etilbenceno líquido fresco y recirculado y se calienta desde 25°C a 500°C (A); el etilbenceno calentado se mezcla adiabáticamente con vapor a 700°C (B) para producir la alimentación del reactor a 600°C. ( el vapor evita las reacciones secundarias no deseadas y extrae el carbono depositado en la superficie del catalizador ) se alcanza una conversión del 35% en el reactor (C), y el producto sale a 560°C. El flujo de productos se enfría (D) a 25°C, por lo que se condensa esencialmente toda el agua, el etilbenceno y el estireno, permitiendo así que el hidrógeno salga como un subproducto recuperable del proceso. El agua y los hidrocarburos líquidos son inmiscibles y se separan en un tanque decantador (E). El agua se evapora y se calienta (F), y el vapor se recircula para mezclarse con la alimentación el etilbenceno del reactor. El flujo de hidrocarburo alimenta a una torre de destilación alimenta a una torre de destilación (G) ( de hecho una serie de torres ), donde se separa la mezcla en estireno y etilbenceno esencialmente puros, cada uno a 25°C, una vez que se han efectuado las etapas de enfriamiento y condensación. El etilbenceno recircula al precalentador del reactor, y el estireno se extrae como producto. a.- Con una base de 100 kg / h de estireno producido, calcula el valor de la velocidad de alimentación de etilbenceno fresco, la velocidad de flujo del etilbenceno recirculado y la velocidad de circulación de agua, todas en mol / h ( considera que Ρ = 1 atm )

b.- Calcula las velocidades de entrada o extracción de calor necesaria en kJ / h para el precalentador de etilbenceno (A), el generador de vapor (F) y el reactor (C) Datos : Etilbenceno Estireno (C p)liq = 182 J / mol °C (C p)liq = 209 J / mol °C ( Δhv ) = 36 kJ / mol a 136°C (Δhv ) =37.1 kJ / mol a 145°C (C p)vap=118+0.3 T (°C) J / mol °C (C p)vap=115 + 0.27 T (°C) J / mol °C

The Standard Heat (enthalpy) of Formation As you probably know from chemistry, the observed heat transfer that occurs in an isothermal system in which a reaction takes place represents the energy change associated with the rearrangement of the bonds holding together the atoms of the reacting molecules. For an exothermic reaction , the energy required to hold the products of the reaction together is less than that required to hold the reactants together, heat leaves the system. The reverse is true of an endothermic reaction. Here we are concerned primarily with the enthalpy term in the steady-state energy balance for an open system, and to a lesser extent with the energy balance for a closed system. To include energy changes caused by a reaction in the energy balance, we make use of a quantity called the standard heat (really enthalpy) of formation often called just the heat of formation, * ΔH°f. The superscript ° denotes the standard state for reaction of 25°C and 1 atm, and the subscript f denotes “formation”. The standard heat of formation is the name given to the special enthalpy change associated with the formation of 1 mole of a compound from its constituent elements in their standard state. An example is the enthalpy change that occurs for the reaction of carbon and oxygen to form carbon dioxide at 25°C and 1 atm, as indicated in figure C(s) + O2(g)

CO2(g)

Q=-393.5 kJ/g mol CO2

1 kg mol C 25°C, 1 atm 1 kg mol O2 25°C, 1 atm

Combustion process

1 kg mol CO2 25°C, 1 atm

Since enthalpy is a state variable, any state would do for the standard state of reference, but, by convention, the standard state of a substance (both reactants and products) usually is 25°C and one atmosphere (absolute) pressure. Fixing a reference state should cause no problem because you are always interested in calculating enthalpy differences so that the reference state is eliminated. The reaction does not necessarily represent a real reaction that would proceed at constant temprture, but can be a fictitious process for the formation of a compound from the elements. By defining the heat of formation as zero in the standard state for each stable (e.g.N2 vs N ) element, it is possible to design a system to express the heats of formation for * Historically, the name arose because the changes in enthalpy associated with chemical reactions were generally determined in a device called a calorimeter, to which heat is added or removed from the reacting system so as to keep the temperature constant.

all compounds at 25°C and 1 atm.

Calculation of enthalpy changes for a process in which a reaction takes place. The solid lines indicate an arbitrary selection of path whereas the dashed lines figuratively indicate the actual path taken by the materials –the actual path may not be know in practice.

Reactants at T

ΔH rxn (T)

Products at T

1

2

Reactants ΔH=H(25°C)-H(T)

Products ΔH=H(T)-H(25°C)

Reactants at 25°C

Products at 25°C

3

ΔH°rxn (25°C)

4

Information used in calculating the enthalpies comprising ΔH rxn(T)

David M. Himmelblau Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering 5 – 7 Edition