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• Sofia Vergaray Briceño

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Tecnología Mecánica Eléctrica

CURSO

TERMODINÁMICA APLICADA Docente: Ing. Rocío Córdova Ubillús

Copyright © Setiembre de 2018 por TECSUP

OBJETIVOS DEL CURSO • Reconocer los conceptos básicos de la termodinámica aplicada en procesos industriales. • Valorar la importancia de la energía, sus formas y principios.

• Utilizar la primera ley de la termodinámica para realizar cálculos de energía en sistemas cerrados y abiertos. • Conocer aplicaciones directas de los principios termodinámicos en sistemas de generación de vapor, turbinas y refrigeración.

• Estudiar los fenómenos de la utilización de la energía en aplicaciones productivas.

COMPETENCIA DEL CURSO

“Aplicar el cálculo superior, ciencias básicas y tecnología para evaluar, analizar y dar solución a problemas de equipos industriales, demostrando la conservación de la energía” Copyright © Setiembre de 2018 por TECSUP

Semana 6

COMBUSTIÓN Y

TERMOQUÍMICA Ing. Rocío Córdova Ubillús

Copyright © Setiembre de 2018 por TECSUP

Saberes previos

- ¿Qué es una reacción química? - ¿Cuáles son los elementos de una reacción química? - ¿Qué es la combustión? - ¿Cuáles son los elementos de la combustión? - ¿Cuál es la importancia de la combustión? - ¿Qué es la entalpía?

Problematización • Sabemos que un dispositivo de transferencia de calor

como un caldero utiliza combustible para su operación. • ¿Cómo se calcula la energía requerida o emitida en este

tipo de equipos? • Cuál es la temperatura final que alcanzan los gases de la

chimenea del caldero?

CAPACIDAD TERMINAL

• Conocer las relaciones estequiométricas en procesos de

combustión reales.

Logro de la sesión

• Al finalizar la sesión, el estudiante resuelve problemas de

balance de energía tomando en cuenta el efecto de la

temperatura en las reacciones químicas, demostrando precisión en los cálculos y lógica en los procedimientos.

Motivación

• Observamos la siguiente animación e interpretamos: • https://www.youtube.com/watch?v=fcvUafB90

https://www.goconqr.com/es/p/5334742-EFECTOS-DELCALOR-quizzes

COMBUSTIÓN Todos los hidrocarburos son capaces de quemarse y a partir de ciertas mezclas de alcanos se obtiene energía:

Incompleta Cuando forma monóxido de carbono (CO) o carbono elemental.

Elementos de la Combustión

Triángulo de la combustión. Si uno de los tres factores se elimina, el fuego se extingue

Química de la Combustión Al quemar un combustible, el carbono del mismo reacciona para formar CO2 ó CO, el hidrógeno forma H2O,

y el azufre genera SO2. La reacción de combustión que forma CO a partir de un

hidrocarburo se denomina combustión parcial o combustión incompleta del hidrocarburo.

EJEMPLOS

Estequiometría de la Combustión La estequiometría de la combustión se ocupa de las relaciones másicas y volumétricas entre reactivos y

productos. Los aspectos a determinar son principalmente: - Aire necesario para la combustión - Productos de la combustión y su composición Para predecir estas cantidades es preciso referirse a un proceso ideal que dependa de unos pocos parámetros, básicamente la naturaleza del combustible.

Diagrama de Flujo

100 moles C3H8 CÁMARA DE COMBUSTIÓN

1000 moles O2 3760 moles N2

50 moles C3H8 750 moles O2

3760 moles N2 150 moles CO2 200 moles H2O

Reactivo limitante y reactivo en exceso • El reactivo que se agota cuando una reacción procede

hasta completarse se llama reactivo limitante, y los

demás se llaman reactivos en exceso. • Un reactivo es limitante cuando está presente en una

proporción menor a la estequiométrica en relación con los demás reactivos.

Aire teórico y aire en exceso  Si dos reactivos participan en una reacción y uno de

ellos es bastante más caro que el otro, la práctica común es alimentar el reactivo más barato en exceso con

respecto al otro.  El efecto es aumentar la conversión del reactivo caro a

expensas del costo del reactivo en exceso.

Comentario importante • El aire teórico necesario para quemar una cantidad dada

de combustible no depende de la cantidad real que se

quema. • Puede ser que el combustible no reaccione en su

totalidad, y puede reaccionar para formar tanto CO como CO2, pero el aire teórico sigue siendo el necesario para

reaccionar con todo el combustible para formar únicamente CO2.

Composición en base húmeda y en base seca  El término composición en base húmeda se emplea con

frecuencia para denotar las fracciones molares componentes de un gas que contiene agua.  Composición en base seca indica las fracciones molares de

los componentes del mismo gas sin el agua. Ejemplo: Si un gas contiene 33,3% de CO2, 33,3% de N2 y 33,3% de H2O (en base húmeda), contiene 50% de CO2 y 50% de N2 en base

seca.

Ejemplo 1 Metano se quema con combustión completa utilizando el aire requerido teóricamente. Calcular el análisis del gas

que se obtendría en la prueba del gas de chimenea (combustión) seco.

Ejemplo 2 Recalcular el ejemplo anterior considerando que la combustión completa se realiza empleando el 50% de

exceso de aire.

TERMOQUÍMICA

Reacciones Químicas

Exotérmicas

Endotérmicas

dH (reacción) = dH productos – dH reactivos dH° : Cambio de entalpía estándar (25°C y 1 atm)

Estado de Referencia Normalmente los textos de termodinámica hablan de la definición de un estado de referencia, escogido arbitrariamente.

El estado de referencia se define para los elementos químicos (hidrógeno, helio, carbono, sodio, etc.) a la temperatura de 25°C y a la presión de una atmósfera. Se dice que en estas condiciones su entalpía es nula.

La representación del estado de referencia se hace colocándole al símbolo de entalpía un superíndice “°”, esto es H°.

CALOR DE REACCIÓN ESTÁNDAR Ley de Hess C(grafito)

+

O2

→

CO2

∆H = -393.5 J

“La energía intercambiada durante cualquier cambio

químico a presión constante es siempre la misma, prescindiendo del camino por el cual ocurre el cambio” Pero esto se puede realizar en dos etapas: C(grafito) +

1/2O2 →

CO

∆H = -110.5 J

CO

1/2O2 →

CO2

∆H = -283.5 J

+

∆HR

= ∆H1 +

∆H2

Ejemplo: Conocidas las entalpías estándar de formación

del butano (C4H10), agua líquida y CO2, cuyos valores son respectivamente –124.7, –285.8 y –393.5 kJ/mol, calcular la entalpía estándar de combustión del butano. • La reacción de combustión del butano es: 𝟏𝟑 𝑪𝟒 𝑯𝟏𝟎(𝒈) + 𝑶𝟐(𝒈) → 𝟒𝑪𝑶𝟐(𝒈) + 𝟓𝑯𝟐 𝑶(𝒍) ∆𝑯°𝒄𝒐𝒎𝒃 = ? 𝟐 •  H0 =  npHf0(product.) –  nrHf0(reactivos) =

4 mol(– 393.5 kJ/mol) + 5 mol(– 285.8 kJ/mol) –1 mol(– 124.7 kJ/mol) = – 2878.3 kJ  H0combustión = – 2878.3 kJ/mol

Problema 1: Durante la combustión de 1 mol de átomos de azufre en condiciones estándar se desprenden 296 kJ y durante la combustión de 1 mol de

sulfuro de hidrógeno 560 KJ. Con estos datos determina la variación de entalpía que se produce en el proceso. 2𝐻2 𝑆(𝑔) + 𝑆𝑂2(𝑔) → 2𝐻2 𝑂(𝑙) + 3𝑆(𝑠)

Efectos del calor sensible

• ∆𝐻 =

𝑇2 𝐶 𝑑T 𝑇1 𝑝

• ∆𝑈 =

𝑇2 𝐶 𝑑T 𝑇1 𝑣

𝑪𝒑 = 𝒂 + 𝒃𝑻 + 𝒄𝑻𝟐 +𝒅𝑻𝟑 𝒈𝒊 𝑪𝑷

𝑹

= 𝑨 + 𝑩𝑻 + 𝑪𝑻𝟐 +𝑫𝑻−𝟐

Ejemplo: • Calcular

el

calor

necesario

para

elevar

la

temperatura de un mol de metano de 260 a 600 °C, en

un

flujo

con

aproximadamente.

una

presión

de

1

bar

EFECTO DE LA TEMPERATURA EN UNA REACCIÓN QUÍMICA “La entalpía de reacción a diferentes temperaturas pueden estimarse a partir de la capacidad calorífica y

la entalpía de reacción a una temperatura referencial” 𝑻𝟐

∆𝑯𝑻𝟐 = ∆𝑯°𝑻𝟏 +

∆𝑪𝒑𝒅𝑻 𝑻𝟏

∆𝐶𝑝 = 𝒄𝐶𝑝𝐶 + 𝒅𝐶𝑝𝐷 − 𝒂𝐶𝑝𝐴 + 𝒃𝐶𝑝𝐵

𝑪𝒑 𝑻 = 𝒂 + 𝒃𝑻 + 𝒄𝑻𝟐 + 𝒅𝑻𝟑

Problema 2: • Calcular el calor estándar a 25°C para la siguiente reacción:

4𝐻𝐶𝑙(𝑔) + 𝑂2

𝑔

→ 2𝐻2 𝑂 𝑔 + 2𝐶𝑙2(𝑔)

(Tener en cuenta los datos de entalpía en tablas)

Ahora calcula el calor estándar de la reacción a 500°C 𝑻𝟐

∆𝑯𝑻𝟐 = ∆𝑯°𝑻𝟏 +

∆𝑪𝒑𝒅𝑻 𝑻𝟏

𝒐 ∆𝑪 𝑷 ∆𝑯° = ∆𝑯°𝒐 + 𝒅𝑻 𝑻𝒐 𝑹 𝑻

ACTIVIDAD GRUPAL • Cuál es la temperatura máxima que se puede

alcanzar por la combustión de metano con 20% de exceso de aire? El metano y el aire entran al

quemador

a

25°C.

Suponer

una

combustión

completa y adiabática.

Rpta: 𝑇2 ≈ 2060 𝐾

ACTIVIDAD GRUPAL • Cuánto calor se necesita cuando 10000 kg de CaCO3

son calentados de 50°C a 880°C, a presión atmosférica?

Reforzando problemas El gas metano se quema totalmente con 30% de exceso de aire aproximadamente a presión atmosférica. Tanto el

metano como el aire entran al horno a 30°C saturados con vapor de agua, y los gases de combustión abandonan el horno a 1500°C. Por lo tanto, los gases de la combustión a través de un intercambiador del que salen a 50°C. Para un mol de metano, ¿Cuánto calor se pierde del horno, y

cuánto calor se transfiere en el intercambiador?

CONCLUSIONES • La combustión. Elementos

• Balances de reacciones de combustión. • Reacciones exotérmicas y endotérmicas. • Calor de reacción.

TAREA DE CASA Elabora un organizador visual que explique lo aprendido en

la sesión de hoy.

Activity • We have 3 mol/s of metane an 5 mol/s of air going into a

combustión chamber. • What is the composition of the exhaust gas coming out of

the chamber?

Activity Consider the combustion chamber in a jet engine at cruising altitude. For simplicity, the combustor is operated at 1 atm of pressure and

burns a stoichiometric (f ¼ 1) mixture of n-heptane (C7H16) and air. The intake conditions are as indicated in Fig. a.

Write the stoichiometric chemical reaction for the fuel with air.

b.

If the mass flow rate of fuel is 1 kg/s, what is the mass flow rate of air?

c.

What is the rate of heat loss from the combustion chamber if 10% of the LHV (heat of combustion) of the fuel is lost to surroundings?

d.

What is the temperature of the products?

Bibliografía Sugerida  CENGEL, BOLES. (2012).

• TERMODINÁMICA. México – Mc Graw Hill  KURT C. ROLLE (2006).

TERMODINÁMICA (6ª. Ed.) México. Pearson Educación.  MUÑERA R. (2013).

TERMODINÁMICA. Colombia. UNAD.  SMITH, VAN NESS (2005).

INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA EN INGENIERÍA QUÍMICA. México – Mc Graw Hill. 7ma. Ed 39