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“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 PAULO MILUTINOVICH 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 aire Se 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: CO2 (g) H2O (vapor) O2 N2

C CH4 (g)

HORNO Aire Seco O2 = 21% N2 = 79% Exceso: 40%

Ingresan Rx: ∆H ̇

1CH4 -74850

+

2O2

Salen 1CO2 -393520

+

∆H ̇ = ̇ ∆H ∆H ∆H

̇ = [-393520 + 2(-241820)] – [-74850] ̇ = -877160 + 74850 ̇ = -802.31 KJ/mol PCI

2H2O ……………………. + Calor -241820

∑

∑

(negativo por ser exotérmico)

PCI= PCS – (597*G) Donde: - 597: Calor de Condensación del H2O a 0oC (Kcal/Kg) 597Kcal * 4.18 KJ * 16 Kg = 39927.36 KJ/mol 1Kcal - G: Porcentaje del H2O formado por la combustión del Hidrógeno más la humedad propia del combustible:

G= (A*%) + H2O

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/mol PCS= -802.31 KJ/mol+39927.36 KJ/mol PCS= 39125.05 KJ/mol Respuesta (a):

PCI= -802.31 KJ/mol

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

X

y

2H2O 2kgmol/s 200kgmol/s

……………………………………………………………..

Combustible (CH4): 100Kgmol/sCH4 X Kgmol/sCH4

∆H ̇ =-80231KJ/mol Q=-10000KJ/s (energía útil)

-80231 KJ -10000 KJ/s

X= 100*10000 = 12.46 80231 O2 Necesario: 12.46 1 = 24.92Kmol/s de O2

* 16 Kg  1

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



X= 199.36 Kg/s

2 (necesario o teórico)

Aire = O2 Exceso 0.21

O2 Exceso= 1.4*O2 necesario



PCS= 39125.05 KJ/mol

Aire = 34.89 Kgmol/s 0.21 (Aire seco) Aire = 166.14 Kgmol/s ;

V= 138.45m3/s

Respuesta (b): Consumo de Combustible: X= 199.36 Kg/s Consumo del aire: V= 138.45m3/s

1.2Kg/m3

Rendimiento Calorífico de la Instalación:

Q= m*Cp*∆T Q= m*Cp*(160oC – 15oC) [( ) (

 )

[( ) ( Q= 6.432 Kg/s K x 145 K = 932.64 Kg/s

Q= m*Cp*(145oK) ( ) ( )

(

HORNO (

(

)

Respuesta (c) = 86.05 %

)

)

)] (

)]

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

1Mol de 1Mol de carbono oxigeno

22,4 Lt. De oxigeno

12g. C

22,4 Lt. O

106 g. C

X Lt. O

X = 106 g. C * 22,4 Lt. O 12 g. C X = 1,87 *106 Lt. O. V aire = V O2 * 5 = 9.35 *106 Lt. Aire.

V aire = 9350 m3

1 m3 103 Lt.

Dato teórico

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% S= 1% N2= 1% O2= 1% Cenizas=5%

CO2= 14.8% SO2= 0.1% O2= 4.1% N2= 81%

HORNO Aire seco (O2, N2)

Entran

Salen

Base de Cálculo: 1000 kg de Carbón C= 870kg H2= 50kg O2= 10kg S= 10Kg N2= 10kg Cenizas= 50Kg Reacción 1C + 1O2 2H2 + 1O2 1S + 1O2 Total (Kg necesarios) A partir del CO2 en la salida: Salen 870kgCO2 X kgCO2

O2 870 25 10 905

1CO2 2H2O 1SO2

% Total (gases secos) 14.8 100

X=5878.4 kgCO2 gases secos

CO2 870 --------870

Salidas H2O ----50 ---50

SO2 -------10 10

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 exceso=

O2 ingresa

O2 ingresa = 1136 kg

* 100

O2 exceso = 26.93%

O2 neto

Aire en exceso = 26.93 * 100 21

Aire en exceso = 128.2%

Cálculo del volumen de los humos producidos:

T°= 250 +273 T°= 523 °K P= 730 mmHg *

R= 0.0821 (L*atm)/(mol*°K) R= 8.2x10-3 (m3*atm)/ (mol*°K) 1atm 760 mm Hg

P = 0.96 atm

V= (5878.4mol) (8.2x10-3(m3*atm)/(mol*°K)(523°K) 0.96atm Rpt:

Exceso de aire: 128 %

V= 262.6 m3 Volumen: V= 262.4 m3

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 CH4 CO CO2 H2O

ENTALPIA DE FORMACIÓN A 25°C Kcal/mol -17.9 -26.4 -94.1 -57.8

Solución: H2= 56% CH4= 28% CO= 10% CO2= 5% N2=1%

HORNO Aire seco Exceso 50% (O2, N2)

CO2 H2O O2 N2

T2 = 125 °C Entran

Salen

T1 = 50 °C a. 1H2 56 Kg/mol

+

1/2O2 28 Kg/mol

CH4 28 Kg/mol

+

2 O2 56 Kg/mol

CO 10 Kg/mol

+

1/2O2 5 Kg/mol

(O2) requerido

89 Kg/mol

1 H2O 56 Kg/mol

CO2 + 2 H2O 28 Kg/mol 56 Kg/mol

CO2 10 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) CO2 H2O O2 N2 TOTAL

Caudal molar (Kg/ mol) 38 112 44.5 502.21 696.71

(Q1) T1 = 50°C

HORNO 2

(Q2) T2 =125°C

% 5.45 16.08 6.39 72.08 100

(Q3) Ts = ? Se asume que es un proceso adiabático lo cual indica que no perdida de calor. Q = 0

Aire

Q1 + Q2 = Q 3 ( mH2 * CpH2) * ( Ts – 323 K) + ( mO2 * CpO2) + ( mN2 * Cp N2) * (Ts -398 K) = ( mCO2* CpCO2) ( Ts-te) Asumimos una te CO2 = 298K (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) 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

Combustible

HORNO

Aire Seco 250% exceso

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

Comp. C H2 O2 total

Kg/mol

Rx

(0.82)(0.9)/12 (0.82)(0.1)/12 0.12/2 0.06/32 --------------

1C + 1O2 CO2 1C + ½ O2 CO 1H + ½ O2 H2O ----------------------

CO2 0.06 ----------------------

CO --------0.003 -----------------

O estequiomé trico 0.06 0.006 0.06 --------0.126

O libre

----------------1.87 * 10-3 --------

H2O ------------0.03 --------

Aire teórico o estequiométrico: 1C

+

0.82/12

1 O2

1 CO2

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 CO2 H2O CO O2 N2 Total

Kg/mol x mol 0.06 x 44 mol 0.03 x 18 mol 0.003 x 28 mol 0.31 x 32 mol 1.51 x 28 mol --------

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

Kg 2.64 0.54 0.08 9.92 42.28 55.46

% 4.76 0.97 0.14 17.89 76.24 100