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• JUAN ANDRES CORTEZ

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Reacciones químicas y combustión. Carlos Cabrera Termodinámica Instituto IACC 27-01-2020

Desarrollo 

Se quema metano (CH4) con aire seco. El análisis de los productos en base seca es de 5,20% de CO2, 0,33% de CO, 11,24% de O2 y 83,2 % de N2.

Determine: a) La relación aire-combustible b) El porcentaje usado del aire teórico.

CH 4 +2 O 2 → CO2 +2 H 2 O CH 4 +1,5 O2 → CO+2 H 2 O



Base

100 mol de producto gaseoso nCH =n CO +nCO =5,20+ 0,33=5,53 moles 4

2

O 2 Usado=2 nCO +1,5 nCO + nO 2

2 Salen

O 2 Usado=2 ( 5,20 ) +1,5 ( 0,33 ) +11,24 O2 Usado=22,135 moles n Aire Seco =

nO 22,135 = =105,4 moles 0,21 0,21 2

O 2 Teórico=2∗( 5,20 ) +1,5∗(0,33)=10,895 moles

a) La relación aire-combustible aire−combustible=

´ aire n aire∗M ´ CH nCH ∗M 4

aire−combustible=

4

( 105,4 )∗( 28,97 ) ( 5,53 )∗( 16 )

aire−combustible=34,51

Kg de aire kg de combustible

b) %=

nO nO

2usado

=

2 teórico

22,135 10,895

%=203,2 %



Determine la entalpía de combustión del metano (CH4) a 25 °C y 1 atm, usando los datos de entalpía de formación de la tabla termodinámica A-26. Suponga que el agua en los productos se encuentra en fase líquida. Compare su resultado con el valor listado en la tabla A-27 (2 puntos).

T =25 ℃ P=1 atm CH 4 (g) +2 O 2(g) → 1CO 2(g )+ 2 H 2 O(l) Tabla A−26 en

KJ mol

−74,85 0,00−393,52−285,83

∆ H °comb ( CH 4 ) = ∆ H °f∗( CO2 ( g )) + 2 ∆ H °f∗( H 2 O( l) ) −∆ H °f ∗( CH 4 ( g ) )

[

]

∆ H °comb ( CH 4 ) =−393,52+2∗(−285,83 )−(−74,85 ) ∆ H °comb ( CH 4 ) =−890,33

KJ 1 mol ∙ mol 1 Kg

∆ H °comb ( CH 4 ( g )) =−55645

KJ Kg

Tabla A-27, PC superior PCS ( CH 4 (g ) )=55530

KJ Kg

Comparación: ∆ H °comb−PCS error = → error=0,21 % PCS



Se quema metano (CH4) con 300% de exceso de aire en un contenedor adiabático de volumen constante. Inicialmente, el aire y el metano están a 1 atm y 25 °C. Suponiendo combustión completa, determine la presión y la temperatura finales de los productos de combustión.

T1 = 25°C = 298 K P1 = 1 atm Base = 1 Kmol de Ch4 Ch4 + 202

CO2 + 2H2O

Nteorico = 2 Kmol N02ingresa = (300 + 100)*(2%) = 8 Kmol Ch4 + 8* (o2 + 3,76N2) = CO2 + 2H2O + 602 + 30,095N2 V= constante. w=0 Q=0 Hp = Hr ∑ Np h°f + h – h298 – pv p = ∑ Nr h°f + h – h298 – pv r pv = RuT ∑ Np h°f + h – h298 – RuT p = ∑ Nr h°f + h – h298 – RuT

r

Tablas A-18/ A-19/ A-20/ A-23/ A-26 Sustancia

h°f

h°298

Ch4(g) O2 N2 H2O(g) CO2

(kJ/Kmol) -74850 0 0 -241820 -393520

(kJ/Kmol) _____ 8682 8669 9904 9364

h°f + h - h298 –RuT +2 h°f + h - h298 –RuT +6 h°f + h - h298 –RuT +30,095 h°f + h - h298 –RuT = CO2

H2O

O2

N2

h°f + h - h298 – RuT + 8 h°f + h - h298 – RuT + 30,095 h°f + h - h298 – RuT CH4

O2

N2

(-395520 + hCO2 – 9364 – 8,314*T) + 2( -241820 + hH2O – 9904 – 8,314T) + 6( 0 + ho2 – 8682 – 8,314*T) + 30,095 0 + hN2 – 8669 – 8,314T = (-74850 + h – h298 – 8,314*(298)) +8 0 + h – h298 – 8,314(298) +30,095 0 + h – h298 – 8,314(298) = hCO2 + 2hH2O + 6 hO2 + 30.095 hN2 – 325,035T = 1047606,878 kJ 1047606,878 / 1 + 2 + 6 + 30,095 = 26796,44 kJ / Kmol N2 T = 1200 k

Probando

hCO2 1200k 53848 1100k 48258 T = 1100k

hH2O 44380 40071

hO2 38447 34899

hN2 36777 33426

48258 + 2 *(40071) + 6 *(34899) + 30,095* (33426) – 325,035 *(1100) = 986210,97 kJ T = 1200k 53848 + 2 *(44380) + 6 *(38447) + 30,095* (36777) – 325,035 *(1200) = 1090051,815 kJ 

Interpolación

T en K 1200 1090051,815 T2 1047606,878 1100 986210,97 T2 = 1160k V = constante P1 / n1 T1 = P2 / n2 T2 Gases ideales Ch4 + 8 O2 + 3,76N2 = CO2 + 2H2O + 602 + 30,095N2 n1 = nr = 1 + 8 (1 + 3,76) = 39,095 Kmol n1 = n2 n2 = np = 1 + 2 + 6 +30,095 = 39,095 Kmol P1 / T1 = P2 / T2 1 /298 = P2 / 1160 P2 = 3,89 atm

Se quema propano (C3H8) gaseoso en un proceso de flujo estacionario a presión constante a 100 kPa, con 200% de aire teórico. Durante el proceso de combustión, 90% del carbono en el combustible se convierte en CO2 y 10% se convierte en CO. Determine:

a) La ecuación de combustión balanceada

C 3 H 8 (g) +5 O 2(g ) → 3 CO2 (g) +4 H 2 O (l ) C 3 H 8 (g) +3,5 O 2(g ) → 3 CO(g) + 4 H 2 O (l )

nCO =3∗( 90 % nC H ) =3∗( 0,9 )∗( 1 ) =2,7 mol 2

3

8

nCO =3∗( 10 % nC H ) =3∗ ( 0,1 )∗( 1 )=0,3 mol 3

3

( nO )usado= 5 nCO + 2

2

8

3,5 n 5 CO 3

¿ 5∗¿ ( 2,7 )+

3,5 ( ¿ 0,3 )=4,85 moles ¿ 5

Aire teórico=200 %

( nO )ingresa =200 % ¿ ( nO )usado 2

2

¿ 200 %∗( 4,85 )=9,7 moles 79

79

( nN ) ingresa = 21 ¿ ( nO )ingresa = 21 ∗( 9,7 )=36,49 moles 2

2

4 4 n H O= nCO + nCO 3 3 2

2

4 4 ∗( 2,7 ) + ∗( 0,3 )=4 moles 3 3

ecuación balanceada C 3 H 8 (g) +9,7 O 2 (g) →2,7 CO 2(g )+ 0,3CO (g) +4,85 O 2 (g) +4 H 2 O (l )

b) La temperatura de punto de rocío del producto, en °C. ntotal =nCO + nCO + nO +n N +n H O 2

2

2

2

nT =2,7+ 0,3+4,85+36,49+ 4 nT =48,34 moles

Pv =

nH O ∗P ntotal

Pv =

4 ∗100 48,34

2

Pv =8,27 KPa

Tabla A-5 P(KPa T(°C ) 7,5

) 40,2

10

9 45,8 1

T pr =42,0℃

b) La transferencia de calor de la cámara de combustible en kJ, después de que 100 kmol de combustible se queman cuando los reactivos entran a la cámara de combustión a 25 °C y los productos se enfrían a 25 °C.

Base=105 mol

C 3 H 8 (g) +5 O 2(g ) → 3 CO2 (g) +4 H 2 O (l )−103,85 0−393,52−285,83 en ∆ H Reacción=4∗ (−285,83 )+ 3 (−393,52 )+103,85=−2220,03

KJ mol

KJ mol

C 3 H 8 (g) +3,5 O 2(g ) → 3 CO(g) + 4 H 2 O ( l)−103,85 0,0−110,53−285,83en

∆ H Reacción=3∗(−110,53 ) + 4∗(−285,83 ) +103,85=−1371,06 ∆ H Global =0.9∗(−2220,03 ) x 10 5+ 0.1∗(−1371,06 ) x 10 5 ∆ H Global =−2,135 x 108 KJ

KJ mol

KJ mol

QSale =2,135 x 108 KJ

Bibliografía IACC (2020). Reacciones químicas y combustión. Termodinámica. Semana 8 . https://www.academia.edu/33580445/COMBUSTIÓN https://archive.org/details/TermodinamicaCengel7th_201704/page/n5/mode/2up https://es.slideshare.net/miguelangelgranadamejia/termodinamica-cengel7th-55364614