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Título del Control Reacciones químicas y combustión. Nombre Alumno Ariel Andrés Araya Melo Nombre Asignatura Termodinámica Instituto IACC 20-04-2019

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 y b) El porcentaje usado del aire teórico.

𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 𝐶𝐻4 + 1,5𝑂2 → 𝐶𝑂 + 2𝐻2 𝑂

Base 100mol de producto gaseoso 𝑛𝐶𝐻4 = 𝑛𝐶𝑂2 + 𝑛𝐶𝑂 = 5,20 + 0,33 = 5,53 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑂2 𝑈𝑠𝑎𝑑𝑜 = 2𝑛𝐶𝑂2 + 1,5𝑛𝐶𝑂 + 𝑛𝑂2 𝑆𝑎𝑙𝑒𝑛 = 2(5,20) + 1,5(0,33) + 11,24 = 22,135 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑛𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑆𝑒𝑐𝑜 =

𝑛𝑂2 22,135 = = 105,4 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 0,21 0,21

𝑂2 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = 2(5,20) + 1,5(0,33) = 10,895𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

a) 𝐴. 𝐶 =

̅𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑛𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ 𝑀 ̅𝐶𝐻 𝑛𝐶𝐻4 ∙ 𝑀 4

𝐴. 𝐶 =

(105,4)(28,97) (5,53)(16)

𝐴. 𝐶 = 34,51

𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

b) %=

𝑛𝑂2 𝑢𝑠𝑎𝑑𝑜 22,135 = 𝑛𝑂2 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 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). ° (𝐶𝐻4 ) = ? ∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑇 = 25℃

𝑃 = 1𝑎𝑡𝑚

Reacción 𝐶𝐻4 (𝑔) + 2𝑂2 (𝑔) → 1𝐶𝑂2 (𝑔) + 2𝐻2 𝑂(𝑙) 𝑇𝑎𝑏𝑙𝑎 𝐴 − 26 𝑒𝑛

𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙

−74,85

0,00

− 393,52

− 285,83

° (𝐶𝐻4 ) = [∆𝐻𝑓° (𝐶𝑂2 (𝑔) ) + 2∆𝐻𝑓° (𝐻2 𝑂(𝑙) )] − ∆𝐻𝑓° (𝐶𝐻4 (𝑔) ) ∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 ° (𝐶𝐻4 ) = −393,52 + 2(−285,83) − (−74,85) ∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 ° (𝐶𝐻4 ) = −890,33 ∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏

𝐾𝐽 1𝑚𝑜𝑙 ∙ 𝑚𝑜𝑙 1𝐾𝑔

° ∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 (𝐶𝐻4 (𝑔) ) = −55645

𝐾𝐽 𝐾𝑔

Comparando con la Tabla A-27, con el PC superior; ya que el agua sale como líquido 𝑃𝐶𝑆(𝐶𝐻4 (𝑔) ) = 55530

𝐾𝐽 𝐾𝑔

° ∆𝐻𝑐𝑜𝑚𝑏 − 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.

Combustible completa Combustible = Ch4 (g) Exceso aire = 300% T1 = 25°C = 298 K P1 = 1 atm Base = 1 Kmol de Ch4 Encontrar T2 = ? P2 = ? Reacción Ch4 + 202

CO2 + 2H2O

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

p=

∑ Nr h°f + h – h298 – RuT

r

Tabla A-18, A-19, A-20, A-23, A-26 Sustancia

h°f (kJ/Kmol)

h°298 (kJ/Kmol)

Ch4(g)

-74850

_____

O2

0

8682

N2

0

8669

H2O(g)

-241820

9904

CO2

-393520

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

Se reemplazan los datos: -395520 + hCO2 – 9364 – 8,314T + 2 -241820 + hH2O – 9904 – 8,314T + 6 0 + ho2 – 8682 – 8,314T + 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 Tantear 1047606,878 / 1 + 2 + 6 + 30,095 = 26796,44 kJ / Kmol Viendo tabla para N2 T = 1200 k

Tanteamos a 1200k, 1100k hCO2

hH2O

hO2

hN2

1200k

53848

44380

38447

36777

1100k

48258

40071

34899

33426

h en kJ/Kmol de las tablas antes mencionadas T = 1200k 53848 + 2 (44380) + 6 (38447) + 30,095 (36777) – 325,035 (1200) = 1090051,815 kJ T = 1100k 48258 + 2 (40071) + 6 (34899) + 30,095 (33426) – 325,035 (1100) = 986210,97 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 n2 = np = 1 + 2 + 6 +30,095 = 39,095 Kmol P1 / T1 = P2 / T2 1 /298 = P2 / 1160 P2 = 3,89 atm

Entonces, n1 = n2

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, b) La temperatura de punto de rocío del producto, en °C y c) 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.

𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = 200% → 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 = 100% 90% 𝑑𝑒 𝐶3 𝐻8 → 𝐶𝑂2 10% 𝑑𝑒 𝐶3 𝐻8 → 𝐶𝑂

a) Combustión balanceada 𝐶3 𝐻8 (𝑔) + 5𝑂2 (𝑔) → 3𝐶𝑂2 (𝑔) + 4𝐻2 𝑂(𝑙) 𝐶3 𝐻8 (𝑔) + 3,5𝑂2 (𝑔) → 3𝐶𝑂 (𝑔) + 4𝐻2 𝑂(𝑙)

Base 1 mol de combustión 𝑛𝐶𝑂2 = 3(90%𝑛𝐶3 𝐻8 ) = 3(0,9)(1) = 2,7𝑚𝑜𝑙 𝑛𝐶𝑂 = 3(10%𝑛𝐶3 𝐻8 ) = 3(0,1)(1) = 0,3𝑚𝑜𝑙

3 3,5 (𝑛𝑂2 )𝑢𝑠𝑎𝑑𝑜 = 𝑛𝐶𝑂2 + 𝑛 5 5 𝐶𝑂 3 3,5 (0,3) = 4,85𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 = (2,7) + 5 5 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = 200% (𝑛𝑂2 )𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑎 = 200%(𝑛𝑂2 )𝑢𝑠𝑎𝑑𝑜 = 200%(4,85) = 9,7𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 79 79 (9,7) = 36,49𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 (𝑛𝑂2 )𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑎 = 21 21 4 4 𝑛𝐻2 𝑂 = 𝑛𝐶𝑂2 + 𝑛𝐶𝑂 3 3 4 4 = (2,7) + (0,3) = 4𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 3 3 (𝑛𝑁2 )𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑎 =

La ecuación balanceada, sin colocar el N2 𝐶3 𝐻8 (𝑔) + 9,7𝑂2 (𝑔) → 2,7𝐶𝑂2 (𝑔) + 0,3𝐶𝑂 (𝑔) + 4,85𝑂2 (𝑔) + 4𝐻2 𝑂(𝑙)

b) Temperatura de rocío de los gases de productos 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑛𝐶𝑂2 + 𝑛𝐶𝑂 + 𝑛𝑂2 + 𝑛𝑁2 + 𝑛𝐻2 𝑂 𝑛𝑇 = 2,7 + 0,3 + 4,85 + 36,49 + 4 𝑛𝑇 = 48,34𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑛𝐻2 𝑂 𝑃𝑣 = ∙𝑃 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑃𝑣 =

4 ∙ 100 48,34

𝑃𝑣 = 8,27𝐾𝑃𝑎

Cuando esta presión llega a su equilibrio su temperatura es la del rocío Tabla A-5 P(KPa) T(°C)

7,5

40,29

10

45,81

𝑇𝑝𝑟 = 42,0℃ c) 𝑄 = ? 𝐾𝐽 𝐵𝑎𝑠𝑒 = 100𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 = 105 𝑚𝑜𝑙 𝑄 = 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝐶3 𝐻8 (𝑔) + 5𝑂2 (𝑔) → 3𝐶𝑂2 (𝑔) + 4𝐻2 𝑂(𝑙) − 103,85 0

− 393,52 − 285,83

∆𝐻𝑅𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 4(−285,83) + 3(−393,52) + 103,85 = −2220,03

∆𝐻𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 = 90%(−2220,03). 105 + 10%(−1371,06). 105 ∆𝐻𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 = −2,135. 108 𝐾𝐽 ∴ 𝑄𝑆𝑎𝑙𝑒 = 2,135. 108 𝐾𝐽

𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙

𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙

𝐶3 𝐻8 (𝑔) + 3,5𝑂2 (𝑔) → 3𝐶𝑂 (𝑔) + 4𝐻2 𝑂(𝑙) − 103,85 0,0 − 110,53 − 285,83 ∆𝐻𝑅𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 3(−110,53) + 4(−285,83) + 103,85 = −1371,06

𝑒𝑛

𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙

𝑒𝑛

𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙

Bibliografía IACC (2018). Reacciones químicas y combustión. Termodinámica. Semana 8 .