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Ejercicio 7 Balance de Materia en un proceso de Combustión de Metano y Etano

Un gas que contiene 70 % de Metano (CH4) y 30 % de Etano (C2H6) se quema en un horno con un 60 % en exceso de aire enriquecido en oxígeno con una composición de 35% de 02, y 65% de N2. La conversión del metano en el horno es de 90 % y la del Etano es 75 %, todo el metano quemado produce CO2 y el Etano el 65 % produce CO2 y el 35 % restante CO ¿Cuál es la composición del gas de salida?

Gas

Conv. CH4 = 90 % Conv. C2H6 = 75 %

70 % CH4 30 % C2H6

35 % O2 65 % N2 % Exceso = 60

HORNO

Aire

Gas Salida

CH4 C2H6 N2 O2 CO2 CO H2O

Lo primero que se debe determinar es el aire alimentado al horno. Para lo cual se debe calcular primero el aire teórico. El aire teórico es la cantidad de aire requerido para quemar totalmente el gas alimentado hasta combustión completa.

Escribamos primero las ecuaciones de Combustión Completa tanto para el metano como para el etano. CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

(1)

C2H6 + 7/2 O2 → 2CO2 + 3H2O (2) Tomemos como Base de Calculo: 100 kgmol/h de Gas en la Alimentación Entonces, en el gas alimentado se tiene 70 kgmol/h de CH4 y 30 kgmol/h de C2H6

Aire Teórico

70

kgmol CH 4

2kgmol O2 h 1kgmol CH 4 *

30

kgmol C 2 H 6

7 kgmol O 2 100kgmol Aire * 2 * h 1kgmol C H 35kgmol O2 2 6

Aire teórico = 700 kgmol/h

El Aire Alimentado es el aire teórico mas el aire en exceso (60 %), por lo que el aire alimentado será 1,6 veces el aire teórico.

Aire Alimentado = 700 kgmol/h * 1,6 =1120 kgmol/h

Composición del Gas de Salida: Sólo el 90 % del Metano (CH4) en la alimentación se convierte en el horno por lo que el 10 % restante no reacciona: CH4 (gas salida) = (1-0,90)*70 kgmol/h = 7 kgmol/h Sólo el 75 % del Etano (C2H6) en la alimentación se convierte en el horno por lo que el 25 % restante no reacciona C2H6 (gas salida) = (1-0,75)*30 kgmol/h = 7,5 kgmol/h El Nitrógeno que entra con el aire sale sin reaccionar del horno y representa el 65 % del aire alimentado: N 2 ( gas salida)

65kgmol N 2 1120 kgmol Aire * h 100kgmol Aire

728 kgmol/h

El CO2 se forma en las reacciones de Combustión Completa (1) y (2), en las cuales el total del CH4 quemado y el 65 % del C2H6 quemado producen el CO2: CO2 ( gas salida)

0,90 * 70 kgmol CH 4

1kgmol CO2 * h 1kgmol CH 4

0,75 * 0,65 * 30

kgmol C 2 H 6

2kgmol CO2 * h 1kgmol C H 2 6

CO2 (gas salida) = 92,25 kgmol/h Sólo el 35 % del C2H6 quemado produce CO, la reacción incompleta del combustión del etano es: C2H6 + 5/2 O2 → 2CO + 3H2O

CO( gas salida)

0,75 * 0,35 * 30

kgmol C 2 H 6

(3)

2kgmol CO * h 1kgmol C H 2 6

15,75 kgmol/h

El H2O se produce en las tres reacciones (1), (2) y (3), de aquí que: H 2 O ( gas salida)

0,90 * 70 kgmol CH 4

h

*

2kgmol H 2 O 1kgmol CH 4

0,75 * (0,65 0,35) * 30

kgmol C 2 H 6

*

3kgmol H O

h 1kgmol C H 2 6

H2O (gas salida) = 193,5 kgmol/h

Parte del O2 que se alimenta con el aire se consume en las tres reacciones (1), (2) y (3), por lo tanto el oxígeno que sale se determina restándole al que se alimenta con el aire el que reacciona:

O2 ( rea )

0,90 * 70 kgmol CH 4

2kgmol O2 h 1kgmol CH 4 *

0,75 * 30

kgmol C 2 H 6

7 kgmol O 2 * 0,65 * 2 h 1kgmol C 2 H 6

5 kgmol O 2 0,35 * 2 1kgmol C 2 H 6

O2 (reac) = 196,9 kgmol/h

O2 ( gas salida)

35kgmol O2 1120 kgmol Aire * 196,9 kgmol O2 h 100kgmol Aire h

O2 (gas salida) = 195,1 kgmol/h

El flujo de Gas de Salida se obtiene sumando todos los componentes: Gas Salida = 7 kgmol CH4 /h + 7,5 kgmol C2H6/h + 728 kgmol N2/h + 92,25 kgmol CO2/h + 15,75 kgmol CO/h +193,5 kgmol H2O/h + 195,1 kgmol O2/h Gas Salida = 1239,1 kgmol/h

xCH 4

7kgmol / h 1239,1kgmol / h

0,005

xC 2 H 6

7,5kgmol / h 1239,1kgmol / h

0,006

xN 2

728kgmol / h 1239,1kgmol / h

0,588

xCO2

92,25kgmol / h 1239,1kgmol / h

0,074

xCO

15,75kgmol / h 1239,1kgmol / h

0,013

x H 2O

193,5kgmol / h 1239,1kgmol / h

0,156

xO 2

195,1kgmol / h 1239,1kgmol / h

0,157