Balance de Materia y Energia

PROBLEMAS PROPUESTOS BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

1. En un horno ingresa metano y por otra corriente aire, ambos a 25°C si se usa el 60% de exceso de aire y además asumiendo que el sistema es adiabático determinar la temperatura de salida de los productos.

[pic 1]

[pic 2]

[pic 3]

SOLUCIÓN:

Con la reacción Balanceada:

[pic 4]

1° Balance de materia

Base de cálculo: 1 mol [pic 5]

[pic 6]

[pic 7]

Exceso de aire: 60%

[pic 8]         [pic 9]

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[pic 11]

[pic 12]

2° Balance de energía:

[pic 13]            [pic 14]

Temperatura de referencia: 25°C+273,15 = 298,15K

[pic 15]

1. A un horno ingresa una corriente de combustible a 25°C y contiene en peso H2: 14% C: 78% H2O: 8%; por otro lado ingresa aire húmedo a 25°C con 26% de exceso sobre el necesario para quemar todo el carbono a CO2 y todo el H2 a agua. Este aire contiene 96% en moles de aire seco y 4% de vapor de agua, si la cantidad de calor que se pierde es de 950 cal/gr. de combustible que entra al horno y si se sabe que del carbono que contiene el combustible el 20% se quema a CO y el 80% a CO2

Determinar

a) Número de moles de aire usado

b) Número de moles de gases que se forman

c) Temperatura de los gases producidos

SOLUCIÓN:

1° Balance de materia:

Base de cálculo: 100 Kg. Combustible

Temperatura de referencia: 25°C+273,15 = 298,15K

[pic 16]                 [pic 17]

Reacciones:

[pic 18]

Hallando los moles de O2: Si todo el carbono reacciona y forma 20% CO y 60% de CO2 entonces:

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[pic 20]

Exceso de Aire húmedo: 26%

[pic 21][pic 22]

[pic 23]

[pic 24]                 [pic 25]

[pic 26]

1. La reducción de mineral Hematita con coque en un alto horno para la producción de arrabio constituye la primera etapa de la producción de acero, la reacción es:

                        [pic 27]

Aun cuando muchas otras reacciones entre los reactivos y productos en el mineral producen otros procesos, estimar las necesidades de calor en el horno por tonelada de hierro producido, considerando los datos que siguen:

1. Se alimenta cantidades estequiométricosde mineral y de carbono a 77ºF, la reacción es completa y el hierro emerge como líquido a 2800 ºF y el monóxido de carbono sale a 570 ºF
2. La capacidad calorífica del hierro en el rango de interés puede tomarse como :

[pic 28]

El hierro funde a 2700 ºF y tiene un calor de fusión de 6496 [pic 29]

La capacidad calorífica del hierro fundido es:

[pic 30]

SOLUCIÓN:

[pic 31]

Base de cálculo: 1 tonelada de Fe

Balanceando la reacción:

[pic 32]

Para un cambio finito de estado [pic 33] a [pic 34], el cambio[pic 35]del CO es:

[pic 36]

La capacidad calorífica del CO en el intervalo de temperatura de 77º F a 570 ºF es:

[pic 37]

[pic 38]

[pic 39]

[pic 40]

La capacidad calorífica del [pic 41] en el intervalo de temperatura de 77º F a 2700 ºF es:

[pic 42]

[pic 43]

[pic 44]

[pic 45]

[pic 46]

Donde [pic 47] por que ingresan a 77ºF  ó  25ºC

Remplazando en la ecuación

[pic 48]

[pic 49]

[pic 50]

Si 1 l b-mol de [pic 51] produce 2 lb-mol de Fe:

[pic 52]

[pic 53]

1. La mayor parte del Cloro que se produce en moles se obtiene a través de la electrolisis de la salmuera.

                        [pic 54]

Se desea determinar:

1. Los calores normales de formación del NaCl y del NaOH acuoso y luego el calor normal de reacción de electrolisis de la salmuera, como dato se tiene que el calor normal de solución del NaCl

[pic 55]

1. Calcular la energía en KW. h requerida para producir 1000 kg NaCl.

SOLUCIÓN

1. Los calores normales (25ºC) de formación son :

[pic 56]

[pic 57]

[pic 58]

[pic 59]

[pic 60]

[pic 61]

[pic 62][pic 63]

1. la energía en KW. h requerida para producir 1000 kg NaCl es:

[pic 64][pic 65][pic 66][pic 67][pic 68][pic 69][pic 70][pic 71][pic 72][pic 73][pic 74][pic 75][pic 76][pic 77][pic 78]

Respuesta : La energía en KW. h requerida es [pic 79]

1. El formaldehido puede producirse mediante la reacción entre el metanol y oxigeno:

                [pic 80]

El calor de combustión del hidrogeno es:

                [pic 81]

Utilizar estos calores de reacción y la ley de Hess para determinar el calor normal de la descomposición directa de metanol para formar formaldehido:

                        [pic 82]

SOLUCIÓN

Dividiendo entre 2 la primera ecuación:

[pic 83]

[pic 84]                (1)

Invirtiendo la segunda ecuación:

[pic 85]                        (2)

Sumando:  (1) y (2)

[pic 86][pic 87][pic 88][pic 89][pic 90][pic 91]

El calor normal de la descomposición directa de metanol para formar formaldehido:   [pic 92]

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