EJERCICIOS DE BALANCE DE ENERGIA

EJERCICIOS DE BALANCE DE ENERGIA

KAREN PAOLA CUITIVA HERNANDEZ

EJERCICIO 1)

Se quema metano en un horno con el doble de la cantidad estequiométrica de aire. El

metano y el aire ingresan en el horno a 25° C. Calcúlese la temperatura teórica de flama.

La reacción que ocurre es:

CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l)

Base de cálculo: 1 g mol de metano.

Se hace el balance de masa:

nO2 teórico = 2 g mol.

nO2 suministrado = 4 g mol.

nN2 suministrado = 15,05 g mol.

nCH4 suministrado = 1 g mol.

Masa total suministrada = (1 g mol)*(16 g/g mol) + (4 g mol)*(32 g/g mol) + (15,05 g mol)*(28 g/g

mol) = 565,4 g.

nCO2 producido = 1 g mol.

nH2O producido = 2 g mol.

nO2 que salen = 2 g mol.

nN2 que salen= 15,05 g mol.

Masa total a la salida = (1 g mol)*(44 g/g mol) + (2 g mol)*(18 g/g mol) + (2 g mol)*(32 g/g mol) +

(15,05 g mol)*(28 g/g mol) = 565,4 g.

La ecuación que se aplica para calcular la temperatura teórica de flama es:

ΔHo

R = ΔHPRODUCTOS = ∫Tf298 CP * dT (Los reactivos están a 25° C).

CP CO2 = [(6,214 + 10,396*10-3T – 3,545*10-6T2) cal/(g mol K)]*1 g mol.

CP H2O = [(7,256 + 2,298*10-3T + 0,283*10-6T2) cal/(g mol K)]*2 g mol.

CP O2 = [(6,148 + 3,102*10-3T – 0,923*10-6T2) cal/(g mol K)]*2 g mol.

CP N2 = [(6,524 + 1,25*10-3T – 0,001*10-6T2) cal/(g mol K)]*15,05 g mol.

CP CO2 = 6,214 + 10,396*10-3T – 3,545*10-6T2

CP H2O = 14,512 + 4,596*10-3T + 0,566*10-6T2

CP O2 = 12,296 + 6,204*10-3T – 1,846*10-6T2

CP N2 = 98,19 + 18,8*10-3T – 0,01505*10-6T2

CP = 131,212 + 0,04T – 4,84*10-6T-2

ΔH°R = -212,798 kcal/g mol. (Corresponde al calor estándar de combustión del metano).

Entonces: -212798 cal = ∫T298(131,212 + 0,04T – 4,84*10-6T2)*dT

-212798 cal = 131,212*(298 – T) + 0,02*(2982 – T2) – 1,61*10-6 *(2983 – T3)

-212798 cal = 39101,2 – 131,212*T + 1776,1 – 0,02*T2 – 42,61 + 1,61*10-6T3

-253632,69 = – 131,212*T – 0,02*T2 + 1,61*10-6T3

Se suponen valores para la temperatura hasta cuando los dos miembros de la ecuación se igualen:

Primera suposición: T = 1500° C → -253632,69 cal ≠ -286536,16 cal.

Segunda suposición: T = 1200° C → -253632,69 cal ≠ -231524,28 cal.

Tercera suposición: T = 1320° C → -253632,69 cal = 253265,31 cal.

Este valor se puede aceptar. Entonces: T = 1320° C. También se puede obtener interpolando entre

las dos primeras suposiciones. Haciendo esto último se obtiene T = 1320,57° C.

EJERCICIO 2

Una solución de un coloide orgánico en agua se va a concentrar de 10% a 50% de sólidos

en un evaporador. El vapor utilizado para el calentamiento tiene una presión manométrica de 1,05

kg/cm2. En el espacio de vaporización se mantiene una presión absoluta de 10 cm. de Hg. La

alimentación será de 25000 kg/h. La disolución tiene una elevación del punto de ebullición y un

calor de disolución despreciables. Calcule el consumo de vapor si la temperatura de la alimentación es de 20º C. El CP de la disolución entrante es de 0,9 kcal/ (kg º C).

[pic 1]

Presión del vapor de calefacción: 1,05 kg cm.-2 *101325 Pa/1,0333 kg cm.-2 + 101325 Pa

= 204288 Pa.

Presión en la cámara de vaporización: 10 cm. Hg* 101325 Pa/76 cm. Hg = 13332,24 Pa.

Balances de masa:

L1*x1 = L2*x2 → L2 = 25000 kg/h*(0,1/0,5) = 5000 kg/h

L1 = G3 + L2 → G3 = 25000 kg/ − 5000 kg/h = 20000 kg/h

Balance de energía:

L1H1 + G4H4 = G3H3 + L5H5 + L2H2

G4*(H4 – H5) = G3H3 + L2H2 – L1H1

De las tablas de propiedades termodinámicas para el agua:

H4 – H5 = 2200 kJ/kg (Interpolando).

TPRODUCCIÓN VAPOR = 51,25º C

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