FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES

1. FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES Profesor: Danny Guzmán Méndez danny.guzman@uda.cl Departamento de Metalurgia Clase 4.

2. 1. BALANCE DE MASA. Se quema metano en un reactor de combustión continua en estado estacionario y se obtiene una mezcla de monóxido de carbono y agua. CH4+3/2O2 => CO + 2H2O La alimentación del reactor contiene 7,8 % molar de CH4, 19,4% molar de O2 y 72,8% molar de N2. El % de conversión del metano es 90% . Determine la composición del gas que sale del reactor.

3. 1. BALANCE DE MASA. Procesos con reacciones químicas: Ejercicio (Jueves 11 secretaria de Metalurgia) Un gas combustible que contiene 27,2% CO, 5,6 % de CO2, 0,5% de O2 y 66,7% de N2, se quema con 20 % exceso de oxígeno. La combustión del CO sólo se completa al 98 %. Para 100 mol/h de gas de combustible, calcule los moles de cada componente en el gas de salida. CO+1/2O2=>CO2

4. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Energía Cinética: Aquella debida al movimiento trasnacional del sistema como un todo en relación con determinado marco de referencia. Energía Potencial: La que se debe a la posición del sistema en un campo potencial (gravitacional o electromagnético). Energía Interna: Toda la que posee un sistema además de sus energías cinética y potencial.

5. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Transferencia de energía Calor: Energía que fluye como resultado de la diferencia de temperatura. Trabajo: Energía que fluye en respuesta a cualquier fuerza impulsora que no sea una diferencia de temperatura.

6. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Balance de Calor: Energía o calor que se añade o quita del sistema Energía o calor que entra al proceso con los materiales alimentados Energía o calor producto de reacciones químicas Energía o calor que sale del proceso con los materiales de salida • reac. Exotérmica • + reac. Endotérmica • sale calor • + entra calor ΔH298= q =

7. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Balance de Calor: Aire a 30ºC se bombea a velocidad de 2000 Kg/h a través de un intercambiador de calor, donde su temperatura se eleva a 70ºC. El agua caliente de que se usa para el calentamiento entra a 95ºC y sale a 85ºC. La capacidad calorífica promedio del Aire es 4,06 KJ/KgK, y la del agua, 4,21 KJ/KgK. Las corrientes de aire y agua están separadas por una superficie metálica a través de la cual se transfiere calor y se impide la mezcla física de ambas. Establezca un balance de calor completo en el sistema. Calcule el flujo de agua y la cantidad de calor añadida al Aire.

8. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Balance de Calor: 2000 Kg/h Aire 70ºC 2000 Kg/h Aire 30ºC Intercambiador de Calor W Kg/h Agua 85ºC W Kg/h Agua 95ºC 0 0

9. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Balance de Calor: Términos de entrada: ΣHR sumatoria de las entalpías de las dos corriente de entrada H aire = 2000Kg/h * 4,06 KJ/Kg K * (303-298) K = 4,06 104 KJ/h H agua = W Kg/h * 4,21 KJ/Kg K * (368-298) K = 2,947 102 W KJ/h Términos de salida: ΣHP sumatoria de las entalpías de las dos corriente de entrada H aire = 2000Kg/h * 4,06 KJ/Kg K * (343-298) K = 3,65 105 KJ/h H agua = W Kg/h * 4,21 KJ/Kg K * (358-298) K = 2,526 102 W KJ/h

10. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Balance de Calor: Igualando: ΣHR = ΣHP 4,06 104 KJ/h + 2,947 102 W KJ/h = 3,65 105 KJ/h + 2,526 102 W KJ/h Despejando: W = 7720 Kg/h Agua La cantidad de calor que se agrega al aire es simplemente entre la entalpía del aire de salida y de entrada: Salida – Entrada = 3,65 105 KJ/h - 4,06 104 KJ/h = 3,244 105 KJ/h

11. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Aire residuo de combustión a 800ºC se bombea a velocidad de 500 Kg/h a través de un intercambiador de calor, donde su temperatura se reduce a 500ºC. El oxígeno que entra al intercambiador de calor tiene una temperatura de 30ºC y lo hace a una velocidad de 300 Kg/h. La capacidad calorífica promedio del aire es 4,06 KJ/Kg K, mientras que la capacidad calorífica promedio del oxígeno es de 5,0 KJ/Kg K. Considerando que el intercambiador de calor posee una resistencia eléctrica la cual genera 0,5 KW determine la temperatura de salida del oxígeno.

12. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Ejercicio El gas de desperdicio de un proceso es de 1000 mol/h de CO, el cual se encuentra a 473 K, se quema en un horno usando aire a 373 K. La combustión es completa y se usa 90% de exceso de oxígeno. El gas de combustión de salida está a 1273 K. Calcule el calor que genera el horno. Datos: CO(g)+ ½ O2(g) => CO2 (g) ΔH298 = -282 103 KJ/mol Cpm CO = 29,38 KJ/mol K Cpm CO2 = 29,29 KJ/mol K Cpm O2 = 33,25 KJ/mol K Cpm N2 = 31,43 KJ/mol K Cpm CO2 = 49,91 KJ/mol K

13. 2. BALANCE DE ENERGÍA. 1000 mol/h CO 473 K HORNO M2 Gas de combustión 1273 K M1 Aire 373 K Calor generado (-q) CO(g)+ ½ O2(g) => CO2 (g) La combustión es completa y se usa 90% de exceso de oxígeno 1 mol CO => ½ mol O2 1000 mol CO = x mol O2 500 mol O2 950 mol O2 3574 mol N2 Gas de salida x = moles consumidos CO = 1000 mol/h nO2 = n’O2 – x/2 nCO2= n’CO2 + x nN2=n’N2 nO2 = 950 – 1000/2 = 450 mol/h nCO2= 0 + 1000 = 1000 mol/h nN2=3574 mol/h

14. 2. BALANCE DE ENERGÍA. 1000 mol/h CO 473 K HORNO 450 mol/h O2 1000 mol/h CO2 3574 mol/h N2 1273 K 950 mol/h O2 3574 mol/h N2 373 K Calor generado (-q) Términos de entrada: ΣHR sumatoria de las entalpías de las dos corriente de entrada 1000*29,38*(473-298)+950*33,25*(373-298)+3574*31,43*(373-298) = 15936 103 KJ/h -ΔH298 = 282 103 *1000 = 282 106 KJ/h q = ? Términos de salida: ΣHR sumatoria de las entalpías de la corriente de salida 450*33,25*(1273-298)+1000*49,91*(1273-298)+3574*31,43*(1273-298)=172773 103 KJ/h

15. 2. BALANCE DE ENERGÍA. 1000 mol/h CO 473 K HORNO 950 mol/h O2 3574 mol/h N2 373 K Calor generado (-q) 15936 103 + 282 106 + q = 172773 103 q = - 125163 103 KJ/h

16. 2. BALANCE DE ENERGÍA. Ejercicio (Viernes 12 de Septiembre oficina Metalurgia) Ingresa a un reactor 1000 mol/h de H2 a 200 ºC y 1429 mol/h de Airea 100ºC, reaccionan según: H2 + ½ O2 = H2O ΔG298 = -237 KJ/mol Calcule la temperatura final de los gases de salida, considere: Cpm O2 = 33,25 KJ/mol K Cpm N2 = 31,43 KJ/mol K Cpm H2 =30 KJ/mol K Cpm H2O = 38 KJ/mol K