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INFORME EXERGÍA QUÍMICA CURSO EFICIENCIA ENERGÉTICA ENERGÉTICA EN PLANTAS DE PROCESOS PROCESOS Elaborado por Fecha Revisado por Prog Progra rama ma de de estu estudi dios os
: Cristhian Castillo M. : 8 de junio de 2011. : José Torres. : Magi Magist ster er en Cie Cienc ncia ias s de de la la Inge Ingeni nier ería ía Menc Menció ión n Ingeniería Química.
El conce concepto pto exerg exergía, ía, fue introd introduci ucido do y se se pres present entar aron on las formas formas en que evalú evalúa a según según su cond condici ición ón con con ante anterio riorid ridad. ad. Este Este inform informe e trata trata con con otro otros s concepto conceptos s important importantes, es, a saber; saber; exergía exergía de mezcla mezcla y el de exergía exergía química química..
INTRODUCCIÓN
Recordem Recordemos os que los los valores valores de exergía exergía refleja reflejan n el grado grado a cual un compue compue o mezcla mezcla se encuentra encuentra fuera del del equilibrio equilibrio con con nuestro nuestro ambiente ambiente.. Por otra otra part las diferencias en la temperatura llevan a la transferencia de calor, mientras la difere diferenci ncias as en en la pres presión ión llev llevan an al flujo flujo de de masas masas.. Lo que que ya se se mostró mostró anteriorida anterioridad d sobre sobre exergía exergía y que represent representa a la cantida cantidad d de trabajo trabajo máximo máximo qu puede puede ser obtenido obtenido de un sistema. sistema.
Parece, sin embargo, embargo, que que cuando la exergía de un sistema sistema es cero cero y el sistem prevalec prevalece e en un estado estado del equilibrio equilibrio termodiná termodinámico mico con el ambien ambiente, te, todav puede puede estar estar fuera del equilib equilibrio rio con aquel aquel ambiente ambiente en en otros otros aspectos aspectos..
El orige origen n de esto esto se se encuen encuentra tra en en la difer diferenc encia ia en la la compo composic sición ión y naturalez naturaleza a de de los los compo component nentes es que conforma conforman n el siste sistema ma y el el ambien ambien respectivamente. respectivamente. Estas diferencias llevan a valores valores para la exergía exergía de mezcla mezcla la exergía química.
EXERGÍA DE MEZCLA
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Useful Not useful El cambio cambio en en la composició composición n de una fase es usualmente usualmente caracteriza caracterizado do por por cambio en su energía libre de Gibbs. Se puede puede considerar una mezcla ideal e
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Entonces la exergía total que debe ser suministrada al sistema es: Sheet Music
∆ E x = ∆H − T0 ∆S . La exergía específica de la solución puede ser calculada d
la ecuación: e=
∑ e + ∇e i
donde la sumatoria de ei es la suma de las exergía específica
i
de los componentes de la solución y ∇e es el decremento de exergía en e proceso de formación de la solución. ∇e puede ser calculado com ∇ e = ∆h − T0 ∆S donde Δh es la diferencia entre entalpía de solución y la sum de las entalpías de los componentes, ΔS es el incremento de entropía en proceso de formación de la solución. Ya que ∇e es igual a Δg (cambio e energía libre de Gibbs). Después de expresiones:
realizar
varias
sustituciones
llegamos
a
las
siguiente
Exq ,i = n ( xieq, i + RT0 xi ln i x i ) Exq ,i = n ( xieq, i + RT0 xi ln i x i )
Por resultado la exergía total de una solución será igual a la suma de la You're Reading a Preview exergías químicas y termomecánicas. Unlock full access with a free trial.
e=
∑e
x , i
+ ∆h − T0 ∆S
i
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EXERGÍA QUÍMICA
Ya que la determinación de exergía química de un compuesto se de respecto de un ambiente de referencia. Este ambiente de referencia es u reflexión de nuestro medio ambiente natural, la tierra, y consiste e componentes de la atmósfera, los océanos, y la corteza de la tierra. Si, en P T0, las sustancias presentes en la atmósfera, los océanos, y la partesuperio Sign up to vote el on uno this title de la corteza de nuestra tierra son permitidas reaccionar con el otro a Not useful estado más estable, la energía de Gibbs de Useful este sistema entero habr disminuido a un valor mínimo. Podemos definir entonces el valor de la energí de Gibbs para un subsistema, el "ambiente de referencia" - al nivel del mar, e
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compuestos, basado en las exergía de sustancias elementales y dadas la energías libres de formación de compuestos. Si aA + bB + cC = AaBbCc
Donde A, B, y C son elementos químicos; a, b, y c son coeficiente estequiométricos; AaBbCc son productos de reacción. Si la energía libre ΔG d reacción a T0, po es conocida, la exergía de esta sustancia puede ser calculad utilizando la ecuación:
E AaBbCc = ∆G + aeA + beB + ceC donde e A, eB, eC son los valores de exergí
correspondientes a los elementos. El cálculo envuelve entonces dos problemas:
1.- Elección de una sustancia de referencia para cada elemento. 2.- El cálculo correcto de la exergía química ex de un elemento químico relativ a una sustancia de referencia escogida y la parte del alrededor (atmósfer litósfera, hidrósfera) en el cual la sustancia existe. La exergía química de un elemento consiste de dos partes: i) ii)
You're Reading a Preview
componente de reacción er resultando de una reacción y; full access with e a cfree trial.resulta de una diferencia d el componente deUnlock concentración que concentración de la sustancia de referencia con su concentración e el ambiente. Download With Free Trial e x = er + ec
Para el cálculo se asume que para la reacción química hay una sustancia d referencia AaBbCc, la cual tiene una exergía igual cero. Entonces si la exergías de elementos B y C son conocidas o pueden ser determinadas, componente de reacción de exergía química del elemento A puede s obtenida por la ecuación: Sign up to vote on this title
er , A =
−beb − ceC − ∆G A
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( n ) RT ln ( 1 Ni )
ec,i = 1
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donde n es el número de átomos y Ni es l
concentración molar de la sustancia de referencia i en la atmósfera. constante universal de los gases.
COMPONENTES DE REFERENCIA
Considere, por ejemplo, el grafito. El grafito puede reacciona espontáneamente con el oxígeno para formar CO2, pero por motivos cinético la reacción es muy lenta y parece que el grafito es estable en nuest ambiente, aunque en la presencia de oxígeno sea meta estable con respecto CO2. Por consiguiente, esto tiene una cantidad significativa de exergía químic disponible y puede considerarse como un transportista de energía important porque esta fuera del equilibrio con el ambiente.
En nuestro ambiente, hay muchas sustancias que, como el oxígeno en nuestr atmósfera, no pueden difundirse y/o reaccionar hacia configuraciones má estables y pueden considerarse estar en el equilibrio con el ambiente. Ni la reacciones químicas ni nucleares pueden transformar estos componentes e compuestos aún más estables. De estos componentes, no podemos extrae ningún trabajo útil, y por lo tanto un valor de exergía de 0 kJ/mol ha s adjudicado a ellos. You're Reading ahabituales Preview de aire: N2, O2, CO2, H Esto ha sido hecho para los componentes D20, Ar, He, Ne, Kr, y Xe Unlock en Tfull 298.15 K y P = 99.31 kPa, la pres 0 = access with a free trial. 0 atmosférica media. Se dan las Pi de presión parcial en el aire en la Tabla 1.1. Download With Tabla Nº Free 1. Trial
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Como se sabe, el cambio de la entropía asociada con cambio de 1 mol de ga ideal isotérmicamente de la presión P 1 a una presión de P2 representa:
De esta ecuación, podemos mostrar que exergía química estándar en P0 y de un componente puro puede ser calculado a partir de su Pi de presión parci en el aire con la ecuación:
VALORES DE EXERGÍA DE LOS ELEMENTOS
El ejemplo siguiente para el grafito ilustra como el valor de exergía químic para otros elementos puede You're ser calculado 2 y 3). Reading a(Tabla Preview Unlock fullTabla accessNº with 2.a free trial.
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Fuente: Szargut, J. et al., Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and Metallurgic
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Para Ex cho del grafito, hagamos uso de la reacción en la cual CO2 es formad de los elementos en su modificación estable en P0, T0: C ( grafito, s ) + O2 ( g ) → CO2 ( g )
El cambio correspondiente de energía de Gibbs estándar es llamada energ 0 de Gibbs estándar de formación de CO2, ∆ f G298,15 , y de define como: ∆ f G295,15 = ∑i i ,298,15 0
0
En donde es el coeficiente estequiométrico, positivo para productos negativo para reactivos, y i0 = Gi0 es el potencial termodinámico estándar energía de Gibbs para la sustancia i. La ecuación anterior está basada e formación de 1 mol del compuesto considerado, en este caso 1 mol de CO 2 definimos el cambio de exergía del mismo modo nos queda la siguie ecuación: 0 0 ∆ f Ex298,15 = ∆ f G298,15 = ∑ i i0,298,15
i
≡ ∑ i Exch0 ,i You're Reading a Preview
entonces la exergía del grafito puede ser calculado de la siguiente forma: Unlock full access with a free trial.
0 0 0 0 Exch = −∆ f G298,15 + 1 Exch − 1 Exch ,C ( s ) ,CO2 ( g ) ,O2 ( g ) Download With Free Trial
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Eficiencia y sustentabilidad de la energía e industrias químicas, Krishn Sankaranarayanan, Hedzer J. van der Kooi, and Jakob de Swaan Aron segunda edición, 2010.
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