TECN TECNOL OLOG OG A DE DE LA PROD PRODUC UCCI CI N Rúbrica de Calificación Resultado:
Criterio de desempeño: Curso: Actividad:
3
Conducen pruebas, analizan e interpretan los resultados, para evaluar y mejorar las diferentes etapas de los procesos productivos.
3.1:
Realiza pruebas en equipos y sistemas de diversa tecnología utilizando utilizando procedimientos, normas y estándares.
3.2:
Analiza respuestas respuestas de equipos y sistemas, utilizando utilizando los resultados resultados para la mejora del del proceso productivo. TRANSFERENCIA DE MASA Y ENERG A
Ciclo:
LABORATORIO Nº3: BALANCE DE M ATERIA EN LA REACCIÓN DE Semana: COMBUSTIÓN
Nombre y apellido del alumno:
Sección:
Observaciones
Periodo:
Docente: 2017 - I
III 5
Ing. Luis Zavaleta García
Fecha:
Comentarios al alumno: (De llenado obligatorio)
Lab. N° 03 - “BALANCE DE MATERIA EN LA REACCIÓN DE COMBUSTIÓN” Laboratorio de Transferencia de Masa y Energía
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LABORATORIO Nº 3 “BALANCE DE MATERIA
EN LA REACCIÓN DE COMBUSTIÓN”
CARRERA
: TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÒN
CICLO
: III
SECCIÓN
: “A”
DOCENTE
: LUIS ZAVALETA
CURSO
: TRANSFERENCIA DE MASA Y ENERGIA
ALUMNO
: COTRINA OLIVERA, EDITA
FECHA DE ENTREGA
: 02/10/2017
2017-II
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BALANCE DE MATERIA EN LA REACCIÓN DE COMBUSTIÓN
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BALANCE DE MATERIA EN LA REACCIÓN DE COMBUSTIÓN
1. OBJETIVO: 1.1. Reconocer las reacciones implicadas en la combustión. 1.2. Determinar la cantidad de combustible empleado en el proceso. 1.3. Determinar el rendimiento de la combustión y los factores que influyen.
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2. FUNDAMENTO TEÓRICO: TEÓRICO: 2.1. COMBUSTIÓN Según el módulo de transferencia de masa y energía define que l a combustión es un proceso químico de oxidación de los componentes del combustible (carbono e hidrógeno) con el oxígeno del aire (O 2) Si el combustible tiene azufre, su combustión proporciona óxidos de azufre, generando productos corrosivos si se permite que se condense el agua de los humos y óxidos de azufre que se disuelven en ella. El nitrógeno y componentes no combustibles pasan sin sufrir ninguna modificación, pero una mínima cantidad de nitrógeno se combina con el oxígeno para formar óxidos nitrosos (NOx).
Tabla 01: Las reacciones químicas comunes en la combustión y su energía liberada
Calor de Combustible
Reacción
combustión (kcal/kg)
Carbón a CO
2+ 2→2
2222
Carbón a CO2
+ 2→ 2
7833
2 + 2→2 2
2414
Hidrógeno
2 2+ 2→22
33945
Azufre a SO2
+ 2→2
2211
Metano
4+ 2 2→2 +22
13264
22 2+52→42+22
11945
24+ 32→22 +22
12020
Monóxido de carbono
Acetileno Etileno Etano
226+72→42+62
12403
FUENTE: [Modulo de transferencia de masa y energía]
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2.1.1. Requisitos para una una buena combustión: combustión: Tabla 2: Aire de combustión suficiente pero no excesivo. Combustible
Porcentaje de aire
Temperatura
estequiométrico
de ignición
Mínimo
Máximo
Gas Natural
64%
247%
538°C
Fuel – oil
30%
173%
407°C
Carbón pulverizado
8%
425%
455°C
FUENTE: [Modulo de transferencia de masa y energía]
- Corto periodo de tiempo. - Alta Temperatura. - Llama muy turbulenta. El combustible y el aire tienen t ienen que estar perfectamente mezclados para que la combustión sea completa, de este modo se tendrá temperatura de llama alta, y corto y tiempo de combustión. De lo contrario no puede ocurrir combustión completa. - Con exceso de aire (exceso de oxígeno) los gases en exceso (N 2 y O2) hacen que disminuya la temperatura de salida, y en consecuencia el rendimiento baja. - Con defecto de aire (defecto de oxígeno), queda combustible sin quemar y se desperdicia, obteniéndose inquemados en los gases de combustión.
+
2→
2+
+
+
+
A altas temperaturas (mayor a 1650°C) las moléculas de oxígeno oxígeno y nitrógeno se disocian y se forman átomos libres que reaccionan entre si:
[ ]+ [ ] NOx representa una mezcla de NO, NO 2, N2O4, N2O5.
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El aire utilizado para la combustión es básicamente una mezcla de oxígeno y nitrógeno, y las razones en peso son
0,2315 para el oxígeno 0, 7685 para el nitrógeno La cantidad teórica de aire requerido para la combustión de una unidad en peso de combustible se puede calcular con la siguiente fórmula: 11,3 +34,34 (−8)+4,29
2.1.2. Pérdidas de Calor
Las pérdidas de calor en los gases dependen de: - Temperatura de los gases de combustión - Temperatura del aire de combustión - Cantidad de exceso de aire - Composición del combustible
2.1.3. Rendimiento de la combustión combustión El rendimiento de una caldera es la razón entre el calor transferido al fluido de trabajo o proceso deseado y el contenido energético del combustible. El rendimiento puede variar con: - El diseño individual de la caldera - La carga de la caldera - El exceso de aire - La temperatura del gas de combustión - Mantenimiento de la caldera. El rendimiento total de la caldera está compuesto por el rendimiento de combustión y el rendimiento del horno. Omitiendo factores de menor importancia, el rendimiento se puede calcular: Lab. N° 03 - “BALANCE DE MATERIA EN LA REACCIÓN DE COMBUSTIÓN” Laboratorio de Transferencia de Masa y Energía
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LA CALDERA
•
Es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor.
Se usa para calentar un fluido caloportador, normalmente agua, que será conducido posteriormente a trav ravés de una red de tuberías, mon montantes y dist istrib ribuidores hasta unos emisores con el objetivo de proporcionar calo calorr a esta estanc ncia iass y loca locale less
•
USO
•
TIPOS •
Pirotubulares: en este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipie ipien nte atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un proc proces eso o de comb combus ustitión ón.. son Acuotubulares: aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desp despla laza za por por tubo tuboss dura durant nte e su calent calentamie amiento nto..
FUENTE: [ (Rios, 2013) Lab. N° 03 - “BALANCE DE MATERIA EN LA REACCIÓN DE COMBUSTIÓN” Laboratorio de Transferencia de Masa y Energía
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3. MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS: Equipo de medición TESTO 330-2. Caldero. Gas combustible.
Imagen 01 : la caldera
FUENTE: [propia]
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4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: EXPERIMENTAL: Imagen 02: Abrir los balones de gas
ENCENDIDO DEL CALDERO
Se abrió la llave del gas (2 balones). Imagen 03: Encendido de la bomba FUENTE: [propia]
Se pusó “ON” el la bomba, LED verde y también “ON” quemador LED verde.
El quemador inicia un tiempo de barrido (Demora alrededor 34 seg). Luego entra en funcionamiento.
FUENTE: [propia]
Donde dicho gas (propano) se convierte en CO2 Y H20.
Se esperó a que el caldero llega a más de 100 psi.
Se obtuvo como resultados.
Se introdujo el equipo de medición de gases OSART en la chimenea.
Imagen 04: Introducción del equipo de medición
Imagen 05 : Toma de datos
86.5 % de Eficiencia de combustión Composición de gases 3.4 % oxigeno 17.7% de Exceso de Aire. 128 ppm de CO
FUENTE: [propia]
FUENTE: [propia]
Se tomó los datos y se procedió a apagar dicho caldero; culminando dicho procedimiento.
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5. PROCESMIENTO DE DATOS Experimento N° 01 100 moles
H2O=24.431 moles
100 moles O2=3.4 %=3.4 moles CO=0.128% = 0.128 moles
Aire + 17.7 exceso 21%
O2=0.21 moles
CO2= 7.872 %=7.872moles
N2 =88.6%= 88.6 moles
79% N2 = 0.79 moles
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BALANCE DE N2:
BALANCE PARCIAL DE CARBONO:
0.79(n)=88.6
0.128moles CO x = 0.128
.
n= .
moles C
n=112.15 moles
7.872moles CO 2 x
7.872moles C
BALANCE PARCIAL DE OXIGENO: . 2
112.15moles Aire x
=
C
8.
COMBUSTIBLE:
= 47.103 moles de O
24.431 moles O x
H2O
= 24.431 moles H O 2
3.4 moles O2 x = 6.8 moles O
HIDRÓGENO: H
24.431 moles H O x H O = 2
0.128 moles C O x C= 0.128 moles O
7.872 moles C O2 x C = 15.744 moles O 2
2
48.862 moles H . moles H H
.
= c
CH6.
23.55 moles O2 x = 47.1 moles O 2
1 moles O =x moles H2O
de H2O x
+22.672 moles O = 24.431 moles O.
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Experimento N° 02 100 moles
100 moles O2=0.1 %= 0.1 moles CO=5.695% = 5.695 moles CO2= 3.5593% = 355.93
Aire -0.8. Defecto 21%
O2=0.21 moles
moles
N2 = 85.5% = 85.5 moles
79% N2 = 0.79 moles
Experimento N° 03 100 moles
100 moles O2=6.8 %= 6.8 moles CO= 0.085% = 0.085 moles CO2= 0.053% = 5.3124 moles
Aire + 43.9 % exceso 21%
N2 = 84.8% = 84.8 moles
O2=0.21 moles
79% N2 = 0.79 moles
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Porcentajes para experimentos Nº 1, 2 y 3: 8 %- 0.128% = 7.87% C O2 CO2
7.87%
CO 5.695%
0.128%
CO2.
8 %
X
X= 355.93 moles de
5.695%
X
X= 5.3124moles de
CO2
CO2. …. CO2 =3.5593%
CO 0.085% CO2.
CO
CO
3.50 %
CO2.
…
CO2
CO2 = 0.053%
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6. RESULTADOS. Tabla 03. Resultados de los experimentos. Situación 17.7% exceso de aire -
0.8 % defecto de aire
43.9% exceso de aire
Nitrógeno
CO2
CO
Oxígeno
(%)
(%)
(%)
88.6
7.872
0.128
3.4
85.5
3.5593
5.695
0.1
84.8
0.053
0.085
6.8
FUENTE: [ propia]
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7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Cuando de agrega más aire entonces la llama pasa más rápido y con ello arrastra combustible es por eso que no reacciona y genera menor cantidad de monóxido de carbono.
Una combustión con exceso exceso de aire tiende tiende a no producir sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de proceso es típica la presencia de oxígeno en los gases de combustión. La razón por la cual se utiliza normalmente un exceso de aire es hacer reaccionar completamente el combustible disponible en el proceso.
Cuando los productos que se queman pueden no reaccionar reaccionar con el mayor estado de oxidación, debido a que el comburente y el combustible no están en la proporción adecuada, dando como resultado compuestos como el monóxido de carbono carbono (CO) ; a esto esto se le llama combustión imcompleta. imcompleta.
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8.
CONCLUSIONES
Se reconoció las reacciones implicadas en la combustión, las cuales son la combustión incompleta, completa, estequiométrica, con exceso de aire y con defectos de aire. Se determino la cantidad de combustible empleado en el proceso que fue 12.281 a base de 100 moles y el combustible que salió fue CH 6. Se determino el rendimiento rendimiento de la combustión combustión de un 86,5 % y el factor principal que influye es el exceso de aire.
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9.
RECOMENDACIONES
Utilizar los implementos de seguridad.
Manipular todo los equipos con suma responsabilidad y cuidado, teniendo siempre un conocimiento previo.
Seguir adecuadamente adecuadamente las las instrucciones instrucciones que nos brinda el docente, docente, para así evitar incidentes.
Realizar los procesos en los los tiempos adecuados para que no afecten nuestros nuestros resultados.
Tener el mínimo cuidado cuidado con con el caldero, ya que, que, es muy riesgoso riesgoso si si no lo sabemos manejar.
Debemos trabajar de la mano con los términos: precisión y exactitud.
Mantener el área de trabajo trabajo en constante limpieza y orden; orden; antes, antes, durante durante y después del desarrollo de laboratorio.
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Bibliografía Rios, S. L. (2013). Las calderas de vapor. Obtenido de http://www.empresaeficiente.com/blog/como-funcionan-las-calderas-de-vapor/ Tecsup. (s.f.). Módulo de transferencia de masa y energía. Trujillo
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CUESTIONARIO 1. Calcular el análisis Orsat de la mezcla gaseosa resultante de la combustión completa, con 100% en exceso de aire de: a) Etano (C2H6) 100% en exceso de aire ng co2 = 200 mol COMBUSTIÓN
mol c2H6
ng N2 = 752.38 mol ng o2 = 0 mol
na = mol aire 0.21 2
= 200 200
0.79
= 752.3 752.38 8
BALANCE C2H6 + 2O2
2CO2
1 mol C2H6 + 2 mol 2O2 mol cons. O 2 = 100 mol C 2H6 × 2 mol O2 / 1 mol C2H6 n cons O 2 = 200 mol .
( nA mol de aire) = 200 200 mol mol O2
nA = 200/ 21 mol A nA = 952.38 mol A
% CO2 = 200 mol / 952.38 mol % CO2 = 21%
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b) Naftaleno (C10H8). BALANCE C10H8 + 12 O2
10 CO2 + 4 H2O
C10H8 + 7O2
10 CO + 4 H2O
COMBUSTIÓN COMPLETA 10 ×
4 gr mol H2 ×
= 10 gr mol CO2
= 4 g mol H2O
2 g mol 2
TEÓRICO O2 = 10 gr mol + 2 gr mol = 12 gr mol
79% N 21% O2
SUMISTRADO O2 = 12 × 2 = 24 g mol N2 = 24 ×
= 90.28 gr mol N 2
O2 teórico = O2 reacción (combustión completa). SALE O2 = 24 – 12 = 12 gr mol REACCIÓN O2 = 10 + 2 = 12 gr mol ANALISÍS ORSAT.
CO2 O2 N2
10 12 90.28 112.28
PORCENTAJE 8.91 10.69 80.40
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2. Un gas pobre tiene la l a siguiente composición en volumen: CO 23,0 % CO2 4,4 % O2 2,6 % N2 70,0 % a) Calcular los pies3 de gas a 70 °F y 750 mm Hg por lb de carbono presente en el gas. =
BASE 100 lb mol de gas pobre ×
×
×
= 39188. 39188.4 4 3
Con el gas gas 27.4 × 12 12 = 328.8 328.8 lb C . .
=119.18 pies 3/ lb C
b) Calcular el volumen de aire en las condiciones condiciones de la parte (a), necesario necesario para la combustión de 100 pies3 del gas a las mismas condiciones, si se desea que el oxígeno total presente antes de la combustión sea de 20% en exceso del teórico.
BASE 100 lb mol gas pobre 20 % en exceso de aire CO 23,0 % CO2 4,4 % O2 2,6 % N2 70,0 %
HORNO
CO2 4,4 % O2 2,6 % N2 70,0 %
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REACCIÓN CO + 0.5 O2 = CO2 TEÓRICO O2 = 11.5 lb mol SUMINISTROS O2 = 11.5 × 1.2 = 13.8 lb mol O2 (aire) = 13.8 – 26 = 11.2 lb mol Aire suministrado = 11.2 × V=
. ×
. .
×
×
= 53.33 lb mol
= 2089 20899. 9.1 1 pies3
× 100 = 53.3 pies 3
c) Calcular la composición en volumen de los gases que salen del quemador de la parte (b), suponiendo combustión completa.
CO2 = 4.4 + 23
= 27.40 lb-mol 19.31 %
N2 = 53.33 x 0.79 + 70 = 112.13 lb-mol 79.05 % O2 = 13.8 - 11.5
=
2.30 lb-mol 1.62 % 141.83 lb-mol
d) Calcular el volumen de los gases que salen de la combustión en las partes (b) y (c) a 600 oF y 750 mm Hg por cada 100 pies3 de gas quemado. =
=
141.83 x 1 060
× 161.8 pies3
. 9 .4
760 x 359 492
=
× =283.65 pies3 de gases de gases
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3. Un gas natural contiene CH4 83% molar y C2H6 17%. El gas se quema con un exceso de aire seco y se producen unos gases con el siguiente análisis Orsat: CO 2,77 % CO2 6,76 % O2 5,63 % N2 84,84 % Calcular:
a) El porcentaje en exceso de aire suministrado. O2 (S) = 84.84 x (21/79) = 22.55 lb-mol O2 en gases secos = 6.76 + (2.77/2) + 5.63 = 13.775 O2 que forma agua = 22.55 - 13.775 = 8.775 lb-mol Agua formada = 8.775 x 2 = 17.55 lb-mol C (total) = 6.76 + 2.77 = 9.53 lb-at O2 (T) = 9.53 + 8.775 = 18.305 lb-mol lb -mol =
. − . 18.305
× 100 = 23.2 %
b) El porcentaje del carbono carbono que pasa pasa a CO.
2.77 9.53
× = %
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c) La masa de vapor de agua por cada 1 000 pies3 de gases de combustión medidos a 800 °F y 1 atm. Masa de vapor de agua = 17.55 x 18 = 315.9 lb 117.55 x 1 260 V gases =
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 492
x
1 x 359
⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 108 074 pies3 1
315.9
⎯⎯⎯⎯
x 1 000 = 2.92 lb agua
108 074
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