Problema N0 P4.10.7 Un horno utilizado para fundir bronce usa carbón pulverizado como combustible. Su composición es la siguiente: C 68.8%, H2 6.4%, O2 8.4%, H2O 3.2%, cenizas 13.2%. Las cenizas del horno contienen un 15% del peso total de carbón alimentado. Para obtener una mejor operación en el horno se emplea un 60% de aire en exceso. Suponiendo que el aire se alimenta como aire seco, calcule: A) EL diagrama diagrama de flujo y los grados grados de libertad libertad B) El volumen de aire teóricamente necesario por tonelada de carbón C) El volumen de aire alimentado por tonelada de carbón D) La composición de los gases de combustión en base seca y húmeda Solución
A)
Diagrama de flujo
Gases de Carbón alimentado (F)
combustión
= 68.8%
= 6.4%
F
F
=8.4%
=3.2% =13.2%
Aire(A)
= 21 % mol Reacciones : = 79% mol
HORNOPP
P
C
O 2
2 H 2 O2
CO2
…………….........r 1
2 H 2O
...……………….. r 2
Relaciones: Exceso de aire = 60% M cenizas horno = 0.15(MF)
Análisis de los grados de libertad
NVI 12
NEB -4
NFE 0
NCE -5
NR -2
GL 1
Los grados de libertad son uno (1), significa que el problema está subespecificado, es necesario especificar un dato para que el sistema quede especificado correctamente.
En el problema nos especifican las composiciones en peso del Carbón alimentado (F), asumiremos 1000Kg como base de cálculo para conocer las composiciones molares de los reactantes, al asumir este flujo el sistema queda completamente especificado (GL=0). Sean 1000 Kg de C.A F
C = 688 Kg
N C
H 2
= 64Kg
N H
O2
= 84 Kg
F
= 57,33Kmol = 32Kmol
F
H 2O
N O
2
= 32 Kg
Cenizas =
132 Kg
20
F
X H
2
= 0,341
F
=2,625 Kmol
F
N H
= 0,611
F
F 2
X C
X O
2
=0,028
F
= 1,777 Kmol
N = 93,732
Kmol
X H O 2
= 0, 0188
Ecuación de reacción global
57, 33(C) + 32(H 2) + 2,625 (O2) + 1, 77(H2O) + 0,21A (O 2) + 0,79A (N 2) X (CO2) + Y (H2O) +Z (N2) +W (O2)
Balance de especies atómicas
Balance del carbono(C) X=moles de CO2 en los productos = 57,33 Kmol Balance del Hidrógeno (H) 64 +3,54 =2Y Y=moles de agua en los productos = 33,77 Kmol. Balance del Oxígeno (O) 2(2,625) +1,77+2(0,21A) = 2X + 33,77 + 2(W) 0,42 A =141,41 +2W Balance del Nitrógeno (N) 0,79 A = Z Se tienen 3 incógnitas y 2 ecuaciones, aparentemente sería indeterminado. La siguiente ecuación se obtiene a partir del % del exceso de aire: A
NO
T
N O
2
% Exceso de aire =
2
T
x 100....... .......(*)
N O
2
A
N O
2
= 0,21 A T
N O
Los , se determinan en función de las ecuaciones de combustión completa 2
C
O2
2 H 2 O2
CO2
2 H 2O
T
N O
2
=73,33 Kmol
Reemplazando en (*) 60 =
A = 558,619 Kmol de Aire Operando las demás ecuaciones: Z = moles de N 2 = 441,309 Kmol . W = moles de O 2 = 46, 604 Kmol.
B) Volumen de aire teórico. O2 que rxna = 73,33 Kmol = 0,21 (Aire teórico) Aire Teórico = 349, 19 Kmol
(349,19 Kmol )(0, 082
mol
)(298,15 k )
k
1atm
Volumen aire t.=
atm l
Volumen aire t/ tonelada de carbón = 8537,10 /tonelada
C) (558, 619 Kmol)(0, 082 Vol .
atm l
)(298,15 k )
mol k
1atm
Volumen aire aliment./ tonelada de carbón = 13657,28 /tonelada
D)
Base Seca
Base Húmeda
P
X CO
2
P
= 0,1051
10,51%
2
= 0,0854
8,54%
P
X N
2
= 0,099
2
9,9%
P
P
X O
X CO
X H O 2
= 0,0583
58,3%
P
= 0,8095
80,95%
X O
2
= 0,0804
8,04%
= 0,7623
76,23%
P
X N
2
