Problemas de Combustão Estequiométrica

Vista previa del material en texto

36 
 
C A P Í T U L O 2 
 
 Dada la importancia que tienen los procesos de combustión en la 
generación de contaminantes, en este capítulo se han incluido algunos ejercicios 
relacionados con la combustión estequiométrica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
37 
 
Problema 2.1 
 
 
 
 
 de etileno se queman como fuente de combustible con 400 Kg 
de aire. Determinar la composicion de la mezcla resultante. ¿Cuál es el porcentaje 
en exceso de aire, suponiendo conversion completa? 
 
Figura 2.1.- Esquema para el ejercicio 2.1. 
 
Solución 
 
 
→ 
Aire: N=79%, =21% 
 
 
 
 
 
38 
 
Tabla 2.1.- Datos para el ejercicio 2.1. 
 
Compuesto 
Masas 
 moleculares 
 28 
 32 
 28 
 44 
 18 
aire 28.84 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.2.- Diagrama de bloques para el ejercicio 2.1. 
 
Nota: 
 1 mol de = 28g 
 1 Kmol de = 28Kg, por tanto 20Kg de 
 
 
 
 
 
𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝐹 𝐾𝑔 
𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐴 𝐾𝑔 
 
 
 𝐶 𝐶𝑂 𝐻 𝑂 𝑂 𝑁 
 
 
Quemador 
39 
 
Tabla 2.2.- Algunos resultados y operaciones del problema 2.1. 
Corriente 
número 
(1) (2) (3) 
Nombre de 
corriente 
Combustible F Aire A Combinado C 
Componente Fracción 
 
 
Fracción 
 
 
Fracción 
 
 
 1.0 0.71 X X ? 0.71 
 X X 0.21 
 
 9 
? 2.91 
 X X 0.79 9 
 
 9 
? 10.96 
 X X X X 
 X X X X 
Total 1.0 0.71 1.0 13.87 1.0 14.58 
 
 
 
 
 
 
40 
 
Tabla 2.3.- Resultados y operaciones del problema. 
 
Componente Entrada 
 
 
 
Generado 
 
 
 
Consumido 
 
 
 
Salida 
 
 
 
 0.71 X 0.71 0 
 2.91 X 2.13 0.78 
 10.96 X X 10.96 
 X 1.42 X 1.42 
 X 1.42 X 1.42 
 Total 
 
 
ℎ
 
 
 
La tabla entrada-salida se prepara a partir de lo siguiente. No se genera 
 y se consume todo. Hay 2.91 Kmol de en la alimentación y reaccionan con 
el de acuerdo con: 
 
 
→ 
 
 
De los 9 en la alimentación, se consumen dejando 
 9 en la salida. El es inerte y pasa a los productos sin 
cambio alguno. Se generan , al igual que 1. . De la 
tabla, van a la corriente de salida. 
41 
 
Problema 2.2 
 
El análisis de cierto coque exento de hidrógeno es como sigue: humedad, 
 %; cenizas, %; carbono, %. El coque se somete a la combustión con lo 
cual se obtiene un gas de chimenea seco cuyo análisis es: CO2, 13.6%; CO, 1.5%; 
O2, % N2, % Calcular: 
a. Porcentaje de exceso de aire utilizado. 
b. Pies cúbicos de aire a y que entran por libra de 
carbono quemada. 
c. Lo mismo que en (b) pero por libra de coque quemada. 
d. Pies cúbicos de gas de chimenea seco 9 
 
 
. 
e. Pies cúbicos de gas de chimenea húmedo a las condiciones estándar por 
de coque. 
 
Solución 
 
Base: de gases de combustión 
 
 → 9 
 → 
 → 
 → 9 
 
Procedemos a hallar el peso total de carbono y de oxígeno (exceptuando el 
oxígeno que entra como parte del agua en la humedad) que ingreso a partir del 
análisis de los gases de combustión: 
 
http://www.monografias.com/trabajos11/metods/metods.shtml#ANALIT
http://www.monografias.com/trabajos14/ciclos-quimicos/ciclos-quimicos.shtml#car
http://www.monografias.com/trabajos14/impacto-ambiental/impacto-ambiental.shtml
http://www.monografias.com/trabajos10/gase/gase.shtml
http://www.monografias.com/trabajos/aire/aire.shtml
http://www.monografias.com/trabajos14/falta-oxigeno/falta-oxigeno.shtml
http://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtml
42 
 
 
 
 
 
 
 Hallamos ahora el aire teórico: 
 → 
 → 
 → 
 
 Tenemos que calcular ahora la cantidad de que entra con la 
humedad: 
 → % 
 → % 
 9 
Pero la humedad solamente representa el % del peso total de coque: 
 
 9 9 
 
Por lo tanto el peso de será: 
 
 
43 
 
Y con estos datos ya podemos hallar el porcentaje de exceso de 
oxígeno: 
 
 
 
 
(a) 
 
 ? 3 
 
 
 
 3 
 
 
 
Para usar la ecuación de los gases ideales solamente nos faltaría conocer 
el número de 
 
 
. 
 → 
 → 
 → 9 
Ahora hallamos las moles de que entran / lb de carbono quemado. 
 
 
http://www.monografias.com/trabajos11/basda/basda.shtml
http://www.monografias.com/trabajos/atm/atm.shtml
44 
 
 
 3 
 
 9 
 9 → 
 → 
 99 → 9 
 
 
 3 
 ℎ → 9 
 → 
 ℎ 
 
 
 3 
 
100.494 moles de gas chimenea húmedo → 211.93 lb de coque 
 → 
 ℎ ℎ 
 
45 
 
 
 3 
 
Problema 2.3 
 
En una prueba realizada en una caldera con alimentación de aceite no fue 
posible medir la cantidad de aceite quemado, aunque el aire que se empleó se 
determinó insertando un medidor Venturi en la línea de aire. Se encontró que se 
había utilizado 
 
 
 de aire a y 
 
 
 . El análisis del gas de 
chimenea seco es: % % % % Si se supone que 
el aceite está formado únicamente por hidrocarburos, calcular los galones por hora 
de aceite que se queman. El peso específico del aceite es 9 
 
Solución 
 
Datos del Aire 
 
Base: 1 min 
 
 
 
 Se aplica la ecuación de los gases ideales para determinar el número de 
moles de aire: 
 
 0 
 
http://www.monografias.com/Salud/Nutricion/
http://www.monografias.com/trabajos10/petro/petro.shtml#hidro
46 
 
 
Por lo tanto tendremos también: 
 
 9 
 
 
Datos para los gases de combustión secos 
 
 % 
 % 
 % 
 % 
 
Aplicando una regla de tres para el que no reacciona tendremos: 
 
 = 
 3 
 
 
 
Lo que nos daría los siguientes datos: 
 
 → 9 
 → 
 9 → 
 → 
 
 
 
 
47 
 
Ahora ya sabemos el que se encuentra en el agua. 
 
 
 
 
 
 9 
 
Este último peso hallado es el que entra con el aceite. 
Hallamos ahora el carbono que entra con el aceite. 
 
 9 
 9 
 
 3
 
 
 3
 
 
 
 
Transformando a galones por hora: 
 
 
 
Problema 2.4 
 
El análisis de un gas es: %; %; %; % % Este 
gas se quema con % de exceso de aire; la combustión es completa. El gas y el 
aire entran a , y los gases de chimenea descargan a . Calcular: 
(a) El análisis del gas de chimenea seco. 
(b) Pies cúbicos de aire por pie cúbico de gas. 
http://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtml48 
 
(c) Pies cúbicos de gas de chimenea húmedo por pie cúbico de gas. 
 
Solución 
 
Base: 100 moles de gas 
 
 
 
 
 
 
 
Solamente combustionan el y el para formar 2 y . 
Reacciones de combustión: 
 
 → 
 
 
 
 → 
 
 
 
 
 
Análisis del gas de chimenea seco 
 9 
 
49 
 
 9 9 
 
 9 
 
Por lo tanto: 
 % 
 9 % 
 % 
 % 
 
b) Como en los gases se cumple que una base molar es equivalente a una base 
volumétrica tendremos que entran 3 de gas y que entran 
 9 9 9 9 que también equivaldrían a 9 9 3. 
 
c) → ℎ 9 
 
 
 
 
 
Problema 2.5 
 
Para la manufactura del hielo seco un horno produce gas de chimenea seco 
que contiene 16.8% de CO2. Este gas se pasa por el sistema de recuperación 
de calor de una caldera y luego por un sistema de absorbedores en cuya entrada 
http://www.monografias.com/trabajos14/manufact-esbelta/manufact-esbelta.shtml
http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml
http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtml
50 
 
el contenido de CO2 es de 15.2%. Calcular los pies cúbicos de aire que han 
entrado al sistema por pie cúbico de gas de chimenea seco. 
 
Solución 
 
Base: 100 moles de gas chimenea seco 
 % 
 
 % 
 
 → % 
 
 → % 
 
 totales 
 
 
 
 
 
 → 3 
 
 
 
 
 
51 
 
 
Problema 2.6 
 
En la reacción 3 → 
a. ¿Cuántos gramos de carbonato de calcio se requieren para producir 
 3 de bióxido de carbono a y ? 
b. Si se desprenden 3 de bióxido de carbono a y , 
¿qué cantidad de gramos de carbonato de calcio fueron sujetos a la 
reacción? 
 
Solución 
 
Datos para el : 
 3 
 
 
 9 
 
 → 9 → 
 
 
 
 3 → 
 
 → → 3 
 
52 
 
 
 
 
 3 
 99 
 9 
 
 → 99 9 → 
 
 
 
 3 → 
 
 → → 3 
 
Problema 2.7 
 
El análisis de un gas natural es como sigue: % % , 
 % % a. ¿Cuál es la composición en peso? b. ¿Qué peso molecular 
tiene? c. ¿Qué densidad a y ? d. ¿Cuál es el peso específico 
comparado con el del metano? 
 
Solución 
 
Base: 
 
http://www.monografias.com/trabajos10/gase/gase.shtml
http://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtml
53 
 
 
 
 
 
 
Composición en peso: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
b) Para hallar el peso molecular del gas procedemos mediante la fórmula: 
 
 
 
c) Densidad: 
 
 
 
 
d) Peso específico: 
 
54 
 
 
Problema 2.8 
 
El gas natural de un pozo tiene la siguiente composición: 
 
Tabla 2.4.- composición del gas natural para el problema 2.8. 
Componente Peso molecular Composición % 
CH4 16 60 
C2H6 30 16 
C3H8 44 10 
C4H10 58 14 
 
a. ¿Cuál es la composición en porcentaje en peso? 
b. ¿Cuál es la composición en porcentaje molar? 
c. ¿Qué volumen en 3 ocuparán de gas a y ? 
d. ¿Cuál es la densidad del gas en 
 
 
 a y ? 
e. ¿Cuál es el peso específico del gas? 
 
Solución 
 
Base de cálculo: 100 lbmol de gas natural 
Composición molar Composición en peso 
 9 
http://www.monografias.com/trabajos7/caes/caes.shtml
55 
 
 
 3 3 
 
 
 9 
 
(% % 
 
% % 
 
% 3 % 3 
 
% % 
 
 Para hallar el volumen que ocupan 100 lb de gas se necesita calcular 
anteriormente el peso molecular del gas natural. 
 
 
 
 
 
Aplico ahora la ecuación de los gases ideales: 
 
 → 
 99 3 
 La densidad del gas natural está dada por: 
56 
 
 
 
 
 
Y finalmente el peso específico es: