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Cap 7 balance de materia en procesos de combustion gooding
- 1. CAPITULO 7 BALANCE DEMATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION Es un proceso de amplio uso ya que constituye la principal fuente de generación de energía. En general es una reacción química de oxidación entre un combustible y el oxígeno del aire. Los combustibles se clasifican en tres grupos: 1 - COMBUSTIBLES GASEOSOS. Son gases puros o mezcla de gases de composición variada según su orígen. Los principales son: gas natural, gas de alto horno, gas de hornos de coque, gas de generador, gas de agua, propano, butano, etc. 2 - COMBUSTIBLES LIQUIDOS. Son los derivados del petróleo y desde el punto de vista químico constituyen una mezcla compleja de hidrocarburos. Pueden considerarse formados principalmente por carbono e hidrógeno, y azufre en pequeñas cantidades. Los principales combustibles líquidos son: la gasolina, el keroseno, los aceites combustibles ligeros como el "Fuel Oil" # 2 (ACPM) y los aceites combustibles pesados como el "Fuel Oil" # 6. Su composición química elemental (relación H/C) se determina generalmente a partir de sus propiedades físicas tales como la gravedad específica, la viscosidad y el intervalo de destilación. El azufre generalmente se determina por separado mediante procedimientos normalizados. 3 - COMBUSTIBLES SOLIDOS. Pueden ser naturales como la madera, turba, lignito y carbón, o artificiales como el carbón de madera y el coque. El principal combustible sólido es el carbón y en la solución de problemas de balance de masa es necesario conocer totalmente su composición. Se utilizan generalmente los siguientes dos métodos de análisis: El análisis próximo o inmediato, que es una prueba sencilla de laboratorio que determina cuatro grupos a saber: humedad, materia volátil (MV), carbono fijo (CF) y cenizas.
- 2. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 274 El análisis último o elemental, cuya determinación es más compleja y requiere de equipo especializado. Determina los siguiente: carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N), oxígeno (O), azufre (S), humedad y cenizas. Cuando el carbón es calentado en ausencia de aire, su descomposición deja un resíduo sólido de aspecto esponjoso denominado coque, el cual se considera constituído por carbono y ceniza. Cuando se hace referencia a coque de petróleo, este puede considerarse como carbono puro. La solución de problemas de balance de masa en procesos de combustión emplea la siguiente terminología: Combustión completa o teórica. Cualquiera que sea el combustible utilizado, las reacciones de combustión completa son las siguientes: C + O2 = CO2 H2 + 0.5 O2 = H2O S + O2 = SO2 Oxígeno teórico. Es el oxígeno necesario para la combustión completa. Para garantizar esta combustión, es necesario utilizar una cantidad adicional de oxígeno por encima del teórico, ésta cantidad se acostumbra a expresar en porcentaje y se denomina porcentaje en exceso de oxígeno. oxígeno en exceso % en exceso de O2 = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x 100 oxígeno teórico Oxígeno en exceso = O2 suministrado - O2 teórico Como en la mayoría de los problemas de combustión el término que se calcula es el oxígeno suministrado a partir del oxígeno teórico, la siguiente fórmula es de gran utilidad: % exceso O2 (S) = O2 (T) x 1 + ⎯⎯⎯⎯⎯ 100
- 3. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 275 Cuando el combustible no contiene oxígeno, el porcentaje en exceso de aire es el mismo porcentaje en exceso de oxígeno, si el combustible contiene oxígeno y éste es utilizado en la reacción de combustión, para calcular el aire suministrado se determina primero el oxígeno suministrado y se resta de éste el oxígeno del combustible. El resultado así obtenido es el oxígeno que debe aportar el aire y mediante éste puede calcularse la cantidad de aire. Para resolver problemas de combustión completa el diagrama de flujo es el siguiente: Si se trata de un combustible que no contiene azufre o hidrógeno en los productos finales no habrá SO2 o H2O. En la gran mayoría de las combustiones reales se presenta combustión incompleta caracterizada por presencia de material combustible en los productos del proceso. La reacción de formación de monóxido de carbono es una de las principales: C + 0.5 O2 = CO En el siguiente diagrama de flujo se presentan los productos que pueden salir del proceso cuando un combustible se quema en condiciones de combustión incompleta.
- 4. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 276 Analisis "ORSAT". Es el principal procedimiento de análisis de gases de chimenea. Sobre una base de 100 centímetros cúbicos de muestra tomada directamente de la chimenea, se absorben sucesivamente por medio de soluciones químicas específicas, el CO2, el O2 y el CO. La diferencia determina el N2. Es un análisis en volumen o molar. Considerando que la muestra se seca antes de ser analizada, la composición reportada en este análisis es en base seca. Cálculos de combustión. En la solución de los problemas de combustión se conoce generalmente la composición ORSAT de los gases de chimenea y la composición del combustible. Según la forma como se presente el problema la base de cálculo se toma sobre el combustible o sobre los gases de chimenea. No es costumbre utilizar el aire como base de cálculo del problema. La sustancia de enlace o elemento de correlación denominada en este caso, es el nitrógeno, y mediante él es posible conocer la cantidad de aire suministrada. El balance de oxígeno permite en general conocer la cantidad de agua presente en los gases. PROBLEMAS RESUELTOS 7.1 - Calcular el análisis Orsat de la mezcla gaseosa resultante de la combustión completa, con 100% en exceso de aire de: (a) Etano (C2H6) (b) Naftaleno (C10H8). a) B.C.: 1 g-mol de C2H6
- 5. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 277 1 g-mol CO2 2 g-at C x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 2 g-mol CO2 1 g-at C 1 g-mol H2O 3 g-mol H2 x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 3 g-mol H2O g-mol H2 O2 teórico (T) = 2 g-mol + 1.5 g-mol = 3.5 g-mol O2 suministrado (S) = 3.5 x 2 = 7 g-mol 79 N2 suministrado = 7 x ⎯⎯ = 26.33 g-mol N2 21 O2 teórico = O2 reacciona ( combustión completa) O2 sale = 7 - 3.5 = 3.5 g-mol Análisis Orsat: CO2 2 6.28 % O2 3.5 10.99 % N2 26.33 82.72 % ⎯⎯⎯ 31.83 b) B.C.: 1 g-mol de C10 H8 1 g-mol CO2 10 g-at C x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 10 g-mol CO2 1 g-at C 1 g-mol H2O 4 g-mol H2 x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 4 g-mol H2O 1 g-mol H2 O2 (T) = 10 + 2 = 12 g-mol O2 (S) = 12 x 2 = 24 g-mol N2 (S) = 24 (79/21) = 90.28 g-mol O2 (R) = 10 + 2 = 12 g-mol O2 (sale) = 24 - 12 = 12 g-mol
- 6. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 278 Análisis Orsat: CO2 10 8.90 % O2 12 10.68 % N2 90.28 80.40 % ⎯⎯⎯⎯ 112.28 7.2 - Un gas pobre tiene la siguiente composición en volumen: CO 23.0 % CO2 4.4 % O2 2.6 % N2 70.0 % a) Calcular los pies3 de gas a 70 o F y 750 mm Hg por lb de carbono presente en el gas. b) Calcular el volumen de aire en las condiciones de la parte (a), 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. c) Calcular la composición en volumen de los gases que salen del quemador de la parte (b), suponiendo combustión completa. d) Calcular el volumen de los gases que salen de la combustión en las partes(b) y (c) a 600 o F y 750 mm Hg por cada 100 pies3 de gas quemado. a) B.C.: 100 lb-mol de gas pobre nRT 100 x 530 760 x 359 V = ⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 39 188.4 pies3 P 750 492 C en el gas = 27.4 lb-at x 12 at-1 = 328.8 lb C 39 188.4 pies3 pies3 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 119.18 ⎯⎯⎯⎯ 328.8 lb C lb C b) B.C.: 100 lb-mol de gas pobre
- 7. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 279 Reacción : CO + 0.5 O2 = CO2 O2 (T) = 11.5 lb-mol O2 (S) = 11.5 x 1.2 = 13.8 lb-mol O2 (aire) = 13.8 - 2.6 = 11.2 lb-mol Aire (S) = 11.2 x (100/21) = 53.33 lb-mol 53.33 x 530 760 x 359 V = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 20 899.1 pies3 750 492 20 899.1 ⎯⎯⎯⎯⎯ x 100 = 53.3 pies3 aire 39 188.4 c) Gases a la salida: CO2 = 4.4 + 23 = 27.4O lb-mol 19.31 % N2 = 53.33 x 0.79 + 70 = 112.13 lb-mol 79.05 % O2 = 13.8 - 11.5 = 2.3O lb-mol 1.62 % ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 141.83 lb-mol d) 141.83 x 1 060 760 x 359 V = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 111 161.8 pies3 750 492
- 8. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 280 111 161.8 ⎯⎯⎯⎯⎯ x 100 = 283.65 pies3 de gases 39 188.4 7.3 - 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: CO2 6.76 % CO 2.77 % O2 5.63 % N2 84.84 % Calcular: a) El porcentaje en exceso de aire suministrado. b) El porcentaje del carbono que pasa a CO. c) La masa de vapor de agua por cada 1 000 pies3 de gases de combustión medidos a 800 o F y 1 atm. B.C.: 100 lb-mol de gases de combustión a) 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 22.55 - 18.305 Exceso de aire = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x 100 = 23.2 % 18.305 b) 2.77 Porcentaje C que forma CO = ⎯⎯⎯ x 100 = 29 % 9.53 c) Masa de vapor de agua = 17.55 x 18 = 315.9 lb
- 9. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 281 117.55 x 1 260 1 x 359 V gases = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 108 074 pies3 1 492 315.9 ⎯⎯⎯⎯ x 1 000 = 2.92 lb agua 108 074 7.4 - Un horno anular de acero quema cierto combustible, cuya composición puede representarse mediante la fórmula (CH2)n . Se proyecta quemar éste combustible con un exceso de aire equivalente al 12%. Suponiendo que la combustión es completa, calcular el análisis Orsat del gas de chimenea. Repetir los cálculos de este problema suponiendo que todo el carbono del combustible se quema hasta CO. B.C.: 1 lb-mol de CH2 El valor de n se toma como la unidad para facilitar los cálculos ya que la composición no se afecta. Las reacciones de combustión son: C + O2 = CO2 C + 0.5 O2 = CO H2 + 0.5 O2 = H2O CO2 formado = 1 lb-mol H2O formada = 1 lb-mol O2 (T) = 1.5 lb-mol O2 (S) = 1.5 x 1.12 = 1.68 lb-mol O2 (libre) = 1.68 - 1.5 = 0.18 lb-mol N2 (S) = 1.68 x (79/21) = 6.32 lb-mol Análisis Orsat : CO2 1.00 lb-mol 13.30 % O2 0.18 lb-mol 2.39 % N2 6.32 lb-mol 84.26 % Considerando ahora que todo el carbono forma CO:
- 10. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 282 CO formado = 1 lb-mol H2O formada = 1 lb-mol O2 (R) = 1 lb-mol O2 (libre) = 1.68 - 1 = 0.68 lb-mol N2 (S) = 6.32 lb-mol Análisis Orsat: CO 1.00 lb-mol 12.5 % O2 0.68 lb-mol 8.5 % N2 6.32 lb-mol 79.0 % 7.5 - Un gas combustible formado por CH4 y C3H8 se quema completamente con un exceso de aire. El análisis Orsat del gas de chimenea es el siguiente: CO2 10.57 % O2 3.79 % N2 85.63 % Calcular la composición molar del gas combustible. B.C.: 100 g-mol de gas seco Se calcula el oxígeno suministrado a partir del N2. O2 (S) = 85.63 x (21/79) = 22.76 g-mol O2 Balance total de oxígeno: O2 (S) = O2 (CO2) + O2 (libre) + O2 (H2O) O2 (H2O) = 22.76 - 10.57 - 3.79 = 8.4 g-mol
- 11. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 283 H2O formada = 8.4 x 2 = 16.8 g-mol Si: X = g-mol CH4 Y = g-mol C3H8 Balance de carbono: X + 3 Y = 10.57 Balance de hidrógeno: 4 X + 8 Y = 2 x 16.8 Resolviendo: X = 4.06 g-mol de CH4 Y = 2,17 g-mol de C3H8 Composición molar: CH4 65.16 % C3H8 34.83 % 7.6 - Un motor de automóvil se opera con alcohol metílico puro usando 10% de aire en exceso para asegurar combustión completa. ¿ Cual debe ser el análisis Orsat de los gases producidos ? B.C.: 1 g-mol de CH3OH CH3OH + 1.5 O2 = CO2 + 2 H2O CO2 producido = 1 g-mol O2 (T) = 1.5 g-mol = O2 (R) O2 (S) = 1.5 x 1.1 = 1.65 g-mol N2 (S) = 1.65 x (79/21) = 6.207 g-mol O2 (libre) = 1.65 - 1.5 = 0.15 g-mol Análisis Orsat: CO2 1.000 g-mol 13.59 % O2 0.150 g-mol 2.03 % N2 6.207 g-mol 84.36 % ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 7.357 g-mol
- 12. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 284 7.7 - El formaldehído puro (CH2O) se quema completamente con 50% de aire en exceso. ¿ Cuál será el análisis Orsat de los gases de combustión ? B.C.: 1 g-mol de CH2O CH2O + O2 = CO2 + H2O O2 (T) = 1 g-mol O2 (S) = 1 x 1.5 = 1.5 g-mol N2 (S) = 1.5 g-mol O2 x (79/21) = 5.64 g-mol Análisis Orsat: CO2 1.00 g-mol 14 % O2 0.50 g-mol 7 % N2 5.64 g-mol 79 % ⎯⎯⎯⎯⎯ 7.14 g-mol 7.8 - En el problema anterior, ¿ cuál será el análisis Orsat de los gases de combustión si en lugar de usar aire en exceso se emplea el necesario para quemar todo el hidrógeno a agua, 25% del carbono a CO2 y el 75% restante a CO, y la combustión se conduce de tal forma que no hay oxígeno en los gases de combustión ? B.C.: 1 g-mol de CH2O Reacciones: C + O2 = CO2 C + 0.5 O2 = CO H2 + 0.5 O2 = H2O Se calcula el oxígeno necesario para las condiciones del problema. C que forma CO2 = 0.25 g-at C que forma CO = 0.75 g-at CO2 formado = 0.25 g-mol CO formado = 0.75 g-mol H2O formada = 1 g-mol
- 13. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 285 O2 (R) = 0.25 + (0.75/2) + 0.5 = 1.125 g-mol O2 (aire) = O2 (R) - O2 (CH2O) = 1.125 - 0.5 = 0.625 N2 (S) = 0.625 x (79/21) = 2.35 g-mol Análisis Orsat: CO2 0.25 g-mol 7.46 % CO 0.75 g-mol 22.38 % N2 2.35 g-mol 70.15 % 7.9 - El motor de un automóvil se opera con alcohol metílico puro. El 90% del carbono se quema a CO2 y el resto a CO. Suponer además, que bajo tales condiciones el hidrógeno en los gases de combustión es el 40% del CO presente y todo el oxígeno se ha consumido. Calcular: a) El análisis Orsat de los gases de combustión. b) Las libras de aire requerido por libra de combustible cargado. c) El volumen de los gases de combustión si salen a 960 o F y 1 atm, por libra de combustible cargado. B.C.: 1 lb-mol de CH3 OH C que pasa a CO2 = 0.9 lb-at C que pasa a CO = 0.1 lb-at CO2 formado = 0.9 lb-mol CO formado = 0.1 lb-mol H2 en gases = 0.1 x 0.4 = 0.04 lb-mol H2 en el alcohol = 2 lb-mol H2 que forma agua = 2 - 0.04 = 1.96 lb-mol O2 (R) = 0.9 + (0.1/2) + (1.96/2) = 1.93 lb-mol O2 en el alcohol = 0.5 lb-mol O2 (aire) = 1.93 - 0.5 = 1.43 lb-mol N2 (S) = 1.43 x (79/21) = 5.38 lb-mol
- 14. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 286 a) Análisis Orsat: CO2 0.90 lb-mol 14.00 % CO 0.10 lb-mol 1.55 % H2 0.04 lb-mol 0.62 % N2 5.38 lb-mol 83.80 % ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 6.42 lb-mol b) Aire requerido = 5.38 x (100/79) = 6.81 lb-mol Masa de aire = 6.81 x 28.84 = 196.4 lb Combustible cargado = 1 lb-mol = 32 lb (196.4/32) = 6.1375 lb aire/lb combustible c) Lb-mol de gas húmedo = 6.42 + 1.96 = 8.38 lb-mol nRT 8.38 x 1 420 1 x 359 V = ⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 8 682.8 pie 3 P 1 492 (8 682.8/32) = 271.33 pies3 /lb combustible 7.10 - Una compañía de energía opera una de sus calderas con gas natural y la otra con aceite. El análisis de los combustibles es: Gas Natural: CH4 96 % C2H2 2 % CO2 2 % Aceite : (CH1.8)n Los gases de chimenea de ambas calderas entran al mismo ducto y el análisis Orsat del gas combinado es: CO2 10.00 % CO 0.63 % O2 4.55 % N2 84.82 % Calcular los g-mol de gas natural por cada gramo de aceite suministrado. B.C.: 100 g-mol de gases secos
- 15. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 287 Se calcula primero la composición en peso del aceite combustible: C : (12/13.8) x 100 = 86.95 % H : (1.8/13.8) x 100 = 13.04 % Si X = g-mol de gas natural Y = gramos de aceite O2 (aire) = 84.82 x (21/79) = 22.54 g-mol Balance total de oxígeno: O2 (S) = O2 (gas natural) + O2 (aire) O2 (S) = (0.02 X + 22.54) g-mol O2 (sale) = O2 (CO2) + O2 (CO) + O2 (libre) + O2 (H2O) O2 (sale) = 10 + (0.63/2) + 4.55 + O2 (H2O) O2 (S) = O2 (sale) O2 (H2O) = 7.675 + 0.02 X H2O formada = 2 x (7.675 + 0.02 X) = 15.35 + 0.04 X Balance de carbono: 0.8695 Y C (entra) = 0.96 X + 2 (0.02 X) + 0.02 X + ⎯⎯⎯⎯⎯ 12 C (sale) = 10 + 0.63 C (entra) = C (sale) 0.96 X + 2 (0.02 X) + 0.02 X + 0.072 Y = 10 + 0.63 Balance de hidrógeno: 4(0.96) X + 2(0.02) X + 0.1304 Y = 2 (15.35 + 0.04 X)
- 16. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 288 Resolviendo: X = 5.88 g-mol Y = 63.9 gramos 5.88 g-mol gas natural ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 0.092 63.9 gramos aceite 7.11 - A un horno de fundición se alimenta un carbón de la siguiente composición en peso: C 76.0 % H 4.9 % O 7.8 % N 1.7 % S 1.2 % H2O 1.5 % Impurezas 6.9 % Si se suministra aire en un 30% en exceso, calcular: a) Los kg de aire suministrado por kg de carbón alimentado. b) El volumen a condiciones normales de aire suministrado por kg de carbón alimentado. c) La masa molecular media de los productos de combustión. B.C.: 100 kg de carbón. kg-at C 1 kg-mol CO2 76 kg x ⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 6.33 kg-mol CO2 12 kg C 1 kg-at C kg-mol H2 1 kg-mol H2O 4.9 kg H2 x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 2.45 kg-mol H2O 2 kg H2 1 kg-mol H2 kg-mol H2O 1.5 kg H2O x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 0.083 kg-mol H2O 18 kg H2 O H2O total = 2.45 + 0.083 = 2.533 kg-mol
- 17. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 289 kg-at S 1 kg-mol SO2 1.2 kg S x ⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 0.0375 kg-mol SO2 32 kg S kg-at S O2 (T) = 6.33 + (2.45/2) + 0.0375 = 7.5925 kg-mol O2 (S) = 7.5925 x 1.3 = 9.87 kg-mol O2 (carbón) = (7.8/32) = 0.2437 kg-mol O2 (aire) = 9.87 - 0.2437 = 9.6263 kg-mol N2 (aire) = 9.6263 x (79/21) = 36.21 kg-mol N2 (carbón) = (1.7/28) = 0.06 kg-mol N2 (sale) = 36.21 + 0.06 = 36.27 kg-mol O2 (sale) = 9.87 - 7.5925 = 2.2775 kg-mol Aire = 9.6263 x (100/21) = 45.84 kg-mol Masa aire = 45.84 x 28.84 = 1 322 kg a) (1 322 kg aire/100 kg carbón) = 13.22 b) V aire = 45.84 x 22.414 = 1 027.4 m3 (1 027.4 m3 /100 kg carbón) = 10.274 c) Gases de combustión: CO2 6.330 kg-mol x 44 = 278.52 kg H2O 2.533 kg-mol x 18 = 45.59 kg O2 2.277 kg-mol x 32 = 72.88 kg N2 36.273 kg-mol x 28 = 1 015.64 kg SO2 0.037 kg-mol x 64 = 2.40 kg ⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯ 47.451 kg-mol 1 415.03 kg Masa molecular media= (1 415.03/47.451) = 29.82 mol-1
- 18. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 290 7.12 - La madera de pino tiene la siguiente composición: C 50.31 % H 6.20 % O 43.08 % Ceniza 0.41 % a) Calcular los pies3 de aire a 76 o F y 29.4 pulg Hg requeridos para la combustión de 1 lb de madera. b) Si se emplea un 30% en exceso de aire, determinar los pies3 de gas de chimenea seco a 600 o F y 29.4 pulg Hg por libra de madera. c) Calcular el análisis Orsat del gas de chimenea para las partes (a) y (b) B.C.: 1 lb de madera C: (0.5031/12) = 0.0419 lb-at C H: ( 0.0620/2) = 0.0310 lb-mol H2 O2 (T) = 0.0419 + (0.0310/2) = 0.0574 lb-mol O2 (madera) = (0.4308/32) = 0.01346 lb-mol O2 (aire) = 0.0574 - 0.01346 = 0.0439 lb-mol Aire = 0.0439 x (100/21) = 0.209 lb-mol N2 (S) = 0.209 x 0.79 = 0.1651 lb-mol a) nRT 0.209 x 536 29.92 x 359 V = ⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 83.18 pies3 P 29.4 492 b) O2 (S) = 0.0574 x 1.3 = 0.0746 lb-mol O2 (aire) = 0.0746 - 0.01346 = 0.061 lb-mol Aire = 0.061 x (100/21) = 0.2904 lb-mol N2 (sale) = 0.2904 x 0.79 = 0.2294 lb-mol O2 (libre) = 0.0746 - 0.0574 = 0.0172 lb-mol
- 19. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 291 Gases secos: CO2 0.0419 lb-mol N2 0.2294 lb-mol O2 0.0172 lb-mol ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 0.2885 lb-mol nRT 0.2885 x 1 060 29.92 x 359 V = ⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 226.7 pies3 P 29.4 492 c) Gases formados en la parte (a): CO2 0.0419 lb-mol 20.24 % N2 0.1651 lb-mol 79.75 % ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 0.2070 lb-mol Gases formados en la parte (b) CO2 0.0419 lb-mol 14.52 % O2 0.0172 lb-mol 5.96 % N2 0.2294 lb-mol 79.51 % ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 0.2885 lb-mol 7.13 - Se proyecta un horno para quemar coque a la velocidad de 200 lb/hr. El coque tiene la siguiente composición: C 89.1 % en peso cenizas 10,9 % La eficiencia de la parrilla es tal que el 90% del carbono presente en la carga del coque, se quema. Se suministra aire en un 30% en exceso del requerido para la combustión completa de todo el carbono de la carga. Se supone que el 97% del carbono se oxida a CO2, formando CO el restante. a) Calcular la composición en volumen de los gases de chimenea que salen del horno. b) Si los gases de chimenea abandonan el horno a 550 o F y 743 mm Hg, calcular la velocidad de flujo de los gases, en pies3 /mi, para la cual debe proyectarse el tubo de chimenea. B.C.: 1 lb-at de C alimentado al horno
- 20. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 292 a) CO2 formado = 0.9 x 0.97 = 0.873 lb-mol CO formado = 0.9 x 0.03 = 0.027 lb-mol O2 (T) = 1 lb-mol O2 (S) = 1 x 1.3 lb-mol N2 (S) = 1.3 x (79/21) = 4.89 lb-mol O2 (R) = 0.873 + (0.027/2) = 0.8865 lb-mol O2 (libre) = 1.3 - 0.8865 = 0.4135 lb-mol Gases formados: CO2 0.873 lb-mol 14.07 % CO 0.027 lb-mol 0.43 % O2 0.413 lb-mol 6.66 % N2 4.890 lb-mol 78.82 % ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 6.203 lb-mol b) nRT 6.203 x 1 010 760 x 359 V = ⎯⎯⎯ = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 4 676 pies3 P 743 492 4 676 pies3 89.1 lb C 200 lb hr ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯ = 1 157 pies3 /mi 12 lb C 100 lb coque hr 60 mi 7.14 - El análisis de un carbón es: C 74 % en peso cenizas 12 % El análisis del gas de chimenea procedente de la combustión del carbón es: CO2 12.4 % CO 1.2 % O2 5.7 % N2 80.7 %
- 21. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 293 Calcular: a) Las libras de carbón quemadas por 100 lb-mol de gas de chimenea seco. b) La composición completa del carbón. c) Las libras de aire empleado por libra de carbón. d) El porcentaje en exceso de aire. Según la composición del carbón debe suponerse que también contiene hidrógeno y oxígeno, pero no contiene nitrógeno. B.C.: 100 lb-mol de gases de combustión secos. C (total) = 12.4 + 1.2 = 13.6 lb-at x 12 = 163.2 lb a) Carbón alimentado = 163.2 x (100/74) = 220.54 lb b) Ceniza = 220.54 x 0.12 = 26.46 lb Aire = 80.7 x (100/79) = 102.15 lb-mol = 2 946 lb M(gas seco) = (44 x 0.124 + 28 x 0.012 + 32 x 0.057 + 28 x 0.807) = 30.212 mol-1 El agua en gases se determina por un balance total: 220.54 + 2 946 = 26.46 + (100 x 30.212) + m (agua) = 118.88 lb m(agua) = 118.88 lb (118.88/18) = 6.6 lb-mol H2O H: 6.6 x 2 = 13.2 lb Oxígeno en el carbón: 220.54 - 13.2 - 220.54 x 0.86 = 17.67 lb Composición del carbón: C 163.2 lb 74.00 % H 13.2 lb 5.98 % O 17.67 lb 8.01 % Ceniza 26.46 lb 12.00 %
- 22. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 294 c) (2 946 lb aire/220.54 lb carbón) = 13.35 d) Oxígeno teórico: (163.2/12) + (13.2/4) - (17.67/32) = 16.34 lb-mol O2 (S) = 102.15 x 0.21 = 21.45 lb-mol 21.45 - 16.34 % en exceso = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x 100 = 31.27 % 16.34 7.15 - Cuando se quema carbono puro con aire, una parte de éste se oxida a CO y otra a CO2. Si la relación molar de N2/O2 es 7.18 y la de CO/CO2 es 2, ¿Cuál es el porcentaje en exceso de aire utilizado ? Los gases de salida contienen: N2, O2, CO y CO2. X = fracción molar de oxígeno en los gases Y = fracción molar de CO2 en los gases Gases producidos: CO2 Y CO 2 Y O2 X N2 7.18 X O2 (S) = (2 Y + X) moles N2 (S) = 7.18 X moles Por la relación del aire se puede establecer la siguiente ecuación: ( 2 Y + X ) 21 ⎯⎯⎯⎯⎯ = ⎯⎯ = 0.2658 7.18 X 79 La suma de las fracciones molares es 1: 3 Y + 8.18 X = 1 Resolviendo el sistema se tiene: X = 0.1048 Y = 0.04758
- 23. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 295 O2 (T) = 3 Y = 0.14274 O2 (S) = 2 Y + X = 0.2 0.2 - 0.14274 % en exceso = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x 100 = 40 % 0.14274 7.16 - Una mezcla formada por aceite combustible y lodos se quema en un horno en presencia de aire. Suponiendo que el aceite combustible sólo contiene H y C. Se conocen los siguientes análisis: Lodos: Húmedos agua 50% sólidos 50% Secos S 32 % C 40 % H 4 % O 24 % Gas de chimenea: SO2 1.52 % CO2 10.14 % CO 2.05 % O2 4.65 % N2 81.67 % a) Determinar la composición en peso del aceite combustible. b) Determinar las libras de lodo húmedo por libra de aceite combustible. B.C.: 100 lb-mol de gases de combustión Para calcular la masa de lodo seco se toma el azufre como elemento de enlace: 1 lb-at S 32 lb S 1.52 lb-mol SO2 x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ x ⎯⎯⎯⎯ = 48.64 lb S 1 lb-mol SO2 lb-at S 100 lb lodo seco 48.64 lb S x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 152 lb lodo seco 32 lb S
- 24. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 296 Aire = 81.67 x (100/79) = 103.38 lb-mol Balance de C: C (aceite) + 152 x 0.4 = 12.19 x 12 C (aceite) = 85.48 lb Balance de O2: O2 (entra) = 103.38 x 0.21 + (152 x 0.24)/32 O2 (sale) = 1.52 + 10.14 + (2.05/2) + 4.65 + O2 (agua) O2 (agua) = 5.5148 lb-mol H2O formada = 11.03 lb-mol Balance de H: H2 (entra) = H2 (aceite) + (152 x 0.04)/2 lb-mol H2 (sale) = 11.03 lb-mol H2 (aceite) = 7.99 lb-mol x 2 mol-1 = 15.98 lb a) Composición del aceite: C 85.48 lb 84.25 % peso H 15.98 lb 15.75 % ⎯⎯⎯⎯⎯ 101.46 lb b) Lodo húmedo = 152 x (100/50) = 304 lb 304 lb lodo lb lodo húmedo ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 3 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 101.46 lb aceite lb aceite
- 25. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 297 7.17 - A continuación se da el análisis próximo y el análisis último de un carbón: Análisis Próximo: Humedad 4.0 % CF 55.1 % MV 26.7 % Cenizas 14.2 % Análisis Ultimo: C 61.5 % N 1.8 % H 3.5 % S 0.4 % O 18.6 % ceniza 14.2 % Si al quemar este carbón la escoria contiene 12 % de carbono y 2 % de MV, determinar el porcentaje de carbono perdido en la escoria. B.C.: 100 gramos de carbón Peso de escoria = (14.2/0.86) = 16.51 g Se denomina combustible a la suma de (CF + MV) (CF + MV) = 55.1 + 26.7 = 81.8 g Relación (CF/MV) en carbón = (55.1/26.7) = 2.063 MV en escoria = 16.51 x 0.02 = 0.3302 g C no coquizado en escoria = 2.063 x 0.3302 = 0.6812 g C coquizado = 16.51 x 0.12 - 0.6812 = 1.3 g Combustible en escoria = 0.6812 + 0.3302 = 1.0114 g Puede suponerse que este combustible tiene la misma composición del combustible en el carbón original, luego: C en combustible de escoria = (61.5/81.8) x 1.0114 = 0.76 g C total en escoria = 1.3 + 0.76 = 2.06 g Porcentaje de carbono perdido en escoria: (2.06/61.5) x 100 = 3.35 %
- 26. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 298 7.18 - Una muestra de carbón tiene la siguiente composición: C 73.9 % H 4.8 % O 8.8 % N 1.4 % H2O 5.4 % cenizas 5.7 % Cuando el carbón fué utilizado en un horno, la escoria contenía 18% de carbono y el análisis en base seca de los gases de chimenea mostraba 12 % de oxígeno libre. Sobre la base de 100 kg de carbón cargado, realizar el balance de masa del horno. B.C.: 100 kg de carbón cargado al horno Se calcula el agua combinada y el hidrógeno neto en el carbón. H: (4.8/2) = 2.4 kg-mol H2 O: (8.8/32) = 0.275 kg-mol O2 El hidrógeno necesario para formar el agua combinada será: H2 + 0.5 O2 = H2O 1 kg-mol H2 0.275 kg-mol O2 x ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 0.55 kg-mol H2 0.5 kg-mol O2 H2O combinada = 0.55 x 18 = 9.9 kg Hneto = (2.4 - 0.55) kg-mol x 2 mol-1 = 3.7 kg El análisis último reajustado del carbon será: C 73.9 % H neto 3.7 % N 1.4 % H2O comb 9.9 % Humedad 5.4 % Cenizas 5.7 % Se calcula ahora el oxígeno teórico:
- 27. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 299 C: (73.9/12) = 6.158 kg-at H neto : (3.7/2) = 1.85 kg-mol O2 (T) = 6.158 + (1.85/2) = 7.083 kg-mol Escoria formada = (5.7/0.82) = 6.95 kg Carbono en escoria = 6.95 x 0.18 = 1.251 kg Carbono en gases = 73.9 - 1.251 = 72.649 g = 6.054 kg-at CO2 en gases = 6.054 kg-mol Si X = kg-mol de oxígeno en exceso O2 (S) = O2 (T) + O2 (exceso) = 7.083 + X O2 (R) = 6.054 + (1.85/2) = 6.979 kg-mol O2 (libre) = O2 (S) - O2 (R) O2 (libre) = 7.083 + X - 6.979 = 0.104 + X kg-mol El N2 presente en los gases será: (7.083 + X) x (79/21) + (1.4/28) = 26.69 + 3.76 X El agua en los gases será la suma del agua combinada, la humedad y el agua formada a partir del hidrógeno neto. H2O = 9.9 + 5.4 + (3.7/2) x 18 = 48.6 kg Como el oxígeno libre en los gases es el 12% se tendrá: X + 0.104 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ = 0.12 6.054 + X + 0.104 + 26.69 + 3.76 X X = 9.19 kg-mol Balance de Materia del horno:
- 28. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 300 ENTRADAS Carbón: 100 kg Aire : (7.083 + X) x (100/21) = 77.49 kg-mol x 28.84 2 234.82 kg ⎯⎯⎯⎯⎯ Total 2 334.82 kg SALIDAS CO2 6.054 x 44 266.37 kg O2 (X + 0.104) x 32 297.40 kg N2 (26.69 + 3.76 X) x 28 1 714.84 kg H2O 48.60 kg Escoria 6.95 kg ⎯⎯⎯⎯⎯ Total 2 334.16 kg PROBLEMAS PROPUESTOS 7.19 - Un hidrocarburo cuya fórmula es (CH1.2)n se quema completamente con un 15% en exceso de aire. Calcular: a) El análisis Orsat de los gases de combustión. b) Las libras de agua producida por libra de hidrocarburo. 7.20 - Una mezcla de H2 y CH4 se quema con aire. El siguiente es el análisis Orsat del gas de chimenea: N2 86.9 % molar O2 4.35 % CO2 8.75 % a) ¿ Cuál es la composición molar de la mezcla combustible ? b) ¿ Cuál es la relación en peso aire/combustible ? 7.21 - Un gas combustible tiene la siguiente composición molar O2 5 % N2 80 % CO 15 %
- 29. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 301 Este gas se quema completamente con aire, de tal forma que el oxígeno total presente antes de la combustión es un 20% en exceso. Calcular los kilogramos de aire necesarios si se producen 975.9 m3 de gases a 590 mm Hg y 180 o C. 7.22 - En un aparato experimental se supone que se mezcla aire con oxígeno puro, de modo que el metano que se quema para calentar el aparato, generará productos de combustión que tengan una temperatura mayor que la de los productos con aire solo. Hay algunas preguntas en cuanto a si el enriquecimiento supuesto es correcto. Analizando los gases generados se obtiene: CO2 22.2% O2 4.4 % N2 73.4 % Calcular el porcentaje de O2 y N2 en el aire enriquecido con O2. 7.23 - Un combustible formado por etano (C2H6) y metano (CH4) en proporciones desconocidas, se quema en un horno utilizando aire enriquecido que contiene 50% molar de O2. El análisis Orsat es: CO2 25 % N2 60 % O2 15 % a) Calcular la composición molar del combustible. b) Calcular la relación en masa aire/combustible. 7.24 - El análisis de un gas natural es: CH4 80 % N2 20 % Este gas se quema en una caldera y la mayor parte del CO2 se utiliza en la producción de hielo seco por lo cual se lava para eliminar el gas de chimenea. El análisis del gas de descarga del lavador es: CO2 1.2 % O2 4.9 % N2 93.9 % Calcular: a) El porcentaje de CO2 absorbido.
- 30. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 302 b) El porcentaje en exceso de aire utilizado. 7.25 - Un gas combustible tiene el siguiente análisis: CO2 3.2 % H2 40.2 % C2H4 6.1 % CO 33.1 % C6H6 1.0 % C1.2H4.4 10.2 % O2 0.8 % N2 5.4 % Suponer que este gas se alimenta a 65 o F, saturado con vapor de agua y se quema con aire a 1 atm, 65o F y humedad relativa 60%. El porcentaje en exceso de aire es 20% y la combustión es completa. ¿ Cuál es el punto de rocío de los gases de chimenea ? 7.26 - El análisis Orsat de los gases formados en la combustión de un hidrocarburo con aire seco es: CO2 13.73 % O2 3.66 % N2 82.6 % Determinar la composición en peso del hidrocarburo y su fórmula mínima. 7.27 - Si el análisis Orsat de un gas de combustión es: CO 1.0 % O2 2.6 % CO2 5.5 % N2 90.9 % ¿Cuál es la composición del combustible si este contiene CH4, CH3 OH y N2, y se utiliza para la combustión un 20 % en exceso de aire ? 7.28 - Un gas cuya composición es la siguiente, se quema con aire. CS2 30 % C2H6 26 % CH4 14 % H2 10 % N2 10 % O2 6 % CO 4 %
- 31. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 303 El gas de combustión contiene: SO2 3.0 % CO 2.4 % CO2 H2O O2 N2 ¿ Cuál fué el porcentaje en exceso de aire ? 7.29 - Un combustible de composición desconocida se quema con un 20% en exceso de aire. Se analiza el gas de combustión y se encuentra que contiene: CO2 8.4 % O2 4.2 % N2 86.2 % CO 1.2 % Si el combustible contiene CH4, C2H6 y N2, ¿ cuál es su composición ? 7.30 - Al quemar un combustible se obtiene un gas de combustión que contiene: O2 4.3 % H2O 8.0 % CO2 8.0 % CO 8.6 % N2 7 1.1 % El combustible contiene C2H2, CO y O2 y se quemó en presencia de aire. Calcular: a) La composición del combustible. b) El porcentaje en exceso de aire utilizado. 7.31 - Un horno de recocido de acero utiliza aceite combustible cuya composición es: C 91 % peso H 9 % Se piensa quemar este combustible con un 20% en exceso de aire. Suponiendo combustión completa, calcular el análisis Orsat del gas de combustión.
- 32. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 304 7.32 - Se quema gasolina con un 15% en exceso de aire. El 10% del carbono pasa a CO y el resto a CO2. La composición en peso de la gasolina es: C 84 % H 16 % Calcular: a) El análisis Orsat de los gases producidos. b) Los kilogramos de gas producido por kilogramo de gasolina. c) Los galones de agua líquida producida por galón de gasolina si su densidad es 0.79 g/cm3 . 7.33 - Un Fuel Oil cuya gravedad específica es 14.1 o API contiene 11.5% en peso de hidrógeno y 88.5% en peso de carbono. Calcular el volumen de los gases producidos a 560 mm Hg y 180 o C al quemar completamente 10 galones de Fuel Oil con un 20% en exceso de aire. 7.34 - Calcular el análisis Orsat de los gases producidos al quemar completamente alcohol etílico (C2H5 OH) con un 15% en exceso de aire. 7.35 - Un motor de automóvil quema un combustible formado por una mezcla de hidrocarburos. Un análisis Orsat del gas producido muestra: CO2 10 % O2 0 % CO + N2 90 % La relación en peso aire/combustible empleada en el motor es 12.4. a) Calcular el análisis Orsat completo del gas. b) Calcular la relación en peso C/H en el combustible. 7.36 - En una prueba realizada en una caldera que funciona con petróleo no fué posible medir la cantidad de combustible quemado, aunque el aire que se empleó se determinó insertando un medidor vénturi en la línea de aire. Se determinó que se utilizaron 5 000 pies 3 /mi de aire a 80 o F y 10 psig. El análisis del gas de chimenea seco es: CO2 10.7 % CO 0.55 % O2 4.75 % N2 84.0 %
- 33. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 305 Si se supone que el petróleo está formado únicamente por hidrocarburos, calcular los galones por hora de petróleo que se quema. La densidad del petróleo es de 19 o API. 7.37 - Se queman dos combustibles con aire: un gas natural y un aceite combustible cuyas composiciones son: GAS NATURAL ACEITE CH4 96 % C 86.95 % peso C2H2 2 % H 13.05 % CO2 2 % Los gases de combustión totales contienen: CO2 10 % CO 1 % O2 5 % N2 84 % Calcular los m3 (CNPT) de gas natural por kg de aceite consumidos en la combustión. 7.38 - Una compañía de energía opera una de sus calderas con gas natural y la otra con aceite. El análisis de los combustibles es: GAS NATURAL : CH4 96 % y CO2 4 % ACEITE : (CH1.8)n Cuando los quemadores operan al mismo tiempo el análisis Orsat del gas de chimenea es: CO2 10.0 % O2 4.5 % N2 85.5 % Calcular los pies3 de gas natural empleado a 1 atm y 20 o C por cada libra de aceite. 7.39 - En un experimento, se quema carbono puro con aire enriquecido que contiene 50% m de oxígeno. Por causa de una mala combustión, no todo el carbono se quema. De la parte que se quema, el 75% forma CO y el resto CO2. El exceso de oxígeno es 10%. Se sabe tambien que por cada
- 34. BALANCE DE MATERIA: NESTOR GOODING GARAVITO ──────────────────────────────────────── 306 10 g de carbono suministrado (no todo se quema) se forman 51.3 litros de gases de combustión medidos a 27 o C y 1 atm. ¿ Cuál fué el porcentaje de carbono que no quemó ? 7.40 - Un coque contiene 87.2% en peso de carbono y 12.8% de ceniza. Los gases producidos por la combustión del coque tienen la siguiente composición molar: CO2 12.0 % CO 0.2 % O2 8.8 % N2 79.0 % El 6% del carbono en el coque se pierde en el resíduo. Calcular: a) El volumen de los gases en m3 a 400 o C y 750 mm Hg por 100 kg de coque cargado al horno. b) El porcentaje en exceso de aire suministrado. c) El volumen de aire a 20 o C y 1 atm suministrado al horno por kg de coque cargado. 7.41 - Un horno quema en 24 horas, 9.5 toneladas de carbón con la siguiente composición en peso: C 76.0 % H 2.9 % H2 O 15.1 % Ceniza 6.0 % Se producen 980 kilogramos de resíduo (cenizas + carbono no quemado). El volumen de los gases de chimenea en 24 horas es 228 000 m3 medidos a 330 o C y 725 mm Hg. Calcular el porcentaje en exceso de aire utilizado. 7.42 -Un horno metalúrgico utiliza carbón bituminoso de la siguiente composción C 72.2 % O 7.8 % H 5.0 % S 0.8 % N 1.7 % Ceniza 12.5 % La escoria del horno contiene un 25% de carbono. El aire se encuentra a 22 o C y 751 mm Hg. Se utiliza un exceso de aire del 50%. Calcular: a) El balance de materia del proceso por 100 kg de carbón. b) La composición de los gases de combustión.
- 35. CAPITULO 7 :BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTION ───────────────────────────────────────── 307 c) El análisis Orsat de los gases de combustión. d) El volumen de aire utilizado. 7.43 - Un carbón bituminoso se quema en una caldera con aire a 85 o F y 90% de humedad. La presión barométrica es 29.2 pulg Hg. La escoria sale del horno libre de humedad y cuando se analiza contiene 22.3% de humedad, 12.3% MV y 41.4% CF. El análisis próximo del carbón es: CF 56.34 % MV 37.75 % Humedad 2.97 % Ceniza 2.94 % Un análisis último parcial en base libre de humedad es: C 84.43%, N 2%, S 0.82%. El análisis de los gases de chimenea es: CO2 12.0 % CO 1.2 % O2 6.2 % N2 80.6 % Calcular el balance de materia completo del proceso. 7.44 - En un horno se quema un carbón bituminoso con aire a 77 o F y humedad relativa 90%. La presión barométrica es 14.7 psi. Los gases salen del horno a 290 o C. La escoria se descarga seca a 230 o C. El análisis de la escoria es: C 12.2%, ceniza 71.7% y humedad 16.1%. El análisis próximo del carbón es: CF 50.34%, MV 30.68%, Humedad 9.61% y Ceniza 9.37%. El análisis último parcial del carbón es: C 66.61%, N 1.43% y S 0.5%. El análisis del gas de chimenea es: CO2 12.2%, CO 0.2%, O2 7% y N2 80.6%. Calcular: (a) El contenido de hidrógeno neto en el análisis último del carbón a partir de un balance de oxígeno. (b) El análisis último completo del carbón. (c) El porcentaje en exceso de aire suministrado en la combustión. (d) El punto de rocío de los gases de chimenea. (e) El volumen en pies3 de aire suministrado. (f) El volumen en pies3 de gases de chimenea. 7.45 - Un astronauta exhala 2.16 lb de agua y 16.6 lb de CO2 cada día. Se sabe tambien que es posible respirar gases que contengan oxígeno desde 100% hasta 20% en volumen. Una cabina espacial tiene 1 500 pies3 de volumen libre y se llena inicialmente con oxígeno puro a una presión de 600 mm Hg y una temperatura de 20 o C. En vuelo, la temperatura se mantiene a 20 o C y el agua es absorbida por un desecador. ¿ Cuál sería la duración en horas de una misión sin suministro exterior de oxígeno y cuál la presión final ?