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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:
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.
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
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.
48
(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
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:
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
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:
