UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES CARRERA LICENCIATURA EN GESTIÓN AMBIENTAL UNIDAD DE APRENDIZAJE: VALORIZACIÓN ENERGÉTICA Y MATERIAL DE RESIDUOS DOCENTE: ING. JULIO PAZMIÑO TEMA: ANÁLISIS DE SISTEMAS DE REACTIVOS CON BASE EN LA PRIMERA LEY GRUPO Nº 3 INTEGRANTES: ESPINOZA MENDOZA MARISSA ESTEFANIA LITARDO ZAMBRANO GENESIS NICOLE MORALES SOLORZANO IVAN STEVEN ROSADO LOZANO JOYCE SULAIDY SALTOS RIVAS MELISSA LISBETH VELOZ GALLO CARLA YANIRA VERA MESÍAS BIANCA DANIELA PERIODO ACADÉMICO II CICLO 2019-2020 ANÁLISIS DE SISTEMAS DE REACTIVOS CON BASE EN LA PRIMERA LEY -393520 𝐾𝑗⁄𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑘𝑚𝑜𝑙) (𝑘𝑚𝑜𝑙) C + 𝑂2 Energía Térmica (Calor) 𝐶𝑂2 Entalpía de formación (hf) Estado de referencia estandár Condiciones termodinámicas En que se produce la formación de un producto o el desarrollo de un proceso de combustión Entalpía (H) Entalpía de reacción o combustión (hr: hc) Cuantificación De un cambio de energía Entalpía de formación estándar (hf) Volumen Presión Temperatura Energía Interna De una sustancia (u) H= 𝑢 + 𝑝 ∙ 𝑣 SISTEMA DE COMBUSTIÓN DE FLUJO ESTACIONARIO H= H𝑓̇ + (ℎ̅ − ℎ̅̇ ) ℎ𝑡 ← ℎ̅ − ℎ̅∙ → ℎ̅ Entalpía Entalpía Cambio de total de formación entalpía Estándar sensible Entalpía sensible a una temperatura particular Entalpía sensible de referencia estándar ENTALPÍA DE FORMACIÓN Y ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN Las moléculas de un sistema poseen energía en diversas formas, como la energía sensible y la latente (asociadas a un cambio de estado), la energía química (relativa a la estructura molecular) y la energía nuclear (vinculada con la estructura atómica). En este texto no interesa tratar con la energía nuclear. Hasta ahora, también se ha ignorado la energía química, puesto que los sistemas considerados en los capítulos anteriores no incluían cambios en su estructura química y, en consecuencia, ningún cambio en la energía química. Por consiguiente, todo lo que se necesitaba considerar eran las energías sensible y latente Durante una reacción química se rompen algunos de los enlaces químicos que unen a los átomos en las moléculas y se forman otros nuevos. En general, la energía química asociada a estos enlaces es diferente para los reactivos y los productos. Por lo tanto, un proceso que implica reacciones químicas implicará cambios en las energías químicas, los cuales deben tomarse en cuenta en un balance de energía. Si se supone que los átomos de cada reactivo permanecen intactos (sin reacciones nucleares) y se ignora cualquier cambio en las energías cinética y potencial, el cambio de energía de un sistema durante una reacción química se deberá a un cambio en el estado, y a un cambio en la composición química. La composición del sistema al final de un proceso ya no es la misma que al inicio del mismo. En este caso es necesario tener un estado de referencia común para todas las sustancias. El estado de referencia elegido es 25 °C (77 °F) y 1 atm, que se conoce como estado de referencia estándar. Los valores de las propiedades en el estado de referencia estándar se indican mediante un superíndice (°) (como h°). Cuando se analicen sistemas reactivos, se deben emplear valores de propiedades relativos al estado de referencia estándar. Sin embargo, no es necesario preparar un nuevo conjunto de tablas de propiedades para este propósito (Cengel & Boles, 2012) ENTALPIA La entalpía es la cantidad de energía contenida en una sustancia. Representa una medida termodinámica la cual viene figurada con la letra H en mayúscula, la variación de esta medida muestra la cantidad de energía atraída o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la proporción de energía que un sistema transfiere a su entorno Entalpía de formación: Representa la cantidad de calor que se absorbe o se descarga cuando se produce un mol de un compuesto. Esta entalpía será negativa, cuando provenga de una reacción exotérmica, es decir que libera calor, mientras que será positiva, cuando es endotérmica (absorbe el calor). La entalpía estándar de formación de los elementos puros, libres y tal como se encuentran en su estado natural es cero. Por ejemplo: H2 (g), O2 (g), N2 (g), Cl2 (g), Na (s), etc, tienen ΔHf25° = 0, donde Δ Hf25° es la entalpía estándar de formación. Entalpía de reacción: Representa la variación de entalpías en formación, es decir, la cantidad de calor atraído o liberado, en una reacción química cuando ésta sucede a presión constante. El valor de la entalpía variará dependiendo de la presión y la temperatura que presente dicha reacción química. La variación de la entalpía estándar: (denotada como H0 o HO) es la variación de entalpía que ocurre en un sistema cuando una unidad equivalente de materia se transforma mediante una reacción química bajo condiciones normales o estándar. Sus unidades son los KJ/mol en el sistema internacional. La variación de la entalpía estándar de una reacción común: Es la variación de la entalpia estándar de formación, que ha sido determinada para una gran cantidad de sustancias. La variación de entalpía de cualquier reacción bajo cualesquiera condiciones se puede computar, obteniéndose la variación de entalpía de formación de todos los reactivos y productos. Otras reacciones con variaciones de entalpía estándar son la combustión (variación de la entalpía estándar de combustión) y la neutralización (variación de la entalpía estándar de neutralización) (Gasque Martinez, 2005). Ejercicios realizados en clases IMAGEN 1. EJERCICIO 1 IMAGEN 2. EJERCICIO 1 IMAGEN 3. EJERCICIO 1 Y EJERCICIO 2 IMAGEN 4. EJERCICIO 2 IMAGEN 5. EJERCICIO 3 IMAGEN 6. EJERCICIO 3 IMAGEN 7. EJERCICIO 3 Y EJERCICIO 4 IMAGEN 8. EJERCICIO 4 IMAGEN 9. EJERCICIO 4 TAREAS GRUPALES GRUPO Nº 1 EJERCICIO 1 En una cámara de combustión entra benceno a 25 °C y a una tasa de 1.30 kg/min, donde se mezcla y quema con 150% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 17% °C. Un análisis de los gases de combustión revela que todo el hidrógeno en el combustible se convierte en pero sólo 90 % del carbono se quema en , con el restante 10% formando CO, si la temperatura de los gases de combustión es de 1500 k. Determine a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 2 En una cámara de combustión entra octano líquido C_8 H_18 a 25 °C, a una tasa de 1.50 kg/min, donde se mezcla y quema con 200% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 7% °C, donde el 85% de carbono se quema en 〖CO〗_2 y el restante 15% formando CO. Todo el hidrógeno del combustible se transforma en H_2 O, mientras que el 5% en H_2, si la temperatura de los gases de combustión es de 1560 k. Determine a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 3 En una cámara de combustión entra Etileno C_2 H_4 a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 1.45 kg/min, donde se mezcla y quema con 180% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 290 K, donde el 85% de carbono se quema en 〖CO〗_2 y el restante 15% formando CO, mientras que el hidrógeno en el combustible se convierte en H_2 O, si la temperatura de los gases de combustión es de 1150 k. Determine a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 4 En una cámara de combustión entra octano líquido C_8 H_18 al 75% y Alcohol metílico al 25% a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 1.50 kg/min, donde se mezcla y quema con 175% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 280 K, donde el 88% de carbono se quema en 〖CO〗_2 y el restante 12% formando CO. El 90% de hidrógeno se transforma en H_2 O, mientras que el 10% en H_2, si la temperatura de los gases de combustión es de 1070 k. Determine: a) El flujo másico del combustible b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 5 En una cámara de combustión entra Etano C_2 H_6 al 70%, Alcohol metílico al 15% y Alcohol etílico al 10% a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 1.75 kg/min, donde se mezcla y quema con 110% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 270 K, Un análisis de los gases de combustión revela que todo el hidrógeno en el combustible se convierte en H_2 O pero solo el 85% de carbono se quema en 〖CO〗_2 y el restante 15% formando CO, si la temperatura de los gases de combustión es de 1065 k. Determine: a) El flujo másico del combustible b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión PREGUNTAS TEORICAS 6.- Escriba el significado de entalpía 7.- Escriba el significado entalpía de formación GRUPO Nº 2 EJERCICIO 1 En una cámara de combustión entra Etileno (g) a 25 °C y a una tasa de 1.45 kg/min, donde se mezcla y quema con 125% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 21% °C. Un análisis de los gases de combustión revela que todo el hidrógeno en el combustible se convierte en H2O, también que el carbono que entra a combustionar es un 85% % en con el restante 15% formando CO, si la temperatura de los gases de combustión es de 2100 k. Determine: a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 2 Determine las condiciones del ejercicio anterior con 100% de, pero el 90% de hidrógeno se transforma en , mientras que el 10% en , si la temperatura de los gases de combustión es de 1200 k. Determine: a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 3 En una cámara de combustión entra Alcohol etílico a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 1.28 kg/min, donde se mezcla y quema con 120% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 290 K, donde el 75% de carbono se quema en y el restante 25% formando CO. El hidrógeno se transforma en 100%, si la temperatura de los gases de combustión es de 1150 k. Determine: a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 4 En una cámara de combustión entra octano líquido al 45% y Alcohol metílico al 55% a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 1.30 kg/min, donde se mezcla y quema con 150% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 320 K. Donde el 83% de carbono se quema en y el restante 17% formando CO. El 88% de hidrógeno se transforma en, mientras que el 12% en, si la temperatura de los gases de combustión es de 1110 k. Determine: a) El flujo másico del combustible b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 5 En una cámara de combustión entra Acetileno al 70%, Alcohol metílico al 15% y Alcohol etílico al 10% a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 2.15 kg/min, donde se mezcla y quema con 100% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 290 K. Un análisis de los gases de combustión revela que todo el hidrógeno en el combustible se convierte en, pero solo el 80% de carbono se quema en y el restante 20% formando CO, si la temperatura de los gases de combustión es de 1150 k. Determine: a) El flujo másico del combustible b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión PREGUNTAS TEORICAS 6.- Escriba los pasos para encontrar la Tasa de Transferencia de calor. (desde el cuadro de entalpias). 7.- Escriba el significado entalpía de Sensibilidad de Referencia Estándar). GRUPO Nº 4 EJERCICIO #1 Entra a una cámara de combustión un 50% de Octano, 40% de Metanol y 10% de Etanol, entra aire con una temperatura de 15°C, un flujo másico de aire de 1,20 Kg/min y 40% de aire en exceso. Liberando como producto de la combustión los siguientes compuestos CO2, H2O O2, N2, Monóxido de carbono a un 17% y dióxido de carbono 88%, y a su vez 40% de H2O con una temperatura de 2050. Determine: a) el valor de H2. b) El flujo másico de la combustión c) Tasa de transferencia de calor EJERCICIO #2 En una cámara de combustión entra Alcohol etílico a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 1.30 kg/min, donde se mezcla y quema con 120% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 290 K, donde el 70% de carbono se quema en y el restante 30% formando CO. El hidrógeno se transforma en 100% , si la temperatura de los gases de combustión es de 1150 k. a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO #3 En una cámara de combustión entra Acetileno al 70%, Alcohol metílico al 30% y Alcohol etílico al 10% a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 2.15 kg/min, donde se mezcla y quema con 100% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 290 K. Un análisis de los gases de combustión revela que todo el hidrógeno en el combustible se convierte en pero solo el 48% de carbono se quema en y el restante 52% formando CO, si la temperatura de los gases de combustión es de 1150 k. Determine: a) El flujo másico del combustible b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO #4 En una cámara de combustión entra propano líquido (118910) a 25 °C, a una tasa de 1.50 kg/min, donde se mezcla y quema con 200% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 20% °C, donde el 55% de carbono se quema en y el restante 25% formando CO. El 95% de hidrógeno se transforma en , mientras que el 5% en , si la temperatura de los gases de combustión es de 1025 k. Determine a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO # 5 En una cámara de combustión entra Etano al 70%, Alcohol metílico al 15% y Alcohol etílico al 10% a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 1.75 kg/min, donde se mezcla y quema con 110% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 270 K, Un análisis de los gases de combustión revela que todo el hidrógeno en el combustible se convierte en, pero solo el 90% de carbono se quema en y el restante 10% formando CO, si la temperatura de los gases de combustión es de 1065 k. Determine: a) El flujo másico del combustible b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión PREGUNTAS TEORICAS 6.- Defina la variación de la entalpía estándar de una reacción común 7.- ¿Qué es la entalpia de un componente químico? GRUPO Nº 5 EJERCICIO # 1 Entra a una cámara de combustión un 60% de Octano, 25% de Metanol y 15% de Etanol, entra aire con una temperatura de 15°C, un flujo másico de aire de 1,25 Kg/min y 40% de aire en exceso. Liberando como producto de la combustión los siguientes compuestos CO2, H2O O2, N2, Monóxido de carbono a un 17% y dióxido de carbono 83%, y a su vez 40% de H2O con una temperatura de 2050 K. Determine: a) el valor de H2. b) El flujo másico de la combustión c) Tasa de transferencia de calor EJERCICIO # 2 Entra a una Cámara de combustión alcohol etílico con una temperatura ideal, a su vez entra aire con una temperatura de 30 °C y 25% de aire en exceso. Liberando como producto de la combustión los siguientes compuestos CO 2, H2O O2, N2, Monóxido de carbono a un 35% y dióxido de carbono 65% con un valor de agua al 100% con una temperatura de 1080 k y un flujo másico de combustión de 0.065kg combustible/seg. Determine: a) el flujo másico del aire b) Tasa de transferencia de calor EJERCICIO # 3 En una Cámara de combustión se ingresa 45% de propano líquido y 55% de alcohol metílico con una temperatura ideal, también se ingresa aire con 145% de aire teórico a una temperatura de 273 k. Produciendo CO2, H2O O2, N2, con una temperatura de 1300 K. Del carbono que ingresa 77% es de CO2, y el 100% de vapor de agua, posee un flujo másico de combustión de 3.5 kg combustible/ kg min. Determine: a) el flujo másico del aire b) la tasa de transferencia EJERCICIO # 4 En la Cámara de combustión se ingresa 36℅ de metanol, 14% de propano 26% de etanol y 24% de Octano, se ingresa aire a una temperatura de 318 K y unos flujos másicos de Aires de 1.65kg aire/ min. Produciendo CO2, H2O O2, N2, con una temperatura 1052 k, del carbono que Ingresa la cuarta parte es del monóxido de carbono, ingresa a su totalidad el vapor de agua. Determine: a) el flujo másico del combustible b) la tasa de transferencia EJERCICIO # 5 Ingresa a una Cámara de combustión 10% de alcohol etílico, 39% de alcohol metílico, 21% propano y 40% de Octano, con una temperatura de 298 k, de igual forma ingresa aire con una temperatura de 45°C, 150% de aire teórico, con un flujo másico de 1, 77 kg aire/ min. Se produce CO2, H2O O2, N2, con una temperatura de 1045 K, del carbono que ingresa la mitad es monóxido de carbono y el restante es dióxido de carbono, del agua que ingresa la cuarta parte es H2 y el resto es vapor de agua. Determine: a) El flujo másico del combustible b) La tasa de transferencia de calor PREGUNTAS TEORICAS 6. ¿Cuál es la fórmula para obtener la tasa de transferencia de calor? 7. ¿Cuál es la función de la interpolación? GRUPO Nº 6 EJERCICIO 1 En una cámara de combustión entra metano a 25 °C y a una tasa de 1.45 kg/min, donde se mezcla y quema con 200% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 27°C. Un análisis de los gases de combustión revela que todo el hidrógeno en el combustible se convierte en pero sólo 90 % del carbono se quema en, con el restante 10% formando CO, si la temperatura de los gases de combustión es de 1500 k. Determine a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 2 En una cámara de combustión entra propeno líquido a 25 °C, a una tasa de 1.15 kg/min, donde se mezcla y quema con 150% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 57°C, donde el 85% de carbono se quema en y el restante 15% formando CO. El 95% de hidrógeno se transforma en , mientras que el 5% en , si la temperatura de los gases de combustión es de 1200 k. Determine a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 3 En una cámara de combustión entra Butino a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 1.55 kg/min, donde se mezcla y quema con 280% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 370 K, donde el 85% de carbono se quema en y el restante 15% formando CO. El 95% de hidrógeno se transforma en , mientras que el 5% en , si la temperatura de los gases de combustión es de 1620 k. Determine a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 4 En una cámara de combustión entra octano líquido al 75% y butanol al 25% a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 1.45 kg/min, donde se mezcla y quema con 275% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 320 K, donde el 88% de carbono se quema en y el restante 12% formando CO. El 90% de hidrógeno se transforma en , mientras que el 10% en , si la temperatura de los gases de combustión es de 1400 k. Determine: a) El flujo másico del combustible b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión EJERCICIO 5 Entra a una Cámara de combustión alcohol etílico con una temperatura ideal, a su vez entra aire con una temperatura de 47 °C y 50% de aire en exceso. Liberando como producto de la combustión los siguientes compuestos CO2, H2O O2, N2, . Monóxido de carbono a un 35% y dióxido de carbono 65% con un valor de agua al 100% con una temperatura de 1200 k y un flujo másico de combustión de 1,5 kg combustible/seg. Determine: a) el flujo másico del aire b) Tasa de transferencia de calor PREGUNTAS TEORICAS 6.- Escriba el significado de entalpía de reacción 7.-Que es la variación de la entalpia estándar de una reacción común GRUPO Nº 7 Ejercicio 1 En una cámara de combustión entra N-octano líquido a 25 °C y a una tasa 1.60 kg/min, donde se mezcla y quema con 200 % de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 27% °C. Un análisis de los gases de combustión revela que el 76% del hidrógeno en el combustible se convierte en H2O y el 24% en H2, también que el carbono que entra a combustionar es un 95% % en 𝐶𝑂2 con el restante 5% formando CO, si la temperatura de los gases de combustión es de 1520 k. Determine: a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión Ejercicio 2 Determine las condiciones del ejercicio anterior con un aire en exceso de 270, con 80% de 𝐶𝑂2 20% de CO, pero el 90% de hidrógeno se transforma en 𝐻2 𝑂, mientras que el 10% en 𝐻2 , si la temperatura de los gases de combustión es de 1200 k. Determine: a) El flujo másico del aire b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión Ejercicio 3 En una cámara de combustión entra 60% de Alcohol etílico y 40% de benceno los dos en estado gaseoso a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 1.05 kg/min, donde se mezcla y quema con 220% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 280 K, donde el 65% de carbono se quema en 𝐶𝑂2 y el restante 35% formando CO. El hidrógeno se transforma en 100% 𝐻2 𝑂, si la temperatura de los gases de combustión es de 1075 k. Determine: a) El flujo másico del combustible b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión Ejercicio 4 En una cámara de combustión entra octano a 45%, Alcohol metílico al 15% y propano a 40% todos en estado líquido a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 1.05 kg/min, donde se mezcla y quema con 150% de aire teórico que entra a la cámara de combustión a 295 K. Donde el 83% de carbono se quema en 𝐶𝑂2 y el restante 17% formando CO. El 88% de hidrógeno se transforma en 𝐻2 𝑂, mientras que el 12% en 𝐻2 , si la temperatura de los gases de combustión es de 1520 k. Determine: a) El flujo másico del combustible b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión Ejercicio 5 En una cámara de combustión entra Acetileno al 25%, Alcohol metílico al 25% y Alcohol etílico al 20% y propileno a 25% todos en estado gaseoso a una temperatura de 25 °C, y una tasa de 0,15 kg/min, donde se mezcla y quema con 100% de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 285 K. Un análisis de los gases de combustión revela que todo el hidrógeno en el combustible se convierte en 𝐻2 𝑂 pero solo el 80% de carbono se quema en 𝐶𝑂2 y el restante 20% formando CO, si la temperatura de los gases de combustión es de 1315 k. Determine: a) El flujo másico del combustible b) La tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión PREGUNTAS TEORICAS 6.- ¿Qué es el estado de referencia estándar? 7.- ¿Hable sobre entalpia de reacción? BIBLIOGRAFÍA Cengel, Y., & Boles, M. (2012). TERMODINAMICA (SEPTIMA EDICION ed.). España: Mc Graw Hill. Gasque Martinez, G. (2005). Energia, termoquimica y espontaneidad. Obtenido de http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Garritz-GasqueMartinezCapitulo8_25230.pdf
