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Ingeniería Química
Unidad II.
Balance de materia
con reacción química
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICERRECTORADO BARQUISIMETODEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
Clase Nº8
Autor: Prof. Ing. Juan E. Rodríguez C
2
Unidad II: Balance de Materia en Procesos Reactivos
ÍNDICE
Combustión
Combustible
Tipos de Combustibles
Ejercicios propuestos para esta clase
Química de la combustión
Fuente de Oxigeno
Condiciones que favorecen las Reacciones de Combustión
Términos importantes en las reacciones de combustión
Diagrama de flujo para una unidad de combustión
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Balance de Materia con reacción químicaLA COMBUSTIÓN
Y como
FLUIDO DE CALENTAMIENTO
En equipos
Transferencia de calor
(Condensadores, Tanques, Rehervidores, etc.)
usa
OPERACIÓN DE TURBINAS
(GENERADORES DE ELECTRICIDAD)
CALOR
aprovechado (calderas)
PRODUCCIÓN DE VAPOR DE AGUA,
C2H6 + 4O2 2CO2 + 3H2O + Q↑
Es una reacción violenta de oxidación entre un COMBUSTIBLE y OXÍGENO, y cuya finalidad principal
es la obtención de ENERGÍA EN FORMA DE CALOR (Q).
COMBUSTIBLE (C,H) + O2 → Q↑ + CO2 + H2O
COMBUSTIÓN
COMBUSTIBLE
Son sustancias que por lo general es de origen fósil, compuestos por Carbono (C) e Hidrogeno (H), aunque
puede contener elementos como Azufre (S), Nitrógeno (N) y Oxígeno (O).
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Balance de Materia con reacción químicaTIPOS DE COMBUSTIBLES
Estado Tipo Estructura (Ejemplo)
Sólidos
Carbón de HullaUna mezcla de: Carbono(C), H2O y Cenizas no combustible,
Hidrocarburos y Azufre(S).
Coque Principalmente: Carbón(C).
Madera y desperdicios (Basura) Composición variada.
Líquidos
Destilados del Petróleo (Crudo)Gasolina, Gasoil, Kerosenes y otros: Son una mezcla de
Alcanos, Alquenos y otros compuestos orgánicos.
Alquitrán y Aceites Una mezcla de: Hidrocarburos Pesados y algo de Azufre(S).
Alcoholes CH3OH: Alcohol metílico.
Gaseosos
Gas NaturalUna mezcla: 80-95% Metano(CH4), y el resto Etano, Propano
y pequeñas cantidades de otros gases.
Hidrocarburos Ligeros Compuestos Orgánicos.
Acetileno C2H2
Hidrógeno H2
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Balance de Materia con reacción químicaQUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN
Combustión Completa• Todo el Carbono que reacciona forma: Dióxido de Carbono (CO2)
• El carbono pasa a su máximo estado de oxidación(+4)
• Esta reacción es la Reacción Principal, pues genera la mayor cantidad de Energía
OH 2
mCOn O 4
mnHC 222mn
• Todo el Carbono que reacciona forma: Monóxido de Carbono (CO)
• El carbono pasa a un estado de oxidación intermedio (+2)
• Esta reacción es la Reacción Secundaria, pues genera la menor cantidad de Energía
Combustión Incompleta
OH 2
COn O 4
m2
nHC 22mnm
Ejemplos de Reacciones de Combustión
Combustión Completa
Combustión Incompleta
Combustión del Etano
Completa
Incompleta
Favorece 1ª reacción
22 CO O C
CO O 2
1 C 2
OH 3CO 2 O 2
7 HC 22262
OH 3CO 2 O 2
5 HC 2262
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Balance de Materia con reacción químicaReacciones de Combustión
Condiciones que favorecen las Reacciones de Combustión
Relación de Proporciones en las reacciones:
•Relación masa o moles entre el Combustible y el oxígeno
Poco O2 ------------------------- CO o combustible no reacciona
Exceso de O2 ------------------ no reacciona
Exceso adecuado -------------- favorece la combustión completa
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Balance de Materia con reacción químicaReacciones de Combustión
21%79%
Fuente de Oxígeno
El oxígeno se obtiene deAire
Aire
Es un mezcla de gases constituida por nitrógeno (N2) y oxígeno (O2) como elemento básico en un 99 %, y el
resto como gases nobles, vapor de agua, Dióxido de Carbono y partículas.
Sustancia % (v/v)
Nitrógeno (N2) 78,08 %
Oxígeno (O2) 20,95 %
Argón (Ar) 0,93 %
Anhídrido Carbónico (CO2) 0,03 %
Neón (Ne) 0,018 %
Helio (He) 0,005 %
N2 O2
Para efectos de cálculos
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Balance de Materia con reacción químicaReacciones de Combustión
Términos Importantes
Gas de Chimenea: Son todos los gases que provienen del proceso de combustión, incluyendo el vapor de
agua: H2O, CO, CO2, N2, O2 , combustible sin reaccionar (gas) y otros.
También llamado: Gas de Combustión, Gas de Salida, Gas residual o Gas de Emisión
Composición en Base Húmeda: Es la composición del gas de chimenea con todos sus componentes
(incluyendo el agua).
Composición en Base Seca: Es la composición del gas de chimenea exceptuando el Agua es decir, en una
base libre de agua. También llamada: ANALISIS ORSAT.
Oxígeno Teórico: Es la cantidad de oxígeno requerida para que: Se consuma TODO el combustible en la
reacción de Combustión Completa.
Aire Teórico (Aire Requerido): Es la cantidad de Aire que contiene el Oxígeno Teórico.
Exceso de Aire (o Exceso de Oxígeno): Es la cantidad de aire o de oxígeno que excede la cantidad teórica
o requerida.
Análisis Orsat: Es un procedimiento de análisis mediante el cual se recoge una muestra gaseosa en
diferentes soluciones acuosas que absorben todos los componentes del mismo. Como se recogen sobre
soluciones acuosas es imposible determinar la cantidad de agua por este método.
100%n
nnExceso%
teóricosi reactivo
teóricosi reactivosalimentado i reactivo
i reactivo
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Balance de Materia con reacción químicaReacciones de Combustión
Diagrama de flujo para una unidad de combustión
Ejercicios
1) Se alimentan C2H6 a una unidad de combustión en la relación 2:10 con el agente oxidante, la fuente de
oxígeno es el aire. En el cual se procesa 250 moles de etano. En el reactor se dan las siguientes reacciones:
C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3H2O
C2H6 + 5/2 O2 2 CO + 3 H2O
Calcular:
a) Cantidad teórica de Oxígeno
b) Cantidad teórica de aire
c) Porcentaje de exceso de oxígeno
d) Porcentaje de exceso de aire
Cámara de
Combustión
Combustible(s)
Fuente de Oxigeno
Gas de Chimenea
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Balance de Materia con reacción químicaReacciones de Combustión
Solución:
Cámara de combustión
C2H6, 40% , XC2H6 = 0,40
C3H8, 20%, XC3H8 = 0,20
H2 , 40% , XH2 = 0,40
F1
F2
N2 79% , Xn2 = 0,79
O2 21% , XO2 = 0,21
70% exceso de AIRE
AIRE
F3
CO2
H2O
O2
N2
CO
C2H6 + O2 CO2 + H2O
C3H8 + O2 CO2 + H2O
C3H8 + O2 CO + H2O
H2 + O2 H2O
Reacciones involucradas
2) Se tiene una mezcla de combustible gaseoso cuya composición es de 40% C2H6, 20% C3H8 y 40% de H2.
El etano reacciona según combustión completa. El 95% del propano reacciona por combustión completa, el
5% por combustión incompleta y el hidrogeno reacciona completamente. Se utiliza un 70% de exceso de aire
y se procesan 100 moles/hora de combustible.
Realice:
a) El análisis de los grados de libertad
b) Cálculos para determinar el flujo y la composición en base seca del gas de chimenea
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Lo que debe haberse aprendido en esta clase
Ejercicios propuesto para esta clase:
Balance de materia con reacción química
Himmelblau (6º Edición) Felder (2º Edición)
CAP Problemas CAP Problemas
Una etapa con reacción 3 15, 43-50, 53, 56, 57-60 4
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Haber aprendido y reflexionado sobre el abordaje y las formas de resolución de balance de materia en los que intervienen reacciones de combustión
Haber repasado términos anteriormente vistos como combustión, combustibles, tipos de combustibles, reacciones de combustión, composición del aire
Haber aprendido nuevos conceptos como gas de chimenea, base seca, base húmeda, análisis Orsat, exceso de aire, entre otros
Balance de Materia con reacción química
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