Pablo Cubides 244475 Juan Sebastian Buitrago 244457 Mauricio Velandia 244583 Primero hallare la temperatura de llama adiabtica para el N- octano lquido con las condiciones de aire estequiometricas para la cantidad propuesta en clase para lo cual primero con un balance de materia obtenemos las moles de oxigeno nitrgeno que nos entran y las cantidades de moles de nitrgeno agua y dixido de carbono que sale luego para cada uno de los compuestos que ingresan hallo el cambio de entalpia y para los compuestos que salen dejo planteado el polinomio en trminos de T de llama adiabtica

ENTRADA N moles H Oxigeno que entra 30,12 -293,291305

SALIDA N moles 113,33 H 69865,6384 nitrgeno

Nitrgeno que entra

113,33

-232,389647

19,28

117798,623

CO2

Combustible

2,41 H* N

-1493,00261 -38768,789

21,69

92301,1088

agua

Iterando en Excel obtuvimos una temperatura de llama adiabtica de 2135,39342 C Para el anlisis de oxgeno en exceso aumentamos la cantidad de oxgeno y analizamos que ocurre con la temperatura de llama adiabtica realizando para cada una de las moles de oxgeno en exceso analizadas el mismo procedimiento anterior mente expuesto y los resultados obtenidos los vemos en el siguiente grfico.

O2 exceso vs T: llama adiabatica2500 T llama adiabatica 2000 1500 1000 500 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Moles O2 en exceso N-octano

En el cual se observa que al agregar oxgeno en exceso desde 1 mol hasta llegar al doble de la relacin estequiometrica el descenso en la temperatura de llama adiabtica es muy grande pero una vez superamos este valor la temperatura de llama adiabtica no vara mucho al aumentar las moles de oxgeno en exceso. Repitiendo el procedimiento anterior pero esta vez reinyectando parte de los residuos de una primera combustin se obtuvieron los siguientes resultados.

% re inyeccion vs T: llama adiabatica2500 T llama adiabatica 2000 1500 1000 500 0 0 20 40 60 80 100 120 % re inyeccion n-octano

En esta grafica podemos ver que a medida que aumentamos el porcentaje de re inyeccin la temperatura de llama adiabtica disminuye pero a diferencia del caso anterior el cambio se mantiene relativamente constante. Para comparar la temperatura de llama adiabtica de diferentes combustibles tomo una base de clculo de -10000 KJ / mol el primer combustible que tomo ser el n octano lquido para producir los -10000 Kj / necesito quemar 1,82 moles para este caso la tabla de entalpia me queda ENTRADA N moles SALIDA H 78591,198 nitrgeno

Oxigeno

H N moles 21,93504 293,291305 82,4757344

Nitrgeno

82,47573 232,389647 14,6233572 138810,047

CO2

N- octano 1,82792

1493,00261 14,6233572 105844,451

agua

Iterando obtengo una temperatura de llama adiabtica de 1,827919645 C

Repito el mismo procedimiento para 5 combustibles los datos los presento en la siguiente tabla

Cantidad. Moles combustible T llama adiabtica C

1,827919645 n octano (L) 1419,760867

1,620482904 n octano (g) 2572,875112

13,0890052 13,7627305 2,40205616 metanol (g) Metanol (L) n Hexano 2069,15731 1962,26193 2132,04523

Para una mejor comparacin entre las temperatura de llama adiabtica presentamos el siguiente grfico. 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 n octano (L) n octano (g) metanol (g) Metanol (L) n Hexano

En el cual el cual se ve claramente que el que posee una mayor temperatura de llama adiabtica es el n octano en fase gaseosa.

9.28 El etilbenceno se transforma en estireno en la reaccin de deshidrogenacion cataltica:

A continuacin se muestra el diagrama de flujo de una versin simplificada del proceso comercial:

A Etil benceno 25C B Etil benceno 25C INTERCAMBIADOR Etil benceno 500C MEZCLADOR Vapor 700C C INTERCAMBIADOR REACTOR Productos SEPARADOR 25C Agua 25C 560C D Mezcla 600C

Agua, Etilbenceno y Estireno lquidos 25C DECANTADOR Etilbenceno y Estireno lquidos 25C

TORRE DESTILACION

Estireno casi puro E

25C

a) Calcule basndose en 100kg/h de estireno producido, la velocidad requerida de alimentacin de etilbenceno fresco, la velocidad de flujo de etilbenceno recirculado y la velocidad de circulacin del agua, todas en mol/h (suponga que P=1atm)

Utilizamos el volumen de control rojo y planteamos el siguiente balance de masa en trminos msicos Dnde: a, d y e estn en gramos. Es necesario transformarlo a base molar para ello se calculan los pesos moleculares:

Con estos valores y la ecuacin anterior tenemos:

Dnde: A, D y E estn en moles Con el volumen de control azul y la reaccin, suponiendo que todo el etilbenceno reacciona, se tienen las siguientes relaciones en trminos molares:

Tenemos entonces una relacin de dos variables.

Como conocemos E es mejor dejarla en trminos de esta variable: Sabiendo que:

Se determinan las dems corrientes

[

]

Para determinar la velocidad de circulacin del agua (corriente C) se supone que el etilbenceno a 500C y el vapor a 700C son gases ideales y su mezcla tambin (sin calor de mezcla), suposicin con la que se obtiene la siguiente relacin.

De donde se obtiene que la velocidad de circulacin del agua es:

b) Calcule las velocidades requeridas de alimentacin o eliminacin de calor en KJ/h para el precalentador del etilbenceno , el generador de vapor y el reactor. Para el precalentador de etilbenceno se tiene una elevacin de temperatura junto con un cambio de fase de una sustancia pura, y debido a que no hay trabajo, ni cambios de energa potencial y los cambios de energa potencial se desprecian se tiene que el calor que hay que adicionar es: [ ( ) ( ) ]

[

]

[

]

Para el generador de vapor se tiene un caso similar al del precalentador de etilbenceno ya que se tiene una elevacin de temperatura junto con un cambio de fase de una sustancia pura, y debido a que no hay trabajo, ni cambios de energa potencial y los cambios de energa potencial se desprecian se tiene que el calor que hay que adicionar es: [ ( ) ( ) ]

[ ]

[

]

Para hallar la velocidad de alimentacin de calor en el reactor se tiene que tener en cuenta el cambio de energa entre la alimentacin y la salida y debido a que no hay trabajo, ni cambios de energa potencial y los cambios de energa potencial se desprecian se tiene que el calor que hay que adicionar es igual al cambio de entalpia. Es necesario tomar los puntos de referencia ptimos para este caso, encontrando que son los reactivos a la temperatura de entrada ya que disponemos del calor de reaccin a esa temperatura, para el caso del agua se toma tambin esta temperatura. A continuacin se presentan los clculos para la determinacin del cambio de entalpia en el reactor. ( )

( )

(

)

(

)

En la siguiente tabla se presentan los flujos y entalpias especficas de entrada y salida de salida sustancia Flujo de entrada de entrada Flujo de salida (mol/h) (mol/h) (KJ/mol) (KJ/mol) Agua 0 C= C= Etilbenceno 0 A+B= B= Estireno 0 E= hidrogeno 0 D= Con los valores de la tabla y el calor de reaccin determinamos la velocidad de alimentacin de calor en el reactor, as:

c) Sugiera posibles mtodos para mejorar la economa de energa de este proceso. El proceso tiene algunas fallas como que los productos salen del reactor se enfran a 25 C y luego son recalentados nuevamente por lo cual probablemente esos enfriamientos sean innecesarios 9,49 El anlisis ultimo (elemental) de cierto carbn consta de una serie de operaciones que dan los porcentajes por masa de carbono, hidrogeno, nitrgeno, oxgeno y azufre en el carbn. El valor de calentamiento del carbn se determina mejor en un calormetro, pero puede estimarse con precisin razonable mediante un anlisis ultimo aplicando la frmula de Dulong ( ) [ ]

Donde (C), (H), (O) y (S) son las fracciones msicas de los elementos correspondientes. El termino 0,125(O) se refiere al hidrogeno enlazado con el agua contenida en el carbn. a. Derive una expresin para el valor superior de calentamiento (VSC) del carbn en trminos de C, H, O y S y compare su resultado con la frmula de Dulong. En el apndice del Felder, se encuentran los calores estndar de formacin, para cada elemento C, S, e H a 25C Hf de la tabla B.1 obtenemos

Hf de la tabla B.1 obtenemos

Hf de la tabla B.1 obtenemos

(

)

[

]

En la formula generalizada por Dulong, no se ve influenciada por los calores de formacin de los constituyentes qumicos del carbn, nicamente las fracciones msicas de los elementos constituvos de la reaccin, por ello los resultados divergen un poco aunque esta frmula da un valor aproximado del poder calorfico superior de un combustible y existe una gran concordancia con los valores obtenidos por medio de un calormetro.

b. Un Carbn cuyo anlisis ltimo es 75,8% por peso de C 5,1% de H, 8,2% de O, 1,5% de N, 1,6% de S y 7,8% de cenizas (no combustibles) se quema en el horno de una caldera de una planta de energa. Todo el azufre del carbn forma SO2. El gas que sale del horno se alimenta por una chimenea alta y se descarga a la atmosfera. La relacin (Kg de SO2 en el gas de chimenea/ KJ de valor de calentamiento del combustible) debe ser inferior a un valor especfico para que dicha planta de energa cumpla con los reglamentos de la Agencia de Proteccin Ambiental en lo tocante a las emisiones de azufre. Estime mediante la frmula de Dulong para el valor de calentamiento del carbn.

Se tienen las fracciones msicas as C=0,758, H=0,051 O=0,082 S=0,016 ( ) [ ]

Entonces Valor Calorfico (Dulong)= 182,10 Kj/Kg de carbn Tomando 1Kg de carbn como base de clculo se tiene:

(Kg de SO2 en el gas de chimenea/ KJ de valor de calentamiento del combustible)

c. La versin previa de los reglamentos de la EPA (Agencia de Proteccin Ambiental) especificaba que la fraccin molar de SO2 en el gas de combustin deba ser inferior a una cantidad especfica para evitar una costosa multa y haca necesario instalar una unidad lavadora de gas de combustin muy cara. Cuando esta especificacin estaba en vigor, algunos operadores de plantas poco ticos introducan aire puro a la base de la chimenea mientras operaba el horno. Explique brevemente porque lo hacan y por qu dejaron de hacerlo cuando se introdujo el nuevo reglamento.

Ya que la cantidad a la que se referan la norma anteriormente era a una fraccin molar por lo tanto al aumentar la cantidad de aire la fraccin molar de SO2 disminua su valor sin disminuir nada la cantidad Real de SO2 presente en el aire que se expulsaba, esta prctica no se pudo llevar ms a cabo ya que la nueva norma pone un lmite no de fraccin molar si no de gramos de SO2 por lo cual la nica manera de cumplir esta norma es disminuir el SO2 que se expulsa. 9.53 El valor de calentamiento de un aceite combustible se medir en un calormetro de bomba de volumen constante. La bomba se carga con oxgeno y 0.00215 lbm del combustible, y despus se sella y se sumerge en un recipiente aislado que contiene agua. La temperatura inicial del sistema es 77.00F. La mezcla de combustible- oxigeno se enciende y el combustible se consume por completo. Los productos de combustin son . la temperatura final del calormetro es 87.06F . La masa del calormetro, incluyendo la bomba y su contenido, es 4.62 lbm, y la capacidad calorfica promedio del sistema es 0.900 BTU/(lbmF) a) calcule (Btu/lbm de aceite) para la combustin del aceite a 77F. Explique sus clculos.

Se hace un balance de energa, en donde el cambio de energa interna es cero, ya que el sistema es cerrado.

[

(

) ]

b) Qu ms necesitara saber para determinar el valor superior de calentamiento del aceite? La reaccin para la que determinamos 1 lbm aceite + a bCO2 (g)+ cH2O(v) para la siguiente reaccion:

El valor superior de calentamiento del aceite es el 1 lbm aceite + a bCO2 (g)+ cH2O(l)

Mediante las siguientes ecuaciones:

Por tanto para calcular el valor superior de calentamiento del aceite, necesitamos: Las libras-mol de oxigeno que reaccionan con una libra-mol de aceite(a) Las libras-mol de dixido de carbono que se producen al quemarse una libra-mol de aceite(b) Las libras-mol de agua que se producen al quemarse una libra-mol de aceite(c)