Laboratorio 3
October 10, 2022 | Author: Anonymous | Category: N/A
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Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
LABORATORIO N° 3 “
Balance de Materia en la reacción de combustión”
CARRERA
: Tecnología de la Producción
CICLO
: lll
SECCIÓN
:
DOCENTE
: Arica Sánchez, Anahí Bethsabe
CURSO
: Tecnología de la Producción
ALUMNO
“B”
:
- Aquino Torres, Franklin - Rodríguez Ysla, Oscar - Romero Lezama, Brian - Ruiz Arellano, Maykhol
FECHA DE DE ENTREGA ENTREGA : 05/05/2018
2018 – ll 1
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
Oscar Rodríguez Ysla
“B”
l
2
04/05/2018
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
Brian Romero Lezama
“B”
l
3
04/05/2018
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
Maykhol Ruiz Arellano
“B”
l
4
04/05/2018
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
Franklin Aquino Torres
“B”
l
5
04/05/2018
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
Contenido
Pág.
1.
OBJETIVOS: .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 8
2.
FUNDAMENTO TEÓRICO ............................................................................................................. ............................................................................................................. 9
3.
MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS .............................................................. ....................................................................................... ......................... 12
4.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y TOMA DE DATOS .......................................................... ............................................................. ... 12
5.
PROCESAMIENTO DE DATOS..................................................................................................... DATOS..................................................................................................... 13
EJERCICIO N° 1: .............................................................. ......................................................................................................................... ........................................................... 13
EJERCICIO N° 2: .............................................................. ......................................................................................................................... ........................................................... 16
6.
RESULTADOS ................................................................... ............................................................................................................................. .......................................................... 18
8.
CONCLUSIONES ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... 19
9.
RECOMENDACIONES ................................................................................................................. ................................................................................................................. 20
10 . CUESTIONARIO ............................................................. ........................................................................................................................ ........................................................... 20
11.
BIBLIOGRAFÍA .................................................................. ............................................................................................................................ .......................................................... 26
6
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
Balance de Materia en la reacción de combustión
7
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
1. OBJETIVOS:
Reconocer las reacciones implicadas en la combustión.
Determinar la cantidad de combustible empleado en el proceso.
Determinar el rendimiento de la combustión y los factores que influyen.
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Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
2. FUNDAMENTO TEÓRICO La combustión es un proceso químico de oxidación de los componentes componentes del combustible (carbono e hidrógeno) con el oxígeno del aire (O2). Si el combustible tiene azufre, su combustión proporciona óxidos de azufre, generando productos corrosivos si se permite que se condense el agua de los humos y óxidos de azufre que se disuelven en ella. El nitrógeno y componentes no combustibles pasan sin sufrir ninguna modificación, pero una mínima cantidad de nitrógeno se combina con el oxígeno para formar óxidos nitrosos (NOx).
Tabla 1 Las reacciones químicas comunes en la combustión combustión y su energía liberada.
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Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión Requisitos para una buena combustión: - Aire de combustión suficiente pero no excesivo. Tabla 2 Porcentaje de aire estequiometrico
Combustible
Porcentaje de aire estequiometrico
Temperatura de
Gas Natural
Mínimo 64%
Máximo 247%
ignición 538 °C
Fuel – oíl oíl
30%
173%
407 °C
Carbón pulverizado
8%
425%
455 °C
- Corto periodo de tiempo. - Alta Temperatura. - Llama muy turbulenta.
El combustible y el aire tienen que estar perfectamente mezclados para que la combustión sea completa, de este modo se tendrá temperatura de llama alta, y corto y tiempo de combustión. De lo contrario no puede ocurrir combustión completa. - Con exceso de aire (exceso de oxígeno) los gases en exceso (N 2 y O2) hacen que disminuya la temperatura de salida, y en consecuen consecuencia cia el rendimiento baja. - Con defecto de aire (defecto de oxígeno), queda combustible sin quemar y se desperdicia, obteniéndose inquinados en los gases de combustión.
A altas temperaturas (mayor a 1650 °C) las moléculas de oxígeno y nitrógeno nit rógeno se disocian y se forman átomos libres que reaccionan entre sí:
NOx una mezcla de NO, NO2, N2O4, N2O5. El aire utilizado para la combustión es básicamente una mezcla de oxígeno y nitrógeno, cuyas razones en peso son: 0.2315 para el oxígeno y 0.7685 para el nitrógeno.
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Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión Pérdidas de Calor Las pérdidas de calor en los gases dependen de: - Temperatura de los gases de combustión - Temperatura del aire de combustión. - Cantidad de exceso de aire. - Composición del combustible. Rendimiento de la combustión El rendimiento de una caldera es la razón entre el calor transferido al fluido de trabajo o proceso deseado y el contenido energético del combustible.
El rendimiento puede variar con: - El diseño individual de la caldera - La carga de la caldera - El exceso de aire - La temperatura del gas de combustión - Mantenimiento de la caldera. El rendimiento total de la caldera está compuesto por el rendimiento de combustión y el rendimiento del horno. Omitiendo factores de menor importancia, el rendimiento se puede calcular:
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Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
3. MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS
- Equipo de medición de gases Orsat
- Caldero
- Gas combustible
Figura 1. Medición de gases ORSAT Fuente. Laboratorio Químico de Tecsup Norte Trujillo
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL Y TOMA DE DATOS
Análisis en base seca: Extraer la muestra u enfriar debajo d ebajo del punto de rocío. Considerar que el gas analizado no contiene agua, es “seco”
Análisis en base húmeda: El análisis se hace por encima del punto de rocío sobre un gas que contiene todo el vapor de agua que sale de la combustión.
Anotar los resultados en el siguiente cuadro y hacer las comparaciones de los casos variando el exceso de aire:
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Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión Tabla 3 Análisis en base humedad
5. PROCESAMIENTO DE DATOS EJERCICIO N° 1:
RESOLUCIÓN:
100 Kg-mol/h CcH8
QUEMADOR
CEH8 = 5 kg mol/h N2 = 2106.67 kg mol/h O2 =106.375 kg mol/h CO2 = 242.25 kg mol/h Aire 12% Exceso
CO =2.75 kg mol/h
21% O2 = 106.375 mol H2O = 380 kg mol/h
79% N2 = 2106.67 mol
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Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión Ecuación (1) COMBUSTION COMPLETA C3H8 + 5O2
3CO2 + 4H2O
− = 500 / / nO (Teórico) 100C ∗ − 500 2
12%= ∗ ∗100
nO2
(Alimentación)
560 = nO2(Alimentación) COMPOSICIÓN DE GAS DE SALIDA Solo el 95% de C3H8 es quemado y el 5% restante, no reacciona.
= (10.95) ∗100 = 5 ℎ
ℎ
) =2106,67 =560 ) ℎ ∗ (
=242,25 =0.95∗0.85∗ ∗ ℎ ℎ
Solo el 15% del C 3H8 quemado produce CO2
Ecuación (2) COMBUSTION INCOMPLETA
C3H8 + 7/2O2 3CO2 + 4H2O
= 42.7755 =.95∗0.15∗100 ℎ ∗
El agua se produce en las dos reacciones (1) y (2)
=0.95 =0.95((.85+0.15) .85+0.15) ∗100 ℎ ∗ =380 14
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
El O2 que se alimenta con el aire que se consume en las dos reacciones
(1) y (2), por lo tanto, el oxígeno que sale se determina restándole al que se alimenta con el aire que reacciona.
. ={0.95∗100 ℎ ∗0.85∗ +0.15∗ = 453.625 ℎ E=S-C
S=E-C S=560-453.625 S=106.375 kg/mol O2
MOLES TOTALES DEL GAS DE COMBUSTIÓN = 2883.045
COMPOSICIÓN EN BASE HÚMEDA 5 kgmol + 2106.67 kgmol + 242.25 kgmol + 42.75 kgmol + 380 kgmol + 106.375 kgmol = 2885.045 kg mol
∗ 100% = 0.18% . . ∗ 100% = 73.07% . . . ∗ 100% = 8.40% . . ∗ 100% = 1.48% ∗ 100% = 13.18% . . ∗ 100% = 3.69% .
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Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
COMPOSICIÓN EN BASE SECA Total moles – H H2O 2883.045 – 380 380 = 2503.045 moles
. . ∗ 1 0 0 % = 8 4 . 1 6 % . ∗ 100% = 4.25% . ∗ 100% = 0.20% . . ∗ 100% = 9.68% . . ∗ 100% = 1.71% .
EJERCICIO N° 2:
Base de calculo de 100 kg de gas
w Propano = 80 w nButano = 15 w Agua = 5
n Butano= = 0.250 Propano = = 1,818
n Agua = = 0,278
Base Humeda
,= 0,772 , . = 0,11 nButano= , Propano =
nAgua =
Base Seca Propano =
, = 0,8753 ,
Butano =
,, = 0,1247
,, = 0,118 16
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
n Seca = Propano + nButano = 2,077 0,8753 + 0,1247 = 2,077
n Humedad = Propano + Butano + Agua = 2,355 0,772 + 0,11 + 0,118 = 2,355
Relacion mol agua/ mol de gas seco nAgua/nSeca = 0,1338
, = 0,1338 , Base de calculo 100 kg de gas combustible calculamos los moles de oxigeno requerido. según la siguiente reaccion C3H8 +502
→
C4H10 + O2
3CO2 + 4H2O
→
Para el propano
8CO2 + 5H2O
Para el Butano
nOProp = 1,818 x 5 = 9.09
nOButano = 0,259 x = 16,84
nOEstequi = nOPro + nOButano = 10,774
Calculo de Aire Estequiometrico exceso nAireExte = nOEstequi
= 51, 302
Calculo de Aire total al 30% de nAireTotal = nAireExte x 1,3 = 66,693
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Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
Base de Calculo de 100 kg de gas combustible si solo reaaciona 75%
nPropano = x 0,75 = 1,364
nnButano = x 0,75 = 0,194 Para Propano
Para el n-Butano
nOPropa = 1,364 x 5 = 6,82
nOButano = 0,194 x
= 1,261
nOEstequi = nOProp + nOButano = 8,8081
Calculo de Aire que se utiliza nAireExte = nOEstequi x
= 38,481
La reaccion procede sin alteracion se requiere igual a 66,693 kgmol/h debido ese calculo se realiza en base al combustible disponible
6. RESULTADOS Tabla 4 Resultados de los Ejercicios 1 y 2.
Ejercicio 1
Ejercicio 2
(Base seca y húmeda)
(Base seca y húmeda)
2885.045 kg mol
2077.278 kg mol
2503.045 kg mol
1818.259 kg mol
Fuente: Propia
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Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se observó que en el ejercicio 1, si no hacemos un buen balance en los números de moles que alimentan como los que producen nuestros resultados fallaran debido a que con los numero de moles se puede identificar como: oxigeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono y agua.
Se observa en el ejercicio 2, que la reacción procede sin alteración se requiere igual a 66,693 kg mol/h, debido ese cálculo se realiza en base al combustible disponible.
De acuerdo a los ejercicios realizados se observa que en cada ejercicio nos da un porcentaje de exceso que debemos tomar en cuenta al realizar el cálculo, pero en realidad si se no tomara en cuenta todos estos datos en la industria nos saldría muy mas el producto que se quiere conseguir ya que si se agrega meno aire de lo pedido esto puede que no reacciones toda la materia prima y no se obtenga los planteado. Por otro lado, si se agrega más de lo requerido puede que la materia prima no reacciones por no tener equilibrado los materiales y gases que ingresan a la máquina de combustión. Es por ello que siempre se tiene que tener en cuenta los datos exactos para conseguir un producto aprovechado al máximo en el sentido de costos de materia prima, mano de obra y costos indirectos de fabricación. Por ejemplo: si el porcentaje de propano sería menor se obtendría un menor resultado de moles y afectaría al rendimiento de la combustión lo que se obtendría un mayor porcentaje restante que no reacciona.
8. CONCLUSIONES
Se reconoció las reacciones implicadas en la combustión.
Se determinó la cantidad de combustible empleado en el proceso.
Se determinó el rendimiento de la combustión y los factores que influyen.
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9. RECOMENDACIONES
Tener precaución al momento que se utiliza el equipo ORSAT.
Tener cuidado con los equipos al momento que están en funcionamiento.
En laboratorio mantener puesto en todo momento el guardapolvo y las mujeres el cabello recogido.
No ingresar alimentos alimentos en planta piloto.
Lavarse las manos antes de abandonar el laboratorio.
pil oto. Usar las EPP adecuados para ingresar a planta piloto.
10. CUESTIONARIO 1. CALCULAR EL ANÁLISIS ORSAT DE LA MEZCLA GASEOSA RESULTANTE DE LA COMBUSTIÓN COMPLETA, CON 100% EN EXCESO DE AIRE DE: A) ETANO (C 2H6) B) NAFTALENO (C10H8). a. E TANO C2H C2H 6
C2H6 + 7/2 O2
2CO2 + 3H2O
100 Kg-mol/h C2H6 QUEMADOR N2 = O2 = CO2 = H2O =
Aire 12% Exceso 21% O2 = 79% N2 =
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Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión
COMBUSTIÓN COMPLETA
n° O2 (Teórico) =
= 100 ∗ . 100 = 100%∗350 =
n° O2 (Alimentación)
350 + 353500 =
COMPOSICIÓN DE SALIDA
= = 700 700 ∗ .. = = 100 100 ∗ = = 100 100 ∗ .
== = 700 353500 = () = = 100 ∗ % BASE SECA
COMPONENTE N2 CO2 O2 TOTAL
Kg mol 2633.3 200 350 3183.3
21
% BASE SECA 82.72% 6.30% 10.98% 100%
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión b. NAFTALE NO C 1100H 8
C10H8 + 12 O2
2CO2 + 4H2O
100 Kg-mol/h C10H8 QUEMADOR N2 = O2 = CO2 = H2O =
Aire 12% Exceso 21% O2 = 79% N2 =
COMBUSTIÓN COMPLETA
= 1200 100 ∗ 100 1200 = 10 100% 0%∗∗ 12120000 = 1200 1200 1400 + 14140000 =
n° O2 (Teórico) =
n° O2 (Alimentación)
COMPOSICIÓN DE SALIDA
∗ = . . ==2400 24100 00 100 ∗ = = = 100 100 ∗
= =
= 2400 2400 1200 1200 = _ ()
= 100 ∗ = 22
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión % BASE SECA COMPONENTE N2 CO2 O2 TOTAL
Kg mol 9029.57 1000 1200 11229.57
% BASE SECA 80.4 % 8.9 % 10.7 % 100%
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 °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 combustión completa. d) Calcular el volumen de los gases que salen de la combustión en las partes (b) y (c) a 600 °F y 750 mm Hg por cada 100 pies3 de gas quemado.
a) 100 lb-mol de gas pobre
V = = x x = 39 188. 188.4 ppiesies
3
C en el gas = 27.4 lb-at x 12 at-1 = 328.8 lb C
. = 119.1 pies3/lb C . lb 3
23
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión b) 100 lb-mol de gas pobre 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
V = .x x = 2089 20899.9.1 pieess . 100 53.3.3 pieses aire . 100 = 53
3
3
c) Gases a la salida: CO2= 4.4 + 23 = 27.4 O lb-mol 19.31 % N2= 53.33 x 0.79 + 70 = 112.13 lb-mol 79.05 % O2= 13.8 - 11.5 =
lb-mol 162 % .
d) Calcular el volumen de los gases que salen de la combustión en las partes (b) y (c) a 600 °F y 750 mm Hg por cada 100 pies3 de gas quemado.
V = . x x =111161.8 pies
3
3
de
. . 100 100 = 28283.3.6655 pieses aire
24
gases
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión 3. UN GAS NATURAL CONTIENE CH 4 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: CO 2,77 % CO2 6,76 % O2 5,63 % N2 84,84 % Calcular:
a) El porcentaje en exceso de aire suministrado.
22.55 lb/ mol 13.775 8.775 lb/ mol 17.55 lb/ mol 9.53 lb-at 18.305 lb/ mol 23.2
b) El porcentaje del carbono que pasa a CO.
= 2.9.7573 100 % = 29%
25
Encabezado: Balance de Materia en la reacción de combustión c) La masa de vapor de agua por cada 1 000 pies3 de gases de combustión medidos a 800 °F y 1 atm.
3
108.074 pies 2.92 lb agua
11. BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA GLAB-S03-AARICA-2018-01.pdf.Recuperadode. file:///C:/Users/ASUS/Downloads/GLAB-
S03-AARICA-2018-01.pdf
26
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