Tema 2 Ejercicio 6 Resuelto

Ejercicio 6 Balance de Materia en un proceso de Combustión de Etano

Se quema etano con una 50 % de aire en exceso. La conversión del etano es de 90 %, del etano quemado, 25 % reacciona para formar CO y el resto forma CO 2. Calcular Calcular la composición molar de los gases de chimenea y la relación que existe entre el agua formada y los gases de chimenea secos.

C2H6

Conv. C2H6 = 90 %

N2

Etano

Aire

21 % O 2

HORNO

79 % N2

Gas Salida

O2 CO2 CO H2O

% Exceso = 50

Lo primero que se debe determinar es el aire alimentado alimentado al horno. Para lo cual se debe debe calcular primero el aire teórico. El aire teórico teórico es la cantidad de de aire requerido requerido para quemar totalmente el gas alimentado hasta combustión completa.

Escribamos Escribamos primero pr imero la ecuación de Combustión Completa para el etano. C2H6 + 7/2 O2

→ 2CO2

+ 3H2O (1)

Tomemos como Base de Calculo: 100 kgmol/h de Etano

Aire Teórico

100

kgmol C 2 H 6

7 kgmol O 2 100kgmol Aire * 2 * h 1kgmol C  H  21kgmol O2 2 6

Aire teórico = 1666,7 kgmol/h

El Aire Alimentado es el aire teórico mas el aire en exceso (50 %), por lo que el aire alimentado será 1,5 veces el aire teórico. Aire Alimentado = 1666,7 kgmol/h * 1,5 = 2500 kgmol/h

Composición del Gas de Salida:

Sólo el 90 % del Etano (C 2H6) en la alimentación se convierte en el horno por po r lo que el 10 % restante no reacciona C 2H 6  6  (gas salida) = (1-0,90)*100 kgmol/h = 10 kgmol/h

El Nitrógeno que entra con el aire sale sin reaccionar del horno y representa el 79 % del aire alimentado: N 2 ( gas salida)

2500

kgmol Aire h

79kgmol N 2

*

1975 kgmol/h

100kgmol Aire

El CO2 se forma en la reacción de Combustión Completa (1), en la cual el 75 % del C2H6 quemado produce el CO 2: CO2 ( gas salida)

0,90 * 0,75 *100

kgmol C 2 H 6

*

2kgmol CO2

= 135 kgmol/h

h 1kgmol C  H  2 6

Sólo el 25 % del C 2H6 quemado produce CO, la reacción incompleta del combustión del etano es: C2H6 + 5/2 O2

CO( gas salida)

0,90 * 0,25 *100

→ 2CO + 3H 2O

kgmol C 2 H 6

*

(2)

2kgmol CO

h 1kgmol C  H  2 6

45 kgmol/h

El H2O se produce en las dos reacciones (1), y (2), de aquí que: H 2 O ( gas salida )

0,90 * (0,75 0,25) *100

kgmol C 2 H 6

h

*

3kgmol H  O 1kgmol C 2 H 6

H 2O (gas salida) = 270 kgmol/h

Parte del O2 que se alimenta con el aire 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 el que reacciona: O2 ( rea )

0,90 *100

kgmol C 2 H 6

7 kgmol O 2 2 * 0,75 * h 1kgmol C 2 H 6

5 kgmol O 2 2 0,25 * 1kgmol C 2 H 6

O2 (reac) = 292,5 kgmol/h

O2 ( gas salida )

2500

kgmol Aire h

*

21kgmol O2 100kgmol Aire

O2 (gas salida) = 232,5 kgmol/h

292,5

kgmol O2

h

El flujo de Gas de Salida se obtiene sumando todos los componentes: Gas Salida = 10 kgmol C 2H 6  /h + 1975 kgmol N 2/h + 135 kgmol CO2/h + 6 /h 45 kgmol CO/h + 270 kgmol H 2O/h + 232,5 kgmol O 2/h Gas Salida = 2667,5 kgmol/h

xC 2 H 6 xCO 2 x H 2O

10kgmol / h 2667,5kgmol / h 135kgmol / h 2667,5kgmol / h

270kgmol / h 2667,5kgmol / h

0,004

x N 2

0,051

xCO

0,101

xO 2

1975kgmol / h 2667,5kgmol / h 45kgmol / h 2667,5kgmol / h 232,5kgmol / h 2667,51kgmol / h

0,740

0,017

0,087

La relación entre el agua y los gases secos se determina así:

Re lacíón

270

Agua Gases sec os

kgmol H 2 O

(2667,5

270)

h kgmol

0,113

h

kgmol H 2 O

Kgmol gas sec o