Tema 2 Ejercicio 7 Resuelto

Ejercicio 7 Balance de Materia en un proceso de Combustión de Metano y Etano

Un gas que contiene contiene 70 % de Metano Metano (CH 4) y 30 % de Etano (C 2H6) se quema en un horno con un 60 % en exceso de aire enriquecido en oxígeno con una composición de 35% de 02, y 65% de N 2. La conversión conversión del metano en el horno es de 90 90 % y la del Etano es 75 %, todo el metano quemado produce CO 2 y el Etano el 65 % produce CO 2 y el 35 % restante CO ¿Cuál es la composición del gas de salida? Conv. CH4 = 90 % Gas

Aire

CH4

Conv. C2H6 = 75 %

70 % CH4

C2H6

30 % C2H6 35 % O2

HORNO

65 % N2

Gas Salida

N2 O2 CO2 CO

% Exceso = 60

H2O

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

Escribamos primero las ecuaciones de Combustión Completa tanto para el metano como para el etano. CH4 + 2O2

→ CO2

C2H6 + 7/2 O2

+ 2H2O

→ 2CO2

(1)

+ 3H2O (2)

Tomemos como Base de Calculo: 100 kgmol/h de Gas en la Alimentación Entonces, en el gas alimentado se tiene 70 kgmol/h de CH 4 y 30 kgmol/h de C 2H6

Aire Teórico

70

kgmol CH 4

h

*

2kgmol O2 1kgmol CH 4

30

kgmol C 2 H 6

7 kgmol O 2 100kgmol Aire * 2 * h 1kgmol C  H  35kgmol O2 2 6

Aire teórico = 700 kgmol/h

El Aire Alimentado es el aire teórico mas el aire en exceso (60 %), por lo que el aire alimentado será 1,6 veces el aire t eórico.

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Aire Alimentado = 700 kgmol/h * 1,6 = 1120 kgmol/h

Composición del Gas de Salida:

Sólo el 90 % del Metano (CH 4) en la alimentación se convierte en el horno por lo que el 10 % restante no reacciona: CH 4 (gas salida) = (1-0,90)*70 kgmol/h = 7 kgmol/h

Sólo el 75 % del Etano (C 2H6) en la alimentación se convierte en el horno por po r lo que el 25 % restante no reacciona C 2H 6  6  (gas salida) = (1-0,75)*30 kgmol/h = 7,5 kgmol/h

El Nitrógeno que entra con el aire sale sin reaccionar del horno y representa el 65 % del aire alimentado: N 2 ( gas salida )

1120

kgmol Aire h

*

65kgmol N 2 100kgmol Aire

728 kgmol/h

El CO2 se forma en las reacciones de Combustión Completa (1) y (2), en las cuales el total del CH 4 quemado y el 65 % del C 2H6 quemado producen el CO 2: CO2 ( gas salida)

0,90 * 70

kgmol CH 4

h

*

1kgmol CO2 1kgmol CH 4

0,75 * 0,65 * 30

kgmol C 2 H 6

h

*

2kgmol CO2 1kgmol C 2 H 6

CO2 (gas salida) = 92,25 kgmol/h

Sólo el 35 % del C 2H6 quemado produce CO, la reacción incompleta del combustión del etano es: C2H6 + 5/2 O2

CO( gas salida)

0,75 * 0,35 * 30

→ 2CO + 3H 2O

kgmol C 2 H 6

*

(3)

2kgmol CO

h 1kgmol C  H  2 6

15,75 kgmol/h

El H2O se produce en las tres reacciones (1), (2) y (3), de aquí que: H 2 O ( gas salida )

0,90 * 70

kgmol CH 4

h

*

2kgmol H 2 O 1kgmol CH 4

0,75 * (0,65 0,35) * 30

H 2O (gas salida) = 193,5 kgmol/h

kgmol C 2 H 6

h

*

3kgmol H  O 1kgmol C 2 H 6

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O2 ( rea)

0,90 * 70

kgmol CH 4

2kgmol O2

* h 1kgmol CH  4

0,75 * 30

kgmol C 2 H 6

7 kgmol O 2 2 * 0,65 * h 1kgmol C 2 H 6

5 kgmol O 2 2 0,35 * 1kgmol C 2 H 6

O2 (reac) = 196,9 kgmol/h

O2 ( gas salida )

1120

kgmol Aire h

*

35kgmol O2 100kgmol Aire

196,9

kgmol O2

h

O2 (gas salida) = 195,1 kgmol/h

El flujo de Gas de Salida se obtiene sumando todos los componentes: Gas Salida = 7 kgmol CH 4 /h + 7,5 kgmol C 2H 6  /h + 728 kgmol N 2/h + 6 /h 92,25 kgmol CO2/h + 15,75 kgmol CO/h +193,5 kgmol H 2O/h + 195,1 kgmol O2/h Gas Salida = 1239,1 kgmol/h

xCH 4 x N 2 xCO

7kgmol / h 1239,1kgmol / h 728kgmol / h 1239,1kgmol / h 15,75kgmol / h 1239,1kgmol / h

0,005

xC 2 H 6

0,588

xCO 2

0,013

x H 2O

xO 2

195,1kgmol / h 1239,1kgmol / h

7,5kgmol / h 1239,1kgmol / h 92,25kgmol / h 1239,1kgmol / h 193,5kgmol / h 1239,1kgmol / h

0,157

0,006

0,074

0,156