Guía 9 de balance de masa y energía
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GUÍA 9 DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA – Curso Intersemestral Profesor JUAN ANDRÉS SANDOVAL HERRERA F.U.A. 2014 Balances de energía con reacción química TEORÍA “Las reacciones químicas comúnmente están asociadas a grandes cambios energéticos. Estos cambios suelen desempeñar un papel importante en la economía de un proceso; puede resultar que el calor que se necesita agregar tenga un costo mayor que el de los reactivos, o que el calor que se desprende pueda ser utilizado en otro proceso.” “Los cambios en la estructura molecular de la materia que conllevan las reacciones químicas generan cambios en la energía interna que conducen a la liberación o absorción de energía.” “Es así, que en las reacciones exotérmicas la energía requerida para mantener unido los productos de una reacción es menor que la que se requiere para mantener unidos los reactivos. Y por ende, se libera energía. Por el contrario, en una reacción endotérmica se requiere energía, porque la energía requerida para mantener unidos los productos es mayor a la que se requiere para los reactivos.” Balance de energía para un proceso reactivo Q = H ∆ = ∑ ∆ − ∑ ∆ + ∆ ó ° ∆ ó ° = ∑ ∆ ° − ∑ ∆ ° Donde ∆ ° es el calor de formación estándar, a 1 atm y 25 °C. Entonces, el calor de reacción estándar es la diferencia entre la suma de los calores de formación de reactivos menos la suma de los calores de formación de los reactivos, a 25 °C y 1 atm. Y la entalpía total del proceso, involucra no solamente el calor de reacción, sino también la entalpía involucrada en el calentamiento de los productos y/o enfriamiento de reactivos para llegar a la temperatura estándar, 25 °C. Es decir, si los reactivos entran a una temperatura diferente a 25 °C se debe sumar la entalpía de esos reactivos. Y si los productos salen a una temperatura diferente a 25 °C, también se suman esas entalpías. Pero la reacción se toma a 25 °C. El calor de reacción estándar se da por mol de reactivo límite. Si se duplican, o triplican, las moles, también se debe duplicar o triplicar el calor de reacción; es decir, es proporcional a las moles de reactivo límite. El calor de reacción estándar no depende prácticamente de la presión, pero sí de la temperatura. Si la entalpía, o calor, estándar de reacción es negativa, la reacción es EXOTÉRMICA, porque el calor de formación de los productos es menor al de los reactivos. Esto involucra una liberación de energía, gracias a la reacción. Y si la entalpía es positiva, la reacción es ENDOTÉRMICA. Esto conlleva un consumo de energía para que la reacción se dé. En ocasiones, es posible conocer la entalpía de reacción sin necesidad de conocer las entalpías de formación, sino utilizar directamente ese dato. Esto es muy común para reacciones de combustión. De hecho, en esos casos se habla de “calor de combustión”, sabiendo que es un calor de reacción, pero de esa reacción de combustión en particular. PROBLEMAS PROPUESTOS 1. Se realiza la combustión de 1,435 g de naftaleno (C 10 H 8 ) en una bomba calorimétrica. La temperatura del agua aumenta de 20,17 °C a 25,84 °C. La cantidad del agua que rodea a la bomba es exactamente 2000 g. Si el calor perdido hacia las partes del calorímetro es 9000 kJ. Calcular el calor de combustión del naftaleno en kJ/mol. Masa molar del naftaleno: 128,2 g/mol. RESPUESTA: Q = (-) 7,994 * 10 5 kJ/mol 2. Se quema monóxido de carbono a 300 °C bajo la presión atmosférica con aire seco a 600 °C en un exceso del 50 % del necesario teóricamente para asegurar la combustión completa. Los productos de combustión abandonan la cámara de reacción a 1200 °C. Calcular el calor desprendido en la cámara de reacción. (Datos: ΔH c(CO) 18°C = -67410 Kcal/Kmol. Cp co 300°C = 7,06 Kcal/Kmol °C; Cp O2 300°C = 7,59 Kcal/Kmol °C; Cp N2 300°C = 7,17 Kcal/kmol °C; Cp co2 1200°C = 12,18 Kcal / Kmol °C; Cp O2 1200°C = 8,04 Kcal / Kg °C; Cp N2 1200°C = 7,58 Kcal / Kmol °C). RESPUESTA: Q perdido = (-) 42443,1 kCal 3. Un horno quema aceite combustible con aire seco a 250°C y 1 atmósfera. El análisis Orsat de los gases de combustión arroja la siguiente composición: 12,9% de CO 2, 3,8% de O2, y 83,3% de N2 (porcentajes molares). Asumiendo que el aceite combustible está compuesto sólo por C e H y que su calor de combustión es -8000 kCal/kg, determine: A) % de exceso de aire; B) Calor perdido en gases si salen a 290°C. RESPUESTAS: A) 20,62% de exceso de aire. B) -6586,25 kCal/kg combustible 4. El óxido nítrico se obtiene por oxidación parcial del amoníaco con aire según: 4 NH3 (g) + 5 O2 (g) → 4 NO (g) + 6 H2O (g) HR 25°C = -216.42 kcal /4 mol NH3 En un reactor que trabaja a presión atmosférica se alimentan NH3 (g), a 25°C, y aire precalentado a 750°C, alcanzándose una conversión del 90% para el amoníaco. La composición molar de los gases efluentes, en base seca, es: NH3 (0,855%); O2 (11,279%); NO (7,962%); N2 (79,874%). Si la temperatura de los gases efluentes del reactor no puede exceder los 920°C, calcular: a) Los kmoles totales de gas efluente por cada 100 kmoles de NH3 alimentados b) Los kmoles de H2O que acompañan a 100 kmoles de gas efluente seco c) El porcentaje de aire alimentado en exceso respecto del aire teórico necesario para la oxidación completa del amoníaco. d) El caudal de calor a eliminar en el reactor por cada 100 kmoles de NH3 alimentados RESPUESTAS: a) 1265.32 kmoles; b) 11.943; c) 92 %; d) - 1.054 10 7 KJ = - 2.521 10 6 kCal BIBLIOGRAFÍA Balances de materia y energía. Reklaitis, capítulos 7 y 8. Principios elementales de los procesos químicos. Felder, Capítulos 8 y 9.
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GUÍA 9 DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA – Curso Intersemestral
Profesor JUAN ANDRÉS SANDOVAL HERRERA F.U.A. 2014
Balances de energía con reacción química
TEORÍA
“Las reacciones químicas comúnmente están asociadas a
grandes cambios energéticos. Estos cambios suelen desempeñar un papel importante en la economía de un proceso; puede resultar que el calor que se necesita agregar tenga un costo mayor que el de los reactivos, o que el calor que
se desprende pueda ser util izado en otro proceso.”
“Los cambios en la estructura molecular de la materia que
conllevan las reacciones químicas generan cambios en la energía interna que conducen a la l iberación o absorción de energía.”
“Es así, que en las reacciones exotérmicas la energía requerida para mantener unido los productos de una reacción es menor que la que se requiere para mantener unidos los reactivos. Y
por ende, se l ibera energía. Por el contrario, en una reacción endotérmica se requiere energía, porque la energía requerida para mantener unidos los productos es mayor a la que se requiere para los reactivos.”
Balance de energía para un proceso reactivo
Q = H
∆𝐻 = ∑ ∆𝐻
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠
− ∑ ∆𝐻
𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠
+ ∆𝐻𝑅𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛°
∆𝐻𝑅𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛° = ∑ ∆𝐻𝑓
°
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠
− ∑ ∆𝐻𝑓°
𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠
Donde ∆𝐻𝑓° es el calor de formación estándar, a 1 atm y 25 °C.
Entonces, el calor de reacción estándar es la diferencia entre la suma de los calores de formación de reactivos menos la suma de los calores de formación de los reactivos, a 25 °C y 1 atm. Y la
entalpía total del proceso, involucra no solamente el calor de reacción, sino también la entalpía involucrada en el calentamiento de los productos y/o enfriamiento de reactivos para l legar a la temperatura estándar, 25 °C. Es decir, si los
reactivos entran a una temperatura diferente a 25 °C se debe sumar la entalpía de esos reactivos. Y si los productos salen a una temperatura diferente a 25 °C, también se suman esas entalpías. Pero la reacción se toma a 25 °C.
El calor de reacción estándar se da por mol de reactivo límite. Si se duplican, o triplican, las moles, también se debe duplicar o
triplicar el calor de reacción; es decir, es proporcional a las moles de reactivo límite. El calor de reacción estándar no depende prácticamente de la presión, pero sí de la temperatura.
Si la entalpía, o calor, estándar de reacción es negativa, la reacción es EXOTÉRMICA, porque el calor de formación de los
productos es menor al de los reactivos. Esto involucra una liberación de energía, gracias a la reacción. Y si la entalpía es positiva, la reacción es ENDOTÉRMICA. Esto conlleva un consumo de energía para que la reacción se dé.
En ocasiones, es posible conocer la entalpía de reacción sin necesidad de conocer las entalpías de formación, sino util izar
directamente ese dato. Esto es muy común para reacciones de combustión. De hecho, en esos casos se habla de “calor de combustión”, sabiendo que es un calor de reacción, pero de esa reacción de combustión en particular.
PROBLEMAS PROPUESTOS
1. Se realiza la combustión de 1,435 g de naftaleno (C10H8)
en una bomba calorimétrica. La temperatura del agua aumenta de 20,17 °C a 25,84 °C. La cantidad del agua que rodea a la bomba es exactamente 2000 g. Si el calor perdido hacia las
partes del calorímetro es 9000 kJ. Calcular el calor de combustión del naftaleno en kJ/mol. Masa molar del naftaleno: 128,2 g/mol. RESPUESTA: Q = (-) 7,994 * 105 kJ/mol 2. Se quema monóxido de carbono a 300 °C bajo la presión atmosférica con aire seco a 600 °C en un exceso del 50
% del necesario teóricamente para asegurar la combustión completa. Los productos de combustión abandonan la cámara de reacción a 1200 °C. Calcular el calor desprendido en la cámara de reacción. (Datos: ΔH c(CO) 18°C= -67410 Kcal/Kmol. Cpco
300°C = 7,06 Kcal/Kmol °C; CpO2 300°C = 7,59 Kcal/Kmol °C; CpN2 300°C
= 7,17 Kcal/kmol °C; Cpco2 1200°C = 12,18 Kcal / Kmol °C; CpO2 1200°C
= 8,04 Kcal / Kg °C; CpN2 1200°C = 7,58 Kcal / Kmol °C).
RESPUESTA: Q perdido = (-) 42443,1 kCal
3. Un horno quema aceite combustible con aire seco a 250°C y 1 atmósfera. El análisis Orsat de los gases de combustión arroja la siguiente composición: 12,9% de CO 2, 3,8% de O2, y 83,3% de N2 (porcentajes molares). Asumiendo que el
aceite combustible está compuesto sólo por C e H y que su calor de combustión es -8000 kCal/kg, determine: A) % de exceso de aire; B) Calor perdido en gases si salen a 290°C. RESPUESTAS: A) 20,62% de exceso de aire. B) -6586,25
kCal/kg combustible
4. El óxido nítrico se obtiene por oxidación parcial del amoníaco con aire según: 4 NH3 (g) + 5 O2 (g) → 4 NO (g) + 6 H2O (g) HR
25°C = -216.42 kcal /4 mol NH3
En un reactor que trabaja a presión atmosférica se alimentan
NH3 (g), a 25°C, y aire precalentado a 750°C, alcanzándose una conversión del 90% para el amoníaco. La composición molar de los gases efluentes, en base seca, es:
NH3 (0,855%); O2 (11,279%); NO (7,962%); N2 (79,874%). Si la temperatura de los gases efluentes del reactor no puede exceder los 920°C, calcular: a) Los kmoles totales de gas efluente por cada 100 kmoles de
NH3 alimentados b) Los kmoles de H2O que acompañan a 100 kmoles de gas efluente seco
c) El porcentaje de aire alimentado en exceso respecto del aire teórico necesario para la oxidación completa del amoníaco. d) El caudal de calor a eliminar en el reactor por cada 100 kmoles de NH3 alimentados
RESPUESTAS: a) 1265.32 kmoles; b) 11.943; c) 92 %; d) -
1.054 107 KJ = - 2.521 106 kCal
BIBLIOGRAFÍA Balances de materia y energía. Reklaitis, capítulos 7 y 8.
Principios elementales de los procesos químicos. Felder,
Capítulos 8 y 9.
![Procesos de Transporte [ Energía y Masa] Física Ambiental Aplicación al Balance de Energía en la Superficie Terrestre.](https://static.fdocumento.com/doc/165x107/5665b4991a28abb57c9285cb/procesos-de-transporte-energia-y-masa-fisica-ambiental-aplicacion-al.jpg)
![Procesos de Transporte [ Energía y Masa] Alfonso Calera Física Ambiental Aplicación al Balance de Energía en la Superficie Terrestre.](https://static.fdocumento.com/doc/165x107/552d6f28550346ac768b46b6/procesos-de-transporte-energia-y-masa-alfonso-calera-fisica-ambiental-aplicacion-al-balance-de-energia-en-la-superficie-terrestre.jpg)
