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Es conveniente conocer las siguientes definiciones:
- Gas de combustión: Todos los gases que resultan de un proceso de combustión, incluido el vapor de agua. (base húmeda)
- Análisis Orset: todos los gases que resultan de un proceso de combustión sin incluir el vapor de agua.
- Aire teórico: cantidad de aire u oxígeno requerido para lograr la combustión completa. También se conoce como aire u oxígeno requerido.
- Aire en exceso: cantidad de aire u oxígeno en exceso con respecto al requerido para una combustión completa. \begin{equation} \%aire\ en\ exceso\ =\frac{aire\ en\ exceso}{aire\ requerido}\cdot100 \end{equation} También puede definirse como: \begin{equation} \%aire\ en\ exceso\ =\frac{O_{2}\ que\ entra\ en\ el\ proceso\ - O_{2}\ requerido}{O_{2}\ requerido}\cdot100 \end{equation}
Ejemplo:
Se queman 20 kg de propano con 400 kg de aire para producir 44 kg de $CO_2$ y 12 kg de CO. Calcula el % de aire en exceso.
Planteamos la reacción de combustión:
\begin{equation} C_{3}H_{8}+O_{2}\longrightarrow 3CO_{2}+4H_{2}O \end{equation}
Aunque en el proceso parte del carbono se convierte en CO, el cálculo del aire en exceso supone que todo el carbono se transforma en $CO_{2}$
- El oxígeno que entre en el proceso: \begin{equation} 400\ kg\ aire \frac{1\ kg-mol\ aire}{29\ kg\ aire}\cdot \frac{21\ kg-mol\ O_{2}}{100\ kg-mol\ aire}=2,90\ kg-mol\ O_{2} \end{equation}
- El oxígeno requerido en el proceso: \begin{equation} 20\ kg\ C_{3}H_{8}\frac{1\ kg-mol\ C_{3}H_{8}}{44\ kg\ C_{3}H_{8}}\cdot \frac{3\ kg-mol\ O_{2}}{1\ kg-mol\ C_{3}H_{8}}=2,27\ kg-mol\ O_{2} \end{equation}
- Aplicando la definición de aire en exceso se obtiene: \begin{equation} \%aire\ exceso=\frac{2,90-2,27}{2,27}\cdot 100=28\%\end{equation}
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A un reactor químico entan 24 lb de carbono y 300 lb de aire. En el reactor tiene lugar la combustión del carbono según el proceso: $C+O_{2}\rightarrow CO_{2}$. Calcula las libras y moles que salen del reactor.
Dibujamos el diagrama de flujo:
Calculamos las lb-mol de carbono, oxígeno y nitrógeno en la entrada:
Carbono: \begin{equation} 24\ lb\ C\frac{1\ lb-mol\ C}{12\ lb\ C}=12\ lb-mol\ C \end{equation} Oxígeno: \begin{equation} 300\ lb\ aire\frac{21\ lb\ O_{2}}{100\ lb\ aire}\frac{1\ lb-mol\ O_{2}}{32\ lb\ O_{2}}=2,18\ lb-molO_{2} \end{equation} Nitrógeno: \begin{equation} 300\ lb\ aire\frac{79\ lb\ N_{2}}{100\ lb\ aire}\frac{1\ lb-mol\ N_{2}}{28\ lb\ N_{2}}=8,20\ lb-mol\ N_{2} \end{equation} Teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción y el rectivo limitante (carbono), se calculan las lb-mol de los gases a la salida del reactor.
Dióxido de carbono: 2 lb-mol.
Las lb-mol de dióxido de carbono formadas son iguales a las consumidas de carbono.
Oxígeno: $2,18 - 2 = 0,18\ lb-mol\ de\ O_{2}$.
2 lb-mol de oxígeno reaccionan con el carbono, por tanto, salen 0,18 lb-mol de oxígeno.
Nitrógeno: 8,20 lb-mol.
El nitrógeno es inerte, por tanto, sale la misma cantidad que entra.
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A la cámara de combustión de una caldera se alimenta una mezcla gaseosa formada por propano y oxígeno, con un 80$\%$ del primero, que se quema con un 200 % de exceso de aire. Sabiendo que un 80 % del propano se transforma en CO2, un 10 % en CO y el resto permanece sin quemarse, calcular la composición del gas de combustión.
Reacciones que tienen lugar:
$C_3H_8 + 5O_2\rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$
$C_3H_8+7/2O_2\rightarrow 3CO + 4H_2O$
Entrada:
Base de cálculo 100 mol-kg de alimentación.
Oxígeno teórico: 400 mol-kg
Oxígeno requerido: 380 mol-kg
Oxígeno que entra: requerido x 3 = 1140 mol-kg
Nitrógeno que entra: 4289 mol-kg.
Oxígeno consumido: 348 mol-kg
Salida:
$CO_2$: 192 mol-kg
CO: 24 mol-kg
$C_3H_8$: 8 mol-kg
Oxígeno: 812 mol-kg
Nitrógeno: 4289 mol-kg
Agua: 288 mol-kg.
Moles totales a la salida: 5613 mol-kg
Composición del gas de combustión: 0.14$\% C_3H_8$; 14.47$\% O_2$; 76.41$\% N_2$; 3.42$\% CO_2$; 0.43$\% CO$; 5.13$\% H_2O$
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Inicialmente se mezcla etano con oxígeno para obtener un gas de 80$\%$ de $C_2H_6$ y 20$\%$ de $O_2$ que después se quema con un 200$\%$ de exceso de aire. El 80$\%$ del etano pasa a $CO_2$, 10$\%$ pasa a CO y 10$\%$ permanece sin quemarse. Calcular la composición del gas de escape (combustión) sobre una base húmeda.
Base de cálculo 100 mol-kg de gas de combustión.
$C_2H_6 + 7/2O_2 \rightarrow 2CO_2 +2H_2O$
$C_2H_6+5/2O_2\rightarrow 2CO + 3H_2O$
- Entrada:
- Cálculo del oxígeno teórico, oxígeno requerido para la combustión completa: 280 mol-kg
- Oxígeno requerido (aire): 280-20=260
- Oxígeno que entra por el aire (200$\%$ en exceso): 780 mol-kg
- Nitrógeno que entra: 2930 mol-kg.
- Oxígeno consumido: 224+20=244 mol-kg.
- Salida:
- Dióxido de carbono:128 mol-kg.
- Monóxido de carbono: 16 mol-kg.
- Agua: 192+24=216 mol-kg.
- Oxígeno: 780+20-244=556 mol-kg
- Nitrógeno: 2930 mol-kg.
- $C_2H_6$: 8 mol-kg
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