Problemas Unidad 15 Termodinamica Cengel

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE POZA RICA

PROBLEMAS UNIDAD 15

TERMODINAMICA

YUNUS A. CENGEL Y MICHAEL A. BOLES

ING. GUADALUPE DIANTES JEREZ

MAQUINAS Y EQUIPOS TERMICOS 1

EMMA YESSENIA SALAS SANTOS

INGENIERIA ELECTROMECANICA

6 A

27/FEBRERO/2015

Captulo 15. Reacciones qumicas

PROBLEMAS

Combustibles y Combustin

15-1C Cules son las composiciones qumicas aproximadas de la gasolina,

el disel y el gas natural?

La gasolina se trata como octano C8H18, y el disel como dodecano, C12H26. El

gas natural, que es una mezcla de metano y cantidades ms pequeas de otros

gases, algunas veces se trata como metano, CH4.

15-2C Cmo afecta la presencia de N2 en el aire al resultado de un proceso

de combustin?

Durante la combustin, el nitrgeno se comporta como un gas inerte y no

reacciona con otros elementos qumicos. Pero aun en ese caso, la presencia de

nitrgeno influye de manera considerable en el resultado de un proceso de

combustin, pues el nitrgeno suele entrar a una cmara de combustin en

grandes cantidades a temperaturas bajas, y salir a temperaturas

considerablemente altas, absorbiendo una gran proporcin de la energa qumica

liberada durante la combustin.

15-3C Cmo afecta la presencia de humedad en el aire al resultado de un proceso de combustin? Las gotas de agua suelen combinarse con el dixido de azufre que puede estar presente en los gases de combustin, formando cido sulfrico, el cual es muy corrosivo.

15-4C Cmo se representa la temperatura del punto de roco de los gases

producto? Cmo se determina esto?

La temperatura de punto de roco de los productos es la temperatura a la cual el

vapor de agua en los productos empieza a condensarse cuando los productos se

enfran a presin constante. La temperatura de punto de roco de una mezcla de

gas-vapor es la temperatura de saturacin del vapor de agua correspondiente a su

presin parcial. En consecuencia, primero debe determinarse la presin parcial del

vapor de agua Pv en los productos.

Si se supone un comportamiento de gas ideal para los gases de combustin, se

tiene por lo tanto:

(

) ( )

( )( )

15-5C Acaso se conserva intacto el nmero de tomos de cada elemento

durante una reaccin qumica? Qu ocurre con el nmero total de moles?

El nmero total de tomos de cada elemento se

conserva durante una reaccin qumica, ya que el

nmero total de tomos de un elemento es igual a la

masa total del elemento dividida entre su masa atmica.

Y el nmero total de moles no se conserva durante una

reaccin qumica.

15-6C Qu es la relacin aire-combustible? Cmo se vincula con la

relacin combustible-aire?

La relacin aire-combustible, AC. Suele expresarse en

una base de masa y se define como la relacin entre

la masa del aire y la masa de combustible en un

proceso de combustin. El recproco de la relacin

aire-combustible se conoce como relacin

combustible-aire.

15-7C La relacin aire-combustible expresada en una base molar es

idntica a la relacin aire-combustible expresada en una base de masa?

Si porque en una base de masa se define como la relacin entre la masa del aire y

la masa de combustible y en una base molar como la proporcin entre el nmero

de moles de aire y el nmero de moles del combustible.

Una cantidad utilizada frecuentemente en el anlisis de procesos de combustin para cuantificar las cantidades de combustible y aire es la

relacin aire-combustible, AC. Suele expresarse en una base de masa y se define como la relacin entre la masa del aire y la masa de

combustible en un proceso de combustin. Es decir,

La masa m de una sustancia se relaciona con el nmero de moles N por

medio de la relacin m = NM, donde M es la masa molar. La relacin

aire-combustible puede expresarse tambin en una base molar como la

proporcin entre el nmero de moles de aire y el nmero de moles de

combustible.

Procesos de combustin terica y real

15-8C Cules son las causas de la combustin incompleta?

Un proceso de combustin es incompleto si los productos de combustin contienen algo de combustible o componentes no quemados, como C, H2, CO, o bien, OH. El oxgeno insuficiente es una razn obvia para la combustin incompleta. La combustin incompleta sucede tambin cuando en la cmara de combustin hay ms oxgeno del necesario para la combustin completa. Esto puede atribuirse a la mezcla insuficiente en la cmara de combustin durante el limitado tiempo en que el oxgeno y el combustible quedan en contacto. Otra causa de combustin incompleta es la disociacin, la cual se vuelve importante a elevadas temperaturas. 15-9C Qu es ms probable encontrar en los productos de una combustin

incompleta de un combustible hidrocarburo, CO u OH? Por qu?

CO o como simples partculas C ya que el oxgeno es atrado con mayor fuerza

hacia el hidrgeno que hacia el carbono y el hidrgeno en el combustible

normalmente se quema por completo, formando H2O, aun cuando exista menos

oxgeno del necesario para la combustin completa.

15-10C Qu representa 100 por ciento de aire terico?

La cantidad mnima de aire necesaria para la combustin completa de un

combustible recibe el nombre de aire estequiomtrico o terico.

15-11C La combustin completa y la combustin terica son idnticas? Si

no lo son, en que difieren?

Son idnticas ya que en ambos casos todos los componentes combustibles de un

combustible se queman totalmente durante un proceso de combustin, pero

difieren en que en la combustin terica utilizada la cantidad mnima de aire

necesaria

15-12C Considere un combustible que se quema con a) 130 por ciento de

aire terico y b) 70 por ciento de exceso de aire. En cul caso el

combustible se quema con ms aire?

El b) ya que seran 170 por ciento de aire terico.

15-13 Durante un proceso de combustin se quema metano (CH4) con una

cantidad estequiomtrica de aire. Suponga una combustin completa y

determine las razones aire-combustible y combustible-aire.

Solucin El combustible es quemado completamente con una cantidad estequiomtrica de aire (0% de exceso de aire).Se determinara la relacin aire-combustible (AC).Se determinara la relacin reciproca combustible-aire (CA). Suposiciones La combustin es completa. La combustin terica del metano es

( ) (Pag. 756)

Propiedades

Masa molar del aire

(Tabla A-1)

Masa molar del carbono

(Tabla A-27)

Masa molar del Hidrogeno

(Tabla A-27)

Anlisis Ya que la ecuacin qumica del metano (CH4) es

( ) Y de esta ecuacin sacamos el nmero de moles del aire el carbono y el hidrogeno

La razn de que sean 9.52 moles de aire es que tenemos 2 x 3.72 moles de N2 + 2 moles de O2

La relacin aire-combustible (AC) se determina tomando la proporcin entre la masa de aire y la masa de combustible, segn la ecuacin:

( ) ( ) ( )

( )( )

( )( ) ( )( )

La relacin combustible-aire (CA) es el reciproco de la AC, por lo tanto usamos la ecuacin:

15-14 Durante un proceso de combustin se quema propano (C3H8) con 75

por ciento de exceso de aire. Suponga una combustin completa y

determine la razn aire-combustible.

Solucin El combustible es quemado completamente con exceso de aire. Se determinarn la AC. Suposiciones La combustin es completa. Los gases son gases ideales. Propiedades

Masa molar del aire

(Tabla A-1)


(Tabla A-27)


(Tabla A-27)

Anlisis La entrada de aire ser de 1.75ath ya que hay un 75% en el exceso de aire. Por lo tanto la ecuacin de combustin se escribira as:

( ) Continuamos diciendo que si C: 3 = x x = 3 H: 8 =2y y = 4 O: 2(1.75ath) = 2x + y + (2 x0 .75) ath ath =5 N2:(1.75ath x 3.76) = w w = 32.9

( )

( ) ( ) ( )

( )( )

( )( ) ( )( )

Aire 41.65kmol

Carbono (C) 3kmol

Hidrogeno (H2) 4kmol

15-15 Durante un proceso de combustin se quema acetileno (C2H2) con aire

estequiometrico. Suponga una combustin completa y determine la relacin

aire-combustible por unidad de masa y por unidad molar.

Solucin El combustible es quemado completamente con una cantidad estequiomtrica de aire (0% de exceso de aire). Se determinarn la AC por unidad de masa y por unidad molar. Suposiciones La combustin es completa. Los gases son gases ideales. El aire es estequiomtrico. Propiedades

Masa molar del aire

(Tabla A-1)


(Tabla A-27)


(Tabla A-27)

Anlisis Antes que nada aplicamos la ecuacin de combustin para el acetileno con aire estequiomtrico.

( ) Hacemos las operaciones necesarias para el balanceo C: 2 = x x = 2 H: 2 =2y y = 1 O: 2(ath) = 2x + y ath =2.5 N2:(ath x 3.76) = w w = 9.4 Continuamos diciendo que ( )

Aire 11.9kmol

Carbono (C) 2kmol

Hidrogeno (H2) 1kmol

( ) ( ) ( )

( )( )

( )( ) ( )( )

*Como se mencion en la PREGUNTA 15-7C la relacin aire-combustible expresada en una base molar es idntica a la relacin aire-combustible expresada en una base de masa

15-16 Durante un proceso de combustin se quema 1 kmol de etano (C2H6)

con una cantidad desconocida de aire. Un anlisis de los productos de

combustin revela que la combustin es completa y que hay 3 kmol de O2

libre en los productos. Determine a) la relacin aire-combustible y b) el

porcentaje de aire terico usado durante este proceso.

Solucin El combustible es quemado completamente con exceso de aire. Se determinarn la AC. Se determina el porcentaje de aire terico utilizado. Suposiciones La combustin es completa. Los gases son gases ideales. Hay 3kmol de O2 libre en el producto. Propiedades

Masa molar del aire

(Tabla A-1)


(Tabla A-27)


(Tabla A-27)

Anlisis La entrada de aire ser de ath ya que hay 3kmol de O2 producto. Por lo tanto la ecuacin de combustin se escribira de la siguiente manera:

( ) Buscamos los valores faltantes C: 2= x x = 2 H: 6 =2y y = 3 O: 2ath = 2x + y + (2x3) ath =6.5 N2:(ath x 3.76) = w w = 24.44 Balanceando ( )

Aire 30.94

Carbono (C) 2

Hidrogeno (H2) 3

( ) ( ) ( )

( )( )

( )( ) ( )( )

Para encontrar el porcentaje de aire terico utilizado, se necesita conocer la cantidad terica de aire, que se determina con la ecuacin de combustin terica del combustible:

( ) Resolvemos las incgnitas C: 2= x x = 2 H: 6 =2y y = 3 O: 2ath = 2x + y ath =3.5 N2:(ath x 3.76) = w w = 13.16 Aplicamos la siguiente ecuacin

( )( )

( )( )

15-17E Durante un proceso de combustin se quema etileno (C2H4) con 200

por ciento de aire terico. Suponga una combustin completa y una presin

total de 14.5 pisa, y determine a) la relacin de aire-combustible y b) la

temperatura de punto de roci de los productos.

Solucin El combustible es quemado completamente con exceso de aire. Se determinarn la AC y el punto de roco de los productos. Suposiciones La combustin es completa. Los gases de combustin son gases ideales. Propiedades Masa molar del aire

(Tabla A-1)

Masa molar del carbono (Tabla A-27)

Masa molar del Hidrogeno (Tabla A-27)

Anlisis La ecuacin de combustin puede ser escrita, como

( ) Continuamos diciendo que si C: 2 = x x = 2 H: 4 =2y y = 2 O: 2(2ath) = 2x + y + 2ath ath =3 N2:(2ath x 3.76) = w w = 22.56 Sustituyendo para balancear la ecuacin:

( )

Aire 28.56 kmol

Carbono (C) 2 kmol

Hidrogeno (H2) 2 kmol

( ) ( ) ( )

( )( )

( )( ) ( )( )

La temperatura de roco se determina encontrando primero la presin parcial de vapor agua Pv de los productos aplicando el siguiente procedimiento

(

)

*

( ) ( )( )( )+

Psi T F

0.95052 100

0.981 e

1.2767 110

Interpolando:

( )( )

( )( )

15-18 Durante un proceso de combustin se quema propileno (C3H6) con 50

por ciento de exceso de aire. Suponga una combustin completa y una

presin total de 105 kPa, y determine a) la relacin aire-combustible y b) la

temperatura a la cual el vapor de agua en los productos empezara a

condensarse.

Solucin El combustible es quemado completamente con exceso de aire. Se determinarn la AC y la temperatura a la cual el vapor de agua en los productos empezara a condensarse. Suposiciones La combustin es completa. Los gases de combustin son gases ideales. Propiedades

Masa molar del aire

(Tabla A-1)


(Tabla A-27)


(Tabla A-27)

Anlisis La ecuacin de combustin puede ser escrita, como

( ) Resolvemos la ecuacin C: 3 = x x = 3 H: 6 =2y y = 3 O: 2(1.5ath) = 2x + y + (2x0.5)ath ath =4.5 N2:(2ath x 3.76) = w w = 33.84 Sustituyendo para balancear la ecuacin:

( )

Aire 32.13 kmol

Carbono (C) 3 kmol

Hidrogeno (H2) 3 kmol

( ) ( ) ( )

( )( )

( )( ) ( )( )

Al tener nuestras unidades en sistema ocupamos esta ecuacion

(

) ( ) (

) ( )

Buscamos el valor en la tabla e interpolamos

TABLA A-4

KPa T C

7.3851 40

9.36 e

9.5953 45

( )( )

( )( )

44.46C

*La temperatura de punto de roco de los productos es la temperatura a la cual el vapor de agua en los productos empieza a condensarse 15-19 Se quema alcohol proplico (C3H7OH) con 50 por ciento de exceso de

aire. Escriba la ecuacin de la relacin balanceada para una combustin

completa y determine la relacin aire-combustible.

Solucin Escribir la ecuacin de reaccin y balancearla determinando que fue una reaccin

completa y determinar la relacin aire-combustible.

Suposiciones Los gases de combustin son gases ideales. La reaccin esta balanceada y

completa.

Propiedades

Masa molar del aire

(Tabla A-1)


(Tabla A-27)


(Tabla A-27)

Anlisis Escribimos la ecuacin de la combustin

( )

C: 3=x

H: 8 = 2y; y = 4

O: 2 (1.5) a + 1 = 2 x + y + 2 z; z = 0.5 ; = 4.5

N: 3.76 (2) (1.5a) = 2 w; w = 25.38

Sustituyendo para balancear la ecuacin:

( )

( )( )

( )( ) ( ) (

)

15-20 Se quema butano (C4H10) con 200 por ciento de aire terico. Para una

combustin completo, Cuntos kmol de agua debern rociarse en la

cmara de combustin por kmol de combustible si los productos de

combustin debern tener una temperatura de punto de roci de 60C

cuando la presin del producto sea 100kPa?

Anlisis

( )

x

( )

( )( )


( )

Cuando se le roca con agua la ecuacin aumenta en H2O por lo tanto tiene que

balancearse de nuevo. = moles de vapor de agua

( ) ( )

Obtenemos la presin de saturacin a 60C

Psat a 60C = 19.947 kPa

Utilizando la frmula:

De otra manera:

( )

( )

Despejamos el nmero de moles de agua:

( )

( )

15-21 Una mezcla de combustible de 20 por ciento de masa de metano (CH4)

y 80 por ciento de masa de etanol (C2H6O) se quema completamente con aire

terico. Si el flujo msico total es 31 kg/s, determine el flujo msico de aire

requerido.

Anlisis

La ecuacin se enuncia como sigue:

( ) ( ) ( )

Balanceando la ecuacin:

( )( )


( ) ( ) ( )

15-22 Se quema octano (C8H18) con 250 por ciento de aire terico, el cual

entra a la cmara de combustin a 25C. Suponga una combustin completa

y una presin total de 1 atm, y determine a) la relacin de aire-combustible y

b) la temperatura de punto de roci de los productos.

C8H18

AIRE 25C Productos

( )

( )

Cmara de

Combustin

P= 1 atm

( )( )


( )

( )(

)

( ) ( ) (

)

Para la temperatura de punto de roci:

(

) ( ) (

) ( )

De la tabla A-5

( )( )

( )

15-23 En un motor de reaccin se quema gasolina (se considera C8H18) de

manera estable con aire. Si la relacin aire-combustible es 18 kg de aire/kg

de combustible, determine el porcentaje de aire terico usado durante este

proceso.

Anlisis

Un proceso de combustin donde todos los componentes inflamables del

combustible se queman por completo tiene la siguiente forma combustible . La ecuacin de la combustin es la siguiente:

( )

Ahora lo que se debe hacer es balancear la ecuacin:

( )( )

Sustituyendo el balance quedara la combustin completa:

( )

Ahora determinaremos la razn aire-combustible:

( )(

)

( ) ( ) (

)

Para obtener el porcentaje terico de aire usado debemos dividir de la siguiente

manera:

15-24 En una cmara de combustin se quema etano (C2H6) a una tasa de 8

kg/h con aire que entra a una tasa de 176 kg/h. Determine el porcentaje de

exceso de aire utilizado durante este proceso.

Anlisis

A ecuacin de la combustin es la siguiente:

( )


( )( )


( )


( )(

)

( ) ( ) (

)

Ahora obtendremos la relacin AC con el aire total:

para obtener el porcentaje terico de aire usado debemos dividir de la siguiente

manera:

15-25 Un kilogramo de butano (C4H10) se quema con 25 kg de aire que est a

30C y 90 kPa. Suponga que la combustin es completa y que la presin de

los productos es 90 kPa; determine a) el porcentaje de aire terico utilizado y

b) la temperatura del punto de roco de los productos.

Anlisis

La ecuacin de la combustin es la siguiente:

( )


( )( )


( )


( )(

)

( ) ( ) (

)

Ahora obtendremos la relacin ac con el aire total:


manera:

Para determinar la temperatura de punto de roci se aplica lo siguiente:

(

) ( ) (

) ( )

ya para buscar la temperatura ocuparemos la tabla a-5(agua saturada, tabla de

presiones):

( )( )

( )

15-26E Una lbm de butano (C4H10) se quema con 25 lbm de aire que est a

90F y 14.7 psia. Suponga que la combustin es completa y que la presin de

los productos es 14.7 psia, determine a) el porcentaje de aire terico

utilizado y b) la temperatura del punto de roco de los productos.


( ) Ahora lo que se debe hacer es balancear la ecuacin:

( )( )


( )


( )(

)

( ) ( ) (

)

Ahora obtendremos la relacin AC con el aire total:


manera:

Para determinar la temperatura de punto de roci se aplica lo siguiente:

(

) ( ) (

) ( )

Ya para buscar la temperatura ocuparemos la tabla a-5(agua saturada, tabla de

presiones):

( )( )

( )

15-27 Cierto gas natural tiene el siguiente anlisis volumtrico: 65 por ciento

de CH4, 8 por ciento de H2, 18 por ciento de N2, 3 por ciento de O2 y 6 por

ciento de CO2. Despus este gas se quema por completo con la cantidad

estequiometrica de aire seco. Cul es la razn de aire-combustible para

este proceso de combustin?

Anlisis


( ) ( )


( )( )


( ) ( )


( )(

)

( ) ( ) (

) (

) (

)

15-28 Repita el problema 15-27, pero sustituya el aire seco por aire hmedo

que entra a la cmara de combustin a 25C, 1 atm y 85 por ciento de

humedad relativa.


( ) ( )


( )( )


( ) ( )

Despus se determina la cantidad de humedad que acompaa el aire

( )

La presin parcial de la humedad es

( )( )

Si se supone el comportamiento de gas ideal, el nmero de moles de humedad

que se obtiene es:

(

) (

) ( )

Se debe aadir la cantidad de moles de humedad en ambos lados para que la

ecuacin este balanceada

( ) ( )


( )( )


( ) (

) (

) (

)

( ) ( ) (

) (

) (

)

15-29 Un combustible gaseoso con un anlisis volumtrico de 60 por ciento

de CH4, 30 por ciento de H2 y 10 por ciento de N2 se quema por completo

con 130 por ciento de aire terico. Determine a) la relacin aire-combustible

y b) la fraccin de vapor de agua que se condensara si los gases producto

fueran enfriados hasta 20C a 1 atm.

Anlisis


( ) ( )


( )( )


( ) ( )


( )(

)

( ) ( ) (

) (

)

Si se supone que la temperatura de roco de los productos es mayor a 20c, un

poco de vapor de agua se condensara cuando los productos se enfran hasta los

20c. Si kmol de se condensa, se dejara (1.5- ) kmol de vapor de agua

en los productos. Resultar que el nmero de moles de los productos en la fase

gaseosa tambin disminuir de ( ). Si se trata de gases producidos

como gases ideales, se determina igualando la fraccin molar de vapor de

agua con su fraccin de presin.

( )

( )

15-31 Cierto carbn mineral tiene el siguiente anlisis con base en la masa:

82 por ciento de C, 5 por ciento de H2O, 2 por ciento de H2, 1 por ciento de

O2 y 10 por ciento de ceniza. El carbn mineral se quema con 50 por ciento

de exceso de aire. Determine la relacin aire-combustible.

Anlisis

Antes de sacar la ecuacin, debemos suponer cuando carbn estamos utilizando

para poder sacar la cantidad de moles de cada uno de los reactivos. supongamos

que se quema 1kg de carbn


( )

( )


( )( )


( ) ( )


( )(

)

15-32 Se quema octano (C8H18) con aire seco. El anlisis volumtrico de los

productos en una base seca es: 9.21 por ciento de CO2, 0.61 por ciento de

CO, 7.06 por ciento de O2 y 83.12 por ciento de N2. Determine a) la relacin

aire-combustible y b) el porcentaje de aire terico utilizado.


( ) ( )



( ) ( )

Debemos dividir entre 1.227 para que este todo a base de 1kmol de combustible

( ) ( )


( )(

)

( ) ( ) (

)

Para determinar el porcentaje de aire terico, primero debemos obtener la

cantidad de aire terico, eso se hace tomando en cuenta que se har una reaccin

terica:

( )


( )( )


( ) Entonces:

15-33 Se quema carbn (C) con aire seco. El anlisis volumtrico de los

productos es 10.06 por ciento de CO2, 0.42 por ciento de CO, 10.69 por

ciento de O2 y 78.83 por ciento de N2. Determine a) la relacin aire-

combustible y b) el porcentaje de aire terico utilizado.

Anlisis


( ) ( )



( ) ( )


( ) ( )


( )(

)

( ) ( )



terica:

( )


( )(

)


( )

Entonces:

15-34 Se quema metano (CH4) con aire seco. El anlisis volumtrico de los

productos en una base seca es 5.20 por ciento de CO2, 0,33 por ciento de

CO, 11.24 por ciento de O2 y 83.23 por ciento de N2. Determine a) la relacin

aire-combustible y b) el porcentaje de aire terico utilizado.

Anlisis


( ) ( )



( ) ( )

( )


( ) ( ) ( )


( )(

)

( ) ( ) (

)



terica:

( ) ( )


( )( )


( ) ( )

Entonces:

Problemas Unidad 15 Termodinamica Cengel

Documents

Transcript of Problemas Unidad 15 Termodinamica Cengel