Termodinamica Reacciones Quimicas y Combustion

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Objetivos: Estudiar el anlisis de procesos que experimentan cambios de composicin qumica. Extender el estudio de exerga a reacciones qumicas.Combustibles:Hidrocarburos: Compuestos de carbono e hidrgeno. Captulo 15Reacciones qumicas y combustinHidrocarburos: Compuestos de carbono e hidrgeno. m nH CC8H18Octano (gasolina)C12H26Dodecano (diesel)CH4MetanoCH3OH MetanolNo todos los combustibles liberan la misma cantidad de energa por unidad de masa de combustible.Profesor Miguel JovanComposicin del aire: Usualmente se consideran los componentes principales: oxgeno (O2) y nitrgeno (N2). 4.76 kmoles de aire contiene Proceso en el que se oxida un combustible y se libera energa. Se requiere oxgeno para la reaccin. Aire es el oxidante comnmente usado.Reacciones qumicas y combustionCombustin:2 4.76 kmoles de aire contiene aproximadamente 1 kmol de oxgeno (O2) y 3.76 kmol de nitrgeno (N2). Usualmente se considera que el nitrgeno (N2) no reacciona (es inerte). A pesar que el nitrgeno no reacciona, si absorbe energa del proceso de combustin.* La humedad del aire tambin es usualmente considerada inerte.*Profesor Miguel Jovan Los componentes que existen antes de la reaccin se llaman reactivos. Los componentes que existen despus de la reaccin se llaman productos. Para que haya combustin, los reactivos deben ser llevados a la temperatura de ignicin del combustible. La ley de conservacin de masa se debe Reacciones qumicas y combustinReacciones qumicas: La ley de conservacin de masa se debe satisfacer. El nmero total de tomos de cada elemento en los reactivos debe ser igual al nmero total de tomos de ese elemento en los productos.O cH bO H2 2 2 +c b = 2 c = 121= bO H O H2 2 221 +Cree usted que el nmero total de moles de reactivos sea igual al nmero total de moles de productos?Profesor Miguel JovanCombustin terica (estequiomtrica):| |2 2 2 2 276 . 3 dN cCO O bH N O a H Cm n+ + + +Cul es la cantidad terica de aire (a) para que se queme todo el Reaccin completa: Todos el combustible es quemado. Reaccin incompleta: No todo el combustible es quemado.Reacciones qumicas y combustinCombustin terica y real:| |2 2 2 2 276 . 3 dN cCO O bH N O a H Cm n+ + + +que se queme todo el combustible?Balance de masa (nmero de tomos)Carbono:c n =Hidrgeno:b m 2 =2mb =Profesor Miguel JovanCombustin terica (estequiomtrica):Balance de masa (nmero de tomos)Oxgeno:c b a 2 2 + =nma 222 + =Reacciones qumicas y combustinCombustin terica y real:2nma + =4Cuntos moles de aire total por mol de combustible se necesitan para una combustin terica?( ) 76 . 3 1+ = a Nairecombairekmolkmola N 76 . 4 =Profesor Miguel JovanCombustin terica (estequiomtrica):Balance de masa (nmero de tomos)Nitrgeno :||

\|+ = = nmd a 2276 . 3 76 . 3Reacciones qumicas y combustinCombustin terica y real:| |2 2 2 2 2476 . 3276 . 34N nmnCO O HmN O nmH Cm n||

\|+ + + +||

\|+ +Cul sera la reaccin estequiomtrica del metanol (CH3OH)Qu sucedera la cantidad de aire es mayor o menor que la cantidad terica?Profesor Miguel JovanCombustin real con exceso de aire:| |2 2 2 2 2 276 . 3 eO dN cCO O bH N O a H Cm n+ + + + +Reacciones qumicas y combustinCombustin terica y real: El exceso de oxgenos debe aparecer en los productos. El exceso de aire se mide en base a la cantidad de aire terico.2 2 2 2 2 2 m nExceso de aire porcentual:||

\| = 1 100terico aire de Cantidadreal aire de Cantidadporcentual aire de Excesoterico aire de Cantidadporcentual aire de Excesoreal aire de Cantidad((

+ =1001a d 76 . 3 =22 2 c b ae =Profesor Miguel JovanEjemplo: Cantidad de aire real para quemar metano con 50% de exceso de aire.Combustin real con exceso de aire:Reacciones qumicas y combustinCombustin terica y real:terico aire de Cantidadporcentual aire de Excesoreal aire de Cantidad((

+ =1001| |2 2 2 2 276 . 3 dN cCO O bH N O a H Ct m n+ + + +ta((

+ =1001porcentual aire de Excesoreal aire de Cantidadnmat+ =42 144= + =ta21001((

+ =50real aire de CantidadProfesor Miguel Jovan3 = = a real aire de CantidadEjemplo: Cantidad de aire real para quemar metano con 50% de exceso de aire.Combustin real con exceso de aire:Reacciones qumicas y combustinCombustin terica y real:22 2 c b ae =| |2 2 2 2 2 2 428 . 11 2 76 . 3 3 O N CO O H N O CH + + + + + A pesar de que haya exceso de aire, es posible que la combustin sea incompleta. Los productos de reacciones incompletas incluyen C, H2, CO, OH y/u O2( )122 2 3 2= = eProfesor Miguel JovanDeficiencia de aire porcentual:||

\| =terico aire de Cantidadreal aire de Cantidadporcentual aire de a Deficienci 1 100Menos aire del requerido por estequiometrareacciona con el combustibleCombustin real con deficiencia de aire:Reacciones qumicas y combustinCombustin terica y real:terico aire de Cantidadporcentual aire de a Deficiencireal aire de Cantidad((

=1001Cunto aire real habra si se quemara metano con 15% de deficiencia de aire porcentual?ta((

=1001porcentual aire de a Deficiencireal aire de Cantidad| |2 2 2 2 276 . 3 dN cCO O bH N O a H Ct m n+ + = + +Profesor Miguel JovanEjemploSe quema CH4 con aire. Los productos de lacombustin salencomo unamezcla degasesidealesexceptuandoal aguaquesalecondensada. Medicionesdelosgasesproductos muestran que 10.10% en volumen es CO2, 0.251% es CO, 2.58% es O2 y elresto es N2. Con la informacin dada, determine: a) los moles de aire por unidad demoles de combustible usados; b) el porcentaje de exceso de aire.Datos:Porcentajes volumtricos de productos:10.10%CO2, 0.251%CO, 2.58%O2Determinar: naire/ncomb, % exceso de aireSuposiciones: Los gases producto de la combustin se comportan como gases una mezcla de gases ideales.Ecuaciones bsicas:||

\| = 1 100terico aire de Cantidadreal aire de Cantidadporcentual aire de ExcesoSolucin:| |2 2 2 2 2 2 476 . 3 fN eO dCO cCO O bH N O a CH + + + + + +Profesor Miguel JovanEjemploSolucin:| |2 2 2 2 2 2 476 . 3 fN eO dCO cCO O bH N O a CH + + + + + +Fracciones molares: Para mezclas de Se quema CH4 con aire. Los productos de lacombustin salencomo unamezcla degasesidealesexceptuandoal aguaquesalecondensada. Medicionesdelosgasesproductos muestran que 10.10% en volumen es CO2, 0.251% es CO, 2.58% es O2 y elresto es N2. Con la informacin dada, determine: a) los moles de aire por unidad demoles de combustible usados; b) el porcentaje de exceso de aire.Fracciones molares: Para mezclas de gases ideales la ley de Amagat es vlida. 101 . 022= =mCOCOVVy00251 . 0 =COy0258 . 02 =Oy8707 . 02 =NyCuntos moles de cada uno de los otros componentes habra si hubiese un mol de CO2? Profesor Miguel JovanEjemploSolucin:kmol nCO12 =Se quema CH4 con aire. Los productos de lacombustin salencomo unamezcla degasesidealesexceptuandoal aguaquesalecondensada. Medicionesdelosgasesproductos muestran que 10.10% en volumen es CO2, 0.251% es CO, 2.58% es O2 y elresto es N2. Con la informacin dada, determine: a) los moles de aire por unidad demoles de combustible usados; b) el porcentaje de exceso de aire.kmolykmolnCOtotal901 . 912= =kmol n y ntotal CO CO0249 . 0 = =kmol nkmol n y nNtotal O O621 . 82554 . 022 2== =| |2 2 2 2 2 2 4621 . 8 2554 . 0 0249 . 0 76 . 3 N O CO CO O bH N O a gCH + + + + + +Profesor Miguel JovanEjemploSolucin:Se quema CH4 con aire. Los productos de lacombustin salencomo unamezcla degasesidealesexceptuandoal aguaquesalecondensada. Medicionesdelosgasesproductos muestran que 10.10% en volumen es CO2, 0.251% es CO, 2.58% es O2 y elresto es N2. Con la informacin dada, determine: a) los moles de aire por unidad demoles de combustible usados; b) el porcentaje de exceso de aire.0249 . 1 0249 . 0 1 = + = gBalance de carbono:| |2 2 2 2 2 2 476 . 3 fN eO dCO cCO O bH N O a CH + + + + + +976 . 00249 . 1 142= = =kmolkmolnncCHCO0242 . 04= =CHCOnnd249 . 042= =CHOnne412 . 842= =CHOnnf| |2 2 2 2 2 2 4412 . 8 249 . 0 0242 . 0 976 . 0 2 76 . 3 N O CO CO O H N O a CH + + + + + +Profesor Miguel JovanEjemploSolucin:Se quema CH4 con aire. Los productos de lacombustin salencomo unamezcla degasesidealesexceptuandoal aguaquesalecondensada. Medicionesdelosgasesproductos muestran que 10.10% en volumen es CO2, 0.251% es CO, 2.58% es O2 y elresto es N2. Con la informacin dada, determine: a) los moles de aire por unidad demoles de combustible usados; b) el porcentaje de exceso de aire.412 . 8 76 . 3 = aBalance de nitrgeno:| |2 2 2 2 2 2 4412 . 8 249 . 0 0242 . 0 976 . 0 2 76 . 3 237 . 2 N O CO CO O H N O CH + + + + + +237 . 2 = aMoles de aire totales:( ) 76 . 4 237 . 2 =airenkmol naire649 . 10 =649 . 101649 . 10= =kmolkmolnnFaireProfesor Miguel JovanEjemploSolucin:Se quema CH4 con aire. Los productos de lacombustin salencomo unamezcla degasesidealesexceptuandoal aguaquesalecondensada. Medicionesdelosgasesproductos muestran que 10.10% en volumen es CO2, 0.251% es CO, 2.58% es O2 y elresto es N2. Con la informacin dada, determine: a) los moles de aire por unidad demoles de combustible usados; b) el porcentaje de exceso de aire.Exceso de aire:Relacin estequiomtrica:| |2 2 2 2 2476 . 3276 . 34N nmnCO O HmN O nmH Cm n||

\|+ + + + ||

\|+ +| | ( )2 2 2 2 2 42 76 . 3 2 76 . 3 2 N CO O H N O CH + + + +||

\| = 1 100terico aire de Cantidadreal aire de Cantidadporcentual aire de Exceso||

\| = 1 10022.337porcentual aire de ExcesoProfesor Miguel JovanEjemploSolucin:Se quema CH4 con aire. Los productos de lacombustin salencomo unamezcla degasesidealesexceptuandoal aguaquesalecondensada. Medicionesdelosgasesproductos muestran que 10.10% en volumen es CO2, 0.251% es CO, 2.58% es O2 y elresto es N2. Con la informacin dada, determine: a) los moles de aire por unidad demoles de combustible usados; b) el porcentaje de exceso de aire.Exceso de aire:% 85 . 16 = porcentual aire de Exceso % 85 . 16 = porcentual aire de ExcesoA que temperatura se empezara a condensar el vapor de agua a 1 atm?| |2 2 2 2 2 2 4412 . 8 249 . 0 0242 . 0 976 . 0 2 76 . 3 237 . 2 N O CO CO O H N O CH + + + + = + +412 . 8 249 . 0 0242 . 0 976 . 0 222+ + + +=O Hy172 . 02=O HyProfesor Miguel JovanEjemploSolucin:Se quema CH4 con aire. Los productos de lacombustin salencomo unamezcla degasesidealesexceptuandoal aguaquesalecondensada. Medicionesdelosgasesproductos muestran que 10.10% en volumen es CO2, 0.251% es CO, 2.58% es O2 y elresto es N2. Con la informacin dada, determine: a) los moles de aire por unidad demoles de combustible usados; b) el porcentaje de exceso de aire.Exceso de aire:( ) kPa P y PO H v325 . 101 172 . 02= = ( )O H v2kPa Pv38 . 17 =( ) ( ) kPa T P T Tsat v sat pr38 . 17 = =C Topr57 Profesor Miguel JovanConsidere un sistema donde no hay una reaccin qumicaestado sistemaE E = Considere un sistema donde hay una reaccin qumicamica qu estado sistemaE E E + = Reacciones qumicas y combustinEvaluacin de la entalpa de sistemas reactivos: En el estudio de reacciones qumicas, es importante tener un estado uniforme de referencia. Por qu? El estado de referencia usado en el estudio de reacciones de combustin es usualmente 25 oC y 1 atm.Profesor Miguel JovanReacciones qumicas y combustinEvaluacin de la entalpa de sistemas reactivos:Entalpa de formacin:Cunta energa se requiere agregar o liberar para conformar qumicamente un compuesto a partir de sus elementos?Balance de energa:Suposiciones: EEFE, cambios despreciables de ec y ep, no hay transferencia de potencia, los reactivos entran a condiciones del estado de referencia y los productos salen a las mismas condiciones de temperatura y presin.( )prodreactenth m h m Q & && + =0( ) ( )prod react enth n h n Q & && + =0temperatura y presin.( )prodreact entprodnh n Qh&&&+=Profesor Miguel JovanReacciones qumicas y combustinEvaluacin de la entalpa de sistemas reactivos:Entalpa de formacin:La entalpa de formacin de sustancias que existe establemente en el estado de referencia es cero.Balance de energa:( )prodreact entprodnh n Qh&&&+=Si los reactivos son sustancias que existen La tabla A-26 del libro de Si los reactivos son sustancias que existen establemente en el estado de referencia,prodent ofnQh&&=La tabla A-26 del libro de texto proporciona la entalpa de formacin de diferentes sustancias.Qu indica un valor negativo de entalpa de formacin?Profesor Miguel JovanReacciones qumicas y combustinEvaluacin de la entalpa de sistemas reactivos:Evaluacin de la entalpa:La entalpa de sustancia reactivas se deben evaluar usando el mismo estado de referencia.( ) ( ) ( ) | |tablaref refofP T h P T h h P T h , , , + =( ) ( ) ( ) | |tablaref refofP T h P T h h P T h , , , + =Gases ideales:( ) ( ) ( ) | |tablarefofT h T h h T h + =Por qu la tabla A-26 proporciona un valor de entalpa de formacin de vapor de agua y una de agua lquida?Profesor Miguel JovanReacciones qumicas y combustinBalance de energa en sistemas reactivos:Suposiciones comunes:Estado estable, flujo estable.Efectos despreciables de energa cintica y potencial.Los productos de la combustin se comportan como una mezcla de gases ideales*.Sistemas abiertos (volumen de control):mezcla de gases ideales*.Balance de energa:( ) ( )prod reactsal enth n h n W Q + = & && &0( ) ( )prod reactsal enth n h n W Q = + & && &Cmo se determinan los flujos molares de cada reactivo y producto?( ) ( )react prodsal enth n h n W Q = & && &Profesor Miguel JovanReacciones qumicas y combustinBalance de energa en sistemas reactivos:Balance de masa: reaccin estequiomtrica de un hidrocarburoSistemas abiertos (volumen de control): El balance de reacciones se hace por mol de combustible.| |2 2 2 2 276 . 3 dN cCO O bH N O a H Cm n+ + + +( ) ( ) h n h n W Q = & && &( ) ( )react prodsal enth n h n W Q = & && &( ) ( ) ( ) ( )prod prod N N prod prod CO CO prod prod O H O HprodP T h n P T h n P T h n h n , , ,2 2 2 2 2 2& & & & + + =F NF COF O Hn d nn c nn b n& && && &===222Productos:Reacciones qumicas y combustinBalance de energa en sistemas reactivos:Balance de masa: reaccin estequiomtrica de un hidrocarburoSistemas abiertos (volumen de control):| |2 2 2 2 276 . 3 dN cCO O bH N O a H Cm n+ + + +( )( ) ( ) ( )P P N P P CO P P O H PFprodP T h d P T h c P T h b hnh n, , ,2 2 2+ + = =&&Reactivos:Se debe conocer si los reactivos (aire y combustible ) entran al sistema separados o como una mezcla de gases ideales. Por qu?Profesor Miguel JovanReacciones qumicas y combustinBalance de energa en sistemas reactivos:Sistemas abiertos (volumen de control):Reactivos: aire y combustible entrando separados( )( ) ( ) ( )aire aire N aire aire O F F H C RFreactP T h a P T h a P T h hnh nm n, 76 . 3 , ,2 2+ + = =&&Reactivos: aire y combustible entrando mezclados (mezcla ideal)Cmo se hara el balance de energa si la reaccin no es estequiomtrica?Reactivos: aire y combustible entrando mezclados (mezcla ideal)( )( ) ( ) ( )R R N R R O R R H C RFreactP T h a P T h a P T h hnh nm n, 76 . 3 , ,2 2+ + = =&&R PFsal enth hn W Q =&& &Cmo se evalan las entalpas de productos y reactivos?Reacciones qumicas y combustinBalance de energa en sistemas reactivos:Sistemas abiertos (volumen de control):R PFsal enth hn W Q =&& &Cmo evala la entalpa del combustible si este no entra al volumen de control en el estado de referencia?( ) ( ) ( ) | |tablaref refofP T h P T h h P T h , , , + = ( ) ( ) ( ) | |tablaref ref fP T h P T h h P T h , , , + =| |2 2 2 2 2 276 . 3 eO dN cCO O bH N O a H Cm n+ + + + +( ) ( ) ( ) ( )P O P N P CO P O H PT h e T h d T h c T h b h2 2 2 2+ + + =Ser posible que haya condensacin de vapor en los productos de la combustin?Profesor Miguel JovanReacciones qumicas y combustinBalance de energa en sistemas reactivos:Sistemas abiertos (volumen de control):Cul es la fraccin molar del vapor de agua en los productos | |2 2 2 2 2 276 . 3 eO dN cCO O bH N O a H Cm n+ + + + +L + + + +=e d c bbyO H2agua en los productos de la combustin?P O H O HP y P2 2=( )O H sat prP T T2=pr PT T?