LICENCIATURA EN CIENCIAS AMBIENTALESBASES DE LA INGENIERÍA AMBIENTAL. CURSO 2006/07

Hoja 3. Problemas de Balances de Materia y Energía.

1.- Calcular la variación de entalpía asociada a la transformación de hielo a presión atmosférica y 253 K en vapor de agua sobrecalentado a 423 K y presión atmosférica. Datos:Calor específico (kJ/kg.°C): H2O (sólida): 2,05; H2O (líquida): 4,18; H2O (vapor): 2,02;Calor latente del agua (kJ/kg): sólido a líquido: 333; líquido a vapor: 2.257

2.- Una planta térmica produce energía a partir de la combustión de fuel-oil, con un rendimiento del 33,3%. La potencia eléctrica suministrada por la planta es de 1.000 MW. Las otras dos terceras partes de la energía contenidas en el fuel es expulsada al exterior como un residuo calorífico. El 15% se pierde en los humos de combustión mientras que el 85% restante sale al exterior con el agua de enfriamiento tomada de un río cercano. El valor de Cp del agua, en estado líquido, es de 4,18 kJ/kg.ºC.a) Si el agua de enfriamiento incrementa su temperatura 10°C ¿Qué cantidad sería necesaria?b) Si el río tiene un caudal de 100 m3/s y una temperatura de 20°C antes de llegar a la planta ¿cuál

sería la temperatura del río una vez recibida el agua de enfriamiento?

3.- En un convertidor catalítico, el SO2 se oxida a SO3 según la siguiente reacción:SO2 + ½ O2 SO3

La composición de la corriente de entrada al convertidor es del 8% de SO2 y 92% de aire. El rendimiento de la reacción es del 75% y la corriente de entrada está a 400°C. Las pérdidas de calor con el exterior en el convertidor pueden despreciarse. Calcular la energía desprendida en forma de calor para que la temperatura de la corriente de salida sea de 560°C. Datos:Calor específico (kJ/kmol.ºC): SO2: 39,87; SO3: 50,74; O2: 29,39; N2: 29,05Entalpía de formación a 25ºC (kJ/kmol): SO2: 296.900; SO3: 395.180

4.- En el horno de una caldera de vapor se quema gas natural con un 20% de exceso de aire. El gas natural empleado tiene la siguiente composición: 87,5% de CH4, 8,5% de C2H6, 2% de n-C3H8, 1% de n-C4H10 y 1% de N2. Sabiendo que la mezcla de combustible y el aire se alimentan al horno a 25ºC, y que la combustión es completa, calcular: a) Composición y caudal másico de gases de combustión/kg de gas natural quemado.b) Calor generado en el proceso si la corriente de salida se encuentra a 500°C.

Cp (kJ/kmol °C) Hf (kJ/kmol) a 25°CCH4 35,68 CH4 74.840CO2 37,15 C2H6 84.667N2 29,06 C3H8 119.840O2 29,38 C4H10 147.600

H2O(l) 75,24 CO2 393.510H2O(v) 35,28 H2O 285.840

Datos:Calor latente del agua a 1 atm (kcal/kg): 540

5.- Un gas, cuya composición es: 40% CH4, 40% CO y un 20% de H2, se quema con un 300% en exceso de aire. El gas y el aire entran en la cámara de combustión a 25°C. El proceso se desarrolla en un reactor adiabático. Calcular la temperatura de los gases de salida si la combustión del gas es completa.

Cp (kJ/kmol °C) Hf (kJ/kmol) a 25°C Hc (kJ/kmol) a 25ºCCH4 35,68 CH4 74.840 CH4 890.350CO2 37,15 CO2 393.510 CO 282.990CO 29,05 H2O 285.840 H2 285.840H2 28,84 CO 110.520O2 29,38N2 29,06

H2O(l) 75,24H2O(v) 35,28

Calor latente del agua (kcal/kg): 540

6.- Una caldera utiliza metano como combustible. Al quemador se alimenta aire en un 15% de exceso sobre el estequiométrico. El metano se alimenta a 25ºC y el aire a 100ºC. Los gases de combustión abandonan la caldera a 500ºC. Determínese la cantidad de vapor de agua saturado a 20 atm (temperatura de equilibrio, 213ºC) que se produce en la caldera si a la misma se alimenta agua a 80ºC.Datos: Calor de combustión del metano (a 25ºC): 55.600 kJ/kg.Calor latente de vaporización del agua: 2.382 kJ/kg (a 1 atm); 1.885 kJ/kg (a 20 atm).Calores específicos medios en el intervalo de 25 a 500ºC (kJ/kg.ºC): CH4: 2,19; O2: 1,04; N2: 1,09; CO2: 0,95; H2O(liq): 4,18; H2O(vapor): 1,96.

7.- Una central térmica utiliza gas natural como combustible y aire como comburente para la producción de energía eléctrica. El gas natural empleado tiene la siguiente composición (en volumen): 83,6% CH4, 7,7% C2H6, 2% C3H8, 1,2% C4H10 y 5,5% N2. En los gases de combustión se ha detectado 7,73% CO2 medidos en base húmeda. Sabiendo que la mezcla de gas natural (15 m3N/s) y el aire se alimentan al horno a 25ºC, y que la combustión puede suponerse completa, calcular:a) Composición de los gases de combustión.b) Exceso de aire empleado.c) Calor liberado en el proceso si los gases de combustión salen a 550ºC.d) Producción de energía eléctrica (GW-h/año), sabiendo que el rendimiento de la transformación

es del 33% y que la central funciona 7.670 h/año.Datos:Calor específico medio de los gases de combustión (kJ/kmol.ºC):

CO2: 37,15 N2: 29,06 O2: 29,38 H2O(L): 75,24 H2O(V): 35,28Entalpías de formación a 25ºC (kJ/mol):

CH4: 74,84 C2H6: 84,67 C3H8: 103,75 C4H10: 126,03 CO2: 393,51 H2O: 285,84

Calor latente de vaporización del agua: 540 kcal/kg (1 atm; Teq: 100ºC)