LECCIN 9.-TERMOQUMICA

Contenido

9.1.- Propiedades de la entalpa 9.2.- Entalpas de reaccin, formacin y combustin 9.3.- Balances entlpicos de procesos que no estnen condiciones estndares 9.4.- Aplicaciones

9.1.- PROPIEDADES DE LA ENTALPA

Es una funcin de estado del sistema.

No se pueden calcular valores absolutos de la entalpa.

Es una magnitud extensiva: asociada a la cantidad total de energacontenida en las sustancias que toman parte en el proceso.

Es aditiva: permite establecer las ecuaciones de balance de energa.

Cuando H tiene signo negativo, el proceso es exotrmico: elsistema desprende energa.

Estructura de los trminos de la ecuacin del balance entlpico

[ ] [ ] [ ]J/kg especficaEntalpa x kg materia de

Cantidad J TotalEntalpa

=

BALANCES ENTLPICOS

Aplicacin a sistemas en que no se considera la contribucinde la energa mecnica (variaciones de energa potencial ycintica despreciables) y que no intercambian trabajo con elmedio:

Q = H2 H1

WQ)VV(m21)HH()zz(gm 21

221212 +=++

Algunas aplicaciones de los balances entlpicos

Clculo de la cantidad de calor (Q) necesaria paramodificar la temperatura, estado de agregacin o naturalezaqumica de un determinada cantidad de materia.

Clculo del caudal de fluido refrigerante o de calefaccinnecesario para mantener las condiciones de trabajo de unaoperacin.

Clculo de los caudales de calor intercambiado requeridospara que una operacin se realice en condiciones isotrmicaso adiabticas.

Clculo del consumo de combustible para producir el calornecesario en una operacin.

Calculo de Rendimientos y Propuestas de estrategias.

Q = H2 H1

CLCULO DE ENTALPAS

-No se pueden calcular valores absolutos de entalpa- Para aplicar la ecuacin hay que establecer un estado de referencia

El correspondiente a los elementos libres de todas las sustancias a unapresin y temperatura (generalmente 1 atmsfera y 25C)

La entalpa de una sustancia (con respecto a un estado dereferencia) es la suma de tres contribuciones: Entalpa o calor de formacin

Calor sensible

Calor latente

Treffi

s

ii Hm

)(, TrefTCm ipii

i

iim T

En los Balances Entlpicos se escoge siempre una temperatura dereferencia ( Tref ).

Justificacin:

- Permite describir el contenido energtico asociado al calor sensible deuna corriente ( Hcalor sensible ).

- Permite utilizar datos termoqumicos (HrTref y Tref ) obtenidos atemperaturas distintas de las de operacin.

- Permite establecer un procedimiento sencillo para describir la variacinde entalpa de sistemas industriales complejos (alto nmero de corrientescon distinto caudal, composicin, naturaleza qumica, temperatura y estadode agregacin).

Entalpa de reaccin normal o standard (Hr0): entalpa de reaccin a 1 atmsfera de presin y 25 C.

BALANCES ENTLPICOS

Valores tabulados para condiciones de referencia.

Cambios de temperatura

donde Cp es capacidad calorfica (o calor especfico) a presin constante y m cantidad(o caudal) del componente considerado.

=c

ii,pi TCmH

Cambio de estado de agregacin

donde es calor latente a presin constante y m cantidad (o caudal) del componente considerado.

=c

iiimH

9.2.- ENTALPAS DE REACCIN, FORMACIN Y COMBUSTIN

Entalpa estndar de reaccin Hor

Entalpa estndar de formacin Hof

Entalpa estndar de combustin Hoc

6 C(s) + 3 H2(g) C6H6(l) Hof (C6H6(l)) = 48,66 kJ

.

Ley de Hess. Clculo de la entalpa de reaccin

Reaccionantes (T)

Productos (T)

Elementos constituyentes (T)

Hor H o pf,

H oRf,

La entalpa es funcin de estado, no depende del camino recorrido, slo de los estados final e inicial

reactivosformacin

productosformacinr

o HmHmH =

Ejercicio 1.- Determinar la entalpa de reaccinestndar para la reaccin de descomposicin delbicarbonato sdico, en carbonato sdico, dixido decarbono y agua.

Ejercicio 2.- La entalpa estndar de combustin deletanol C2H5OH vale - 1409,25 kJ/mol. Determinar laentalpa estndar de formacin del etanol.

Reactivosentrada (T)

Productossalida (T )

Reactivos (Tref) Productos (Tref)HrTref

Tr

Tref-Ts

Trefr

T-Trefe H H HH =++

HrT

9.3.- BALANCES ENTLPICOS DE PROCESOS QUE NO ESTAN EN CONDICIONES ESTNDAR

Ley de Hess. Entalpa de reaccin a una temperatura distinta a la de referencia

T-TrefeH Tref-TsH

1. Realizar el balance de materia del sistema.

2. Planteamiento del proceso.

3. Reunir de manera ordenada los datos disponibles para el balanceentlpico. Unificar unidades.

4. Definir una temperatura de referencia.

5. Plantear las ecuaciones del balance entlpico.

6. Resolver dichas ecuaciones.

7. Escalar cuando sea necesario.

Procedimiento general para realizar un Balance Entlpico

Ejercicio 3.- Se neutraliza en un reactor adiabtico, una corriente de 1 kg/s deuna solucin acuosa de cido sulfrico al 24,5 % en peso a 30 C con unacorriente acuosa de soda al 10 % en peso de 2 kg/s cuya temperatura es 20 C.La entalpa estndar de la reaccin a 298 K y 1 atm es HR = - 1,38105 kJ/kmol.Calcular la temperatura de la disolucin acuosa de sulfato sdico que salecontinuamente del tanque suponiendo que el mismo est aislado.Nota: Considere para todas las corrientes Cp = 4,185 kJ/kgK

Ejercicio 4: Una caldera utiliza metano como combustible (10 kmol/h). Alquemador se alimenta aire en un 35% de exceso sobre elestequiomtrico. El metano se alimenta a 25 C y el aire a 100 C. Losgases de combustin abandonan la caldera a 400 C. El calor producidopor la caldera es utilizado para calentar un flujo de agua que pasa porserpentines, a razn de 30.000 kg/h. Determinar la temperatura del flujodel agua si la misma se alimenta a 30 C. Cp (kJ/mol oC): agua = 0,0754,CO2 = 0,0399; O2 = 0,0299; N2 =0,0292; Metano = 0,0398

Ejercicio 4: Una caldera utiliza metano como combustible (10 kmol/h). Al quemadorse alimenta aire en un 35% de exceso sobre el estequiomtrico. El metano se alimentaa 25 C y el aire a 100 C. Los gases de combustin abandonan la caldera a 400 C.El calor producido por la caldera es utilizado para calentar un flujo de agua que pasapor serpentines, a razn de 30.000 kg/h. Determinar la temperatura del flujo del aguasi la misma se alimenta a 30 C. Cp (kJ/mol oC): agua = 0,0754, CO2 = 0,0399; O2 =0,0299; N2 =0,0292; Metano = 0,0398

CH4, 25 C

Aire ( 35% exceso)100 C

Agua 30 CAgua Tsalida= ?C)

400 C- CO2- O2- N2- H2O

Ho c = -890,36 kJ/mol CH4

Ejercicio 5.- En un reactor continuo, se oxida metano en presencia de aire afin de producir formaldehido (HCHO) y agua. Adems en el reactor se lleva acabo la combustin del metano. Se alimentan 100 mol de metano/min a25 C con aire suficiente para proveer 100 mol de oxgeno/min a 100 C. Lacorriente de productos sale a 150 C (30 mol HCHO, 10 mol de dixido decarbono y otros).El proceso se lleva a cabo a 1 atm de presin. A qu tasa (en kJ/min) debeextraerse calor del proceso, para que el mismo funcione apropiadamente?

Datos: capacidades calorficas en kJ/molC:CH4 : 34,3110-3 ; HCHO: 34,2810-3 ; CO2 : 0,0399; H2O: 0,0342;O2 :29,1010-3 ; N2 : 29,0010-3Hof (kJ/mol): CH4 : - 74,85; HCHO : -115,90; CO2 : -293,50; H2O: - 241,83

Ejercicio 6.- El xido ntrico se obtiene por oxidacin parcial del amoniaco conaire segn:4 NH3 + 5 O2 4 NO + 6 H2Ocuya variacin entlpica de reaccin vale HR 25C = - 216,42 kcal/4 mol NH3En un reactor que trabaja a presin atmosfrica se alimentan amoniaco gas a25 C, y aire precalentado a 750 C, alcanzndose una conversin del 90 % parael amoniaco. La composicin molar de los gases efluentes, en base seca, es:NH3 (0,885 %); 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 kmol totales de gases efluentes por cada 100 kmol de amoniaco alimenta-dos.b) Los kmol de agua que acompaan a 100 kmol de gas efluente secoc) El porcentaje de aire alimentado en exceso respecto del aire tericonecesario para la oxidacin completa del amoniaco.d) El caudal de calor a eliminar en el reactor por cada 100 kmol de amoniacoAlimentadoDatos: capacidades calorficas en J/molC:NH3 : 39,71; aire: 31,40; NO: 32,05; H2O: 33,10

En un proceso continuo y estacionario para la fabricacin de cido ntrico, segn la reaccin:NO + O2 + H2O HNO3

se logra una conversin del 90% del NO alimentado al reactor. La mezcla gaseosa que se introduce alreactor a 125C, proviene de la oxidacin cataltica de NH3 en un convertidor con aire adicional,teniendo la siguiente composicin molar : 7.68% de O2, 7.52% de NO, 14.05% de H2O y 70.75% deN2. Por otra, se introduce el agua necesaria para la reaccin, tambin a 125C.La mezcla de reaccin se lleva a un separador del que se obtienen dos corrientes: una gaseosa quepuede considerarse libre de agua y una lquida con un 65% en peso de HNO3, esta ltima a razn de55000 kg/da.El reactor est dotado de un sistema de refrigeracin, que es capaz de eliminar del reactor 475000kcal/h. Determinar:a) La composicin molar y los caudales msicos (kg/h) de todas las corrientes del sistema.b) La temperatura de salida de los gases que abandonan el reactor.

PRODUCTO CALOR ESPECIFICO(Kcal/kmol C)

H2O 8.22

O2 8.27

NO 8.05

N2 6.5

HNO3 32.44

PRODUCTO CALOR DE FORMACINHf25C

(kcal/kmol C)

H2O -68317

NO 21600

HNO3 -41350

Ejercicio 7.-

1500 kg/h de un fuel que contiene un 88% de C y un 12% en peso de H se queman en un horno dandoun gas de chimenea que contiene CO2, O2, N2 y H2O, con la siguiente composicin molar en baseseca:CO2: 13.1%, O2: 3.7 %, N2: 83.2%El aire y el fueloil entran al horno a 25C y el horno pierde por las paredes 4.5106 kcal/h. Calcular:

a) Los kmol de gas de chimenea producidos.b) Los kmoles de agua de combustin en el gas de chimenea por cada 100 kmoles de gas

de chimenea seco.c) El exceso de aire empleadod) La temperatura de salida de los gases de chimenea por cada 100 kg de fuel quemado.

DATOS:Calores especficos de los gases (kcal/kmol C):CO2: 10.2 ; O2: 7.3; N2: 7.9; H2O (v): 8.3Variacin entlpica de la reaccin a 25C: C + O2 => CO2 AH0=-94502 kcal/kmolEntalpa de formacin de H2O(l) a 25C : -68320 kcal/kmolCalor latente de vaporizacin del H2O a 25C: 10600 kcal/kmol.

Ejercicio 8.-

BIBLIOGRAFA

Calleja Pardo, G.; Garca Herruzo, F.; de Lucas Martnez, A.; PratsRico, D. y Rodrguez Maroto, J.M. (1999). "Introduccin a laIngeniera Qumica. Sntesis. Madrid. Captulo 7.

Felder, R.M. y Rousseau R.W. (1991). "Principios Elementales delos Procesos Qumicos". Addison Wesley Iber. Wilmington. Captulos7,8 y 9.

Costa Lpez, J.; Cervera March, S.; Cunill Garca, F.; EsplugasVidal, S.; Mans Texeid, C. y Mata lvarez, J. (1994). "Curso deIngeniera Qumica. Introduccin a los Procesos, las OperacionesUnitarias y los Fenmenos de Transporte". Revert. Barcelona.Captulo 4.

Costa Novella, E.; Sotelo, J.L.; Calleja, G.; Ovejero, G.; de Lucas,A.; Aguado, J. y Uguina, M.A. (1983). "Ingeniera Qumica. Vol. I.Conceptos Generales. Alhambra. Madrid.

BIBLIOGRAFA

Himmelblau, D.L. (1989). "Basic Principles and Calculations in ChemicalEngineering". (5 edicin). Prentice Hall. Englewood Cliffs. New Jersey.Traduccin al castellano (de la 1 edicin): Principios Bsicos y Clculosen Ingeniera Qumica. (1977). CECSA. Mxico.

Hougen, O.A., Watson, K.M. y Ragatz, R.A. (1966). "ChemicalProcess Principles. Vol. I. Material and Energy Balances. 2 edicin. JohnWiley. New York. Traduccin al castellano (de la 1 edicin): Principios delos Procesos Qumicos. Vol. I. Balances de materia y Energa. (1978).Revert. Barcelona.

Reklaitis, G.V. (1983). Introduction to Material and Energy Balance.John Wiley, New York.

Henley, E.J. y Rosen, E.M. (1969). "Material and Energy Balance Computations". John Wiley. New York. Traduccin al castellano: "Calculo de Balances de Materia y Energa". (1973). Revert. Barcelona.

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