UNIVERSIDADNACIONALEXPERIMENTALPOLITECNICAANTONIOJOSDESUCRE

VICERRECTORADOBARQUISIMETOVICERRECTORADOBARQUISIMETODEPARTAMENTODEINGENIERAQUMICA

Ingeniera QumicaIngenieraQumica

UnidadIV.

Balance de energaBalancedeenerga

enprocesosreactivos

Clase N17

Balance de Energa en procesos reactivosConsideremos la siguiente Reaccin Qumica:

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2OCH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2OES DECIR:

Por qu se producen cambios de Entalpa () durante una reaccin qumica?Por qu se producen cambios de Entalpa () durante una reaccin qumica?9 Se rompen enlaces de los reactivos.

99 Se forman nuevos enlaces en los productos.

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Balance de Energa en procesos reactivosCALOR DE REACCIN r (T,P)Cambio de entalpa para un proceso donde reaccionan totalmente las cantidades estequiomtricasCambio de entalpa para un proceso donde reaccionan totalmente las cantidades estequiomtricasCambio de entalpa para un proceso donde reaccionan totalmente las cantidades estequiomtricasde los reactivos para formar los productos a temperatura (T) y presin (P) constantes.Cambio de entalpa para un proceso donde reaccionan totalmente las cantidades estequiomtricasde los reactivos para formar los productos a temperatura (T) y presin (P) constantes.

Es decir:

EJEMPLO:

C C ( ) + 2 H O(l) C (OH) ( ) + C H ( )C C ( ) + 2 H O(l) C (OH) ( ) + C H ( )Para la siguiente reaccin:

CaC2(s) + 2 H2O(l) Ca(OH)2(s) + C2H2(g)CaC2(s) + 2 H2O(l) Ca(OH)2(s) + C2H2(g)

Observaciones9 Si (T P) 0 l i EXOTRMICA9 Si r (T,P)0, la reaccin es ENDOTRMICA9 El valor del Calor de Reaccin r (T,P) depende de la forma como est escrita laEl valor del Calor de Reaccin r (T,P) depende de la forma como est escrita la

ecuacin estequiomtrica.

CaC2(s) + 2 H2O(l) Ca(OH)2 (s)+ C2H2(g)CaC2(s) + 2 H2O(l) Ca(OH)2 (s)+ C2H2(g) kJ/mol125,4atm)1C,(25H r =

3

2 CaC2(s) + 4 H2O(l) 2 Ca(OH)2 (s)+ 2 C2H2(g)2 CaC2(s) + 4 H2O(l) 2 Ca(OH)2 (s)+ 2 C2H2(g) kJ/mol250,8atm)1C,(25H r =

Balance de Energa en procesos reactivos

k / l)(9 El valor del Calor de Reaccin r(T,P) depende de los estados de agregacin (gas, lquido

slido) de reactivos y productos.kJ/mol890,3atm)1C,(25H r =

) y p

kJ/mol802,3atm)1C,(25H r =CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g)+ 2 H2O(l)CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g)+ 2 H2O(l)

CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g)+ 2 H2O(g)CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g)+ 2 H2O(g)9 Si el proceso ocurre a temperatura T=25C y presin P=1atm el calor de reaccin se

denomina CALOR DE REACCIN ESTNDAR rEn trminos mas generales, si A es el coeficiente estequiomtricos de un reactivo o de ung , A qproducto de la reaccin A, y se consumen o se producen nA moles de A a T =To, el cambio totalde entalpa es:

Ao n*

)r(THH =

A

LEY DE HESSSi una serie de reactivos reaccionan para dar una serie de productos, el calor de reaccin liberado

b bid i d di d i l i ll b d o absorbido es independiente de si la reaccin se lleva a cabo en una, dos o ms etapas, esto esque los cambios de entalpa son aditivos: Hneta = Hr.

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Balance de Energa en procesos reactivos

( ) KJ/mol110 52285 99393 51HHH =+=+=CALOR DE FORMACIN f(T,P)Es el cambio de entalpa para una reaccin de formacin de un compuesto a partir de susEs el cambio de entalpa para una reaccin de formacin de un compuesto a partir de sus

( ) KJ/mol110.52285.99393.51HHH r2r1r3 =+=+=

EJEMPLOS

constituyentes elementales en la forma en que se encuentran normalmente en la naturaleza. Si lareaccin ocurre a 25C y 1 atm, se denomina CALOR DE FORMACIN ESTNDAR, f.constituyentes elementales en la forma en que se encuentran normalmente en la naturaleza. Si lareaccin ocurre a 25C y 1 atm, se denomina CALOR DE FORMACIN ESTNDAR, f.

Reaccin de Formacin de Metano:

C(s) + 2 H2(g) CH4(g) ; f = -74,85 kJ/molC(s) + 2 H2(g) CH4(g) ; f = -74,85 kJ/mol

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Reaccin de Formacin de Agua(g): O2(g) + H2(g) H2O(g) ; f = -241,83 kJ/mol O2(g) + H2(g) H2O(g) ; f = -241,83 kJ/mol

Balance de Energa en procesos reactivosCALOR DE FORMACIN f(T,P)De forma general, entonces el calor estndar de formacin es:

NOTA: El calor estndar de formacin de un elemento es cero.

( ) ( )ifiReactivosifiProductosr H*H*H =De forma general, entonces el calor estndar de formacin es:

NOTA: El calor estndar de formacin de un elemento es cero.

BALANCES DE ENERGA EN PROCESOS REACTIVOSEl procedimiento consiste en seleccionar los estados de referencia para todas las sustancias queentran y salen del sistema, en calcular las entalpas de todos los componentes de los flujos cony , p p jrespecto a los estados de referencia, del modo:

iientradaiisalidaH*nH*nH =

Cuando se elige estos estados de referencia, el cambio de entalpa para el proceso puededeterminarse si se construye y se llena la tabla de velocidades de flujo de los componentes de losflujos de entrada y de salida, ni, y de las entalpas especificas i, como sigue:

iientradaiisalida

rAR H*nH*nH*nH +=A

A C l i ti d t

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A: Cualquier reactivo o productonAR: Moles de A que se producen o se consumen durante el procesoA: Coeficiente estequiomtrico de A.

Balance de Energa en procesos reactivosREACCIONES A TEMPERATURAS DIFERENTES DE LA ESTNDARLos procesos industriales donde ocurren reacciones qumicas raramente se llevan a cabo ap qcondiciones en condiciones estndar, situaciones en las cuales se debe crear una ruta imaginariaque nos permita obtener el cambio deseado, utilizando la informacin disponible de manerasimilar a la utilizada para los procesos de cambio de fase.

Reactivos T1

Productos T2

Reactivos 25C

Productos 25C

1 2

E rn

1i

C25

T1ii1 dT*Cp*H =

=

Entonces

Donde:i: coeficiente estequiomtrico del reactivo i

p

1j

T2

C25jj2

dT*Cp*H = =

j: coeficiente estequiomtrico del producto jT: Cambio de entalpa especifica total para la reaccin

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21T HrHHH ++= NOTA: Estas ecuaciones son aplicables tanto a sistemas abiertos, como a sistemas cerrados a presin constante.

Balance de Energa en procesos reactivosCOMBUSTIBLES Y COMBUSTION

Al t iAlgunos conceptos previos:El valor de calentamiento (o valor calrico): Es el valor negativo del calor estndar decombustin, generalmente expresado por unidad de masa de sustancia.El valor mayor de calentamiento o el valor total de calentamiento o el valor bruto deEl valor mayor de calentamiento o el valor total de calentamiento o el valor bruto decalentamiento (VBC):

C)25 O,(H2vH*nVNCVBC +=

El valor menor de calentamiento o el valor neto de calentamiento (VNC): es el valor basadoen H2O(v) como producto.Si se est en presencia de una mezcla de combustibles, su valor de calentamiento es:

ii (VC)*xVC =TEMPERATURA DE LLAMA ADIABTICA

T*H*H*fT*H* + ALIMiientradaADiisalida T*H*n cH*nfT*H*n +=c: Calor de combustin del combustible a 25Cni: Moles del i-simo componente en la entrada o en el producto

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i p pi: Entalpa especfica del i-simo componente con respecto a este componente a 25C en elestado de agregacin para el que se especifica cTAD: Temperatura del producto, que por definicin es la T de llama adiabtica.

Balance de Energa en procesos reactivosEJERCICIO:1) Los calores estndar de las siguientes reacciones de combustin se determinaron experimentalmente.

KJ/mol -1559.8rH O(l)3H(g)2CO(g)O27(g)HC 122262 =++

KJ/mol -393.5rH (g)CO(g)OC(s) 222 =+1

Utilice la ley de Hess y los calores de reaccin que se proporcionan, para determinar el calor estndar dela reaccin:

KJ/mol -285.8rH O(g)H(g)O21(g)H 3222 =+

KJ/mol ?rH (g)HC(g)H32C(s) 4622 =+ (g)(g)( ) 46222) Determine el calor estndar de reaccin para la combustin completa del n-pentano lquido, suponiendoque H2O(l) es un producto de la combustin.

O(l)H6(g)5CO(g)O8(l)HC 222125 ++3) El calor estndar de reaccin a 25 C y 1 atm para la oxidacin del amoniaco es r= -904.6 KJ/mol. Unreactor se alimenta con 100 mol de NH3/h y 200 mol de O2/h, a 25 C, en donde el amoniaco se consumecompletamente. El flujo de productos sale como un gas a 300 C. Calcule el calor transferido, a 1 atm.

O(g)6H4NO(g)(g)5O(g)4NH ++ O(g)6H 4NO(g)(g)5O (g)4NH 223 ++4) Se produce etanol, mediante la reaccin en fase gaseosa del etileno y agua:

OH(g)HC O(g)H (g)HC 52242 +

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Los reactivos se alimentan al reactor en proporcin 1:1 con un flujo de 100 mol/h. La temperatura de laalimentacin es de 150C y la temperatura de la corriente de productos es de 75C. La conversin es del100%. Determine, el calor que se debe transferir hacia o desde el reactor.

Balance de Energa en procesos reactivos

Recordemos:CALCULOS DE BALANCE DE ENERGA (sistemas abiertos)

9 La Entalpa especfica de una sustancia () no se puede determinar de manera absoluta, soloevaluar cambios. Por tanto, para determinarla se debe escoger un ESTADO DEREFERENCIA.

9 i l d l d (1 d l di i ) i9 La ecuacin general de Balance de Energa (1 Ley de la Termodinmica) en sistemasabiertos, en Estado Estacionario, donde ocurren CAMBIOS DE TEMPERATURA,CAMBIOS DE FASE Y REACCIONES QUMICAS:

Cmo se obtiene en Procesos Reactivos?9 Se escoge como ESTADO DE REFERENCIA, las sustancias elementales en la forma en que

se encuentran normalmente en la naturaleza, en CONDICIONES ESTNDAR, es decir, a25C y 1 atm.

9 Se determina la Entalpa de cada uno de los flujos por los mtodos ya conocidos, incluyendo

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el calor de formacin, es decir:

Balance de Energa en procesos reactivosEJEMPLO:El amonaco se oxida con aire para formar xido ntrico en el primer paso de la produccin de cido ntrico.O d i i i lOcurren dos reacciones principales:

Si li l 100 l/ i d NH 25 C 8 b d i 900 l/ i d i

4NH3 + 5 O2 NO + 6 H2O4NH3 + 5 O2 NO + 6 H2OCH4(g) + 2 O2(g) CO2(g)+ 2 H2O(l)CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g)+ 2 H2O(l)

Si se alimentan al proceso 100 mol/min de NH3 gaseoso a 25 C y 8 bar de presin, y 900 mol/min de aire a150 C y 8 Bar, producindose 1025 mol/min de un flujo gaseoso a 700C y 8 Bar que contiene:

NO: 8,78%, H2O: 14,72%, N: 69,85% y O2: 6,73%Calcule: El flujo de calor necesario para este proceso.Calcule: El flujo de calor necesario para este proceso.Datos para el proceso

Sustancia f (kJ/mol)(T bl B 1)

Datos de Cp (kJ/mol) (Tabla B.2)103 b 105 108 d 1012(Tabla B.1) a x103 b x105 c x108 d x1012

NO 90,37 29,5 0,8188 -0,295 0,3652H2O -241,83 33,46 0,6868 0,7604 -3,593N2 CERO 29,0 0,2199 0,5723 -28,71O2 CERO 29,10 1,158 -0,6076 1,311

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Balance de Energa en procesos reactivosClculos de Balance de EnergaConsiderando la corriente de alimentacin F11

Considerando la corriente de alimentacin F2Considerando la corriente de alimentacin F2

Considerando la corriente de alimentacin F33

Finalmente el Calor para el Proceso:p

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Balance de Energa en procesos reactivosMETODOS DE SOLUCION DE BALANCES DE ENERGIATrayectorias Hipotticasy pMtodo

1) Se divide el Proceso en trayectorias simples: Cambios de Temperatura @ P:Ctte. Cambios de Presin @ T:Ctte.

n iHH n iUU

@ Cambios de Fase @ P:Ctte y T: Ctte. Reacciones Qumicas @ P:Ctte y T: Ctte.

2) Se calcula cada cambio individual, luego el cambio total ser:

=

=1i

TOTAL iHH =

=1i

TOTAL iUU

Estados de referenciaMtodo

1) S d fi t d d f i d d l E t l E fi l E I t CERO1) Se define un estado de referencia donde la Entalpa Especfica y la Energa Interna es CERO: Si solo ocurren cambios de temperatura Referencia: sustancias y temperatura. Si adems ocurren cambios de Fase Referencia: sustancias, fases y temperatura. Si adems ocurren reaccin qumicas Referencia: elementos, fases y temperatura.

2) S l l l E t l E fi d t d lid i i d t t i hi tti2) Se calculan las Entalpas Especficas para cada entrada y salida siguiendo trayectorias hipotticas:

] FlujosimokdelEdo. ReferenciadeEdo.K HH =HmH = &3) S l l l E t l Ab l t d d fl j

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KKK HmH =3) Se calculan las Entalpas Absolutas de cada flujo:4) Se evalan el cambio de Entalpa Total del sistema como: =

ENTRADASk

SALIDASKTOTAL HHH