Problema I



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PROBLEMA I.1 - Reformado con vapor

Solución:

%V (base seca) Nm3/h Kmoles/h


H2 9,8 1568,0 70,0

CH4 80,54 12886,4 575,3

C2H6 3,83 612,8 27,4

C3H8 1,7 272,0 12,1

C4H10 0,44 70,4 3,1

N2 3,69 590,4 26,3

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16000,0 714,2


H2O(VAPOR) 3668,6

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TOTAL 4482,8
La corriente que sale tendrá también 26,3 kmoles/h de N2 y el total de gases secos será 26,3x100/0,892 = 2948,4 Kmol/h.
Po lo tanto la corriente de salida tendrá:
%V(Base seca) kmoles/h
H2 76,07 2242,0

CH4 1,88 55,6

N2 0,892 26,3

CO 8,83 260,3

CO2 12,31 362,9

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2948,4
La cantidad de agua que sale se obtiene mediante balance de oxígeno o hidrógeno
Balance de oxígeno (atómico)
Entra (agua) 3768,6

sale (CO) 260,3

(co2) 725,8

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diferencia 2782,5 k átomos /h de O que sale con el vapor de agua.
Balance de hidrógeno (H2)
Entra 5135,3 (70+2x575,3 + 3x27,4 + 4x12,1 + 5x3,1 + 3762,6)


Sale (H2) 2242,0

(CH4) 111,2

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Diferencia 2782,1 Kmoles de H2 que salen con el vapor de agua


tomamos el valor medio, es decir, 2782,3 kmoles de vapor de agua y el total de kmoles salientes es

2984,4 + 2782,3 = 5730,7


2º) Para calcular la aproximación al equilibrio, hay que calcular el verdadero valor de la constante de equilibrio, a la temperatura real de salida de los gases, y compararlo con el valor que se obtiene al calcular las constantes de equilibrio con las concentraciones de salida del gas. La aproximación puede expresarse como cociente de las constantes así calculadas, o como diferencia de temperaturas entre la T que nos daría una constante de equilibrio igual a la calculada con las concentraciones de salida del gas y la Treal de salida. En éste ejercicio seexpresa como diferencias de temperaturas.
Las constantes que se obtienen con las concentraciones de salida son:
K2' = p(H2)p(CO2) = 2242x362,9 = 1,12

p(CO)p(H2O) 260,3X2782,3

K1' = (H2)3(CO)p2 = 22423 x 260,3x12,82 = 94,6

(CH4)(H2O)nT2 55,6x 2782,3x 5730,72

El verdadero valor de las constantes a la temperatura de salida (793 + 273 = 1066ºK) es:
K1* = exp (30,53 - 25,27 -0,66 + 0,35) = exp (4,95) = 141,1

K2* = exp (-2,930632 + 1,879 + 1,3695 - 0,256) = exp (0,061868) = 1,06382


Por consiguiente, se puede decir que la segunda reacción ha alcanzado el equilibrio a 793 ºC y la primera no. Como la reacción es endotérmica, el equilibrio se establecerá a menor temperatura que la de salida. Para hallar la aproximación al equilibrio como diferencia de temperatura se prieba a otros valores de T y se interpola :




Para T = 773ºC resulta K1*= 87,35

Para K =94,6; T =775ºC

T= -18ºC

Para calcular la carga térmica del horno calculamos las entalpias de entrada y salida de los gases:


Entrada(1)
H1, H20 =3768,6 (-49380 +339*8,3) = -175,49*106 Kcal/h

H1, H2 = 70( 339*6,975) =+0,16*10E6 Kcal/h

H1 , CH4= 575,3 (-17890 + 339*10,6) =-8,22*10E6 Kcal/h

H1, C2H6= 27,4 (-20240 + 339*14,2) = -0,42*10E6 Kcal/h

H1, C3H8 = 12,1 (-24820 +339*17,4) =-0,23*10E6 Kcal/h

H1,C4H10= 3,1(-28500 + 339*20) =-0,067*10E6 Kcal/h

H1, N = 26,3( 339*7,06) =0,063*10E6 Kcal/h

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= -184,204*10E6 Kcal/h
Salida (2)

H2, H20 = 2782,5 (-49380 + 768*8,96) = -118,25*10E6 Kcal/h

H2,H2= 2242 ( 768*7,06) =12,16*10E6 Kcal/h

H2,CH4= 55,6 (-17890 + 768*13,48) = -0,42*10E6 Kcal/h

H2,N2= 26,3 ( 768*7,37)= + 0,15*10E6 Kcal/h

H2,CO = 260,3(-26420 + 768*7,443) =-5,39 *10E6 Kcal/h

H2,CO2= 362,9 (-94050 + 768*11,53)=-30,92*10E6 Kcal/h

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-142,67*10E6 Kcal/h

Q: Carga térmica = (-142,67 + 184,204)* 10E6 = 41,534*10E6 Kcal/h


Suponiendo la longitud útil de los tubos 37 ft
A= Superficie = 226*3,14*5/12 *37=10945,8ft2

= 10945,8*0,0930 m2= 1017,96m2 por tanto

q= Q/A= 40801,2Kcal/hm2 (15057)BTU /ft2.h
La composición del gas que sale del horno, en base seca, es:
%V

H2 76,07


CH4 1,88

N2 0,892


CO 8,83

CO2 12,31

------------------

100,00 Si todo el monóxido se convierte a CO2, el gas contendrá:

H2 84,90 CO - TOTAL:108,812 Kmoles, es decir la concentración

CH4 1,88 CO2 21,14 máxima (eliminando el CO2) sería 96,89%.



N2 0,892 ----------------------








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