Pido ayuda a los estudiantes de Ingeniería (problema balance matería y energía)

Puedes trabajrlas por separado pero ahorra mas tiempo el utizar el reactivo comun a ambas reacciones. A partir de ello reduces las dos reacciones en base a un componente
No se que otra pista necesitas, ahora estoy en el movil

josem138 escribió:Puedes trabajrlas por separado pero ahorra mas tiempo el utizar el reactivo comun a ambas reacciones. A partir de ello reduces las dos reacciones en base a un componente
No se que otra pista necesitas, ahora estoy en el movil

Hay una cosa que no entiendo muy bien: si yo uno las dos reacciones, me quedaría lo siguiente

2 CH4 + CO2 + H2O -> 3 CO + 5 H2

Es decir, que la relación H2 / CO en el gas de salida debería ser 5/3. Sin embargo, el enunciado me dice que en el gas de salida, la relación H2 / CO es de 2,2. ¿A qué es debido? Lo único que se me ocurre es que la segunda reacción (que produce 3 H2 / CO) se produce en mayor medida que la primera, quedando al final esa relación de 2,2; por lo que no podría trabajar uniendo las dos, ¿no?

Muchas gracias!

No, no xDD. Por unir las dos reacciones no me refiero a eso.
Me refiero a que hay un componente que es utilizado en ambas reacciones, por lo que reacciona en ambas. Debes tomar como componente clave aquel del que dependan los otros componentes, es decir, que para que aparezca H2 por ejemplo, necesita que haya CH4. Por lo que se pueden escribir que cantidades se formaran en base al caudal molar del que entra y reacciona. Luego, si hay una serie de reacciones y algunas de ellas o todas tienen el mismo reactivo, se pueden escribir tooodo el rsto de componentes en base al que es comun.
Vams, creo que lo tienes que haber estudiado por el grado de conversion. En tu titulo te esta diciendo que el 80% de CH4 que introduces reacciona, aunque no sabes que % reacciona en la primera reaccion y que % reacciona en la segunda, por ello has de plantear ecuaciones y sustituirlas.
Has estudiado componentes claves y tal? Con ello podrias resolverlo. Espero que puedas contestar hoy y de ser asi, resolvertelo yo si lo necesitas

Resuelvo:
los caudales usados son molares y tambien, el grado de conversion que te dan es el global, por lo que desconoces en que medida reacciona el CH4 en cada reaccion
para la primera reaccion:
el caudal de salida CH4= Fentradach4 - X(a)*Fentradach4 nota: X(a) es el factor de conversion del metano en esta reaccion
caudal salida CO2= Fentradaco2-(-1/-1)*X(a)*Fentradach4
caudal salida CO=-(2/-1)*X(a)*Fentradach4
caudal salida H2=-(2/-1)X(a)*Fentradach4
Otra nota: decir que las fracciones que pongo, el numero hace referencia al coeficiente estiquiometrico y el signo depende de donde sean, si es reactivo - y si es producto +
para la segunda reaccion:
el caudal de salida CH4= Fentradach4 - X(b)*Fentradach4
caudal salida H2O= FentradaH2O-(-1/-1)*X(b)*Fentradach4
caudal salida CO=-(1/-1)*X(b)*Fentradach4
caudal salida H2=-(3/-1)X(b)*Fentradach4

te dicen que se obtiene caudal de h2/caudal de CO=2.2
por lo que tienes que hacer la relacion contando a y b, porque el dato final que te indican es el total. Tendrias:

(caudal salida H2 (a)+caudal salida H2 (b))/(caudal salida CO (a)+caudal salida CO(b))=2.2
(-(3/-1)X(b)*Fentradach4+-(2/-1)X(a)*Fentradach4)/(-(1/-1)*X(b)*Fentradach4+-(2/-1)*X(a)*Fentradach4)=2.2
y tienes que X(a)+X(b)=0.8 (pues es el grado de conversion)
con esto y el dato que te dicen en el enunciado del caudal de CH4, tienes 2 ecuaciones y dos incognitas, despejas y sustituyes y todo hecho

Muchíiiiisimas gracias compañero, de veras, me salvas la vida! Viéndolo de la manera que dices todo tiene sentido, jamás se me habría ocurrido hacerlo así ya que en estos problemas de balance de materia y energía estamos haciéndolos a través de balance de entalpías y demás... que por cierto, pregunto por curiosidad: ¿el tema de las diferentes temperaturas de las corrientes de gases no interfiere a la hora del balance de materia? Me explico: haciendo balance de masas como dices sale ipsofacto, si lo hago a través de balance de entalpías debería salirme lo mismo, ¿exacto?

Y una última cosa: el problema me pide la relación entre moles de H2O / mol de CH4 alimentado. Una vez calculo X(b), ¿éste lo relaciono directamente con el números de moles de H2O? (es decir, me sale X(b) = 0,6 = moles de H2O / mol de CH4 alimentado)

Yo estudio la carrera de licenciatura de quimica, por lo que la ingenieria que he dado no es muy profunda. Supongo que dos corrientes a distinta temperatura las tendrias que mezclar para que llegasen a equilibrio termico y luego reaccionarlas. O bien introducirlos en el reactor a la temperatura que sea y luego por calculos segun el paso del tiempo que las constantes de velocidad modifiquen y demases rollos, no se xD.
Por poder afectar podria, porque se modifica la constante de velocidad de cada una y la proporcion de conversion a un tiempo dado seria diferente que si se mezclasen a la misma temperatura. Pero si nos fijamos en tu titulo, te dan la proporcion molar final, eso una vez la reaccion se ha mezclado a distinta temperatura, se ha producido la reaccion y ha salido por la conduccion. A ti te interesa saber a que temperatura entra cada reactivo y a que temperatura sale cada componente (porque estas en un estado estacionario). Por lo que sabiendo la temperatura a la que sale cada reactivo, el calor que genera cada reaccion y las cantidades de cada reactivo, deberias poder calcular teoricamente cual es el calor de la reaccion para que suba la temperatura hasta 650.

Ahora que caigo en la cuenta, tal vez deberias calcular la corriente de alimentacion de agua a partir del balance entalpico, pues solo tendrias dos incognitas y podrias despejarlo utilizando: caudal salida H2O= FentradaH2O-(-1/-1)*X(b)*Fentradach4
Por cierto X(b)=0.6 solo quiere decir el grado de conversion en la reaccion 2, no quiere decir que sea la relacion de moles entre ambos.

Gracias de nuevo, voy a acabar dándote los créditos de la asignatura Yo estoy en el grado de Biotecnología y ésta es la primera asignatura que nos meten que es puramente de ingeniería por así decirlo (aparte de las matemáticas), por eso ando bastante perdido con algunos problemas.

He seguido el problema haciendo los balances de entalpía y he podido calcular una supuesta corriente de entrada de H2O, aunque no sé si estará bien. Lo que he hecho es hacer un ciclo que sería el siguiente:

Reactivos (480º / 260º) --- H entrada ---> Reactivos (25º) --- H reacción ---> Productos (25º) --- H salida ---> Productos (650º)

Una cosa: me dice que el gas final es rico en CO y H2. Sin embargo, en éste también se encontrarán el CH4, H2O y CO2 que no hayan reaccionado, ¿exacto?

no entiendo a que te refieres con lo de ---> reactivos 25ºC
Los pasas a esa temperatura o utilizas esa temperatura como la de referencia de las constantes?
Vamos, segun el titulo de tu ejercicio intuyo que es un reactor adiabatico pues no dicen nada y con ello tendrias:
entalpia de los reactivos = entalpia productos (entalpia de entrada = entalpia de salida)
teniendo en cuenta que para cada componente es: entalpiaformacion+calorespecifico(T-treferencia)

si te dice que es rico en CO y H2, es que la composicion del caudal de salida sera en gran medida CO y H2 y en baja proporcion el resto. A tu pregunta, si.

No te dan ni un solo caudal de entrada.
El 52.5 le he estado dando vueltas y concluyo que te dice que suministra un calor extra de 52.5 kcal por cada mol de CH4 que entra en el reactor.
Por lo tanto, como no tienes valores de caudal de entrada, has de darle un valor de caudal aleatorio al que quieras (CH4 te sera mas comodo pues es el que te resuelve todos los demas caudales) y a partir de ahi vas sustituyendo y despejando.
Te preguntaras, valor aleatorio, por que? Si es un estado estacionario da igual el caudal que pongas, todo se lleva una relacion. Si disminuyes uno, disminuyen todos en la misma relacion para que todo sea igual.
Voy a intentar resolverlo y te lo pongo, si no lees este mensaje antes.
He utilizado como caudal de entrada de CH4 100 mol/h
lo escribo sustituyendo todo lo que tiene que ser y me sale:
100*52.5+100*(-17.85+10/1000*(260-25))+30*(-94.05+12.2/1000*(260-25))+x*(-57.8+8.7/1000*(480-25))=(-(2/-1)*0.2*100-(1/-1)*0.6*100)*(-26.42+7.3/1000*(650-25))+(-(2/-1)0.2*100+(100 - 0.8*100)*(-17.89+10/1000*(650-25))+(30-(-1/-1)*0.2*100)*(-94.05+12.2/1000*(650-25))+(x-(-1/-1)*0.6*100)*(-57.8+8.7/1000*(650-25))

me da 1062.31 mol/h de H2O xDDDDDDDD, que bestialidad. Siempre tengo algun fallo y me salen mal las temperaturas

Con lo de reactivos a 25º me refiero a que los paso a dicha temperatura, y a partir de ahí los convierto a productos a 25º. Lo de hacerlo así es porque sólo poseo los datos de formación de los componentes a 25º, por lo que la entalpía de la reacción a 25º sería

H reacción (25) = H formación productos (25) - H formación reactivos (25)

En resumen, paso todos los reactivos a 25º, hago la reacción y luego subo todos los productos (y reactivos de "deshecho", lo que no reacciona de cada reactivo) a los 650º finales. Así pues, el el calor total de la reacción sería:

Q = H pasar reactivos a 25º (H entrada) + H reacción a 25º (H reacción) + H pasar productos y reactivos de deshecho a 650º (H salida)

Donde H = moles x Cp x (T final - T inicial)

Tomando como caudal de entrada de CH4 1 mol (como dices, he fijado uno aleatorio por mi cuenta), tengo los moles de todos los componentes excepto lo que no reacciona de agua (y que tengo que subir a 650º), por lo despejo la incógnita y al valor que me sale le sumo 0,6 (que es lo que reacciona de agua si meto 1 mol de CH4).

Lo que no me queda claro es el dato de 52,5 kcal. He supuesto también que el proceso es adiabático, por lo que Q = 0. Sin embargo, dice que le proporcionas al sistema 52,5 kcal / mol de CH4, por lo que Q = 52,5 kcal, ¿no?

bueeeeeeno, yo es que en mi clase lo teniamos todo reducido a una formula, la entalpia de reaccion la tenemos integrada en el calculo, para eliminar sumandos que es muy largo. Para no pasar a moles, usamos los caudales molares directamente. Nuestra formula para la entalpia de entrada de CH4 por ejemplo: caudalmolarentradaCH4*(entalpiaformacion-calorespecifico(Tentra-Treferencia)

100*52.5+100*(-17.89+10/1000*(260-25))+30*(-94.05+12.2/1000*(260-25))+x*(-57.8+8.7/1000*(480-25))=(-(2/-1)*0.2*100-(1/-1)*0.6*100)*(-26.42+7.3/1000*(650-25))+(-(2/-1)0.2*100-(3/-1)*0.6*100)*(7/1000*(650-25))+(100 - 0.8*100)*(-17.89+10/1000*(650-25))+(30-(-1/-1)*0.2*100)*(-94.05+12.2/1000*(650-25))+(x-(-1/-1)*0.6*100)*(-57.8+8.7/1000*(650-25))

listo, me habia dejado el hidrogeno en salida
ahora me da que
x=94.023
es decir, que para 100 mol/h de CH4 se requiere 94.023 mol/h de H2O (que mas bien se puede redondear a 94)
entonces lo que te piden es
resultado:94/100=0.94 mol H2O/mol de CH4 alimentado

Pues no sé si será fruto de la casualidad o no (espero que no), pero haciéndolo como te he dicho me da exactamente lo mismo: 0,94 moles de H2O / mol de CH4 alimentado

Gracias de nuevo compañero, si fueses de Sevilla te invitaba a un par de birras, eso tenlo por seguro La verdad es que ando un poco pegado en esta asignatura, es la primera que damos de Ingeniería por así decirlo y además falté a algunas clases por enfermedad, pero ya le voy pillando un poco el tranquillo a los conceptos, a ver si para el examen de junio los he pillado ya del todo

Thanks!

claro que no es fruto de la casualidad, son la misma formula pero la mia puesto todo en un paso, el tuyo en varios xDD

yo ya aprobe esa asignatura, y me acabo de dar cuenta que recuerdo conceptos haciendo este ejercicio, asi que mientras no sea muy profunda siempre puedes hacer mas hilos para preguntar dudas