10. En una cámara de combustión entran 3 moles de C3H8, se queman con un 20% en exceso de aire seco (N2 = 79% y O2 = 21%); la reacción es completa. Calcular: a) Moles de O2 requerido Rta. 15 b) Moles de O2 que entran Rta. 18 c) Moles de O2 que sobran Rta. 3 d) Moles de N2 que entran y que salen. Rta. 67,71 e) Moles de CO2 y H2O producidos Rta. 9 y 12 f) Composición molar de los gases de combustión y peso molecular promedio. Rta. N2 73,83% , CO2 : 9,81%, H2O : 13,08, O2 3,27% g) Si los gases de combustión salen a 150°C y 1 atmósfera de presión, calcular el volumen de los gases de combustión en litros por cada 3 moles de propano quemado. Rta. 104.12 L h) Cuántos litros de aire seco entran a la cámara de combustión por cada 3 moles de propano quemado, si la presión es de 1,2 atmósferas y la temperatura es de 25 °C. Rta. 1746.41 L.
Respuestas
Se tiene una determinada cantidad (moles) de propano que entra a una cámara de combustión, con un determinado exceso de aire. Se pide realizar cálculos estequiométricos para determinar cantidades de reactivos y productos.
3 moles de C₃H₈ + Aire en exceso
Ecuación química combustión de propano:
C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O
(a) De la ecuación química tenemos que se requieren 5 moles de O₂ para reaccionar con 1 mol de C₃H₈, entonces:
( 5 mol O₂ / 1 mol C₃H₈ ) × 3 mol C₃H₈ = 15 mol O₂
Se requieren 15 moles de O₂ para reacción completa con 3 moles de C₃H₈.
(b) Sabemos que entra 20% en exceso de aire, entonces podemos calcular cuánto aire entra si calculamos cuánto aire se consume en la reacción.
El aire contiene 21 % de oxigeno y sabemos que se consumen 15 moles de Oxigeno, entonces calculamos cuánto aire se usa:
aire usado = Oxigeno usado / 0,21 = 15/ 0,21 = 71,4 mol aire
El aire que entra está 20% en exceso, entonces:
% de aire en exceso = (exceso de aire / aire teórico) × 100
20 = (exceso de aire / 71,4 mol) × 100
exceso de aire = 0,20 × 71,4 = 14,3 mol
Aire que entra = 71,4 + 14,3 = 85,7 moles de aire
Oxigeno que entra = (85,7 × 21 / 100 ) = 18 moles
(c) moles de oxigeno que sobran = moles de oxigeno que entran - moles de oxigeno usados en la reacción
moles de oxigeno que sobran = 18 - 15 = 3 moles
(d) moles de nitrógeno que entran = (moles de aire que entran ) × 79 / 100
moles de nitrógeno que entran = 85,7 × 79 / 100 = 67,7
moles de nitrógeno que entran = moles de nitrógeno que salen = 67,7
(e) De la ecuación química tenemos que a partir de 1 mol de propano se obtienen 3 moles de CO₂ y 4 moles de H₂O, entonces calculamos cuántos moles se producen a partir de 3 moles de propano:
( 3 moles CO₂ / 1 mol C₃H₈) × 3 moles C₃H₈ = 9 moles CO₂
( 4 moles H₂O / 1 mol C₃H₈) × 3 moles C₃H₈ = 12 moles H₂O
(f) Gases de combustión :
CO₂: 9 moles % molar = ( 9 / 91,7 ) × 100 = 9,8 %
H₂O: 12 moles % molar = ( 12/ 91,7) × 100 = 13,1 %
N₂: 67,7 moles % molar = ( 67,7/ 91,7) × 100 = 73,8 %
O₂: 3 moles % molar = ( 3/ 91,7 ) × 100 = 3,3 %
Total = 91,7 moles
(g) T = 150 °C = 150 + 273 = 423 K
P = 1 atm
n= 9 moles
Para calcular volumen de los gases de combustión, usaremos la ecuación de estado de gases ideales:
PV = nRT
V = nRT / P
V = (9 mol × ( 0,082 atm. L / K. mol) × 423 K) / 1 atm = 312,17 L
Se producen 312,17 L de CO₂ a partir de 3 moles de C₃H₈. Se producirian 104,1 L CO₂ / mol de C₃H₈
(h) moles de aire que entran = 85,7
Para calcular volumen de aire, usaremos la ecuación de estado de gases ideales:
PV = nRT
V = nRT / P
P = 1,2 atm
T = 25 °C = 25 + 273 = 298 K
V = (85,7 mol × ( 0,082 atm. L / K. mol) × 298 K) / 1,2 atm = 1745 L
Entran 1745 L de aire por cada 3 moles de C₃H₈, o sea que entran 581,7 L aire / mol de C₃H₈