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BalanceSolver

Calor liberado al quemar metano: balance de energía con reacción

Por Daniel · Actualizado el 1 de noviembre de 2026

Con reacción química, el estado de referencia ya no puede ser cada sustancia a 25 °C, porque las sustancias cambian. Se usan los elementos a 25 °C: la entalpía de cada componente incluye su calor de formación. Así el calor de reacción aparece solo en el balance, sin tener que calcularlo aparte.

Enunciado

En un horno se queman 100 kmol/h de metano con 20 % de aire en exceso. Todo entra a 25 °C y los gases salen a 25 °C, con el agua como vapor. La combustión es completa. ¿Cuánto calor hay que retirar del horno?

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Solución paso a paso

1. Diagrama de flujo

F1AG Hreactor

2. Datos, unidades y notación

Reacciones:

  • R1: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

Supuestos:

  • En A se dieron todas las fracciones; la de N2 no es un dato independiente (se cumple Σx = 1).

Notación:

  • ṅi,F = flujo molar del componente i en la corriente F (kmol/h).
  • ṅF = Σi ṅi,F (kmol/h); ṁF = Σi Mi ṅi,F (kg/h).
  • ξR = grado de avance de la reacción R (kmol/h). Sale = Entra + Σ νi ξ.

3. Análisis de grados de libertad

SubsistemaVariablesBalancesDatos y relacionesGL
Horno10640
Sistema completo1010 ecuaciones0

GL = variables − balances independientes − datos y relaciones. Las variables son los flujos de cada componente en cada corriente, más grados de avance, fracciones de división, Q, W y temperaturas desconocidas. Con GL = 0 el problema está completamente especificado. Se empieza por el subsistema con GL = 0.

4. Ecuaciones planteadas

  1. Dato · F1 ṅF1 = 100 kmol/h
  2. Dato · A ṅO2,A = 0.21 ṅA
  3. Balance · H ṅCH4,G = ṅCH4,F1 − ξR1
  4. Balance · H ṅO2,G = ṅO2,A − 2 ξR1
  5. Balance · H ṅN2,G = ṅN2,A
  6. Balance · H ṅCO2,G = ξR1
  7. Balance · H ṅH2O,G = 2 ξR1
  8. Relación ṅCH4,F1 − ṅCH4,G = 1 · ṅCH4,F1conversión en un paso de CH4
  9. Relación ṅO2,A = (1 + 0.2) · (2 ṅCH4,F1)O2 teórico = 2 ṅCH4,F1
  10. Energía · H Q̇H − 0 = Σsale ṅiĤi − Σentra ṅiĤibalance de energía en estado estacionario, sin cambios de energía cinética ni potencial

5. Solución paso a paso

  1. De la ecuación (1) ⇒ ṅCH4,F1 = 100 kmol/h
  2. De la ecuación (8): (100) − ṅCH4,G = 1 · (100) ⇒ ṅCH4,G = 0 kmol/h
  3. De la ecuación (9): ṅO2,A = (1 + 0.2) · (2 (100)) ⇒ ṅO2,A = 240 kmol/h
  4. De la ecuación (2): (240) = 0.21 ṅA ⇒ ṅN2,A = 902.86 kmol/h
  5. De la ecuación (3): (0) = (100) − ξR1 ⇒ ξR1 = 100 kmol/h
  6. De la ecuación (4): ṅO2,G = (240) − 2 (100) ⇒ ṅO2,G = 40 kmol/h
  7. De la ecuación (5): ṅN2,G = (902.86) ⇒ ṅN2,G = 902.86 kmol/h
  8. De la ecuación (6): ṅCO2,G = (100) ⇒ ṅCO2,G = 100 kmol/h
  9. De la ecuación (7): ṅH2O,G = 2 (100) ⇒ ṅH2O,G = 200 kmol/h
  10. De la ecuación (10) ⇒ Q̇H = -8.0229 × 107 kJ/h

6. Resultados

F1 · 25 °C, gas

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
CH410011,604.31
Total10011,604.31

A · 25 °C, gas

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
O22400.217,679.50.2329
N2902.860.7925,2930.7671
Total1,142.9132,9721

G · 25 °C, gas

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
CH40000
O2400.032181,279.90.03702
N2902.860.726425,2930.7315
CO21000.080464,400.90.1273
H2O2000.16093,6030.1042
Total1,242.9134,5761
Otras incógnitasValor
ξR1100 kmol/h
Q̇H-8.0229 × 107 kJ/h

7. Balance de energía

Hay reacción química, así que se usa el método de calores de formación: la entalpía de cada componente incluye su calor estándar de formación, y el calor de reacción aparece solo en el balance.

Calores estándar de reacción (Σ ν·ΔĤf°, a 25 °C):

  • R1: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O ⇒ ΔĤr° = -802.29 kJ/mol (exotérmica)con CH4(g), O2(g), CO2(g), H2O(g)

Estados de referencia: los elementos en su estado natural a 25 °C y 1 atm (método de calores de formación: Ĥ = ΔĤf° + ∫Cp dT). Ĥ en kJ/kmol.

Horno

CorrienteComp.T (°C)FlujoĤTrayectoria
entraF1CH4 (gas)25100-74,870ΔĤf°(gas): -74,870
entraAO2 (gas)252400ΔĤf°(gas): 0
entraAN2 (gas)25902.860ΔĤf°(gas): 0
saleGCH4 (gas)250-74,870ΔĤf°(gas): -74,870
saleGO2 (gas)25400ΔĤf°(gas): 0
saleGN2 (gas)25902.860ΔĤf°(gas): 0
saleGCO2 (gas)25100-393,510ΔĤf°(gas): -393,510
saleGH2O (gas)25200-241,830ΔĤf°(gas): -241,830

ΔĤ = Σsale − Σentra = -8.7716 × 107 − -7,487,000 = -8.0229 × 107 kJ/h

Q − Ws = ΔĤ ⇒ Q = -8.0229 × 107 kJ/h (se retira calor)

Datos de Cp, calores latentes y calores de formación: NIST Chemistry WebBook, SRD 69 (webbook.nist.gov).

8. Verificación (entra + genera = sale)

EquipoBalanceEntraGeneraSaleError
HornoBalance de CH4100-1000 ✓ 2.4 × 10-9 %
HornoBalance de O2240-20040 ✓ 0 %
HornoBalance de N2902.860902.86 ✓ 0 %
HornoBalance de CO20100100 ✓ 7.7 × 10-9 %
HornoBalance de H2O0200200 ✓ 6 × 10-9 %
HornoMasa total34,576034,576 ✓ 1.5 × 10-9 %
HornoÁtomos de C1000100 ✓ 5.3 × 10-9 %
HornoÁtomos de H4000400 ✓ 3.6 × 10-9 %
HornoÁtomos de O4800480 ✓ 5.7 × 10-9 %
HornoÁtomos de N1,805.701,805.7 ✓ 0 %
HornoEnergía (Q − W − ΔH) ✓ 0 %

Tolerancia: error relativo menor a 1 × 10-4 %. Todos los balances cierran.

Claves del problema

Errores comunes

Preguntas frecuentes

¿Qué es el método de calores de formación?

Tomar como referencia los elementos a 25 °C. La entalpía de cada componente es su calor de formación más el calor sensible y latente hasta su temperatura. El balance Q = ΣH sale − ΣH entra incluye automáticamente el calor de reacción.

¿De dónde salen los calores de formación?

Del NIST Chemistry WebBook, a 25 °C y 1 atm. Si tu libro usa otros valores, puedes capturarlos en un componente propio.

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