Saltar al contenido
BalanceSolver

Combustión de metano con 20 % de aire en exceso

Por Daniel · Actualizado el 1 de noviembre de 2026

Los problemas de combustión siguen siempre el mismo orden: oxígeno teórico, oxígeno alimentado según el exceso, aire (con su nitrógeno, que no reacciona) y, por último, los balances por especie en el horno. El exceso de aire se calcula sobre el oxígeno necesario para la combustión completa.

Enunciado

Se queman 100 kmol/h de metano con 20 % de aire en exceso. La combustión es completa. Calcula el flujo de aire y la composición de los gases de combustión.

Abrir este problema en la calculadora

Solución paso a paso

1. Diagrama de flujo

F1AG H1reactor

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
Horno9540
Sistema completo99 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 · H1 ṅCH4,G = ṅCH4,F1 − ξR1
  4. Balance · H1 ṅO2,G = ṅO2,A − 2 ξR1
  5. Balance · H1 ṅN2,G = ṅN2,A
  6. Balance · H1 ṅCO2,G = ξR1
  7. Balance · H1 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

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

6. Resultados

F1

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

A

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

G

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

7. 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 %

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

Claves del problema

Errores comunes

Preguntas frecuentes

¿Qué es el aire teórico?

El aire que contiene justo el oxígeno necesario para quemar todo el combustible a CO₂ y H₂O. El aire en exceso es lo que se alimenta por encima de esa cantidad.

¿Qué es la base seca?

La composición de los gases sin contar el vapor de agua. Muchos analizadores condensan el agua antes de medir, por eso los datos de laboratorio suelen estar en base seca.

Sigue aprendiendo