100828930 Analisis de Gases de Combustion

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA – ENERGÍA ENERGÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

LABORATORIO DE TERMODINAMICA II INFORME:

PROFESOR:

ING. ELISEO PAEZ A.

INTEGRANTES:

1. SANCHEZ RODRIGUEZ, MIGUEL ANGEL 2. ESTUPIÑAN TORRES, SANDRO JESUS 3. OLIVARES CASAPIA, OSCAR 4. MOREYRA CANTU, CESAR ANDRES

G.H:

02L

(2012-A)

FECHA DE ENTREGA:

28-06-2012

BELLAVISTA – CALLA

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA –ENERGIA

LABORATORIO DE TERMODINAMICA II ANÁLISIS DE GASES

INDICE 1. INTRODUCCIÓN..................................................................................................... 2 2. OBJETIVOS .............................................................................................................. 2 3. MARCO TEÓRICO ................................................................................................. 3 3.1 COMBUSTION ..................................................... Error! Bookmark not defined. 3.1.1 COMBUSTION COMPLETA ......................................................................... 4 3.1.2 COMBUSTION INCOMPLETA..................................................................... 4 3.2 COMBUSTIBLE .................................................................................................... 4 3.3 COMBURENTE ..................................................................................................... 4 3.4 PRODUCTOS ......................................................................................................... 4 3.5 ECUACION QUIMICA ......................................................................................... 4 3.6 AIRE TEORICO ..................................................................................................... 5 3.7 RELACION AIRE-COMBUSTIBLE .................................................................... 5 3.8 PORCENTAJE DE AIRE TEORICO .................................................................... 5 3.9 EXCESO DE AIRE ................................................................................................ 6 4. EQUIPO PARA LA EXPERIENCIA ....................................................................... 7 5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ................................................................. 10 6. TABULACIÓN DE DATOS................................................................................. 11 7. CALCULO EXPERIMENTAL............................................................................... 12 8. TABULACION DE RESULTADOS ...................................................................... 16 9. GRAFICOS ............................................................................................................. 16 10. OBSERVACIONES ................................................................................................ 16 11. CONCLUSIONES.................................................................................................. 16 12. BIBLIOGRAFIA .................................................................................................... 16

1


LABORATORIO DE TERMODINAMICA II ANALISIS DE GASES

1. INTRODUCCIÓN Muchos de los dispositivos utilizados para producir potencia mecánica parten del calor para lograr tal fin. Ejemplos son los motores de combustión interna, las plantas de vapor y las turbinas de gas. Una de las formas más económicas de generar este calor es a través de un proceso de combustión. Por supuesto que la cantidad de calor obtenida durante la combustión depende, entre otros factores, de la eficiencia con que se realice este proceso, por lo cual es conveniente hacerle seguimiento para poder corregir posibles problemas. Una forma es hallando la composición de los gases que se producen en el proceso, lo cual permite determinar si la combustión es completa o no, la cantidad de aire utilizada e incluso, la composición aproximada del combustible que se está quemando. Un importante grupo de combustibles es aquél que está formado principalmente por Carbono (C) e Hidrógeno (H 2), usualmente conocidos como hidrocarburos y denotados a través de la fórmula química C xHy.

2. OBJETIVOS 





Aplicar los procedimientos del Análisis de los productos (gases) de combustión, utilizando el analizador Bacharat. Cuando se miden gases de combustión se aplican los siguientes objetivos: Control de emisiones, ajustes y optimización de sistemas. Concluir respecto a la forma como se está realizando el proceso de combustión, es decir, si la combustión es completa o incompleta y en qué grado.



Determinación volumétrica porcentual de los gases, producto de la combustión.



Obtener la composición química aproximada del combustible.



Determinar la relación aire – combustible real y teórico.



Calcular el exceso de aire.



Determinar el porcentaje de aire teórico usado en el proceso.



Elaborar gráficas de C0 2, O2, CO vs. %Exc (aire) y observar su comportamiento y compararlas con las obtenidas experimentalmente y con precisión que se dan en la teoría.

2



3. MARCO TEÓRICO Los medios técnicos apropiados para la determinación de la composición cuantitativa de un gas se denominan “Analizadores de Gases“.

Entre ellos tenemos: - Orsat (Equipo Manual) - Bacharat (Equipo Digital) Estos dispositivos permiten determinar en la mezcla de gases, el contenido de Dióxido de Carbono (CO 2), Oxígeno (O2) y Monóxido de Carbono (CO) y otros gases.

3.1 COMBUSTION Es aquella reacción química en la que se combina con desprendimiento de calor, el Aire u Oxígeno con una sustancia combustible. La combustión es la oxidación de todos aquellos componentes de un combustible capaces de ser oxidados y se representa por una ecuación química donde la masa de cada elemento permanece inalterable. La mayoría de los procesos de combustión se realizan con aire (Nitrógeno+Oxígeno+Argón+otros gases), ya que de esta forma el oxígeno no implica costo alguno. La composición del Aire es 78% de Nitrógeno, 21% de Oxígeno, 0.9% de Argón y 0.1% de otros gases. Normalmente el Argón es considerado como Nitrógeno y se desprecia la cantidad de otros gases, por lo cual la composición del Aire puede simplificarse como 79% de Nitrógeno y 21% de Oxígeno. Esto quiere decir que cada Kmol de Oxígeno estará acompañado de 3.76 Kmol de Nitrógeno en el proceso de combustión. Se entiende por combustión, a la combinación violenta, con desprendimiento de luz y calor, del Oxígeno del aire con el Carbono, Hidrógeno, Azufre y Nitrógeno. La combustión del Oxígeno con el Carbono, Hidrógeno, Azufre, se efectúa en proporciones de peso bien determinadas, así pues por cada átomo de Carbono se necesitan 2 átomos de Oxígeno para llegar a la combustión perfecta formando CO 2 (Dióxido de Carbono), el Carbono que se quema con deficiencia de aire forma el gas CO (Monóxido de Carbono), que representa solo el 30% de una combustión perfecta, por lo tanto la combustión al formarse CO es incompleta. El Hidrógeno se combina siempre en proporción de 2 átomos de Hidrógeno con uno de Oxígeno formando vapor de agua H 2O, y el Azufre es de proporción 1:2 es decir un átomo de Azufre por 2 de Oxígeno, este gas es perjudicial porque al enfriarse los productos de la combustión, el agua que se forma en la combustión y la que está presente en la humedad del combustible se condensan y reaccionan con el gas anhídrido H 2 formando ácido sulfúrico H2SO4 , sumamente corrosivo y ataca los conductos metálicos de escape.

3



3.1.1 Combustión Completa (Ideal, Teórica o Estequiometria -  CO).- Una combustión es completa cuando todos los componentes del combustible capaces de ser oxidados, se oxidan por completo. (Aire > Combustible). 3.1.2 Combustión Incompleta (Real-  CO).- Una combustión es incompleta cuando aparecen en los productos trazos o restos de combustible, en forma del propio combustible (CxHy) o sus componentes oxidados parcialmente (CO, OH). (Combustible > Aire). (Cantidad Permisible de CO: 3.5% CO)

3.2 COMBUSTIBLE Cualquier elemento o sustancia que pueda quemarse o arden con facilidad en presencia del Aire u Oxígeno, para liberar energía recibe el nombre de combustible. La mayoría de los combustibles conocidos se componen principalmente de Hidrógeno y Carbono. Reciben el nombre de combustibles Hidrocarburos y se denotan por la fórmula general C xHy. Los combustibles hidrocarburos existen en todas las fases, y algunos ejemplos son el Petróleo, gasolina, carbón y el gas natural.

3.3 COMBURENTE Es la sustancia que provoca la combustión o la activa (Oxígeno, Aire). El Oxígeno es necesario en toda reacción de combustión. El Oxígeno puro se utiliza solamente en aplicaciones especiales como el corte y la soldadura. En la mayoría de las aplicaciones de la combustión es el aire el que proporciona el Oxígeno necesario.

3.4 PRODUCTOS Son las sustancias que resultan del proceso de combustión.

3.5 ECUACION QUIMICA 3.5.1 EC. REAL  %CO 2  u   %O2  v    %CO  w   % N 2  z 

 C x H y  a. O2  3.76. N 2   u.CO2  v.O2  w.CO  l . H 2 O  z .N 2 Combustibl e

Aire

Pr oducto

3.5.2 EC. IDEAL – TEORICA  C x H y  b.O2  3.76 . N 2   m.CO2  n. H 2 O  p.N 2

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3.6 AIRE TEORICO Es la cantidad mínima de aire capaz de proporcionar o suministrar el Oxígeno suficiente para la combustión completa (mezcla aire-combustible homogénea) de todos los componentes del combustible susceptibles de ser oxidados. Cuando se obtiene combustión completa no puede haber Oxígeno en los productos de la combustión. Sin embargo en la práctica no es posible tener una combustión completa (debido a que suele usarse más aire del teórico) ni con las proporciones ideales químicamente correctas a menos que se administre una cantidad mayor de aire teórico un 150%. Esto se debe a que probabilísticamente no es posible que cada una de las extraordinariamente numerosas moléculas del combustible encuentre una molécula de Oxígeno para combinarse con ella. Por lo tanto la oxidación total del combustible se logra utilizando en la mezcla exceso de aire.

3.7 RELACION AIRE – COMBUSTIBLE Es la razón o coeficiente teórica entre la masa de aire teórico y la masa de combustible. Si la cantidad de aire suministrado en una combustión es inferior al aire teórico necesario la combustión será incompleta y habrá presencia de CO. La combustión incompleta se debe a tres causas: - Insuficiencia de Oxígeno. - Mezcla imperfecta entre el Oxígeno y el combustible. -Temperatura demasiado baja para mantener la combustión. Obs.: Motor de Combustión Interna (MCI):  Ra c 

 Ra c 

ma mc



 n. M   n. M 

a c

15 1

  Kg de Aire   Kg de Combustibl e  

  Kg Aire   Kg Combustibl e  

3.8 PORCENTAJE DE AIRE TEORICO La relación entre el aire real y el aire teórico es conocida como el porcentaje de aire teórico y la diferencia entre el aire real y el teórico como exceso o déficit de aire, según sea el caso.  %aT 

Ra c

R

 R 

x100%

a c T

5



3.9 EXCESO DE AIRE

 % Exc. 

Ra c

R

 Ra c

 R 

T

x100%

a c T

GRAFICAS CORRESPONDIENTES

%Exc(aire)

%Exc(aire)

%Exc(aire)

%Exc(aire)

%Exc(aire)

%Exc(aire)

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4. EQUIPO PARA LA EXPERIENCIA 4.1 ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTION Para efectuar el análisis de los gases de combustión (productos) se emplea un dispositivo conocido como analizador Orsat, a partir del cual es posible calcular la relación aire - combustible, y el grado de efectividad de la combustión, este proceso consiste en obtener una muestra de los productos de la combustión y determinar el porcentaje en volumen de cada gas componente

4.2 ANALIZADOR ORSAT El Aparato de Orsat es un analizador de gases usado para determinar la composición de una muestra de gases. Es un dispositivo que permite realizar análisis volumétrico en base seca de los productos de la combustión. Durante un análisis una muestra es pasada a través de líquidos absorbentes que remueven componentes específicos. El volumen del gas es medido antes y después de la absorción. La disminución en el volumen del gas representa la cantidad del componente que estuvo presente. Los volúmenes del gas son medidos a temperatura y a presión constante. El Orsat más común sirve para determinar el Dióxido de Carbono (CO 2), el Oxígeno (O 2) Y el Monóxido de carbono (CO).

4.2.1 COMPONENTES: - Bombin manual.- Se usa para succionar los gases del tubo de escape. - Válvula o grifo de 3 posiciones.- Permite el ingreso de los gases, así como bloquear el ingreso y además permite purgar el sistema. La cual está conectada a una manguera la que se coloca al tubo de escape de un motor para el ingreso de los gases. - Bureta.- Bureta de medición graduada de 100 cc. con escala de cero a cien, revestida por una camisa de agua a fin de evitar variaciones de temperatura durante el análisis, la bureta está rodeada por un cilindro lleno de agua con el objeto de mantener la temperatura del gas, conectada por su parte inferior por medio de un tubo de goma a una botella niveladora, y en su parte superior a tres pipetas dobles que contienen sustancias apropiadas para absorber los tres gases objeto de la medición. - Botella Niveladora.- Contiene cierta cantidad de agua. - Pipetas.- Cada uno de los tres recipientes consisten en dos tubos anchos unidos por un tubo pequeño en forma de U, todos con una válvula que permite el paso y la salida del gas que es objeto de análisis.

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En la pipeta A (lado derecho) se coloca una solución de Hidróxido de Potasio, esta absorbe (reacciona) el Dióxido de carbono (CO 2). En la pipeta B se coloca el reactivo Acido Pirogálico, esta absorbe el Oxígeno (O 2). En la pipeta C se coloca el reactivo Cloruro Cuproso, esta reacciona con el Monóxido de Carbono (CO).

4.3 ANALIZADOR BACHARAT (Digital) Es un equipo digital que permite determinar el análisis de los gases en un menor tiempo.

4.3.1 COMPONENTES: - Manguera con termocuplas. - Pantalla digital. - Bomba de succión de gases. - Tubo de la toma de muestra.

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5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En esta oportunidad utilizaremos el analizador Bacharat para determinar los niveles de composición de los gases de combustión en la experiencia realizada durante el laboratorio de CALDERAS A VAPOR.

ANALIZADOR BACHARAT a) Conectar la manguera y termocupla. b) Presionar la tecla (On/Off). c) Esperar 60 seg. para el calentamiento del analizador. Verifique que aparezca en la pantalla “Error No Detectado”.

d) Seleccione el combustible a analizar apretando la tecla (Menú) Obtendrá:

- Gasolina (Kerosina) - Aceite Nº 2 (Diesel) - Aceite Nº 4 - Aceite Nº 6 (Bunker)

Luego de escoger apriete (Enter).

e) Coloque el tubo de muestra en la máquina a analizar y presionar (Run), se activa la bomba de succión y se inicia la prueba. f) Esperar que las lecturas en la pantalla se estabilice. g) Presionar (Run) para apagar la bomba de succión y finalizar la prueba. h) Para almacenar la información de la prueba, presionar salvar (S). i) Para tomar otra muestra repita los pasos e,f,g.

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6. TABULACIÓN DE DATOS Los siguientes datos se obtuvieron con el analizador Bacharat durante la experiencia en el laboratorio sobre “PERFORMANCE DE LA CALDERA” .Las lecturas están en

valores porcentuales. LECTURAS DE LA PRUEBA (%) SUSTANCIA Nº1 (50PSI) Nº2 (80PSI) CO2

11,3

13,1

02

5,8

3,3

CO

0,0019

0,0011

N2

82,9

83,6

LECTURAS DE LA PRUEBA ( PPM ) SUSTANCIA Nº1 (50PSI) Nº2 (80PSI) CO

19

11

NOTA: En los datos para el CO, los valores correspondientes fueron dados en PPM (Partes Por Millón) lo cual tuvimos que convertirlo a valores porcentuales.

11



7. CALCULO EXPERIMENTAL PRUEBA Nº 1 

ECUACION QUIMICA

EC. REAL:

 %CO2  11.3   %O2  5.8     %CO  19   % N 2  69.13    C x H y  a..O2  3.76 . N 2   11 .3CO2  5.8O2  0.019 CO  l . H 2 O  82 .9 N 2 BALANCE: x  11  0.019

C :

H : y  2.l O : 2.a  (11.3).2  5.8 . 2  0.019  l



N : 3.76 . 2.a  82.9 . 2



      

x  11.01 y  19.7 l  .9.86 a  22.04

EC. IDEAL - TEORICA

 C 11..01 H 19.7  b.O2  3.76 . N 2   m.CO2  n. H 2 O  p. N 2 BALANCE: 11.01 

C :

m

 2.n O : 2.b  2.m  n . 2 .b  2. p N : 3.76 

H :



19.7



     

m  11.01 n  9.85 b  15.93 p  59.89

RELACION AIRE - COMBUSTIBLE

  Ra c  R 

22 .04 .16 x2  3.76 x14 x 2

  Ra c T 

15 .9316 x2  3.76 x14 x2

12 x11 .01  1 x19 .7

12 x11 .01  1 x19 .7

  Kg Aire  19 .92   Kg Combustibl e  

 Kg Aire   14 .40   Kg Combustibl e  

12



EXCESO DE AIRE



 % Exc. 

19.92  14.40 19.92

x100%  38%

PORCENTAJE DE AIRE TEORICO



 %aT 

19.92 14.40

x100%  138%

PRUEBA Nº 2 ECUACION QUIMICA



EC. REAL

 %CO2  9.8   %O2  7.8     %CO  9   % N 2  73.4    C x H y  a..O2  3.76 . N 2   13 .1CO2  3.3O2  0.011CO  l . H 2 O  83 .6. N 2 BALANCE: x  13.1  0.011

C :

H : y  2.l

 13.1 . 2  3.3 . 2  0.011  l . 2.a  83.6 . 2 N : 3.76 O:

2.a





      

x  13.11 y  23.2 l  11.6 a  22.23

EC. IDEAL - TEORICA

 C 13.11 H 23.2  b.O2  3.76 . N 2   m.CO2  n. H 2 O  p. N 2 BALANCE: C :

13.1 

m

 2.n O : 2.b  2.m  n . 2 .b  2. p N : 3.76 

H :

23.2



      

m  13.1 n  11.6 b  18.9 p  142.1

13




RELACION AIRE - COMBUSTIBLE

  Ra c  R 

22 .23 .16 x2  3.76 x14 x 2

  Ra c T 

18 .9.16 x2  3.76 x14 x2



12 x13 .11  1 x23 .2

12 x13 .11  1 x23 .2

  Kg Aire  16 .90   Kg Combustibl e  

  Kg Aire   14 .37  Kg Combustibl e  

EXCESO DE AIRE

 % Exc. 




16.90  14.37 14.37

x100%  17.6%

PORCENTAJE DE AIRE TEORICO

 %aT 

16.90 14.37

x100%  117%

8. TABULACIÓN DE RESULTADOS Nº

1(50PSI) 2(80PSI)

(Ra/c)R

19.92

16.90

(Ra/c)T

14.40

14.37

% Exc.

38

17.6

% aT

138

117

OBSERVACION: El combustible que se utilizo para la experiencia fue el diesel 2. Su composición química está formado por 75% hidrocarburos saturados (principalmente parafinas) y un 25% hidrocarburos aromáticos. El promedio de la formula química para Diesel común es C 12H26, variando entre C 10H22 a C15H32.

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9. GRAFICOS GRAFICA Nº1.

%EXC.aire VS. %O2 2 6

O 5.5 %

5.8

5 4.5 4 3.5 3.3

3 17

20

23

26

y = 0,1225x + 1,1431 R² = 1

29

32

35

38

%EXCESO DE AIRE

GRAFICA Nº2.

%EXC.aire VS. %CO2

2 15

O 14 C 13 %

13.1

11.3

12 11 10 17

20

23

26

29

32

35

38

%EXCESO DE AIRE

y = -0,0882x + 14,653 R² = 1

GRAFICA Nº3.

%EXC.aire VS. %CO

O0.002 C %

0.0019

0.0015 0.0011 0.001 17

20

23

y = 4E-05x + 0,0004 R² = 1

26

29

32

35

38

%EXCESO DE AIRE

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10. OBSERVACIONES 



Vemos que la grafica Nº3: %EXC.aire VS. %CO, nos dice que a mayor porcentaje de exceso de aire, mayor es el porcentaje de monóxido de carbono. Las Graficas Nº1 y Nº2 es opuesta o inversamente proporcional.

11. CONCLUSIONES 





El uso del analizador Orsat y Bacharat es necesario para mejorar el proceso de enseñanza en el campo de las Máquinas Térmicas, debido a que éste aparato serviría como un instrumento didáctico de apoyo al docente y de gran ayuda al alumno. Sería el respaldo fundamental para el mejor entendimiento de los objetivos de la cátedra de Motores de Combustión, así como también Combustibles y Lubricantes, en cuanto se refiere a lo proyectado en el área de la combustión y los productos de la combustión, contribuyendo en el logro de dichos objetivos. El uso de estos analizadores es importante por las siguientes razones: Estos aparatos son necesarios para la realización de las prácticas cuando se esté viendo los objetivos que traten de la combustión y los productos de la combustión. Sumarian dinamismo a la enseñanza teórica y a la práctica y a su vez haría más atractiva las prácticas para el alumnado, creando un ambiente de estudios favorable tanto para el profesorado como para los alumnos. El analizador Bacharat es un instrumento de mayor precisión y su uso es de gran importancia en el Laboratorio de Máquinas Térmicas.

12. BIBLIOGRAFÍA 



“Guía de Laboratorio de Termodinámica II: UNAC -FIME” “TERMODINÁMICA” :

Yunus A. Cengel – Michael A. Boles



“EL LABORATORIO DEL ING. MECÁNICO” :



INTERNET: www.google.com

Jesse Seymour D.

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