El análisis de los productos de la combustión provee la información necesaria para el estu estudi dio o de los proc proces esos os que que ésta ésta invol involuc ucra ra.. Indic Indica a si es o no comp comple leta ta,, el tipo tipo de sustancias que quedan después de ésta, y la cantidad de aire utilizada con relación al monto de combustible quemado. También es posible la determinación de la composición del combustible a partir del análisis de los productos de combustión. La combustión es, en esencia, una reacción química del oxígeno y el combustible en escala molecular. molecular. Así, la combustió combustión n está relacionada relacionada con las moléculas moléculas.. Pero las moléculas moléculas son tan pequeñas que resultan invisibles. Además, el número de moléculas contenido en un pequeño volumen de sustancia es enorme. Por lo tanto, no es práctico considerar la combustión sobre la base de moléculas individuales.
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Analizar Analizar e interpr interpreta etarr los produc productos tos de de la combustión combustión Comprender el manejo de un dispositivo de análisis de productos de la combustión.
Para permitir un tratamiento racional al problema de la combustión, conviene recurrir al concepto de “Mol “. En Ingeniería un kg- mol ( o molécula - Kilogramo ) puede definirse como omo el núm número de molé olécula ulas de una susta ustanc ncia ia cuya uya masa, asa, en Kilo Kilogr gram amo o es numéricamente igual a su masa molecular. Un kg-mol de hidrógeno pesa 2,016 Kg; un kgmol mol de oxíge ígeno 32 Kg y el núm número de molé molécculas ulas conte ntenid nidas en un kgkg-mol es 26 aproximadamente 6,02 X 10 Los dos elementos principales del combustible que intervienen en la combustión son el carbono y el hidrógeno. Estos elementos se combinan con el oxígeno del aire para formar respectivamente, bióxido de carbono y vapor de agua. Cuando el oxígeno presente es insuficiente, se forma también cierta cantidad de monóxido de carbono. La reacción de combustión del hidrógeno puede escribirse: 2 H2 + O2
2 H2O
Teniendo en cuenta que un kg-mol de hidrógeno pesa aproximadamente 2 Kg y medio kgmol de oxígeno 16 Kg, la ecuación puede escribirse así : 2 Kg de H2 + 16 Kg de O 2
18 Kg de H2O. 32
La masa total no puede variar durante la combustión . De modo similar, la combustión del carbono puede expresarse mediante la ecuación C + O2
CO2.
El oxígeno necesario para la combustión se suministra por lo general como componente del aire. El aire está compuesto principalmente por oxígeno y nitrógeno pero se encuentra en el otros elementos en pequeñas cantidades. En cálculos de combustión empleando aire, se considera que el aire está constituido simplemente por 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno en volumen o mol; de esta forma, por cada mol de oxígeno que entra en la reacción hay 3.76 moles de nitrógeno ( 79/21 = 3.76). Los gases a diferencia de los sólidos se analizan en volumen y no en masa. La cantidad de aire necesaria para proveer el oxígeno requerido para la combustión completa de un combustible se llama cantidad teórica de aire. Todo el aire suministrado además del aire teórico es aire de exceso. La relación de aire de exceso al aire teórico, expresada como tanto por ciento, es el tanto por ciento de aire de exceso. El tanto por ciento de aire teórico es la relación del aire teórico al aire total suministrado. Para determinar el aire teórico necesario para un combustible compuesto de hidrógeno y carbono, puede determinarse la cantidad de oxígeno necesario, por medio de las ecuaciones anteriores. Las sustancia que se encuentran después de haberse producido la combustión, se llaman productos de combustión así, el nitrógeno y el oxígeno no utilizados, forman parte de estos productos aún cuando no intervienen en la reacción. El análisis de los productos de la combustión permite determinar la relación entre las cantidades de aire y combustible, suponiendo que se conoce la composición del combustible. Conociendo la relación de aire a combustible, se puede determinar el caudal de aire y el caudal de productos gaseosos. Además el análisis de los productos de combustión, permite determinar si la combustión es o no completa. Cuando la combustión es casi completa los productos de combustión son bióxido de carbónico, monóxido de carbono, vapor de agua, oxígeno y nitrógeno. Aunque pueden hallarse presentes otras sustancias. El aparato de Orsat es un dispositivo útil para el análisis volumétrico de los productos de combustión. Hay muchas variantes del aparato de Orsat. El Orsat más común sirve para determinar el bióxido de carbono, el monóxido de carbono y el oxígeno (ver gráfica 3.1).
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Gráfico 3.1
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La gráfica 3.2 nos ilustra el comportamiento del volumen del O2 y CO2 en los gases de combustión según la variación del porcentaje de aire en exceso para diferentes combustibles.
Gráfico 3.2
Para el desarrollo de este laboratorio se debe disponer de un motor de automóvil (preferiblemente moderno ), en caso de no tenerlo, se utiliza la salida de gases de la caldera.
Sitúe el vehículo en un lugar ventilado y encienda el motor, manteniéndolo a baja revolución. Para la tomo de muestra de gases en el Orsat se debe proceder de la siguiente forma: Se nivelan las tres pipetas de absorción, tomando puntos de referencia de nivel de las soluciones. Se conecta el Orsat con los gases de combustión. Se baja el nivel del líquido confinante hasta que llene el frasco nivelador de gases. Posteriormente se sube el nivel del líquido confinante mediante vaciado del frasco nivelador. Se repite esto varias veces para evacuar el aire del Orsat y atrapar así la muestra.
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Para la absorción de los gases, la muestra se envía a la pipeta de absorción de bióxido de carbono varias veces, subiendo y bajando el frasco nivelador; se llega al nivel de referencia y se cierra esta pipeta, se hace la lectura del volumen absorbido. Posteriormente se abre la pipeta de absorción de oxígeno repitiendo lo anterior y finalmente, se hace lo mismo con la pipeta de absorción de monóxido de carbono, conservando este orden. Repita los pasos anteriores con el motor a alta revolución.
Tomando al metano como ejemplo de un combustible, como base cálculo de 100 moles tenemos: CH4 + aO2 + (3.76) a N2
bCO2 + cH20
Haciendo un balance de masa: Balance de carbono: b = 1 Balance de hidrógeno: c = 2 Balance de oxígeno: a = b + c/2 =2 Así, para combustión completa la ecuación balanceada nos queda: CH4 + 202 + 7.52 N2
C02 + 2H20
El aire teórico, se calcula de la siguiente forma: Aire teórico =2 + 7.52 = 9.52 kmol de aire / kmol de combustible Para hallar la relación teórica de aire combustible, en base de masa: (2 + 7.52)(28.95) Aire-combustible =-------------------------- = 17,23 kg de aire / kg combustible 12x1 + 1x4 Para hallar la relación aire-combustible para una combustión incompleta, se deben encontrar experimentalmente los productos de la combustión y balancear la ecuación. Si se tiene un combustible de composición química desconocida ó una mezcla de hidrocarburos y la combustión es incompleta, se puede escribir la ecuación de la combustión para 100 moles de producto seco así: 36
CaHb + cO2 + dN2
eCO2 + f CO + gO 2 +hN2 + iH2O
(Suponer hidrocarburo alifático saturado, b =2a + 2) El porcentaje de aire teórico se calcula haciendo la relación entre el aire real usado en la combustión y el aire teórico, multiplicado por 100.
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Hacer tabla con los resultados obtenidos Compare los resultados obtenidos con el motor en baja y con el motor en altas revoluciones. Que producto de la combustión varía notablemente con este cambio?, Por que?
¿De qué manera se puede ayudar para que la combustión sea casi completa? Se informa que el resultado de un análisis de los productos de la combustión (análisis Orsat) es el siguiente, para la combustión de un carbón bituminoso: CO 2, 8%; O2, 9%; CO, 0.5%; Es éste análisis razonable? (consultar gráfico anterior). Para la práctica realizada, calcule: a) La ecuación de la combustión b) La relación teórica aire-combustible en base de masa c) La relación real aire-combustible en base de masa d) El porcentaje de aire teórico usado, en base de masa
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