Contenido 1.
Objetivo general ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. ................................ ......... 1
2.
Fundamento teórico ............................................ ................................................................... ............................................. ............................................. ......................... 1
3.
Pictogramas ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. ....................................... ................ 2
4.
Parte experimental ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. ............................ ..... 3 Experiencia 1: Determinación de la humedad .......................................... ................................................................. ................................... ............ 3 a.
Observaciones experimentales ........................................... .................................................................. ............................................. ........................ 3
b.
Diagrama de f lujo ........................................... ................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 3
c.
Ecuaciones químicas............................................ .................................................................. ............................................ ....................................... ................. 4
d.
Cálculos y resultados ........................................... ................................................................. ............................................ ....................................... ................. 4
e.
Explicación e interpretación de resultados resultados ........................................... .................................................................. ............................ ..... 4
f.
Comentarios y/o apreciaciones ........................................... .................................................................. ............................................. ........................ 4
g.
Conclusiones............................................. ................................................................... ............................................ ............................................. ............................ ..... 4
Experiencia 2: Cuantificación de la materia volátil ......................................... ............................................................... ............................ ...... 5 a.
Observaciones experimentales ........................................... .................................................................. ............................................. ........................ 5
b.
Diagrama de flujo ............................................ .................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 5
c.
Ecuaciones químicas............................................ .................................................................. ............................................ ....................................... ................. 6
d.
Cálculos y resultados ........................................... ................................................................. ............................................ ....................................... ................. 6
e.
Explicación e interpretación de resultados resultados ........................................... .................................................................. ............................ ..... 6
f.
Observaciones finales .......................................... ................................................................ ............................................ ....................................... ................. 6
g.
Comentarios y/o y/o apreciaciones ........................................... .................................................................. ............................................. ........................ 6
h.
Conclusiones............................................. ................................................................... ............................................ ............................................. ............................ ..... 6
Experiencia 3: Obtención de las cenizas ......................................................... ................................................................................ ............................ ..... 7
5.
a.
Observaciones experimentales ........................................... .................................................................. ............................................. ........................ 7
b.
Diagrama de flujo ............................................ .................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 7
c.
Cálculos y resultados ........................................... ................................................................. ............................................ ....................................... ................. 7
d.
Explicación e interpretación de resultados ........................................... .................................................................. ............................ ..... 8
e.
Observaciones finales .......................................... ................................................................ ............................................ ....................................... ................. 8
f.
Comentarios y/o apreciaciones ........................................... .................................................................. ............................................. ........................ 8
g.
Conclusiones............................................. ................................................................... ............................................ ............................................. ............................ ..... 8
Cuestionario ............................................. .................................................................... ............................................. ............................................. ................................... ............ 9
1. Objetivo general
Mediante el análisis cuantitativo de una muestra de carbón determinar: humedad, material volátil, carbón fijo y cenizas Calcular el calor de combustión de un carbón Calcular el poder calorífico de un carbón Determinar el tipo de carbón utilizado en la práctica de laboratorio
2. Fundamento teórico El carbón o carbón mineral es una roca sedimentaria de color negro, muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos, principalmente hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno, utilizada como combustible fósil. La mayor parte del car bón se formó durante el período Carbonífero (hace 359 a 299 millones de años). Es un recurso no renovable. El carbón se origina por la descomposición de vegetales terrestres que se acumulan en zonas pantanosas, lagunares o marinas, de poca profundidad. Los restos vegetales se van acumulando en el fondo de una cuenca. Quedan cubiertos de agua y, por lo tanto, protegidos del aire, que los degradaría. Comienza una lenta transformación por la acción de bacterias anaerobias, un tipo de microorganismos que no necesitan oxígeno para vivir. Con el tiempo se produce un progresivo enriquecimiento en carbono. Posteriormente pueden cubrirse con depósitos arcillosos, lo que contribuirá al mantenimiento del ambiente anaerobio, adecuado para que continúe el proceso de carbonización. Se estima que una capa de carbón de un metro de espesor proviene de la transformación por diferentes procesos durante la diagénesis de más de diez metros de limos carbonosos. En las cuencas carboníferas las capas de carbón están intercaladas con otras capas de rocas sedimentarias como areniscas, arcillas, conglomerados y, en algunos casos, rocas metamórficas como esquistos y pizarras. Esto se debe a la forma y el lugar donde se genera el carbón Si por ejemplo un gran bosque está si tuado cerca del litoral y el mar invade la costa, el bosque queda progresivamente sumergido por descenso del continente o por una transgresión marina y los restos vegetal es se acumulan en la plataforma litoral. Si continúa el descenso del continente o la invasión del mar, el bosque queda totalmente inundado. Las zonas emergidas cercanas comienzan a erosionarse y los productos resultantes, arenas y arcillas, cubren los restos de los vegetales que se van transformando en carbón. Si se retira el mar, puede desarrollarse un nuevo bosque y comenzar otra vez el ciclo. Existen numerosas variedades de carbón, las cuales se pueden clasificar según características como: Humedad Porcentaje en materias minerales no combustibles (cenizas)El poder calorífico Inflamabilidad, en conexión con el porcentaje de elementos volátiles. El análisis elemental es un ensayo químico que proporciona la fracción másica de cada uno de los cinco elementos que componen principalmente todos los tipos de carbón: carbono(C), nitrógeno (N), oxígeno (O), hidrógeno (H), azufre (S) 1
Tipos de Carbón
El carbón se clasifica en función de su poder calorífico (poder para producir combustiones o quemar). Cuanta más proporción tienen de carbono mejor será. Según esto tenemos: Turba: Es el de peor calidad y por tanto el que me nos proporción de carbono tiene (apenas el 55%). Es el primer carbón que se forma tiene un color verde parduzco y el en momento de su extracción todavía contiene mucha agua, por eso debe ser secado antes de usarse como combustible. Cuando arde desprende mucho humo y cenizas. Se usa como combustible de baja calidad. Lignito: Cuando la turba se va comprimiendo se va formando el lignito. Es de color ne gro y suele tener una textura similar a la de la madera de la que procede. Tiene un porcentaje en carbono entre el 60% y el 75%. Es un combustible de calidad media. Es un carbón formado hace unas cuantas decenas de millones de años. Se usa como combustible para generar electricidad. Hulla: La hulla contiene entre el 75% y el 85% en carbono y es duro, negro, opaco y graso. Se forma cuando se comprimen las capas de lignito en la era primaria y es el tipo de carbón más abundante y el llamado carbón de piedra más utilizado. Posee un alto poder calorífico y es por eso que se utiliza principalmente para las Centrales Térmicas en la producción de electricidad. También se usa para producir carbón de coque usado en los altos hornos. La elaboración de coque genera a su vez muchos derivados que se utilizan en la industria química; benceno, naftaleno, fenoles cresoles etc. etc. etc. Antracita: Procede de la transformación de la hulla. Es el mejor de todos los tipos de carbones con un porcentaje en carbono que puede llegar incluso al 95%. Es el menos contaminante (desprende poco humo) y el que tiene mayor poder calorífico. Es negro, brillante y muy duro (difícil de rayar). Se usa en las calderas de calefacción para las viviendas y para generar electricidad, pero debido a s u coste está siendo desplazado por el gas natural. Su uso principal hoy en día es para producir coque.
3. Pictogramas C
RIESGOS: La inhalación de polvo de carbón es ligeramente irritante a los pulmones y de forma inmediata puede generar dolor de garganta, tos, estornudos, y la producción de flema en el tejido sensible de la garganta. PRECAUCIONES : Ventilación adecuada. Procesos húmedos siempre que sea posible. Mascarilla con filtro mecánico para polvos. PRIMEROS AXILIOS : Retirar del área a la persona afectada, llevarla a un lugar con aire fresco y brindarle oxígeno si hay dificultad para respirar. Dar respiración artificial SOLO si la respiración se ha detenido y dar RCP SOLO si no hay respiración ni pulso. Obtener atención médica. USOS: Algunos de sus más importantes usos corresponden a la generación de electricidad, la producción de acero y la fabricación de cemento.
2
4. Parte experimental Experiencia 1: Determinación de la humedad a. Observaciones experimentales
Se utilizaron 0.5 g de muestra de carbón pulverizado y no 1.0 g como indica la guía; esto con el fin de reducir el tiempo de realización de la experiencia. Se eliminará la humedad de la muestra llevándola a una temperatura de 110°C durante una hora en una estufa. El crisol con la muestra es colocado dentro de la estufa sin tapa durante una hora. Luego, el sistema (crisol y muestra) se retira de la estufa y es colocado dentro de un desecador, el cual posee en su base cristales de color azul (sulfato de cobre). Al retirar el sistema del desecador y pesarlo, se observa que éste ha perdido masa.
b. Diagrama de f lujo Colocarlo sin tapa en una estufa a 110°C durante una hora.
Pesar el crisol de porcelana y 0.5g de
Dejarlo enfriar en un desecador Retirarlo del desecador y pesar.
durante unos 10min.
3
c. Ecuaciones químicas
d. Cálculos y resultados Masa(g) Crisol de porcelana 21.55 Carbón 0.5 Crisol de porcelana + Carbón 22.05 Crisol de porcelana + Carbón SECO 21.95
Masa de H2O = (Crisol de porcelana + Carbón) – (Crisol de porcelana + Carbón SECO) Masa de H2O = 22.05 - 21.95 Masa de H2O = 0.1 g % de H2O en Carbón = Masa de H 2O/Masa de Carbón x 100% % de H2O en Carbón = 0.1/0.5 x 100% % de H2O en Carbón = 20%
e. Explicación e interpretación de resultados
Para eliminar efectivamente los rastros de humedad en la muestra de carbón, se lo lleva a una estufa a una temperatura de 110°C ya que la temperatura de ebullición del agua en el laboratorio es de aproximadamente 96°C. No se lo lleva a más temperatura ya que se corre el riesgo de que el carbón empiece a combustionar.
f. Comentarios y/o apreciaciones
El agua contenida en la muestra se encuentra en forma de: agua de impregnación, agua higroscópica y agua combinada químicamente.
g. Conclusiones
Se concluye que la muestra contenía un alto porcentaje de agua 20% de la masa total. Cuando la humedad es muy elevada (>14%) ocasiona trastornos en la manipulación.
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Experiencia 2: Cuantificación de la materia volátil a. Observaciones experimentales
Se procede a calentar el crisol por segunda vez, esta vez a primero suave y lentamente, luego con una llama intensa durante unos 7 minutos Estando el crisol tapado, se calentó la muestra hasta quedar el rojo vivo, aproximadamente a 950 grados Celsius por unos 7 minutos. Se dejó enfriar a temperatura ambiente para posteriormente pesarla Al momento de calentarlo tomamos en cuenta que se debe ta par el crisol, para eliminar la materia volátil
b. Diagrama de flujo
Colocamos el crisol sobre el aro de soporte universal
Calentamos el crisol, primero suave luego con llama intensa
Dejamos enfriar a temperatura ambiente
Pesamos la muestra fría
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c. Ecuaciones químicas
d. Cálculos y resultados Peso del crisol + carbón seco
21,95
Peso del crisol + residuo
21,90
Peso de la materia volátil
0,05
% de la materia volátil
0,227%
e. Explicación e interpretación de resultados
Una diferencia de peso después del calentamiento significa que se ha perdido una cierta masa, esta masa pertenece a la materia volátil que presenta el carbón
f. Observaciones finales
La masa del crisol con el carbón fue de 21,90gr. Teniendo en cuenta que la masa inicial fue de 21,95gr la masa volátil es de 0,05gr. Al retirar la muestra se le coloca de inmediato al desecador y después se procede a pesarlo
g. Comentarios y/o apreciaciones
Existen varias formas de clasificar a un tipo de carbón, una puede ser con el porcentaje de materia volátil y la que utilizaremos en la siguiente experiencia, el porcentaje de carbón fijo. Inmediatamente después del calentamiento se debe tapar el crisol ya que el carbón puede absorber la humedad del ambiente.
h. Conclusiones
El contenido de sustancias volátiles del carbono vegetal obtenido se encuentra por debajo de las características de un buen carbón lo que presentará dificultades al encenderse y su combustión será limpia para su encendido Este factor afecta la combustión del carbón pulverizado. Los carbones con bajo contenido de volátiles se inflaman con menos facilidad, necesita más tiempo para la combustión.
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Experiencia 3: Obtención de las cenizas a. Observaciones experimentales
Al obtener las cenizas este es de un color blanquecino o gris Cada cierto tiempo el carbón molido arde El carbón estaba al rojo vivo mientras cambiaba de color
b. Diagrama de flujo
Calentar hasta la combustión
Obtener las cenizas
Luego pesar y apuntar cuanto indica la balanza
c. Cálculos y resultados
Obtención de cenizas Peso del crisol=21,55g Peso del crisol + cenizas=21,60g Peso de las cenizas=0,05g 7
Enfriar el crisol cubriendo la tapa
Carbón fijo Peso del crisol + residuo=21,90g Peso del crisol + cenizas=21,60g Peso del carbón fijo=0,30g % de carbón fijo(C.F.)=
x100=60
Determinación del calor de combustión %M.V.=32 %H=(%M.V.)(
)-(0,013) =32( (0,013)=5,587
%N=(2,10-0,012x%M.V.) =1,716 %C=C.F + 0,09(%M. V – 14) =61,62 carbón bituminoso %C=C.F +0,02(%M. V -18) =60,28 lignito %O=100-(%C+%H+%N+%cenizas+%agua) =1,077 carbón bituminoso %O=100-(%C+%H+%N+%cenizas+%agua) =2,417 lignito
+62,028( =11,76 carbón bituminoso Poder calorífico=14,54( ( ) lignito Poder calorífico=14,54(
d. Explicación e interpretación de resultados El porcentaje de carbón fijo sale bastante cercano al porcentaje de carbono en ambos casos, no varía mucho. Carbón bituminoso C 61,62% H 5,587% O 1,077% N 1,716%
Lignito C H O N
60,28% 5,587% 2,417% 1,716
e. Observaciones finales
Cuando movíamos el carbón hecho cenizas volvía a tornarse negro, esto se debía a que no todo el carbón se había convertido en ceniza y necesitaba más calor. Notamos que los valores teóricos entre carbón bituminoso y lignito son muy semejantes por lo que no podemos precisar a cuál se asemeja más.
f. Comentarios y/o apreciaciones
La experiencia necesita de bastante tiempo por lo que pensamos que se puede usar un catalizador, pero no es sustancia acuosa, lo que nos ha hecho pensar que para que se lleve a cabo más rápido necesitamos de más calor de reacción.
g. Conclusiones
El porcentaje de carbón fijo salió aproximadamente a los porcentajes de carbono en ambos casos es decir no hubo mucho margen de error.
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5. Cuestionario a. Explicar la importancia que tiene el carbón como combustible en función a su poder calorífico. El carbón es un combustible fósil que se formó a partir de restos vegetales prehistóricos. La importancia del carbón radica en su alto poder energético como combustible; la energía de dicho material fue suministrada a las primeras máquinas a vapor, como barcos, trenes y maquinarias industriales. Una característica importante del carbón es su gran disponibilidad (dependiendo del país), aunque no se regeneran fácilmente y el agotamiento de la reservas a corto o mediano plazo afecta su precio. Además de lo mencionado, el carbón es altamente acumulable y transportable. b. Realiza una descripción de las propiedades de los carbones amorfos naturales e investiga, ¿qué carbón es de formación más antigua? Los carbonos amorfos naturales son impuros y son el resultado de los proc esos de petrificación de materiales orgánicos descompuestos. Entre ellos, encontramos: Lignito: Tiene una textura similar a la madera de la que procede, es de color negro y se forma a partir de la compresión de la turba. Su concentración de carbono se encuentra entre 60% y 75%. Hulla: Contiene entre 50% y 80% de carbón. Es duro y quebradizo, de color negro con un brillo grasoso. Se formó mediante la compresión de lignito, durante la Era Paleozoica. Es el tipo de carbón más abundante. Turba: Posee un color pardo amarillento, se diferencia de otros materiales en su textura (es una masa esponjosa y ligera, puede desmenuzarse). Contiene una cantidad de carbono del 59%. Antracita: Es la que posee la mayor cantidad de carbono (hasta el 95% de su composición total). Es de color negro a gris acero con lustre brillante. Destaca también por ser poco contaminante en comparación con otros carbones y su bajo contenido de humedad. Su formación se remonta a la Era Paleozoica, y es el más antiguo de los carbones fósiles. c. Prepara un cuadro comparativo del poder calorífico de los siguientes combustibles : carbón de leña, coque, antracita, hulla, lignito, turba, petróleo, metano, propano, alcohol de caña y gasolina. Combustible Carbón de leña Coque Antracita Hulla Lignito Turba Petróleo Metano Propano Alcohol de caña Gasolina
Poder calorífico (kJ/kg) 31400 29300 34300 30600 28400 21300 43000 49956 46350 19200 43950 9
