PROCESOS DE COMBUSTIÓN TEÓRICO Y REAL Cualquier material que pueda quemarse para liberar energía recibe el nombre de combustible. combustible. La mayoría de los combustibles combustibles conocidos conocidos compone principalmente de hidrogeno y carbono. Reciben el nombre de combustible hidrocarburos y se denotan por la formula general CnHm. Los combustibles hidrocarburos existen en todas las fases y algunos ejemplos son el carbón, la gasolina y gas natural. El principal constituyentes del carbón mineral es el carbono; también contiene cantidades variables de oxigeno, nitrógeno, azufre, humedad y ceniza. Es difícil dar un análisis de la masa exacta del carbono mineral pues que su composición varia de un area geográfica a otra e incluso dentro de la misma región. La mayor parte de los combustibles hidrocarburos líquidos son una mezcla de números hidrocarburos hidrocarburos y se obtiene obtiene del petróleo crudo mediante la destilación .los hidrocarburos hidrocarburos mas volátiles volátiles se vaporizan primero formando lo lo que se obtiene durante la destilación son el queroseno, el diesel y el combustoleo .La composición de un combustible particular depende de la fuente de petróleo crudo, así como de la refinería. Aunque los combustibles hidrocarburos líquidos son mezclas de muchos hidrocarburos diferentes, por conveniencia suelen considerarse como un solo hidrocarburo.Por ejemplo, la gasolina se trata como octano, C 8H18, y el diesel como dodecano, C 12H26.Otro hidrocarburo liquido común es el alcohol metilico CH3OH, al que también se le llama metanol y se usa en algunas mezclas de gasolina. El gas natural combustible hidrocarburo gaseoso, algunas veces se trata metano CH4, por simplicidad. Una reacción química durante la cual se oxida un combustible y se libera una gran cantidad de energía recibe el nombre de combustión .El oxidante empleado con mayor frecuencia en los procesos de combustión es el aire, por obvias razones;: es gratis gratis y es fácil de conseguir.EL conseguir.EL oxigeno puro O se emplea emplea como oxidante oxidante solo solo en en algunas aplicaciones especializadas como el corte y soldadura donde donde no se se puede utilizar aire.En consecuencia, son pertinentes pertinentes unas cuantas palabras palabras acerca de la composición del aire.
En unas base molar o de volumen, el aire seco esta compuesto por 20.9 por ciento de oxigeno, 78.1 por ciento de nitrógeno, 0.9 por ciento de argon y pequeñas cantidades de o dióxido de carbono, helio, neon e hidrogeno. En el análisis de los procesos de combustión, el argon en le aire se trata como nitrógeno, en que los gases que existen en cantidades muy pequeñas se descartan. De modo que el aire seco puede considérese aproxima dadamente como 21 por ciento de oxigeno que entra en una cámara de combustión será acompañado por 0.79/0.21 = 3.76 mol de nitrógeno. Es decir 1 kmol O2 + 3.76 kmol N2 = 4.76 kmol aire A temperatura de combustión ordinaria el nitrógeno se comporta como un gas inerte y no reacciona con otros elementos químicos. Pero aun en ese caso la presencia de nitrógeno influye de manera considerable en el resultado de un proceso de combustión, pues el nitrógeno suele entrar en una cámara de combustión en grandes cantidades a temperaturas bajas y salir a temperaturas considerablemente altas, absorbiendo una gran proporción de la energía química liberada durante la combustión. En todo este capitulo se supondrá que el nitrógeno permanecerá perfectamente inerte.
Téngase en mente, sin
embargo, que a temperaturas muy altas, como las que se encuentran en las maquinas de combustión interna, una pequeña fracción de nitrógeno reacciona con oxigeno, formando gases peligrosos como el oxido nítrico. El aire que entra en una cámara de combustión contiene algo de vapor de agua (o humedad), el cual también es digno de consideración. En casi todos los procesos de combustión, la humedad en el aire puede tratarse como gas inerte, como nitrógeno. Sin embargo a temperaturas muy altas un poco de vapor de agua se descompone en H 2 y O2, así como en H, O y OH. Cuando los gases de combustión se enfrían por debajo de la temperatura de punto de rocío del vapor de agua, una parte de la humedad se condensa, es importante predecir la temperatura de punto de rocío debido a que las gotas de agua suelen combinarse con el dióxido de azufre que puede estar presente en los gases de combustión, formando acido sulfúrico, el cual es muy corrosivo. Durante un proceso de combustión los componentes que existen antes de la reacción reciben el nombre de reactivos, y los componentes que existen
después de la reacción se denominan productos. Considere, por ejemplo, la combustión de 1 kmol de carbón con 1 kmol de oxigeno puro, que forma dióxido de carbono: C + O2
CO2
(14-2)
Aquí C y O2 son los reactivos, puesto que existen antes de la combustión y CO 2 es el producto, debido a que existe después de la combustión. Observe que un reactivo no tiene que reaccionar químicamente con la cámara de combustión. Por ejemplo, si el carbono se quema con aire en lugar de oxigeno puro, ambos lados de la ecuación de combustión incluirán N 2. Es decir, el N2 aparecerá como un reactivo y como un producto. Debe mencionarse que poner un combustible en estrecho contacto con el oxigeno no es suficiente para iniciar la combustión. (Gracias a dios que es así. de otro modo, el mundo entero estaría en llamas). El combustible debe llevarse arriba de su temperatura de ignición para iniciar la combustión. Las temperaturas de ignición mínimas aproximadas de varias sustancias del aire atmosférico son 260ºC para la gasolina, 400ºC para el carbono, 580ºC para el hidrogeno, 610ºC para el monóxido de carbono y 630ºC para el metano. Además, las proporciones del combustible y del aire deben estar en un nivel adecuado para que comience la combustión. Por ejemplo, el gas natural no se quemara en el aire en concentraciones menores a 5 por ciento o mayores a 15 por ciento aproximadamente. Como el lector recordara de sus cursos de química, las ecuaciones químicas se balancean con base en el principio de la conservación de la
masa, el cual puede enunciarse como sigue: la masa total de cada elemento se conserva durante una reacción química. Es decir, la masa total de cada
elemento en el lado derecho de la ecuación de la reacción(los productos) debe ser igual a la masa total de ese elemento en el lado izquierdo (los reactivos) aun cuando los elementos existan en compuestos químicos diferentes en los reactivos y los productos. Además, el número total de átomos de cada elemento se conserva durante una reacción química, ya que el número total del electo dividida por su masa atómica. Por ejemplo, ambos lados de la ecuación 14-2 contiene 12 kg de carbono y 32 kg de oxigeno, aun cuando el carbono y el oxigeno existen como
elementos en los reactivos y como compuesto en el producto. Asimismo, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos, siendo cada una 44 kg. (Es una práctica común redondear las masas molares hasta el entero más cercano si no se requiere más exactitud.)Sin embargo, advierta que el número de moles total de los reactivos (2 kmol) no es igual al número de moles total de los productos (1kmol). Es decir, el número total de moles no se conserva durante una reacción química.
Una cantidad utilizada en el análisis de procesos de combustión para cuantificar las cantidades de combustible y aire es la relación aire –
combustible AC. Suele expresar en una base de masa y se define como la proporción entre la masa del aire y la masa de combustible en un proceso de combustión (figura 14-6). Es decir, Es decir, AC = maire mcombustible
La masa m de una sustancia se relaciona con el numero de moles N por medio de la relación m = NM, donde M es la masa molar. La relación aire-combustible puede expresarse también en una base molar como la proporción entre el número de moles del aire y el número de moles del combustible. Pero aquí se utilizara la primera definición. El reciproco de la relación aire- combustible se conoce como relación combustible-aire.
EJEMPLO 14-1 Un kmol de octano (C 8 H18 ) se quema con aire que contiene 20kmol de O 2 , como se muestra en la figura 14-7. Suponga que los productos contienen solo CO2, O2, H2O y N2, determine el número de moles en cada gas en los productos y la relación aire-combustible para este proceso de combustión.
Solución
la ecuación química para este proceso de combustión puede
escribirse como C8H18 + 20(O2+3.76N2)
x CO2 + y H2O + w N2 + z O2
Donde los términos en el paréntesis representan la composición del aire seco que contiene 1 kmol de O 2, y x, y, z y w representan los números de moles desconocidos de los gases en los productos. Estas incógnitas se determinan con la aplicación del principio de la conservación de la masa a cada uno de los elementos, es decir, la masa o el número de moles total de cada elemento en los reactivos debe ser igual a la de los productos: C:
8 = x
H:
18 = 2y
O:
40 = 2x + y + 2z
N2:
(20) (3.76) = w
x =8
y = 9
z = 7.5
w = 75.2
La sustitución produce C8H18 + 20(O2 + 3.76N2) 8CO2 + 9H2O + 7.5 O2 + 75.2 N2
FIGURA 14-6 La relación aire combustible (AC) representa la cantidad de aire utilizada por unidad de masa de combustible durante un proceso de combustión
Combustible
Cámara de
1kg
combustión AC = 17
aire
17kg
FIGURA 14-7
Productos 18kg
Dibujo esquemático para el ejemplo 14-1
C8H18
x CO2 y H2O
1
Cámara de
kmol
combustión
W N2
z O2
Aire Observe que el coeficiente 20 en la ecuación balanceada anterior representa el número de moles de oxigeno, no el número de moles de aire. Éste se obtiene sumando 20 x 3.76 = 75.2 moles de nitrógeno a los 20 moles de oxigeno, lo que da un total de 95.2 moles de aire. La relación airecombustible (AC) se determina tomando la proporción entre la masa de aire y la masa del combustible (ecuación 14-3):
NM aire AC NM c NM H combustibl e 20 x 4.76 Kmol 29 Kg / mol 8 Kmol 12 Kg / Kmol 9 Kmol 2 Kg / Kmol
m m
aire
2
24.2 Kg aire / Kg combustibl e
Es decir, se emplea 24.2 Kg. de aire para quemar cada kilogramo de combustible durante este proceso de combustión.
14-2 PROCESOS DE COMBUSTIÓN TEÓRICO Y REAL Muchas veces es muy útil estudiar la combustión de un combustible con la suposición de que la combustión es completa. Un proceso de combustión es
completo si todo el carbono en el combustible se transforma en el CO 2, todo el hidrógeno se transforma en H 2O y todo el azufre (si lo hay) se transforma en
SO2. Todos los componentes combustibles del combustible se queman por completo durante un proceso de combustión completa (figura 14-8). En sentido inverso, un proceso de combustión es incompleto si los productos de combustión contienen cualquier combustible o componentes no quemados, como C, H2, CO u OH. El oxigeno insuficiente es una razón obvia para la combustión incompleta, pero no la única. La combustión incompleta sucede incluso cuando en la cámara de combustión hay mas oxigeno del necesario para la combustión completa. Esto puede atribuirse a la mezcla insuficiente en la cámara de combustión durante el limitado tiempo que el oxigeno y el combustible están en contacto. Otra causa de combustión incompleta es la disociación, la cual se vuelve importante a elevadas temperaturas. La cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa de un combustible recibe el nombre de aire estequiométrico o aire teórico. De manera que cuando un combustible se quema por completo con aire teórico, no estará presente oxigeno no combinado en el producto de los gases. El aire teórico también se conoce como cantidad de aire químicamente correcta, o aire 100 por ciento teórico. Un proceso de combustión con menos cantidad de aire teórico está condenado a ser incompleto. El proceso de combustión ideal durante el cual un combustible se quema por completo con aire teórico se conoce como combustión estequiométrico o teórica de ese combustible (figura 14-9). Por ejemplo, la combustión teórica del metano es CH4 +2 (O2 + 3.76N2) → CO2 + 2H2O + 7.52N2 Advierta que los productos de la combustión teórica no contienen metano no quemado ni C, H 2, CO, OH u O2 libre. En los procesos de combustión reales es una práctica común emplear más aire que la cantidad estequiométrica, con el fin de aumentar las oportunidades de combustión completa o para controlar la temperatura de la cámara de combustión. La cantidad de aire en exceso de la cantidad estequiométrica se llama exceso de aire. La cantidad de exceso de aire suele
expresarse en términos del aire estequiométrico como aire de exceso
porcentual o aire teórico porcentual. Por ejemplo, 50 por ciento de exceso de aire es equivalente a 150 por ciento de aire teórico, y 200 por ciento de exceso de aire equivalente a 300 por ciento de aire teórico. Desde luego, el aire estequiométrico puede expresarse como cero por ciento de exceso de aire o 100 por ciento de aire teórico. Cantidades de aire menores que la cantidad estequiométrica reciben el nombre de deficiencia de aire y se expresa a menudo como deficiencia de aire porcentual . Por ejemplo, 90 por ciento de aire teórico es equivalente a 10 por ciento de deficiencia de aire. La cantidad de aire utilizada en procesos de combustión se expresa también en términos de la razón de la equivalencia, la cual es la proporción entre la relación combustibleaire real y la relación combustible-aire estequiométrica. La predicción de la composición de los productos es relativamente fácil cuando se supone que el proceso de combustión será completo y que se conocen las cantidades exactas de combustible y aire utilizados. Todo lo que se necesita hacer en este caso es aplicar el principio de conservación de la masa cada elemento que aparece en la ecuación de la combustión, sin necesidad de tomar otras medidas. Sin embargo, cuando una trata con procesos de combustión reales, las cosas no son tan sencillas. Por alguna razón, es difícil que los procesos de combustión reales siempre sean completos, incluso en la presencia de un exceso de aire. Por tanto, es imposible predecir la composición de los productos con base sólo en el principio de la conservación de la masa. Por ello, la única opción es medir directamente la cantidad de cada componente en los productos. Para analizar la composición de los gases de combustión se emplea un dispositivo conocido como analizador de gases Orsat. En este dispositivo se recoge una muestra de los gases de combustión y se enfría a temperatura y presión ambiente, en cuyo punto se mide su volumen. Después la muestra es puesta en contacto con un compuesto químico que absorbe el CO 2. Los gases restantes se vuelven a llevar a la temperatura y presión ambiente, y se mide el nuevo volumen que ocupan. La proporción entre la reducción de volumen y el volumen original es la fracción de volumen del CO 2, la cual es equivalente a la
fracción molar si se supone comportamiento de gas ideal (figura 14-10). Las fracciones de volumen de los otros gases se determinan al repetir este procedimiento. En el análisis Orsay se acopia la muestra gaseosa sobre agua y se mantiene saturada todo el tiempo. Así, la presión de vapor del agua permanece constante durante toda la prueba. Por esta razón se ignora le presencia de vapor de agua en la cámara de prueba y los datos se registran en una base seca. Sin embargo, la cantidad de H 2o formada durante la combustión se determina con facilidad balanceado la ecuación de combustión.
Ejemplo 14-2 Durante un proceso de combustión se quema etano (C 2 H 6) con 20 por ciento de exceso de aire, como se muestra
en la figura
14-11. suponga
su
combustión completa y una presión total de 100 kpa, y determine a) la relación de aire- combustible y b) la temperatura de punto de rocío de los productos .
Solución. Se especifica
que el etano
se quema
consecuencia, los productos contendrán sólo CO 2, H
por completo. En 2
O, N2 y el O2 no
utilizado. La ecuación de combustión en este caso puede escribirse como C2 H6 +1.2at (O2 + 3.7 N2) 2CO 2H3H 2O+0.2atO2+ (1.2X3.76)a t N2 Donde at es el coeficiente estequiometrico para el aire. De manera automática se tomo en cuenta 20 por ciento de exceso de aire utilizando el factor 1.2 a t en lugar de para el aire. La cantidad estequiométrica de oxigeno (a t O2) se utilizara para oxidar el combustible y la cantidad de exceso restante(0.2a tO2) aparecerá en los productos como oxigeno no utilizado. Observe que el coeficiente N2
de
es el mismo en ambos lados de la ecuación. También
notará que hubo balanceó del C y el H 2 mental al momento de escribir la ecuación de combustión. El coeficiente a t se determina del balanceo de O2: O2
1.2a t=2+1.5+0.2at
La sustitución produce
at =3.5
C2H6+4.2 (O2+3.76N2)
2CO2+3 H2O+0.7O2+15.79N2
a) la relación aire –combustible se encuentra al tomar la proporción entre la masa del aire y la masa del combustible (ecuación 14-13):
m aire
4.2 X 4.76 Kmol) (29kmol)
AC m combustible
(2 kmol)(12kg/kmol) + (3 kmol)(2kg/kmol)
= 19.32 KG AIRE / kg COMBUSTIBLE
Es decir, se suministra 19.3kg de aire para cada kilogramo
de
combustible durante este proceso de combustión. b) la temperatura de punto de rocío de los productos es la temperatura a la cual el vapor de agua en los productos empieza a condensarse cuando los productos se enfrían. Se recordara del capitulo 13 que la temperatura de punto de roció de una mezcla gas-vapor es la temperatura de saturación del vapor
de agua
correspondiente a su presión parcial. En consecuencia,
primero debe determinarse la presión parcial del vapor de agua P en los productos. Si se supone comportamiento de gas ideal para los gases de combustiones tiene pv = (NV/Nprod) (Pprod)= (3kmol/21.49kmol)(100 kpa)=13.96kpa Por tanto T pr = T sat 13.96 kpa =53.3 grados centígrados ( tabla A-5)
