TERORIA DE LA COMBUSTION
COMBUSTION Una reacción química es un proceso por el cual dos o más sustancias, que denominamos reactivos, se transfo sforman en otra u otras sustancias diferentes, a las que denominamos productos. Una reacción de combustión es una reacción en la que una sustancia pura pura reac reacci cion ona a con con el oxíg oxígen eno, o, prod produc ucié iénd ndos ose e otra otrass sust sustan anci cias as distintas y liberándose gran cantidad de energía. A la sustancia que reacciona con el oxígeno la llamamos combustible. La reacción de combustión más sencilla de analizar es la combustión del carbono, que veremos a continuación.
Combustión del carbono Toda combustión necesita de la presencia de oxígeno para poder tener lugar. Pero se necesita, además, aplicar una pequeña fuente de calor para que se puedan romper los enlaces entre los átomos de carbono; entonces, los átomos de oxígeno atrapan un átomo de carbono y se forma una molécula de dióxido de carbono, liberándose gran cantidad de calor y luz.
Combustión del Metano en Oxigeno CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
donde:
Combustión del Metano en Aire CH4 + 2(O2 + 3,76 N2) CO2 + 2H2O + 7,52 N2
COMBUSTIÓN
COMBUSTIBLE Las sustancias que se queman para aprovechar el calor que liberan al reaccionar con el oxígeno del aire se llaman combustibles. Los combustibles utilizados para el consumo de energía en el campo industrial, en transportes y uso doméstico, se clasifican en sólidos, líquidos y gaseosos.
Mine Minera rale less
Sólidos
Carb Carbón ón,, hull hulla, a, coqu coque, e, antr antrac acitita, a, grafito, lignito, turba, asfaltita.
Vegetal egetales es
Leña, Leña, carbón carbón de leña, leña, bagaz bagazo. o.
Petr Petról óleo eo y derivados
Gaso Gasolilina na,, kero kerose sene ne,, petr petról óleo eo,, diesel, etc
Líquidos Alcoholes
Gaseosos
de madera, de cereales, cereales, de caña
Gas licuado de petróleo (GLP) Gas natural Gas artificial Bio-gas
CARBÓN MINERAL Es una sustancia dura, de origen mineral, de color oscur curo o casi negro que resulta de la descomposición lenta de la materia leñosa de los bosques. Arde con dificultad en comparación con el carbón de leña, pero tiene mayor poder calorífico que éste.
PETRÓLEO Es un líquido aceitoso, menos denso que el agua, de color oscuro y olor fuerte, que se encuentra formando manantiales en el interior de la tierra. El petróleo viene a ser una mezcla de hidrocarburos, cuya fórmula es de la forma CxHy y que pueden ser saturados, no saturados etc.
GAS NATURAL El gas natural está constituido por hidrocarburos de bajo punto de ebullición; el componente principal, apro aproxim ximad adam amen ente te el 85%, 85%, es En menores metano. proporciones está presente el eta etano, no, apro aproxi xim madam adamen ente te un 10% y el propano que puede llegar a porcentajes de hasta un 3%. En cantidades aún menores aparecen el butano, pent pentan ano o, hexa exano, no, hept hepta ano y octano.
COMBUSTIBLES MÁS UTILIZADOS Combustible
kcal/kg
Acetileno
11.600 kcal/kg
Propano Gasolina Butano
11.000 kcal/kg
Gasoil
10.200 kcal/kg
Fuel - oil
9.600 kcal/kg
Antracita
8.300 kcal/kg
Coque
7.800 Kcal.
Alcohol de 95º
6.740 kcal/kg
Lignito
4.800 kcal/kg
Turba
4.700 kcal/kg
Hulla
4.000 kcal/kg
COMBUSTIÓN El término combustión usua usuallment ente se ref refiere iere a una una reacción química en la que int intervien iene un combustible y oxíg oxígen eno o o aire aire,, gene genera ralm lmen ente te va acompañada de una flama.
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (PARTES) Válvula de admisión Entrada de combustible
Bujía Cilindro
Válvula de escape
Pistón (émbolo) Leva
Biel Biela a - cigü cigüeñ eñal al
COMBURENTE
COMBUSTIBLE
CAMARA DE COMBUSTIÓN
COMBUSTIBLE: C, H, S AIRE (O2: 21%, N 2: 79%) COMBURENTE: AIRE PROD PRODUC UCT TOS DE LA COMB COMBUS USTI TIÓN ÓN: CO2 GASES DE CO CHIMENEA O2 HÚMEDO N2 H2O
PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN
PROC PROCES ESOS OS DE COMB COMBUS USTI TIÓN ÓN ECUA EC UACI CIÓN ÓN DE RE REAC ACCI CIÓN ÓN Es la expresión cuantitativa de las sustancias y de las proporciones en las que éstas intervienen en el proceso de combustión. Ejemplo: Aire 21% Oxigeno 1 mol
79% Nitrógeno 3,76 moles
-COMBUSTIÓN -COMBUST IÓN COMP COMPLET LETA A Es aquella en la que todos los elementos oxidables del combustible se oxidan completamente.
C3 H8 + 5O2 S
SO3
N
N2O5
3CO2 + 4H2O + ENERGIA
( › 2000 K)
-COMBUSTIÓN -COMBUST IÓN INCO INCOMPL MPLET ETA A Es aquella donde en sus productos hay elementos o sustancias combustibles como CO. C3 H8 + 3O2 S
SO2
N
NXOY
C+ 2CO + 4H2O + ENERGIA
(› 2000 K)
-COMBU -COM BUST STIÓ IÓN N ID IDEA EAL L Es aquella combustión completa en la que el oxígeno suministrado es el minímo indispensable. Se entiende que todas las condiciones para que tal cosa suceda, se dan durante el proceso. -COMBU -COM BUST STIÓ IÓN N RE REAL AL En la práctica se nos presentarán procesos de combustión que no son ideales ni completos; es decir, seran incompletas a pesar de tener aire en exceso.
FACTORES QU E INFLUYEN EN COMBUSTIÓN Entre los más importantes se cuentan: -combustible -relación aire/combustible -geometría de la cámara -temperatura de la combustión -forma de alimentación del combustible -turbulencia en la cámara -velocidad de salida de gases.
LA
-AIRE -AIR E TE TEÓR ÓRIC ICO O Se le denomina también aire estequiométrico. Es la cantidad de aire que proporciona el oxígeno estrictamente necesario para la oxidación completa de los elementos oxidables del combustible. CH4 + 2O2 + 2(3.76)N2 o CH4 + 0,21ZO2 + 0,79ZN2
Z: moles de aire teórico
CO2 + 2H2O + 7.52N2 CO2 + 2H2O + 7.52N2
-AIRE REAL O EFECTIVO Es la cantidad de aire que ingresa a un proceso de combustión. -EXCESO DE AIRE Se define: %ex AIRE
AIRE . REAL
AIRE .TEÓRICO
*100
AIRE .TEÓRICO
% de exceso exceso de ai aire re = % de exces exceso o de O2
-RE -R ELAC ACIIÓN AI AIRE RE / COM OMB BUS UST TIBLE Es el cociente entre la masa de aire y la masa de combustible utilizados en la combustión. Se expresa en kg de aire por kg de combustible.
r A / C
m A mC
-HUMEDAD ESPECÍFICA Se define como:
masa agua (kg) Humed umedaad espec specíf ífic icaa = mas asaa gase gasess chi chim mene enea seco (kg) (kg)
COMBUSTIÓN CO COM CON N A IR E -COMBUSTIÓN IDEAL CON AIRE C3H8 + 5[O2 + (3.76)N2 ]
3CO2 + 4H2O + 18,8N2
-COMBUSTIÓN IDEAL ID EAL CON EXCESO DE AIRE C3H8 + 5[O2 + (3.76)N2 ]
3CO2 + 4H2O + 18,8N2
Si se utiliza 40% del exceso de aire, la combustión se está realizando con 140% de aire teórico, luego la ecuación será: C3H8 + 1,4x5[O2 + (3.76)N2 ]
3CO2 + 4H2O + 1,4x18,8N2 + 0,4x5O2
-COM -C OMBU BUST STIÓ IÓN N RE REAL AL COMBUSTIÓN REAL CON DEFICIENCIA DE AIRE En estos procesos el carbono reacciona formando CO y CO2 en en proporciones que dependen de la deficiencia de aire y se determina balanceando la ecuación de reacción. La deficiencia de aire puede ser tanta que puede quedar combustible sin quemar durante la reacción, el cual aparecerá en los productos.
COMBUSTIÓN REAL CON EXCESO DE D E AIRE La ecuación de la reacción es de la forma: CxHy + a[O2 + (3.76)N2 ]
iCO2 + jCO + eH2O + fN2 + gO2
Los coeficientes i, j, e, f y g deben ser determinados para la combustión real. PASOS: 1.Reacción del combustible con aire teórico estequiométrico. 2.Reacción del combustible con aire real o efectivo.
CALOR DE COMBUSTIÓN ΔHCOMB REACTANTES
TR (K) .TR > T0 = 298 K ΔHR (-)
.TR < T0 = 298 K ΔHR (+)
ΔHR
PRODUCTOS
TP (K) ΔHP (+)
T0 ΔH°298 K (-)
ΔHCOMB = ΔH°R + ΔH°298 + ΔH°P
TEMPERATURA DE FLAMA O LLAMA Se denomina temperatura teórica de la combustión o adiabática de combustión, a la que se ob obtendría en una combustión estequiométrica, estequiométrica , con mezcla perfectamente homogénea y en periodo en periodo de tiempo de tiempo muy corto muy corto de tal forma tal forma que no haya no haya pérdidas pérdidas caloríficas caloríficas en el ambiente. ambiente. La máxima temperatura que pueden alcanzar los productos de combustión es la temperatura adiabática de llama.
LIMITE INFERIOR DE EXPOSIVIDAD LEL: sólo se aplica a las concentraciones bajas de gases combustibles y sign signifi ifica ca Lowe Lowerr Explo Explosi sive ve Limit Limit (lím (límit ite e inf inferio eriorr de ex expl plos osiv ivid idad ad). ). Es la composición de volumen de un gas inflamable en el aire. Por debajo de este límite no se formará ninguna atmósfera explosiva. Los niveles de concentración concentración con fines de detección de gases se expresan en % de LEL. Es decir, decir, es la relación del volumen del gas con el LEL.
GAS
LEL
GAS
LEL
Amoniaco
15%
Monóxido de carbono
12,5 %
Butano
1,9 %
Isobutano
1,8 %
GLP
1,9 %
Hidrógeno
4%
Metano
5,0 %
Gasolina
1,4 %
Tolueno
1,1 %
Propano
2,1 %
GAS NATUAL
ACETILENO
