Combustion

CAPITULO 6. COMBUSTION.

En el capitulo 1 se estudiaron las mezclas de sustancias puras ideales y reales y se analizó la determinación de sus propiedades. utilizando diferentes modelos.

Uno de los procesos termodinámicos de mayor aplicación a nivel industrial, experimental, y de metabolismo, es el de combustión. Este es un proceso realmente complejo, en el cual se requieren unos umbrales de energía para llevarlo a cabo, y la composición d e la mezcla de los componentes del combustible y el aire u oxígeno cambia durante la combustión.

A diferencia de lo que ocurría cuando se estudiaban las mezclas no reactivas, en este caso se considera que los componentes d e la mezcla reaccionan y producen la combustión. Por esta razón, la composición de los elementos resultantes de la combustión, es diferente antes y después del proceso.

En los procesos no reactivos se trabaja con la parte d ela energía correspondiente a la energía interna sensible y latente. En los procesos reactivos, como la combustión, se utiliza además la energía interna química.

En este capítulo s e estudiará el proceso en cierto detalle, la caracterización de los componentes d e la mezcla y de los productos de la combustión, así como el balance energético, de entropía y energético del mismo.

Combustibles y ecuaciones de combustión.

Una sustancia que puede quemarse en presencia de oxígeno parta entregar parte de su energía, se denomina combustible. Los principales combustibles son:

a. Carbón mineral.

b. Hidrocarburos líquidos, compuestos principalmente por carbono e hidrógeno. Su fórmula general es:

CnHm

Son una mezcla de muchos hidrocarburos, aunque por simplicidad se consideran como uno solo. Entre los hidrocarburos más utilizados se tiene:

• Diesel C12H26.

• Gasolina C8H18

• Alcoholes liquidos, metanol CH3OH, etanol C2H5OH.

• Mezclas de diesel o gasolina con alcoholes.

c. Gas natural, está compuesto principalmente por metano, se almacena en forma gaseosa como gas natural comprimido GNC a presiones de alrededor 230 bares o en forma líquida como gas natural licuado (GNL) a temperaturas alrededor de 110ºK.

d. Gas licuado de petróleo GLP ó propano. Es básicamente propano y se obtiene como subproducto de la refinación.

La combustión se puede definír como una reacción química en la cual se oxida un combustible, liberando energía. Es una reacción exotérmica.

El solo hecho de colocar un combustible en contacto con el oxígeno no es suficiente para iniciar la combustión.

Como se mencionó anteriormente, los compuestos combustible y oxígeno se denominan reactantes y se requiere que esta mezcla, alcance un umbral de energía mínimo, para que comience la reacción. Esta energía se suministra por lo general externamente, aunque también puede ser de manera interna, mediante el aumento d e la temperatura ó presión d e los reaccionantes.

Las condiciones para que inicie la combustión son:

• El combustible debe estar a una temperatura superior a la de ignición.

• Las proporciones del combustible y el oxígeno deben ser las adecuadas.

El oxígeno puro solamente se emplea como oxidante en aplicaciones especializadas.. En los procesos ordinarios de combustión se utiliza aire que suministra un alto contenido de oxígeno. Sin embargo, como la composición del aire varía con la altura sobre el nivel del mar, en particular disminuye ekl oxígeno, en algunos procesos, se requiere suministrar una mayor cantidad de aire de lo normal, utilizando una mezcla enriquecida.

Una composición típica de aire seco es:

Y(N2)=0.7803, y(O2)=0.2099, y(A)=0.0098

En el análisis d e los procesos de combustión con aire seco, el argón se puede tratar como N2, y no se tiene en cuenta la presencia de otros gases. El aire seco puede considerarse como:

Y(N2)=0.79, y(O2)=0.21,

Por cada mol de oxígeno que entra a un proceso de comb ustión, entran 79/21 igual 3.76 moles de nitrógeno.

1jkgmol de oxigeno + 3.76 kgmol de nitrógeno = 4.76 kgmol de aire seco

En la tabla siguiente, se presentan las composiciones y propiedades de algunos de los combustibles más utilizados.

COMBUSTIBLE COMPOSICION CAPACIDAD CALORIFICA

Analisis de combustibles.

Para caracterizar los combustibles, como se resume en la tabla anterior, se requiere realizar unos análisis con el fin de determinar tanto su composición química como las propiedades energéticas.

Determinación de la composición química.

Los análisis a efectuar para determinar la composición de un combustible, dependen de la clase de combustible, sólido, líquido, gaseoso.

Existen dos clases de análisis que son los más utilizados.

• Análisis próximo.

• Análisis

Determinación de la capacidad calorífica.

Determinación del contenido de cenizas.

Determinación de la viscosidad.

Determinación de la densidad.

Determinación del flsh point.

Determinación del fire point.

Proceso de combustión.

Al analizar el proceso de combustión, las ecuaciones químicas resultantes se balancean, siguiendo el principio de conservación de la masa, lo cual implica la conservación del número de átomos durante la reacción. Por ejemplo, la reacción química del octano C18H18 en un ambiente de oxígeno puro conduce a:

C8H18 + 12.5O2 8CO2 +9H2O

1 kgmol C8H18 + 12.5 kgmol O2 = 8 kgmol CO2 + 9 kgmol H2O

114.2 kg + 12.5 k*32.0 kg = 8*44.01 kg + 9*18.02 kgr = 514.2 kg

El número de moles que entra en la reacción es diferente al número d e moles que sale.

Si la combustión se realiza con aire, las relaciones conducen a la ecuación:

C8H18 + 12.5(O2 +3.76N2) 8CO2 +9H2O + 47N2

Las reacciones anteriores se denominan reacciones estequométricas de combustión, o sea que todos los átomos de oxígeno d e la sustancia oxidante reaccionan químicamente para aparecer en los productos finales.

Aire estequiométrico.

El aire requerido en la ecuación anterior se denomina aire estequiométrico. Si se suministra

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