BALANCE DE ENERGIA

BALANCE DE ENERGÍA EN PROCESOS DE COMBUSTIÓN

1. Introducción

El balance de energía de la reacción de combustión tiene por objeto la determinación del calor de reacción. La reacción de combustión es exotérmica, es decir, desprende calor. Este calor desprendido es el calor de reacción, que depende no sólo de las sustancias reaccionantes, combustible y aire u oxígeno, sino también de sus estados. Este calor de reacción se expresa de diversas formas:

, cantidad total de calor, en J, kJ o MJ.

, cantidad de calor por unidad de tiempo, en W o kW.

, cantidad de calor desprendido por kg de combustible, en kJ/kg o MJ/kg.

, cantidad de calor desprendido por kmol de combustible, en kJ/kmol o MJ/kmol.

La reacción de combustión se puede indicar de forma simplificada como sigue:

1 kmol (combustible) + (aire) → (productos)

siendo la relación de aire mínimo necesario para la reacción completa y la relación de humos húmedos, ambos en kmol/kmol de combustible.

2. Balance energético

Supongamos que la reacción de combustión se lleva a cabo en un reactor (sistema abierto) sin producción de trabajo (Fig. 1). Consideremos despreciables las variaciones de las energías cinética y potencial. El balance energético en estado estacionario es:

(1)

Figura 1

donde HPR es la entalpía de todos los productos de la reacción y HSR, la entalpía de todas las sustancias reaccionantes. El calor de reacción tiene signo termodinámico negativo; si se toma su valor absoluto:

(2)

Expresando (1) por kmol de combustible:

(3)

Para un compuesto gaseoso, su entalpía específica molar a la temperatura T y presión p viene dada por:

(4)

y si se considera la aproximación de gas ideal:

(5)

Aquí, po y To son la presión (1 atm ≡1,013 bar) y temperatura (25ºC ≡ 298 K) del estado de referencia; es la entalpía molar de formación del compuesto en el estado de referencia y constituye la entalpía de referencia del compuesto. Como se sabe, la entalpía de referencia es cero para los elementos en sus estados de agregación estables: O2(g), H2(g), N2(g), C(s) y S(s). En la tabla 1 aparecen las entalpías de formación de algunas sustancias muy frecuentes en las reacciones de combustión.

Tabla 1

Por tanto, sustituyendo en (3), el calor de reacción por kmol de combustible vendrá dado por:

(6)

En esta ecuación, los subíndices j e i representan un componente genérico de los productos y de los reactivos, respectivamente; m es el número de productos y n, el de reactivos; nj son los kmoles de producto j y ni, los kmoles de reactivo i. Los términos integrales representan calor sensible de los productos y reactivos gaseosos; si se indican de forma más condensada con la notación , se tiene:

(7)

Si consideramos que los productos se enfrían hasta la temperatura de referencia y las sustancias reaccionantes entran a la temperatura de referencia, los términos son nulos. Entonces, el calor de reacción se representa por y se denomina entalpía de combustión y sigue siendo negativa. Así pues:

(8)

El valor absoluto de la entalpía de combustión recibe el nombre de poder calorífico del combustible. Se distingue entre poder calorífico superior (PCS) y poder calorífico inferior (PCI), según que se produzca o no la condensación del vapor de agua de los humos.

La condensación del vapor de agua depende de la temperatura y de la concentración de éste en los humos. Para que se produzca tal condensación, se ha de alcanzar la llamada temperatura de rocío del vapor de agua en los humos. Es difícil establecer las condiciones de esta condensación, ya que, en cada caso, tendremos un gas soporte diferente. Nos referimos como gas soporte a los humos secos.

Esta temperatura de condensación del vapor de agua adquiere importancia en el tema de la recuperación energética de los humos. Si se alcanza esta temperatura, el vapor de agua condensará y disolverá, en mayor o menor proporción, algunos componentes de los humos, con lo cual el agua condensada puede ser ácida y de notable poder corrosivo.

La tabla 2 facilita el poder calorífico de algunos combustibles.

Ejemplo. Determinar el poder calorífico superior e inferior de un combustible gaseoso cuya composición molar es: CH4, 0,380; C2H4, 0,08; H2, 0,48; CO2, 0,02; N2, 0,02; O2, 0,02. Considérese la reacción estequiométrica y que el agua presente en los humos está en estado de vapor.

La tabla 3 refleja los cálculos intermedios para el PCI, obteniéndose un resultado de 526,8 MJ/kmol. Para el PCS se considerará la entalpía de formación estándar del agua en estado líquido (Tabla 1); resulta un valor de 588,39 MJ/kmol.

Tabla 2

Tabla 3

3. Temperatura adiabática de combustión

Es

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