1.Combustion
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Universidad Nacional del Callao
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA-ENERGÍA
ESCUELA ACADÉMICO - PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
Asignatura Termodinámica II
Catedrático: Dr. José H. Tezén Campos
Semestre Acad. 2011-I
CONTENIDO
1. Desarrollo de la asignatura de acuerdo a silabo
2. Presentación del Trabajo de Inv. (Word) y Exposición del Trabajo de Inv (ETI) - PPT
CRONOGRAMA: 2011-I
Mar Abril. May. Jun. Jul.
ACTIVIDAD Sem: 29 05 , 12, 19 , 26 03, 10, 17 24, 31, 07 14, 21, 28 05, 12, 19
• Des Curso -----------------------------------------------------------------------------------------------------
• C.Grups-E.Trabaj --------
• Exam Parcial ----
• Present –Sust Proy Fin ----
• Exam Final ----
IMPUT(ENTRADAS) PROCESS (PROCESO) OUPUT(SALIDA) REACTANTES PRODUCTOS
Mezclas SOLIDO: Carbón. Análisis : Reactivas Combustible LIQUIDO: Petróleo. 1.Gravimetrico o elemental. GAS : Gas Natural. 2.Volumetrico.
PROCESO DE COMBUSTION: Gases de la combustión C Liberación de energía química del combustible con H transformación en energía calórica por la oxidación + O rápida de los constituyentes con emisión de luz N S cámara de combustión CO2 Comburente u Oxidante (O2) Aire: N2 O2 ------ Si existe: Combustible con exceso de aire O2 CO ------ Si existe: combustión incompleta H2O. SO2, N2, H2O
C + O2 (OXIGENO PURO) CO2 LEY DE LA CONSERVACIÓN DE MASAS. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
a) QUE HACER?Balance de masas: Determinando: MR MPb) PARA QUE HACER? Para determinar: ra/c, rc/a ex aire o deficiencia de aire(CI), %at, CXHY COMBUSTION REAL: CASOS CONOCIDOS INCOGNITAS SEGÚN EL TIPO DE PROCESO A) PRESION CTE. 1.FORMULA DE COMB. % at EL CALOR DE COMBUSTION PUEDE SER: B)VOLUMEN CTE. ANALISIS DE PRODUCT 1.PROCESO FEES: 2.COMPOSICION DE COMB. ra/c, rc/a Qp=HP-HR=(U+PV)p-(U+PV)r .................(I) ANALISIS DE PRODUCTOS 2.SISTEMA (V=cte). 3.ANALISISDE PRODUCTOS %at,CXHY Qv=Up-Ur.............(II) COMBUSTIBLE DESCONOCIDO.c) POR QUE HACER? (I)-(II) -SE NESECITA SABER: Qp-Qv=(PV)p-(PV)r=(nRT)p-(nRT)r a) Con ex se forma menor cantidad de CO. Qp-Qv=RT(np-nr) . b) La utilidad del ex .ejem Donde : np y nr se determina a partir de la ecuación teórica de la combustión . -MCI: Se reduce el ex par lograr mayor eficiencia -TG: Se requiere gran ex par mantener T de los productos lo suficientemente bajo par que la maquina no se malogre. -Utilizar gran ex tiene la desventaja de provocar mayor perdida de energía en los productos descargados al medio ambiente
MR-COMBUSTIÓN
MEZCLA REACTIVA:Es un sistema de composición múltiple cuyos constituyentes químicamente reaccionan entre si.
REACCION QUÍMICA: Es un suceso en el que ocurre un acomodamiento de los átomos que conforman la reacción.
LEYES FUNDAMENTALES:1)CONSERVACIÓN DE LA MATERIA: ESTEQUIOMETRIA2)PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA: Aplicación de principio de conservación de la energía.3)SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA:Establecer una distinción entre procesos reversibles e irreversibles.Establece que la composición de equilibrio de una mezcla reactiva depende de la temperatura y de la presión.
JTC 4
COMBUSTIÓN:Proceso en el que reaccionan un combustible y un comburente.
COMBUSTIBLE:Compuesto que reacciona en presencia del oxigeno.Entre los combustibles tenemos: carbono, hidrógeno , azufre,
entre otros.
COMBURENTE:Compuesto que activa la combustión, este comburente es el O2 Para que se produzca la combustión es necesario contar con la
presencia de:Combustible.Comburente.Agente eterno, que permite alcanzar la temperatura necesaria
para que seinicie la combustión.
JTC 5
Esquema de la combustiónLa mezcla del combustible con el comburente recibe el nombre de
reactante y el resultado del proceso de combustión recibe el nombre de producto.
JTC 6
Proceso de combustión
Q
Agente externo (T)
combustible
comburente
reactantesproductos
(1) InputEntrada
Process(Proceso)
(2) Output(Salida)
(Gases o humos)
Análisis de la combustión1) ANALISIS GRAVIMETRICO O ELEMENTAL:Especifica el % en masa de los elementos químicos.
2) ANALISIS VOLUMÉTRICO:Especifica el % en volumen o en moles de los compuestos
químicos.
ECUACIONES BASICAS DE COMBUSTIÓN PARA COMBUSTIBLES FOSILES:
Si el combustible se quema por completo (C,H2,S), entonces se forman los
productos siguientes:C + O2 → CO2H2 + ½ O2 → H2O (VAPOR DE AGUA)S + O2 → SO2
JTC 7
Combustión Completa e incompleta
LA COMBUSTIÓN COMPLETA, es el suceso en el que al reaccionar los reactivos se quema todo el combustible, dando lugar a que en los productos no existe la presencia de CO (Monóxido de carbono)
La combustión completa de los hidrocarburos, da lugar a la formación de
dióxido de carbono y agua.CH4 + 2O2 → CO2 +2H2O
Si el carbono no se quemara totalmente, entonces se formaría monóxido de carbono.
C + 1/2O2 → CO
A esto se le conoce con el nombre de COMBUSTION INCOMPLETA , porque en los productos se encuentra CO que contamina el ambiente.
JTC 8
AIRE ESTEQUIOMETRICO O AIRE TEORICO: (AT)
Es la cantidad de aire que entrega oxigeno estrictamente suficiente para que
se realice la combustión completa.
MEZCLA ESTEQUIOMETRICA:
Es aquella que contiene las proporciones de aire y combustible mínimas
necesarias para que se realice la combustión completa .En los procesos de combustión el O2 puro, se usa en los
laboratorios, pero en la mayoría de los casos, la combustión se realiza con aire
atmosférico ( que también contiene O2)
JTC 9
COMPOSICIÓN DEL AIRE SECO: Esta compuesta por N2,O2 y gases inertes.
1. Análisis Volumétrico
21% de O2 + 79% N2 →100%aire21Kmol O2 +79Kmol N2 → 100Kmol de aire1 Kmol O2 +3.76 Kmol N2 → 4.76 Kmol aire1 m3 O2 +3.76m3 N2 →4.76 m3 aire
2. Análisis Gravimétrico
23% de O2 + 77% N2 →100%aire23Kg O2 +77Kg N2 → 100Kg de aire1 Kg O2 +3.35 Kg. N2 → 4.35 Kg aire
JTC 10
RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE : (rA/C)Relación que hay entre la masa del aire y la masa del combustible
utilizada en la combustión. Esta dada por:
rA/C = mA / mC
DONDE: mA :Masa del airemC :Masa del combustible.
RELACIÓN COMBUSTIBLE-AIRE: (rC/A)Es la inversa de la relación aire-combustible. se expresa por la
ecuación siguiente:
rC/A = mC / mA = 1 / rA/C
JTC 11
En general el balance de masa en la combustión ideal y real se realiza con el
objetivo de:
COMBUSTIÓN IDEAL: Para determinar:1.- La cantidad de aire requerida para quemar completamente un combustible.2.- La composición de los productos resultantes.
COMBUSTIÓN REAL: Para determinar:1.- A partir del análisis de los productos la cantidad de aire
realmente suministrada.
JTC 12
COMBUSTIÓN IDEAL CON AIRE:Se presenta cuando el H2 se oxida hasta formar
H20 y el C se oxida hasta formar CO2, si existiera S este se oxidaría hasta formar SO2, pero también el S puede reaccionar hasta formar SO3, el mismo que en presencia del agua, formaría ácido sulfúrico que es muy corrosivo.
COMBUSTON IDEAL CON EXCESO DE AIRE:
Se presenta cuando algunas moléculas de combustible no se queman completamente al no encontrar el oxigeno necesario, para que esto ocurra es necesario disponer de una cantidad adicional de aire que se conoce con el nombre de EXCESO DE AIRE, lo que permitirá la oxidación completa del combustible.JTC 13
AIRE REAL: (AR)Es la cantidad de aire que ingresa a un proceso de combustión.
EXCESO DE AIRE: (EX)Se define por la siguiente ecuación:
EX = (( AR - AT ) / AT )X 100
PORCENTAJE DE AIRE TEORICO:Se define por la ecuación siguiente:
% AT = ( AR / AT )X 100
MEZCLA RICA:Se define como aquella que contiene una cantidad de aire menor que la Estequiometrica (Aire en defecto)
JTC 14
MEZCLA POBRE:
Se define como aquella mezcla que contiene una cantidad de aire mayor que la Estequiométrica (AIRE EN EXCESO)
COMBUSTIÓN REALEs aquella que se presenta en la práctica. La combustión real es incompleta ya sea que se utilice aire teórico o ya sea que se utilice exceso de aire.
COMBUSTIÓN REAL CON EXCESO DE AIRE:
Es aquella que se presenta en la practica y son incompletas aun con exceso de aire.
PARA DETERMINAR:A) El % de aire teórica (AT)
B) Relación aire-combustible (rA/C)
C) Exceso de aire (EX)
D) Composición del combustible ( CXHY)
JTC 15
Se deben realizar cálculos basados en el análisis de los productos mediante métodos como:A) analizador Orsat.B) Conductividad térmicaC) Resistencia magnética D) Medidor de CO2
EN LOS CÁLCULOS BASADOS EN EL ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS:Se presenta los siguientes casos:
A) Dado lo formula del combustible y el análisis de los productos.B) Dado la composición del combustible y el análisis de los productos.C) Dado el análisis de los productos y combustible desconocido.
JTC 16
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y LOS
SISTEMAS REACTIVOS
La ley de conservación de la energía es aplicada tanto a los sistemas no reactivos como a los sistemas reactivos. sin embargo, los sistemas químicamente reactivos implican cambios en su energía química y en consecuencia es necesario reescribir las relaciones de la primera ley de manera que los cambios de la energía química se expresen en forma clara y precisa. Esto significa definir los conceptos siguientes:
ENERGIA QUIMICA:Es la energía asociada a la estructura molecular. En el caso de los combustibles como un tipo de sistemas reactivos viene a ser la energía que poseen y que es liberada durante el proceso de combustión. Se debe tener en cuenta que la energía química es fija para cada combustible pero es diferente en los reactantes y en los productos.
JTC 17
CALOR DE REACCION:Cantidad de calor que deben transferir los productos de cualquier reacción química para enfriarse hasta la temperatura inicial de los reactantes. Para el caso de los combustibles, cuando la combustión es completa, entonces el calor de reacción es denominado calor de combustión.
CALOR DE REACCION ESTANDAR:Es el calor de reacción que se obtiene considerando el estado de referencia estándar de presión y temperatura. El estado de referencia estándar elegido es 1 atm de presión y 25°C.
JTC 18
DETERMINACION DEL CALOR DE COMBUSTIÓN ESTANDAR:
Dependiendo del tipo de proceso, a presión constante o a volumen constante, el calor de combustión se denomina:
A) Calor de combustión a presión constante.B) Calor de combustión a volumen constante.
Para el primer caso, al aplicar el principio de conservación de la energía (proceso FEES y despreciando los cambios de energía cinética y potencial, se tiene:
QP = HP - HR .....(1)
DONDE:QP: Calor de combustión a presión constante.HP: Entalpía de los productos.HR: Entalpía de los reactantes.
JTC 19
Para el segundo caso, la combustión se realiza en un sistema y al aplicar la primera ley, se tiene:
QV = UP - UR ..... (2)
DONDE:QV: Calor de combustión a volumen constante.
UP: Energía interna de los productos.
UR: Energía interna de los reactantes.
JTC 20
Tomando la definición de entalpía, se tiene:
QP = (U + PV)P – (U + PV)R .....(3)
Restando: la ec. (2) de la ec. (3), se tiene:
Qp - Qv = (PV)P – (PV)R …..(4)
Considerando: Los componentes gaseosos de los productos como gases ideales y el volumen de los componentes líquidos y sólidos despreciables, entonces la ec. (4) queda expresada como:
QP – QV = RT(nP – nR) …..(5)donde:R: Constante universal de los gases.T: Temperatura de los productos o reactantes.nP: Número de moles de los productos gaseosos.nR: Número de moles de los reactantes gaseosos.
Tanto el nP como el nR se determinan a partir de la ecuación teórica de la combustión.
JTC 21
PODER CALORÍFICO DEL COMBUSTIBLE:
Se define como la cantidad de energía liberada cuando un combustible se quema por completo y los productos vuelven al estado de los reactantes, es decir, que los productos se enfrían hasta la temperatura de los reactantes (aire-combustible).
En otras palabras el poder calorífico de un combustible es igual al calor de combustión (entalpía de combustión).El poder calorífico de los combustibles líquidos y sólidos se determinan con una bomba calorimetría (volumen constante) en el laboratorio.Para los combustibles gaseosos el poder calorífico se determina en un calorímetro para gas (PROCESO FEES).La diferencia entre los poderes caloríficos mencionados anteriormente es pequeña (no pasa del 1%) por lo que, en ingeniería, se desprecia esta diferencia.
JTC 22
Asimismo, el poder calorífico depende de la fase de agua en los productos. el poder calorífico recibe el nombre de poder calorífico alto o superior (PCS) cuando el agua en los productos esta en forma liquida y se llama poder calorífico bajo o inferior (PCI), cuando el agua en los productos esta en forma de vapor. estos valores se relacionan por la siguiente ecuación:
PCS = PCI + (mhfg)H2O .....(6)
DONDE:PCS: Poder calorífico superior (KJ/Kg. DE COMBUSTIBLE).PCI: Poder calorífico inferior (KJ/Kg. DE COMBUSTIBLE).m= Cantidad de agua formada durante la combustión (Kg. DE AGUA/Kg. DE COMBUSTIBLE).mhfg: Entalpía de vaporización del agua a la temperatura especificada (KJ/Kg. DE AGUA).
JTC 23
Con el objeto de determinar la entalpía de los elementos que intervienen en la reacción química ( puesto que existen cambios en la composición química durante el proceso), se ha establecido un nivel de referencia a partir de los componentes. La entalpía de reacción, es una propiedad que representa los cambios en la energía química en una reacción, y en los procesos de combustión a esta entalpía se le conoce como entalpía de combustión y se definen como la diferencia de entalpías de los productos y de los reactantes, a las mismas condiciones de presión y temperatura, al producirse una combustión completaSe expresa por la ecuación siguiente:
Hrp = Hp – Hr ………… (7)Donde:Hrp = entalpía de combustión Hp = entalpía de los productos.Hr = entalpía de los reactantes.Tanto la entalpía de los reactantes como de los productos dependen fundamentalmente de la temperatura, en consecuencia la Hrp varia con la temperatura más que con la presión. JTC 24
ENERGÍA INTERNA DE COMBUSTION
Es la diferencia entre la energía interna de los productos y de los reactantes. Se
expresa por:Urp = Up – Ur ………. (8)Donde:Urp = energía interna de combustiónUp = energía interna de los productosUr = energía interna de los reactantes.
Considerando el análisis realizado para la obtención de la ecuación (5) y tomando en cuenta las ecuaciones (7) y (8), se llega a la ecuación
siguiente:
Donde np y nr tienen el mismo significado que en la ec. (5)
JTC 25
)9().........( nrnpTRUH rprp
Las reacciones químicas que liberan energía en forma de calor se conocen
como exotérmicas (calor que sale negativo) y las que absorben energía
endotérmicas (calor que ingresa positivo).Los procesos de combustión son exotérmicos, y como la entalpía
de combustión, así como la energía interna de combustión pueden determinarse a partir del calor de combustión, es necesario
considerar el signo para ser congruente con los calores.
Por lo tanto:- Qp = Hp - Hr = Hrp Qp = - Hrp ………….. (10)De la misma forma se trabaja para la energía interna de
combustión, resultando:- Qv = Up – Ur = Urp Qv = -Urp ……………. (11)En condiciones estándar, se tiene:
JTC 26
prhqrpHpQ p
0000
pruqvrpUvQ0000
ENTALPÍA DE FORMACIÓN ( )
En una reacción química, viene a ser la entalpía de reacción para la
formación de una sustancia o compuesto a partir de sus elementos en
sus formas más estables y a condiciones estándar (entalpía igual a
cero).Cuando esta reacción química es una combustión, entonces
la entalpía de formación se define como la entalpía de
combustión correspondiente al proceso de formación del compuesto.
JTC 27
fhº
Ejemplo: se quiere formar CO2 a condiciones estándar, a partir de
sus elementos: carbono y oxígeno.La ecuación química correspondiente es:C(s) + O2(g) CO2 (g)
El calor transferida por unidad molar:
Puesto que: ; en las condiciones estándar.
Por lo tanto:
=entalpía de formación
JTC 28
rphrhphpq ºººº
22 02ººº coco hhchhpq
0ºº 2 ohch
22º fCOhCOhrph
Se ha determinado mediante mediciones calorimétricas que el calor
transferido para la formación del CO2 a partir del C y O2 es:qºP = - 393, 522 kJ/Kmol.
Es decir que la entalpía de formación es:
Donde el signo negativo indica que la entalpía del CO2 es menor que la entalpía de los reactantes C y O2.
JTC 29
KmolkJfh co /522,393º 2
Generalmente el signo del calor transferido queda sobrentendido, Generalmente el signo del calor transferido queda sobrentendido, utilizándose utilizándose
la expresión: la expresión:
Donde: Donde:
; ;
LuegoLuego
Para una temperatura T se puede inferir que:Para una temperatura T se puede inferir que:
rHpHQ ºº
phnpH ºº
P
ohnrHº
p r
HrphnhnQ )13.....(
)12.......(rpoo
r
o
P
HhnhnQ
JTC 30
CALCULO DE LAS ENTALPÍAS
La entalpía de un compuesto a una temperatura y presión dada, se calcula
en función de T, es decir:
De la Fig. suponiendo que la curva de productos corresponde al CO2. su entalpía para la temperatura TA se determina
por:
Donde:
En general, la entalpía de un compuesto hT,P a una temperatura T y una presión
P dada, se puede calcular por:
Estando: To = 25oC y Po = 1 atm.
Como es conocida para cada compuesto, el problema se reduce a
Calcular
JTC 31
)(Tfh
hAfhhA º
fhAhhA º
)14........(º ,
,,PT
PoToPT hfhh
fhº
h
25 T TA T(ºc)
1
Hºrp
Hrp
2
2’
A
1’
hnH
h
Fig.C2: Diagrama Vs. T.h
JTC 32
MÉTODO PARA CALCULAR
I. Cuando se trata de gases ideales:a) Usando el calor específico variable: Cp = f(T)b) Usando tablas en las que se encuentran tabulados los
valores de en función de T.
II. Cuando se trata de sustancias cuyo comportamiento es diferente a los
gases ideales, entonces se calcula:a) Usando tablas de propiedades de las sustancias.b) Usando los diagramas generalizados.
JTC 33
h
h
h
DETERMINACIÓN DE HR Y HP
A partir de estas ecuaciones se puede construir el diagrama de la Fig. C2;
tomando en cuenta que las curvas de reactantes y productos corresponden a
una misma composición molar, para los reactantes y productos respectivamente.Para el caso de la energía interna, esta puede calcularse con las
ecuaciones siguientes:
CALCULO DEL CALOR TRANSFERIDOI. Para una combustión a p=c, a una temperatura Tc:
II. Para una combustión cualquiera que se produce en un proceso FEES en la
que los reactantes y productos se encuentran a T1 y T2 respectivamente:JTC 34
;º , pTrrhnhfhnHr PT
pphnhfhnHp ,º
)15(..........,, pvhu PTPT )16.....(,, TRhu PTPT
rp
rpba hfhnhfhnHQ )17......(ºº,
rp
hfhnhfhnQ )18......(ºº 122,1
Tc T1 T2
Hrp
a
b
2
12’
a’ Hp - Hr
h
Fig.c3 procesos de combustión
JTC 35