Ejercicios de Carbon (2)

COMBUSTIÓN DEL CARBÓN

• El carbono (c) del combustible (carbón de piedra)

formara CO2

• Considere un análisis cuantitativo del carbón de piedra:

C……72% N………1%

H…….4% H2O……3%

O…….8% Ceniza…..12%

• Por regla general el análisis de sólidos y líquidos se

expresa por peso y de los gases por volumen.


• Problema 1.-Calcular los metros cúbicos de aire (a

condiciones normales) teóricamente necesario para quemar

completamente 1 kg de carbón de piedra (anterior), las

reacciones que se producen durante la combustión son:

C + O2 = CO2------------1

2H2 + O2 = 2H2O-----------2

• La ceniza, el H2O y el N, por su puesto no se queman (oxidan)

• El Oxigeno contenido en el carbón de piedra va a suministrar

parte del oxigeno necesario para las ecuaciones, reduciendo de

esta manera la cantidad que tiene que suministrar el aire.


• 1 kg de carbón de piedra (análisis cuantitativo anterior) contiene 0.72 kg C y 0.04 kg de H2

• De la ec. 1 0.72 𝑘𝑔 𝐶 𝑥32 𝑘𝑔 𝑂2

12 𝑘𝑔 𝐶= 1.92 𝑘𝑔 𝑂2

• De la ec. 2 0.04 𝑘𝑔 𝐻2 𝑥32 𝑘𝑔 𝑂2

4 𝑘𝑔 𝐻2= 0.32 𝑘𝑔 𝑂2

• Total de O2 requerido ------------------ 2.24 kg O2

• Oxigeno presente en el carbón de piedra = 0.08 kg O2

• Oxigeno a ser suministrado por aire = 2.24 – 0.08 = 2.16 kg O2


• Por % peso el aire tiene 23.2 % de oxigeno, por lo tanto el peso del aire requerido es:

2.16----------------23.2%

x -------------------100%

x = 9.31 kg aire

• Densidad del aire 0.7734 m3/kg

• 1 m3 de aire pesa 1.293 kg a condiciones normales

• El volumen de aire 1 𝑚3𝑎𝑖𝑟𝑒

1.293 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒𝑥 9.31 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 7.2 𝑚3 𝑎𝑖𝑟𝑒.

• En esta solución el aire se ha calculado por peso y luego se ha convertido a volumen.


• Sin embargo es preferible determinar el volumen

directamente ya que simplifica el calculo de los productos

de la combustión. La solución mediante este método es

como sigue: 𝟏 𝒎𝒐𝒍 → 𝟐𝟐. 𝟒 𝒎𝟑 (cond. normales)

• De 1: 0.72 𝑘𝑔 𝐶 𝑥1 𝑚𝑜𝑙 𝐶

12 𝑘𝑔 𝐶𝑥

1 𝑚𝑜𝑙 𝑂2

1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑥

22.4 𝑚3𝑂2

1 𝑚𝑜𝑙 𝑂2= 1.344 𝑚3 𝑂2

• De 2: 0.04 𝑘𝑔 𝐻2 𝑥1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2

2 𝑘𝑔 𝐻2 𝑥

1 𝑚𝑜𝑙 𝑂2

2 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑥

22.4 𝑚3𝑂2

1 𝑚𝑜𝑙 𝑂2= 0.224 𝑚3 𝑂2

• Total de oxigeno requerido = 1.568 m3 O2


• Oxigeno presente en el carbón de piedra:

0.08 𝑘𝑔 𝑂2 𝑥1 𝑚𝑜𝑙 𝑂2

32 𝑘𝑔 𝑂2𝑥

22.4 𝑚3𝑂2

1 𝑚𝑜𝑙 𝑂2= 0.056 𝑚3 𝑂2

• Oxigeno a ser suministrado por el aire = 1.568 - 0.056 = 1.512 m3

• Por % volumen el aire tiene 21 % de oxigeno, por lo tanto el

volumen de aire será:

1.512----------------21%

x -------------------100%

x = 7.2 m3


• Exceso de aire: en el problema anterior se calculo la demanda teórica de aire, es decir la cantidad que corresponde a las reacciones químicas. En la practica es necesario utilizar un exceso de aire con el objeto de asegurar una combustión completa. La cantidad en exceso se designara como un porcentaje de la demanda teórica. Por lo tanto si se decidiese usar el 40% de exceso de aire para la combustión.

• El volumen en exceso seria de: 0.40 x 7.20 = 2.88 𝑚3

• El aire total será de 7.20 + 2.88 = 10.08 m3 ( aire seco)


• Problema 2.-Un horno utiliza para fundir bronce, carbón

antracitico como combustible, la composición es la siguiente:

C……82% H2O……2%

H2…….4% Ceniza…..12%

• Las cenizas del horno ascienden al 15% del peso total del

carbón antracitico. Se usa el 60% mas de aire que el

requerimiento teórico.

• Calcular:

• a.-Los m3 de aire teóricamente requeridos para la combustión

de 1 kg de carbón antracita, calcular por método gravimétrico.


• b.-El volumen de aire realmente usado por 1 kg de carbón

antracita, calcular por método volumétrico.

• c.-El volumen de los productos de la combustión cuando

solo se usa el requerimiento teórico de aire, calcular por

el método gravimétrico y cambiar al volumétrico.

• d.-El volumen y la composición en % de los productos de

la combustión que realmente se forman (esto es

incluyendo el exceso de aire), calcular directamente por

el método volumétrico.


• Solución:

• Composición es la siguiente:

C……82% H2O……2% H2…….4% Ceniza…..12%

• Ojo son 12% ceniza pero el peso de ceniza terminado el proceso fue de 15% del peso total, esto quiere decir que la diferencia (0.15 – 0.12 = 0.03 kg), es residuo del carbono.

• Entonces el carbono quemado por 1 kg de carbón antracitico será: 0.82 – 0.03 = 0.79 kg C


• a.-Calculo de los m3 de aire por método gravimétrico:

• Las reacciones serán:

C + O2 = CO2------------1

2H2 + O2 = 2H2O-----------2

• De la ec. 1 0.79 𝑘𝑔 𝐶 𝑥32 𝑘𝑔 𝑂2

12 𝑘𝑔 𝐶= 2. 11 𝑘𝑔 𝑂2

• De la ec. 2 0.04 𝑘𝑔 𝐻2 𝑥32 𝑘𝑔 𝑂2

4 𝑘𝑔 𝐻2= 0.32 𝑘𝑔 𝑂2



2.43----------------23.2%

x -------------------100% x= 10.47 kg aire





• b.-Calculo del volumen real de aire por método volumétrico:


C + O2 = CO2------------1

2H2 + O2 = 2H2O-----------2

• De la ec. 1 0.79 𝑘𝑔 𝐶 𝑥22.4 𝑚3 𝑂2

12 𝑘𝑔 𝐶= 1.47 𝑚3 𝑂2

• De la ec. 2 0.04𝑘𝑔 𝐻2 𝑥 22.4 𝑚3 𝑂2

4 𝑘𝑔 𝐻2= 0.224 𝑚3 𝑂2

• Total de O2 requerido ------------------ 1.694 m3 O2

• Por % volumen el aire tiene 21 % de oxigeno, por lo tanto el volumen de aire será:

1.694----------------21%

x -------------------100% x= 8.10 m3 aire

• Volumen aire real: 8.10 + 0.6 8.10 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 = 12.96 𝑚3 𝑎𝑖𝑟𝑒.


• c.-Calculo del volumen teórico de los productos de la combustión:


C + O2 = CO2------------1

2H2 + O2 = 2H2O-----------2

• De 1 C𝑂2 formado: 0.79 𝑘𝑔 𝐶 𝑥44 𝑘𝑔 𝐶𝑂2


22.4 𝑚3 𝐶𝑂2

44 𝑘𝑔 𝐶𝑂2= 1.47 𝑚3 𝐶𝑂2

• De 2 𝐻2O formado: 0.04 𝑘𝑔 𝐻2 𝑥 36 𝑘𝑔 𝐻2𝑂

4 𝑘𝑔 𝐻2𝑥

22.4 𝑚3 𝐻2𝑂

18 𝑘𝑔 𝐻2𝑂= 0.448 𝑚3 𝐻2𝑂

𝐻2O del carbón: 0.02 𝑘𝑔 𝐻2𝑂 𝑥 22. 4 𝑚3 𝐻2𝑂

18 𝑘𝑔 𝐻2𝑂= 0.025 𝑚3 𝐻2𝑂

• Por % peso el aire tiene 76.7 % de nitrógeno, por lo tanto el N2 formado es:

• 𝑁2 formado: 76.7 𝑘𝑔 𝑁2

100 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒𝑥 10.47 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑥

22.4 𝑚3 𝑁2

28 𝑘𝑔 𝑁2= 6.42 𝑚3 𝑁2

• Total productos:1.47 𝑚3 𝐶𝑂2 + 0.448 𝑚3 𝐻2𝑂 + 0.025 𝑚3 𝐻2𝑂 + 6.42 𝑚3 𝑁2 = 8.363𝑚3


• d.-Calculo del volumen real de los productos de la combustión:


C + O2 = CO2------------1

2H2 + O2 = 2H2O-----------2

• De 1 C𝑂2 formado: 0.79 𝑘𝑔 𝐶 𝑥44 𝑘𝑔 𝐶𝑂2


22.4 𝑚3 𝐶𝑂2

44 𝑘𝑔 𝐶𝑂2= 1.47 𝑚3 𝐶𝑂2

• De 2 𝐻2O formado: 0.04𝑘𝑔 𝐻2 𝑥 36 𝑘𝑔 𝐻2𝑂

4 𝑘𝑔 𝐻2𝑥

22.4 𝑚3 𝐻2𝑂

18 𝑘𝑔 𝐻2𝑂= 0.448 ≈ 0.45𝑚3 𝐻2𝑂

𝐻2O del carbón: 0.02 𝑘𝑔 𝐻2𝑂 𝑥 22. 4 𝑚3 𝐻2𝑂

18 𝑘𝑔 𝐻2𝑂= 0.025 ≈ 0.03 𝑚3 𝐻2𝑂

• 𝑵𝟐 𝐟𝐨𝐫𝐦𝐚𝐝𝐨 %𝐯𝐨𝐥𝐮𝐦𝐞𝐧 𝐚𝐢𝐫𝐞 : 𝟎. 𝟕𝟗 𝒙 𝟏𝟐. 𝟗𝟔 𝒎𝟑 (𝒗𝒐𝒍 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒂𝒊𝒓𝒆) = 𝟏𝟎. 𝟐𝟒 𝒎𝟑 𝑵𝟐

• 𝑶𝟐 𝒇𝒐𝒓𝒎𝒂𝒅𝒐 %𝐯𝐨𝐥𝐮𝐦𝐞𝐧 𝒂𝒊𝒓𝒆 : 𝟎. 𝟐𝟏 𝒙 𝟒. 𝟖𝟔 𝒎𝟑 (𝒆𝒙𝒄𝒆𝒔𝒐 𝒅𝒆 𝒂𝒊𝒓𝒆) = 𝟏. 𝟎𝟐 𝒎𝟑 𝑶𝟐

• Total =1.47 𝑚3 𝐶𝑂2 + 0.45 𝑚3 𝐻2𝑂 + 0.03 𝑚3 𝐻2𝑂 + 10.24 𝑚3 𝑁2 + 1.02 𝑚3 𝑂2 = 13.21𝑚3


• d.-Calculo del volumen real de los productos de la

combustión:

• Ahora la composición pero en porcentaje:

• 𝐶𝑂2 ∶ 1.47 𝑚3 →1.47

13.21𝑥100 = 11.13%

• 𝐻2𝑂 ∶ 0.48 𝑚3 →0.48

13.21𝑥100 = 3.63%

• 𝑁2 ∶ 10.24 𝑚3 →10.24

13.21𝑥100 = 77.52%

• 𝑂2 ∶ 1.02 𝑚3 →1.02

13.21𝑥100 = 7.72%

Total = 100%


• Problema 3.-Un horno de fusión quema carbón mineral pulverizado, la composición es la siguiente:

C……76% H……4.6% S………1.2%

O……7.8% H2O……1.5%

N…….1.7% Ceniza….6.9%

• Se suministra a los quemadores 30% mas de aire que el requerimiento teórico para la combustión completa.

• Calcular:

• a.-Por kg de carbón, los kg de aire suministrado, por método de peso.


• b.-Por kg de carbón, los m3 de aire suministrado, calcular por método volumétrico directo.

• c.-Por libra de carbón, los pies3 de aire suministrado, por método de volumen.

• d.-Por kg de carbón, el peso total de los productos de la combustión.

• e.-Por kg de carbón, el total de m3 de los productos de la combustión, usar el método volumétrico.

• f.-Por libra de carbón, los pies3 de los productos de la combustión.


• Solución:

• a.-Calculo de los kg de aire por método de peso:


C + O2 = CO2------------1

2H2 + O2 = 2H2O-----------2

S + O2 = SO2-------------3

• De la ec. 1 0.76 𝑘𝑔 𝐶 𝑥32 𝑘𝑔 𝑂2

12 𝑘𝑔 𝐶= 2. 027 𝑘𝑔 𝑂2

• De la ec. 2 0.046 𝑘𝑔 𝐻2 𝑥32 𝑘𝑔 𝑂2

4 𝑘𝑔 𝐻2= 0.368 𝑘𝑔 𝑂2

• De la ec. 3 0.012 𝑘𝑔 𝑆 𝑥32 𝑘𝑔 𝑂2

32 𝑘𝑔 𝑆= 0.012 𝑘𝑔 𝑂2


• Oxigeno presente en el carbón --------- 0.078 kg O2

• Oxigeno a ser suministrado por el aire: 2.431 – 0.078 = 2.353 kg O2


• Solución:

• a.-Calculo de los kg de aire por método de peso:


2.353----------------23.2%

x -------------------100% x = 10.14 kg aire

• Exceso de aire : 0.3(10.14) = 3.042 kg aire

• Total de aire requerido ------------------ 10.14 + 3.042 = 13.182 kg aire.





• b.-Calculo de los m3 de aire suministrado por método volumétrico directo:

• De la ec. 1 0.76 𝑘𝑔 𝐶 𝑥22.4 𝑚3 𝑂2

12 𝑘𝑔 𝐶= 1.415 𝑚3 𝑂2

• De la ec. 2 0.046 𝑘𝑔 𝐻2 𝑥22.4 𝑚3 𝑂2

4 𝑘𝑔 𝐻2= 0.258 𝑚3 𝑂2

• De la ec. 3 0.012 𝑘𝑔 𝑆 𝑥22.4 𝑚3 𝑂2

32 𝑘𝑔 𝑆= 0.008 𝑚3 𝑂2

• Total de O2 requerido ---------------------- 1.685 m3 O2

• 𝑂2 del carbón: 0.078 𝑘𝑔 𝑂2 𝑥 22.4 𝑚3 𝑂2

32 𝑘𝑔 𝑂2𝑂= 0.0546 𝑚3 𝑂2

• Oxigeno a ser suministrado por el aire: 1.685 + 0.0546 = 1.6304 𝑚3 𝑂2


• b.-Calculo de los m3 de aire suministrado por

método volumétrico directo:

• Por % volumen el aire tiene 21 % de oxigeno, por lo

tanto el volumen de aire será:

1.6304----------------21%

x -------------------100%

x= 7.763 m3 aire

• Volumen aire real: 7.763 + 0.3 7.763 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 =10.09 𝑚3 𝑎𝑖𝑟𝑒.


• c.-Calculo de los pies3 de aire suministrado, por libra

de carbón, por método de volumen:

• 1 pies3 de aire tiene 0.028317 m3

• 1 kg de carbón contiene 2.205 libras de carbón

• 10.09 𝑚3 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑥 1 𝑝𝑖𝑒3𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒

0.028317 𝑚3 = 356.32 𝑝𝑖𝑒3 𝑎𝑖𝑟𝑒

•356.32 𝑝𝑖𝑒3 𝑎𝑖𝑟𝑒

1 𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛𝑥

1 𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛

2.205 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛= 161.59

𝑝𝑖𝑒𝑠3 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛


• d.-Calculo por kg de carbón, del peso total de los productos de la combustión:

• C𝑂2 ∶ 0.76 𝑘𝑔 𝐶 𝑥44 𝑘𝑔 𝐶𝑂2

12 𝑘𝑔 𝐶= 2.79 𝑘𝑔 𝐶𝑂2

• 𝐻2O: 0.046 𝑘𝑔 𝐻2 𝑥2(18) 𝑘𝑔 𝐻2𝑂

4 𝑘𝑔 𝐻2= 0.414 𝑘𝑔 𝐻2𝑂

• 𝑆𝑂2 ∶ 0.012 𝑘𝑔 𝑆 𝑥 64 𝑘𝑔 𝑆𝑂2

32 𝑘𝑔 𝑆= 0.024 𝑘𝑔 𝑆𝑂2

• 𝑵𝟐 ∶ % 𝐩𝐞𝐬𝐨 𝐚𝐢𝐫𝐞 : 𝟎. 𝟕𝟔𝟕 𝒙 𝟏𝟑. 𝟏𝟖 𝒌𝒈 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒂𝒊𝒓𝒆 = 𝟏𝟎. 𝟏𝟐 𝒌𝒈 𝑵𝟐

• 𝑶𝟐 ∶ % 𝐩𝐞𝐬𝐨 𝒂𝒊𝒓𝒆 : 𝟎. 𝟐𝟑𝟐 𝒙 𝟑. 𝟎𝟒𝟐 𝒌𝒈 𝒆𝒙𝒄𝒆𝒔𝒐 𝒂𝒊𝒓𝒆 = 𝟎. 𝟕𝟏 𝒌𝒈 𝑶𝟐

• Total = 2.79 𝑘𝑔 𝐶𝑂2 + 0.414 𝑘𝑔 𝐻2𝑂 + 0.024 𝑘𝑔 𝑆𝑂2 + 10.12 𝑘𝑔 𝑁2 +0.71 𝑘𝑔 𝑂2 = 14.06 𝑘𝑔


• e.-Calculo por kg de carbón, el total de m3 de los productos

de la combustión, usar el método volumétrico:

• C𝑂2 ∶ 2.79 𝑘𝑔 𝐶𝑂2 𝑥22.4 𝑚3 𝐶𝑂2

44 𝑘𝑔 𝐶𝑂2= 1.42 𝑚3 𝐶𝑂2

• 𝐻2O: 0.414 𝑘𝑔 𝐻2𝑂 𝑥22.4 𝑚3𝐻2𝑂

18 𝑘𝑔 𝐻2𝑂= 0.52 𝑚3𝐻2𝑂

• 𝑆𝑂2 ∶ 0.024 𝑘𝑔𝑆𝑂2 𝑥 22.4 𝑚3𝑆𝑂2

64 𝑘𝑔𝑆𝑂2= 0.008 𝑚3𝑆𝑂2

• 𝑁2 ∶ 10.12 𝑘𝑔 𝑁2 𝑥 22.4 𝑚3𝑁2

28 𝑘𝑔𝑁2= 8.096 𝑚3 𝑁2

• 𝑂2 ∶ 0.71 𝑘𝑔 𝑂2 𝑥 22.4 𝑚3𝑂2

32 𝑘𝑔 𝑂2= 0.497 𝑚3 𝑂2


• e.-Calculo por kg de carbón, el total de m3 de los

productos de la combustión, usar el método

volumétrico:

• Total= 1.42 𝑚3 𝐶𝑂2 + 0.52 𝑚3𝐻2𝑂 + 0.008 𝑚3𝑆𝑂2 + 8.096 𝑚3 𝑁2 +

0.497 𝑚3 𝑂2 = 10.54 𝑚3

𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛

• f.-Por libra de carbón, los pies3 de los productos de la

combustión:

• 10.54 𝑚3

𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛 𝑥

𝑝𝑖𝑒3

0.028317 𝑚3 𝑥 1 𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛

2.205 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛= 168.8

𝑝𝑖𝑒𝑠3

𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛

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