PROCESOS DE COMBUSTIÓN TEÓRICO Y REAL

Cualquier material que pueda quemarse para liberar energía recibe el

nombre de combustible. La mayoría de los combustibles conocidos compone

principalmente de hidrogeno y carbono. Reciben el nombre de combustible

hidrocarburos y se denotan por la formula general CnHm. Los combustibles

hidrocarburos existen en todas las fases y algunos ejemplos son el carbón, la

gasolina y gas natural.

El principal constituyentes del carbón mineral es el carbono; también

contiene cantidades variables de oxigeno, nitrógeno, azufre, humedad y ceniza.

Es difícil dar un análisis de la masa exacta del carbono mineral pues que su

composición varia de un area geográfica a otra e incluso dentro de la misma

región. La mayor parte de los combustibles hidrocarburos líquidos son una

mezcla de números hidrocarburos y se obtiene del petróleo crudo mediante la

destilación .los hidrocarburos mas volátiles se vaporizan primero formando lo

que se obtiene durante la destilación son el queroseno, el diesel y el

combustoleo .La composición de un combustible particular depende de la

fuente de petróleo crudo, así como de la refinería.

Aunque los combustibles hidrocarburos líquidos son mezclas de muchos

hidrocarburos diferentes, por conveniencia suelen considerarse como un solo

hidrocarburo.Por ejemplo, la gasolina se trata como octano, C8H18, y el diesel

como dodecano, C12H26.Otro hidrocarburo liquido común es el alcohol metilico

CH3OH, al que también se le llama metanol y se usa en algunas mezclas de

gasolina. El gas natural combustible hidrocarburo gaseoso, algunas veces se

trata metano CH4, por simplicidad.

Una reacción química durante la cual se oxida un combustible y se libera una

gran cantidad de energía recibe el nombre de combustión .El oxidante

empleado con mayor frecuencia en los procesos de combustión es el aire, por

obvias razones;: es gratis y es fácil de conseguir.EL oxigeno puro O se emplea

como oxidante solo en algunas aplicaciones especializadas como el corte y

soldadura donde no se puede utilizar aire.En consecuencia, son pertinentes

unas cuantas palabras acerca de la composición del aire.

En unas base molar o de volumen, el aire seco esta compuesto por 20.9 por

ciento de oxigeno, 78.1 por ciento de nitrógeno, 0.9 por ciento de argon y

pequeñas cantidades de o dióxido de carbono, helio, neon e hidrogeno. En el

análisis de los procesos de combustión, el argon en le aire se trata como

nitrógeno, en que los gases que existen en cantidades muy pequeñas se

descartan. De modo que el aire seco puede considérese aproxima dadamente

como 21 por ciento de oxigeno que entra en una cámara de combustión será

acompañado por 0.79/0.21 = 3.76 mol de nitrógeno. Es decir

1 kmol O2 + 3.76 kmol N2 = 4.76 kmol aire

A temperatura de combustión ordinaria el nitrógeno se comporta como un gas

inerte y no reacciona con otros elementos químicos. Pero aun en ese caso la

presencia de nitrógeno influye de manera considerable en el resultado de un

proceso de combustión, pues el nitrógeno suele entrar en una cámara de

combustión en grandes cantidades a temperaturas bajas y salir a temperaturas

considerablemente altas, absorbiendo una gran proporción de la energía

química liberada durante la combustión. En todo este capitulo se supondrá que

el nitrógeno permanecerá perfectamente inerte. Téngase en mente, sin

embargo, que a temperaturas muy altas, como las que se encuentran en las

maquinas de combustión interna, una pequeña fracción de nitrógeno reacciona

con oxigeno, formando gases peligrosos como el oxido nítrico.

El aire que entra en una cámara de combustión contiene algo de vapor

de agua (o humedad), el cual también es digno de consideración. En casi todos

los procesos de combustión, la humedad en el aire puede tratarse como gas

inerte, como nitrógeno. Sin embargo a temperaturas muy altas un poco de

vapor de agua se descompone en H2 y O2, así como en H, O y OH. Cuando los

gases de combustión se enfrían por debajo de la temperatura de punto de rocío

del vapor de agua, una parte de la humedad se condensa, es importante

predecir la temperatura de punto de rocío debido a que las gotas de agua

suelen combinarse con el dióxido de azufre que puede estar presente en los

gases de combustión, formando acido sulfúrico, el cual es muy corrosivo.

Durante un proceso de combustión los componentes que existen antes

de la reacción reciben el nombre de reactivos, y los componentes que existen

después de la reacción se denominan productos. Considere, por ejemplo, la

combustión de 1 kmol de carbón con 1 kmol de oxigeno puro, que forma

dióxido de carbono:

C + O2 CO2 (14-2)

Aquí C y O2 son los reactivos, puesto que existen antes de la combustión y CO2

es el producto, debido a que existe después de la combustión. Observe que un

reactivo no tiene que reaccionar químicamente con la cámara de combustión.

Por ejemplo, si el carbono se quema con aire en lugar de oxigeno puro, ambos

lados de la ecuación de combustión incluirán N2. Es decir, el N2 aparecerá

como un reactivo y como un producto.

Debe mencionarse que poner un combustible en estrecho contacto con

el oxigeno no es suficiente para iniciar la combustión. (Gracias a dios que es

así. de otro modo, el mundo entero estaría en llamas). El combustible debe

llevarse arriba de su temperatura de ignición para iniciar la combustión. Las

temperaturas de ignición mínimas aproximadas de varias sustancias del aire

atmosférico son 260ºC para la gasolina, 400ºC para el carbono, 580ºC para el

hidrogeno, 610ºC para el monóxido de carbono y 630ºC para el metano.

Además, las proporciones del combustible y del aire deben estar en un nivel

adecuado para que comience la combustión. Por ejemplo, el gas natural no se

quemara en el aire en concentraciones menores a 5 por ciento o mayores a 15

por ciento aproximadamente.

Como el lector recordara de sus cursos de química, las ecuaciones

químicas se balancean con base en el principio de la conservación de la

masa, el cual puede enunciarse como sigue: la masa total de cada elemento

se conserva durante una reacción química. Es decir, la masa total de cada

elemento en el lado derecho de la ecuación de la reacción(los productos) debe

ser igual a la masa total de ese elemento en el lado izquierdo (los reactivos)

aun cuando los elementos existan en compuestos químicos diferentes en los

reactivos y los productos. Además, el número total de átomos de cada

elemento se conserva durante una reacción química, ya que el número total del

electo dividida por su masa atómica.

Por ejemplo, ambos lados de la ecuación 14-2 contiene 12 kg de

carbono y 32 kg de oxigeno, aun cuando el carbono y el oxigeno existen como

elementos en los reactivos y como compuesto en el producto. Asimismo, la

masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos, siendo

cada una 44 kg. (Es una práctica común redondear las masas molares hasta el

entero más cercano si no se requiere más exactitud.)Sin embargo, advierta que

el número de moles total de los reactivos (2 kmol) no es igual al número de

moles total de los productos (1kmol). Es decir, el número total de moles no se

conserva durante una reacción química.

Una cantidad utilizada en el análisis de procesos de combustión para

cuantificar las cantidades de combustible y aire es la relación aire –

combustible AC. Suele expresar en una base de masa y se define como la

proporción entre la masa del aire y la masa de combustible en un proceso de

combustión (figura 14-6). Es decir,

Es decir,

AC = maire

mcombustible

La masa m de una sustancia se relaciona con el numero de moles N por

medio de la relación m = NM, donde M es la masa molar.

La relación aire-combustible puede expresarse también en una base

molar como la proporción entre el número de moles del aire y el número de

moles del combustible. Pero aquí se utilizara la primera definición. El reciproco

de la relación aire- combustible se conoce como relación combustible-aire.

EJEMPLO 14-1

Un kmol de octano (C8 H18 ) se quema con aire que contiene 20kmol de O2 ,

como se muestra en la figura 14-7. Suponga que los productos contienen solo

CO2, O2, H2O y N2, determine el número de moles en cada gas en los productos

y la relación aire-combustible para este proceso de combustión.

Solución la ecuación química para este proceso de combustión puede

escribirse como

C8H18 + 20(O2+3.76N2) x CO2 + y H2O + w N2 + z O2

Donde los términos en el paréntesis representan la composición del aire seco

que contiene 1 kmol de O2, y x, y, z y w representan los números de moles

desconocidos de los gases en los productos. Estas incógnitas se determinan

con la aplicación del principio de la conservación de la masa a cada uno de los

elementos, es decir, la masa o el número de moles total de cada elemento en

los reactivos debe ser igual a la de los productos:

C: 8 =x x =8

H: 18 = 2y y = 9

O: 40 = 2x + y + 2z z = 7.5

N2: (20) (3.76) = w w = 75.2

La sustitución produce

C8H18 + 20(O2 + 3.76N2) 8CO2 + 9H2O + 7.5 O2 + 75.2 N2

FIGURA 14-6

La relación aire combustible

(AC) representa la cantidad

de aire utilizada por unidad de

masa de combustible durante

un proceso de combustión

Combustible

1kg

Productos 18kg

aire

17kg

Cámara de

combustión

AC = 17

FIGURA 14-7

Dibujo esquemático para el ejemplo 14-1

C8H18 x CO2

y H2O

1 kmol z O2

W N2

Aire

Observe que el coeficiente 20 en la ecuación balanceada anterior

representa el número de moles de oxigeno, no el número de moles de aire.

Éste se obtiene sumando 20 x 3.76 = 75.2 moles de nitrógeno a los 20 moles

de oxigeno, lo que da un total de 95.2 moles de aire. La relación aire-

combustible (AC) se determina tomando la proporción entre la masa de aire y

la masa del combustible (ecuación 14-3):

( )( ) ( )

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

ecombustiblKgaireKg

KmolKgKmolKmolKgKmol

molKgKmolx

NMNM

NMAC

Hc

aire

ecombustibl

aire

mm

/2.24

/29/128

/2976.4202

=+

=

+==

Es decir, se emplea 24.2 Kg. de aire para quemar cada kilogramo de

combustible durante este proceso de combustión.

14-2 PROCESOS DE COMBUSTIÓN

TEÓRICO Y REAL

Muchas veces es muy útil estudiar la combustión de un combustible con

la suposición de que la combustión es completa. Un proceso de combustión es

Cámara de

combustión

completo si todo el carbono en el combustible se transforma en el CO2, todo el

hidrógeno se transforma en H2O y todo el azufre (si lo hay) se transforma en

SO2. Todos los componentes combustibles del combustible se queman por

completo durante un proceso de combustión completa (figura 14-8). En sentido

inverso, un proceso de combustión es incompleto si los productos de

combustión contienen cualquier combustible o componentes no quemados,

como C, H2, CO u OH.

El oxigeno insuficiente es una razón obvia para la combustión

incompleta, pero no la única. La combustión incompleta sucede incluso cuando

en la cámara de combustión hay mas oxigeno del necesario para la combustión

completa. Esto puede atribuirse a la mezcla insuficiente en la cámara de

combustión durante el limitado tiempo que el oxigeno y el combustible están en

contacto. Otra causa de combustión incompleta es la disociación, la cual se

vuelve importante a elevadas temperaturas.

La cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa de

un combustible recibe el nombre de aire estequiométrico o aire teórico. De

manera que cuando un combustible se quema por completo con aire teórico, no

estará presente oxigeno no combinado en el producto de los gases. El aire

teórico también se conoce como cantidad de aire químicamente correcta, o aire

100 por ciento teórico. Un proceso de combustión con menos cantidad de aire

teórico está condenado a ser incompleto. El proceso de combustión ideal

durante el cual un combustible se quema por completo con aire teórico se

conoce como combustión estequiométrico o teórica de ese combustible

(figura 14-9). Por ejemplo, la combustión teórica del metano es

CH4 +2 (O2 + 3.76N2) → CO2 + 2H2O + 7.52N2

Advierta que los productos de la combustión teórica no contienen

metano no quemado ni C, H2, CO, OH u O2 libre.

En los procesos de combustión reales es una práctica común emplear

más aire que la cantidad estequiométrica, con el fin de aumentar las

oportunidades de combustión completa o para controlar la temperatura de la

cámara de combustión. La cantidad de aire en exceso de la cantidad

estequiométrica se llama exceso de aire. La cantidad de exceso de aire suele

expresarse en términos del aire estequiométrico como aire de exceso

porcentual o aire teórico porcentual. Por ejemplo, 50 por ciento de exceso

de aire es equivalente a 150 por ciento de aire teórico, y 200 por ciento de

exceso de aire equivalente a 300 por ciento de aire teórico. Desde luego, el aire

estequiométrico puede expresarse como cero por ciento de exceso de aire o

100 por ciento de aire teórico. Cantidades de aire menores que la cantidad

estequiométrica reciben el nombre de deficiencia de aire y se expresa a

menudo como deficiencia de aire porcentual. Por ejemplo, 90 por ciento de

aire teórico es equivalente a 10 por ciento de deficiencia de aire. La cantidad de

aire utilizada en procesos de combustión se expresa también en términos de la

razón de la equivalencia, la cual es la proporción entre la relación combustible-

aire real y la relación combustible-aire estequiométrica.

La predicción de la composición de los productos es relativamente fácil

cuando se supone que el proceso de combustión será completo y que se

conocen las cantidades exactas de combustible y aire utilizados. Todo lo que

se necesita hacer en este caso es aplicar el principio de conservación de la

masa cada elemento que aparece en la ecuación de la combustión, sin

necesidad de tomar otras medidas. Sin embargo, cuando una trata con

procesos de combustión reales, las cosas no son tan sencillas. Por alguna

razón, es difícil que los procesos de combustión reales siempre sean

completos, incluso en la presencia de un exceso de aire. Por tanto, es

imposible predecir la composición de los productos con base sólo en el

principio de la conservación de la masa. Por ello, la única opción es medir

directamente la cantidad de cada componente en los productos.

Para analizar la composición de los gases de combustión se emplea un

dispositivo conocido como analizador de gases Orsat. En este dispositivo se

recoge una muestra de los gases de combustión y se enfría a temperatura y

presión ambiente, en cuyo punto se mide su volumen. Después la muestra es

puesta en contacto con un compuesto químico que absorbe el CO2. Los gases

restantes se vuelven a llevar a la temperatura y presión ambiente, y se mide el

nuevo volumen que ocupan. La proporción entre la reducción de volumen y el

volumen original es la fracción de volumen del CO2, la cual es equivalente a la

fracción molar si se supone comportamiento de gas ideal (figura 14-10). Las

fracciones de volumen de los otros gases se determinan al repetir este

procedimiento. En el análisis Orsay se acopia la muestra gaseosa sobre agua y

se mantiene saturada todo el tiempo. Así, la presión de vapor del agua

permanece constante durante toda la prueba. Por esta razón se ignora le

presencia de vapor de agua en la cámara de prueba y los datos se registran en

una base seca. Sin embargo, la cantidad de H2o formada durante la

combustión se determina con facilidad balanceado la ecuación de combustión.

Ejemplo 14-2

Durante un proceso de combustión se quema etano (C2 H6) con 20 por ciento

de exceso de aire, como se muestra en la figura 14-11. suponga su

combustión completa y una presión total de 100 kpa, y determine a) la

relación de aire- combustible y b) la temperatura de punto de rocío de los

productos

.

Solución. Se especifica que el etano se quema por completo. En

consecuencia, los productos contendrán sólo CO2, H 2 O, N2 y el O2 no

utilizado. La ecuación de combustión en este caso puede escribirse como

C2 H6 +1.2at (O2 + 3.7 N2)

2CO 2H3H 2O+0.2atO2+ (1.2X3.76)a t N2

Donde at es el coeficiente estequiometrico para el aire. De manera automática

se tomo en cuenta 20 por ciento de exceso de aire utilizando el factor 1.2 a t

en lugar de para el aire. La cantidad estequiométrica de oxigeno (a t O2) se

utilizara para oxidar el combustible y la cantidad de exceso restante(0.2atO2)

aparecerá en los productos como oxigeno no utilizado. Observe que el

coeficiente N2 de es el mismo en ambos lados de la ecuación. También

notará que hubo balanceó del C y el H2 mental al momento de escribir la

ecuación de combustión. El coeficiente at se determina del balanceo de O2:

O2 1.2a t=2+1.5+0.2at at =3.5

La sustitución produce

C2H6+4.2 (O2+3.76N2) 2CO2+3 H2O+0.7O2+15.79N2

a) la relación aire –combustible se encuentra al tomar la proporción entre la

masa del aire y la masa del combustible (ecuación 14-13):

4.2 X 4.76 Kmol) (29kmol)

AC

(2 kmol)(12kg/kmol) + (3 kmol)(2kg/kmol)

= 19.32 KG AIRE / kg COMBUSTIBLE

Es decir, se suministra 19.3kg de aire para cada kilogramo de

combustible durante este proceso de combustión.

b) la temperatura de punto de rocío de los productos es la temperatura a la

cual el vapor de agua en los productos empieza a condensarse cuando los

productos se enfrían. Se recordara del capitulo 13 que la temperatura de

punto de roció de una mezcla gas-vapor es la temperatura de saturación del

vapor de agua correspondiente a su presión parcial. En consecuencia,

primero debe determinarse la presión parcial del vapor de agua P en los

productos. Si se supone comportamiento de gas ideal para los gases de

combustiones tiene

pv = (NV/Nprod) (Pprod)= (3kmol/21.49kmol)(100 kpa)=13.96kpa

Por tanto T pr = T sat 13.96 kpa =53.3 grados centígrados ( tabla A-5)

m aire

m combustible