Sesion Nº Quimica de La Combustion1

Mg Antonio Leonardo DELGADO ARENASFACULTAD DE INGENIERIA SESCUELAS ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y AMBIENTALTERMODINAMICASESION NQumica de la combustin

ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014

ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*ENERGA EN EL PLANETA TIERRABajo costo econmico de la Energa Alta disponibilidad de Fuentes de EnergaCrecimiento econmico (industrias; poblacin) Mayor consumo de energa; Mas productos colaterales (gases; calor; etc) Eventual limitacin de las fuentes; Mayor costo de la Energa; Limitacin de proyectos por falta de energa.


ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*Fuentes de Energa del PlanetaEl planeta Tierra dispone de una sola fuente de energa: el solExceptuando la energa nuclear y la del calor propio del centro de la tierra, tanto las fuentes de energa clsicas como las alternativas provienen de la energa que se recibe del sol (que es, a su ves, una reaccin nuclear).


ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*ENERGAS TPICAS DE LA INDUSTRIACarbn: Biomasa vegetal fosilizadaPetrleo: Productos de fermentacin de orgnicos Gas Natural: Productos de fermentacin de orgnicosGLP: mezcla de gases licuados presentes en el gas natural o disueltos en el petrleo... Por ende: Provienen todas del sol


ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*ENERGAS ALTERNATIVASAlgunas formas del sol y otras no - solaresHidroelctrica (ciclo del agua por evaporacin solar)Luz solar y calorVientos (diferencias de temperatura en sectores del planeta)Mareas (atraccin gravitacional de la luna)Geotrmica (calor remanente en el centro de la tierra primigenia)Seguramente veremos pronto aparecer el hidrgeno gaseoso como una forma comn de energa transportable y/o para acopio de energa cclica (ya que no se destruye sino que se transforma)


ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*Fuente clsica: BIOMASALa vida en el planeta Tierra se basa en el carbonoLa combustin (qumica o por llama) de compuestos orgnicos produce CO2 si es combustin completaLos auttrofos sintetizan compuestos orgnicos usando CO2, luz o salesHay un ciclaje permanente de carbono en el planetaSe dice que fotoauttrofos (sonorganismosespecialmente plantas) que efectanfotosntesispara obtener energa) fijan carbono


ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*FOTOSNTESIS6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

Sntesis de azcares, que luego constituyen el soporte estructural y las molculas necesarias para la vida. 6 molculas de dixido de carbono + 6 molculas de agua dan origen a 1 molcula de azcar+ 6 molculas de oxgeno


ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*COMBUSTIBLES FSILESAs visto, la humanidad encontr un gran acopio de biomasa procesada hasta la forma de combustibles (600 millones de aos de ahorro de energa solar como biomasa)La combustin es la reaccin inversa de la fotosntesis, por ende recupera la energa de la molcula en la forma de calor.El gasto de esta cuenta de ahorro ha sido rpidoEnfoque SUSTENTABLE


ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*CRISIS ENERGTICA 1970Reunin de presidentesAnalizan que el petrleo se terminar (antes del ao 2000)Por qu fall la prediccin?Qu hemos hecho al respecto?Optimizacin de procesos energticos (p.e. Automovil de 4 a 20 Km/L)Optimizacin debe continuar, al tiempo que se utilicen nuevas fuentes (no slo energa...)


ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*SUSTENTABILIDAD EN LOS AOS 90SE ASEMEJA AL CONTROL DE CALIDAD DE LOS 80Resistencia y desconocimiento inicialObjetivos parecan quimeras (sin defectos / Sin emisiones) y luego fueron normas operacionales comunesGrandes innovaciones en procesos y productos (no slo cumplir con las exigencias) Ambos objetivos exigen trabajadores mas comprometidos, entrenados y educados (formacin continua)El personal tiene mas responsabilidades


ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*La mayor parte del combustible empleado en los hornos de combustin de las plantas de energa puede ser: CARBON: Es una mezcla de carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrgeno, azufre, agua y cenizas. NOTA: Debido a que el carbn en su estado natural no es ni una substancia pura ni tiene composicin uniforme, no se le puede adjudicar una formula qumica definida. Por este motivo si se necesita conocer su composicin hay que analizarlo qumicamente


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ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*El anlisis qumico y la potencia calorfica de un carbn pude expresarse de tres manera distintas:a) Sobre el carbn tal como se recibe o se quemab) Sobre el carbn seco o exent de humedad; yc) Sobre el carbn sin cenizas ni humedad, o sea sobre su ,materia combustible. El tercer mtodo supone que todo, excepto las cenizas y humedad, es materia que puede quemarse.El tipo de carbn de piedra que contiene mayor cantidad de carbono


ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*CLASIFICACION DE LOS CARBONOS Los diferentes tipos de carbn se clasifican segn su contenido de carbono fijo: a) La turba, la primera etapa en la formacin de carbn, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto ndice de humedad. b) El carbn bituminoso o hulla, tiene un contenido an mayor, por lo que su poder calorfico tambin es superior, segn McKenzie-Taylor se formara a partir de la turba en condiciones alcalinas y anaerobias.


c) El lignito, variedad de carbn, de calidad intermedia entre el carbn de turba y el bituminoso. Suele tener color negro pardo y estructura fibrosa o leosa. Tiene una capacidad calorfica inferior a la del carbn comn debido al gran contenido de agua (43,4%) y bajo de carbono (37,8%); el alto contenido de materia voltil (18,8%) provoca la desintegracin rpida del lignito expuesto al aire. El calor del lignito es de 17.200 kJ por kg. ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*


d) La antracita, carbn duro que tiene el mayor contenido de carbono fijo y el menor contenido de material voltil de todos los tipos de carbn. Contiene aproximadamente un 87,1% de carbono, un 9,3% de cenizas y un 3,6% de materia voltil. Tiene un color negro brillante, una estructura cristalina y una fractura concoidal (tipo de rotura propia de materiales frgiles, de composicin homognea, pero amorfa, que al trocearse no siguen planos naturales de separacin). Se utiliza sobre todo como combustible y como fuente de carbono industrial. ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*


Aunque se inflama con ms dificultad que otros carbones, la antracita libera una gran cantidad de energa al quemarse y desprende poco humo y holln. La antracita se form principalmente hacia el final del periodo carbonfero como consecuencia de movimientos telricos que generaron calor y presin que transformaron los materiales carbonosos que existan en la Tierra. Es el mejor de los carbones, muy poco contaminante y de alto poder calorfico.ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*


ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*CARBN BITUMINOSO O HULLA


COMPOSICION QUIMICA DEL CARBON PRODUCIDO POR LA EMPRESA PERUANA CARBON LOS ANDES

ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*Carbn briquetado

COMPONENTES%PODER CALORIFICOCarbono Fijo94,89

Poder calorfico: 8,9Mcal/kgCenizas2,10Material Voltil3,01Humedad2,94Azufre0,01Total100,00


COMBUSTOLEO: Conocido como fuel oil N 06. Es un combustible elaborado a partir de productos residuales que se obtienen de los procesos de refinacin del petrleo. Es un Combustible utilizado en procesos industriales en quemadores, calentadores, calderas, generadores de energa elctrica y embarcaciones mayores. Esta formado por hidrocarburos pesados y un 4% m/m aproximadamente de azufre.ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*


COMBUSTIBLES GASEOSOS: Tales como el gas natural y el GLP GAS NATURAL: Es un combustible compuesto por un conjunto de hidrocarburos livianos, el principal componente es el metano (CH4). Se puede encontrar como gas natural asociado cuando esta acompaando de petrleo, o bien como gas natural no asociado cuando son yacimientos exclusivos de gas natural. Poder calorfico: 9,032 Mcal/mALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*


Composicin del gas natural


Componente NaturalFormulaComposicin (%) Estado naturalMetano CH495,08gasEtanoC2H62,14gasPropanoC3H80,29Gas licuableButanoC4H100,11Gas licuablePentanoC5H120,04LiquidoHexanoC6H140,01LiquidoNitrgenoN21,94GasGas carbnicoCO20,39GasImpurezas como : helio, oxigeno, vapor de agua.


GLP: es la mezcla de gases licuados presentes en el gas natural o disueltos en el petrleo. Los componentes del GLP, aunque a temperatura y presin ambientales son gases, son fciles de licuar, de ah su nombre. En la prctica, se puede decir que los GLP son una mezcla de propano y butano.ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*


Cuando se quema un combustible, el carbono en el mismo reacciona para formar ya sea CO2 o CO; el hidrogeno forma H2O, y el azufre forma SO2. Una reaccin de combustin en la que se forma CO a partir de un hidrocarburo se conoce como una combustin incompleta sin residuo del hidrocarburo. Ejemplos:C + O2 CO2 combustin completa del carbonoC3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O combustin completa del propano C3H8 + 3,5O2 3CO + 4H2O combustin incompleta parcial del propanoCS2 + 3O2 CO2 + 2SO2 combustin completa del sulfuro de carbono



Por evidentes razones econmicas, el aire constituye la fuente de oxigeno en la mayora de reactores de combustin. El aire posee la siguiente composicin molar.


COMPONENTESFORMULA%NITROGENON278,03OXIGENO0220,99ARGONAr0,94DIOXIDO DE CARBONOCO20,03HIDROGENO; HELIO; NEON; KRIPTON Y XENONH2; He; Ne; Kr; Xe0,01TOTAL100,00


NOTA: Para efectos de calculo, resulta aceptable simplificar esta composicin a 79% N2 y 21% O2, con una masa molecular de 28,84 = 0,79(28) + 0,21(32) = 28,84COMPOSICION EN BASE HUMEDA: Se utiliza con frecuencia para sealar las fracciones molares de los componentes de un gas que contiene agua.COMPOSICION EN BASE SECA: Significa las fracciones molares de los componentes del mismo gas, pero sin la presencia de agua.Ejemplo: Composicin en base hmeda: 33,3% CO2; 33,3% N2 y 33,4% H2O.Composicin en base seca: 50% CO2 y 50% N2



HUMOS O GASES DE CHIMINEA: Es el producto gaseoso que abandona la cmara de combustin.Ejemplo:Un gas de chimenea contiene la siguiente composicin molar: %N2 = 60%; % CO2 = 15%; %O2 = 10% y el resto agua. Calcular la composicin molar del gas en base seca. ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*

COMPONENTESBASE HUMEDABASE SECACOMPOSICIONN260CO215O210H2O15TOTAL100


ANALISIS ORSAT: Es una tcnica comn para el anlisis de los gases de chimenea como CO2; O2; H2; hidrocarburos pesados, CH4; CO y N2Ejemplo: Un anlisis de Orsat da los siguientes resultados de composicin molar en base seca: N2 = 65%; CO2 = 14%; CO = 11%; O2 = 10% Una medicin de humedad muestra que la fraccin de agua en el gas de chimenea es 0,07. Calcular la composicin del gas de chimenea en base hmeda.



Ejemplo. Un gas contiene 1 mol de H2, 1 mol de O2 y 2 moles de H2O Cul es la composicin molar de este gas en base hmeda? Y en base seca?ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*


Ejemplo: Un gas de chimenea contiene 5% molar de H2O. Calcular:a) mol-kg de gas de chimenea/ mol-kg de H2Ob) mol-kg de gas de chimenea seca/mol-kg de gas de chimeneac) mol-kg de H2O/mol-kg de gas de chimenea secoALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*


CANTIDAD TEORICA Y EXCESO DE AIRE:a) OXIGENO TEORICO: Son las moles (reactor intermitente) o flujo molar (reactor continuo) de O2 necesarias para una combustin completa de todo el combustible alimentado al reactor, suponiendo que todo el carbono en el combustible se oxida a CO2 y todo el hidrogeno se oxida a H2Ob) AIRE TEORICO: Es la mnima cantidad de aire capaz de suministrar el oxigeno suficiente para lograr la combustin completa de todos los componentes del combustible susceptibles de ser oxidados. En una combustin con el aire terico no se obtiene oxigeno en los productos



AIRE EN EXCESO: Es la cantidad en que el aire alimentado al reactor excede al aire terico.

Si se conoce el flujo de alimentacin de combustible y la ecuacin estequiometrica para combustin completa del mismo, es posible calcular el flujo de aire y el O2 terico. Si adems se conoce el flujo real de aire, se puede calcular el exceso de aire porcentual a partir de la ecuacin anterior.ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014* (naire)aliment - (naire)terico% Exceso de aire = --------------------------------------------------- (naire)terico


Tambin resulta sencillo calcular el flujo de aire de alimentacin a partir del aire terico y un valor dado del exceso porcentual. Por ejemplo si se suministra 70% de exceso de aire, se tiene. (naire)aliment = 1,7(naire)terico PROBLEMA: Se alimentan 100 moles/h de butano (C4H10) y 5000 moles/h de aire a un reactor de combustin. Calcular el exceso porcentual de aire

ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*C4H10 + 13/2O2 4CO2 + 5H2O


OBSERVACION:a) El aire terico requerido para quemar una cantidad dada de combustible no depende de la cantidad que se queme en la practica. Es posible que el combustible no reaccione por completo, pudiendo quemarse parcialmente para formar CO y CO2, pero el aire terico sigue siendo aquel que se necesitara para que reaccionara todo el combustible y formar solo CO2. Anlogamenteb) El valor del exceso de aire porcentual depende solo del aire terico y del flujo de aire de alimentacin, y no en la proporcin de consumo de O2 en el reactor o en si la combustin fue o no completa.ALDA - TERMODINAMICA - UCV - 2014*


PROBLEMA: Si en un horno se quema hidrogeno gaseoso y seco a la presin atmosfrica y con proceso de combustin completa con 32% de exceso de aire. Calcular el anlisis Orsat del gas de chimenea que sale del horno.


HORNO DE COMBUSTION


PROBLEMA: Se quema totalmente metano puro en un horno con la cantidad de aire terico. Calcular a) El anlisis del gas de chimenea seco y hmedo b) el anlisis del gas de chimenea seco y hmedo cuando se utiliza el 32% de exceso de aire


HORNO DE COMBUSTION


PROBLEMA: Se quema carbn con 150% de aire en exceso. Determine la concentracin de los gases de combustin (gases quemados). Reaccin estequiometricamente balanceada: C + O2 CO2


SustanciaEntra (Alimentacin)Reacciona(Ecuac Estequiometrica)Forma(Productos) Sale(Gases de combust)%nCnO2nN2nCO2Total


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