TEMA 3 Quimica y Calor de Combustion

TEMA 3: Química y Calor de Combustión

Tema 3 : Química y Calor de Combustión

La combustión es el proceso térmico de mayor interés práctico por su escala de utilización mundial, siendo a la vez muy fácil de realizar y muy difícil de estudiar. En este capítulo estudiaremos de manera los tipos de combustibles que exis existe ten, n, como como tamb tambié ién n las las rela relaci cion ones es este estequ quio iomé métr tric icas as entr entre e las las reacciones combustible – oxígeno y combustible – aire. Las relaciones antes mencionadas serán utilizadas para la determinación del calor útil presente en una combustión, considerando las perdidas de energía.

Operaciones Unitarias: Tema 3: Química y Calor de Combustión Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica

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3.

Combustión Es la oxidación rápida de una sustancia, acompañada de la transformación de “Energía Química” en energía molecular y de un aumento sustancial de la temperatura de la sustancia en reacción. Es una reacción de carácter exotérmica, es decir, libera calor. Sus aplicaciones se pueden resumir en:       

Calefacción de habitáculos (hogueras, estufas, calderas) Producción de electricidad (centrales térmicas) Propulsión (motores alternativos, turbinas de vapor, turbinas de gas) Procesamiento de materiales (reducción de óxidos, fundición, cocción, secado) Eliminación de residuos (incineración de basura), Producción de frío (frigoríficos de absorción), Iluminación (hasta finales del siglo XIX era el único método de luz artificial).

El proceso de combustión es el más importante en ingeniería porque todavía hoy, aunque tiende a disminuir (96 % en 1975, 90 % en 1985, 80% en 1995), la mayor parte de la producción mundial de energía se hace por combustión de petróleo, carbón y gas natural (combustibles fósiles). Además, no sólo es importante estudiar la combustión controlada de los recursos primarios usados en la producción de trabajo y calor, sino que también es preciso estudiar los procesos de combustión incontrolada (fuegos) para tratar de prevenirlos y luchar contra ellos; además, cada vez es más importante analizar la combustión controlada de materiales de desecho (incineración), con el fin de minimizar la contaminación ambiental. La combustión (quemar algo) es un proceso tan fácil de realizar porque genera mucha entropía y por tanto su viabilidad (tendencia a reaccionar) es muy alta; mucha energía ordenada en los enlaces químicos pasa bruscamente a energía térmica (desordenada) de las partículas producidas. De hecho, el mundo que nos rodea está integrado por mezclas reactivas (Por Ej. el mobiliario o la vestimenta y el oxígeno del aire ambiente) en equilibrio metaestable, y a veces basta con forzar localmente la reacción (chispa) para que se autopropague, normalmente formando un frente luminoso (llama). Sin embargo, el proceso de combustión es difícil de analizar por los siguientes motivos:   

Es un proceso multidisciplinario (termoquímico-fluidodinámico) fuertemente acoplado. Los procesos de transporte de especies y calor (fenómenos de no equilibrio) son dominantes. La fuerte exotermicidad da lugar a altas temperaturas, enormes gradientes (llama)

El carácter multidisciplinario del proceso de combustión demanda un amplio soporte de ciencias básicas: La Termodinámica, que enseña si el proceso es viable y predice la  composición final, la energía liberada y la temperatura alcanzada en el equilibrio; Operaciones Unitarias: Tema 3: Química y Calor de Combustión Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica

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

 

La Cinética química, que trata de predecir el mecanismo detallado de la reacción, la velocidad de reacción, el por qué se producen radicales luminiscentes e ionizados, etc. La Transmisión de calor y de masa, que enseña cómo se difunden la energía térmica y las especies; y La Mecánica de fluidos, que, con los datos de las anteriores, enseña a establecer los balances de flujos apropiados para permitir, al menos teóricamente, abordar la solución del problema.

Los elementos combustibles son sólo 3: Elemento Carbono  Hidrógeno  Azufre 

3.1

Símbolo C H S

Peso Molecular 12 (kg/kmol) 2 (kg/kmol) 32 (kg/kmol)

Combustibles Comerciales



Se define como combustible, a toda aquella sustancia en cuya estructura química posee a lo menos uno de los elementos químicos combustibles antes mencionados. La mayoría de reacciones de combustión tienen lugar entre combustibles fósiles y oxígeno del aire. Los Combustibles se clasifican en:

3.1.1 Naturales o Primarios: 

Sólidos: Carbón, madera, biomasa; muchos metales (caro, sólo para destellos); uranio (en sentido amplio). El carbón mineral se clasifica normalmente en 4 tipos: Turba 1 millón de años Lignito o sub bituminoso 80 millones de años Hulla o bituminoso 180 millones de años Antracita (carbón de piedra) 250 millones de años Nota: Para los combustibles sólidos su composición gravimétrica se puede expresar de 2 formas: Análisis Elemental: Se da la composición gravimétrica de los elementos químicos la conforman. Análisis Inmediato: Entrega los porcentajes en masa de los gases componentes del combustible (humedad, materia volátil, carbono fijo, cenizas)


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

Líquidos: petróleo y sus derivados (gasolinas, parafinas, etc). Dentro de la gran variedad de combustibles, los denominados hidrocarburos son aquellos que tienen las mejores propiedades combustibles (alto poder calorífico), dado que su estructura química está conformada principalmente de carbono e hidrógeno. Se representan por la formula química C XH Y, donde x e y adoptan valores diversos dependiendo del tipo de hidrocarburo. Existen variadas cadenas de hidrocarburos donde una de las más conocida es la de las parafinas.

CnH2n+2 Metano Etano Propano Butano Pentano Heptano Octano



como por ejemplo: CH4 C2H6 C3H8

Gases Naturales Gases Licuados C4H10

C5H12 C7H16

Gasolinas C8H18

Gases: gas natural (Metano, Etano, etc), gases licuados del petróleo (GLP) (Propano, Butano, etc). Naturales: Se llama gas natural, el cual está conformado fundamentalmente de metano y etano predominando fuertemente el metano. Artificiales: Gas de alto horno, gas de cokería, gas pobre, gas de madera, gas industrial. PC PC PC PC

Gas Gas Gas Gas

cañería licuado Natural Natural Diluido

= = = =

4000 (kcal/m 3) 22000 (kcal/m 3) 9300 (kcal/m 3) 5250 (kcal/m 3)

3.1.2 Artificiales o secundarios 



Sólidos: coque (destilado de hulla), carbón vegetal (destilado de madera a ~250 °C: Madera + calor  carbón vegetal + licores piroleñosos + gas + alquitrán), aglomerado de hulla (ladrillos de aglomerado de menudos de hulla con brea), biomasa residual (basura y desagües urbanos, estiércol, paja, etc.).

Líquidos: alcoholes (destilados de la biomasa), aceites de nafta y benzol (destilados del petróleo), como por ejemplo, para los alcoholes: Metanol (alcohol metílico) CH 4O Etanol (alcohol etílico) C 2H6O Básicamente poseen una estructura C XH YOZ


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

Gaseosos: destilados de madera (gas pobre, compuesto de CO + H 2 y obtenido quemando madera a 900 °C con 1/3 del aire teórico), destilados de la hulla (gas de aire, conteniendo principalmente CO, y gas de agua o gas ciudad antiguo, conteniendo principalmente CO y H 2), destilados de naftas de petróleo (gas ciudad moderno: H 2 + CH4). En el futuro se podría generar H 2 por descomposición térmica de agua a T>2500 K, aunque no vale la energía solar (400 K) ni la fisión nuclear (1500 K).

En la propulsión de cohetes se utilizan combustibles y oxidantes especiales: 

P ropulsión con líquidos: hidrógeno y oxígeno líquidos (a temperaturas criogénicas), o queroseno y oxígeno líquido, o dimetilhidracina [NH 2-N(CH3)2] y tetróxido de dinitrógeno (N 2O4)



Propulsión con sólidos: se usan conglomerados de doble base (combustible y oxidante unidos), como el perclorato amónico (NH 4ClO4). Estos combustibles no detonan, aunque les atraviese una onda de choque. Del mismo tipo es la pólvora (NaNO 3 ó KNO3 + S + C), que prácticamente ya no se usa más que en pirotecnia.



Existen otras sustancias (llamadas explosivos) que sí son capaces de detonar; se clasifican en: Explosivos primarios (fulminatos): basta con una fricción, chispa, llama  o calentamiento para que aparezca la onda detonante. Explosivos secundarios (compuestos con nitrocelulosa, nitroglicerina,  trinitrotolueno, nitrato amónico, etc.): es necesario hacer pasar una onda de choque para que detonen. Suelen arder simplemente si no son excitados con una onda de choque, y al calentarlos se descomponen en lugar de detonar (aunque bajo ciertas condiciones pueden detonar directamente).

Para que se origine una combustión deben reunirse las siguientes condiciones. 1. 2. 3.

Que exista a lo menos un elemento químico como sustancia combustible. Que exista la cantidad adecuada de Oxígeno. Que exista la mezcla a una temperatura mínima llamada temperatura de combustión.

Esta temperatura que debe alcanzarse en algún tipo de la mezcla es necesaria para provocar la disociación de las moléculas del combustible y Oxígeno, de tal modo que se origine una reacción química entre ellos. Una vez originada la combustión en un punto determinado el propio calor de combustión que ella origina provoca el resto de la combustión en cadena. La temperatura inicial para que se origine una combustión generalmente se obtiene a través de un agente entorno, como la llama, una chispa, etc. Fuente Inicial

Sustancia Combustible

De Calor

(Posee energía química)

=>

Productos de

+

Calor


la combustión CO2;H2;CO;N2;SO2;O2 5


Combustión Completa: Es aquella que ocurre cuando el combustible se quema completamente (todo oxidado) y además libera toda su energía química. Combustión Incompleta: Es aquella que ocurre cuando quedan fracciones de combustible sin quemar y se libera parte de la energía química del combustible. Causas de una Combustión Incompleta Insuficiencia de oxígeno.  Mezcla imperfecta del combustible con el Oxígeno. En este punto intervienen  factores tales como la granulometría del combustible (si este es sólido), el grado de atomización del combustible (si este es líquido), turbulencia en la cámara de combustión, etc. Una temperatura baja en alguna parte o punto de la combustión. 

3.2

Química de la Combustión (con oxígeno puro) En primera instancia estudiaremos la combustión del Carbono, Hidrógeno y Azufre reaccionando con Oxígeno puro, posteriormente se estudiará el caso con aire. Combustible + Oxígeno

⇒

Productos de la Combustión + Calor

3.2.1 Combustión del Carbono con el Oxígeno C + O2

⇒

CO2 + 7832 (kcalorías / Kg Carbono)

Kmol] 1 + 1 Kg] 12 + 32

Poder Calorífico

1 ⇒ 44

⇒

Kg O2 / kg C = 32 / 12 = 2.66 Cuando todo el carbón que se quema se transforma en dióxido de carbono se dice que la combustión fue totalmente completa. El carbono a liberado toda su energía química que corresponde a 7832(kcal/kg Carbono). El CO2 es un gas térmicamente botado, es decir n o tiene poder calorífico. C + ½O2

⇒

CO + 2200 (kcalorías / Kg Carbono)

Kmol] 1 + ½ Kg] 12 + 16

⇒ ⇒

Poder Calorífico

1 28

Kg O2 / kg C = 16 / 12 = 1.33 Cuando todo el Carbono se transforma en CO se dice que la combustión fue totalmente incompleta ya que se liberó una pequeña fracción de la energía química del combustible. Operaciones Unitarias: Tema 3: Química y Calor de Combustión Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica

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3.2.2 Combustión de Hidrógeno con el Oxígeno H2 + ½O2

⇒

H2O + 28651 (kcalorías / Kg Hidrógeno)

Kmol] 1 + ½ Kg] 2 + 16

⇒ ⇒

Poder Calorífico

1 18

Kg O2 / kg H 2 = 16 / 2 = 8

Kg H2O / kg H 2 = 18 / 2 = 9

Para que el agua salga en fase gaseosa es necesario que el combustible le aporte calor, para comprobar dicho cambio de fase. Por lo tanto el calor realmente aprovechable en forma externa se reduce. Cuando el agua en los productos sale en fase líquida se dice que el combustible libera su poder calorífico superior (PCS). Cuando el agua en los productos sale en fase gaseosa se dice que el combustible libera su poder calorífico Inferior (PCI). La diferencia entre ambos poderes caloríficos está dada por el calor latente de vaporización.

CLV = PCS - PCI = mH2O·hfg 3.2.3 Combustión del Azufre con el Oxígeno S + O2

⇒

SO + 2211 (kcalorías / Kg Azufre) Poder Calorífico

Kmol] 1 + 1 Kg] 32 + 32

⇒ ⇒

1 64

Kg O2 / kg S = 32 / 32 = 1 En los combustibles reales y comerciales, su composición química está formada por su presencia, generalmente de los 3 elementos químicos combustibles, en proporciones diversas. Si estos combustibles tienen azufre e hidrógeno, entonces en los productos aparecerá SO 2 y H2O, por lo tanto en los mismos productos continuará la reacción química obteniéndose ácido sulfuroso… SO2 + H2O

⇒

H2SO3

… y que si después este reacciona con oxígeno libre que puede existir en los productos dará origen a ácido sulfúrico. H2SO3 + ½O2

⇒

H2SO4

Ambos ácidos son altamente corrosivos y por lo tanto atacan todas la partes metálicas de una cámara de combustión y de las tuberías y chimeneas por donde Operaciones Unitarias: Tema 3: Química y Calor de Combustión Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica

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escapan. Debido a este hecho el azufre es considerado como un elemento no deseable en los combustibles. Para evitar la condensación del ácido sulfúrico o sulfuroso, los productos de la combustión deben escapar sobre el punto de rocío (dew point), el cual es alrededor de 150°C. Punto de Rocío: Es aquel donde comienza a condensarse el vapor saturado, cuando es enfriado a presión parcial constante. Vistos los valores de combustión de carbono, hidrógeno y azufre, se puede apreciar que el hidrógeno es aquel que aporta la mayor cantidad. Por lo tanto aquel combustible que tenga mayor composición gravimétrica de hidrógeno será el que tenga un mayor poder calorífico.

3.3

Combustión con Aire Atmosférico Como elemento oxidante en un proceso de combustión, normalmente se emplea aire atmosférico, en que en algunos casos es previamente calentado. Aire Atmosférico (seco) Composición Volumétrica N2 O2 Ar Otros

= = = =

78,09% 20,95% 0,93% 0,03%

Para fines prácticos el aire atmosférico se considera constituido sólo de Nitrógeno y Oxígeno, en la siguiente composición volumétrica: N2 O2

= =

79% (Nitrógeno atmosférico) 21%

El N2 atmosférico se considera que en una sola combustión actúa como un gas inerte, es decir, no reacciona durante la combustión, y por lo tanto todo nitrógeno suministrado en el aire aparece como tal en los productos de la combustión. El peso molecular del N 2 atmosférico es igual a 28,2(kg/kmol), ya que considera al Argón y otros elementos que son inertes. PMN2 = 28,2 (kg/kmol)

PMAIRE = 0,79 · 28,2 + 0,21 · 32

PMO2 = 32 (kg/kmol)

PMAIRE = 29 (kg/kmol) K moles N2 / K moles O 2 = 79/21 = 3,76

3.3.1 Combustión del Carbono con Aire (Combustión completa) C + [ O2 + 3,76 N2 ]

⇒

CO2 + 3,76 N2

Kmol] 1 + 1 + 3,76 ⇒ 1 + 3,76 Kg] 12 + 32 + 3,76 · 28,2 ⇒ 44 + 3,76 · 28,2 Kg

Aire

/ kg

Carbono

= [ 32 + 3,76 · 28,2 ] / 12 = 11,5

“A 1 kg de carbono se le deben suministrar 11,5 kg de aire para realizar la combustión” Operaciones Unitarias: Tema 3: Química y Calor de Combustión Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica

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Relación Aire – Combustible (RA/C) Es la cantidad de aire suministrada o la que debe suministrarse en la combustión por unidad de combustible. Puede expresarse en masa o en volumen, es decir: Kg

Aire

/ Kg

Combustible

ó

m3

Aire

/ m3

Combustible

Debe distinguirse entre la relación Aire – Combustible real e ideal.

RA/C (Real) : Cantidad de aire suministrada realmente a una determinada combustión. RA/C (Ideal) : Cantidad de aire que como mínimo debe suministrarse a la combustión teórica.

Aire Ideal para una sustancia combustible Es la cantidad exacta y necesaria de aire para que suministre el oxígeno preciso para la combustión teórica completa, por lo tanto la relación Aire – Combustible Ideal ó RA/C (I) del carbono corresponde a: 11,5 (kg Aire / kg Carbono) Por lo tanto el exceso o déficit de aire estará dado por: % Exceso o Déficit = [R A/C (R) - RA/C (I)] · 100% -------------------------------------------------------------------

RA/C (I) La RA/C (I) es propia de cada combustible, la que dependerá de la composición química del combustible.

3.3.2 Combustión del Hidrógeno con Aire (Combustión completa) H2 + ½[ O2 + 3,76 N2 ]

⇒

H2O + 3,76 N2

Kmol] 1 + ½ + 1,88 ⇒ 1 + 1,88 Kg] 2 + 16 + 1,88 · 28,2 ⇒ 18 + 1,88 · 28,2 Kg

Aire

/ kg

Hidrógeno

= [ 16 + 1,88 · 28,2 ] / 2 = 34,5

“A 1 kg de Hidrógeno se le deben suministrar 34,5 kg de aire para realizar la combustión”

3.3.3 Combustión del Azufre con Aire (Combustión completa) S + [ O2 + 3,76 N2 ]

⇒

SO2 + 3,76 N2


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Kmol] 1 + 1 + 3,76 ⇒ 1 + 3,76 Kg] 32 + 32 + 3,76 · 28,2 ⇒ 64 + 3,76 · 28,2 Kg

Aire

/ kg

Azufre

= [ 32 + 3,76 · 28,2 ] / 32 = 4,31

“A 1 kg de Azufre se le deben suministrar 4,31 kg de aire para realizar la combustión”

3.4

Aire Ideal para una sustancia combustible En el caso que se posea una sustancia combustible en cuya composición química se encuentre presenta Carbono, Hidrógeno, Azufre, Oxígeno y otros constituyentes, se puede determinar la cantidad de aire ideal que requiere el combustible haciendo uso de las relaciones aire – combustible determinadas para cada uno de los elementos químicos combustibles. Por lo tanto se puede plantear la siguiente ecuación matemática para determinar la RA/C Ideal del combustible, conocida su composición gravimétrica: RA/C (I) = 11,5 G C + 34,5 · [G H2 – GO2/8] + 4,31 G S (Kg Aire / kg Combustible) Observación: De acuerdo a la cinética de la reacción química de la combustión el Hidrógeno es el elemento químico que reacciona más rápido con el Oxígeno del aire. Nota: Los excesos o déficit de aire que se pueden suministrar en una combustión real, siempre están referidos al aire ideal respectivo del combustible que se quema.

3.5

Necesidad del exceso de Aire Las proporciones químicamente correctas (ideales), no producen la combustión completa, pues por la ley de probabilidades no es posible que cada una de las numerosas moléculas, que componen el combustible, encuentren su molécula de oxígeno para combinarse con ella. Para lograr la total oxidación del combustible es necesario utilizar un determinado exceso de aire. En este caso siempre debe aparecer oxígeno libre en los productos de la combustión. Si el aire se suministra en déficit, necesariamente debe formarse monóxido de carbono, lo cual indica que se producen grandes pérdidas de calor por combustión incompleta. En toda combustión el fin que se persigue es emplear el mínimo de exceso de aire, compatible con la combustión completa. Si los excesos de aire son muy grandes también se puede producir combustión incompleta, debido al enfriamiento de la combustión por la gran masa de productos. La cantidad de aire en exceso para una combustión depende de varios factores entre los cuales se pueden citar los siguientes: A. B. C. D. E.

Tipos de combustibles (sólidos, líquidos, gases) Granulometría (sólido), o grado de atomización del combustible (líquido) Turbulencia en la cámara de combustión (grado de mezclado) Diseño de la cámara de combustión. La experiencia.


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En general se pueden citar algunas cifras de exceso de aire (de referencia) Sistema de Combustión % Exceso de Aire - Carbón, parrilla fija manual 45 – 50 - Carbón pulverizado 15 – 20 - Madera 40% Humedad 35 – 40 - Petróleo, atomización mecánica y con aire 15 – 18 - Gas 10 – 12

3.6

Productos de la combustión y su composición Los productos de la combustión también reciben el nombre de gases de escape o humos. La composición de estos productos depende de: A. B. C.

Tipo de combustible utilizado (composición química) La relación aire combustible (exceso o déficit) Condiciones en que se efectúa la combustión (grado de mezclado aire combustible, turbulencia, temperatura del combustible)

Generalmente se obtienen los siguientes componentes: CO 2, CO, O 2, N 2, H 2O, SO2 y C.

3.6.1 Análisis de los productos de la combustión Mediante el conocido aparato ORSAT puede efectuarse un análisis químico de los productos de la combustión, lo cual permite determinar: A. B.

Relación Aire – Combustible Real con la cual se desarrolló la combustión. Grado de efectividad de la combustión.

Tal como se mencionó anteriormente distinguir entre los productos secos y húmedos o totales de la combustión. Los productos secos son todos aquellos exceptuando el agua que se formó en la combustión. Productos Secos : Productos Húmedos

CO2, CO, O2, N2, SO2 : CO2, CO, O 2, N2, SO2, H2O

El método más sencillo en que se basa el ORSAT es que a través de una muestra de los productos de la combustión se puede determinar el % volumétrico de los productos secos de la combustión. El ORSAT permite determinar en forma directa los porcentajes de CO 2, CO y Oxígeno libre en los productos de la combustión. Lo que falta para llegar al 100% se supone que es Nitrógeno. Si el combustible posee azufre (tal como el carbón mineral), entonces debe formar anhídrido sulfuroso (SO 2). Aquella pipeta que permite absorber el CO 2, también absorbe el SO 2.

3.6.2 Analizador de Gases ORSAT Operaciones Unitarias: Tema 3: Química y Calor de Combustión Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica

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Botella de Nivelación Grifo de 3 vías

Camisa de Agua

Conexión al tubo, toma de muestras

Bureta de Medición

Pipeta A B C

Reactivos Producto Absorbido Hidróxido de Potasio Anhídrido Carbónico (CO2) Pirogalol (Acido Pirogálico + Hidróxido de Oxígeno (O2) Potasio) Cloruro Cuproso Monóxido de Carbono (C0)

En forma semiempírica se ha encontrado una ecuación que permite calcular el exceso o déficit de aire que se suministra a una combustión a partir exclusivamente del conocimiento de la composición volumétrica de los productos secos de la combustión. % Exceso o Déficit

AIRE

= [O2 – CO/2] / [0,266 N 2 –(O2 – CO/2)]

Donde: O2, CO y N 2 son los porcentajes volumétricos de productos secos de la combustión. Validez de la ecuación La ecuación anterior será válida para las siguientes condiciones: A.

B.

Donde todo el elemento químico carbono se quema transformándose CO2 y CO. No es aconsejable para carbón quemado en parrilla porque porcentaje importante del combustible pasa a las cenizas sin entrar combustión. El análisis elemental del combustible se compone principalmente carbono hidrógeno y oxígeno fundamentalmente.

en un en de

Al quemar eficientemente cualquier combustible el porcentaje de dióxido de carbono debe ser lo más alto posible, llegando a valores cercanos al 16%, que dependerá del tipo de combustible. El monóxido de carbono debe tender a cero y el oxígeno libre en los productos no debe sobrepasar el 7%. Los combustibles hidrocarburos comerciales están compuestos por una mezcla de combustibles hidrocarburos básicos y por lo tanto, reconocer a un combustible por su estructura C XH Y a veces se torna poco claro. Un buen análisis y diagnóstico Operaciones Unitarias: Tema 3: Química y Calor de Combustión Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica

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de un hidrocarburo se debe realizar a través del conocimiento de la relación átomos de hidrógeno / átomos de carbono de combustible ( Y/X). La experiencia señala la siguiente relación ( Y/X) para diferentes combustibles hidrocarburos comerciales. Y Kerosene y Gasolina /X ≈ 2,1 Y Aceites combustibles livianos (Ej. Diesel N°2) /X ≈ 1,8 Y Aceites combustibles Pesados (Ej. Diesel N°5 y N°6) /X ≈ 1,5 Metodología para abordar problemas de combustión Se recomienda tener en consideración los siguientes aspectos cuando se aborda un problema de combustión. A.

B. C. D. E.

3.7

Darse siempre una base de cálculo para la combustión: 1 kmol de combustible 100 kmoles de combustible 1 kg de combustible 100 kg de combustible 100 kg de productos secos de la combustión, etc. Plantear la ecuación química de la combustión en kmoles. Realizar balance químico de todos los elementos que participan en la combustión. Considerar los componentes de los gases de la combustión y el aire que se suministra como una mezcla de gases ideales, por lo tanto se le pueden aplicar todas las leyes respectivas. Si el combustible es gaseoso también debe considerarse como una mezcla de gases ideales.

Calor de Combustión Lo que interesa en toda combustión es determinar exactamente la cantidad de calor que realmente libera esta combustión, que se desarrolla bajo condiciones bien determinadas. Este calor, obviamente dependerá del tipo de combustible y de la forma en que se lleve a efecto la combustión.

3.7.1 Poder Calorífico de un combustible Es la cantidad de calor que puede liberar una unidad de masa o de volumen de un combustible, si se quema totalmente, en combustión completa, partiendo desde reactivos (combustible + aire) en una condición standard hasta obtener productos de la combustión a la misma condición standard. Condición Standard P° = Presión Standard = T° = Temperatura Standard

Presión atmosférica normal = 0°C, 15.6°C, 25°C

Nosotros utilizaremos como temperatura standard T° = 25°C Sabemos que existen 2 poderes caloríficos para los combustibles que poseen hidrógeno. Operaciones Unitarias: Tema 3: Química y Calor de Combustión Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica

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

Poder Calorífico Superior : Es aquel que libera el combustible bajo condiciones standard si el agua en los productos escapa en fase líquida.



Poder Calorífico Inferior: Cuando el agua en los productos sale en fase gaseosa como vapor

En general se distinguen 2 tipos de combustiones Una que es a presión constante y otra que es a volumen constante. Las combustiones más comunes son las que ocurren a presión constante y son las que estudiaremos en forma particular. Existe una pequeña diferencia de magnitudes entre el poder calorífico a presión constante y a volumen constante. Nomenclatura qP° qv° qhP° qlP° qhv° qlv° qhP° - ql P°

: : : : : : :

Poder calorífico P=cte. Poder calorífico V=cte. Poder calorífico superior P=cte. Poder calorífico inferior P=cte. Poder calorífico superior V=cte. Poder calorífico inferior V=cte. Calor latente de vaporización P=cte.

3.7.2 Combustión en condiciones standard Esta combustión tendrá las siguientes características: 1. 2. 3. 4. 5.

Se realizará a presión constante. Será una combustión completa Los reactivos entrarán a la combustión a la temperatura standard (25°C) Los productos escaparán de la combustión a la temperatura standard (25°C) Se desprecia la energía cinética y potencial tanto de los reactivos como de los productos.

qp° (Kcal/kg Comb.) Combustibles

Combustión (P=cte)

Aire

hR

Tstd

Reactivos

hP

Tstd Productos

Donde: Operaciones Unitarias: Tema 3: Química y Calor de Combustión Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica

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hR hP qp°

: : :

Entalpía de los reactivos, a T° Standard Entalpía de los Productos, a T° Standard Poder calorífico a P=cte del combustible en condiciones standard hR, hP y qp° en (Kcal/kgComb.)

3.7.3 Combustión en condiciones diferentes a la standard Será a Presión Constante. Será parcialmente incompleta, es decir, se forma algo de monóxido de carbono en los productos. Los reactivos entrarán a la combustión a una temperatura diferente a la standard. Los productos escaparán de la combustión a una temperatura diferente a la standard. Se desprecia la variación de energía cinética y potencial que experimentan los reactivos al transformase en productos. No se consideran pérdidas de calor: combustible no quemado (combustible sólido, humedad del aire)

q (Kcal/kg Comb.) Combustibles

Combustión (P=cte)

Aire

hR

T1

EC

hP

Reactivos

T2

EC’

Productos

hR

Entalpía de los reactivos (Combustible + Aire) corresponde a la Temperatura 1 con que realmente ingresan los reactivos a la combustión, en kcal/kg Comb.

hP

Entalpía de los productos, corresponde a la Temperatura 2 con que realmente salen los productos de la combustión, en kcal/kg Comb.

Ec’

Energía química permanente en los productos de la combustión, esta energía química es la que se encuentra almacenada en el monóxido de carbono que se formó en los productos. Este monóxido de carbono posee un poder calorífico igual a 2414 kcal/kg Monóxido. Esta energía química permanente constituye una pérdida de calor para la combustión ya que de no formarse CO, debió transformarse totalmente en calor. Por lo anterior a Ec se le asigna el nombre de pérdida por combustión incompleta.

q

Calor útil o realmente aprovechado o liberado por la combustión en Kcal/kg Comb. Balance de energía

hR + Ec = q + hP + Ec’

y

Ec = qP0 + h P0 - hR0

hR + qP0 + h P0 - hR0 = q + hP + Ec’ Ordenando: Operaciones Unitarias: Tema 3: Química y Calor de Combustión Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica

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q = qP0 + (hR - hR0) – (hP - h P0) – Ec’ [Kcal/kgComb.] R: Diferencia de entalpía de los reactivos entre la temperatura T 1 y la Temperatura estándar. Este ∆R puede ser una ganancia de calor o una pérdida o incluso ser nula. Si t1 mayor t° Si t1 = t° Si t1 menor t°

∆R

Mayor 0 (ganancia) ∆R = 0 (nulo) ∆R menor 0 (pérdida)

G Diferencia de entalpía de los productos entre la temperatura T 2 y la Temperatura estándar. Si T 2 mayor, ∆G significa una pérdida de calor para combustión. En la práctica una de las perdidas más importantes. Con el fin de disminuir esta pérdida se utilizan en algunos procesos “recuperadores de calor”, que son simples intercambiadores de calor, donde los gases de escapes entregan calor para diferentes fines tales como economizadores, sobrecalentadores de calor. ∆G

hipotéticamente puede constituirse en una ganancia de calor para la combustión sólo sí los productos escapasen a menos de 25º C, lo que es una situación irreal.

CO Pérdida por combustión incompleta. q = qp° + R – G - CO Generalizando podemos escribir que qp° = qhp° -

∆H2O

(kcal/kg.comb)

H2O Pérdida de calor por vaporización de agua formada en la combustión. Sí el H 2O sale líquida en los productos

∆H2O

= 0 y por lo tanto qp° = qhp°.

Sí el agua sale como vapor en los productos qlp°, y es una pérdida. En tal caso:

∆H2O

existe qp° = qhp° -

∆H2O

=

qp° = qhp° - H2O = qlp°

q = qhp° - H2O + R - G - CO (kcal/kg. comb) De acuerdo a lo anterior se puede definir como eficiencia de una combustión a la siguiente expresión. Comb Operaciones Unitarias: Tema 3: Química y Calor de Combustión Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica

= q/qhp° 16


En una gran mayoría de problemas de combustión lo que interesa calcular es la cantidad de calor que realmente libera una combustión en u na unidad de tiempo.

3.7.4 Cuantificación de las Energías en la Ecuación de Calor de Combustión 



qhp°: poder calorífico superior del combustible (tabulado), se determina experimentalmente en equipos denominados calorímetros. Recordemos que los reactivos están formados de combustibles más aire, por lo tanto: R : Energía de los reactivos R : Rcomb + Raire R : (hR1 – hR°) Comb + (hR1- hR°) ∆R

aire

Comb.

Sí el combustible es sólido ∆R = 0; sí es líquido o gaseoso, del tipo hidrocarburo, el ∆R se calcula de la siguiente forma:

R = 0.5 (t1 – t°) (kcal/kg comb) ∆R

R



Aire aire

G: G

= n02 (hR1 – hR2)02 + nN2 (hR1 – hR2) N2/n

comb.

Energía de pérdida por la salida a alta temperatura de los gases.

mgases Cpg (t2 – t1)

CP = ∑ Gi ∙ CPi



. PM

comb

(≈ 0,26)

CO : Pérdida por combustión incompleta. Entre mayor sea la masa de CO (mco), es decir, combustión más incompleta, mayor será esta pérdida. CO = 2414 mco



H2O : Pérdida de vaporización del agua. H2O = mH2O hfg hfg : Calor latente de vaporización del agua, depende de la presión.


17


hfg

(PH2O) = PATM (nagua/nTotales)


18

TEMA 3 Quimica y Calor de Combustion

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