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CAPTULO VCOMBUSTIN1 COMBUSTIBLE

Las sustancias que se queman para aprovechar el calor que liberan al reaccionar con el oxgeno del aire se llaman combustibles. Los combustibles utilizados para el consumo de energa en el campo industrial, en transportes y uso domstico, se clasifican en slidos, lquidos y gaseosos.

Minerales Carbn, hulla, coque, antracita, Slidos grafito, lignito, turba, asfaltita. Vegetales Lea, carbn de lea, bagazo.

Petrleo y Gasolina, kerosene, petrleo, derivados diesel, etc Lquidos Alcoholes de madera, de cereales, de caa

Gas licuado de petrleo (GLP) Gaseosos Gas natural Gas artificial Bio-gas

CARBN MINERAL Es una sustancia dura, de origen mineral, de color oscuro o casi negro que resulta de la descomposicin lenta de la materia leosa de los bosques. Arde con dificultad en comparacin con el carbn de lea, pero tiene mayor poder calorfico que ste.

USOS DEL CARBNPETRLEO Es un lquido aceitoso, menos denso que el agua, de color oscuro y olor fuerte, que se encuentra formando manantiales en el interior de la tierra. El petrleo viene a ser una mezcla de hidrocarburos, cuya frmula es de la forma CxHy y que pueden ser saturados, no saturados etc.

TORRE DE DESTILACIN FRACCIONADA DEL PETRLEO CRUDO NombrePunto ebullicin (C)Composicin aproximadaUsosGasolina ligera20 - 100C5H12 C7H16DisolventeBencina70 - 90C6H14 C7H16Limpieza en secoLigrona80 - 120C6H14 C8H18DisolventeGasolina70 - 200C6H14 C11H24Carburante de motoresQueroseno200 - 300C1 C16AlumbradoGasleo300 - 400C13 C18CarburanteAceite lubricante> 400C16 C20LubricantesGrasas, vaselina, etc.> 400C1 8 C22Preparaciones farmacuticasCera de parafina> 400C20 C30Velas, papel enceradoResiduo (asfalto)No voltilC30 C40Alquitrn asfltico, coque de petrleo

GAS NATURAL El gas natural est constituido por hidrocarburos de bajo punto de ebullicin; el componente principal, aproximadamente el 85%, es metano. En menores proporciones est presente el etano, aproximadamente un 10% y el propano que puede llegar a porcentajes de hasta un 3%. En cantidades an menores aparecen el butano, pentano, hexano, heptano y octano.

COMBUSTIBLES MS UTILIZADOSCombustiblekcal/kg Acetileno11.600 kcal/kgPropanoGasolinaButano11.000 kcal/kgGasoil10.200 kcal/kgFuel-oil9.600 kcal/kgAntracita8.300 kcal/kgCoque7.800 Kcal.Alcohol de 956.740 kcal/kgLignito4.800 kcal/kgTurba4.700 kcal/kgHulla4.000 kcal/kgANLISIS VOLUMTRICO DE ALGUNOS COMBUSTIBLES GASEOSOS

COMBUSTIN El trmino combustin usualmente se refiere a una reaccin qumica en la que interviene un combustible y oxgeno o aire, generalmente va acompaada de una flama.

PUNTO DE INFLAMACINEs la temperatura a la cual una sustancia comienza a desprender vapores o gases en cantidad suficiente para mantener la combustin en presencia de una fuente gnea y contine ardiendo una vez retirada la fuente de activacin. TEMPERATURA DE IGNICINEs la temperatura a la cual una sustancia empieza a arder espontneamente. Se le denomina tambin temperatura de autoinflamacin o autoignicin.La ignicin es el fenmeno que inicia la combustin autoalimentadaCuando una sustancia combustible se calienta mediante una fuente de calor externa, comienza a oxidarse; conforme aumenta la temperatura se oxida ms rpidamente, hasta que en cierto punto, el calor desprendido por la oxidacin es suficiente para mantener la ignicin sin ayuda de la fuente exterior. La temperatura alcanzada en ese momento, se llama temperatura de ignicin o temperatura de inflamacin.MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA (PARTES)

Entrada decombustiblePistn (mbolo)Vlvula de escapeLevaBiela - cigealCilindroBujaVlvula de admisin

CAMARA DECOMBUSTINCOMBUSTIBLECOMBURENTEPRODUCTOS DE LACOMBUSTINCOMBUSTIBLE: C, H, SCOMBURENTE: AIRE (O2: 21%, N2: 79%)PRODUCTOS DE LA COMBUSTIN: CO2 ORSAT O GASES DE CO GASES DE CHIMENEA O2 CHIMENEA HMEDO N2 SECO H2O Q PROCESOS DE COMBUSTIN ECUACIN DE REACCIN

Es la expresin cuantitativa de las sustancias y de las proporciones en las que stas intervienen en el proceso de combustin. Una ecuacin de reaccin describe un proceso de combustin dado en la medida en que mantenga las proporciones en que estn presentes las sustancias participantes. Ejemplo: C8H18 + 25O2 8CO2 + 9 H2O Aire 21%V Oxigeno 79%V Nitrgeno 1 mol 3,76 moles

-COMBUSTIN COMPLETA Es aquella en la que todos los elementos oxidables del combustible se oxidan completamente.

C3 H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O + ENERGIA S SO3 N N2O5 ( 2000 K) COMBUSTIBLEC + H + S + N CaHbScNd

AIRE ESTEQUIOMTRICO21% O279 % N2PRDIDAS DE CALORPRODUCTOS DE LA COMBUSTINCO2 H2O SO3N2O5N2

REQUISITOS TRMICOS> 2000 K -COMBUSTIN INCOMPLETA Es aquella donde en sus productos hay elementos o sustancias combustibles como CO.

C3 H8 + 3O2 C+ 2CO + 4H2O + ENERGIA S SO2 N NXOY ( 2000 K)

COMBUSTIBLEC + H + S + N CaHbScNd

AIRE21% O279 % N2PRDIDAS DE CALORPRODUCTOS DE LA COMBUSTINCOCH2O SO2NxOy O2N2

REQUISITOS TRMICOS> 2000 K -COMBUSTIN IDEAL Es aquella combustin completa en la que el oxgeno suministrado es el minmo indispensable. Se entiende que todas las condiciones para que tal cosa suceda, se dan durante el proceso.

-COMBUSTIN REAL En la prctica se nos presentarn procesos de combustin que no son ideales ni completos; es decir, seran incompletas a pesar de tener aire en exceso. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA COMBUSTIN Entre los ms importantes se cuentan: -combustible -relacin aire/combustible -geometra de la cmara -temperatura de la combustin -forma de alimentacin del combustible -turbulencia en la cmara -velocidad de salida de gases.

AIRE TERICO Se le denomina tambin aire estequiomtrico. Es la cantidad de aire que proporciona el oxgeno estrictamente necesario para la oxidacin completa de los elementos oxidables del combustible.

CH4 + 2O2 + 2(3,76)N2 CO2 + 2H2O + 7,52N2 o CH4 + 0,21ZO2 + 0,79ZN2 CO2 + 2H2O + 7,52N2 Z: moles de aire terico AIRE REAL O EFECTIVO Es la cantidad de aire que ingresa a un proceso de combustin.

EXCESO DE AIRE Se define:

% de exceso de aire = % de exceso de O2 RELACIN AIRE / COMBUSTIBLE Es el cociente entre la masa de aire y la masa de combustible utilizados en la combustin. Se expresa en kg de aire por kg de combustible.

HUMEDAD ESPECFICASe define como:

masa agua (kg)Humedad especfica = masa gases chimenea seco (kg)

COMBUSTIN CON AIRE-COMBUSTIN IDEAL CON AIRE C3H8 + 5[O2 + (3.76)N2 ] 3CO2 + 4H2O + 18,8N2

-COMBUSTIN IDEAL CON EXCESO DE AIRE

C3H8 + 5[O2 + (3.76)N2 ] 3CO2 + 4H2O + 18,8N2

Si se utiliza 40% del exceso de aire, la combustin se est realizando con 140% de aire terico, luego la ecuacin ser:

C3H8 + 1,4x5[O2 + (3.76)N2 ] 3CO2 + 4H2O + 1,4x18,8N2 + 0,4x5O2

-COMBUSTIN REAL

COMBUSTIN REAL CON DEFICIENCIA DE AIRE En estos procesos el carbono reacciona formando CO y CO2 en proporciones que dependen de la deficiencia de aire y se determina balanceando la ecuacin de reaccin. La deficiencia de aire puede ser tanta que puede quedar combustible sin quemar durante la reaccin, el cual aparecer en los productos.

COMBUSTIBLEC + H + S + N CaHbScNd

DEFICIENCIA DE AIRE21% O279 % N2PRDIDAS DE CALORPRODUCTOS DE LA COMBUSTINCO2COH2O SO3SO2N2O5NxOy O2N2

REQUISITOS TRMICOS> 2000 KCOMBUSTIBLE INQUEMADO COMBUSTIN REAL CON EXCESO DE AIRE La ecuacin de la reaccin es de la forma:

CxHy + a[O2 + (3.76)N2 ] iCO2 + jCO + eH2O + fN2 + gO2

Los coeficientes i, j, e, f y g deben ser determinados para la combustin real.

PASOS: 1.Reaccin del combustible con aire terico estequiomtrico. 2.Reaccin del combustible con aire real o efectivo.COMBUSTIBLEC + H + S + N CaHbScNd

EXCESO DE AIRE (%)21% O279 % N2PRDIDAS DE CALORPRODUCTOS DE LA COMBUSTINCO2H2O SO3N2O5 O2N2

REQUISITOS TRMICOS> 2000 K ANLISIS DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIN Es el anlisis de los gases o anlisis de los humos de los productos de la combustin que nos otorga como resultado la composicin volumtrica o molar de los productos. a) En base hmeda o total. Describe cul es la composicin porcentual de los productos de la combustin constituidos principalmente por CO2, CO, O2, N2 y H2O. b) En base seca. Nos suministra la composicin de los productos secos o no condensables constituidos principalmente por CO2, CO, O2 y N2.

-MTODOS Para la determinacin de la composicin de los productos de la combustin se utilizan los siguientes mtodos:

a)Anlisis ORSAT. b)Conductividad trmica. c)Resistencia magntica. d)Medidor de CO2EL ANALIZADOR ORSAT Determina la composicin en volumen del CO2, CO y O2 de una muestra de productos .

CALOR DE COMBUSTIN

Cuando se trata de combustibles y la combustin es completa, al calor de la reaccin, con frecuencia se le denomina calor de combustin.Si el proceso involucra reaccin qumica:Se toma como Tref aquella para la cual se calcula el calor de reaccin (HTrefreaccin) o las entalpas de formacin (HTrefformacin ).Entalpa de reaccin normal o standard (Hr0): entalpa de reaccin a 1 atmsfera de presin y 25 C.PODER CALORFICOEl poder calorfico ( PC ) de un combustible es la cantidad de energa desprendida en la reaccin de combustin, referida a la unidad empleada de combustible ( Kg , Kmol , m3 ). De acuerdo a como se expresa el estado del agua en los productos de reaccin se puede dividir en : Poder calorfico Superior (PCS ) :Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reaccin completa de la unidad de combustible con el agua de los humos en forma lquida. Poder calorfico Inferior ( PCI ) :Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reaccin completa de la unidad de combustible con el agua de los humos en estado de vapor.REACTANTESTR (K)PRODUCTOSTP (K).TR > T0 = 298 K HR (-).TR < T0 = 298 K HR (+)HRHP (+)H298 K (-)T0HCOMB = HR + H298 + HP HCOMBHCOMB = HR + H298 + HP

CAPACIDAD TRMICA MOLAR PROMEDIO ESTNDAR

TR (K)TP (K)298 KTEMPERATURA DE FLAMA O LLAMASe denomina temperatura terica de la combustin o adiabtica de combustin, a la que se obtendra en una combustin estequiomtrica, con mezcla perfectamente homognea y en periodo de tiempo muy corto de tal forma que no haya prdidas calorficas en el ambiente. La mxima temperatura que pueden alcanzar los productos de combustin es la temperatura adiabtica de llama. - APROVECHAMIENTO DE ENERGA HCOMB = 0 TEMPERATURA DE LLAMA O FLAMA + REQUISITOS TRMICOS

PROBLEMA : Al quemarse 40 kg de C2 H4 con 800 kg de aire, se produce 88 kg de CO2 y 24 kg de CO. Calcular:La relacin aire - combustible efectiva en base de masa.La composicin volumtrica de los gases de chimenea.El porcentaje de exceso de aire y la humedad especfica de los gases de chimenea.

1,4286C2H4 + 5,825O2 + 21,915N2 K-moln(C2H4 )=40/28=1,4286 n(aire)=80/28,84= 27,74n(CO2)=88/44=2n(CO)=24/28=0,857C2 H4 (21% O2 y 79% N2) aireCO2CO O2N2H2O2,0CO2 + 0,857CO +a H2O +bO2 + 21,915N2Sol.481,4286C2H4 + 5,825O2 + 21,915N22,0CO2 + 0,857CO + a H2O +bO2 + 21,915N2Balance de masa:C: 2x1,4286 = 1x2 + 1x0,857O: 2x5,825 = 2x2 + 1x0,857 + 1xa+2xb b = 1,9679 H: 4x1,4286 = 2xa a = 2,8572a) (A/C) efect masa = 800/40= 20 kg aire efectivo/kg combustibleb) Gases de chimenea: moles %molar CO2: 2,0000 6,76 CO : 0,8570 2,90 H2O: 2,8572 9,65 O2: 1,9679 6,65 N2: 21,9150 74,04 29,5911 100,001,4286C2H4 + aO2 + 3,76aN2bCO2 cH2O + dN2Balance de masa:C: 2x1,4286 = b b = 2,8572H: 4x1,4286 = 2xc c = 2,8572O: 2xa = 2xb + 1xc = 2x2,8572 + 1x2,8572 = 8,5716 a = 4,2858

c)ECUACIN TERICA

(800/28,84) 4,2858 (1+3,76)%excaire = x 100 = 35,974% 4,2858(1+3,76)%excaire = 35,97% masa agua (kg)Humedad especfica = masa gases chimenea seco (kg) 2,8572x18Humedad especfica = 2x44 + 0,8570x28 + 1,9679x32 + 21,9150x28 moles CO2: 2,0000 CO : 0,8570 H2O: 2,8572 O2: 1,9679 N2: 21,9150Humedad especfica = 0,0652 kg agua/kg gases chimenea seco