MATERIA

DISEO DE EQUIPO TRMICO

UNIDAD I: PRINCIPIOS DE LA COMBUSTIN

Autores:

Dra. Mara Dolores Durn Garca Dr. Bernd Weber

Unidad I

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UNIDAD I: PRINCIPIOS DE LA COMBUSTIN

INTRODUCCIN

El presente material didctico fue desarrollado para el curso de Diseo de Equipo Trmico, el

cual se imparte a los alumnos del 9 Semestre de Ingeniera Mecnica de la Facultad de

Ingeniera. El objetivo del curso es aplicar los conocimientos de qumica, termodinmica y

transferencia de calor para realizar el diseo de sistemas y equipos trmicos.

Particularmente el objetivo de este material es retomar los conocimientos adquiridos por los

alumnos en el curso de termodinmica para iniciar con el anlisis qumico y fsico de los

procesos de combustin. Esto permitir que en las unidades siguientes los estudiantes puedan

disear sistemas de combustin eficientes.

1.1 Combustibles y su tecnologa

Segn la definicin de Mendeliev, un combustible es una sustancia que se quema

intencionalmente para obtener calor. Aunque durante la quema de una sustancia orgnica, no

slo interesa la cantidad de energa calorfica que pueda desprender, sino tambin la

disponibilidad y la economa.

Ahora bien, los combustibles se pueden clasificar de acuerdo a diversos criterios, segn su

origen se puede clasificar en

Los combustibles se clasifican de acuerdo a su estado fsico en:

a) Slidos: como el carbn y la madera, residuos orgnicos b) Lquidos: como el petrleo y sus derivados, y los alcoholes c) Gases: como los derivados del petrleo, y el gas natural

En este apartado se describirn las caractersticas de algunas de los combustibles segn su

clasificacin por estado fsico.

Origen del

combustible

Fsiles

Procede de

biomasa

Hidrgeno

Carbn

Derivados de petrleo

Gas natural

Residuos

Agrcolas

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1.1.1. Combustibles slidos

a) Carbn

El carbn se form a partir de la descomposicin anaerbica de materia orgnica,

principalmente plantas superiores terrestres (a diferencia del petrleo, que es de origen

marino). Debido a la accin de las bacterias anaerbicas, la materia orgnica fue ganando

carbono y perdiendo oxgeno e hidrgeno; este proceso, aunado a los incrementos de presin y

temperatura con el paso del tiempo, provocaron cambios fsicos y qumicos en los restos

orgnicos y los transformaron en lo que hoy conocemos como carbn.

Este combustible fue el combustible ms empleado como fuente de calor y para produccin de

energa mecnica desde la revolucin industrial, hasta que a principios del siglo XX se

empez a desarrollar la petroqumica.

El carbn es la forma ms importante de hidrocarburos slidos, que se extrae de las minas en

diferentes variedades. Sus componentes ms comunes son el carbono, hidrgeno, nitrgeno,

humedad, azufre, cenizas y otros elementos en menor cantidad (potasio, calcio, sodio,

magnesio, etctera).

La clasificacin de los carbones se hace segn el porcentaje de las sustancias voltiles, y segn

el poder calorfico superior.

El poder calorfico se determina de dos formas: quemando el carbono tal y como llega de la

mina; la segunda es quemndolo quitndole todas las impurezas. Con el primer mtodo se

obtiene el poder calorfico inferior, y con el segundo, superior.

Dentro de las impurezas se tienen a: el azufre, las cenizas, el oxgeno y el nitrgeno. Las

cenizas tienen ms bajo punto de fusin, quemndose ms rpido impidiendo la circulacin de

O2, no teniendo la misma rapidez de combustin del carbn.

As pues, los carbones se clasifican en:

Peat o Turba: Poder calorfico de 6900 KJ/kg

Se constituye como el primer paso en la formacin de carbn. Es prcticamente materia

orgnica compacta con alto contenido en carbono (pero mucho menor que los carbones que se

estudiarn posteriormente). En su formacin slo intervienen bacterias. Debido a su alto grado

de humedad, es el carbn con menor poder calorfico inferior. No se usa en procesos

industriales.

Lignita: Poder calorfico de 9306 KJ/ kg

Despus de la turba, es el carbn con menor carbono fijo, mayor contenido en humedad y, por

tanto, menor poder calorfico inferior. Se usa principalmente en centrales de produccin de

energa elctrica aunque es considerado un carbn de baja calidad.

Sub-bituminoso: Poder calorfico entre 19300 y 26800 KJ/kg

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Son carbones de un rango superior al lignito. Tienen menor humedad y menor contenido en

voltiles que el anterior. Su formacin se produce en condiciones de alta presin y temperatura

y no slo debido a la accin de bacterias.

Bituminoso: Poder calorfico entre 24400 y 32564 KJ/kg

Siguiendo el orden de rango, son los siguientes a los sub-bituminosos. Su formacin se

produjo en condiciones de presin y temperatura ms severas, de forma que se produce cierto

craqueo debido a la accin geotrmica. Es considerado un carbn de alta calidad. Al contener

poca humedad y contar todava con elementos voltiles (ricos en hidrgeno), es el carbn con

mayor poder calorfico. La hulla es un carbn bituminoso.

Antracita: Poder calorfico de 34890 KJ/kg

Es el carbn con mayor composicin en carbono fijo. Las condiciones en su formacin son las

ms severas de todas las anteriores, llegndose a desprender aceites y gases. Es el carbono con

menor humedad y con menor contenido en voltiles. Por esto ltimo, su poder calorfico

disminuye con respecto a los bituminosos, ya que tienen muy poca proporcin de hidrgeno.

En tiempos geolgicos se puede decir que primero se form la turba, posteriormente el carbn

caf que se convirti en lignito, que a su vez pas a ser carbn subituminoso; este ltimo se

transform en carbn bituminoso, que incluye a la hulla (el carbn que se usa para cocinar) y

finalmente en antracita, que es el carbn ms antiguo.

La tabla 1.1 muestra los valores usuales de los carbones segn la norma ASTM

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Tabla 1.1. Clasificacin de los carbones [5]

Como se observa en la tabla 1.1. existen clasificaciones intermedias de carbn que estn

relacionadas con la cantidad de carbono fijo que tiene la mezcla.

Es importante aclarar que de la clasificacin anterior los carbones bituminosos son

coquizables, es decir, que mediante un proceso de destilacin se elimina la materia voltil del

carbn, quedando un carbn de muy buena calidad que se denomina coque y que es de gran

utilidad en la industria siderrgica (produccin de hierro y acero, este ltimo es precisamente

una aleacin de hierro y carbono) y metalrgica.

En lo que respecta a Mxico, hasta 1980 las reservas de carbn eran de 3 275 toneladas.

Asimismo, las reservas de carbn no coquizable eran, segn cifras de 1982, de 645 millones

de toneladas. El carbn no coquizable (es decir, del que no se puede obtener coque) es el que

se emplea para la generacin de energa elctrica, mientras que el carbn coquizable del que se obtiene coque es el que se utiliza en la industria siderrgica y metalrgica para la fabricacin de hierro y acero en los altos hornos.

Los principales consumidores de carbn en nuestro pas son las industrias que fabrican acero y

hierro, y un pequeo porcentaje se emplea para la generacin de energa elctrica. La planta

carboelctrica ms importante del pas es la "Jos Lpez Portillo", que se localiza en Coahuila.

An cuando en la actualidad existen numerosas reservas de carbn a nivel mundial, ste se ha

dejado de emplear por los mtodos convencionales, debido al alto grado de emisiones de CO2

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y xido de azufre. El los cursos posteriores se analizarn algunas tcnicas usadas para el

quemado eficiente y menos contaminante del carbn.

1.1.2. Gases

a) Gas natural

Est constituido principalmente por CH4 y C2H6, aunque minoritariamente puede tener CO2,

H20 y H2S. No resulta conveniente comprimirlo o licuarlo debido principalmente a lo

antieconmico del proceso.

El gas natural se encuentra en los mismos yacimientos que el petrleo o bien, en otros de

forma independiente. Est compuesto entre un 90% y 98%, dependiendo del yacimiento, por

metano (CH4). Aunque minoritariamente, el gas natural tambin contiene etano, propano,

butano e, incluso, hidrocarburos ms pesados. Tambin se pueden encontrar fracciones de

otros gases como el nitrgeno, vapor de agua, dixido de carbono o sulfuro de hidrgeno

(H2S). La tabla 1.1 muestra las clases principales de gas natural.

El gas natural es extrado en fase gaseosa y es sometido a diversos procesos (condensacin,

desecado, filtros, desulfuracin, deshidrogenacin, entre otros) para eliminar elementos no

deseados, aunque en la extraccin ya se obtiene el producto casi en su composicin final. Una

vez extrado, el gas se presuriza y se distribuye por medio de gaseoductos (GNC) o bien, se

licua (GNL) y se transporta a presin en buques metaneros, proceso que consume una gran

cantidad de energa. En ambos casos, se eliminan el propano, butano e incluso el etano y el

pentano, bien por condensacin o bien, por destilacin, para que el gas final sea de mayor

pureza (ms rico en metano). En dichos procesos, se obtiene GLP como subproducto.

CO H2 CH4 C2H6 C4H8 O2 CO2 N2

Gas de hulla 9 53.6 25 - 3 0.4 3 6

Gas pobre 29 12 2.6 0.4 - - 4 52

Gas de alto horno 27 2 - - - - 11 60

Gas natural I 1 - 93 3 - - - 3

Gas natural II - - 80 18 - - - 2

Gas natural III - 1 93 3.5 - - 2 0.5 Tabla 1.2.Anlisis volumtrico de algunos combustibles (los nmeros indican porcentajes) [4]

Su campo de aplicacin es muy amplio. Destacan sobre todo las siguientes:

Calderas industriales

Centrales de generacin de energa elctrica, bien sean mediante motores alternativos, turbinas de gas, en calderas de ciclo de vapor en ciclos

combinados.

Sistemas de cogeneracin

Transporte (autobuses y camiones)

Aplicaciones domsticas

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b) Gas licuado

En la industria, y sobre todo en la economa domstica, encuentran gran aplicacin los gases

licuados del petrleo (gas LP), que se obtienen durante el proceso de destilacin primaria del

petrleo y en el curso de la transformacin de los gases de entubacin en los depsitos de

petrleo. Son dos los principales: Propano y Butano (C3H8 y C4H10) [Libro de antonio].

El GLP es una mezcla de propano, butano y, en muy pequea proporcin, etano. La

proporcin en propano y butano dependen de la aplicacin en la que se utilicen, destacando el

propano puro en aplicaciones de calefaccin, el butano puro para aplicaciones domsticas y

mezclas del 20-40% de propano y 60-80% de butano en automocin. En las aplicaciones

domsticas y de calefaccin, se quema mediante una combustin por difusin, mientras que en

las aplicaciones de automocin que incorporan catalizadores de tres vas. Su alto contenido en

hidrgeno, adems, le convierte en un combustible con emisiones bajas de CO2. Entre sus

principales inconvenientes destacan la densidad en estado gaseoso, mayor que la del aire (por

lo que es difcil de ventilar en caso de eventuales fugas). Adems, es un gas inodoro al que hay

que aadir odorizantes para detectarlo. Por otro lado, su almacenamiento en estado lquido

saturado puede resultar peligroso en situaciones de almacenamiento inseguro, no slo

existiendo riesgo de inflamacin sino tambin riesgo de explosiones debido a su sbita

evaporacin.

1.1.3.Combustible lquido

Casi todos los combustibles lquidos se obtienen mediante la elaboracin del petrleo. El

petrleo crudo se calienta de 300 hasta 370C, despus de que los vapores obtenidos se

separan en fracciones que se condensan a diferentes temperaturas.

La destilacin fraccionada constituye el mtodo primario de la refinacin del petrleo, aunque

existen otros procesos especiales, como el cracking cataltico, la hidrogenacin, la

polimerizacin, el cracking trmico, etc.

a) Gasolina

La gasolina es una mezcla de hidrocarburos lquidos, formado por cadenas desde 4 hasta 12

carbonos.Es lquida en condiciones normales y muy voltil.

Una propiedad importante es el octanaje o ndice de octano, el cual es la capacidad para

soportar mayores presiones o mayores temperaturas antes de que explote la gasolina. El

tetraetilo de plomo es un material que se le sola dosificar a la gasolina, para aumentar su

nmero de octanaje.

b) Alcoholes

Pueden ser destilados del petrleo u obtenerse de vegetales. Los de grano pueden ser

consumidos, no as los destilados, ya que son para uso industrial.

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Algunos son los siguientes: etlico, es de grano (C2H6O); metlico (CH4O), es de madera,

proplico (C3H8O); este es de destilacin.

As pues, los alcoholes son hidrocarburos que contienen, al menos, un grupo OH, por lo que son combustibles oxigenados. Como combustible tienen aplicacin, principalmente, en

motores de combustin interna alternativos, aunque pueden ser empleados en otros usos. Los

ms empleados son el metanol y el etanol. Su uso es conveniente, sobre todo, en motores de

encendido provocado debido a su volatilidad, aunque el etanol tambin puede ser empleado en

motores diesel en mezcla con gasleo o steres FAME o FAEE, en proporciones de hasta un

5% de etanol. Ambos, metanol y etanol, pueden derivar del petrleo o ser obtenidos a partir de

biomasa.

El metanol de origen orgnico se obtiene a partir del gas de sntesis que proceda de biomasa.

El gas de sntesis de origen orgnico se obtiene mediante pirlisis o mediante oxidacin

parcial de la biomasa, resultando ms econmica la primera de ellas.

El etanol de origen orgnico o bioetanol, se puede obtener a partir de la biomasa mediante un

proceso de fermentacin de los azcares. El proceso de fermentacin puede aplicarse a los

cultivos ricos en azcares o en almidn. En este ltimo caso, se debe aplicar un proceso previo

de hidrlisis y otro de sacarificacin de forma que se transforme el almidn en glucosa y

fructosa para que puedan ser fermentados. El bioetanol puede producirse tambin por

hidrlisis de la materia lignocelulsica (una vez pretratada). En este caso se denomina

bioetanol de segunda generacin, que se caracteriza por tener un balance de CO2 ms

favorable.

El etanol de origen orgnico se produce en mayores cantidades que el metanol. Adems, el

etanol es biodegradable, por lo que los vertidos accidentales tienen menor repercusin sobre el

medioambiente que los vertidos de metanol, que adems es txico. Por estas razones, el etanol

cuenta con ventajas sobre el metanol a la hora de ser utilizado como combustible.

c) Fuel Oil

Una gran cantidad de fuel oil (combustleo) se utiliza en calidad de combustible. El fuel oil

presenta una mezcla complicada de hidrocarburos lquidos en cuya composicin entra

principalmente el carbono (84-86%) y el hidrgeno (10-12%).

El cetano (C16H34) es un fuel que arde fcilmente por compresin, por lo que se usa como

estndar asignndole el valor de 100, mientras que al alfa-metil-naftaleno, que presenta una

gran dificultad para la ignicin, se le da el valor de cero. Los fuel oils se hallan comprendidos

por lo general entre estos dos extremos.

d) Queroseno

El queroseno es un destilado refinado de petrleo que consiste en una mezcla homognea de

hidrocarburos. Se emplea principalmente en lmparas de mecha para iluminacin y en

quemadores de queroseno. El aceite empleado para iluminacin y en estufas domesticas debe

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ser rico en parafinas a fin de que produzca poco humo. La presencia de hidrocarburos

naftnicos, y en especial la de aromticos, incrementa la tendencia a la produccin de humo.

En los querosenos se toma una consideracin muy importante y es la del contenido de azufre y

se requiere que sea bajo debido a:

El azufre forma una capa en las chimeneas de las lmparas de vidrio y facilita la acumulacin de carbono en las mechas.

El azufre forma xidos en las estufas de calentamiento, que se acumulan gradualmente, estos xidos son corrosivos y txicos.

Los grados o calidades del queroseno son:

Num. 1 K: Un queroseno especial bajo en azufre adecuado para aplicaciones delicadas de quemadores de queroseno.

Num. 2 K: Un queroseno ordinario adecuado para su uso en quemadores conectados a hmeros y en lmparas de mecha para iluminacin.

e) Combustibles Diesel

El funcionamiento de los motores Diesel, desarrollados por Rudolph Diesel, se basa en el calor

de compresin para la ignicin del combustible. Los combustibles Diesel se usan ampliamente

en auto-transportes pesados, locomotoras, motores marinos, en plantas elctricas estacionarias

o comerciales.

Los combustibles Diesel varan desde el queroseno hasta aceites residuales de grado

intermedio, todo depende de las caractersticas del equipo de combustin que so obtenga. Las

cualidades de ignicin y la viscosidad son caractersticas importantes que determinan el

rendimiento. Las cualidades de ignicin de los combustibles Diesel suelen evaluarse en

trminos de sus nmeros de cetanos o ndices Diesel.

1.2 Propiedades Fsicas De Los Combustibles Lquidos

En este apartado se resumen las principales propiedades de los combustibles.

1. Viscosidad: En los combustibles lquidos se utiliza la viscosidad cinemtica para efectos de medicin, adems que es el tiempo requerido para que una cantidad

especfica de aceite fluya por gravedad a travs de un orificio y a una temperatura

dada. Para los aceites ms pesados y viscosos se emplean el orificio de mayor dimetro

y sus resultados se dan en SSF y no en SSU como los dems. La viscosidad de la

mayora de los aceites combustibles es alta para su atomizacin dentro del horno,

entonces debe encontrarse una temperatura suficientemente alta con el fin de que su

viscosidad sea baja y se acerque al punto de atomizacin.

2. Densidad: La densidad API es la escala de densidad especfica utilizada por la industria petrolera para mezclas de hidrocarburos. Los grados API varan inversamente

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con la densidad, o sea, los combustibles livianos tienen mayor gravedad API que la de

un combustible pesado.

3. Volatilidad: Propiedad que poseen los combustibles lquidos en evaporarse aun a temperaturas bajas como las de el ambiente.

4. Humedad: El grado de humedad de un combustible indica la composicin de agua en peso que contiene el combustible. El contenido en agua de un combustible no es

deseable ya que es un producto inerte que resta poder calorfico, sobre todo cuando la

humedad est en fase lquida. La humedad es, sobre todo, caracterstica de los

combustibles slidos (madera y carbn) y de algunos combustibles lquidos de origen

vegetal (alcoholes y aceites vegetales). En este ltimo caso, la humedad puede afectar

de manera decisiva a algunas de las propiedades fsicas del combustible de forma que

ste pierda calidad.

Adems, en el caso de los alcoholes y los aceites vegetales, un excesivo grado de

humedad puede inutilizarlos para los procesos de transesterificacin para obtener

steres metlicos o etlicos (FAME y FAEE).

5. Punto de cristalizacin: Es la temperatura en la que empiezan a aparecer los primeros cristales slidos en el combustible al someterlo a un enfriamiento. Se le conoce

tambin como punto de niebla. Existe otra temperatura, llamada punto de vertido, a

partir de la cual el combustible se comporta como una sustancia gelatinosa que se

vierte con gran dificultad. Existe un ensayo, denominado prueba de obstruccin de

filtros en fro (POFF) para cuantificar el comportamiento de los combustibles a baja

temperatura. Estas propiedades son importantes, sobre todo, en combustibles que

vayan a ser empleados en zonas de muy baja temperatura o en condiciones de gran

altitud [4]

6. Estabilidad trmica: La estabilidad trmica mide la resistencia de un combustible a degradarse a alta temperatura. Cuando esto ocurre, aparecen partculas slidas

insolubles en el combustible que pueden obstruir los conductos y los filtros adems de

hacer perder ciertas propiedades al combustible. Es importante en aplicaciones donde

interesa que el combustible tenga propiedades lubricantes, ya que su descomposicin le

hara perder dicho poder.

1.3 Propiedades Qumicas Del Combustible

1. Composicin: Los combustibles lquidos estn compuestos fundamentalmente de

hidrgeno y carbono. El contenido de agua es bajo (menor a 1%), el porcentaje de

cenizas de 0.1% y el de azufre oscila entre los 0.01 y 1%. Por lo anterior generalmente

se identifican estos combustibles por la relacin ya sea, en tomos o en peso entre el

hidrgeno y el carbono.

2. Poder calorfico: El poder calorfico de un combustible es la cantidad de calor por unidad de masa de combustible que se libera al quemar el combustible en una

combustin completa y dejando los productos de la combustin en condiciones

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estndar. Debido precisamente a esta ltima condicin, es importante distinguir entre

el poder calorfico superior e inferior. El poder calorfico superior cuantifica la

cantidad de energa liberada en forma de calor dejando los productos en condiciones

estndar y el agua producto de la combustin en estado lquido, mientras que el poder

calorfico inferior, ms ampliamente utilizado, cuantifica el calor liberado dejando los

productos en condiciones estndar pero el agua en estado de vapor. La diferencia entre

ambos es funcin del calor latente de vaporizacin desagua a la presin atmosfrica.

En la prctica, el agua producto de la combustin se vierte a la atmsfera en estado

vapor, desaprovechando el calor

latente y siendo ste ms usual emplear el poder calorfico inferior

3. Aire Terico: La cantidad de aire, en moles, para realizar la combustin completa.

4. Nmero de octanos: Las gasolinas estn compuestas generalmente por mezclas de hidrocarburos de 7 y 8 carbonos, es decir, heptanos y octanos o iso-octanos. Cuando se

utiliza gasolina en los motores de combustin, los compuestos que la forman tienden a

quemarse de diferente manera as, mientras los octanos se queman lenta y suavemente,

los heptanos se queman rpida y violentamente producindose una detonacin que

pueda afectar las partes del motor.

Este fenmeno depende de varias causas tales como: el tipo de mquina, la relacin

aire-combustible, la temperatura del combustible, la relacin de compresin, etc.

Para analizar el poder de detonacin de una gasolina se estableci una escala en

funcin del elemento antidetonante, o sea, los octanos y as para una gasolina

compuesta solamente por heptanos se fij un nmero de octanos en cero y una

compuesta de octanos solamente se fij nmero de octanos en cien.

5. Nmero de cetano: Sirve para medir la facilidad de encendido o el retraso en la ignicin por compresin (Diesel). El intervalo del tiempo entre el comienzo de la

inyeccin y el comienzo de la combustin se conoce como el retardo en el encendido.

Un alta nmero de cetanos corresponde a cortos perodos en el retraso del encendido.

6. Materia voltil: Todos los combustibles slidos se caracterizan por el contenido de la materia voltil cual es liberada al momento de ser calentado. Como la liberacin de la

materia voltil por la expansin no permite el acceso de oxigeno sucede en condiciones

anaerobias (una pirolisis). Su anlisis se realiza con el combustible en un recipiente de

cuarzo con tapa lo cual se calienta en un ambiente de 910 C durante 7 min. El residuo con un contenido muy alto de carbono es llamado carbono fijo y tiene caractersticas

de un coque. La materia voltil en biomasa puede estar encima de los 70% y la del

carbono tipo lignito encima del 50% mientras el carbno bituminoso tiene una materia

voltil cercano a los 30%.

1.4 Comportamiento del combustible en relacin con la combustin

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1. Lmite de inflamabilidad: Son los lmites (exceso y defecto de aire con respecto al estequiomtrico) que admite una mezcla para que pueda ser inflamada. Los lmites son

ms amplios en los combustibles gaseosos debido a que conducen a mezclas ms

homogneas tanto microscpicamente como microscpicamente.

2. Temperatura o punto de inflamabilidad: Es la temperatura mnima a la que un combustible lquido puede inflamarse al ponerle en contacto con una fuente de

ignicin. Es decir, el punto de inflamabilidad es aquella temperatura a la que los

compuestos volatilizados del combustible pueden inflamarse. Est ntimamente

relacionado con la presin de vapor, ya que, cuanto mayor sea sta, mayor ser la

fraccin evaporada que se pueda mezclar con oxgeno y quemarse y, por tanto, menor

la temperatura de inflamacin. No es un parmetro de gran importancia en la

aplicacin final pero s en el almacenaje de combustible.

3. Temperatura de auto-inflamacin o auto-ignicin: Es la temperatura a partir de la cual el combustible (en mezcla o contacto con el aire) se inflama sin la necesidad de un

agente externo. Es especialmente baja en los carbones, que pueden autoinflamarse,

aunque muy lentamente, en las condiciones de almacenamiento. Por lo general, la

temperatura de autoinflamacin es menor en los combustibles pesados, y ms elevada

en los ligeros. En la tabla 1.3. se presentan los datos de la temperatura de ignicin para

distintos combustibles.

Gasolina 260C

Carbono 400C

Hidrgeno 580C

CO 610C

CH4 630C

Diesel 500C

Tabla 1.3. Temperaturas de ignicin con aire atmosfrico [3]

4. Tendencia al autoencendido; ndices de octano y de cetano: El ndice de octano es un parmetro que mide la calidad de un combustible en relacin al tiempo que tarda en

autoinflamarse una vez alcanzadas las condiciones de autoinflamacin. Se aplica a los

combustibles que se emplean en los motores de encendido provocado, siendo deseable

un alto ndice equivalente a un largo tiempo de retraso de autoencendido-. Para los motores de encendido por compresin se define el ndice de cetano, que mide

igualmente la calidad del combustible en relacin al tiempo de retraso, pero interesa,

en este caso, que dicho tiempo sea breve lo que equivale a un alto ndice de cetano-. 5. ndice de Conradson: Mide el residuo carbonoso de los gasleos y los fuel leos, que

provienen de las fracciones ms pesadas de dichos combustibles que no se vaporizan y,

por tanto, se craquean dando lugar a partculas no quemadas. Se determina mediante

un ensayo normalizado a una determinada muestra de combustible.

A manera de resumen, en la tabla 1.4 se presentan las propiedades de los principales

combustibles.

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Tabla 1.4. Propiedades ms importantes de los principales combustibles.

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1.5. Reacciones qumicas de combustibles

1.5.1 El Proceso de Combustin

El proceso de combustin consiste en la oxidacin de los constituyentes del combustible, por

lo tanto, se puede representar mediante una ecuacin qumica.

Durante el proceso de combustin, la masa de cada elemento permanece igual. As, el escribir

las ecuaciones qumicas y resolver problemas relativos a las cantidades de los diversos

constituyentes indica bsicamente la conservacin de la masa de cada elemento.

Considere primero la reaccin de carbono con oxgeno.

Reactivos Productos

2 2C O CO

Esta ecuacin establece que 1 kmol de carbono reacciona con 1 kmol de oxgeno para formar

un kmol de dixido de carbono. Esto tambin significa que 12 kg de carbono reaccionan con

32 kg de oxgeno para formar 44 kg de dixido de carbono. Todas las sustancias iniciales que

experimentan el proceso de combustin se llaman reactivos y las sustancias que resultan del

proceso de combustin se llaman productos.

Cuando se quema un combustible hidrocarbonado, se oxidan tanto el carbono como el

hidrgeno, produciendo agua. Considere, por ejemplo, la combustin del metano.

CH4+2O2 CO2 + 2H2O [1.1]

Aqu, los productos de la combustin son dixido de carbono y agua. El agua puede estar en

fase vapor, lquida o slida, dependiendo de la temperatura y presin de los productos de la

combustin.

Es importante sealar que en el proceso de combustin se forman muchos productos

intermedios durante la reaccin qumica. En esta unidad, slo se tienen en cuenta los

productos iniciales y finales y no los intermedios, pero este aspecto es muy importante al

considerar detalladamente la combustin y se ver ms adelante.

En la mayora de los procesos de combustin, el oxgeno se suministra como aire y no como

oxgeno, 78% nitrgeno y 1% argn. Se supone que el nitrgeno y el argn no sufren ninguna

reaccin qumica entre ellos. Sin embargo, salen de la mezcla a la misma temperatura que los

otros productos y, por lo tanto, sufren un cambio de estado si los productos estn a una

temperatura distinta a la temperatura original del aire. Se debe sealar que a las temperaturas

altas que se alcanzan en los motores de combustin interna, s hay alguna reaccin entre el

nitrgeno y el oxgeno y esto da lugar al problema de contaminacin del aire asociado con los

xidos de nitrgeno en el escape del motor.

En los clculos sobre la combustin relacionados con el aire casi siempre se ignora el argn y

se considera que el aire est compuesto por 21% oxgeno y 79% nitrgeno en volumen.

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airemasa

combustible

airemoles

combustible

mAC

m

nAC

n

Cuando se hace esta suposicin, algunas veces se menciona al nitrgeno como nitrgeno

atmosfrico. El nitrgeno atmosfrico tiene un peso molecular de 28.16 (donde se toma en

cuenta el argn) en comparacin con 28.013 del nitrgeno puro. Esta diferencia no se har en

este curso y se considerar que el 79% de nitrgeno es nitrgeno puro.

La suposicin de que el aire est formado por 21.0% de oxgeno y 79.0% de nitrgeno en

volumen, lleva a la conclusin de que para cada mol de oxgeno, intervienen 79.0/21.0=3.76

moles de nitrgeno. Por lo tanto, cuando el oxgeno para la combustin del metano se

suministra como aire, la reaccin se escribe como:

4 2 2 2 2 22 2 3.76 2 7.52CH O N CO H O N [1.2]

La cantidad mnima de aire que suministra suficiente oxgeno para la combustin completa de

todo el carbono, el hidrgeno y cualquier otro elemento en el combustible y que se pueda

oxidar, se llama el aire terico. Cuando se alcanza la combustin completa con la cantidad de

aire terico, el producto no contiene oxgeno. As pues, la reaccin general de combustin con

un combustible de hidrocarburo y aire se escribe como

2 2 2 22 2 2 2 2

3.76X Y o CO H O NC H v O N v CO v H O v N [1.3]

Donde los coeficientes de las sustancias se llaman coeficientes estequiomtricos. El balance de

los tomos permite obtener la cantidad de aire terico como:

C: 2CO

v x

H: 2

2 COv y

N2: 2 2

3.76*N COv v

O2: 2 2 2

/ 2 / 4O CO H Ov v v x y

Y el nmero total de moles de aire para un mol de combustible se convierte en

2

*4.76 4.76( / 4)aire On v x y [1.4]

Esta cantidad de aire es igual a 100% del aire terico. En la prctica, la combustin completa

no se lograr a menos que se suministre una cantidad de aire algo mayor que la cantidad

terica. En la tabla 1.5. se muestra el aire terico para distintos combustibles.

Dos parmetros importantes que se utilizan con frecuencia para expresar la relacin de

combustible y aire son la relacin de aire-combustible (identificada como AC) y su recproco,

la relacin combustible-aire (identificada como CA o dosado). Estas relaciones casi siempre se

expresan en base masa, pero en ocasiones se utilizan en base mol.

[1.5]

[1.6]

Unidad I

15

Estas se relacionan a travs de los pesos moleculares de la forma:

aire aire aire airemasa moles

combustible combustible combustible combustible

m n M MAC AC

m n M M

CH4 Metano 2 moles aire / mol comb.

C4 H10 Butano 6.5 moles aire / mol comb.

C2 H6 Etano 3.5 moles aire / mol comb.

C8H18 12.5 moles aire / mol comb.

C12H26 18.5 moles aire / mol comb.

Tabla 1.5. Aire terico para diferentes combustibles

Y se utiliza un subndice s para indicar la relacin del 100% de aire terico, llamada tambin

mezcla estequiomtrica. En el proceso real de combustin, una cantidad de aire se expresa

como una fraccin de la cantidad terica llamada porcentaje de aire terico. Una relacin

similar conocida como la relacin de equivalencia es igual a la relacin real de combustible-

aire dividida entre la relacin terica combustible-aire como:

= CA / CAS = ACS / AC [1.7]

As, una cifra de 150% aire terico significa que el aire que en realidad se suministra es 1,5

veces el aire terico y la relacin de equivalencia es de 2/3. La combustin completa del

metano con 150% de aire terico se representa como:

CH4+1.5 *2 (O2+3.76N2) CO2 + 2H2O + O2 + 11.28N2 [1.8]

Una vez balanceados todos los coeficientes estequiomtricos a partir de la conservacin de

todos los tomos.

La cantidad de aire que en realidad se suministra se expresa tambin en trminos del

porcentaje de exceso de aire. El exceso de aire es la cantidad de aire que se suministra adems

del aire terico. As, un aire terico de 150% es el equivalente a un 50% de exceso de aire. Los

trminos aire terico, exceso de aire y relacin de equivalencia son de uso comn y proporcionan informacin equivalente sobre la mezcla reaccionante de combustible y aire.

Cuando la cantidad de aire que se suministra es menor que el aire terico requerido, la

combustin es incompleta. Si slo hay una ligera deficiencia de aire, el resultado usual es que

parte del carbono se una con el oxgeno para formar monxido de carbono (CO) en lugar de

dixido de carbono (CO2). Si el aire que se suministra es considerablemente menor que el aire

terico, tambin habr algo de hidrocarburos sin quemar en los productos de combustin.

Unidad I

16

Aunque se suministre cierto exceso de aire, puede haber pequeas cantidad de monxido de

carbono presentes; la cantidad exacta depende de varios factores, incluyendo la mezcla y la

turbulencia durante la combustin. As, de manera ms real, la combustin del metano con

110% de aire terico podra ser la siguiente:

CH4 + 2 (1.1)O2 + 2(1.1)3.76N2 0.95CO2 + 0.05CO + 2H2O + 0.225O2 + 8.27N2 [1.9]

EJEMPLO 1. Durante un proceso de combustin de quema eteno (C2H4) con 200% de aire

terico. Suponga combustin completa y una presin total de 120 KPa.

Determine:

a) Relacin aire comb. b) Punto de roco

Solucin:

C2H4 + 2at (O2 + 3.76N2) 2CO2+2H2O+6.52atN2+atO2 Oxgeno Sin quemar

EJERCICIO 1.1. Si se quema octano gaseoso C8H18 con 200% de aire terico, calcular la

relacin aire combustible msica y molar y el valor aproximado de la masa de los productos

que se obtienen por la quema de una mol de octano.

1.5.2 Poder calorfico del combustible

El poder calorfico o calor de combustin de un combustible se define como la cantidad de

calor disipada por ste cuando se quema completamente, y los productos se enfren hasta la

temperatura inicial.

Por ejemplo, para 1 mol de carbono que se combina con 1 mol de oxgeno a 25C y 1 atm para

producir 1 mol de dixido de carbono, existe una transferencia de calor, tal que el dixido de

carbono se encuentra tambin en dicho estado de referencia. O sea

22 COOC [1.10]

Llamando a RH la entalpa total de todos los reactivos, y a PH la entalpa total de todos los productos, por la primera ley se tiene:

Unidad I

17

PR HHQ

RH

Q

Figura 1.1. Esquema de una cmara de combustin

[1.11]

O bien

odPr

jj

acRe

ii hnhnQ [1.12]

Como la entalpa de todos los reactivos es cero, ya que todos son elementos, se tiene que

PHQ

Y, midiendo cuidadosamente el calor transferido (utilizando un calormetro), se obtiene el

valor de -393 757 kJ. El signo negativo se debe a que calor fluye en direccin contraria a la

supuesta en la ecuacin (5), se trata de una reaccin exotrmica. Por lo tanto, a la entalpa del

2CO a 25C y 1 atm se le llama entalpa de formacin y se le designa por fh .

Considrese ahora un proceso en el cual existe transferencia de calor y realizacin de trabajo,

como se muestra en la fig. 2

Q

ii hn jj hn

W Figura 1.2 . Anlisis por primera ley de un sistema de combustin.

Haciendo un balance de energa

j

jji

i

i hnWhnQ [1.13]

PH

Unidad I

18

El cambio de propiedad entre el estado de referencia y el estado real se denota con el smbolo

298 hh en kJ/kg TCh pf

Por lo tanto, el balance de acuerdo a la primera ley se puede expresar como:

jf

i j

jifihhhnhhhnQ 298298 [1.14]

Ahora ya se puede determinar la entalpa de combustin o poder calorfico de un combustible,

RPh , que es la diferencia entre la entalpa de los productos y la entalpa de los reactivos, a una

misma presin y temperatura, T.

RPRP HHh

jf

i j

jifiRPhhhnhhhnh 298298 [1.15]

Asimismo la energa interna de combustin, RPu , se expresa por:

ii

fijf

j

jRP RThhhnRThhhnu 298298 [1.16]

O, de forma ms compacta por:

j i

ijRPRP nnRThu ....[1.17]

Es importante aclarar que el poder calorfico superior es en el que el agua aparece en los

productos en forma lquida, mientras que en el poder calorfico inferior esta se presenta en

forma de vapor.

EJEMPLO 2. Considrese que se quema propano con 100% de aire terico y determine el

poder calorfico superior del mismo.

Solucin:

La reaccin ser:

2222282 818437635 N.OHCON.OHC

Entonces, el poder calorfico se determina de a forma:

RPRP HHh

Donde:

Unidad I

19

222

81843NfOHfCOfP

h.hhH

2283

8185NfOfHCfR

h.hhH

Determinando, mediante tablas la entalpa de formacin del agua, dixido de carbono y

propano y sustituyendo en las ecuaciones anteriores [2].

PH = -2 340 338.4 kJ/kgmol

RH = - 123 698.0 kJ/kgmol

Entonces RPh = - 2 216 640.4 kJ/kgmolcomb

RPh = RPh CM/ = - 2 216 640.4/11.097

RPh = - 50 267.4 kJ/kgcomb

EJERCICIO 1.2. Calcular el poder calorfico inferior del Pentano.

1.6. La influencia de humedad y cenizas a las caractersticas del combustible

Sobre todo los combustibles slidos por su naturaleza se presentan junto con materia inerte y

humedad. Por ejemplo el carbn lignito puede contener ms que el 50% de agua, as

reduciendo drsticamente el poder calorfico en estado hmedo. El anlisis del efecto que

causa la humedad en un combustible no slo tiene importancia para el balance energtico sino

tambin para valorar un combustible en el mercado. De manera abstracta la figura 1.3 muestra

un combustible slido como una barra dividida en los principales contenidos: agua, materia

inerte y la materia orgnica.

Fig. 1.3: Composicin de un combustible slido

Materia orgnicaMateria inerte

Agua

Unidad I

20

Es posible suponer, con un error pequeo, que la materia inerte sufre de ninguna reaccin

qumica durante la incineracin, porque los minerales de los combustibles fsiles son muy

estables an a temperaturas altas, con esta suposicin que se puede concluir que la masa de la

materia inerte es igual a la masa de ceniza. Al contrario diversas biomasas, cules tienen por

ejemplo sales carbonatadas, si son sujetas a cambios durante incineracin. Cabe mencionar

que carbonato de calcio (CaCO3) a temperaturas mayores de 650C es degradado hacia el

xido de calcio (CaO).

Con relacin a la humedad es importante saber que al momento de retirar un combustible de

un contenedor puede cambiar su humedad porque tiende a ajustarse a un equilibrio con las

nuevas condiciones del medio ambiente. As pues, es sumamente importante conocer la

humedad de combustible al realizar un anlisis. De hecho cualquier anlisis de un combustible

(anlisis elemental, poder calorfico etc.) se realiza paralelamente con la determinacin del la

humedad. Dicha humedad es la del anlisis y se identifica con el subndice AN (como estado

de analisis).

Es permitido tambin realizar el anlisis de algn mtodo en estado seco del combustible. En

este caso se debe procurar de guardar las muestras en un desecador

para evitar un nuevo equilibro con el aire. Como en este estado la muestra es libre agua lleva

el ndice WF (segn de las siglas en ingles de las palabras water free). Como las cenizas en

una combustin se consideran en cierto modo inertes, es conveniente para algunas

comparaciones referirse a un estado de un combustible sin cenizas. Se utiliza para este estado

el subndice de referencia WAF segn de las siglas en ingles para las palabras water and ash

free.

Este ltimo estado de referencia no tiene ningn us tcnico pero permite comparar diferentes

combustibles respecto a ciertas caractersticas.

A continuacin se describa como realizar la conversin de un estado de referencia al otro. La

conversin para la correccin de la humedad para la concentracin de algn elemento de la

materia orgnica se hace de la siguiente manera:

() = () (1 ) [1.18] () = () 1

1 [1.19]

Donde la concentracin X puede ser uno de los elementos C, H, N, S e O y W es la humedad

en kg X/Kg combustible [4].

La conversin para la correccin de las cenizas es de forma anloga donde A significa la

concentracin de las cenizas en kg X/Kg combustible:

() = () 1

1 [1.20] () = () (1 ) [1.21]

Las mismas ecuaciones son aplicables para la determinacin de la materia voltil VM y para su

caso c(X) ser reemplazado por el VM.

Unidad I

21

Muchos analizadores elementales determinan por una combustin los elementos C,H,N,S y de

manera substractivo utilizando la siguiente ecuacin se obtiene el contenido del oxigeno en el

combustible:

() = 1 () () () () [1.22]

El poder calorfico puede salir de un anlisis en un calormetro o con ayuda de la siguiente

ecuacin de aproximacin elaborado por Boie:

= (34.8 () + 93.8 () + 10.46 () + 6.28 () 10.8 ()) en MJ/kg [1.23]

Cabe de mencionar que el calor liberado por la formacin de los xidos de nitrgeno es

consumido en los sistemas de reduccin de nitrgeno con fines de cumplir normas

ambientales. El oxgeno, el cual es considerado como una oxidacin parcial se balancea con

un valor negativo reduciendo de esa manera el poder calorfico del combustible.

Por ltimo a continuacin se enlistan las ecuaciones para la conversin del poder calorfico

superior (PCS) y poder calorfico inferior (PCI) en, considerando ya la reduccin por las

cenizas y la humedad (las ecuaciones dan el poder calorfico en la unidad de MJ/kg):

= 2.441 ( + 9 ()) [1.24]

= (1 ) 2.441 [1.25]

= 2.441 9 () [1.26]

= 2.441 9 () [1.27]

= 1

1 [1.28]

= 1

1 [1.29]

Como la humedad tiene el carcter de reducir drsticamente el poder calorfico de un

combustible surge la pregunta con que valor el poder calorfico inferior sea nula. Este caso no

es tan ajeno tomando en cuenta la incineracin de residuos que frecuentemente se presentan

con mucha humedad. El balance energtico sobre la situacin planteada que el PCI sea nula

arroja la siguiente ecuacin:

= 0 = (1 ) 2.441 [1.30]

Al despejar a W de la ecuacin anterior se obtiene:

=

+2.441 [1.31]

Unidad I

22

Cabe mencionar que la incineracin de un residuo con el contenido de humedad mximo para

brindar todava con un beneficio energtico solo es posible en co-combustion con otro

combustible de alto poder calorfico para obtener temperaturas suficientemente altas de la

flama.

EJERCICIO 1.3. Calcula la humedad de un combustible bituminoso si el poder calorfico

(PCSWF) es de 27.2 MJ/kg con una composicin en estado hmedo: 58.3% de C, 4.9% de H,

20,6% de O, 0.89% de N, 0.57% de S y 7.5% de cenizas. En el estado hmedo el PCI es de

23732 kJ/kg

1.7 Anlisis con la primera ley de los sistemas reactivos

La importancia de la entalpa de formacin es que es ms conveniente para analizar un sistema

reaccionante con ayuda de la primera ley, porque las entalpas de las diferentes sustancias se

pueden sumar o restar ya que todas se dan en relacin con la misma base.

En tales problemas para un proceso a rgimen permanente con flujo estable la primera ley se

escribir en la forma

P.C.VR,C.V HWHQ

O bien

P

ee.C.V

R

ii.C.V hnWhnQ

Donde R y P se refieren a los reactivos y los productos, respectivamente. En cada problema es

necesario escoger un parmetro como base para la solucin. Casi siempre se toma como 1

kmol de combustible.

Sin embargo, en la mayora de los casos, las sustancias que constituyen los reactivos y los

productos en una reaccin qumica no estn a una temperatura de 25C y a una presin de 0.1

MPa (estado al cual se da la entalpa de formacin). Por lo tanto, se debe conocer el cambio de

entalpa entre 25C y 0.1 MPa y el estado dado. Para un slido o un lquido, este cambio de

entalpa por lo general se puede encontrar en una tabla de propiedades termodinmicas o a

partir de datos de calor especfico. Para los gases, este cambio de entalpa casi siempre se

encuentra por uno de los procedimientos siguientes.

1. Suponga que entre los 25C y 0.1MPa, y el estado dado, el gas se comporta como ideal. En este caso, la entalpa es una funcin nicamente de la temperatura y se puede

determinar por una ecuacin de poC o a partir de valores de entalpa tabulados en

funcin de la temperatura (que supone un comportamiento de gas ideal). La tabla A.11

establece una ecuacin de poC para diversas sustancias y la tabla A.13 proporciona

valores de 298 hh en kJ/kmol ( 298h est referido a 25C o 298.15K. Para

Unidad I

23

simplificar, ste se identifica como 298h ). El superndice se utiliza para indicar que

sta es la entalpa a una presin de 0.1 MPa, basada en el comportamiento de un gas

ideal, es decir, la entalpa en el estado estndar.

2. Si se dispone de una tabla de propiedades termodinmicas, el h se puede determinar directamente a partir de estas tablas cuando se utiliza el estado de referencia del

comportamiento de una sustancia real, tal como se explic para el agua lquida. Si se

utiliza un estado de referencia hipottico del gas ideal, entonces para entrar a las tablas

es necesario tomar en cuanta la correccin a las propiedades para la sustancia real en

ese estado.

3. Si la desviacin respecto al comportamiento de gas ideal es importante, pero no se

dispone de tablas de propiedades termodinmicas, el valor para h se puede encontrar

a partir de las tablas o cartas generalizadas y de los valores de poC o h a una presin

de 0.1 MPa como ya se indic.

As, en general, al aplicar la primera ley a un proceso a rgimen permanente con flujo estable

donde interviene una reaccin qumica y hay pequeos cambios de energa potencial y

cintica, se puede escribir:

P

efe.C.V

Rifi.C.V

hhnWhhnQ [1.32]

1.8. Mecanismo de la reaccin de combustin

La reaccin global de combustin no representa realmente el transcurso de la reaccin qumica

de dicho combustible con el aire.

Cuando en una reaccin intervienen ms de dos molculas, como ocurre en las reacciones de

combustin, la reaccin se produce por pasos, mediante reacciones intermedias, con roturas de

enlaces, formacin de radicales libres y disociacin de molcula. Las reacciones elementales

intermedias pueden llegar a ser cientos e incluso miles para determinados combustibles,

siendo unas exotrmicas y otras endotrmicas.

La reaccin de combustin es, por tanto compleja y lleva asociado un mecanismo de reaccin

en el que intervienen como reactantes un nmero de compuestos inestables que aparecen en la

mayora de los casos de forma temporal, ya que las molculas del combustible se

descomponen por efecto del calor en compuestos ms ligeros y radicales (por ejemplo, CH3,

C2H3, etc.). Se produce un proceso en cadena al interaccionar distintos compuestos,

reaccionando, combinndose y descomponindose. Por ejemplo en el caso de la combustin

del metano forman parte del mecanismo de combustin reacciones como las siguientes:

2324 HOCHOCH [1.33]

OHOCHOCH 223 [1.34]

HOHHOH 22 [1.34]

OOHOH 2 [1.36]

Unidad I

24

22

1HH [1.37]

Cada una de estas reacciones intermedias tendr asociada su correspondiente velocidad de

reaccin.

Cuando la secuencia de las reacciones termina, los productos finales de la combustin son

compuestos de menor energa qumica que el combustible.

1.8.1. Velocidad de la Reaccin Qumica

Por la ley de accin de masas, la velocidad de reaccin depende de una constante de velocidad

k y es proporcional al producto de las concentraciones de los reactantes elevadas a sus

coeficientes estequiomtricos. Las reacciones se producen en ambos sentidos, hacia productos

y hacia reactantes. En el caso de las dos ultimas reacciones planteadas en las ecuaciones (1.22)

y (1.23), las velocidades en sentido directo e inverso sern respectivamente:

22 OHk

dt

Od

dt

OHd

dt

Od

dt

Hdv dd [1.38]

21

22

21

1Hk

dt

Hd

dt

Hdv id [1.39]

Los radicales mencionados anteriormente se forman pero desaparecen rpidamente porque las

reacciones estn muy orientadas en un determinado sentido.

Si las velocidades inversa y directa se igualan ( di vv ) se alcanza lo que se denomina

equilibrio qumico de la reaccin.

La constante de velocidad k tiene, segn el modelo Arrhenius, la siguiente expresin: [3]

RT

EA

eAk

[1.40]

donde A es la constante de frecuencia y Ea la energa de activacin.

En el caso de reacciones que lleven a asociado un mecanismo de reaccin, los exponentes

de las concentraciones no sern los coeficientes estequiomtricos, sino valores a ajustar en

cada caso. Por tanto, la velocidad de la reaccin global de combustin podra expresarse de la

siguiente forma:

AE

n mRT

reaccin combustinv A e Combustible oxgeno

[1.41]

donde n, m, A y Ea deben ser determinados experimentalmente.

Unidad I

25

Es importante resaltar que el trmino exponencial hace que la velocidad de reaccin sea

muy sensible al valor de la temperatura de los reactantes, de tal modo que para valores

moderados de este parmetro la velocidad es muy pequea y, sin embargo, a partir de cierto

valor de la temperatura, la velocidad se incrementa extraordinariamente. De igual modo,

partiendo de valores altos de la temperatura para los cuales la velocidad de reaccin es

elevada, ocurre que un ligero descenso de la misma puede originar una bajada de la velocidad

de reaccin tan acusada que prcticamente la reaccin se interrumpa.

1.9 Combustin Incompleta

Es muy frecuente que no se produzca la reaccin de combustin de forma completa, es

decir, que el proceso de combustin no termina realmente, debido, entre otros, a los siguientes

motivos:

Se requiere un tiempo de reaccin que vara para las distintas reacciones simples que intervienen en el mecanismo de reaccin, y a veces no se dispone de ese tiempo, por

ejemplo, porque la reaccin se apaga por contacto de los reactantes con las paredes

fras del recipiente o con una corriente fra de aire, o bien debido a un tiempo

insuficiente de residencia en el equipo en relacin con el tiempo de combustin.

Falta de oxgeno suficiente para la reaccin debido a un dosado inadecuado o a una mezcla imperfecta del combustible y el aire.

Se producen reacciones de disociacin del CO2 Y EL H2O.

Habr que disear adecuadamente los equipos donde tiene lugar la combustin para evitar

en la medida de lo posible los problemas mencionados y se har referencia a ello en los

captulos 5, 13 y 14.

1.9.1 Composicin de los productos de la combustin

A temperaturas superiores a 1.500 K, aproximadamente, hay que tener en cuenta la

disociacin del CO2 y el H2O, con la consecuente presencia en los productos de la

combustin de las siguientes especies: CO, O2, H2, O, H y OH. Para temperaturas de

combustin superiores a 1.400C se favorecen, adems, las reacciones de formacin de xidos

de nitrgeno atmico en los productos, o incluso diferentes hidrocarburos sin quemar que

proceden de la descomposicin del combustible, as como partculas de carbn.

Teniendo en cuenta lo anterior, la ecuacin genrica [1.28] trata de reflejar una reaccin real

de combustin de forma global, que evidentemente conlleva un complejo mecanismo de

reaccin al que se ha hecho referencia anteriormente.

....CHvCvNvNOvOHvOvHv

HvCOvOvNvOHvCOvN,O,vHOHC a

43121110987

2652423222122 790210

[1.42]

Unidad I

26

Cabe destacar algunas de las reacciones que se producen de forma simultnea entre los

principales compuestos que pueden aparecer en cantidades relativamente apreciables en los

productos de la combustin [5]:

OHCOHCO 222 [1.43]

OHOH 222 21 [1.44]

HH 22

1 [1.45]

OO 22

1 [1.46]

OHOH 222

1

2

1 [1.47]

222

1COOCO [1.48]

NN 22

1 [1.49]

Teniendo en cuenta que algunas de las sustancias incluidas en los productos de la combustin

de la reaccin anterior son especies contaminantes, es importante precisar en qu

circunstancias aparecen y su importancia relativa. Esto es tambin de sumo inters de cara al

clculo de la composicin y la temperatura de los productos quemados, dado que puede

conducir a ciertas simplificaciones pertinentes.

En primer lugar, se ha comprobado que en las circunstancias que concurren durante el proceso

de combustin es posible considerar que las reacciones [1.29]- [1.35] alcanzan el equilibrio

qumico.

Teniendo en cuenta la influencia que tiene la presin y la temperatura sobre la constante de

equilibrio se puede afirmar lo siguiente [5,6]:

A mayor temperatura mayor disociacin y ms presencia de CO, H, O, OH, etc.

A menor presin mayor disociacin y ms presencia de CO, H, O, OH, etc.

Es importante destacar que, sin embargo, que la reaccin de formacin del xido de nitrgeno

es lenta y no se puede considerar que se alcanza el equilibrio qumico en la misma.

La composicin de la mezcla de reactantes (considerando mezcla homognea) tiene una

importancia esencial en la composicin de los productos de su combustin y, en ese sentido, el

dosado relativo es el parmetro que permite distinguir entre tres situaciones: mezcla pobre,

mezcla estequiomtrica y mezcla rica.

Unidad I

27

Teniendo todo lo anterior en cuenta se puede concluir lo siguiente:

a) Mezcla pobre (FR

Unidad I

28

En este caso, entre los productos de la combustin se encuentran partculas de carbono

e hidrocarburos sin quemar de menor peso molecular que el combustible.

Es importante resaltar que en la combustin incompleta se libera menor energa que en el caso

de la combustin estequiomtrica, de forma que la temperatura adiabtica de la llama ser

menor, debido a que las reacciones de disociacin son endotrmicas y absorben parte de la

energa liberada para formar compuestos de mayor energa qumica, como el CO. Por otra

parte, la combustin incompleta lleva asociada la formacin de productos contaminantes.

Unidad I

29

BIBLIOGRAFA

[1] P. Baskakov (1982), Termotecnia, Editorial Mir, Mosc.

[2] Y. Cengel, Ingeniera Termodinmica, Mc. GrawHill, 4. Ed. Mexico 2003.

[3] J. M. Lacalle et. al. (1997) Termodinmica, Universidad Politcnica de Madrid, Segunda Edicin, Madrid.

[4] Varios (1937) "Ruhrkohlen-Handbuch" ISBN 978-642-989-4

[5] M. Muoz y A. Rovira (2006), Ingeniera Trmica, Universidad Nacional de Educacin a Distancia, Madrid.

[6] Varios (1992) Steam, its generation and use, Babcock and Wilcox editors. 41a. ed. USA.

Unidad I

30

CONTENIDO

INTRODUCCIN

1.1. Combustibles y su tecnologa 1

1.1.1. Combustibles slidos 1

1.1.2. Gases 3

1.1.3. Combustible lquido 5

1.2. Propiedades fsicas de los combustibles lquidos 7

1.3. Propiedades qumicas del combustible 8

1.4. Comportamiento del combustible en relacin con la combustin 9

1.5. Reacciones qumicas del combustibles 12

1.5.1. El proceso de combustin 12

1.5.2. Poder calorfico del combustible 15

1.6. La influencia de humedad y cenizas a las caractersticas del combustible 18

1.7. Anlisis con la primera ley de los sistemas reactivos 21

1.8. Mecanismo de la reaccin de combustin 23

1.8.1. Velocidad de la reaccin qumica 23

1.9. Combustin incompleta 25

1.9.1 Composicin de los productos de la combustin

Bibliografa 28