COMBUSTIBLES Y COMBUSTION
15-1C Cules son las composiciones qumicas aproximadas de la gasolina, el
disel y el gas natural?
La gasolina se trata como octano C8H18, y el disel como dodecano, C12H26. El
gas natural, que es una mezcla de metano y cantidades ms pequeas de otros
gases, algunas veces se trata como metano, CH4.
15-2C Cmo afecta la presencia de N2 en el aire al resultado de un proceso de
combustin?
La presencia de nitrgeno influye de manera considerable en el resultado de un
proceso de combustin, pues el nitrgeno suele entrar a una cmara de
combustin en grandes cantidades a temperaturas bajas, y salir a temperaturas
considerablemente altas, absorbiendo una gran proporcin de la energa qumica
liberada durante la combustin.
15-3C Cmo afecta la presencia de humedad en el aire al resultado de un
proceso de combustin?
El aire que entra a una cmara de combustin contiene algo de vapor de agua (o
humedad), que tambin es digno de consideracin. En casi todos los procesos de
combustin, la humedad en el aire y el agua que se forma durante la combustin
puede tratarse como un gas inerte, como nitrgeno.
15-4C Cmo se representa la temperatura del punto de roco de los gases
producto? Cmo se determina esto?
15-5C Acaso se conserva intacto el nmero de tomos de cada elemento
durante una reaccin qumica? Qu ocurre con el nmero total de moles?
El nmero total de tomos de cada elemento se conserva durante una reaccin
qumica, ya que el nmero total de tomos de un elemento es igual a la masa total
del elemento dividida entre su masa atmica. Y el nmero total de moles no se
conserva durante una reaccin qumica.
15-6C Qu es la relacin aire-combustible? Cmo se vincula con la relacin
combustible-aire?
La relacin aire-combustible, AC. Suele expresarse en una base de masa y se
define como la relacin entre la masa del aire y la masa de combustible en un
proceso de combustin. El recproco de la relacin aire-combustible se conoce
como relacin combustible-aire.
15-7C La relacin aire-combustible expresada en una base molar es idntica a la
relacin aire-combustible expresada en una base de masa?
Si porque en una base de masa se define como la relacin entre la masa del aire y
la masa de combustible y en una base molar como la proporcin entre el nmero
de moles de aire y el nmero de moles del combustible.
PROCESOS DE COMBUSTION TEORICA Y REAL
15-8C Cules son las causas de la combustin incompleta?
El oxgeno insuficiente es una razn obvia para la combustin incompleta, pero no
la nica. La combustin incompleta sucede incluso cuando en la cmara de
combustin hay ms oxgeno del necesario para la combustin completa.
15-9C Qu es mas probable encontrar en los productos de una combustin
incompleta de un combustible hidrocuarburo, CO u OH? Por qu?
CO o como simples partculas C ya que el oxgeno es atrado con mayor fuerza
hacia el hidrgeno que hacia el carbono y el hidrgeno en el combustible
normalmente se quema por completo, formando H2O, aun cuando exista menos
oxgeno del necesario para la combustin completa.
15-10C Qu representa 100 por ciento de aire teorico?
La cantidad mnima de aire necesaria para la combustin completa de un
combustible recibe el nombre de aire estequiomtrico o terico.
15-11C La combustin completa y la combustin teorica son idnticas? Si no lo
son, en que difieren?
Son idnticas ya que en ambos casos todos los componentes combustibles de un
combustible se queman totalmente durante un proceso de combustin, pero
difieren en que en la combustin teorica utilizada la cantidad minima de aire
necesaria
15-12C Considere un combustible que se quema con a) 130 por ciento de aire
teorico y b)70 por ciento de exceso de aire. En cual caso el combustible se
quema con mas aire?
El b) ya que serian 170 por ciento de aire terico.
15-13 Durante un proceso de combustin se quema metano (CH4) con una
cantidad estequiomtrica de aire. Suponga una combustin completa y determine
las razones aire-combustible y combustible-aire.
Datos:
C: 12 kg/kmol
H: 2 kg/kmol
CH4 + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + zN2
C: 1=x
H: 4=2y, y=2,
O: 2a=2x+y, a=2;
N: 3.76(2)a=2z , z=7.52
Sustituyendo para balancear la ecuacin.
CH4 + 2(O2 + 3.76N2) CO2 + 2H2O + 7.52N2
AC = maire
mcombustible=
NMaireNMC + NMH2
AC =(2 4.76kmol)(29 kg/kmol)
(1kmol)(12 kg/kmol) + 2kmol(2 kg/kmol)= 17.255
kg aire
kg combustible
CA =1
AC=
1
17.255kg aire
kg combustible
= .0579 kg combustible
kg aire
15-14 Durante un proceso de combustin se quema propano (C3H8) con 75 por
ciento de exceso de aire. Suponga una combustin completa y determine la razn
aire-combustible.
La ecuacin tendr 1.75 en la entrada de aire porque entra un exceso de 75% y
estar en el producto:
C3H8 + 1.75a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O +. 75aO2 + wN2
C: 3 = x;
H: 8 = 2y, y = 4,
O: 2(1.75)a = 2x + y + 2(. 75a), a = 5;
N: 3.76(2)(1.75a) = 2w,
w = 32.9
Sustituyendo para balancear la ecuacin:
C3H8 + 8.75(O2 + 3.76N2) 3CO2 + 4H2O + 3.75O2 + 32.9N2
AC = maire
mcombustible=
NMaireNMC + NMH2
AC =(8.75 4.76kmol)(29 kg/kmol)
(3kmol)(12 kg/kmol) + 4kmol(2 kg/kmol)= 27.45
kg aire
kg combustible
15-15 Durante un proceso de combustin se quema acetileno (C2H2) con aire
estequiometrico. Suponga una combustin completa y determine la relacin aire-
combustible por unidad de masa y por unidad molar.
C2H2 + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + wN2
C: 2=x
H: 2=2y ; y=1
O: 2(1) a = 2x + y; a = 2.5
N: 3.76 (2) (1a) = 2 w; w=9.4
Sustituyendo para balancear la ecuacin:
C2H2 + 2.5(O2 + 3.76N2) 2CO2 + H2O + 9.4N2
AC = maire
mcombustible=
NMaireNMC + NMH2
AC =(2.5 4.76kmol)(29 kg/kmol)
(2kmol)(12 kg/kmol) + 1kmol(2 kg/kmol)= 13.27
kg aire
kg combustible
15-16 Durante un proceso de combustin se quema 1 kmol de etano (C2H6) con
una cantidad desconocida de aire. Un analisis de los productos de combustin
revela que la combustin es completa y que hay 3 kmol de O2 libre en los
productos. Determine a) la relacin aire-combustible y b) el porcentaje de aire
teorico usado durante este proceso.
C2H6 + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + 3O2 + wN2
C: 2 = x
H: 6 = 2y; y = 3
O: 2 a = 2 x + y + (3) (2); a = 6.5
N: 3.76 (2) (a) = 2 w; w = 24.44
C2H6 + 6.5(O2 + 3.76N2) 2CO2 + 3H2O + 3O2 + 24.44N2
AC = maire
mcombustible=
NMaireNMC + NMH2
AC =(6.5 4.76kmol)(29 kg/kmol)
(2kmol)(12 kg/kmol) + 3kmol(2 kg/kmol)= 29.90
kg aire
kg combustible
Para determinar el exceso de balanceamos la ecuacin nuevamente pero sin
oxgeno en el producto, as obtendremos aire terico.
C2H6 + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + wN2
C: 2=x
H: 6 = 2y; y=3
O: 2 a = 2x + y; a = 3.5
N: 3.76 (2) (a) = 2 w; w = 3.76
C2H6 + 3.5(O2 + 3.76N2) 2CO2 + 3H2O + 3.76N2
Calculando el porcentaje de aire teorico:
Aire teorico % =maire total
maire teorico=
Naire totalNaire teorico
=6.5kmol
3.5kmol 100 = 185.71%
15-17E Durante un proceso de combustin se quema etileno (C2H4) con 200 por
ciento de aire teorico. Suponga una combustin completa y una presin total de
14.5 psia, y determine a) la relacin de aire-combustible y b) la temperatura de
punto de rocio de los productos.
a) C2H4 + 2a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + aO2 + wN2
C: 2= x
H: 4 = 2 y; y = 2
O: 2 (2) a= 2x + y + a; a =3
N: 3.76 (2) (2a) = 2w; 2 = 22.56
Sustituyendo para balancear la ecuacin:
C2H4 + 6(O2 + 3.76N2) 2CO2 + 2H2O + 3O2 + 22.56N2
AC = maire
mcombustible=
NMaireNMC + NMH2
AC =(6 4.76kmol)(29 lb/kmol)
(2kmol)(12 lb/kmol) + 2kmol(2 lb/kmol)= 29.58
lb aire
lb combustible
B) Temperatura de punto de roco
Pv = (
)
Presin promedio = 2
(2+2+3)+(2)(3)(3.76) (14.5) = 0.98 Psia
De la tabla A-4E Interpolando
Psia T F e= 100 (.950520.98)(100110)
(.950521.27679
.95052 100 e= 101 F
.98 e
1.2767 110
15-18 Durante un proceso de combustin se quema propileno (C3H6) con 50 por
ciento de exceso de aire. Suponga una combustin completa y una presin total
de 105 kPa, y determine a) la relacin aire-combustible y b) la temperatura a la
cual el vapor de agua en los productos empezara a condensarse.
C3H6 + 1.5a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O +. 5aO2 + wN2
C: 3 = x
H: 6 = 2 y; y = 3
O: 2 (1.5)a = 2 x + y + a; a = 4.5
N: 3.76 (2) (1.5a) = 2 w ; w= 25.38
Sustituyendo para balancear la ecuacin:
C3H6 + 6.75(O2 + 3.76N2) 3CO2 + 3H2O + 2.25O2 + 25.38N2
AC = maire
mcombustible=
NMaireNMC + NMH2
AC =(6.75 4.76kmol)(29 Kg/kmol)
(3kmol)(12 /) + 3kmol(2 kg/kmol)= 22.185
kg aire
kg combustible
b) Temperatura del punto de rocio:
Pv = (Nv
Nprod) (P) = (
3kmol
33.63kmol) (105kPa) = 9.36kPa
Tabla A-5
Tpr = Tsat a Pv = Tsat a 9.36kpa =(9.35kPa 7.5kPa)(45.81C 40.29C)
(10kPa 7.5kPa)+ 40.29C = 44.37C
15-19 Se quema alcohol proplico (C3H7OH) con 50 por ciento de exceso de aire.
Escriba la ecuacin de la relacin balanceada para una combustin completa y
determine la relacin aire-combustible.
C3H7OH + 1.5a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + zO2 + wN2
C: 3=x
H: 8 = 2y; y = 4
O: 2 (1.5) a + 1 = 2 x + y + 2 z; z = 0.5 a; a = 4.5
N: 3.76 (2) (1.5a) = 2 w; w = 25.38
Sustituyendo para balancear la ecuacin:
C3H7OH + 6.75(O2 + 3.76N2) 3CO2 + 4H2O + 2.25O2 + 25.38N2
AC = maire
mcombustible=
NMaireNMC + NMH2
AC =(6.75 4.76kmol)(29 kg/kmol)
(3kmol)(12 kg/kmol) + 4kmol(2 kg/kmol) + 1kmol(kg
kmol)= 15.5295
kg aire
kg combustible
15-20 Se quema butano (C4H10) con 200 por ciento de aire teorico. Para una
combustin completo, Cuntos kmol de agua debern rociarse en la cmara de
combustin por kmol de combustible si los productos de combustin debern tener
una temperatura de punto de rocio de 60C cuando la presin del producto sea
100kPa?
C4H10 + 2a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + aO2 + wN2
C: 4 =x
H: 10 = 2y, y = 5,
O: 2(2)a = 2x + y + 2a, a = 6.5;
N: 3.76(2)(2a) = 2w, w = 48.88
Sustituyendo para balancear la ecuacin:
C4H10 + 13(O2 + 3.76N2) 4CO2 + 5H2O + 6.5O2 + 48.88N2
Cuando se le roca con agua la ecuacin aumenta en H2O por lo tanto tiene que balancearse de
nuevo.Nv = moles de vapor de agua
C4H10 + 13(O2 + 3.76N2) + NvH2O 4CO2 + (5 + Nv)H2O + 6.5O2 + 48.88N2
Obtenemos la presin de saturacin a 60C
Psat a 60C = 19.947 kPa
Utilizando la formula:
yvapor de agua =Psaturacion del vapor de agua
Pproducto=
19.947kPa
100kPa= .1994kPa
De otra manera:
yvapor de agua =Ndel agua en el producto
Ntotal del producto=
(5 + Nv)
4 + (5 + Nv) + 6.50 + 48.88= .1994kPa
Despejamos el numero de moles de agua:
(5 + Nv)
4 + (5 + Nv) + 6.50 + 48.88= .1994kPa
Nv .1994Nv = .7976 + .997 + 1.2961 + 9.7466 5
Nv = 9.7892kmol
15-21 Una mezcla de combustible de 20 por ciento de masa de metano (CH4) y 80
por ciento de masa de etanol (C2H6O) se quema completamente con aire teorico.
Si el flujo masico total es 31 kg/s, determine el flujo masico de aire requerido.
La ecuacin se enuncia como sigue:
. 2r(CH4) + .8s(C2H6O) + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + wN2
Balanceando la ecuacin:
C: .2r + 1.6s = x;
H: .8r + 4.8s = 2y,
O: .8s + 2a = 2x + y;
N: 3.76(2)(a) = 2w
Sustituyendo para balancear la ecuacon:
. 2r(CH4) + .8s(C2H6O) + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + wN2
15-22 Se quema octano (C8H18) con 250 por ciento de aire teorico, el cual entra a
la cmara de combustin a 25C. Suponga una combustin completa y una
presin total de 1 atm, y determine a) la relacin de aire-combustible y b) la
temperatura de punto de rocio de los productos.
C8H18
Productos
AIRE 25C
C8H18 + 2.5a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + 1.5aO2 + wN2
C: 8 = x;
H: 18 = 2y, y = 9,
O: 2(2.5)a = 2x + y + 3a, a = 12.5;
N: 3.76(2)(2.5a) = 2w, w = 115.625
Sustituyendo para balancear la ecuacin:
C8H18 + 31.25(O2 + 3.76N2) 8CO2 + 9H2O + 18.75O2 + 115.625N2
AC = maire
mcombustible=
NMaireNMC + NMH2
AC =(31.25 4.76kmol)(
29kgkmol)
(8kmol) (12kgkmol) + 9kmol(
2kgkmol)
= 37.839kg aire
kg combustible
Para la temperatura de punto de roci:
1 = 101.324998
Pv = (Nv
Nprod) (Pprod) = (
9kmol
151.375kmol) (101.324998kPa) = 6.04kPa
Cmara de
combustin
P= 1 atm
De la tabla A-5
Tpr = Tsat a Pv = Tsat a 6.04kpa =(6.04kPa 5kPa)(40.29C 32.87C)
(7.5kPa 5kPa)+ 32.87C = 35.956C
15-23 En un motor de reaccin se quema gasolina (se considera C8H18) de
manera estable con aire. Si la relacin aire-combustible es 18 kg de aire/kg de
combustible, determine el porcentaje de aire teorico usado durante este proceso.
15-24 En una cmara de combustin se quema etano (C2H6) a una tasa de 8 kg/h
con aire que entra a una tasa de 176 kg/h. Determine el porcentaje de exceso de
aire utilizado durante este proceso.
15-25 Un kilogramo de butano (C4H10) se quema con 25 kg de aire que esta a
30C y 90 kPa. Suponga que la combustin es completa y que la presin de los
productos es 90 kPa; determine a) el porcentaje de aire teorico utilizado y b) la
temperatura del punto de rocio de los productos.
15-26E Una lbm de butano (C4H10) se quema con 25 lbm de aire que esta a 90F
y 14.7 psia. Suponga que la combustin es completa y que la presin de los
productos es 14.7 psia, determine a) el porcentaje de aire teorico utilizado y b) la
temperatura del punto de rocio de los productos.
15-27 Cierto gas natural tiene el siguiente analisis volumtrico: 65 por ciento de
CH4, 8 por ciento de H2, 18 por ciento de N2, 3 por ciento de O2 y 6 por ciento de
CO2. Despus este gas se quema por completo con la cantidad estequiometrica
de aire seco. Cul es la razn de aire-combustible para este proceso de
combustin?
15-28 Repita el problema 15-27, pero sustituya el aire seco por aire hmedo que
entra a la cmara de combustin a 25C, 1 atm y 85 por ciento de humedad
relativa.
15-29 Un combustible gaseoso con un analisis volumtrico de 60 por ciento de
CH4, 30 por ciento de H2 y 10 por ciento de N2 se quema por completo con 130
por ciento de aire teorico. Determine a) la relacin aire-combustible y b) la fraccin
de vapor de agia que se condensara si los gases producto fueran enfriados hasta
20C a 1 atm.
15-31 Cierto carbn mineral tiene el siguiente analisis con base en la masa: 82 por
ciento de C, 5 por ciento de H2O, 2 por ciento de H2, 1 por ciento de O2 y 10 por
ciento de ceniza. El carbn mineral se quema con 50 por ciento de exceso de aire.
Determine la relacin aire-combustible.
15-32 Se quema octano (C8H18) con aire seco. El analisis volumtrico de los
productos en una base seca es: 9.21 por ciento de CO2, 0.61 por ciento de CO,
7.06 por ciento de O2 y 83.12 por ciento de N2. Determine a) la relacin aire-
combustible y b) el porcentaje de aire teorico utilizado.
15-33 Se quema carbn (C) con aire seco. El analisis volumtrico de los productos
es 10.06 por ciento de CO2, 0.42 por ciento de CO, 10.69 por ciento de O2 y 78.83
por ciento de N2. Determine a) la relacin aire-combustible y b) el porcentaje de
aire teorico utilizado.
15-34 Se quema metano (CH4) con aire seco. El analisis volumtrico de los
productos en una base seca es 5.20 por ciento de CO2, 0,33 por ciento de CO,
11.24 por ciento de O2 y 83.23 por ciento de N2. Determine a) la relacin aire-
combustible y b) el porcentaje de aire teorico utilizado.
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