TERMODINÁMICACombustión Docente César Nieto Londoño Ingeniería Aeronáutica Medellín 2016 Combustibles y combustión • Combustibles: cualquier materia que puede quemarse para liberar energía térmica • Hidrocarburos ?? ?? • Diferentes fases: – Carbón: propiedades dependen del sitio de extracción (oxigeno, hidrogeno, nitrógeno, azufre, humedad y cenizas) – Gasolina: se obtiene del petróleo. (querosén, diésel, fuel-oil). Propiedades y composición dependen del sitio de extracción y de la refinería – Gas natural Combustibles y combustión • Composición general de combustibles – Gasolina: ?3 ?8 Octano – Diésel: ?12 ?26 Dodecano – Metanol: ??3 ?? Metil alcohol – Gas natural: ??4 Metano Usos combustibles Usos combustibles Combustibles y combustión • Emisiones – Óxidos de nitrógeno – CO – CO2 . Combustibles y combustión • Comparación combustibles – Costo energía vs costo volumen . Combustión • Reacción química durante la cual el combustible se oxida y una gran cantidad de energía (en forma térmica) es liberada . 21/0.9% N2: 78.Oxidante • Oxigeno: soldadura y corte plasma • Aire seco: Oxigeno + Nitrógeno + Argón + Helio + Neón + Hidrógeno O2: 20.76 mol de N2 .9% Trazas de otros gases • En la práctica: O2: 21% N2: 79% (% Argón se incluye en el de nitrógeno).1% Ar: 0.79=3. Gas inerte (NOx) 1 mol de O2 entra 0. O. H. A altas temperaturas se puede disociar en H2. Puede condensar (dependiendo del punto rocío gases de combustión). Puede absorber parte de la energía de la combustión. OH. Puede formar NOx si la reacción ocurre a altas temperaturas • Agua: entra con el aire húmedo y/o puede ser producto de la combustión. Se puede tratar como gas inerte (como el Nitrógeno). . O2.Nitrógeno y agua • Nitrógeno: no reacciona a bajas temperaturas. Se mezcla con óxidos de azufre y forma ácido sulfúrico. Reactivos y productos No todos los reactivos tienen que reaccionar durante la combustión. Ej. N2 . .Condiciones para inicio de combustión • Temperatura de ignición: Temperatura mínima para que comience combustión – – – – – Carbón: 400 °C Gasolina: 260 °C Hidrógeno: 580 °C Monóxido de carbono: 610 °C Metano: 630 °C • Relación aire/combustible (combustible/aire): relación mínima y máxima para que ocurra combustión. Conservación de la masa • Masa de cada elemento se conserva durante la reacción química (igualmente ocurre con los átomos) . Relación aire/combustible • Relación de masa de aire a masa de combustible: m=NM m: masa de la sustancia N: moles de la sustancia M: masa molar . . Ej. Balance ecuación de combustión • Determinar número de moles de cada gas en los productos y relación aire combustible. Aire con 20 kmol de O2 . Balance ecuación de combustión • Balance masa elementos ¿Cuántas moles de aire? 95.Ej.2 moles de aire . Balance ecuación de combustión .Ej. Balance ecuación de combustión .Ej. . Proceso de combustión teórico y real • Combustión completa: todos los componentes del combustible son quemados de forma completa: C → CO2 H2 → H2O S → SO2 • Combustión incompleta: presencia en los productos de combustible no quemado o componentes como: C H2 CO OH . Proceso de combustión teórico y real • Causas combustión incompleta – Insuficiencia de oxígeno – Exceso de oxígeno – Disociación – Oxígeno se combina con mayor facilidad con el hidrógeno (para producir agua) que con el carbono. Por lo tanto aparece CO o C (hollín) . Proceso de combustión teórico y real • Aire estequiométrico: cantidad de aire teórico necesaria para que existas combustión completa • 100% aire teórico . Proceso de combustión teórico y real • Exceso de aire: cantidad de aire adicionada para asegurar combustión completa • 50% aire en exceso = 150% aire teórico • Deficiencia de aire: cantidad de aire inferior a la estequiométrica • 90 % aire estequiométrico = 10% aire en deficiencia . . Ejemplo: temperatura rocío productos de combustión • Determinar relación aire/combustible y temperatura de rocío de productos. Asumir combustión completa y presión de 100 kPa. para la combustión de etano con 20% exceso de aire. . Ejemplo: temperatura rocío productos de combustión • Ecuación de combustión (reacción): • Exceso de oxígeno no reacciona y aparece en los productos • Balance C y H . Ejemplo: temperatura rocío productos de combustión • Ecuación de combustión (reacción): • Balance de oxígeno: . Ejemplo: temperatura rocío productos de combustión • Relación aire combustible . Ejemplo: temperatura rocío productos de combustión • Relación aire combustible . Ejemplo: temperatura rocío productos de combustión • Temperatura de rocío • Presión de vapor de agua en productos. asumiendo comportamiento gas ideal: . Ejemplo: temperatura rocío productos de combustión • Temperatura de rocío • Presión de vapor de agua en productos. asumiendo comportamiento gas ideal: . . El combustible tiene la siguiente composición: • • • • • 72% CH4 9% H2 14% N2 2% O2 3% CO2 .Ejemplo: combustión de combustible gaseoso con aire húmedo • Determinar temperatura punto de rocío de productos para combustión de combustible con aire húmedo (estequiométrico) . luego se agrega humedad .Ejemplo: combustión de combustible gaseoso con aire húmedo • Ecuación de combustión con aire seco. Ejemplo: combustión de combustible gaseoso con aire húmedo • Balance de masa componentes: . Ejemplo: combustión de combustible gaseoso con aire húmedo • Cantidad de aire seco: • Presión parcial de humedad en el aire • Moles de humedad en el aire (gas ideal): . Ejemplo: combustión de combustible gaseoso con aire húmedo • Ecuación de combustión balanceada con adición de humedad: . Ejemplo: combustión de combustible gaseoso con aire húmedo • Temperatura punto de rocío de productos: . . Ej. Análisis de combustión a partir de medición de productos • Combustión de octano (C8H18) con aire seco. • Análisis volumétrico de productos en base seca: . Análisis de combustión a partir de medición de productos • Combustión de octano (C3H8) con aire seco.Ej. • Determinar: – Relación aire-combustible – % aire teórico usado . Análisis de combustión a partir de medición de productos • Para gases ideales: fracción molar igual a fracción volumétrica. • Considerar 100 kmol de productos secos • Ecuación de combustión: • Balance de masa: .Ej. Análisis de combustión a partir de medición de productos • Ecuación de combustión: • Para 1kmol de combustible: .Ej. Ej. Análisis de combustión a partir de medición de productos • Relación aire/combustible: . Ej. Análisis de combustión a partir de medición de productos • Relación aire/combustible: . Análisis de combustión a partir de medición de productos • Relación aire/combustible: .Ej. Análisis de combustión a partir de medición de productos • % aire teórico usado: • Balance estequeométrico: .Ej. Análisis de combustión a partir de medición de productos • % aire teórico usado: • Balance estequeométrico: • Balance de masa oxígeno: .Ej. Análisis de combustión a partir de medición de productos • % aire teórico usado: .Ej. Análisis de combustión a partir de medición de productos • % aire teórico usado: .Ej. Análisis de combustión a partir de medición de productos • % aire teórico usado: .Ej. SISTEMA DE UNIDADES • Sistema internacional (SI) Unidad SI Unidad base Unidad Complementaria Unidades derivadas Cantidad Unidad Símbolo SI Formula Longitud metro m - Masa kilogramo kg - Tiempo segundo s - Temperatura kelvin K - Ángulo radian ras - Energía Joule J N·m Fuerza Newton N kg·m/s2 Potencia Watt W J/s Presión Pascal Pa N/m2 Trabajo Joule J N·m . 01 = 10-2 centi c 0.000 001 = 10-6 micro µ 0.001 = 10-3 mili m 0.000 000 000 001 = 10-12 pico p .PREFIJOS UNIDADES • Prefijos SI Factor de multiplicación Prefijo Símbolo SI 1 000 000 000 000 = 1012 tera T 1 000 000 000 = 109 giga G 1 000 000 = 106 mega M 1 000 = 103 kilo k 0.000 000 001 = 10-9 nano n 0. co [email protected] ¿Dudas e inquietudes? cesar.