Parte 10COMBUSTION Abril del 2011 LIMA, PERU Prof. W. Galarza S. TERMODINAMICA LIMA, PERU 1 Índice Introducción Combustión Proceso de Combustión Productos de la Combustión Análisis Energético de la Combustión Disponibilidad Energética de la Combustión Prof. W. Galarza S. TERMODINAMICA LIMA, PERU 2 INTRODUCCION Prof. W. Galarza S. La Termodinámica de los procesos químicos juega un papel importante en la practica de la ingeniería. Su aplicación es diversa en un gran numero de industrias extractivas o de transformación. En todas ellas resulta importante el balance de materiales así como de energía química liberada. Por otro lado, la combustión es uno de los procesos unitarios mas estudiados. Centra su atención en la oxidación del carbono, el hidrogeno y el azufre contenido en una sustancia a través de la reacción directa de estos con el oxigeno contenido en el aire el que se traduce en un desprendimiento de calor. TERMODINAMICA LIMA, PERU 3 Aprovechamiento del Calor Prof. W. Galarza S. TERMODINAMICA LIMA, PERU 4 W. PERU 5 .0 COMBUSTION La combustión es una reacción química de oxidación de un combustible en la que se produce una liberación de energía para un aprovechamiento determinado. Galarza S. Durante un proceso de combustión la unión química es destruida dando lugar a productos con nuevos enlaces. química y nuclear.1. latente. Las formas microscópicas de energía de una sustancia están formadas por energías sensible. Prof. TERMODINAMICA LIMA. Usualmente se desprende una gran cantidad de energía sensible. PERU 6 . Galarza S. Los combustibles sólidos como el carbón. Los combustibles líquidos como la gasolina y el kerosén por ejemplo. Prof. O. etc.1 ANALISIS DE LOS COMBUSTIBLES Los combustibles gaseosos son mezclas de gases usualmente fáciles de identificarse individualmente. H. los hidrocarburos pesados y los biocombustibles son estructuras complejas difíciles de ser reducidas a componentes individuales. TERMODINAMICA LIMA. No obstante lo anterior es necesario un ANÁLISIS ELEMENTAL en términos de C. S. W. también son mezclas de hidrocarburos simples que pueden ser identificados y separados.1. TERMODINAMICA LIMA. Galarza S. W.1. PERU 7 .1.1 Punto de Ebullición de los Combustibles Prof. 1.2 Características de los Combustibles .1. 3 Propiedades de los Combustibles (I) Combustibles Líquidos Punto de Ignición. bombeo económico y atomización. temperatura mínima necesaria para que el combustible se torne fluido. W. Punto de fluidez. TERMODINAMICA LIMA. PERU 9 .1. temperatura mínima de una mezcla aire – combustible en la cual la combustión se inicia y mantiene. Galarza S. temperatura del combustible en la cual la llama provoca una combustión continua.1. Prof. propiedad que determina las condiciones de almacenamiento. Todas la propiedades tienen métodos y normas de medición y algunas pueden varias su resultado dependiendo del método que se utilice. Viscosidad. Temperatura de auto ignición. 1. Numero de Wobbe. PERU 10 . W. Galarza S. cenizas.3 Propiedades de los Combustibles (II) Combustibles Gaseosos Densidad relativa. inquemados. material volátil. humedad. Prof. esta ligada a la ínter cambiabilidad de gases en un quemador W PCI ρR •Combustibles Sólidos Los principales combustibles sólidos son el carbón vegetal y el carbón mineral.1. ve algunos parámetros relacionados con la utilización del combustible. Estos son: carbono fijo. Análisis Inmediato. TERMODINAMICA LIMA. con relación al aire a la misma presión y temperatura. 2. Prof. W. PERU 11 .0 PROCESO DE COMBUSTION (I) 2. TERMODINAMICA LIMA. Galarza S.1 Ecuación de Reacción Los reactantes como los productos están descritos por formulas o símbolos combinados con coeficientes adecuadamente balanceados. 2 Reactantes y Productos En un proceso de combustión de flujo y estado estable (FEES).0 PROCESO DE COMBUSTION (II) 2. Galarza S.2. Gases de Combustión Combustible Comburente Combust ión REACTANTES Prof. TERMODINAMICA PRODUCTOS LIMA. Los componentes que salen de la misma se denomina productos. W. PERU 12 . los componentes que ingresan a la cámara de reacción son denominados reactantes y están formados por el combustible y el comburente. W. TERMODINAMICA LIMA. En este caso el carbono ( C ) se oxida completamente hacia CO2.3 Combustión Ideal Es la reacción que queda definida por una simple ecuación química balanceada. Galarza S. 2. PERU 13 .0 PROCESO DE COMBUSTION (III) 2. SE le denomina también combustión teórica. En caso contrario será incompleta.2.4 Combustión Completa e Incompleta La combustión se dice que es completa si en cuyos productos no se encuentra el monóxido de carbono (CO). Cámara de Combustion Prof. W. PERU 14 . Galarza S. Prof. Es la que contiene el aire estequiométrico.0 PROCESO DE COMBUSTION (IV) 2. Que la mezcla sea estequiométrica no indica necesariamente que sea completa.5 Aire y Mezcla estequiométrica Es aquella que contiene la proporción de aire y combustible mínimo necesario para que la combustión sea completa.2. TERMODINAMICA LIMA. • No hay combustible • Libre de Oxigeno Que la mezcla sea estequiométrica no indica necesariamente que sea completa. Combustible Es la relación entre la masa de aire y la masa de combustible utilizadas en la combustión.7 Relación Combustible -Aire Es la relación entre la masa de combustible y la masa de aire utilizadas en la combustión.2. y Presión mC mA Combustible Cámara de Combustión Aire GN r A / C =17 Prof. TERMODINAMICA LIMA. W. rA/C mA mC C/H Detec. PERU 15 . de llama 2. rC/A Temp.6 Relación Aire .0 PROCESO DE COMBUSTION (V) 2. Galarza S. PERU 16 . W. TERMODINAMICA LIMA. Galarza S.2.0 PROCESO DE COMBUSTION (VI) 2. CO2 2H2O SO2 La masa de productos debe ser igual a la masa de reactivos La cantidad de moles de los productos no es igual a la de los productos El volumen de los reactivos medidos a condiciones normales de presión y temperatura no es igual al volumen de los productos a las mismas condiciones.8 Combustión Ideal con Oxigeno Consideremos la combustión de los principales elementos combustibles: C + O2 2H2 + O2 S + O2 • • • Prof. 2. PERU 17 . Galarza S. Ecuación especifica C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4 H2O(l) aCO2(g) + bH2O(l) Ecuación general CXHY + O2(g) hidrocarburo Prof.0 PROCESO DE COMBUSTION (VII) En general la oxidación se puede presentar en forma especifica o en forma general tal como se indica. TERMODINAMICA LIMA. W. W. se denomina combustión teórica o estequiométrica.0 PROCESO DE COMBUSTION (VIII) 2.76 N2 ) 2.10 Combustión ideal con Aire Si el proceso de combustión es completa y.52 N2 LIMA. Así: Aire = (O2 + 3. La humedad contenida esta comprendida dentro de 21% de oxigeno y 79 por ciento de nitrógeno por kmol de aire. PERU 18 . Galarza S. CH4(g) + 2(O2 + 3. Composición El oxidador mas a menudo utilizado en el proceso de combustión es el aire.76 N2 ) Prof. en los productos no se tiene oxigeno libre.9 Aire Atmosférico. TERMODINAMICA CO2(g) + 2H2O(l) + 7.2. Juega un papel de caloportador. Si se utilizara únicamente la cantidad teórica de aire. Galarza S. TERMODINAMICA LIMA.11 Combustión Ideal con Exceso de Aire Como se vio anteriormente el H2 se oxida hasta formar H2O y que el C lo hace hasta CO2.combustible teórica para la combustión del propano ( C3H8) con aire estequiométrico.Encuentre la relación aire . Por esta razón es necesario utilizar un exceso de aire.0 PROCESO DE COMBUSTION (IX) 2. Prof. W. PERU 19 . Si existiera azufre. el combustible no se quemaría completamente pues algunas moléculas no encontrarían al oxigeno correspondiente.2. el nitrógeno (N 2) se comporta como un gas inerte y no reacciona con los otros elementos. EJEMPLO. A temperaturas ordinarias de combustión. este lo haría hacia SO2. Encuentre la relación aire .0 PROCESO DE COMBUSTION (X) Aire real (aR) Es la cantidad de aire que ingresa al proceso de combustión Exceso de Aire (ex) Porcentaje de aire teórico (aT) ex aR a T * 100 aT aR %a T * 100 aT Mezcla rica Es la que contiene una cantidad de aire menor que la estequiometrica (aire en defecto) Mezcla pobre Es la que contiene aire en exceso EJEMPLO. Galarza S.2. PERU 20 . W. TERMODINAMICA LIMA.combustible para la combustión del propano ( C3H8) con 40 % de exceso de aire Prof. 0 PROCESO DE COMBUSTION (XI) 2. Determine la relación aire – combustible. libera 3. Esto justifica la tendencia a reducir al mínimo la formación del CO. Prof. W. 2. PERU 21 .1 Combustión Completa (con exceso de aire): Importancia Cuando un kmol de Carbono reacciona totalmente a CO2. Se sabe que el 80% del carbono reacciona formando CO2. 4% O2. TERMODINAMICA LIMA. Galarza S.2. EJEMPLO. se quema con 150% de aire teórico. 14% H2. El exceso de aire solo logra que se forme una menor cantidad de CO tanto que en muchos casos puede considerarse despreciable y tiene la desventaja de que se pierde energía en los productos.12 Combustión Real En la practica el proceso de combustión no es completo a pesar de tener un exceso de aire.12.Un combustible cuyo análisis gravimétrico es: 82% C.5 veces mas energía que cuando reacciona totalmente hacia CO. 0 PROCESO DE COMBUSTION (XII) 2. Hállese la ecuación de reacción y la relación aire – combustible. Prof. TERMODINAMICA LIMA. EJEMPLO. PERU 22 .2. W.Se quema Butano (C4H10) con 90% de aire teórico. Galarza S. Puede darse el caso que haya combustible sin quemarse en los productos. situación que se presenta en aquellos casos de mezclas ricas.12.2 Combustión con Deficiencia de Aire En estos procesos el C reacciona formando CO y CO2 en proporciones que dependen de la deficiencia de aire. Galarza S. SE analizan para tener información acerca de: La relación aire – combustible La composición aproximada del combustible Perdidas de energía debidas a la combustión incompleta Exceso o deficiencia de aire 3. Resistencia Magnética. Medidor de CO2 Prof.1 Análisis de los Productos El análisis de los productos de la combustión permite determinar la composición de los gases o humos resultantes. PERU 23 . W.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTION (I) 3. TERMODINAMICA LIMA. Conductividad Térmica.3.2 Métodos de Análisis Para la determinación de la composición de los productos de la combustión se utilizan los siguientes métodos: Análisis Orsat. 3 Analizadores .3.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTION (II) 3. W.3. Galarza S. TERMODINAMICA LIMA. Se pueden presentar los casos siguientes: Dada la formula del combustible y el análisis de los productos Dada la composición del combustible y el análisis de los productos Dado el análisis de los productos y el combustible desconocido Prof. razón por la cual se dice que el análisis es en base seca. Además el aire también tiene una pequeña cantidad de vapor de agua.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTION (III) 3. PERU 25 .3 Cálculos Basados en el Análisis de los Productos En los productos de la combustión esta presente el vapor de agua debido a que los hidrocarburos tienen hidrogeno. La composición de los gases se da en porcentaje volumétrico (%V) y sin considerar el agua. 3. PERU 26 . TERMODINAMICA LIMA.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTION (IV) Prof. Galarza S. W. propano/butano y gas ciudad. Tiene un sistema de protección de exceso de temperatura LIMA.1% CO y 82. Prof. a presión constante de 1 bar. Galarza S. 8.3. W.3.8% CO2. se quema butano (C4H10) y el análisis de los productos secos arroja lo siguiente: 7.9% N2. Determinar el porcentaje de aire teórico utilizado. 1. Tomas diferentes para gas natural.1 Dada la formula del combustible y el análisis de los productos En un proceso de combustión de flujo y estado estable (FEES). TERMODINAMICA Mechero Eléctrico de Laboratorio Incorpora sensor infrarrojo de encendido por proximidad. PERU 27 .0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTION (V) 3.2% O2. 4% C4H10 y 5. Galarza S.8% O2 y 82.3% C2H6.2% C3H8. PERU 28 . W.3.0% CO.8% N2. tipo D. de doble Domo. Opera con Gas natural Prof. 1. 16. 16.0% CO2. 8.2% N2. 7.3. Este gas se quema y en los productos se encuentra: 8. Generador de Vapor Caldera tipo Paquete. Determinar el exceso de aire utilizado.2 Dada la composición del combustible y el análisis de los productos Un gas natural tiene la siguiente composición: 54.3% CH4. con cámara de combustión presurizada. TERMODINAMICA LIMA.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTION (VI) 3. 5% CO y 83.3 Dado el análisis de los productos y el combustible desconocido Para la combustión de un cierto hidrocarburo se utiliza aire. Caldera de Aceite Térmico Son útiles a partir de un determinado volumen de gases entre 450 y 550 °C cuyo calor genera agua caliente hasta 90 °C. Prof. TERMODINAMICA LIMA.5% CO2. Galarza S. W. vapor sobrecalentada hasta 130/140 °C o fluido térmico hasta 220/230 °C.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTION (VII) 3.3.3.7% N2. 0. Determine la composición del combustible y el porcentaje de aire teórico utilizado.3% O2. 5. El análisis de los productos arroja lo siguiente: 10. PERU 29 . 2 Calor de Reacción Es el calor que deben transferir los productos de cualquier reacción química para enfriarse hasta al temperatura inicial de los reactantes.0 ANALISIS ENERGETICO DE LA COMBUSTION (I) 4. Galarza S. Es fija para cada combustible e independiente de las condiciones de los reactantes como de la naturaleza del proceso de combustión. 4.4. W.1 Energía Química Es la energía que posee el combustible y que es liberada durante el proceso de combustión completa. Prof. 20 ºC Y 25 ºC.3 Calor de Reacción Estándar Es el calor de reacción a las condiciones estándar de presión y temperatura. PERU 30 . 4. TERMODINAMICA LIMA. La presión estándar es 1 atm y las temperaturas utilizadas son 18 ºC. Según el tipo de proceso el calor de combustión puede ser: 4.4 Calor de Combustión Cuando se trata de combustibles y la combustión es completa.1 Calor de combustión a presión Constante Se da en proceso continuos o semi continuos Q p HP HR Prof.0 ANALISIS ENERGETICO DE LA COMBUSTION (III) 4. el calor de reacción con frecuencia se denomina calor de combustión. Igualmente habrá un calor de combustión estándar. Galarza S. W.4.4. TERMODINAMICA LIMA. PERU 31 . W.4. TERMODINAMICA LIMA.4.1 Calor de combustión a Volumen Constante Se da en procesos por cargas o discontinuos Q V UP UR Q P U PV P U PV R Q P Q V PV P PV R _ Q P Q V nP nR RT Prof. Galarza S.0 ANALISIS ENERGETICO DE LA COMBUSTION (IV) 4. PERU 32 . 2 Poder Calorífico Inferior (PCI) Es el calor que se obtiene cuando el vapor de agua (H2O) formado durante la combustión NO condensa totalmente.5. la enfriar los productos hasta la temperatura de los reactivos. 4. La diferencia entre estos dos PC es igual al calor latente (h fg) del vapor de agua formado en la combustión a la temperatura inicial de la mezcla aire .5 Poder Calorífico Es la máxima cantidad de calor que puede transferirse de los productos de la combustión completa.4. cuando estos son enfriados hasta la temperatura inicial de la mezcla aire combustible.combustible.5. 4.0 ANALISIS ENERGETICO DE LA COMBUSTION (V) 4. . Se expresa por unidad de masa de combustible.1 Poder Calorífico Superior (PCS) Es el calor que se obtiene cuando el vapor de agua (H2O) formado durante la combustión condensa totalmente. la enfriar los productos hasta la temperatura de los reactivos. 4. Galarza S. Un proceso de combustión no es más que una reacción química: Q = HR − HP Para calcular el poder calorífico de un combustible gaseoso (mezcla de gases) hay que conocer la composición volumétrica del mismo y sus respectivos poderes caloríficos de manera que: n PC= fiPCi i=1 Prof. TERMODINAMICA LIMA. • TEÓRICAMENTE: Aplicando la ley HESS (calores de reacción en una reacción química). W.0 ANALISIS ENERGETICO DE LA COMBUSTION (VI) La determinación del poder calorífico de una sustancia se puede hacer directamente o teóricamente: • DIRECTAMENTE: Por medio del calorímetro y ayudados de una comba calorimétrica. PERU 34 . teniendo en cuanta además que el calor cedido va a ser igual al calor absorbido. Por ello se ha establecido que la entalpía de todos los elementos en estado molecular o estable. TERMODINAMICA h=f(T) h O2 N2 hA hA o F h =0 Vh Vh O TA 25 ºC (298 K) LIMA. W. Galarza S.6 Entalpía Cuando se trata de reacciones químicas es necesario establecer un nivel de referencia a partir de los elementos. es CERO a 25 ºC y 1 atm. La entalpía varia en función de la temperatura. Prof. PERU 35 T .4.0 ANALISIS ENERGETICO DE LA COMBUSTION (VII) 4. a fin de determinar la entalpía de las sustancias que interviene en la reacción. HRP =HP -HR 4. Q P =-HRP Q V =-URP HRP -URP = nP -nR RT LIMA. TERMODINAMICA Los procesos de combustión son exotérmicos por lo que el calor es transferido fuera de los limites del sistema.0 ANALISIS ENERGETICO DE LA COMBUSTION (VIII) 4. Galarza S.2 Energía Interna Es la diferencia entre la energía interna de los productos y reactantes a las mismas condiciones de presión y temperatura al ocurrir la combustión completa. PERU 36 .4.6. W. URP =UP -UR Prof.6.1 Entalpía de combustión Es la diferencia entre la entalpía de los productos y reactantes a las mismas condiciones de presión y temperatura al ocurrir la combustión completa. h o P QP 25 ºC .h -h o P q =-h o CO2 Tx ºC o C o O2 o F =-h 2 CO2 de calor O2 =-h o PR -h -h Intercambiador Combustión 25 ºC o P X 1 C q =.4. o R o P o CO2 q =.0 ANALISIS ENERGETICO DE LA COMBUSTION (IX) C+O 2 CO 2 4.8 Entalpía de Formación La entalpía de formación de un compuesto se determina a partir de sus elementos en una reacción química a las misma condiciones estándar y es la entalpía de reacción correspondiente a dicho proceso. 9 Calculo de las entalpías o h hF Vh h=f(T) h hA 4.0 ANALISIS ENERGETICO DE LA COMBUSTION (X) 4.10 Calculo del Calor (Q) Q=HRP = h +Vh o F P Vh .4. h +Vh o F o F O h R TA Adiabático Aire 2 X 1 Comb. 25 ºC (298 K) intercambiador de calor Combustión 25 ºC Tx ºC QP Productos 25 ºC T . 11 Temperatura de llama Adiabática La llama se define como el medio gaseoso donde se desarrollan las reacciones de combustión. intercambiador Combustión Productos de calor Aire 25 ºC 2 X 1 Tx ºC 25 ºC QP . Q=0 HP =HR TX Adiabático Comb.0 ANALISIS ENERGETICO DE LA COMBUSTION (X) 4. aquí es donde el combustible y el comburente se encuentran mezclados y en reacción. al exceso de aire a las perdidas de calor y a la disociación de productos a altas temperaturas.4. En la practica no se puede alcanzar esta temperatura debido a que la combustión es incompleta. Balancee la ecuación y determine: (a) La relación aire-combustible (b) El exceso de aire (c) El calor desprendido (d) La eficiencia de uso de combustible. y 82.0 ANALISIS ENERGETICO DE LA COMBUSTION (VI) Ejemplo Octano (C8H18 en su forma gaseosa) se quema con aire seco.44 kJ / kg Prof.4.51% O2. El análisis volumétrico de los productos en base seca es 8.978% N2. PERU 40 . 0.662% CO. Galarza S. TERMODINAMICA LIMA. W. PCS 44.86% CO2. 7. 0 Control de la combustión por ajuste de O2 .5. 0 Control de la combustión por ajuste de O2 Prof. PERU 42 . W. TERMODINAMICA LIMA. Galarza S.5.