Tema 10 - MEZCLAS REACTIVAS YCOMBUSTIÓN ÍNDICE 1. EL PROCESO DE COMBUSTIÓN ............................................................................................. 10.1 1.1 1.2 1.3 1.4 2. CARACTERÍSTICAS GENERALES .................................................................................................... 10.1 COMBUSTIBLES ............................................................................................................................. 10.3 COMBURENTE: EL AIRE ................................................................................................................. 10.3 PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN ....................................................................................................... 10.3 ESTEQUIOMETRÍA DE LOS PROCESOS DE COMBUSTIÓN........................................... 10.4 2.1 2.2 2.3 3. REACCIÓN TEÓRICA ...................................................................................................................... 10.4 REACCIÓN REAL ............................................................................................................................ 10.5 PARÁMETROS PARA DESCRIBIR LA ESTEQUIOMETRÍA .................................................................. 10.5 COMBUSTIÓN EN RÉGIMEN ESTACIONARIO .................................................................. 10.6 3.1 PRIMER PRINCIPIO......................................................................................................................... 10.6 3.1.1 Variación de entalpía de una reacción: ley de Hess ......................................................... 10.7 3.1.2 Potencia calorífica ............................................................................................................. 10.8 3.1.3 Temperatura de llama ........................................................................................................ 10.8 3.2 SEGUNDO PRINCIPIO ..................................................................................................................... 10.8 4. COMBUSTIÓN A VOLUMEN CONSTANTE .......................................................................... 10.8 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................................... 10.9 PROBLEMAS RESUELTOS.................................................................................................................. 10.9 PROBLEMAS PROPUESTOS ............................................................................................................. 10.17 La combustión es el proceso térmico de mayor interés práctico por su escala de utilización mundial, siendo a la vez muy fácil de realizar y muy difícil de estudiar. En este capítulo se describen los elementos fundamentales del proceso de combustión (combus- tibles, comburentes y productos de combustión), se estudia el balance de materia de las reacciones químicas de combustión (estequiometría) y el balance de energía y entropía en combustiones en régimen estacionario y a volumen constante. 1. 1.1 EL PROCESO DE COMBUSTIÓN CARACTERÍSTICAS GENERALES Se define como la reacción química exotérmica automantenida por conducción de calor y difusión de especies. Sus aplicaciones se pueden resumir en: la energía liberada y la temperatura alcanzada en el equilibrio. e importantes fuerzas de flotabilidad por dilatación diferencial. propulsión (motores alternativos.ej. iluminación (hasta finales del siglo XIX era el único método de luz artificial).plado. fundición. y a veces basta con forzar localmente la reacción (chispa) para que se autopropague. normalmente formando un frente luminoso (llama). Además. El carácter multidisciplinario del proceso de combustión demanda un amplio soporte de ciencias básicas: la Termodinámica. con el fin de minimizar la contaminación ambiental. la fuerte exotermicidad da lugar a altas temperaturas. el por qué se producen radicales luminiscentes e ionizados. turbinas de vapor. control de incendios (barreras cortafuegos. cocción. . El proceso de combustión es el más importante en ingeniería porque todavía hoy. eliminación de residuos (incineración de basura). estufas. calefacción de habitáculos (hogueras.. que trata de predecir el mecanismo detallado de la reacción. materiales ignífugos). además. los enormes gradientes espaciales y los cortos tiempos de residencia en ellos provocan estados de no equilibrio local (quimiluminiscencia. la mayor parte de la producción mundial de energía se hace por combustión de petróleo. el proceso de combustión es difícil de analizar por los siguientes motivos: es un proceso multidisciplinario (termoquímico-fluidodinámico) fuertemente aco. etc. producción de electricidad (centrales térmicas). sino que también es preciso estudiar los procesos de combustión incontrolada (fuegos) para tratar de prevenirlos y luchar contra ellos. Sin embargo. procesamiento de materiales (reducción de óxidos. turbinas de gas). calderas). producción de frío (frigoríficos de absorción). De hecho. La combustión (quemar algo) es un proceso tan fácil de realizar porque genera mucha entropía y por tanto su viabilidad (tendencia a reaccionar) es muy alta. mucha energía ordenada en los enlaces químicos pasa bruscamente a energía térmica (desordenada) de las partículas producidas. el mundo que nos rodea está integrado por mezclas reactivas (p. enormes gradientes (llama). 90 % en 1985. la Cinética química. carbón y gas natural (combustibles fósiles). aunque tiende a disminuir (96 % en 1975. ionización). 80% en 1995). no sólo es importante estudiar la combustión controlada de los recursos primarios usados en la producción de trabajo y calor. el mobiliario o la vestimenta y el oxígeno del aire ambiente) en equilibrio metaestable. la velocidad de reacción. que enseña si el proceso es viable y predice la composición final. los procesos de transporte de especies y calor (fenómenos de no equilibrio) son dominantes. secado). cada vez es más importante analizar la combustión controlada de materiales de desecho (incineración). 967 29 . N. la Transmisión de calor y de masa. C2). 1. C1.2 1. Además. y la Mecánica de fluidos.03 0 Otros 0.3 COMBURENTE: EL AIRE El comburente más habitual es el oxígeno del aire. La reacción de combustión se resume de la siguiente manera: Combustible + Comburente = Productos de combustión La mayoría de reacciones de combustión tienen lugar entre combustibles fósiles y oxígeno del aire. S. La composición del aire estándar se da en la Tabla 10. En todos los casos. derivados del petróleo (gasolina. aunque en aplicaciones especiales puede ser necesario emplear aire enriquecido o incluso oxígeno puro (más caro). que. etc. A continuación se describen las características de cada uno de estos tres elementos. que enseña cómo se difunden la energía térmica y las especies. 0 28.45 76.05 0 desprec.1 – Composición estándar del aire. 1. con los datos de las anteriores. enseña a establecer los balances de flujos apropiados para permitir. fuelóleo.30 0 0.03 79 Oxígeno 20.99 21 Argón 0.8 23. pueden tener cantidades variables de O.1: Tabla 10.20 23. al menos teóricamente. abordar la solución del problema. los componentes mayoritarios son C y H. gases licuados del petróleo (GLP) (C3-C5)) y gas natural (H2.2 COMBUSTIBLES Los combustibles más empleados son los combustibles fósiles: carbón.94 0 CO2 0.4 PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN Los productos mayoritarios de combustión son: C CO2 H H2O Para procesos de combustión incompleta: % en peso Real Uso 75. Aire % en volumen Real Uso Nitrógeno 78.01 0 Peso molecular (kg/kmol) 1. [H2] + i.[O2 ] + 3.[SO2] + k. etc. . M(O2 ) = 32 kg/kmol. H a H2O.[N2 ] + c.[impurezas] = e.[NO] + l. pasando todo el C a CO2 y H a H2 O. N a N2. independiente del proceso de combustión posterior. N2O4. lluvia ácida) 2. NO2.1 REACCIÓN TEÓRICA La reacción teórica es la reacción de combustión total. N2 O5.[CuHvOwNxS y] + b.). M(H2O) = 18 kg/kmol. C CO H H2 (sólo si hay muy poco O2) Otros elementos: N N2 (a T: NO. 2. Siempre se plantea en moles: H2 + 1/2 O2 H2O 1 kmol H2 + 0.PCI 2.[NO2 ] + m. ESTEQUIOMETRÍA DE LOS PROCESOS DE COMBUSTIÓN El balance de materia de las reacciones químicas se denomina estequiometría.3 PARÁMETROS PARA DESCRIBIR LA ESTEQUIOMETRÍA Relación aire-combustible (másica o molar): AF m aire m combustible [kg aire/kg combustible] ó [mol aire/mol combustible] [10. Es una característica del combustible. a. … = NOx) S SO2 (SO3 H2SO4.2 REACCIÓN REAL La reacción real es una característica del proceso de combustión. que recoge en una ecuación el balance de materia.[CO] + j.[humedad] + d.5 kmol O2 1 kmol H2 O Con los pesos moleculares: M(H2 ) = 2 kg/kmol. 2 kg H2 + 16 kg O2 18 kg H2O 2.[CO2] + f.1] Relación teórica aire-combustible (AFteo): el aire que necesitaría un combustible para la reacción teórica (el C pasa a CO2.[H2 O] + g.[O2 ] + h.76b.[cenizas] + a. .Relación aire real/aire teórico: = aire real / aire teórico = AF / AFt [10. o pérdidas en la cámara de combustión) o nulo (cámaras de combustión adiabáticas).2] Aire en exceso: X = (aire real / aire teórico) – 1 = – 1 [10. excepto en cohetes y motores de propulsión a chorro. E C : suele ser nulo o despreciable.5] Q : suele ser negativo (calor entregado. Se calcula en función de la variación de entalpía de la reacción real a 25 °C (ley de Hess). E P : suele ser nulo o despreciable. W a : suele ser nulo. real / comb.4] < 1: mezcla pobre > 1: mezcla rica 3.3] Dosado relativo: = comb. 3.1 COMBUSTIÓN EN RÉGIMEN ESTACIONARIO PRIMER PRINCIPIO Q W a H E C E P [10. teórico = AFt / AF = 1/ [10. excepto en los motores de combustión interna (ciclos Otto y Diesel). en los que se produce trabajo simultáneamente al proceso de combustión. H : es el término cuyo cálculo supone una mayor dificultad. Tabla 8. Normalmente el efecto de la presión es despreciable. P0 Productos (salidas) a TS. ej.gramas. HS h j [10.8] El término H° es la variación de entalpía estándar: indica la variación de entalpía de la reacción hipotética en la que tanto entradas como salidas están a 25 °C y 1 bar.3. . en las salidas. PS HS H° Productos (salidas) a T0.7] j Salidas Si el componente j tiene una transformación de fase (p. Por ejemplo. y se considera solamente el efecto de la temperatura. El cálculo de H se puede hacer pasando por un camino imaginario en el que la reacción ocurre a una temperatura estándar (25 °C) H H H S H [10. Vaporización) a la temperatura Tt: hcj Tt T0 p1dT ht c p 2 dT TS Tt [10. PE H HE –HE Reactivos (entradas) a T0.1 – Ley de Hess: metodología de cálculo de la entalpía de reacción. su variación (entre reactivos y productos) es independiente del camino. Datos de f H° para algunos compuestos típicos de combustión se encuentran en el Cuaderno de Tablas y Dia. P0 Figura 10. Como la entalpía es función de estado. de los que se conoce su entalpía de formación.1. Se calcula de dos maneras: a) En función de las entalpías absolutas de los reactivos y productos (entalpías de formación): H r n j (f H ) j ni (f H ) i Prod Reac [10.9] Este método solamente es válido para reacciones entre compuestos moleculares.6] E Los términos HE y HS indican la entalpía de las entradas y de las salidas sobre 25 °C: calentamiento desde 25 °C hasta TE ó TS.1 Variación de entalpía de una reacción: ley de Hess Reactivos (entradas) a TE. 1. En este caso. COMBUSTIÓN A VOLUMEN CONSTANTE (Pendiente de desarrollo) . para pasar de la reacción teórica a la real.2 En función del valor experimental del calor de reacción teórica de combustión a 25 °C y 1 bar (potencia calorífica superior o inferior). En la combustión con oxígeno puro se obtienen temperaturas de llama aún mayores que con aire. cambiado el signo: PCS = – H° En la potencia calorífica inferior (PCI) el agua en los productos está en estado de vapor a 25 °C. etc.b) 3.3 [10. ej. Normalmente la potencia calorífica se da con signo positivo. Todo el calor generado en la reacción se invierte en calentar los productos de combustión. y disminuye para mezclas con aire en exceso (AF > AFt) o en defecto (AF < AFt). multiplicado por la cantidad de agua involucrada en la reacción de combustión: PCS = PCI + mH2O hfg25 °C 3. Cl2 (g) ó ClO2. Es igual a la variación de entalpía de la reacción teórica de combustión. independiente de la reacción de combustión del proceso estudiado. estando reactivos y productos a 25 °C y 1 bar.). Potencia calorífica La potencia calorífica superior (PCS) es el calor desprendido en la reacción estándar de combustión completa con O2. SO2 (g) ó H2 SO4 (líq).1. y pasando todo el C a CO2 (g). todo el H a H2 O (líquido). todo el N a N2 (g) y el resto (S.) especificando su estado final (p.10] Temperatura de llama Es la temperatura de los productos de combustión para una reacción adiabática donde los reactivos entran a 25 °C. etc. La diferencia entre ambas magnitudes es el calor de vaporización del agua a 25 °C. Cl.2 SEGUNDO PRINCIPIO (Pendiente de desarrollo) 4. Normalmente la temperatura de llama es máxima para la reacción aire/combustible teórica. es necesario un término de corrección. 3. Es una propiedad de cada combustible. (c) El porcentaje de exceso de aire empleado. 10.26 kmol aire/kmol combustible. Thermodynamics. Madrid.84)(4. S EGURA. S HAVIT & C. el aire se introduce con un 10 % de defecto respecto al requerido teóricamente para la combustión. S HAPIRO. Determinar (a) la reacción teórica. PROBLEMAS PROPUESTOS 10. Una muestra de residuos sólidos urbanos de análisis elemental 80.1. Termodinámica Técnica. En los gases de chimenea no hay restos de combustible.987 kg aire/kg RSU.). (c) CO y H2.N. 86. Calcular la relación aire-combustible en base molar. Prentice Hall.76 N2) = 6.0393 N2) + 7.05625 S + 0. calcular: (a) La composición centesimal del combustible. 1991. N2=83. 10. Suponiendo que el combustible no contiene más que C y H. (b) CO y H2O. McGraw-Hill. 1.3. La composición de un propano industrial es la siguiente: 1 % CH4. 22 % n-C4H10 y 2 % CO2.725 CO2 + 0. J. 1. 1980. 0. (b) 568. AC. GUTFINGER.5. y en ellos la propor- .725 C + 2. pp. 4. (b) Los moles de aire empleados por kg de combustible.2 % de cenizas se quema completamente con el 120 % del aire estequiométrico.52 N2 (b) AF = (1.5 % de N2. Reverté.2 %. 622–632.J.3 mol/kg.2.5 % C. (b) el cociente aire-combustible en base másica.3 % de O. Termodinámica (5ª ed.5 % de O2. London.4.5 % de H2 y 82.45 H2O + 29. pp. Solución: (a) 13. 771–807. Los gases de una caldera que quema fuel. Debido a una obstrucción en una tubería.7 % de C. 599–608. 3. En un motor entra dodecano (C12H26) que se quema con aire para dar unos gases de combustión de análisis molar en base seca del 12.76)(29)/100 = 12. presentan la siguiente composición sobre base seca: CO2=12. Solución: (a) (6. Calcular la relación molar aire/combustible teórica para la combustión de metano (CH4) dando los siguientes productos de combustión: (a) CO2 y H2O.9 % de H. 1995.1 %. MORAN y H.5 %. WARK. Solución: AF = 80.5 % H. 5.05625 SO2 + 2. (c) X = 12. 1.1 % de CO2. Mexico. O2=3. pp. pp.1656 O2 + 0.2 %. CO=1.8 % de S.BIBLIOGRAFÍA M. From concepts to applications. 401–414. 1993.4 % de CO. 75 % C3H8. 10.1 % de N y 6. A.2)(7. Barcelona. M. Fundamentos de Termodinámica Técnica. 514–554.69 %.84 (O2 + 3. 10. K.45 H2 + 0. Solución: 10. Determinar la composición de los gases de chimenea (base seca). con 200 % de exceso de aire a 1. 84. 10.ción CO2 :CO es de 2:1.032 % O2. Suponer que todos los gases son ideales. Fórmula M k hf°(25°C) (J/mol) .76 % N2. 5.0 bar y 220 °C.14 % CO2. 0. Determinar la temperatura adiabática de llama en la combustión completa de propano (C3H8) a 2.5 bar y 25 °C.6.07 % CO. oxígeno y SO2 como gases ideales. Determinar la relación estequiométrica aire / combustible (en peso: kg de aire por kg de combustible). (Examen 14/9/96) Un fuelóleo de calefacción tiene de composición aproximada en peso 85.80 CO.7 % carbono. Durante las pruebas de un pequeño motor de gasolina y aire se obtiene una potencia de 10 kW a 5000 rpm.29 -241830 C3H8 44 1. octano. k = 1. (c) Determinar el calor que interacciona el motor.71 % O2.ca.424 1000 1000 10.9 % azufre.7.29 -393522 H2O(g) 18 1. Los gases de escape abandonan el motor a 400 °C. el motor adiabático de un cohete se alimenta de una mezcla estequiométrica de H2 y O2 a 25 °C a la presión apropiada. k = 1.8 5 2.4.8.53 kg/kg. k = 1. 10.5R.18 Tema 10 .84 O2. sobre base exenta de agua) en % en volumen es: 11.9. 10.40 0 CO2 44 1.Mezclas Reactivas y Combustión O2 32 1. (b) Determinar el volumen de los cilindros. Tratar el nitrógeno.58 % CO2 + 0. 2. 1600 °C.25). (a) Determinar la velocidad de los gases a la salida del motor. 13. y el comburente es aire seco a la temperatura ambiente de 25 °C. (d) Determinar el rendimiento del motor.63 0. 10. .4. 1.050 % SO2 + 83. H2: M = 4. En la sección de salida del motor hay agua pura a 3.10.25 -103850 Solución: 1142 °C. y la composición molar sobre base exenta de agua (base seca) de los gases de salida. (es decir.5 kg/h. H2O: M = 18. El combustible. En una prueba estática.4 % hidrógeno. (b) 12.10. Suponer que todos los gases son ideales (para O2: M = 32. Solución: (a) AF = 14.0 MPa. se suministra a 25 °C con un caudal de 5. y el del SO2 viene dado (con T en K) por c p R SO 2 2 T T 3. El calor específico de los gases biatómicos es cp = 3. Definir un rendimiento para este caso.23 CO2. 0. y el análisis sobre base se. (a) Determinar el exceso de aire. 84. Determinar la temperatura adiabática efectiva de llama cuando azufre a 25 °C se convierte a SO2 por combustión en un 50 % de exceso de aire a 300 °C.40 0 N2 28 1. si el fuel se quema con un 20 % de exceso de aire.13 N2.67 % N2 + 3. En los gases de combustión. Datos y suposiciones: Composición centesimal (% en peso) del combustible: 82 % C. que entra en la caldera a 27 °C. Calor molar medio isocoro de los gases de combustión: cv = 19. O=16. se produce la combustión. etc. El calor de reacción a 25 °C es 2500 kJ/kg de reactivos o productos. (c) 0.2 kJ/kg K.55 + 6.940 kPa.19 (b) ¿Cuánto se incrementaría la velocidad si los gases se expanden hasta que su temperatura alcanza los 100 °C? (c) ¿Cuál sería la presión de salida en ese caso? Solución: (a) 4426 m/s. Determinar la potencia producida por la turbina en kW.) Suponer comportamiento ideal para el aire y los gases de combustión. La caldera produce 1000 kg/h de vapor a partir de agua líquida. Determinar la presión que alcanzarán los gases de combustión. T en K]. la relación CO/CO2 es de 1/20. . 1 % N. PCS del combustible: 42. y los productos de combustión salen a 450 °C.115·10–3 T [J/mol K. Despreciar el volumen del combustible líquido frente al del aire. El vapor alimenta una turbina adiabática en la que la salida se encuentra a una presión de 3.000 kJ/kg.5 kPa (1000 kg/h) Aire a 25 °C Agua a 27 °C 10. pasando todo el N a N2. Los reactivos entran en la caldera 25 °C. El caudal másico total de reactivos en la caldera es de 1500 kg/h. 15 % H. El calor específico de los productos se puede suponer constante e igual a 1.Problemas propuestos 10. que se mezcla con un 190 % de aire en exceso sobre el teóricamente necesario. La mezcla aire–combustible entra en el cilindro a 25 °C. 2 % O. (b) 5149 m/s. Gases de combustión a 450 °C (1500 kg/h) Combustible a 25 °C Vapor a 3. que se supone instantánea y por tanto a volumen constante y adiabática.11. El combustible de la figura es metano que se quema con la cantidad estequiométrica de aire.12 (Examen Septiembre 99) El motor de un barco trabaja con un combustible líquido. Tras comprimir isotérmicamente dicha mezcla hasta 3 bar.5 kPa. 10. Tomar pesos atómicos redondeados (H=1.