TERMODINAMICA APLICADATipos de combustibles Sólidos, Líquidos y Gaseosos Monrroy Lopez Ivan Mardoqueo Universidad Nacional de Juliaca Monografía Notas del autor Monrroy Lopez Ivan Mardoqueo, Escuela Profesional de Ingeniería en Industrias Alimentarias La correspondencia relacionada con esta monografía debe ser dirigida a Ing. Julio Isaac Álvarez Somoza Universidad Nacional de Juliaca Av. Nueva Zelandia Nº 631 Urbanización la Capilla Juliaca-Perú Contacto [email protected] . si no se especifica otra cosa. En los cuerpos de los animales. que proporcionan energía para el movimiento de los músculos. el crecimiento y los procesos de renovación y regeneración celular. cuando nos referimos a la combustión se sobrentiende que ésta es con oxígeno. como el cloro. el flúor u otros. se utilizan para motores de combustión interna o en calderas. proteínas. el gas natural o los gases licuados de petróleo (GLP). TERMODINAMICA APLICADA I. o bien con aire enriquecido con oxígeno. II. el queroseno o la gasolina (o nafta) y entre los gaseosos. energía térmica. No obstante. como residuo. En este trabajo detallaremos acerca de las propiedades de los combustibles más conocidos como los combustibles sólidos se incluyen el carbón. el combustible principal está constituido por carbohidratos. la madera y la turba natural. representados por el propano y el butano. lípidos. Entre los combustibles comburenciales se encuentran el gasóleo. los combustibles se han vuelto indispensable para producir calor. Un combustible puede arder mediante reacciones de oxidación empleando otros oxidantes. La llama se debe a las altas temperaturas que ocasiona el desprendimiento de calor. o una reacción. INTRODUCCION La forma más habitual de producir calor es mediante una reacción exotérmica de un combustible con oxígeno (reacción de oxidación). el cual produce la incandescencia de los productos de la reacción. gasóleos y hasta los gases. La reacción se produce de forma rápida y con llama en la mayoría de casos. mediante una combustión lenta. que sirve para mantener el cuerpo a la temperatura adecuada para que funcionen los procesos vitales. Las gasolinas. dejando también. El aporte del oxígeno necesario para la combustión se puede llevar a cabo directamente con oxígeno puro. con aire atmosférico que tiene un 21 % en volumen de oxígeno. RESUMEN En la rama de la ciencia según los años que pasaban se necesitaron combustibles para diferentes tipos de trabajo. es una clasificación muy antigua que sigue siendo útil. genéricamente. su entalpía disminuye. este enfriamiento puede llegar a provocar la condensación del vapor de agua presente en los productos de la combustión. en tanto que su origen procede de antiguas formas vegetales o animales. Los combustibles utilizados en la industria generalmente son los llamados fósiles. Esta energía pasa a los gases de la combustión. REVISION BIBLIOGRAFICA Clasificación de los combustibles Hay muchos tipos de combustibles. los humos. El llamado combustible nuclear (uranio. por tanto. Más adelante estudiaremos con más detalle este concepto. que es el propio del combustible y se designa por las siglas PCI.) que se utiliza en los reactores nucleares. A1 utilizar los productos de la combustión. que contienen los productos de la combustión. puesto que las reacciones que producen calor en el reactor son nucleares. no es un combustible en el sentido que lo hemos definido. en realidad lo que se está haciendo es usar su entalpía. los humos se enfrían y. Los combustibles se clasifican en sólidos. es decir. entre ellos el vapor de agua. TERMODINAMICA APLICADA III. baste indicar que. En algunas aplicaciones. Los gaseosos. también llamados humos. todos ellos poseen una propiedad general común: el poder calorífico. etc. Durante estos procesos. lo cual implica una cesión de calor adicional que se suma a la energía inicialmente cedida por el combustible. como agentes para el aprovechamiento del calor. líquidos o sólidos tendrán propiedades específicas que habrá que considerar de forma separada. el poder calorífico es la energía desprendida por una unidad de combustible en su combustión. líquidos y gaseosos. Así se distinguen dos clases de poder calorífico: el poder calorífico inferior. aunque muchos de ellos no tengan aplicabilidad industrial. plutonio. .. Propiedades generales Es evidente que las propiedades de los combustibles dependen de la clase de combustible. Sin embargo. Aquí. que es el del combustible aumentado con el calor latente de condensación del agua de los humos y que se designa por PCS. y el análisis elemental. con el agua molecular y las cenizas aparte. así como su densidad. la de un gasóleo varía entre 4.13.500 API 131.5 cSt. La relación entre la densidad API y la densidad SI es: 141. hidrógeno. que consiste en dar la composición en carbono fijo. se distinguen el análisis inmediato. se puede utilizar la ecuación: kg / m 3 250 9. Propiedades específicas de los combustibles sólidos Sin entrar a fondo en la compleja y rica temática del estudio del carbón. oxígeno y nitrógeno. respectivamente.TERMODINAMICA APLICADA y el poder calorífico superior. humedad y cenizas. . brillo y color: estas propiedades se establecen mediante ensayos regulados por normas específicas. • Transparencia. azufre.5 SI • Viscosidad cinemática: generalmente se determina a 37. Por ejemplo. Por ejemplo. sustancias volátiles. que trata de dar las fracciones másicas en carbono.8 °C.5 y 5. indicaremos someramente que la composición de un carbón es fundamental para establecer sus propiedades. a 15 °C. Propiedades específicas de los combustibles líquidos Las propiedades más características de los combustibles líquidos son: • Densidad: se facilita. La tabla 2 facilita la composición de una semiantracita típica en ambas modalidades. la densidad típica de una gasolina es 749 kg/m3. De forma aproximada. y su contenido en azufre y en materias volátiles. La composición se puede dar según se efectúe el análisis del carbón. La densidad de un combustible líquido se mide frecuentemente en grados API (°API). Así. generalmente.mC / m H siendo mC y mH las fracciones másicas de carbono e hidrógeno. Cuando se trata de una mezcla de gases. se utiliza la ecuación de Le Chatelier-Coward: 1 L i n L . Representa la temperatura mínima que requiere el combustible para arder en presencia de aire atmosférico. la densidad relativa del gas es: i n r ri .xi i 1 • Límites de inflamabilidad: esta propiedad establece las proporciones de gas y aire necesarias para que se produzca la combustión mediante un límite inferior y un límite superior. plomo y residuos: como su nombre indica. • Contenido en azufre. Para más información. importantes por su efecto sobre la contaminación ambiental. puede consultarse [1 y 2]. en los combustibles gaseosos se utiliza la densidad relativa o cociente entre la densidad absoluta y la densidad del aire: r a Si la composición de un gas de n componentes se da mediante fracciones molares xi. La tabla 3 proporciona los límites de inflamabilidad de algunos gases. • Índice de cetano (gasóleo) e índice de octano (gasolinas): hacen referencia a la calidad de la combustión de un gasóleo (correcto adelanto del encendido) y de una gasolina (resistencia a la detonación).TERMODINAMICA APLICADA • Corrosión: el ensayo se lleva a cabo midiendo el tiempo que tarda el combustible en atacar una tira de cobre o plata o también mediante ensayos regulados por normas específicas. Propiedades específicas de los combustibles gaseosos • Densidad relativa: además de la densidad absoluta. esta propiedad simplemente determina el contenido del combustible en estos elementos.x i 1 i i . • Punto de inflamación: se mide en °C. La tabla 4 proporciona puntos de inflamación en aire y oxígeno de algunos gases. para que la combustión se lleve a cabo satisfactoriamente. se produce monóxido de carbono. A1 margen de que la combustión tenga propiedades diferentes. En la figura 1 se muestra de forma cualitativa un diagrama de esta forma. se considera una combustión no completa cuando los gases contienen más de 0. un gas letal. La zona geométrica de éste en la cual no se haya desprendimiento de llama. ésta puede retroceder con el consiguiente peligro de calentamiento de zonas que no están preparadas para la combustión. no se pueden intercambiar en los quemadores. La ecuación anterior se aplica tanto para determinar el límite inferior como el superior. se ha de alcanzar una temperatura mínima denominada «punto de inflamación». Las condiciones satisfactorias de una combustión se muestran en un diagrama que utiliza como ejes el índice de Wobbe(W) y el potencial de combustión(C). Así. Ésta se aleja del quemador y. • Combustión no completa. puede presentar los siguientes problemas: • Retorno de llama. Es evidente . Tal como establece la normativa vigente. retorno de llama y combustión incompleta será la zona de funcionamiento satisfactorio. • Intercambiabilidad de los gases: los gases combustibles. La velocidad de salida del gas es inferior a la velocidad de propagación de la llama. Una combustión insatisfactoria. Es consecuencia de que se aporta menos aire del necesario para una combustión completa. El quemador de un horno.1% de monóxido de carbono.TERMODINAMICA APLICADA siendo Li el límite de inflamabilidad de cada componente de la mezcla. • Punto de inflamación: para que se produzca la reacción de combustión. pues es una combustión reductora. La velocidad de salida del gas es superior a la velocidad de propagación de la llama. se puede producir en un lugar no deseado. por tanto. • Desprendimiento de llama. en general. aun respirado en pequeñas proporciones. así como la velocidad de salida del gas. de una mufla o de cualquier cámara de combustión regula la relación aire/combustible. etc De acuerdo a su uso: Pulverizado: Fluidizado y Banda Transportadora Emulsión .TERMODINAMICA APLICADA que la construcción de un diagrama de este tipo es experimental y corresponde a un grupo determinado de quemadores. Combustibles Solidos La buena combustión depende de la facilidad de acceso del aire a las partículas del combustible se clasifica: Carbón mineral Carbón vegetal: Madera Biomasa: Bagazo Desechos sólidos: cauchos. polietileno. Los vegetales muertos se van acumulando en el fondo de una cuenca.011 kg/kgmol Punto de fusión de carbon mineral es 3. que oscila entre 12 000 y 21 000 kJ/kg. en ausencia de aire. y es muy superior al de la madera. un nivel trófico. Se produce por calentamiento de madera y residuos vegetales. maderas. el carbón vegetal es un material combustible sólido. tiene dos acepciones: .230 kg/m3 Masa Atómica de carbon mineral es 12. una población o un ecosistema.TERMODINAMICA APLICADA Estado Natural Carbón mineral: Se origina por la descomposición de vegetales terrestres. que se acumulan en zonas pantanosas.2 K Solubilidad de carbon mineral es 6 kg/m3 Densidad de carbon mineral es 2.011 kg/kgmol Punto de fusión de carbon vegetal activado es 3.4 kg/m3 Biomasa: Bagazo es la biomasa es la cantidad de materia acumulada en un individuo. utilizada como combustible fósil. Densidad de carbon vegetal activado es 1. y esporas.773 K Densidad de vapor de carbon vegetal activado es 0. según el Diccionario de la lengua española de la Real Academia Española. Roca sedimentaria de color negro.800 kg/m3 Peso molecular o masa molecular de carbon vegetal activado es 12.01 uma Carbón vegetal: Madera. El poder calorífico del carbón vegetal oscila entre 29 000 y 35 000 kJ/kg. muy rica en carbono. frágil y poroso con un alto contenido en carbono (del orden del 98 %). cortezas. de poca profundidad. hojas. lagunares o marinas. hasta temperaturas que oscilan entre kg/m3 400 y 700 °C.611. Peso molecular o Masa molecular de carbon mineral es12.090 – 2. más restringida. Biol. del género Hevea. Desechos sólidos: cauchos. como Hevea brasiliensis. La principal fuente comercial de látex son las euforbiáceas. f. cis-1. pero que también puede ser producido sintéticamente. COMBUSTIBLES SOLIDOS FORMULA PM Bagazo Borra de Café Carbón Antioquia BS Carbón Boyacá BSLC Carbón Cauca .Valle del Cauca BSLC Carbón Córdoba-Norte de Antioquia BS . espontáneo o provocado. etc: El caucho es un polímero elástico. utilizable como fuente de energía. Materia total de los seres que viven en un lugar determinado. Biol.4-polisopreno. La segunda acepción. expresada en peso por unidad de área o de volumen. se refiere a la biomasa «útil» en términos energéticos formales: las plantas transforman la energía radiante del Sol en energía química a través de la fotosíntesis.TERMODINAMICA APLICADA f. y parte de esa energía química queda almacenada en forma de materia orgánica. Otras plantas que contienen látex son el ficus Euphorantonius Cruznavs y el diente de león común. C5H8 que surge como una emulsión lechosa (conocida como látex) en la savia de varias plantas. polímero del isopreno o 2-metilbutadieno.1 La primera acepción se utiliza habitualmente en Ecología. Materia orgánica originada en un proceso biológico. polietileno. la energía química de la biomasa puede recuperarse quemándola directamente o transformándola en combustible. vanadio.TERMODINAMICA APLICADA Carbón Cundinamarca BS Carbón Cundinamarca BSLC Carbón Genérico Carbón Guajira . JetA Residuales: Fuel oil Origen de combustibles sólidos A partir del carbón. Diesel. azufre.Cesar BS Carbón Guajira BSLC Carbón Norte de Santander BS Carbón Santander BS Carbón Santander Sogamoso BS Cascarilla de Arroz Cisco de Café Cuesco de palma Fibra de palma Leña Madera Acacia Madera Eucalipto Madera Genérico Madera Melina Madera Pino Raquis de palma Combustibles líquidos Son mezclas de hidrocarburos derivados del petróleo por medio de procesos de refinación. Gas oil. níquel. además de hidrocarburo. Keroseno. nitrógeno. hierro. En el petróleo se pueden distinguir diferentes compuestos. el petróleo contiene pequeñas cantidades de oxígeno. trazas de otros metales e impurezas tales como agua y sedimentos Origen del petróleo Naturales: Crudo Refinados: Nafta. . N. lámparas. S. también tiene usos en estufas. limpieza con solventes y otras aplicaciones.TERMODINAMICA APLICADA Subproductos industriales Licor negro Crudo y Destilados • Parafínicos Naftenicos • Aromáticos Olefinas Residuales • Análisis Químico C. Paraguay y Uruguay. En Argentina. que se utiliza principalmente como combustible en motores de combustión interna. H. O • Contenido de C: 83 – 88% • Contenido de H: 7 – 12% Gasolina La gasolina es una mezcla de hidrocarburos obtenida del petróleo por destilación fraccionada. la gasolina se . 832 g/cm³). Octano: El octano (o n-octano) es un hidrocarburo alcano lineal de 8 átomos de carbono. es un hidrocarburo líquido de densidad sobre 832 kg/m³ (0.2. y tiene varios isómeros que en ocasiones son llamados de la misma forma. de fórmula C8H18. Es una molécula orgánica.1 MJ/kg)1 que depende de su composición. en la que el heptano tiene el punto de referencia 0.4-Trimetilpentano (isooctano) porque fue seleccionado como punto de referencia 100 para la escala del octanaje. aproximadamente un 10 % menos que el gasóleo. que tiene 850 g/l). Puede verse una lista completa de los isómeros del octano en la página de desambiguación.15 – 473. El isómero de más importancia es el 2. y en Chile. que proporciona 38.93. como «bencina» (del compuesto benceno).15 k Diésel: El gasóleo o diésel. Un litro de gasolina proporciona al arder una energía de 34.172 kg/m3 Punto de flash o Punto de inflamación de Gasolina es 2.15 k Punto de ebullición de Gasolina es 2.879 – 5.5 % más de energía. Tiene una densidad de 680 g/l1 (20 % menos que el gasóleo (diésel).1 compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente como combustible en calefacción y en motores diésel. en términos de masa. la gasolina proporciona un 3.86 MJ/l (43.78 megajulios(MJ).TERMODINAMICA APLICADA conoce como «nafta» (del compuesto nafta). . también denominado gasoil.94.1 Masa molecular: 128 g/mol Densidad de Gasolina es700 – 800 kg/m3 Densidad de vapor de Gasolina es 3.65 MJ por litro. Formula química: C 7.75 H13. Sin embargo. Su poder calorífico inferior es de 35. Otra desventaja es su alta toxicidad. es su sencilla fabricación. generalmente mezclado con la gasolina. la pirolisis no es conveniente a no ser que se trabaje a nivel industrial. Sin embargo. no es tan popular como otros. pero debido a los inconvenientes que presenta. por lo que se debe tener bastante atención y cuidado con su manejo a la hora de obtenerlo o usarlo. El metanol se considera un producto petroquímico de tipo básico. o a través de pirolisis de la materia orgánica. como pueda ser el etanol.TERMODINAMICA APLICADA Metanol: El metanol se suele usar como combustible.Ecopetrol . COMBUSTIBLES LIQUIDOS FORMULA PM Avigas Biodiesel palma Combustóleo Crudo de Castilla Diesel B10 Diesel B2 Diesel Marino Etanol Anhidro Fuel Oil # 4 . pues de otra manera no convendría económicamente. partiendo del cual se consiguen diversos productos secundarios. partiendo del metano. La ventaja más destacada que presenta. TERMODINAMICA APLICADA Gasolina E10 (Comercial) Gasolina Motor Jet A1 Kerosene Mezcla Diesel.Biodiesel Mezcla gasolina. El gas es un combustible de fácil quemado. ya que para su combustión sólo requiere ser mezclado con determinada cantidad de aire a condiciones óptimas de temperatura. propano. Primera familia: gases manufacturados Segunda familia: gas natural Tercera familia: glp.Etanol COMBLUSTIBLES GASEOSO Un combustible gaseoso es más fácil de manejar y su combustión es limpia y sin problemas de operación. butano . plantas de procesado de residuos. Limites de Inflamabilidad: Rango de concentración aire-combustible en el que sucede la combustión. o junto a yacimientos petrolíferos o de carbón (gas asociado a otros hidrocarburos y gases). el biogás se genera por digestión anaeróbica de desechos orgánicos. destacando los siguientes procesos: depuradoras de aguas residuales (estación depuradora de aguas residuales). Es una mezcla de hidrocarburos gaseosos ligeros que se extrae. vertederos. Gas natural: El gas natural constituye una importante fuente de energía fósil liberada por su combustión.TERMODINAMICA APLICADA Composición del gas Poder calorífico: energía liberada en el proceso de combustión. . De similar composición. bien sea de yacimientos independientes (gas no asociado). Temperatura de Ignición: Temperatura mas baja a la que sucede la combustión auto-sometida. se puede decir que los GLP son una mezcla de propano y butano. son fáciles de licuar. por sus siglas en inglés Fluid Catalytic Cracking). aunque a temperatura y presión ambientales son gases. aunque una parte se obtiene durante el refinado de petróleo. cuya proporción puede variar según las zonas geográficas. El propano y butano están presentes en el petróleo crudo y el gas natural. En la práctica. El propano que se comercializa es una mezcla de propano y butano. Propano El propano y el butano son gases licuados del petróleo (GLP) y tienen unas características muy similares. sobre todo como subproducto de la destilación fraccionada catalítica (FCC. de ahí su nombre.TERMODINAMICA APLICADA GLP: El gas licuado del petróleo (GLP) es la mezcla de gases licuados presentes en el gas natural o disueltos en el petróleo. Lleva consigo procesos físicos y químicos por ejemplo el uso de metano. Los componentes del GLP. Este porcentaje de mezcla suele rondar el 80/20% (propano/butano) . propano (9%). parafínico o alifático. también llamado n-butano. inflamable.5 °C. gaseoso que se licúa a presión atmosférica a -0. polvo químico o niebla de agua para enfriar y dispersar vapores. cuya fórmula química es C4H10. compuesto principalmente por butano normal (60%). porque es altamente volátil y puede provocar una explosión.4También puede denominarse con el mismo nombre a un isómero de este gas: el isobutano o metilpropano. . isobutano (30%) y etano (1%). en su elaboración se le añade un odorizante (generalmente un mercaptano) que le confiere olor desagradable.TERMODINAMICA APLICADA Butano El butano. El butano comercial es un gas licuado. formado por cuatro átomos de carbono y por diez de hidrógeno. En caso de extinción de un fuego por gas butano se emplea dióxido de carbono (CO2). Como es un gas incoloro e inodoro. es un hidrocarburo saturado. obtenido por destilación del petróleo. Esto le permite ser detectado en una fuga. 2001 . 2001. CONCLUSION La diversidad de gases es muy importante en la vida diaria se les puede dar usos diferentes en las industrias u en otras partes de las actividades. Mc Graw Hill. MEISLICH. TERMODINAMICA APLICADA COMBUSTIBLES GASEOSOS FORMULA PM Biogás Genérico Coke Gas Genérico Gas Cupiagua Gas de Pozo Cupiagua Gas La Creciente Gas licuado de petróleo genérico Gas Natural Cusiana Gas natural Genérico Gas Natural Guajira Gas Natural Guepaje Gas Natural Neiva . EGE S. 1998. C. Fundación Gómez-Pardo. Madrid. BIBLIOGRAFIA CLEMENTE. LLORENTE. Barcelona. Tomos I y II. V. Química Orgánica: Estructura y Reactividad. Química Orgánica. Reverté. Es muy importante conocer sus propiedades para el uso diario. H. R.. Química de Combustibles y Polímeros. Bogotá. E.Huila Gas Opon Payoa LPG Propano Mezcla comercial Gas Natural (1) Mezcla comercial Gas Natural (2) Mezcla comercial Gas Natural (3) IV. y ALCÁNTARA.