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• Jorge Pineda Carbajal

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Combustión El proceso de combustión Sea una cámara de combustión diseñado para los esfuerzos térmicos en el cual se inyecta O2 o combustible:

combustible

productos de la

oxigeno

combustión

cámara de combustión Reactantes: Definición: es el proceso de combustión reaccionan los elementos combustibles ( ) con el oxigeno que puede ser puro (O2) o provenientemente del aire atmosférico. El proceso de combustión involucra la oxidación de los elementos constituyentes de un combustible que sea capaces de ser oxidados y por lo tanto pueden ser representados mediante una ecuación química. Durante el proceso de combustión la mas de cada elemento permanece cte, es decir que la masa de los elementos reactantes tiene que ser necesariamente igual a la masa de los productos mR = mp Sea la combustión completa del carbono en el oxígeno puro: C+O2

CO2

Combustión completa Se dice que una combustión es completa cuando todos los elementos constituyentes del combustible son oxidados completamente de manera que unos productos se elementos o compuestos totalmente diferentes al combustible original. Nota: cuando se quema un hidrocarburo CxHy, tanto el carbono como el H2 se oxidan cuando se cumple CO2 y H2O

CxHy+oxig. Puro

CO2+H2O+

a) Combustión completa con O2 puro

1) C + O2

CO2

1mol C + 1mol O2 1kmol C + 1kmol O2 12kg C + 32 kg O2

1mol CO2 1kmol CO2 44kg CO2 (12+ 32)

1

2) H2 +2 O2

H2O 1kgmol H2 + 0.5kg mol O2 2kg H2 + 16kg O2

Caso de los hidrocarburos

1kgmol H2O 18kg H2O

[Cx Hy]

CxHy + aO2

mCO2 + nH2O

Combustión del metano CH4 con oxigeno puro (O2) CH4 + aO2 mCO2 + nH2O C: 1 = m H: 4 = 2n n=2 O: 2a = 2m + n = 2(1) + 2 a=2 Ecuación de reacción CH4 + 2O2 16kg CH4 + 64kgO2

CO2 + 2H2O 44kgCO2 + 36kg de H2O

Ejemplo Efectuar la combustión completa del C4H10 con oxigeno puro: C4H10 + aO2 C: 4 = m H: 10 = 2n O2: 2a = 2m + n

mCO2 + nH2O + R

n=5 13 a = 2 = 6.5

C4H10 + 6.5O2

4CO2 + 5H2O

b) Combustión completa con oxigeno del aire Propiedades del aire -

Masa molecular o peso molecular:

-

Análisis gravimétrico: O2: 23.1 % N2: 76.9 %

-

[kg/100kg de aire] (N2 + Ar)

Análisis molar o volumétrico: O2: 21 % N2: 79 % (N2 atmosférico) 100 %

𝑘𝑔

𝑔𝑟

M = 28.97 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 (𝑚𝑜𝑙)

A partir del análisis molar podemos deducir que atmosférico, significa que por cada kmol de O2 del aire se = 3.76 kmol de N2 21kgmol + 79kmol N2 21 79 kmol O2 + kmol N2 21 21 1kgmol O2 + 3.76 kmol N2 (1mol O2

y 79% de N 2 en el aire 79/21

100kmol de aire 100 21

kmol de aire

4.76kgmol de aire

hacer uso de 3.76 mol N2)

Ejemplo: La combustión completa del CH4 en O2 del aire

CH4 + a(O2 + 3.76N2)

mCO2+ nH2O + resto

C: 1 = m H: 4 = 2n

n=2

O: 2a = 2m + n

a=2

CH4 + 2(O2 + 3.766N2)

CO2 + 2H2O + Resto

CH4 + 2O2 + 7.52N2

CO2 + 2H2O + Resto

Resto = 3.76a N2 = 7.52N2

CH4 + 2(O2 + 3.76N2)

CO2 + 2H2O + 7.52N2

CH4 + 2O2 + 7.52N2

CO2 + 2H2O + 7.52N2

nAt = 2 + 7.52 = 9.52 ncombustible = 1

EJ: Cuantos kmol de aire teórico se requiere para oxidar completamente el C4H10

C4H10 + a(O2 + 3.76N2)

mCO2 + nH2O + Resto

C: 4 = m H: 10 =2n

n=5

Resto 3.76aN2 = 3.76x6.5N2

O: 2a = 2m + n

a = 6.5

La ecuación de reacciones C4H10 + 6.5(O2 + 3.76N2)

4CO2 + 5H2O + 3.76x6.5N2

C4H10 + 6.5 O2 + 1.5x3.76N2

4CO2 + 5H2O + 3.76x6.5N2

nAt = 6.5 + 6.5x3.76 = 30.94 kmol de aire teórico Aire teórico o aire estequeometrico (At) Es la mínima cantidad de aire que suministra suficiente O2 (oxigeno) para la combustión completa de todo el carbono, hidrogeno y cualquier otro elemento que contenga el combustible y sea capaz de oxidarse. Relación aire combustible teórico (𝑟𝑎/𝑐 )𝑡

Molar: (𝑟𝑎∕𝑐 )𝑡𝑛

=

𝑛∆𝑡 𝑛𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

=

𝑘 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

Para el uso del CH4: CH4 + 2O2 + 7.52N2 (𝑟𝑎∕𝑐 )𝑡𝑛 =

CO2 + 2H2O + 7.52N2

𝑛∆𝑡 2 + 7.52 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = = 9.52 𝑛𝑐𝑜𝑛 1 𝑘𝑚𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝐶𝐻4

Para el caso de C4 H10: (𝑟𝑎∕𝑐 )𝑡𝑛 =

𝑛∆𝑡 6.5 + 24.44 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = = 30.94 𝑛𝑐 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐶4 𝐻10

Gravimetrico: (𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑡𝑛 =

𝑚∆𝑡 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡

=

(𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑡𝑚 = (𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑡𝑛 Para el caso CH4

𝑛∆𝑡 𝑀∆𝑡 𝑛𝑐 𝑀𝑐 𝑀∆𝑡 𝑀𝑐

(𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑡𝑚 = 9.52

28.94 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 ⇨ (𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑡𝑚 = 17.29𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 12 + 4

Caso del C4H10 (𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑡𝑚 = 90.94

(𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑡𝑚 = 30.94

(𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑡𝑚 =

𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 28.94 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 58 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏

28.94 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 15.438 58 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡

6.5𝑥32𝑘𝑔 + 24.44(28)𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 15.3848 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡 12𝑥4𝑘𝑔 + 10𝑥1𝑘𝑔

En realidad, debe darse un proceso de aire para la combustión Aire real (Ar) Es la cantidad de aire mayor que el aire teórico suministrado en la combustión de un combustible.

Nota 1) El aire real Ar se expresa en términos de porcentaje de aire teórico, con 150% de At significa que el aire real que se suministra es 1.5 veces el aire teórico. 2) El aire real puede también expresarse en términos de porcentaje de exceso de aire siendo el exceso de aire la cantidad de aire suministrado por encima del aire teórico, con 150% de aire teórico es equivalente a 50% de exceso de aire

Relación de aire – combustible real (𝑟𝑎∕𝑐 )𝑟

Molar (𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑟 =

𝑛∆𝑟

Gravimétrico (𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑟𝑚 = = (𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑟𝑚

𝑀∆ 𝑀𝑐

𝑛𝑐 𝑛∆𝑟 𝑛𝑐

=

𝑛∆𝑟 𝑀∆ 𝑛𝑐 𝑀𝐶

Si e = 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝐴𝑟 − 𝐴𝑡

En general (𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑟 = (1 + 𝑒)(𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑡 1) Se realiza la combustión completa del CH4 con 150% de aire teórico. Determine la relación aire combustible. 𝐴𝑟 = 1.5𝐴𝑡 = 150%𝐴𝑡 CH4 +2(O2 + 3.76N2)

CO2 + 2H2O + 1.5x7.52N2

la ecuación de combustión será: CH4+1.5[2(O2+3.76N2)]

CO2+2H2O+1.5x7.52N2+0.5(2O2) CO2+2H2O+1.5x7.52N2+O2

(𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑟𝑚 =

1.5𝑥2 + 1.5𝑥2𝑥3.46 𝑘𝑚𝑙𝑜 𝑎𝑖𝑟𝑒 = (1 + 0.5)(9.52) 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡

(𝑟𝑎⁄𝑐 )𝑟𝑚 = 1.5𝑥9.52 = 14.28

𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

Calcular la relación 𝑟𝑎⁄𝑐 cuando se quema el C4H10 con 300% de aire teórico expresado en moles, gravimétrico.

C4H10 + 6.5(O2 + 3.76N2) C4H10+(1+2)6.5(O2+3.76N2) C4H10+3(6.5)(O2+3.16N2)

4CO2 +5H2O 4CO2+5H2O+3x5.6x3.76N2+2x6.5O2 4CO2+5H2O+73.32N2+13O2

Combustión incompleta: cuando la cantidad de aire suministrado es menor que el At la combustión es incompleta, por mas exceso de aire que se suministre y en realidad nunca se puede llegar al aire teórico por los factores de irreversibilidad inherentes en toda reacción química. En toda combustión incompleta no todo el carbono se quema para transformarse en CO2, Para el CH4: CH4+a(O2+3.76N2) Donde a