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• KEREN PAREDES CASTILLO

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OBJETIVOS o o o

Reconocer las reacciones implicadas en la combustión. Determinar la cantidad de combustible empleado en el proceso Determinar el rendimiento de la combustión y los factores que influyen.

FUNDAMENTO TEÓRICO Según el módulo de Transferencia de Masa y Energía, establece algunos conocimientos previos para el “Balance de materia en la reacción de combustión”. La combustión es un proceso químico de oxidación de los componentes del combustible (carbono e hidrógeno) con el oxígeno del aire (O2) Si el combustible tiene azufre, su combustión proporciona óxidos de azufre, generando productos corrosivos si se permite que se condense el agua de los humos y óxidos de azufre que se disuelven en ella. El nitrógeno y componentes no combustibles pasan sin sufrir ninguna modificación, pero una mínima cantidad de nitrógeno se combina con el oxígeno para formar óxidos nitrosos (NOx) Las reacciones químicas comunes en la combustión y su energía liberada son:

Combustible

Reacción

Calor de combustión (kcal/kg)

Carbón a CO

2𝐶 + 𝑂2 → 2𝐶𝑂

2222

Carbón a CO2

𝐶 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2

7833

Monóxido de carbono

2 𝐶𝑂 + 𝑂2 → 2𝐶𝑂2

2414

2𝐻2 + 𝑂2 → 2𝐻2𝑂

33945

Azufre a SO2

𝑆 + 𝑂2 → 𝑆𝑂2

2211

Metano

𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 +2𝐻2𝑂

13264

Acetileno

2𝐶2𝐻2 + 5𝑂2 → 4𝐶𝑂2 +2𝐻2𝑂

11945

Etileno

𝐶2𝐻4 + 3𝑂2 → 2𝐶𝑂2 +2𝐻2𝑂

12020

Etano

2𝐶2𝐻6 + 7𝑂2 → 4𝐶𝑂2 +6𝐻2𝑂

12403

Sulfuro de hidrógeno

2𝐻2𝑆+ 3𝑂2 → 2𝑆𝑂2 +2𝐻2𝑂

3944

Hidrógeno

Requisitos para una buena combustión: - Aire de combustión suficiente pero no excesivo.

Combustible

Gas Natural Fuel – oil Carbón pulverizado

Porcentaje de aire estequiométrico Mínimo Máximo 64% 30% 8%

247% 173% 425%

Temperatura de ignición 538°C 407°C 455°C

-

Corto periodo de tiempo. Alta Temperatura. Llama muy turbulenta.

El combustible y el aire tienen que estar perfectamente mezclados para que la combustión sea completa, de este modo se tendrá temperatura de llama alta, y corto y tiempo de combustión. De lo contrario no puede ocurrir combustión completa. -

Con exceso de aire (exceso de oxígeno) los gases en exceso (N2 y O2) hacen que disminuya la temperatura de salida, y en consecuencia el rendimiento baja. Con defecto de aire (defecto de oxígeno), queda combustible sin quemar y se desperdicia, obteniéndose inquemados en los gases de combustión. 𝐶𝐻 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2 +𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂+𝐶𝐻 + 𝐻2

A altas temperaturas (mayor a 1650°C) las moléculas de oxígeno y nitrógeno se disocian y se forman átomos libres que reaccionan entre si: [𝑁]+ [𝑂] ⇔ 𝑁𝑂𝑥 NOx representa una mezcla de NO, NO2, N2O4, N2O5

El aire utilizado para la combustión es básicamente una mezcla de oxígeno y nitrógeno, y las razones en peso son: 0,2315 para el oxígeno 0, 7685 para el nitrógeno La cantidad teórica de aire requerido para la combustión de una unidad en peso de combustible se puede calcular con la siguiente fórmula:

0 11,3 C + 34,34 (𝐻 − ) + 4,29 S 8 Pérdidas de Calor Las pérdidas de calor en los gases dependen de: -

Temperatura de los gases de combustión Temperatura del aire de combustión Cantidad de exceso de aire Composición del combustible

Rendimiento de la combustión El rendimiento de una caldera es la razón entre el calor transferido al fluido de trabajo o proceso deseado y el contenido energético del combustible. El rendimiento puede variar con: -

El diseño individual de la caldera La carga de la caldera El exceso de aire La temperatura del gas de combustión Mantenimiento de la caldera.

El rendimiento total de la caldera está compuesto por el rendimiento de combustión y el rendimiento del horno.

Omitiendo factores de menor importancia, el rendimiento se puede calcular: 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 100 {1 − [10−3 (0,22 +

K.y 1−

y 0,21

) . (𝑇ℎ− 𝑇𝑎 )] −

∆Hc Hc

Donde: 𝑦 : Fracción molar de oxígeno en el gas de combustión 𝐾 : Coeficiente asignado a cada combustible ∆Hc : Hc

Función del combustible

𝑇ℎ− : Temperatura en la chimenea 𝑇𝑎 : Temperatura ambiente (del aire de combustión)

MATERIALES Y EQUIPOS   

Equipo de medición de gases Orsat Caldero Gas combustible

PROCEDIMIENTO DE DATOS Datos: Experimento 1: Estable

Aire en exceso = 14.7 % Eficiencia de combustión= 86.6 % Oxigeno =2.9 % PPM = 116 CO2

Calculos

Balance “N2”:

0.79

mol N2 x nA = 82.19mol N2 mol A

nA = 104.04 mol A

}

Balance “C”:

nC (mol C) = (0.01 molCO ×

1molC 1molC ) + (9.2 molCO2 × ) 1molCO 1molCO2

nC = 9.21 molC Balance “O”: 2molO

1molO

1molO

21.85 molO2 × 1molO = (nW (molH2 O) × 1molH O) + (0.01molCO × 1molCO) + 2

2

2molO

2molO

(9.2 molCO2 × 1molCO ) + (8.6 molO2 × 1molO ) 2

2

nW = 8.09 molH2 O

Balance “H”:

nH (molH) = 8.09 molH2 O ×

2molH 1molH2 O

nH = 16.18 molH molH 16.18 molH = = 1.76 ≅ 2 molC 9.21 molC Cx Hy = CH2

Metileno

W (H2O) = 8.09 mol H2O

Gases = 100

CALDERA A (mol de aire) = 104.04 mol A

CO= 116ppm= 0.0116%

0.21 = O2/ aire mol= 21.8484

CO2= (8-0.0116) = 7.98%

0.79= N2/aire mol= 82.1916

O2= 2.9 % N2= (100-0.0116-7.98-2.9) = 89.1%

Cuestionario: 1. Calcular el análisis Orsat de la mezcla gaseosa resultante de la combustión completa, con 100% en exceso de aire de: a) Etano (C2H6)

2 g-at C x

1𝑔−𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 1𝑔−𝑎𝑡 𝐶

3 g-mol H2 x

1𝑔−𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 𝑔−𝑚𝑜𝑙 𝐻2

= 2 g-mol CO2 = 3 g-mol H2O

O2 teórico (T) = 2 g-mol + 1.5 g-mol = 3.5 g-mol O2 suministrado (S) = 3.5 x 2 = 7 g-mol N2 suministrado = 7 x

79 21

= 26.33 g-mol N2

O2 teórico = O2 reacciona (combustión completa) O2 sale = 7 - 3.5 = 3.5 g-mol

Análisis Orsat: CO2 O2 N2

2 3.5

= =

26.33 31.83

=

6.28 % 10.99 % 82.72 %

Naftaleno (C10H8). 10 g-at C x

1𝑔−𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 1𝑔−𝑎𝑡 𝐶

4 g-mol H2 x

= 10 g-mol CO2

1𝑔−𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 𝐻2 𝑂 1𝑔−𝑚𝑜𝑙 𝐻2

= 4 g- mol

O2 (T) = 10 + 2 = 12 g-mol O2 (S) = 12 x 2 = 24 g-mol N2 (S) = 24 (79/21) = 90.28 g-mol O2 (R) = 10 + 2 = 12 g-mol O2 (sale) = 24 - 12 = 12 g-mol

Análisis Orsat: CO2 O2 N2

10 12 90.28 112.28

= =

8.90 % 10.68 %

=

80.40 %

2. Un gas pobre tiene la siguiente composición en volumen: CO 23,0 % CO2 4,4 % O2 2,6 % N2 70,0 % a) Calcular los pies3 de gas a 70 °F y 750 mm Hg por lb de carbono presente

en el gas. V=

𝑛𝑅𝑇 𝑝𝑖𝑒𝑠 3 𝑃

=

100𝑥530 750

x

760 492

= 39188.4

C en el gas = 27.4 lb-at x 12 at-1 = 328.8 lb C 39188.4𝑝𝑖𝑒𝑠 3 328.8 𝑙𝑏 𝐶

= 119.18

𝑝𝑖𝑒𝑠 3 𝑙𝑏 𝐶

b) Calcular el volumen de aire en las condiciones de la parte (a), necesario

para la combustión de 100 pies3 del gas a las mismas condiciones, si se desea que el oxígeno total presente antes de la combustión sea de 20% en exceso del teórico. Gas Pobre CO CO2 O2 N2

23.0% 4.4% 2.6% 70.0%

CO2 O2 N2

Reacción: CO + 0.5 O2 = CO2 O2 (T) = 11.5 lb-mol O2 (S) = 11.5 x 1.2 = 13.8 lb-mol O2 (aire) = 13.8 - 2.6 = 11.2 lb mol Aire (S) = 11.2 x (100/21) = 53.33 lb-mol 53.33𝑥530 750

V= =

20899.1 39188.4

x

760𝑥359 492

=20899.1𝑝𝑖𝑒𝑠 3

x 100 = 53.3𝑝𝑖𝑒𝑠 3 aire

c) Calcular la composición en volumen de los gases que salen del quemador

de la parte (b), suponiendo combustión completa. Gases a la salida: CO2 = 4.4 + 23 = 27.40 lb-mol 19.31% O2 = 53.33 x 0.79 + 70 = 112.13 lb-mol 79.05% N2 = 13.8 - 11.5 = 2.30 lb-mol 1.62% 141.83 lb-mol

d) Calcular el volumen de los gases que salen de la combustión en las

partes(b) y (c) a 600 oF y 750 mm Hg por cada 100 pies3 de gas quemado.

V

= V =

141.83𝑥1060 750𝑝𝑖𝑒𝑠3 111161.8 39188.4

x

760𝑥359 492

= 111161.8

x 100 = 283.65𝑝𝑖𝑒𝑠 3 de gases

3. Un gas natural contiene CH4 83% molar y C2H6 17%. El gas se quema con

un exceso de aire seco y se producen unos gases con el siguiente análisis Orsat: CO CO2

2,77 % 6,76 %

O2

5,63 %

N2

84,84 %

a) El porcentaje en exceso de aire suministrado. O2 (S) = 84.84 x (21/79) = 22.55 lb-mol O2 en gases secos = 6.76 + (2.77/2) + 5.63 = 13.775 O2 que forma agua = 22.55 - 13.775 = 8.775 lb-mol Agua formada = 8.775 x 2 = 17.55 lb-mol 𝐶(𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙) = 6.76 + 2.77 = 9.53 lb-at O2 (T) = 9.53 + 8.775 = 18.305 lb-mol 22.55−18.305 18.305 %

Exceso de aire=

x100=23.2

b) El porcentaje del carbono que pasa a CO. Porcentaje =

2.77 9.53

x 100 = 29 %

c) La masa de vapor de agua por cada 1 000 pies 3 de gases de combustión

medidos a 800 °F y 1 atm. Masa de vapor de agua = 17.55 x 18 = 315.9 lb V gases = =

117.55𝑥1260 1 315.9 108074

x

1𝑥359 492

= 108 074𝑝𝑖𝑒𝑠 3

x 1 000 = 2.92 lb agua

RESULTADOS Tabla N° 1: Resultados de balance del experimento 1.

Experimentos 1 Fuente: Propia.

Nitrógeno 82.1916molN2

Dióxido de Carbono (CO2)

Dióxido de Azufre

7.98%

---

Agua

Oxígeno

8.09 mol H2O

2.9%

(SO2)

ANÁLISIS DE RESULTADO En el experimento 3 (con más aire), tenemos aire en exceso 37.5%, oxigeno 6.1% y 95ppm esto nos quiere decir que al aumentar el aire en las calderas los ppm van a disminuir ya que el monóxido de carbono es un contaminante se va limpiando con el aire que va entrando a la caldera; por otro lado, en el experimento 2 (con poco aire), tenemos aire en exceso -3.5%, oxigeno 0.0 y 16000ppm esto nos quiere decir que si el aire disminuye, aumentara el monóxido de carbono en la caldera.

CONCLUSIONES o o o

Se reconoció las reacciones implicadas en la combustión las cuales fueron C+ O2= CO2 y 2H + 1/2O2 =H2O. Se determino la cantidad de combustible empleado en el proceso mediante el balance siendo 25.39mol de metileno CH2. Se determino el rendimiento de la combustión y los factores que influyen los cuales son el oxígeno, combustible y el calor.

RECOMENDACIONES 

Se recomienda seguir las indicaciones dadas por el docente para no cometer errores.



Se sugiere mantener el área de trabajo ordenada, sin libros, abrigos, bolsas, exceso de productos químicos y cosas innecesarias o inútiles.

BIBLIOGRAFIA 

Tecsup, [2017: 05 de octubre]. Módulo de Transferencia de Masa y Energía, Recuperado de https://drive.google.com/drive/folders/0B1MqVML99Cz8ZjY4RFlGUVJDMlE