Unidad I Definición de reacción de combustión Clasificación de combustibles

Transcripción

1 2 Undad I.. Defncón de reaccón de combustón La reaccón de combustón se basa en la reaccón químca exotérmca de una sustanca (o una mezcla de ellas) denomnada combustble, con el oxígeno. Como consecuenca de la reaccón de combustón se tene la formacón de una llama. Dcha llama es una masa gaseosa ncandescente que emte luz y calor.. 2. Clasfcacón de combustbles Los combustbles se clasfcan tenendo en cuenta su estado de agregacón en sóldos, líqudos y gaseosos. Un ejemplo de combustble sóldo es el carbón o la madera. Un ejemplo de combustble líqudo es el gasóleo, y de combustbles gaseosos, el propano y el gas natural. Los combustbles fósles son aquellos que provenen de restos orgáncos vegetales y anmales y se extraen de la naturaleza. Un ejemplo es el petróleo, que s ben es un combustble, no se utlza drectamente como tal, sno como excelente matera prma de muchos combustbles, como el kerosene o las naftas.. 3. Conceptos báscos La combustón puede llevarse a cabo drectamente con el oxígeno o con una mezcla de sustancas que contengan oxígeno. Esta mezcla de sustancas que contene oxígeno se denomna comburente. El are es el comburente más usual. S se supone (caso más común) que la combustón se realza con are, la reaccón químca que se debe plantear es la del proceso por el cual el combustble reaccona con el are para formar los productos correspondentes, es decr, Combustble + Are = Productos Una forma general de plantear una reaccón químca es la sguente: a A + b B = c C + d D

2 3 donde las letras escrtas en mayúsculas ndcan las sustancas químcas y las mnúsculas ndcan la cantdad de moles de dchas sustancas. Se denomnan genércamente reactantes a las sustancas escrtas antes del sgno gual (A y B) y productos a las escrtas detrás (C y D). Como se ndcó anterormente, la combustón es una reaccón de oxdacón exotérmca. Esto sgnfca que durante la reaccón se lbera calor. La varacón de entalpía que acompaña a la combustón completa de un mol de un compuesto se denomna calor de combustón. Este calor de combustón puede determnarse tanto en forma expermental como por medo de cálculos (tenendo en cuenta las entalpías de los reactvos y productos). La reaccón químca entre el combustble y el oxígeno orgna sustancas gaseosas. Los productos más comunes son CO 2 y H 2 O. A los productos de una reaccón de combustón se los denomna, en forma genérca, humos. Es mportante hacer notar que el combustble sólo reaccona con el oxígeno del are. La composcón del are es 20.99% de O 2, 78.03% de N 2, 0.94% de Ar (argón), 0.03% de CO 2 y 0.0% de H 2. Debdo a que n el N 2 n el Ar reacconan durante la combustón, se los suele agrupar consderando que el are está formado por 2% de O 2 y 79% de N 2. Por lo tanto, el N 2 pasará íntegramente a los humos. Se puede dar el caso en que el combustble esté formado por una mezcla de sustancas entre las cuales hay una o más que no reacconan con el O 2, por ejemplo SO 2. En este caso, estas sustancas tambén pasarán en forma completa a los humos. Otro caso en que parte de algún reactvo pasa al producto es cuando hay más are del que se necesta para la combustón; el O 2 que no se utlza en la reaccón formará parte de los humos. Se habla entonces de reaccones con exceso de are. Por últmo, es útl ndcar que los humos pueden contener parte del combustble que no haya reacconado y sustancas con un grado de oxdacón ncompleto, como el CO. Cuando el O 2 que se necesta para la reaccón no es sufcente, se habla de reaccones con defecto de are. En la Tabla I. se ndcan las sustancas más comunes que se pueden encontrar en los humos. El objetvo prncpal de estudar los procesos de combustón es contar con los conocmentos necesaros para ntroducr mejoras y lograr controlar una combustón efcente, económca y lmpa (sn contamnantes).

3 4 Fórmula Nombre Procedenca prncpal Otras procedencas Químca CO 2 Dóxdo Combustón de sustancas Componente no combustble del De carbono que contenen C. combustble. H 2 O Vapor de Combustón de sustancas Combustble húmedo agua que contenen H 2. N 2 Ntrógeno Are. Componente no combustble del combustble. O 2 Oxígeno Combustón realzada con Un gas combustble puede tener O 2 are en exceso. en su composcón. CO Monóxdo Combustón realzada con Un gas combustble puede tener CO de carbono are en defecto. en su composcón. H 2 Hdrógeno Combustón realzada con are en defecto. C Carbono (hollín) Combustón realzada con are en defecto. SO 2 Dóxdo Presenca de S en el Un gas combustble puede tener De Azufre combustble. SO 2 en su composcón. Tabla I. Sustancas que se pueden encontrar en los humos.. 4. Propedades de los combustbles Las propedades más mportantes que caracterzan a los combustbles son: Composcón. Poder calorífco. Vscosdad. Densdad. Límte de nflamabldad. Punto de nflamabldad o temperatura de gncón. Temperatura de combustón. Contendo de azufre.

4 Composcón La composcón de un combustble es fundamental para poder determnar los parámetros estequométrcos característcos de la reaccón de combustón. Además, establece s el msmo es apto o no para el uso que se requere, en funcón de la presenca de componentes que puedan ser nocvos o contamnantes. La forma habtual de ndcar la composcón de un gas es como porcentaje en volumen de cada uno de sus componentes, en condcones normales de temperatura y presón. S se expresa este porcentaje relatvo al 00% total, se obtene la fraccón molar, x. Por lo tanto, s el combustble gaseoso tene n componentes deberá cumplrse que n x = = (.) x = La undad es [ ] mol del componente mol de combustble Los componentes más habtuales en un combustble gaseoso son: Hdrocarburos, de fórmula genérca C n H m Dóxdo de carbono: CO 2. Monóxdo de carbono: CO. Hdrógeno: H 2. Oxígeno: O 2. Ntrógeno: N 2. Dóxdo de azufre: SO 2. Sulfuro de hdrógeno: SH 2. Vapor de agua: H 2 O. En las Tablas I.2, I.3. a y b, se muestra la composcón de un gas natural y de dos GLP (gas lcuado de petróleo), respectvamente. Estas composcones no son fjas n constantes, sno que dependen de la muestra analzada y de la partda de combustble.

5 6 N CH 4 (metano) C 2 H 6 (etano) C 3 H 8 (propano) C 4 H 0 (so butano) n C 4 H 0 (normal butano) x Tabla I. 2 Gas natural: fraccones molares. C 2 H C 3 H C 4 H n C 4 H x Tabla I.3.a Propano comercal: fraccones molares. C 2 H C 3 H C 4 H n C 4 H C 5 H 2 (so pentano) n C 5 H 2 (normal pentano) x Tabla I.3.b Butano comercal: fraccones molares. S se trata de un combustble sóldo o líqudo, lo más usual es ndcar la masa de los n componentes referda a un klogramo de combustble. En consecuenca, s el combustble sóldo o líqudo tene n componentes deberá cumplrse que

6 7 La undad es [ ] n = y = (.2) masa del componente y = masa de combustble con cenzas Muchas veces se suele expresar la composcón seca del combustble; es decr, relatva a la masa de combustble sn agua. Llamando y a la fraccón másca de combustble sn agua, se tene que y ' = y (.3) y sendo y a la fraccón másca de agua. En la Tabla I.4 se muestra la composcón dos líqudos combustbles. a Sustancas Fuelóleo Gasóleo C H S O N H 2 O cenzas Tabla I.4 Composcones en kg Poder calorífco. El poder calorífco de un combustble es la cantdad de energía desprendda en la reaccón de combustón, referda a la undad de masa de combustble Vscosdad La vscosdad es una propedad ntensva (no depende de la cantdad de muestra que se tome para su estudo) que tene mportanca para combustbles líqudos. Su determnacón se hace en forma expermental.

7 Densdad La densdad es otra propedad ntensva que se determna expermentalmente. En el caso de combustbles gaseosos se utlzan tanto la densdad absoluta (kg/m 3 ) como la relatva al are (admensonal), defnda como ρ ρr = ρ sendo ρ la densdad absoluta del gas y ρ a la densdad absoluta del are, ambas meddas en las msmas condcones de temperatura y presón. La densdad relatva tene mucha mportanca por el hecho de que determna, por ejemplo, s el gas se acumula en el techo o en el suelo, en caso de una fuga en un local cerrado. La densdad absoluta del are, en condcones normales (0ºC y atm), es de ρ a =.287 kg / m 3 En las Tablas I.5 y I.6 se muestran valores medos orentatvos de las densdades de los prncpales combustbles gaseosos. a Gases combustbles Densdad absoluta (kg/m 3 ) Densdad relatva Gas natural Butano comercal Propano comercal Propano metalúrgco Tabla I.5 Densdad absoluta y relatva de combustbles comercales. S un combustble está formado por n componentes, cuyas densdades relatvas son ρ r, se puede calcular la densdad relatva meda del combustble gaseoso, como: ρ = r n = x ρ r (.4) Otra undad de densdad que se utlza normalmente, son los grados API (G). La relacón que exste entre ρ (SI: kg/m 3 ) y G (ºAPI) es: G = (.5) ρ

8 9 Gases Densdad absoluta (kg/m 3 ) Densdad relatva Are.293 H CH C 2 H C 3 H C 4 H n C 4 H C 5 H CO N CO O NH 3 (Amoníaco) SO SH H 2 O Tabla I.6 Densdad absoluta y relatva de sustancas gaseosas Límte de nflamabldad Esta propedad se utlza en combustbles gaseosos. Establece la proporcón de gas y are necesara para que se produzca la combustón, medante un límte nferor y uno superor. Los gases más nflamables son el H 2 y el C 2 H 2 (acetleno). En la Tabla.7 se muestran los límtes nferores y superores de dstntos gases combustbles. Por ejemplo, una mezcla de NH 3 y are es nflamable s contene un porcentaje de NH 3 comprenddo entre 5.5 y 27% V/V.

9 20 Gases Límtes de nflamabldad Fórmula (nombre) Inferor (% vol/ vol) Superor (% vol/ vol) H CH C 2 H C 3 H C 4 H n C 4 H C 5 H 2 (Pentano) C 6 H 4 (Hexano) C 7 H 6 (Heptano) C 2 H 4 (Etleno) C 3 H 6 (Propleno) 2.0. C 4 H 6 (Butadeno) C 2 H 2 (Acetleno) C 6 H 6 (Benceno) CO NH SH Tabla I.7 Límtes de nflamabldad de sustancas gaseosas. S se quere determnar los límtes de nflamabldad de una mezcla gaseosa, se puede utlzar la sguente ecuacón: L = n = x L (.6) sendo x la fraccón molar del componente y L el límte de nflamabldad de dcho componente.

10 Punto de nflamacón o temperatura de gncón. Para que se produzca la reaccón de combustón, la mezcla de combustble y comburente debe alcanzar una temperatura mínma necesara, que recbe el nombre de punto de nflamacón o temperatura de gncón. Una vez que se alcanza dcha temperatura, el calor producdo mantendrá la temperatura por encma de la de gncón y la reaccón contnuará hasta que se agote el combustble o el comburente. El punto de nflamacón depende del comburente Temperatura de combustón. Otra temperatura mportante es la temperatura de combustón o temperatura máxma de llama que se alcanza durante el proceso de combustón Contendo de azufre. Es mportante conocer el contendo de S de los combustbles ya que esto determna la cantdad de SO 2 que aparecerá en los humos, como resultado de la combustón. El SO 2 se oxda lentamente a SO 3 (tróxdo de azufre) que es el responsable de las llamadas lluvas ácdas. Una forma de reducr la formacón de SO 3 es controlar el exceso de are, de forma tal que se emplee el mínmo exceso de are posble. Las reaccones de oxdacón del S y SH 2 son las sguentes: - En la combustón S + O 2 = SO 2 (.7) 3 SH2 + O2 = SO2 + H2O (.8) 2 - En la atmósfera SO2 + O2 = SO3 (.9) 2 SO3 + H2O = H2SO4 (.0) sendo el H 2 SO 4, ácdo sulfúrco.

11 Dstntos tpos de combustón Los procesos de combustón se pueden clasfcar en: Combustón completa. Combustón ncompleta. Combustón teórca o estequométrca. Combustón con exceso de are. Combustón con defecto de are Combustón completa. Las sustancas combustbles del combustble se queman hasta el máxmo grado posble de oxdacón. En consecuenca, no habrá sustancas combustbles en los humos. En los productos de la combustón se puede encontrar N 2, CO 2, H 2 O y SO Combustón ncompleta. Sucede lo contraro que en la combustón completa. O sea, como el combustble no se oxda completamente, se forman sustancas que todavía pueden segur oxdándose; por ejemplo, CO. Estas sustancas se denomnan nquemados. La presenca de nquemados ndca que la combustón se está realzando en forma ncompleta. Otros nquemados pueden ser H 2, C n H m, H 2 S y C. Estas sustancas son los contamnantes más comunes que escapan a la atmósfera en los gases de combustón Combustón teórca o estequométrca. Es la combustón que se realza con la cantdad teórca de oxígeno estrctamente necesara para producr la oxdacón total del combustble sn que se produzcan nquemados. En consecuenca, no se encuentra O 2 en los humos, ya que dcho O 2 se consumó totalmente durante la combustón. Esta combustón se denomna teórca porque en la práctca sempre se producen nquemados, aunque sea en muy pequeña proporcón.

12 Combustón con exceso de are. Es la combustón que se lleva a cabo con una cantdad de are superor a la estequométrca. Esta combustón tende a no producr nquemados. Es típca la presenca de O 2 en los humos. S ben la ncorporacón de are permte evtar la combustón ncompleta y la formacón de nquemados, trae aparejada la pérdda de calor en los productos de combustón, reducendo la temperatura de combustón, la efcenca y la longtud de llama Combustón con defecto de are. En esta combustón, el are dsponble es menor que el necesaro para que se produzca la oxdacón total del combustble. Por lo tanto, se producen nquemados.