Universidad de la República Tecnología y Servicios Industriales 1 Instituto de Química. Combustión

Transcripción

1 Combustión Definición. Distintos tipos de combustiones. Estequiometría de la combustión. Cálculo de gasto de aire y de humos. Composición de humos. Análisis de humos. Ecuación de Ostwald-Bunte. Balance energético de la combustión. Temperatura de llama.

2 Definimos la combustión como una reacción química de oxidación fuertemente exotérmica. Implica la presencia de un combustible (elemento que se oxida), de un comburente (elemento oxidante) y calor. Para que la reacción comience es necesario un aporte energético inicial y que se mantengan ciertas condiciones para que sea una reacción auto-sostenible.

3 Es decir que necesitamos: - Una chispa o un pequeño arco eléctrico o una llama de poca intensidad, para comenzar el proceso. - Que el combustible y el comburente tengan el contacto más íntimo posible. - Que el recinto donde se lleva a cabo la combustión (hogar) se mantenga a una temperatura apropiada durante todo el proceso. - Que se mantengan dentro del recinto el tiempo suficiente para que reaccionen todas las partículas de combustible.

4

5 Las reacciones de oxidación elementales con liberación importante de calor son las siguientes:

6 Vemos entonces que las sustancias combustibles deben ser ricas en Carbono e Hidrógeno. En cuanto al contenido de Azufre, si bien sería favorable por su gran liberación de calor, es muy inconveniente ya que el SO 2 se combina con el H 2 O, producto de la oxidación de los Hidrógenos del combustible, dando lugar a la formación de H 2 SO 4, que es altamente corrosivo.

7 En cuanto al oxígeno como comburente, en calderas lo más común es utilizar el oxígeno contenido en el aire. A los efectos de la combustión se supone el aire formado solamente por oxígeno y nitrógeno. Composición en peso: 23% O 2 77% N 2 Composición en volumen: 21% O 2 79% N 2 Relación moles N 2 /moleso 2 = 79/21 = 3.76

8 Los distintos tipos de combustiones que se dan son: a)combustión ideal (también llamada estequiométrica). Es aquella en que tenemos la cantidad exacta de comburente para oxidar todas las partículas combustibles. No falta ni sobra oxígeno y se oxidan todos los carbonos, hidrógenos y nitrógenos. b)combustión completa. Utilizamos un exceso de comburente para asegurarnos que se oxidan todos los elementos combustibles. En los productos de la combustión va a aparecer un sobrante de comburente pero ningún elemento combustible no oxidado completamente.

9 c) Combustión incompleta. Es aquella combustión en la que no se oxidan completamente todos los elementos combustibles. En los productos de combustión aparece típicamente CO (monóxido de carbono) y carbono no quemado (hollín). Generalmente las combustiones reales son incompletas, manteniéndose los valores de CO lo más bajos posibles.

10 Estequiometría de la combustión Supongamos el siguiente análisis último de un combustible. A% C, B% H 2, C% O 2, D% N 2, E% S (porcentajes en peso) Expresado en decimales: a C, b H 2, c O 2, d N 2, e S Con a + b + c + d + e = 1 kg de combustible

11 Utilizaremos aire como comburente, expresándolo en función de los moles de O 2 que contiene: O 2 + 3,76 N 2 Por cada kilo de combustible utilizaremos entonces α (O 2 + 3,76 N 2 ) siendo α los kmoles de oxígeno del aire por kilo de combustible.

12 Escribiremos las reacciones correspondientes a las distintas combustiones posibles de un kilo de combustible: a)combustión ideal Siendo: α q = kmoles de oxígeno en aire por kg de fuel β = kmoles de CO 2 por kg de fuel γ = kmoles de H 2 O por kg de fuel μ = kmoles de N 2 por kg de fuel δ = kmoles de SO 2 por kg de fuel

13 b) Combustión completa Siendo: α = kmoles de oxígeno en aire por kg de fuel β = kmoles de CO 2 por kg de fuel γ = kmoles de H 2 O por kg de fuel μ = kmoles de N 2 por kg de fuel δ = kmoles de SO 2 por kg de fuel = kmoles de O 2 en humos por kg de fuel

14 c) Combustión incompleta Siendo: α = kmoles de oxígeno en aire por kg de fuel β = kmoles de CO 2 por kg de fuel γ = kmoles de H 2 O por kg de fuel μ = kmoles de N 2 por kg de fuel δ = kmoles de SO 2 por kg de fuel = kmoles de O 2 en humos por kg de fuel ε = kmoles de CO por kg de fuel

15 Resolver la estequiometría de la combustión consiste en encontrar los valores de las distintas incógnitas que aparecen en la ecuación correspondiente: α, β, γ, μ,, ε, δ Una vez resuelta la ecuación tendremos entonces la cantidad de cada uno de los productos de la combustión (composición de los humos).

16 Para ello contamos con las siguientes relaciones: -Balances de cada uno de los componentes: carbonos, hidrógenos, oxígenos, nitrógenos, azufres, etc. -Datos de la composición de los productos de la combustión (humos): % de CO2, % de H2O, % de N2, % de O2, % de CO, % de SO2, etc

17 Los datos de la composición de humos los podemos obtener mediante un análisis de humos utilizando un instrumento adecuado (analizador de Orsat, medidores portátiles digitales) en caso que la combustión se esté efectuando, o suponerlos a priori (por un requisito normativo por ejemplo) y en ese caso calcular cómo debo regular la combustión para obtenerlos.

18 La composición de humos se puede dar de tres maneras: a)base seca. No se considera el agua en los humos por ejemplo: b) Base húmeda. Considerando toda el agua contenida en los humos

19 c) Base semi-húmeda. Considerando el agua formada en la combustión, es decir excluimos el agua que traía el combustible y la humedad contenida en el aire.

20 Estos valores de composición de humos no son independientes, están relacionados entre sí por la Ecuación de Ostwald-Bunte : (CO 2 ), (CO) y (O 2 ) son las concentraciones obtenidas en los humos de la combustión considerada. (CO 2 )max, (CO)max y (O 2 )max son los valores máximos de cada componente que puedo obtener quemando el combustible considerado.

21 La representación gráfica de la ecuación de Ostwald-Bunte es un plano en el primer cuadrante de un sistema ortogonal de ejes (CO 2 ), (CO) y (O 2 ) (CO 2 ) (CO 2 )max (CO)max (O 2 )max (O 2 ) (CO)

22 Cálculo del gasto de aire: Para calcular los kilos de aire que se utilizan en la combustión de un kilo de combustible procedemos de la siguiente manera:

23 Exceso de aire Se define el Exceso de aire como: En función de los datos del análisis de humos:

24 Cálculo del gasto de humos: Para calcular los kilos de humos que se producen en la combustión de un kilo de combustible planteamos un balance de masas: 1 kg combustible G HH kg humos húmedos G a kg aire C (carbono sin quemar, hollín) Ash (cenizas)

25

26 Balance energético de la combustión: Energía contenida en los reactivos = energía contenida en los productos + calor liberado en la combustión CALOR LIBERADO ENERGÍA ASOCIADA A LOS REACTIVOS COMBUSTION ENERGIA ASOCIADA A LOS PRODUCTOS

27 Entalpía contenida en los reactivos: A)Química. Q ps del combustible B)Sensible. C)Latente. w a G a h fg

28 Entalpía contenida en los productos: A)Química. Q ps de los productos de combustión incompleta (C, H, CO) B) Sensible. h(co 2 )+ h(h 2 O vapor )+ h(n 2 )+ h(o 2 )+ h(so 2 )+ h(co) entalpias calculadas a la temperatura de chimenea C)Latente (H 2 O) f h fg + w a G a h fg + 9H h fg

29 Temperatura adiabática de llama Es la temperatura de la llama en una combustión que se da en un recinto perfectamente adiabático. Al no haber salida de calor al exterior se verifica: entalpía reactivos = entalpía productos La temperatura a la que se cumpla esta igualdad es la temperatura adiabática de llama. Es la máxima temperatura que se puede alcanzar en esa combustión.