Mquinas Trmicas1 COMBUSTIN Y COMBUSTIBLES COMBUSTIN En la generalidad se denomina as a la rpida reaccin exotrmica (libera calor) entre combustible y su oxidante(comburente)oxigenooairequeensiposeeoxigenocomocomponentedemezcla.Es decir, en la combustin se habra de liberar energa en forma de calor y comnmente ser acompaada de una flama y la reaccin qumica exige la oxidacin de las sustancias componentes en el combustible y las cuales deben ser capaces de ser oxidadas. REACCIONES QUIMICAS Lassustanciasalprincipiodelareaccinsedenominanreactivos,entantoquelosresultantesse denominan productos.La reaccin qumica se basa en el principio de conservacin de la materia, en trminos de la conservacin de tomos. Considerar los siguientes casos: Un mol de carbono al reaccionar con un mol de oxigeno genera un mol de anhdrido carbnico. 2O C + 2COREACTIVOSPRODUCTOS Un mol de monxido de carbono reacciona con medio mol de oxigeno y conforma un mol de dixido de carbono. 221O CO + 2COREACTIVOS PRODUCTOS Nteseentoncesquesi bienla masatotalyelnmerodetomosse conservan,noocurreasconel nmerodemoles.Lasproporcionesenmasasehandeobteneralaplicaracadacomponentesu respectivo peso molecular. 2O C +2CO 2O mol 1 C mol 1 +CO mol 12 2O gr32 C gr12 +2CO gr44 A su vez ntese que las flechasindican el sentido de reaccin.A bajas y temperaturas normales y en losejemplosanterioreslareaccinvadeizquierdaaderecha,aaltastemperaturas(T>1600C)el sentido se invierte, generando lo que se conoce como disociacin. Nota: el agua (H2O) lo har tambin pero a temperaturas superiores a 2200 C.Mquinas Trmicas2 COMBUSTIBLES Elcombustibleosustanciaaoxidarsepodrpresentarencualquieradelastresfases,seanestas slidas, lquidas o gaseosas (slidos: maderas, aserrn, carbn, etc.). Lquidos: alcoholes, carbohidratos de la forma CxHyOz, derivados del petrleo, hidrocarburos de la forma CxHy. Gaseosos: de origen natural y fabricados en base a hidrocarburos. Los hidrocarburos, sean estos como lquidos o gases se pueden agrupar como sigue: FrmulaObservaciones PARAFINASCnH2n+2Estructura en cadena OLEFINASCnH2nEstructura en cadena DIOLEFINASCnH2n-2Estructura en cadena NAFTENOCnH2nEstructura en anillo BENCENOCnH2n-6Aromticos NAFTALENOCnH2n-12Aromticos De los combustibles del tipo hidrocarburos los ms utilizados son las parafinas. Todas las parafinas se caracterizan por tener la misma frmula de recurrencia (CnH2n+2) y cuando se nombra una parafina se tienequelasprimerasletras(prefijos)sealanelnmerodetomosdecarbonopresentesenel hidrocarburo, ya su vez todas las parafinas tienen la terminacin ANO. MetanoCH4 EtanoC2H6 PropanoC3H8 ButanoC4H10 PentanoC5H12 HexanoC6H14 HeptanoC7H16 OctanoC8H18 DodecanoC12H26 Losalcoholes:otroscombustiblesdeusocomn,seidentificanconunsufijoOLyelprefijoque seala el nmero de carbonos; tambin a veces se suelen denotar como: alcohol metlico. Ejemplo: Etano o Alcohol Etlico Mquinas Trmicas3 H HOH C C HH HO H CI II I " "6 2 Debenotarsequelosalcoholesresultandesustituiruntomodehidrgenodeunaparafinaporun radical OH. Lamayoradeloshidrocarburoscombustiblessederivandelpetrleocrudoyaseaporprocesode destilacinfraccionadaorompimientodemolculas(craking).Lamayoradeloshidrocarburosson mezclasenloscualesaparecemsdeuntipodeunamismafamilia,sinembargoamenosquese especifique lo contrario se considera slo el hidrocarburo que predomina. Generalmenteesconvenienteexpresarunhidrocarburoomezcladeelloscomounhidrocarburo determinado, as como una gasolina se expresa como un octano (C8H18) y el combustible dieselcomo undodecano(C12H26).Lacomposicindeunhidrocarburopuedeexpresarsecomoporcentajesde carbono (C) e hidrgeno (H). Elpetrleocrudomediantedestilacinocracking(roturademolculas)daorigenagaslicuado, gasolinas,naftapesada,kerosene,petrleodiesel,aceiteslubricantes,crudospesadosyasfaltos.Dentrodeestaclasificacin,loselementossedividenporgradosocalidades.Cadaunotieneuna curva de destilacin diferente. Los petrleos destilados llamados comnmente fuels oils, se clasifican en destilados y residuales: petrleo N 1 (destilado): usado en quemadores de vaporizacin. petrleo N 2 (destilado): ms pesado que el anterior y se usa en quemadores de atomizacin, que envan el combustible en gotas a la cmara de combustin. petrleo N 3 (destilado): no se comercializa, ya que se ha incorporado al N 2. petrleo N 4 (residual): uso industrial. petrleo N 5 (residual): de alta viscosidad, lo que obliga a que sea precalentado para quemarlo. petrleo N 6 (residual): uso para calentamiento industrial. Requiere precalentamiento de estanque de almacenamiento, para ser bombeado y calentamiento adicional para atomizarlo. CARACTERSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES Volatilidad: Porcentaje en volumen de combustible que se vaporiza a una determinada temperatura. Punto de inflamacin:Indica la temperatura a la cual el combustible se inflama (a una presin dada). Densidad: GeneralmenteloscombustiblestienenexpresadasudensidadengradosAPI(American Petroleum Institute).Ej. el petrleo diesel N2 tiene 35 API = 0,85 kg / lt. Podercalorfico:Elpodercalorficodeuncombustibleeslaenergaliberadaporunidaddemasao volumen.ParaloscombustibleslquidososlidosseexpresaenKcal/Kgyparaloscombustiblesgaseosos en Kcal / m3. Los combustibles que contienen hidrgeno, tienen dos poderes calorficos: superior e inferior. Mquinas Trmicas4 a)Poder calorfico inferior (PCI): Es el calor liberado por la combustin por unidad de masa o volumen de combustible, sin considerar el calor necesario para evaporar el agua formada por la combustin del hidrgeno, que se pierde en los gases de escape. b)Podercalorficosuperior(PCS):Eselcalortotalliberadoporunidaddemasaovolumende combustible, incluyendo el calor empleado para vaporizar el agua formada en la combustin. Si de un combustible se conoce su composicin en peso: % carbono :kg C/ kg combustible = c % hidrgeno: kg H2 / kg combustible = h % oxgeno:kg O2 / kg combustible = o % azufre:kg S/ kg combustible = s el PCS puede ser evaluado de acuerdo a la siguiente relacin: PCS = 8100 c+34500 ( h-o/8 )+2500 s[Kcal / Kg combustible] y el poder calorfico inferior: PCI=PCS- ( 9 h+w)[Kcal / Kg combustible] donde:w = humedad libre del combustible, en kg agua / kg combustible = calor latente de vaporizacin del agua = 540 Kcal / Kga 1 atm y 25 C. Los pesos moleculares de algunos elementos son: PM O2 = 32 gr/molPM C = 12 gr/molPM H2 = 2 gr/mol PM N2 = 28 gr/mol PM S = 32 gr/mol IMPUREZAS DE LOS COMBUSTIBLES Lahumedad,cenizas,azufre,oxgenoynitrgenosepuedencatalogarcomoimpurezas,asla humedadnotienevalorcomocombustible,alevaporarlaseproduceunaprdidadecalorquese escapaconlosproductosdelacombustin.Lascenizasrebajanlapotenciacalorficadel combustible, dificultan la transmisin de calor y obstruyen el paso de aire y/o combustible.El azufre no tienesuplenapotenciacalorficasinoseencuentraenestadolibre.Enformadesulfatonotiene interscomocombustible.Engrandescantidadesesmuyprobablequeformeescoriasyquelos productos de su combustin corroan los metales. El oxgeno rebaja la potencia calorfica del combustible y el nitrgeno es inerte desde el punto de vista qumicoyanlogamentealascenizasdisminuyelacantidaddeenergadisponibleenlaunidadde masa del combustible. TIPOS DE REACCIONES QUMICAS En esencia el fenmeno de combustin es una reaccin qumica del tipo exotrmica, lo cual radica que la energa sale del sistema y lo har comnmente como calor. Mquinas Trmicas5 La reaccin endotrmica es cuando el calor entra al sistema.El sistema o reaccin absorbe calor. Comoyaseindicentodareaccinqumicapuedendistinguirselosreactivosyproductosparalos efectos de combustin los reactivos estarn formados por combustible y comburente. ECUACIONES DE COMBUSTIN Comoyaseexpuso,unareaccinqumicasebasaenelprincipiodeconservacindelamateria,en trminosdelaconservacindetomos.Comoilustracin,considerelacombustindemetano(CH4) con oxgeno (O2).La combustin completa indica e implica que el carbono se convierte totalmente en dixido de carbono (CO2), el hidrgeno se transforma en agua (H2O) y el azufre, si existe, se convierte en dixido de azufre (SO2).As, la combustin del metano con oxgeno, considerando nicamente los compuestos que intervienen, puede analizarse como sigue: O H CO O CH2 2 2 4+ + Para determinar el nmero de moles en cada componente, que satisfaga los requisitos impuestos por la conservacin de la materia, es necesario realizar balances de carbono, hidrgeno y oxgeno, esto es: Balance de carbono: (C reactivos = C productos) 2 4CO CH Balance de hidrgeno:(H reactivos = H productos) O H CH2 42 Balance de oxgeno:(O reactivos = O productos) O H CO O2 2 22 2 + En consecuencia, la ecuacin de combustin completa del metano con oxigeno quedar: O H CO O CH2 2 2 42 2 + + Esdecir,unmoldemetanoreaccionacondosmolesdeoxgenoparaformarunmoldedixidode carbonoydosmolesdeagua.Porotrapartelamismaecuacinestableceque16grdemetano reacciona con 64 gr de oxgeno para formar 44 gr de dixido de carbono y 36 gr de agua.Esta ltima puedeencontrarsecomovapor,comolquidoocomoslido,segnlascondicionesdepresiny temperatura de los productos de la combustin. Debehacersehincapienqueelnmerodemolesovolmenesdereactivosyproductosnoson necesariamente iguales en magnitud. Sin embargo, la masa de los reactivos deber ser siempre igual a la de los productos.Mquinas Trmicas6 REACCIN DE UN HIDROCARBURO COMBUSTIBLE CON AIRE En la mayora de los procesos de combustin, el comburente (oxgeno) se suministra a travs del aire ambiente.Al considerar aire atmosfrico seco con una composicin volumtrica de 21% de oxgeno y 79% de nitrgeno, se tiene una relacin molar de 79/21 = 3.76 con lo cual por cada mol de oxgeno en el aire seco existen 3.76 moles de nitrgeno.Esto significa que: 100 lts de aire = 21 lts O2 + 79 lts N2 o bien1 mol de aire = 0,21 O2 + 0,79 N2 En peso, se tiene la siguiente composicin para el aire: 23,2% O2 y 76,8% N2 lo que significa que:100 kg aire = 23,2 kg de O2 + 76,8 kg de N2 En el tanto por ciento de nitrgeno estn involucrados los gases inertes, compuestos o mezclas que no reaccionarnparaformarcompuestoalguno,yhabrndeaparecerenlosproductosalamisma temperatura de estos. Aun cuando el contenido de humedad en el aire ambiente es variable, su presencia simplemente implica una cantidad adicional de materia esencialmente inerte. Nota: salvo indicacin expresa se omitir en el comburente la participacin de la humedad, es decir se estableceran las ecuaciones qumicas con aire seco. AIRE ESTEQUIOMTRICO O AIRE TERICO A 100 % Eslacantidadmnimadeairenecesarioparaoxidarcompletamentealcombustible,tambinsele denomina por AIRE 100%. o masa terica de aire. Ejemplo: reaccin de metano (CH4) con aire terico. 2 279 , 0 21 , 0 aire de mol 1 N N + = ( )2 2 2aire de moles ,76 42 2 476 , 3 * 2 2 76 , 3 2 N O H CO N O CH + + + +4 43 4 42 1 Se observa que por cada mol de oxgeno existen 3,76 moles de nitrgeno, que no reaccionan y que una vezconocidosloscompuestosquedebenexistirenlosproductos,laecuacinqumicadebeser balanceada en funcin del nmero de tomos de cada elemento. Lacombustintericaoestequiomtricasecaracterizaporsercompleta,esdecir,seproducela oxidacin completa del C, con el 100% del aire terico, siendo los productos de la combustin el CO2, H2O y N2 (aparecera SO2 si el combustible tuviera azufre en su composicin). En una combustin completa no puede haber oxgeno en los productos de la combustin. Enlaprcticanoesposiblelograrunacombustincompletasinoseempleaunacantidadmayorde aire que el terico.An as lo que se pretende es disminuir al mximo la presencia de CO en los gases de escape.El CO se produce a causa de una mala combustin del C (combustin incompleta). Mquinas Trmicas7 EXCESOS Y/O DEFICIENCIAS DE AIRE Si por alguna razn el combustible no se oxida correctamente en forma completa, parte de el aparecer enlosproductosenformadeCOmonxidodecarbonoH2einclusoensituacionesextremas CxHy.Una de las causales puede haber sido el proporcionar aire en una cantidad inferior a la mnima necesaria,situacindefinidacomodeficienciadeaire,enlacualeloxgenonoalcanzaaoxidar completamente al combustible. Con el fin de evitar el caso anterior, el aire puede ser suministrado en una cantidad superior a la mnima necesaria,(excesodeaire),elcualporsuparteprovocalaaparicindeoxgenogaseosoenlos productos. Ejemplo: Reaccin de bencina lquida (C6H6) con 150% de aire terico 50% excesode aire, ntese queelexcesoodeficienciadeairesersiempreconreferenciaalacantidaddeairetericoenla reaccin con un determinado combustible. 1.- Plantear la ecuacin para 100% de aire terico: 2 2 2 2 2 6 676 , 3 * 5 , 7 3 6 ) 76 , 3 ( 5 , 7 N O H CO N O H C + + + + Cantidad de moles de aire que necesitamos 7,5 * 4,76 = 35,7 moles de aire 2.- Plantear la ecuacin para 150% de aire terico aparecer oxgeno libre en los productos, adems cambia la cantidad de nitrgeno; deber balancearse la nueva ecuacin: ( ) [ ]2 2 2 2 2 2 6 676 , 3 * 5 , 7 * 5 , 1 75 , 3 3 6 76 , 3 5 , 7 5 , 1 N O O H CO N O H C + + + + + Puede observarse en la figura adjunta que el porcentaje de CO2 en los productos de la combustin es mximocuandolarelacinaire-combustibleesqumicamentecorrecta.Esteporcentajedisminuyeal haber exceso o deficiencia de aire.Por otra parte el CO aparece en mezclas ricas, mezclas con exceso decombustibleodeficienciadeaire. De manerasimilar,el O2aparece con mezclaspobres, mezclas con deficiencias de combustible o exceso de aire. % %CO2 %CO %O2 A/C tericoA/C Mquinas Trmicas8 Ahora si bien con un exceso de aire se logra la supuesta oxidacin completa del combustible, tambin significa una disminucin en la temperatura de los productos, por cuanto oxgeno y nitrgeno absorbenenerga del sistema, disminuyendo la transferencia de calor. En el prrafo anterior se utiliz el trmino supuesta oxidacin completa, ya que puede que a pesar del excesodeaireaparezcaentrelosproductoCOndicedecombustinincompletolocualse justificaraporturbulencias,agitacinoporunavelocidaddeairemuyaltaqueimpediranelpleno contacto de partculas de combustible con el oxgeno necesario. Considerando todoloanteriorelporcentajede excesodeairenecesariodependerdelaaplicaciny zona de combustin misma. CARACTERSTICAS DE CADA COMBUSTIN PRODUCTOS DE LA COMBUSTIN Comb. completa100% aire tericoCO2H2ON2 Exceso de aireCO2H20O2N2 Comb. IncompletaDficit aireCO2COH2ON2 Exceso aireCO2COH2OO2N2 RELACIONES AIRE / COMBUSTIBLE Se define as al cuociente existente entre el aire y el combustible en una reaccin.Se puede establecer en base masa y base molar. ( ) molar basee combustibl molesN moles O molese combustibl molesaire molesA/C2 2 += = ( ) masa basee combustibl molecularpeso * e combustibl molesaire molecularpeso * aire molesA/C = Considerando esto se puede determinar el porcentaje de aire terico en la forma siguiente: Terico A/CReal A/CAT % = terico aire 100% terico A/C El exceso de aire es la cantidad adicional de aire en relacin al empleado en la combustin terica, y se define como: % exceso de aire = e = ( Mar - Mat ) * 100 / Mat=( Var Vat ) * 100 / Vat Mquinas Trmicas9 donde: Vat = volumen de aire tericoVar = volumen de aire real Mat = masa de aire tericoMar = masa de aire real Sie>0significaquelacombustinserealizacondefectodeaire,porloqueenlosproductosde combustin NO aparece O2 (oxgeno libre).Si la falta de aire es alta, en los productos de la combustin pueden aparecer porcentajes de combustible no quemada (no oxidado). AnconaltosexcesosdeairepuedeaparecerCOenlosproductos,yaquesuformacindepende tambin de la agitacin y turbulencia con que se realiza el proceso de combustin.