Reaccin de Combustin

La reaccin de combustin se basa en la reaccin qumica exotrmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxgeno. Es caracterstica de esta reaccin la formacin de una llama, que es la masa gaseosa incandescente que emite luz y calor, que esta en contacto con la sustancia combustible.La reaccin de combustin puede llevarse a cabo directamente con el oxigeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxgeno, llamada comburente, siendo el aire atmosfrico el comburente mas habitual.La reaccin del combustible con el oxgeno origina sustancias gaseosas entre las cuales las ms comunes son CO2y H2O. Se denominan en forma genrica productos, humos o gases de combustin. Es importante destacar que el combustible solo reacciona con el oxigeno y no con el nitrgeno, el otro componente del aire. Por lo tanto el nitrgeno del aire pasar ntegramente a los productos de combustin sin reaccionar.Las reacciones qumicas que se utilizan en el estudio de las combustiones tcnicas tanto si se emplea aire u oxigeno, son muy sencillas y las principales son:C + O2 CO2CO + 12 O2 CO2H2+ 12 O2 H2OS + O2 SO2SH2+ 32 O2 SO2+ H2OEntre las sustancias ms comunes que se pueden encontrar en los productos o humos de la reaccin se encuentran:CO2: Dixido de CarbonoH2O : Vapor de AguaN2: Nitrgeno gaseosoO2: Oxigeno gaseosoCO : Monxido de CarbonoH2: Hidrogeno gaseosoCarbono en forma de hollnSO2: Dixido de AzufreDe acuerdo a como se produzcan las reacciones de combustin, estas pueden ser de distintos tipos:a) Combustin completaOcurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el mximo grado posible de oxidacin. En este caso no habr presencia de sustancias combustibles en los productos o humos de la reaccin.b) Combustin incompletaSe produce cuando no se alcanza el grado mximo de oxidacin y hay presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de la reaccin.c) Combustin estequiomtrica o tericaEs la combustin que se lleva a cabo con la cantidad mnima de aire para que no existan sustancias combustibles en los gases de reaccin. En este tipo de combustin no hay presencia de oxgeno en los humos, debido a que este se ha empleado ntegramente en la reaccin.d) Combustin con exceso de aireEs la reaccin que se produce con una cantidad de aire superior al mnimo necesario. Cuando se utiliza un exceso de aire, la combustin tiende a no producir sustancias combustibles en los gases de reaccin. En este tipo de combustin es tpica la presencia de oxgeno en los gases de combustin.La razn por la cual se utiliza normalmente un exceso de aire es hacer reaccionar completamente el combustible disponible en el proceso.e) Combustin con defecto de aireEs la reaccin que se produce con una menor cantidad de aire que el mnimo necesario. En este tipo de reaccin es caracterstica la presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de reaccin.Aplicaciones de las reacciones de combustinLas reacciones de combustin son muy tiles para la industria de procesos ya que permiten disponer de energa para otros usos y generalmente se realizan en equipos de proceso como hornos, calderas y todo tipo de cmaras de combustin.En estos equipos se utilizan distintas tecnologas y dispositivos para llevar a cabo las reacciones de combustin.Un dispositivo muy comn denominado quemador, produce una llama caracterstica para cada combustible empleado. Este dispositivo debe mezclar el combustible y un agente oxidante (el comburente) en proporciones que se encuentren dentro de los lmites de inflamabilidad para el encendido y as lograr una combustin constante. Adems debe asegurar el funcionamiento continuo sin permitir una discontinuidad en el sistema de alimentacin del combustible o el desplazamiento de la llama a una regin de baja temperatura donde se apagara.Los quemadores pueden clasificarse en dos tipos, de mezcla previa o premezcla donde el combustible y el oxidante se mezclan antes del encendido y el quemador directo, donde el combustible y el oxidante se mezclan en el punto de ignicin o encendido.Tambin debe tenerse en cuenta para su operacin otros parmetros como estabilidad de la llama, retraso de ignicin y velocidad de la llama, los cuales deben mantenerse dentro de los lmites de operacin prefijados.Para el quemado de combustibles lquidos, en general estos atomizados o vaporizados en el aire de combustin. En los quemadores de vaporizacin, el calor de la llama convierte continuamente el combustible lquido en vapor en el aire de combustin y as se auto mantiene la llama.Para el caso de combustibles gaseosos, se utilizan distintos diseos que pueden ser circulares o lineales con orificios, que permiten la salida del gas combustible y un orificio por donde ingresa el aire mediante tiro natural o forzado.Es importante comprender que como resultado de una combustin, mediante la operacin de estos dispositivos, se pueden producir sustancias nocivas y contaminantes, las cuales debern ser perfectamente controladas, reducindolas a concentraciones permitidas o eliminadas, de acuerdo a la legislacin vigente sobre el temaes cualquier material capaz de liberar energa cuando se oxida de forma violenta con desprendimiento de calor. Supone la liberacin de unaenergade su forma potencial (energa de enlace) a una forma utilizable sea directamente (energa trmica) o energa mecnica (motores trmicos) dejando como residuo calor (energa trmica),dixido de carbonoy algn otro compuesto qumicotiposEntre loscombustibles slidosse incluyen elcarbn, lamaderay laturbanatural. El carbn se quema en calderas para calentaraguaque puede vaporizarse para mover mquinas avaporo directamente para producir calor utilizable en usos trmicos (calefaccin). La turba y la madera se utilizan principalmente para la calefaccin domstica e industrial, aunque la turba se ha utilizado para lageneracin de energay las locomotoras o los barcos que utilizaban madera como combustible fueron comunes en el pasado.Entre loscombustibles lquidosse encuentran elgasleo, elquerosenoo lagasolina(o nafta) y entre losgaseosos, elgas naturalo losgases licuados de petrleo(GLP), representados por elpropanoy elbutano. Las gasolinas, gasleos y hasta los gases, se utilizan paramotores de combustin internao en calderas.BiocombustibleLos llamados biocombustibles (un tanto impropiamente porque los combustibles fsiles tambin proceden de materia orgnica, materia viva, fosilizada), son sustancias procedentes del reino vegetal, que pueden utilizarse como combustible, bien directamente, o tras una transformacin por medios qumicos.Entre ellos se encuentran: slidos (aprovechamiento de materias slidas agrcolas: madera o restos de otros procesos, como cscaras no aprovechables de frutos), que se aglomeran en pellas combustibles; lquidos, en general procedentes de transformaciones qumicas de ciertas materias orgnicas, como elBioalcoholo elBiodisel gaseosos, como el llamadobiogs, que es el residuo natural de la putrefaccin de organismo vivos en atmsfera controlada y que est compuesto demetanoydixido de carbonoa partes ms o menos igualesLa principal caracterstica de un combustible es el calor desprendido por la combustin completa una unidad de masa (kilogramo) de combustible, llamadopoder calorfico, se mide enjoulesporkilogramo, en elsistema internacional(SI) (normalmente en kilojoules por kilogramo, ya que el julio es una unidad muy pequea). y en elsistema anglosajnenBTUporlibra.

COMBURENTES

Entalpas de formacin y combustin. Se define el calor de formacin de una sustancia como la variacin de entalpa correspondiente a la formacin de un mol de la misma a partir de sus constituyentes en su estados normales, naturales o estndar a 1 atm. de presin, tomndose generalmente la temperatura de 298K, como valor de referencia. Si se trata de disoluciones acuosas, se toma como estado normal el de molalidad 1 (suele sustituirse la molalidad por la molaridad).Se representa por Hf 0 , en el que H es el calor o variacin de entalpa, el subndice f indica que se trata de calor de formacin, y el superndice 0, seala el estado normal o estndar. Convencionalmente se les da el valor 0 de calor de formacin o entalpa de formacin a todos los elementos en su estado estndar, esto es: las molculas diatmicas de los gases, los metales en su estado natural etc. En elementos que presentan varias formas alotrpicas diferentes, se toma como estndar la ms estable que suele ser la ms abundante; como el C en su estado de grafito, el S como azufre rmbico, el P como fsforo blanco, el Sn como estao blanco (es excepcin) etc. Se deber tener en cuenta que cuando se habla de entalpa de formacin, entalpa de reaccin, o de cualquier entalpa que especifique el tipo de reaccin, se est refiriendo a variacin de entalpa, dado que QP=HEn el estudio de la combustin, hay dos tipos de temperatura adiabtica de la llama en funcin de cmo se haya completado el proceso, de volumen constante y presin constante, que describen la temperatura de los productos de la combustin tericamente alcanzar si no se pierde energa al ambiente exterior.La temperatura de la llama adiabtica volumen constante es la temperatura que resulta de un proceso de combustin completa que se produce sin ningn tipo de trabajo, la transferencia de calor o cambios en la energa cintica o potencial. La temperatura de la llama adiabtica presin constante es la temperatura que resulta de un proceso de combustin completa que se produce sin ningn tipo de transferencia de calor o cambios en la energa cintica o potencial. Su temperatura es ms baja que el proceso de volumen constante, porque parte de la energa se utiliza para cambiar el volumen del sistema.En el estudio de la combustin, hay dos tipos de temperatura adiabtica de la llama en funcin de cmo se haya completado el proceso, de volumen constante y presin constante, que describen la temperatura de los productos de la combustin tericamente alcanzar si no se pierde energa al ambiente exterior.

La temperatura de la llama adiabtica volumen constante es la temperatura que resulta de un proceso de combustin completa que se produce sin ningn tipo de trabajo, la transferencia de calor o cambios en la energa cintica o potencial. La temperatura de la llama adiabtica presin constante es la temperatura que resulta de un proceso de combustin completa que se produce sin ningn tipo de transferencia de calor o cambios en la energa cintica o potencial. Su temperatura es ms baja que el proceso de volumen constante, porque parte de la energa se utiliza para cambiar el volumen del sistema.

Llamas comunes

En la vida diaria, la gran mayora de las llamas que uno encuentra son las de los compuestos orgnicos incluyendo madera, cera, grasa, plsticos comunes, propano y gasolina. La temperatura adiabtica de la llama de presin constante de dichas sustancias en el aire se encuentra en una gama relativamente estrecha alrededor de 1950 C. Esto es porque, en trminos de estequiometra, la combustin de un compuesto orgnico con n tomos de carbono implica la ruptura de enlaces ms o menos 2n CH, n enlaces CC, y bonos O2 1,5 N para formar aproximadamente n de CO2 molculas y las molculas de H2O n.

Debido a que la mayora de los procesos de combustin que ocurren naturalmente se producen en el aire abierto, no hay nada que confina el gas a un volumen particular, como el cilindro en un motor. Como resultado, estas sustancias se queman a una presin constante permitiendo que el gas se expanda durante el proceso.

Temperaturas comunes de llama

Suponiendo condiciones atmosfricas iniciales, la lista siguiente tabla la temperatura adiabtica de llama para diferentes gases bajo condiciones de presin constante. Las temperaturas mencionadas aqu son para una mezcla de combustible y oxidante estequiomtrico.

Nota Estos son tericos y no reales, temperaturas de la llama producida por una llama que no pierde calor. El ms cercano ser la parte ms caliente de la llama, en donde la reaccin de combustin es ms eficiente. Esto tambin supone una combustin completa

^ La temperatura igual a 3.200 K corresponde a 50% de la disociacin qumica para el CO2 a presin 1 atm. Este ltimo se mantiene invariante adiabtica de la llama y para el dixido de carbono constituye 97% de la produccin total de gas en el caso de antracita quema en oxgeno. Las temperaturas ms altas se occure para la salida de reaccin, mientras que pasar por debajo de una presin ms alta.Termodinmica

Desde la primera ley de la termodinmica para un sistema de reaccin cerrado que tenemos,

donde, y son el calor y el trabajo transferido durante el proceso, respectivamente, y y son la energa interna de los reactivos y productos, respectivamente. En el caso de temperatura adiabtica de llama volumen constante, el volumen del sistema se mantiene constante por lo tanto, no hay trabajo se producen,

y no hay transferencia de calor debido a que el proceso se define para ser adiabtica:. Como resultado, la energa interna de los productos es igual a la energa interna de los reactivos:. Debido a que este es un sistema cerrado, la masa de los productos y reactivos es constante y la primera ley se puede escribir sobre una base de masa,

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En el caso de temperatura adiabtica de llama presin constante, la presin del sistema se mantiene constante que se traduce en la siguiente ecuacin para el trabajo,

Una vez ms no hay transferencia de calor que ocurre debido a que el proceso se define para ser adiabtica:. Desde la primera ley, nos encontramos con que,

Recordando la definicin de entalpa recuperamos:. Debido a que este es un sistema cerrado, la masa de los productos y reactivos es constante y la primera ley se puede escribir sobre una base de masa,

.

Vemos que la temperatura de llama adiabtica del proceso de presin constante es ms bajo que el del proceso de volumen constante. Esto es debido a que algunos de la energa liberada durante la combustin va a cambiar el volumen del sistema de control. Una analoga que se hace comnmente entre los dos procesos es a travs de la combustin en un motor de combustin interna. Para el proceso adiabtico volumen constante, se cree que la combustin para producir instantneamente cuando el pistn alcanza la parte superior de su vrtice. Para el proceso adiabtico presin constante, mientras que la combustin se produce el pistn se est moviendo con el fin de mantener la presin constante.

Si hacemos la suposicin de que la combustin se va a terminar, podemos calcular la temperatura adiabtica de llama con la mano, ya sea en condiciones estequiomtricas o magras de la estequiometra. Esto se debe a que hay suficientes variables y ecuaciones molares para equilibrar los lados izquierdo y derecho,

Rich de estequiometra no hay suficientes variables porque la combustin no puede ir hasta el final con al menos y necesarios para el equilibrio molar,

Sin embargo, si tenemos en cuenta la reaccin de desplazamiento del gas de agua,

y el uso de la constante de equilibrio para esta reaccin, tendremos suficientes variables para completar el clculo.

Los diferentes combustibles con diferentes niveles de energa y componentes molares tendrn diferentes temperaturas de la llama adiabtica.

Podemos ver en la siguiente figura qu nitrometano se utiliza a menudo como un impulso de energa para los coches. Ya que contiene dos moles de oxgeno en su composicin molecular, puede quemar mucho ms caliente, ya que proporciona su propio oxidante junto con el combustible. Esto a su vez permite que en la acumulacin de ms presin durante un proceso de volumen constante. Cuanto mayor sea la presin, ms fuerza sobre el pistn de la creacin de ms trabajo y ms potencia en el motor. Es interesante observar que se mantiene relativamente caliente rica de la estequiometra, ya que contiene su propio oxidante. Sin embargo, el funcionamiento continuo de un motor en nitrometano se llegue a derretirse el pistn y/o cilindro debido a esta temperatura ms alta.

En las aplicaciones del mundo real, la combustin completa no suele ocurrir. Qumica dicta que la disociacin y la cintica cambiar los componentes relativos de los productos. Hay un nmero de programas disponibles que pueden calcular la temperatura adiabtica de la llama, teniendo en cuenta la disociacin a travs de constantes de equilibrio. La siguiente figura ilustra que los efectos de la disociacin tienden a bajar la temperatura adiabtica de la llama. Este resultado puede ser explicado a travs de principio de Le Chatelier.En el estudio de la combustin, hay dos tipos de temperatura adiabtica de la llama en funcin de cmo se haya completado el proceso, de volumen constante y presin constante, que describen la temperatura de los productos de la combustin tericamente alcanzar si no se pierde energa al ambiente exterior.

La temperatura de la llama adiabtica volumen constante es la temperatura que resulta de un proceso de combustin completa que se produce sin ningn tipo de trabajo, la transferencia de calor o cambios en la energa cintica o potencial. La temperatura de la llama adiabtica presin constante es la temperatura que resulta de un proceso de combustin completa que se produce sin ningn tipo de transferencia de calor o cambios en la energa cintica o potencial. Su temperatura es ms baja que el proceso de volumen constante, porque parte de la energa se utiliza para cambiar el volumen del sistema.