Capitulo 2_combustibles y Combustion_ Editado 27.02.11
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CAPITULO II COMBUSTIBLES Y COMBUSTION Ing. Amadeo Carrillo Villena 1
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CAPITULO II
COMBUSTIBLES Y COMBUSTION
Ing. Amadeo Carrillo Villena
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CONCEPTO GENERAL SOBRE COMBUSTION
Se entiende como combustión la reacción de oxidación rápida que tiene lugar entre un COMBUSTIBLE, que puede ser un sólido (Carbón, Madera, etc.),un líquido ( Gasóleo, Fuel-Oil, etc.) o un gas (Natural, Propano, etc.) y un COMBURENTE, que normalmente es el OXIGENO del aire; en la que se libera energía luminosa y una gran cantidad de calor que se puede utilizar para múltiples procesos industriales y domésticos
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CARACTERISTICAS DE LA COMBUSTION
La combustión se distingue de otros procesos de oxidación lenta, por ser un proceso de oxidación rápida y con presencia de llama; a su vez también se diferencia de otros procesos de oxidación muy rápidas (detonaciones, deflagraciones y explosiones) por obtenerse el mantenimiento de una llama estable.
TRIANGULO DE LA COMBUSTION
Para que la combustión tenga lugar han de coexistir tres factores:
- COMBUSTIBLE.- COMBURENTE.- ENERGIA DE ACTIVACION.
La energía de activación es el elemento desencadenante de la reacción de combustión; en los quemadores habitualmente suele obtenerse mediante una chispa eléctrica entre dos electrodos.
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COMBUSTIBLES Ing. Amadeo Carrillo Villena
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COMBUSTIBLES FOSILES
La mayor parte de la energía que se emplea en el mundo, actualmente proviene de los combustibles fósiles. Los utilizamos en transporte, para generar electricidad, para cocinar, para calentar ambientes, etc.
Los combustibles fósiles son tres: petróleo, carbón y gas natural, y se formaron hace millones de años, a partir de restos orgánicos de plantas y animales muertos.
Los combustibles fósiles son recursos no renovables
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EL PETROLEO
El petróleo es un líquido oleoso compuesto de carbono e hidrógeno en distintas proporciones. Se encuentra en profundidades que varían entre los 500 y los 4.000 metros. Este recurso ha sido usado por el ser humano desde la Antigüedad.
Actualmente, las refinerías y las industrias petroquímicas extraen del petróleo diferentes productos para distintas aplicaciones: gas licuado, gasolina, diesel, aceites lubricantes, además de numerosos subproductos que sirven para fabricar pinturas, detergentes, plásticos, cosméticos, fertilizantes y otros muchísimos artículos.
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CARBON
El carbón que corresponde al combustible fósil es aquel que conocemos como carbón mineral. Se extrae desde minas bajo tierra, y no necesita ser refinado para utilizarse.
En nuestro país, actualmente se usa carbón importado para generar energía eléctrica; pero debido a la introducción del gas natural no se avisora un mayor uso de este recurso.
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GAS NATURAL
El gas natural está compuesto principalmente por metano, un compuesto químico hecho de átomos de carbono e hidrógeno. Se encuentra bajo tierra, habitualmente en compañía de petróleo.
Se extrae mediante tuberías, y se almacena directamente en grandes tanques. Luego se distribuye a los usuarios a través de gasoductos. Como es inodoro e incoloro, al extraerlo se mezcla con una sustancia que le da un fuerte y desagradable olor. De este modo, las personas pueden darse cuenta de que existe una filtración o escape de gas.
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BIOGAS
Cuando los desechos orgánicos inician el proceso químico de fermentación (pudrimiento), liberan una cantidad de gases llamados biogas. Con tecnologías apropiadas, el biogas se puede transformar en otros tipos de energía, como calor, electricidad o energía mecánica.
El biogas también se puede producir en plantas especiales: los residuos orgánicos se mezclan con agua y se depositan en grandes recipientes cerrados llamados digestores, en los que se produce la fermentación por medio de bacterias anaeróbicas.
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BIOMASA
La biomasa es uno de los primeros recursos energéticos utilizados por el ser humano, y todavía en la actualidad es uno de los más necesarios para una importante cantidad de población mundial.
La energía de la biomasa es aquella que se produce a partir de productos vegetales y sus derivados. El concepto abarca principalmente leña, desechos forestales (aserrín, virutas) y agrícolas (residuos de cosechas); también se consideran biomasa los papeles. cartones y similares.
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PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES
PODER CALORÍFICO El poder calorífico (PC) de un combustible es la
cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad empleada de combustible (Kg, Kmol, m3)
De acuerdo a como se expresa el estado del agua en los productos de reacción se puede dividir en:
Poder calorífico Superior (PCS): Expresa la cantidad de calor que se desprende en la
reacción completa de la unidad de combustible con el agua de los humos en forma líquida a 0 ºC y 1 atm.
Poder calorífico Inferior (PCI): Expresa la cantidad de calor que se desprende en la
reacción completa de la unidad de combustible con el agua de los humos en estado de vapor.
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PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES
DENSIDAD Generalmente se determina experimentalmente y para el
caso de los combustibles gaseosos se utiliza la densidad relativa al aire. En la práctica es muy importante conocer este parámetro para saber si el gas combustible se acumula en el techo o en el suelo, en caso de una fuga en un local cerrado.
La densidad absoluta del aire en condiciones normales es de 1,293 kg/m3
Para los combustibles líquidos, en forma aproximada se puede utilizar la siguiente fórmula :Densidad = 250 + 9,13 mc + mh expresada en kg / m3 a 15 ºc; donde:mc y mh son las masas respectivas de carbono e hidrógeno.
También es muy frecuente emplear una unidad convencional llamada "G" que se mide en ºAPI y se calcula como
G = (141,5 / densidad) - 131,5 con la densidad en kg/ m3
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PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES
VISCOSIDAD La viscosidad tiene gran importancia en los
combustibles líquidos a efectos de su almacenamiento y transporte. Su determinación es experimental y los valores típicos se encuentran tabulados para los distintos combustibles industriales líquidos.
LIMITE DE INFLAMABILIDAD Esta propiedad es característica a los combustibles
gaseosos y establece la proporción de gas y aire necesaria para que se produzca la combustión, indicando un límite superior y uno inferior.
Ejemplo: PROPANO Límite inferior: 2,4 % Limite superior: 9,5
%
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PROPIEDADES
PUNTO DE INFLAMACIÓN (Ti)
Para que una reacción de combustión se produzca, la mezcla de combustible y comburente debe alcanzar una temperatura mínima necesaria, que recibe el nombre de punto de inflamación.
PUNTO DE COMBUSTION (Tc)
Otra temperatura importante es la temperatura de combustión o de llama máxima, que se alcanza en la combustión.
METANO Ti(ºC)
Tc(ºC)
En aire 420 1960
En oxígeno
280 2790
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LA QUIMICA DE LA COMBUSTIONIng. Amadeo Carrillo Villena
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COMBUSTION COMPLETAEs cuando todos los productos resultantes de la reacción están en el máximo grado posible de oxidación. (Ver Fig. Nº 1).
En este caso las reacciones químicas que tienen lugar son
C + O2 CO2 + 32,8 MJ/KgH2 + ½O2 H2O + 142 MJ/KgS + O2 SO2 + 165 MJ/Kg
COMPOSICION DEL AIRE
ELEMENTO % en volumen
% en peso
Nitrógeno 78,14 75,6
Oxígeno 20,92 23,1
Argón 0,94 0,3
Neón 1,5*10-3 1,0*10-3
Helio 5*10-4 0,7*10-4
Criptón 1,0*10-4 3,0*10-4
Hidrógeno 5*10-5 0,35*10-5
Helio 1*10-5 4*10-5
ELEMENTO % en volumen
% en peso
Nitrógeno 78,14 75,6
Oxígeno 20,92 23,1 N2/O2 3,76 3,34 Aire/O2 4,76 4,34
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ElementePorcentaje en peso de cada elemento
Petróleo R6 Diesel 2 Gas Carbon
Carbono 85,5 86,3 75 77Hidrogeno 11,5 13,0 21 8Oxigeno 0,7 - - -Azufre 1,6 0,22 - 2Nitrógeno 0,76 0,47 - -Agua - - - - Kg aire seco/kg
13,95 14,51 - - combustibleNm3 aire seco/
10,43 11,14 - - Kg combustible
ANALISIS ELEMENTAL DE COMBUSTIBLES NACIONALES Y RELACION AIRE/COMBUSTIBLE
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COMBUSTION COMPLETA ESTEQUIOMETRICA
La cantidad de aire teóricamente necesaria para que estas reacciones se lleven a cabo en forma completa en un combustible se llama aire estequiométrico. La combustión recibe el nombre de combustión estequiométrica.
Con las formulas de las fig. 5 se puede determinar el volumen y masa de aire necesario para la combustión estequiometria de un combustible cualquiera, conociendo su composición elemental.
Así, se deduce que se requiere en masa: 13,59 Kg de aire seco/Kg de petróleo residual, igualmente en volumen se necesita de 10,46 Nm3 de aire seco/ Kg de petróleo residual
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DETERMINACION DE LA CANTIDAD DE AIRE EN LA COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA
Según la composición del aire atmosférico seco, para cada unidad de volumen de O2 que interviene, deben usarse 4,76 unidades de aire y para cada unidad de masa de O2 que interviene deben usarse 4,34 unidades de masa de aire. Las cantidades de aire que interviene en la combustión estequiometrica se indican en la siguiente figura:
Masa de O2 (MO2) (Kg/Kg combustible)
MO2=32(C/12 + H/4 + S/32 - O/32)
Masa de aire (Mas) (Kg/Kg combustible)
Mas=32x4,34(C/12 + H/4 + S/32 - O/32)
Volumen de O2 (VO2) (Nm3/Kg combustible)
VO2=22,4(C/12 + H/4 + S/32 - O/32)
volumen de Aire seco (Vas) (Nm3/Kg combustible)
Vas=22,4x4,76(C/12 + H/4 + S/32 - O/32)
Masa de Aire atmosférico húmedo (Mah)
Mah = Mas + Mas.W W=Humedad especifica del aire (Kg de
agua/Kg de aire seco)
Volumen de aire atmosférico (Vah) (Nm3/Kg combustible) Vah = Vas + 1,244Mas.W 18Kg de agua ocupa 22,4 Nm3
Fig. 5 Parámetros de la combustión estequiometrica
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COMBUSTION INCOMPLETA
Esta es una combustión con producción de inquemados sólidos como el material particulado y el hollín y gaseosos como el CO y los hidrocarburos. Una de las reacciones incompletas mas importantes el la siguiente:
C + ½O2 CO + 9.3 MJ/Kg
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COMBUSTION COMPLETA CON EXCESO DE AIRE
En realidad si solo se asumiría el aire teórico, la reacción no se lleva a cabo completamente, o con la rapidez suficiente, por lo que es necesario agregar una cantidad de aire, es decir tener un exceso respecto al aire estequiometrico para garantizar una combustión completa. Este exceso se determina en función del porcentaje del oxigeno que se mide en los gases de escape. En este caso el exceso de oxigeno permite transformar una parte del SO2 en SO3; C y CO en CO2
Indice o n=(aire real)/(aire teorico)Coeficiente deexceso de aire n=(3,76%O2)/(1 - %CO2 - 4,76%O2)
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OBTENCION DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA
En la siguiente figura se detalla el procedimiento de obtención de los productos de combustión estequiometrica de un combustible
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OBTENCION DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTION CON EXCESO DE AIRE
Si como es normal la combustión se lleva a cabo con exceso de aire, los gases totales de la combustión pueden calcularse a partir de las relaciones de la figura siguiente.
