• La Termodinámica de los procesos

químicos juega un papel importante en la

práctica de la ingeniería.

• Su aplicación es diversa en un gran

número de industrias extractivas o de

transformación.

• En todas ellas resulta importante el

balance de materiales así como de

energía química liberada.

• Por otro lado, la combustión es uno de

los procesos unitarios más estudiados.

• Centra su atención en la oxidación del C,

el 𝑯𝟐 y el S contenido en una sustancia a

través de la reacción directa de estos con

el 𝑶𝟐 contenido en el aire el que se

traduce en un desprendimiento de calor.

INTRODUCCIÓN

COMBUSTIÓN

Aprovechamiento del Calor

ENERGÍA DE LOS COMBUSTIBLES

GENERACIÓN DE CALOR

FUERZA MOTRIZ

SECADOEVAPORACIÓN

COCCIÓNCALEFACCIÓN

MOVIMIENTO DE:BOMBAS

COMPRESORESTURBINAS

GENERACIÓN DE VAPOR

GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

ILUMINACIÓNPROCESOS QUÍMICOS

PROCESOS ELÉCTRICOSUSUARIOS FINALES

Aprovechamiento del Calor

Po

der

Cal

orí

fico

Perdidas al Medio

2-5 %

Flujo de Energía en Gases

10 – 30 %

Energía almacenada. Solo para procesos

discontinuos

Cal

or

Net

o

Ap

rove

chad

o6

0 –

95

%

Energía gastada en evaporar el

agua

Calor

Disponible

E-1

I-1 I-2

I-3

I-4

I-5 I-6

Las formas microscópicas de energía de una sustancia están formadas por

energías sensible, latente, química y nuclear.

1.0 COMBUSTIÓN

Durante un proceso de combustión la unión química es destruida dando lugar a productos

con nuevos enlaces. Usualmente se desprende una gran cantidad de energía

sensible.

La combustión es una reacción química de oxidación de un combustible en la que se

produce una liberación de energía para un aprovechamiento determinado.

Los combustibles gaseosos son mezclas de gases usualmente fáciles de identificarse individualmente.

Los combustibles líquidos como la gasolina y el kerosén por ejemplo, también son mezclas de hidrocarburos simples que pueden ser identificados y separados.

Los combustibles sólidos como el carbón, los hidrocarburos pesados y los biocombustibles son estructuras complejas difíciles de ser reducidas a componentes individuales.

No obstante lo anterior es necesario un ANÁLISIS ELEMENTAL en términos de C, H, O, S, etc.

1.1 ANÁLISIS DE LOS COMBUSTIBLES

1.1.1 Punto de Ebullición de los Combustibles

1.1.2 Características de los Combustibles

1.1.3 Propiedades de los Combustibles (I)

• Combustibles Líquidos

Punto de Ignición: temperatura del combustible en la cual la llama provoca una combustión continua.

Temperatura de auto ignición: temperatura mínima de una mezcla aire – combustible en la cual la combustión se inicia y mantiene.

Punto de fluidez: temperatura mínima necesaria para que el combustible se torne fluido.

Viscosidad: propiedad que determina las condiciones de almacenamiento, bombeo económico y atomización. Todas la propiedades tienen métodos y normas de medición y algunas pueden varias su resultado dependiendo del método que se utilice.

1.1.3 Propiedades de los Combustibles (II)

• Combustibles Gaseosos Densidad relativa: con relación al aire a la misma presión y temperatura. Numero de Wobbe: esta ligada a la íntercambiabilidad de gases en un quemador.

• Combustibles Sólidos Los principales combustibles sólidos son el carbón vegetal y el carbón mineral. Análisis Inmediato: ve algunos parámetros relacionados con la utilización del combustible. Estos son: carbono fijo, material volátil, cenizas, humedad, inquemados.

Rρ

PCIW

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (I) 2.1 Ecuación de Reacción

Los reactantes como los productos están descritos por formulas o símbolos combinados con coeficientes

adecuadamente balanceados.

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (II) 2.2 Reactantes y productos: En un proceso de combustión de flujo y estado estable (FEES), los componentes que ingresan a la cámara de reacción son denominados reactantes y están formados por el combustible y el comburente. Los componentes que salen de la misma se denomina productos.

Gases de Combustión

Combustible

Comburente

REACTANTES PRODUCTOS

Combustión

2.3 Combustión Ideal: Es la reacción que queda definida por una simple ecuación química balanceada. Se le denomina también combustión teórica. 2.4 Combustión Completa e Incompleta: La combustión se dice que es completa si en cuyos productos no se encuentra el monóxido de carbono (CO). En este caso el carbono (C) se oxida completamente hacia CO2. En caso contrario será incompleta.

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (III)

Cámara de

Combustión

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (IV) 2.5 Aire y Mezcla estequiométrica Es aquella que contiene la proporción de aire y combustible mínimo necesario para que la combustión sea completa. Es la que contiene el aire estequiométrico. Que la mezcla sea estequiométrica no indica necesariamente que sea completa.

Que la mezcla sea estequiométrica no indica necesariamente que sea completa.

• No hay combustible • Libre de OxÍgeno

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (V) 2.6 Relación Aire – Combustible Es la relación entre la masa de aire y la masa de combustible utilizadas en la

combustión. 𝑟𝐴/𝑐 =𝑚𝐴

𝑚𝐶

2.7 Relación Combustible –Aire Es la relación entre la masa de combustible y la masa de aire utilizadas en la

combustión. 𝑟𝐶/𝐴 =𝑚𝐶

𝑚𝐴

Cámara de Combustión

r A / C =17

Detec. de llama

Temp. y Presión

Aire

GN

Combustible

C/H

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (VI) 2.8 Combustión Ideal con O2: Consideremos la combustión de los principales elementos combustibles:

C + O2 CO2

2H2 + O2 2H2O

S + O2 SO2

• La masa de productos debe ser igual a la masa de reactivos. • La cantidad de moles de los productos no es igual a la de los

productos. • El volumen de los reactivos medidos a condiciones normales de

presión y temperatura no es igual al volumen de los productos a las mismas condiciones.

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (VII) En general la oxidación se puede presentar en forma especifica o en forma general tal como se indica.

Ecuación especifica:

Hidrocarburo

C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4 H2O(l)

Ecuación general: CXHY + O2(g) aCO2(g) + bH2O(l)

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (VIII) 2.9 Aire Atmosférico – Composición: El oxidador más a menudo utilizado en el proceso de combustión es el aire. La humedad contenida esta comprendida dentro de 21% de O2 y 79% de N2 por kmol de aire. Así:

Aire = (O2 + 3.76 N2 ) 2.10 Combustión ideal con Aire: Si el proceso de combustión es completa y, en los productos no se tiene O2 libre, se denomina combustión teórica o estequiométrica.

CH4(g) + 2(O2 + 3.76 N2 ) CO2(g) + 2H2O(l) + 7.52 N2

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (IX) 2.11 Combustión Ideal con Exceso de Aire: Como se vio anteriormente el H2 se oxida hasta formar H2O y que el C lo hace hasta CO2. Si existiera azufre, este lo haría hacia SO2. Si se utilizara únicamente la cantidad teórica de aire, el combustible no se quemaría completamente pues algunas moléculas no encontrarían al O2 correspondiente. Por esta razón es necesario utilizar un exceso de aire. A temperaturas ordinarias de combustión, el nitrógeno N2 se comporta como un gas inerte y no reacciona con los otros elementos. Juega un papel de caloportador. EJEMPLO.- Encuentre la relación aire - combustible teórica para la combustión del propano (C3H8) con aire estequiométrico.

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (X) Aire real (aR): Es la cantidad de aire que ingresa al proceso de combustión Exceso de Aire (ex): Porcentaje de aire teórico (aT): Mezcla rica: Es la que contiene una cantidad de aire menor que la estequiometrica (aire en defecto) Mezcla pobre: Es la que contiene aire en exceso EJEMPLO.- Encuentre la relación aire - combustible para la combustión del propano (C3H8) con 40 % de exceso de aire.

100*a

aaex

T

TR

100*a

a%a

T

RT

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (XI) 2.12 Combustión Real: En la práctica el proceso de combustión no es completo a pesar de tener un exceso de aire. El exceso de aire solo logra que se forme una menor cantidad de CO tanto que en muchos casos puede considerarse despreciable y tiene la desventaja de que se pierde energía en los productos.

2.12.1 Combustión Completa (con exceso de aire): Importancia Cuando 1kmol de Carbono reacciona totalmente a CO2, libera 3.5 veces más energía que cuando reacciona totalmente hacia CO. Esto justifica la tendencia a reducir al mínimo la formación del CO.

EJEMPLO.- Un combustible cuyo análisis gravimétrico es: 82% C, 14% H2, 4% O2, se quema con 150% de aire teórico. Se sabe que el 80% del carbono reacciona formando CO2. Determine la relación aire – combustible.

2.0 PROCESO DE COMBUSTIÓN (XII) 2.12.2 Combustión con Deficiencia de Aire: En estos procesos el C reacciona formando CO y CO2 en proporciones que dependen de la deficiencia de aire. Puede darse el caso que haya combustible sin quemarse en los productos, situación que se presenta en aquellos casos de mezclas ricas. EJEMPLO.- Se quema Butano (C4H10) con 90% de aire teórico. Hállese la ecuación de reacción y la relación aire – combustible.

3.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN (I) 3.1 Análisis de los Productos: El análisis de los productos de la combustión permite determinar la composición de los gases o humos resultantes. SE analizan para tener información acerca de:

La relación aire – combustible. La composición aproximada del combustible. Perdidas de energía debidas a la combustión incompleta. Exceso o deficiencia de aire.

3.2 Métodos de Análisis: Para la determinación de la composición de los productos de la combustión se utilizan los siguientes métodos: Análisis Orsat, Conductividad Térmica, Resistencia Magnética, Medidor de CO2.

3.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN (II) 3.3 Analizadores:

3.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN (III) 3.3 Cálculos Basados en el Análisis de los Productos: En los productos de la combustión esta presente el vapor de agua debido a que los hidrocarburos tienen H2. Además el aire también tiene una pequeña cantidad de vapor de agua. La composición de los gases se da en porcentaje volumétrico (%V) y sin considerar el agua, razón por la cual se dice que el análisis es en base seca. Se pueden presentar los casos siguientes: Dada la formula del combustible y el análisis de los productos. Dada la composición del combustible y el análisis de los

productos. Dado el análisis de los productos y el combustible

desconocido.0

3.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN (IV)

3.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN (V) 3.3.1 Dada la formula del combustible y el análisis de los productos:

En un proceso de combustión de flujo y estado estable (FEES), a presión constante de 1 bar, se quema butano (C4H10) y el análisis de los productos secos arroja lo siguiente: 7.8% CO2, 8.2% O2, 1.1% CO y 82.9% N2. Determinar el porcentaje de aire teórico utilizado.

Mechero Eléctrico de Laboratorio Incorpora sensor infrarrojo de encendido por proximidad. Tomas diferentes para gas natural, propano/butano y gas ciudad. Tiene un sistema de protección de exceso de temperatura.

3.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN (VI) 3.3.2 Dada la composición del combustible y el análisis de los productos:

Un gas natural tiene la siguiente composición: 54.3% CH4, 16.3% C2H6, 16.2% C3H8, 7.4% C4H10 y 5.8% N2. Este gas se quema y en los productos se encuentra: 8.0% CO2, 1.0% CO, 8.8% O2 y 82.2% N2. Determinar el exceso de aire utilizado.

Generador de Vapor Caldera tipo Paquete, de doble Domo, con cámara de combustión presurizada, tipo D. Opera con Gas natural.

3.0 PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN (VII) 3.3.3 Dado el análisis de los productos y el combustible desconocido:

Para la combustión de un cierto hidrocarburo se utiliza aire. El análisis de los productos arroja lo siguiente: 10.5% CO2, 5.3% O2, 0.5% CO y 83.7% N2. Determine la composición del combustible y el porcentaje de aire teórico utilizado.

Caldera de Aceite Térmico Son útiles a partir de un determinado volumen de gases entre 450 y 550 °C cuyo calor genera agua caliente hasta 90 °C, vapor sobrecalentada hasta 130/140 °C o fluido térmico hasta 220/230 °C.

4.0 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA COMBUSTIÓN (I) 4.1 Energía Química: Es la energía que posee el combustible y que es liberada durante el proceso de combustión completa. Es fija para cada combustible e independiente de las condiciones de los reactantes como de la naturaleza del proceso de combustión. 4.2 Calor de Reacción: Es el calor que deben transferir los productos de cualquier reacción química para enfriarse hasta al temperatura inicial de los reactantes. 4.3 Calor de Reacción Estándar: Es el calor de reacción a las condiciones estándar de presión y temperatura. La presión estándar es 1 atm y las temperaturas utilizadas son 18 ºC, 20 ºC y 25 ºC.

4.0 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA COMBUSTIÓN (III) 4.4 Calor de Combustión: Cuando se trata de combustibles y la combustión es completa, el calor de reacción con frecuencia se denomina calor de combustión. Igualmente habrá un calor de combustión estándar. Según el tipo de proceso el calor de combustión puede ser: 4.4.1 Calor de combustión a presión Constante: Se da en proceso continuos o semicontinuos

Cámara deCombustión

Combustible

Aire Gases de

Combustión

Calor (Q)PRODUCTOSREACTANTES

Cámara deCombustión

Combustible

Aire Gases de

Combustión

Calor (Q)PRODUCTOSREACTANTES

RPp HHQ

4.0 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA COMBUSTIÓN (IV)

4.4.1 Calor de combustión a Volumen Constante: Se da en procesos por cargas o discontinuos

MezclaAire+Combustible

Calor ( Q )

MezclaAire+Combustible

Calor ( Q )

RPV UUQ

RPP PVUPVUQ

RPVP PVPVQQ

TRRPVP nnQQ

4.0 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA COMBUSTIÓN (V) 4.5 Poder Calorífico: Es la máxima cantidad de calor que puede transferirse de los productos de la combustión completa, cuando estos son enfriados hasta la temperatura inicial de la mezcla aire combustible. Se expresa por unidad de masa de combustible. 4.5.1 Poder Calorífico Superior (PCS): Es el calor que se obtiene cuando el vapor de agua (H2O) formado durante la combustión condensa totalmente, la enfriar los productos hasta la temperatura de los reactivos. 4.5.2 Poder Calorífico Inferior (PCI): Es el calor que se obtiene cuando el vapor de agua (H2O) formado durante la combustión NO condensa totalmente, la enfriar los productos hasta la temperatura de los reactivos. La diferencia entre estos dos PC es igual al calor latente (hfg) del vapor de agua formado en la combustión a la temperatura inicial de la mezcla aire - combustible.

n

i i

i=1

PC= fPC

4.0 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA COMBUSTIÓN (VI) La determinación del poder calorífico de una sustancia se puede hacer directamente o teóricamente: • DIRECTAMENTE: Por medio del calorímetro y ayudados de una bomba calorimétrica, teniendo en cuanta además que el calor cedido va a ser igual al calor absorbido. • TEÓRICAMENTE: Aplicando la ley HESS (calores de reacción en una reacción química). Un proceso de combustión no es más que una reacción química: Q = HR − HP Para calcular el poder calorífico de un combustible gaseoso (mezcla de gases) hay que conocer la composición volumétrica del mismo y sus respectivos poderes caloríficos de manera que:

4.0 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA COMBUSTIÓN (VII) 4.6 Entalpía: Cuando se trata de rxns químicas es necesario establecer un nivel de referencia a partir de los elementos, a fin de determinar la entalpía de las sustancias que interviene en la reacción. Por ello se ha establecido que la entalpía de todos los elementos en estado molecular o estable, es CERO a 25 ºC y 1 atm. La entalpía varia en función de la temperatura.

O

25 ºC (298 K)

TA

N2

O2

h=f(T)

o

Fh =0

Ah

Ah

hh

T

h

4.0 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA COMBUSTIÓN (VIII) 4.6.1 Entalpía de combustión:

Es la diferencia entre la entalpía de los productos y reactantes a las mismas condiciones de presión y temperatura al ocurrir la combustión completa.

RP P RH =H -H

4.6.2 Energía Interna: Es la diferencia entre la energía interna de los productos y reactantes a las mismas condiciones de presión y temperatura al ocurrir la combustión completa.

RP P RU =U -U RP RP P RH -U = n -n RT

P RPQ =-H

V RPQ =-U

Los procesos de combustión son exotérmicos por lo que el calor es transferido fuera de los limites del sistema.

4.0 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA COMBUSTIÓN (IX) 4.8 Entalpía de Formación:

La entalpía de formación de un compuesto se determina a partir de sus elementos en una reacción química a las misma condiciones estándar y es la entalpía de reacción correspondiente a dicho proceso.

2 2C+O CO

o o ooP R PRPq =- h -h =-h

o o ooCO2 C O2Pq =- h -h -h

ooCO2P

o

Fq =-h =-h

Combustión Intercambiador

de calor

25 ºC Tx ºC 25 ºC

C

O2

CO2

1 X 2

QP

4.9 Cálculo de las entalpías

4.0 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA COMBUSTIÓN (X)

o

Fh h h

O

25 ºC (298 K)

TA

h=f(T)

o

Fh

Ah

h

T

h

4.10 Cálculo del Calor (Q)

o o

F FRPP R

Q=H = h + h - h + h

Combustión Intercambiador

de calor

25 ºC Tx ºC 25 ºC

Combustible

Aire

Productos

1 X 2

QP

Adiabátic

o

4.0 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA COMBUSTIÓN (X) 4.11 Temperatura de llama Adiabática: La llama se define como el medio gaseoso donde se desarrollan las reacciones de combustión; aquí es donde el combustible y el comburente se encuentran mezclados y en reacción. En la práctica no se puede alcanzar esta temperatura debido a que la combustión es incompleta, al exceso de aire a las perdidas de calor y a la disociación de productos a altas temperaturas.

P R XQ=0 H =H T

Combustión Intercambiador

de calor

25 ºC Tx ºC 25 ºC

Combustible

Aire

Productos

1 X 2

QP

Adiabátic

o

4.0 ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA COMBUSTIÓN (VI) Ejemplo Octano (C8H18 en su forma gaseosa) se quema con aire seco. El análisis volumétrico de los productos en base seca es 8.86% CO2, 0.662% CO, 7.51% O2, y 82.978% N2. Balancee la ecuación y determine: (a) La relación aire – combustible. (b) El exceso de aire. (c) El calor desprendido. (d) La eficiencia de uso de combustible. (PCS = 44.44 kJ / kg)

5.0 Control de la combustión por ajuste de O2

5.0 Control de la combustión por ajuste de O2