Propiedades de La Combustion Mia

PROPIEDADES DE LA COMBUSTION

ROBERTO DAVID HABIB SAMIR ARLEY ARIZA

QUE ES LA COMBUSTIÓN?

Es un proceso fisicoquímico en el cual un combustible reacciona rápidamente con un comburente, liberando la energía química almacenada en sus enlaces.

CONCEPTOS PRELIMINARES

COMBUSTIBLE: los combustibles se clasifican de acuerdo a la fase en que se encuentran.

Sólidos: Madera, carbón productos de desechos de operaciones agropecuarias e industriales.

líquidos: mezclas de hidrocarburos derivados del petróleo, (ACPM, querosene, gasolina, fuel oíl).

Gaseosos: Gas natural, GLP, butano, metano.


COMBURENTE: Se considera que está disponible en el aire sin embargo, la disponibilidad y calidad del oxigeno para la combustión, incide en la ocurrencia optima y segura de esta, algunos factores que afectan la disponibilidad y calidad del O2 son:

El aumento de altura sobre el nivel del mar

Viciado del aire


EFECTO DE LA ALTITUD SOBRE EL CONTENIDO MÁSICO DE OXIGENO

El aumento de altura sobre el nivel del mar disminuye la presión parcial del O2 reduciéndose su contenido másico, lo cual incide en la combustión incompleta del carbono.


La presencia de un combustible y un comburente, no es condición suficiente para que la combustión se inicie, auto-sostenga y propague, se requieren de otras condiciones complementarias para su ocurrencia.

Proporciones adecuadas. Temperatura de ignición. Energía de ignición.

CONDICIONES PARA QUE OCURRA LA COMBUSTION

LIMITES DE INFLAMABILIDAD: Significa que una mezcla cuya composición no se halle dentro de los limites de inflamabilidad, no puede encenderse aunque esté expuesta a una chispa o a una llama.

Depende de la composición del combustible, presencia de inertes, temperatura y presión de la mezcla combustible- oxidante y de la geometría del recinto.



LIMITES DE INFLAMABILIDAD:

LIMITES DE INFLAMABILIDAD:

LEY DE LE CHATELIER: Es utilizada para encontrar los limites de inflamabilidad cuando se trata de varios gases combustibles a partir de los valores para los respectivos componentes.


LIMITES DE INFLAMABILIDAD: EJEMPLO: Calcular los limites de inflamabilidad en el aire

de una mezcla con 80% de CH4 y 20% de CO. Con los valores del LSI y LII del CH4 y del CO que aparecen

en la tabla se obtiene para la mezcla.


MÍNIMA ENERGÍA DE IGNICÍON: Es la cantidad de energía que es necesario suministrar a una mezcla combustible-aire para que la combustión se inicie auto-sostenga y propague, (energía requerida para que la mezcla alcance su temperatura de ignición).


MÍNIMA ENERGÍA DE IGNICÍON DEPENDE DE:

Composición del comburente: si es oxigeno puro en proporción estequiometria, la energía de ignición requerida es menor que la de una mezcla estequiometria con aire.

la presión de la mezcla: A menor presión para una composición determinada de combustible en la mezcla, la energía de ignición requerida es mayor.


MÍNIMA ENERGÍA DE IGNICÍON:


MÍNIMA ENERGÍA DE IGNICION: Energía mínima de ignición para gases

representativos.


PUNTO DE INFLAMACIÓN, (TIF): Es la temperatura mínima en condiciones normales de presión, a la cual se desprende la suficiente cantidad de vapores para que se produzca la inflamación mediante la aportación de un foco de ignición externo.

El punto de inflamación varía con la composición del combustible, con la proporción combustible a comburente y con las condiciones de operación.


PUNTO DE IGNICIÓN, (TIG): Es la temperatura mínima que debe alcanzar la mezcla combustible-oxidante para que se inicie la combustión y se auto-propague.

Esta temperatura depende de la composición de la mezcla, de la presión y de la presencia de sensibilizadores, sustancias que disminuyen el punto de ignición o de inhibidores (sustancia que lo aumentan).


PROPIEDADES DE COMBUSTION

Estas propiedades son muy importante conocerlas ya que con ellas podemos conocer acerca de:

Disponibilidad energética por cantidad del combustible

Condiciones para que ocurra la combustión

los requerimientos de aire para tener una combustión completa

Cantidad y composición de productos de combustión

CONDICIONES PARA DEFINIR LAS

PROPIEDADES

Para introducir las propiedades de combustión se establecen las Siguientes consideraciones:

La combustión del combustible y el comburente es estequiometrica

Si el oxigeno se toma del aire atmosférico y este se considera seco

Si el combustible esta en fase gaseosa, este y el aire se

consideran gases ideales

REACCION ESTEQUIOMETRICA GENERAL

La reaccion estequiometrica de un hidrocarburo CxHy con Y átomos de hidrogeno y X de carbono es la siguiente:

En la combustión, como en toda reaccion química, se forman nuevos compuestos a partir de los que originaron la reacción.

El numero de átomos de cada elemento involucrado permanece invariable

PROPIEDADES PARA COMBUSTIBLEES GASEOSOS PUROS,

RELACIONADAS CON EL REQUERIMIENTO DE AIRE Y PRODUCTOS

DE COMBUSTION Volumen estequiometrico del aire ( Va): es el volumen normal o estándar de aire requerido para quemas estequiometricamente un m^3 de gas combustible, se expresa en m^3* aire/ m^3*gas Volumen de dióxido de carbono( Vco2): es el volumen de dióxido de carbono normal o estándar, producido por la combustión estequiometrica de un m^3 de gas combustible, se expresa en m^3*CO2 / m^3*gas

Volumen de agua (VH2O): Es el volumen de vapor de agua normal o estándar producido por la combustión estequiometrica de un m^3* de gas de combustible , se expresa en m^3* H20/ m^3 gas

Volumen de humos secos ( vhs): es el volumen de humos secos normal o estándar producido por la combustión estequiometrica de un m^3* de gas combustible, se expresa en m^3* humos secos/m^3*gas

PROPIEDADES PARA COMBUSTIBLEES GASEOSOS PUROS, RELACIONADAS CON EL REQUERIMIENTO DE AIRE Y

PRODUCTOSDE COMBUSTION

Volumen de humos húmedos ( vhh): es el volumen de humos húmedos normal o estándar producido por la combustión estequiometrica de un m^3* humos húmedos/m^3*gas

Porcentaje máximo de CO2: es la relación entre el volumen del CO2 y el volumen de humos secos en porcentaje, en condiciones de combustión estequiometrica este valor es máximo.



DE COMBUSTION

Masa estequiometrica de aire ( ma): es la masa de aire en kg, necesaria para obtener una combustión estequiometrica de un kg de combustible.



DE COMBUSTION

Masa de humos humedos (mhh): es la masa de productos de combustión humedos que se produce por la combustión estequiometrica de un kg de combustible.

Masa de humos secos ( mhs): Es la masa de productos de combustión secos en kg que se producen para la combustión estequiometrica de un kilogramo de combustible



DE COMBUSTION

DETERMINACION DE LA CANTIDAD ESTEQUIOMETRICA DE AIRE Y PRODUCTOS DE COMBUSTION PARA UNA

MEZCLA DE COMBUSTIBLES GASEOSOS

Volumen estequiometrico de aire: si la mezcla de combustible tiene oxigeno se tiene:

= fracción molar de cada componente en la mezcla= Volumen estequiometrico de aire de cada componente

= fracción de O2 en el combustible



Volumen de humos húmedos: si la mezcla de combustibles contienen gases inertes como el N2 y CO2, entonces:

Porcentaje máximo de CO2: se determina mediante:

= porcentaje Max de cada componente en la mezcla



Masa estequiometrica de la mezcla ( mam): si la mezcla contiene oxigeno, se determina así:

Ymi= fracción en masa del componente i Yi = fracción en volumen del componente i Mi = peso molecular del componente i MM = peso molecular de la mezcla



Masa estequiometrica de la mezcla ( mam): si la masa contiene oxigeno, se determina así:

mam= masa estequiometrica de la mezcla mai = masa estequiometria del componente i YmO2 = fracción en masa del O2 en la mezcla



Masa de humos humedos de la mezcla: si la mezcla contiene N2 y CO2, se define como:

mhhm= masa de humos humedos de la mezcla mhhi = masa de humos humedos del componente i XmCO2 = fracción en masa del CO2 en la mezcla XmN2 = fracción en masa del N2 en la mezcla

EJEMPLO

Un gas natural tiene la siguiente composición en volumen 85% CH4, 10% C2H6, 4% CO2 y 1%O2, determinar las propiedades de combustión Va, Vhh, Vhs.

SOLUCION Va:

DE TABLAS:

VaCH4 = 9.52 m^3 aire/m^3 gas VaC2H6= 16.66 m^3 aire/m^3 gas

EJEMPLO

Vhh:

DE TABLAS:

VhhCH4 = 10.52 m^3 aire/m^3 gas VhhC2H6= 18.16 m^3 aire/m^3 gas

EJEMPLO

Vhs:

DE TABLAS: VhsCH4 = 8.52 m^3 aire/m^3 gas VhsC2H6= 15.16 m^3 aire/m^3 gas

Es la relación entre el poder calorífico del gas y la raíz cuadrada de la densidad relativa de este. Para ello generalmente se toma el poder calorífico superior:

El índice de Wobbe es una forma de clasificar los combustibles gaseosos.

Es una medida del contenido energético de un gas, y como un indicar en casos de que un equipamiento requiera un cambio de combustible.

En general se permiten variaciones de hasta 5%, ya que ellas no alteran de forma sensible el rendimiento del equipamiento.

ÍNDICE DE WOBBE

CLASIFICACIÓN

PRIMERA FAMILIA. Índice de Wobbe comprendido entre 5.700 y 7.500 Kcal /m3(n). Pertenecen a esta familia el gas manufacturado, el gas de coquería, y el gas de mezcla hidrocarburo-aire de bajo índice de Wobbe.

SEGUNDA FAMILIA. Índice de Wobbe comprendido entre 9.680 y 13.850 Kcal/m3(n). Pertenecen a esta familia los gases naturales y las mezclas hidrocarburo-aire de alto índice de Wobbe (aire propanado).

TERCERA FAMILIA. Índice de Wobbe comprendido entre 18.500 y 22.070 Kcal/m3(n) Pertenecen a esta familia los GLP (gases licuados del petróleo), propano, butano...

ÍNDICE DE WOBBE

ÍNDICE DE WOBBE

DEFINICIÓN: Es la temperatura a la cual se inicia la condensación del vapor de agua en los productos de combustión.

FACTORES QUE LA AFECTAN: Presión:

TEMPERATURA DE ROCÍO

FACTORES QUE LA AFECTAN:

EL EXCESO DE AIRE: El exceso de aire disminuye la temperatura de roció, debido a que la presión parcial del H2O disminuye como consecuencia del incremento del volumen de gases húmedos.


IMPORTANCIA:

Cuando se requiere evitar la condensación en los conductos de evacuación de humos, para prevenir el deterioro de los materiales constitutivos de estos por causa de la humedad.

Cuando se requiere implementar sistemas de combustión con condensación, donde se necesita provocar la condensación de vapor de agua al interior del aparato, para aprovechar el calor latente de vaporización y mejorar la eficiencia de combustión.


Poder calorífico: Es la cantidad de energía liberada por un combustible

cuando se quema estequiometricamente y los productos de combustión salgan a igual condición ( P y T ) a la que entran los reactivos.

Poder calorífico superior ( PCS):

es la cantidad de energía liberada durante la combustión de un combustible y el agua en los productos de combustión se encuentra en fase liquida

ESTIMACION DE PROPIEDADES RELACIONADAS CON EL CONTENIDO ENERGETICO DE UN COMBUSTIBLE

GASEOSO

Poder calorífico inferior:

Es la cantidad de energía liberada durante la combustión y el agua en los productos de combustión se encuentra como vapor

la diferencia entre el PCS y el PCI es el calor latente de vaporización del agua

ESTIMACION DE PROPIEDADES RELACIONADAS CON EL CONTENIDO ENERGETICO DE UN

COMBUSTIBLE GASEOSO

DEFINICIÓN: Es la relación entre la energía contenida por unidad volumétrica de combustible.

PCS=poder calorífico superior volumétrico. PCI=poder calorífico inferior volumétrico. =volumen molar definido a condiciones normal o

estándar

PODER CALORÍFICO VOLUMÉTRICO

Calor de formación

es el calor absorbido o liberado cuando un compuesto se forma a partir de sus elementos; también se denomina entalpia de formación.

Calor o entalpia de reacción hr: La entalpía de reacción es la energía asociada a una

reacción, y viene dada por la suma de las entalpías de formación de productos menos la de reactivos según sus coeficientes estequiométricos (n), siendo las entalpías de formación de los elementos en su estado natural iguales a cero.

.

ESTIMACION DE PROPIEDADES RELACIONADAS CON EL CONTENIDO ENERGETICO DE UN COMBUSTIBLE

GASEOSO

TABLA ENTALPIAS DE FORMACION DE ALGUNOS COMPUESTOS

Poder calorífico y calor de reacción:

conocido el calor de reacción de un combustible, el poder calorífico superior se define como:

Para determinar el poder inferior superior se puede utilizar:

= coeficiente estequiometrico del agua en los productos de combustión = calor latente de vaporización del agua a 25°C y 1

atm

ESTIMACION DE PROPIEDADES RELACIONADAS CON EL CONTENIDO ENERGETICO DE UN

COMBUSTIBLE GASEOSO

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE LAS PROPIEDADES DE COMBUSTIÓN DEL METANO AL ADICIONAR HIDRÓGENO

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE LAS PROPIEDADES DE COMBUSTIÓN DEL METANO

AL ADICIONAR HIDRÓGENO La disminución de la mayoría de estas propiedades es

debido a que el hidrógeno requiere de una menor cantidad de aire que el metano para realizar una combustión estequiométrica.

A medida que se aumente la cantidad de hidrógeno se tendrían menos requerimientos de aire. Tecnológicamente, esta variación que produce el hidrógeno en la combustión del gas lo presenta como una alternativa para compensar la disminución del oxígeno a medida que aumenta la altura sobre el nivel del mar.

respecto a los límites de inflamabilidad, la poca sensibilidad del límite inferior se debe a que éste es casi similar para el hidrógeno y el metano.

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE LAS PROPIEDADES DE COMBUSTIÓN DEL METANO

AL ADICIONAR HIDRÓGENO No presenta grandes variaciones en índice de wobbe lo cual

no implicaría hacer grandes modificaciones en los sistemas de combustión para intercambiabilidad de los gases.

La poca sensibilidad de la temperatura de rocío se debe a que la producción de humos húmedos disminuye con la adición de hidrógeno.

Para el caso del porcentaje de CO2, que es la propiedad que presenta una mayor sensibilidad a la adición de hidrógeno, pues en la figura es la de mayor pendiente, es un resultado importante, pues la disminución de las emisiones de CO2 es un tema que en la actualidad es de vital importancia en cuanto a la disminución del efecto invernadero.

GRACIAS

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