Apunte combustion, analisis de productos de combustion y combustibles PDF

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Apunte completo de combustión, dándole énfasis en combustibles y análisis de productos de la combustión, ya sea combustión completa como incompleta....

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COMBUSTION – COMBUSTIBLES Y ANALISIS PRODUCTOS COMBUSTION Combustión es una reacción química rápida entre una sustancia combustible y el oxígeno ( oxidación), a una temperatura adecuada ( temperatura de ignición). En esta reacción química se libera una determinada cantidad de calor, en mayor o menor grado, dependiendo del tipo de combustible y de la forma en que se realice la combustión, produciéndose una llama característica.

Combustible

+

Oxígeno

Productos Combustión

+

Calor

El oxígeno puede ser suministrado en forma pura o bien del aire atmosférico. Solamente existen 3 elementos químicos combustibles, que son:   

Hidrógeno Carbono Azufre

- H2 - C - S

Peso molecular Peso molecular Peso molecular

= 2 = 12 = 32

kg/kmol kg/kmol kg/kmol

Por lo tanto toda sustancia combustible debe poseer en su constitución química, a lo menos, uno de los 3 elementos químicos combustibles. Los combustibles más comunes, tales como el carbón, madera, petróleo y gas, están constituidos principalmente por Carbono, Hidrógeno, Azufre, y trazas de otros componentes químicos como Nitrógeno, Oxígeno, Agua y cenizas ( materias minerales inorgánicas ). COMBUSTION

Elemento Combustible

DE LOS ELEMENTOS QUIMICOS

+

Oxígeno

C + O2 C + ½O2 H2 + ½O2 H2 + ½O2 S + O2 N2 ( No reacciona ) H2O ( No reacciona ) O2 + O2 Cenizas ( No reaccionan )

COMBUSTIBLES.

Productos Combustión

+

Calor

CO2 + 7.832 kcal /kg (comb.comp) CO + 2.200 kcal /kg (comb.incom.) H2O(l) + 33.888 kcal /kg (PCS) H2O(g) + 28.651 kcal /kg (PCI) SO2 + 2.200 kcal /kg N2 H2O ( O2 libre) si se suministra en exceso Cenizas ( sólidas ) precipitan ( no pasan a los humos)

2 Cuando se suministra exceso de oxígeno, a una combustión, entonces debe aparecer oxígeno libre en los productos de la combustión. Para efectos de cálculo de combustión se acostumbra a trabajar con ”kmoles” de una sustancia. 1 kmol =

6,023 * 1026 moléculas

m = n * PM

( kg)

m = masa en kg n = kmoles PM = Peso molecular en kg/ kmol COMBUSTION C kmol) 1 kg) 12

DEL CARBONO + + +

O2 1 32

kg O 2 / kg carbono =

C kmol) 1 kg) 12

H2 kmol) 1 kg) 2 kg) 1

+ + +

½ O2 ½ 16

completa)

CO 1 28

DEL HIDROGENO + + + +

½ O2 ½ 16 8

CON OXIGENO PURO H2O 1 18 9

16 / 2 = 8

DEL AZUFRE + O2 + 1 + 32

kg O 2 / kg azufre =

( para combustión

32 / 12 = 1,33 (combustión incompleta)

kg O 2 / kg Hidrógeno =

COMBUSTION S kmol) 1 kg) 32

CO2 1 44

32 / 12 = 2,67

kg O 2 / kg carbono = COMBUSTION

CON OXIGENO PURO

CON OXIGENO PURO SO2 1 64

32 / 32 = 1

3 COMBUSTION COMPLETA Ocurre cuando los elementos químicos del combustible se quema totalmente, con el oxígeno, según las reacciones indicadas anteriormente y además el combustible libera toda su energía química almacenada. Es la combustión ideal. Los gases deben verse transparentes. En esta situación el carbono del combustible debe pasar todo a dióxido de carbono (CO2), y todo el hidrógeno se transforma en agua.. COMBUSTION INCOMPLETA Se presenta cuando permanecen fracciones o elementos químicos del combustible sin quemar y solamente libera parte de su energía química. Da lugar a la aparición de hollín (humo negro) y monóxido de carbono. CAUSAS DE COMBUSTION INCOMPLETA     

Déficit de oxigeno o aire. Mal mezclado oxígeno ( aire ) – combustible Baja temperatura del hogar o zona de ésteDeficiencia en el sistema de combustión Volumen del hogar insuficiente

COMBUSTIBLES a) NATURALES b) ARTIFICIALES   

Sólidos Líquidos Gaseosos

SOLIDOS NATURALES  Madera  Carbón mineral SOLIDOS ARTIFICIALES  Carbón vegetal  Coke  Papel  Cartón  Etc.

4 LIQUIDOS NATURALES  Petróleo crudo LIQUIDOS ARTIFICIALES  Kerosene  Gasolina  Nafta  Petróleo Diesel Nº 2 ( petróleo liviano)  Petróleo Nº5 o Nº6 ( petróleos pesados)  Alcohol GASEOSOS NATURALES  Gas natural ( metano y etano )  Fermentación de elementos orgánicos GASEOSOS ARTIFICIALES  Gas licuado ( propano y butano )  Gas de cuidad ( destilación del carbón mineral)  Gas de cokería  Gas de alto horno COMBUSTIBLES SOLIDOS ANALISIS QUIMICO

GRAVIMETRICO

Elemento químico

CARBON Lota

CARBON Magallanes

MADERA

H2 C O2 N2 S Cenizas

5,6 73,2 10,9 1,3 1,9 7,3 100 %

6,1 49,0 30,0 0,6 0,3 1 4,0 100 %

6,3 52,0 41,3 0,1 --0,3 100 %

7370

4.790

PODER CALORIFICO SUPERIOR kcal/kg

Seca 10% 20% 30% 50%

: 4.470 hum: 3.980 hum: 3.480 hum: 2.450 hum: 1.960

5 RESIDUOS SOLIDOS ( Poder calorífico inferior ) Basura doméstica Goma, papel, cuero Neumáticos, latex Licor negro Plásticos

: : : : :

1.000 a 4.000 5.500 a 7.000 10.000 a 11.000 2.200 6.000 a 11.000

kcal/kg kcal/kg kcal/kg kcal/kg kcal/kg

COMBUSTIBLES LIQUIDOS

Nº Nombre y tipo 1

2 4 5 6

Gasolina Kerosene Nafta Diesel  Motores  Calderas Residual muy liviano Residual pesado Residual pesado

Peso específico (kg/litro) 0,7 – 0,81

P.C.S kcal/kg

P.C.I kcal/kg

11.200

10.300

0,84 – 0,92

10.900

10.100

0,86 – 0,92

10.200

9.700

0,93 0,95

10.500 10.500

9.700 9.700

ANALISIS DEL PETROLEO Nº 2 DE GRAVIMETRICO Análisis Carbono (C) Hidrógeno (H2) Azufre (S) Cenizas Agua Oxígeno (O2) Nitrógeno (N2) Escurrimiento Inflamación Viscosidad SSU 40 ºC Poder Calorífico Superior (kcal/kg)

Punto inflama ción Menor que 83ºC Mayor que 83 ºC

CALDERAS

Valor típico 86,0 13,1 0,7 Trazas Trazas Trazas Trazas - 4,0 ºC

Máximo ----------1,0 0,02 0,1 ----------------

Mínimo ------------------------------------ 12,0

74 ºC 40

----45

51 ºC 33

10.800

Y/X = ( 13,1/1)/(86/12) = 1,83

( Relación átomos H2/átomos C)

6 Los combustibles derivados del petróleo crudo, se componen esencialmente de carbono e hidrógeno, es por ello que se denominan hidrocarburos. La representación química molecular de estos combustibles es de la forma CxHy La razón y/x , en alguna forma define la característica de los combustibles, de este modo que, en forma aproximada, se tiene: y/x Gas metano Gas propano Kerosene Gasolina Petróleo Diesel Petróleos pesados Carbón mineral

: : : : : : :

4,0 2,7 2,1 2,1 1,8 1,5 0,6 – 0,8

COMBUSTIBLES

GASEOSOS

La gran mayoría de ellos son productos de la destilación fraccionada del petróleo crudo, y por lo tanto son hidrocarburos de la forma CxHy , tales como:      

Metano Etano Propano Butano Heptano Octano

- CH4 - C 2 H6 - C 3 H8 - C4H10 - C7H16 - C8H18

Otros gases combustibles como los obtenidos de la producción del coke, gas de destilación del carbón ( gas corriente o de cuidad), gas de alto horno y gasificación de la madera, contienen adicionalmente oxígeno, nitrógeno, entre otros gases. Importante también es el gas natural que aparece junto con el petróleo crudo o bien solo.

COMPOSICION

VOLUMETRICA ( % )

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Gas alto horno

Gas de coquería

Hidrógeno (H2) Mon. Carbono (CO) Nitrógeno (N2) Oxígeno (O2) Diox.Carb. (CO2) Vapor agua (H2O) Metano (CH4) Benceno ( C6H6) Etileno (C2H4)

3,0 26,0 56,0 ---9,5 5,0 0,5 ------

55,0 7,0 1,5 ---1.2 1,0 32,0 0,8 1,5

Gas pobre (antracita) 24,2 16,6 45,9 ---11,3 ---2,0 ---------

Poder Calorif. Inf. (kcal /m3 ) Densidad (kg/m3 )

900

4.840

1.300

1,25

0,45

1,05

Gas natural: Se denomina gas natural a una mezcla de gases, cuyos componentes principales son hidrocarburos gaseosos, en particular metano el que está en una proporción superior al 70%. El gas natural se encuentra en la naturaleza en las llamadas “bolsas de gas”, bajo tierra, cubiertas por capas impermeables que impiden su salida al exterior. El gas natural se puede encontrar acompañado al crudo, en pozos petrolíferos (gas natural asociado) o bien en yacimientos exclusivos de gas natural (gas natural no asociado). Las reservas probadas de gas natural en Sudamérica al año 1998 es de 5.69 trillones de metros cúbicos, cifra que ha aumentado considerablemente en el último año por los nuevos descubrimientos hechos en Bolivia. De la cifra antes señalada, Venezuela participa con un 71% y Argentina con 12%. El poder calorífico del gas natural que llega a Concepción alcanza, en la actualidad, a los 9.270 kcal/Nm3.

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AIRE ATMOSFERICO Como elemento oxidante, en un proceso de combustión, normalmente se emplea aire atmosférico, el que en algunos casos es previamente calentado. Para efectos prácticos se considera que el aire seco se compone de Nitrógeno y Oxígeno, en la siguiente composición volumétrica:  

O2 N2

= 21 % = 79 %

Considerando el aire atmosférico como un gas ideal, sabemos que en mezcla de gases ideales la relación volumétrica de sus componentes es igual a la relación molar. Por lo tanto tenemos: Volumen de N2

/ Volumen de O2

= kmoles de N2 / kmoles de O2 = 79 / 21

kmoles de N 2 / kmoles de O2 = 3,76. Por lo tanto, por cada kmol de O 2 que suministremos a la combustión, debe ir acompañado de 3,76 kmoles de N2 . Además el nitrógeno es un gas inerte y por lo tanto no reacciona en la combustión, y todo el N 2 del aire, debe aparecer en los productos. PESOS MOLECULARES

CARBONO HIDROGENO AZUFRE OXIGENO NITROGENO AGUA MONOXIDO CARBONO DIOXIDO DE CARBONO DIOXIDO DE AZUFRE

C H2 S O2 N2 H20 CO CO2 SO2

kg/kmol 12 2 32 32 28 18 28 44 64

RELACION AIRE COMBUSTIBLE ( Ra/c ) Es la cantidad de aire suministrada o la que debe suministrarse a una combustión, por unidad de combustible. Puede expresarse en masa o en volumen, es decir :  m3 aire / m3 combustible  kg aire / kg combustible. Debe distinguirse la relación aire combustible real, respecto a la relación aire combustible ideal.

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COMBUSTION IDEAL O ESTEQUIOMETRICA

Ra/c(i)

Es aquella donde se suministra el aire estrictamente necesario, para quemar completamente un combustible y que contiene el oxígeno preciso para asegurar la combustión teórica completa. En esta combustión todo el carbono del combustible debe transformarse en CO 2 y no debe aparecer O2 libre en los productos. QUIMICA DE LA COMBUSTION CON AIRE SECO COMBUSTION C kmol) 1 kg) 12

DEL CARBONO

CON AIRE

+ O2 + 3,76 N2 + 1 + 3,76 + 32 + 3.76*28

CO2 + 3,76 N2 1 + 3,76 44 + 105,28

kg aire/ kg carbono = (1*32+ 3,76*28) / 12 = 11,5

para combustión

C kmol) 1 kg) 12

+ 3,76 N2 + 1,88 + 52,64

+ ½ O2 + ( 3,76/2) N2 + ½ + 1,88 + 16 + 1,88*28

CO 1 28

kg aire/ kg carbono = (16+ 1,88*28) / 12 = 5,75 combustión

COMBUSTION H2 kmol) 1 kg) 2

DEL HIDROGENO

+ ½ O2 + (3,76/2) N2 + ½ + 1,88 + 16 + 1,88*28

kg aire / kg Hidrógeno =

CON AIRE H2O + 1,88 N2 1 + 1,88 18 + 52,64

(16 + 52,64) / 2 = 34,5

COMBUSTION DEL AZUFRE S + O2 + 3,76 N2 kmol) 1 + 1 + 3,76 kg) 32 + 32 + 3.76*28

CON AIRE SO2 + 3,76 N2 1 + 3,76 64 + 105,28

kg aire/ kg azufre = (1*32+ 3,76*28) / 32 = 4,31

completa

incompleta

14 PODER CALORIFICO. Es la cantidad máxima de calor que puede liberar un combustible , cuando se quema completamente en combustión completa, partiendo desde Reactivos a una temperatura estándar ( 15,6ºC o 25ªC) y obteniendo productos a la misma temperatura estándar . Existen dos formas de expresar el Poder Calorífico. PODER CALORIFICO SUPERIOR. Es el calor que libera el combustible cuando el agua formada en los productos sale en fase líquida. PODER CALORIFICO INFERIOR. Es el calor que libera el combustible cuando el agua formada en los productos sale en fase gaseosa (vapor). La diferencia entre ellos corresponde al calor latente de vaporización del agua formada por la reacción del H2 del combustible, y también por la humedad que pueda poseer el combustible. PCI b.s. = PCSb.s - 600 ( X + 9 *H2 )

kcal/kg combustible seco

Donde: X = Contenido de humedad en el combustible, en kg/kg combustible seco H2= Composición gravimétrica del H2 en el combustible, en kg H2/kg combustible. Los poderes caloríficos pueden expresarse en base seca o en base húmeda. Esto influye de modo significativo en combustibles cuyo contenido de humedad varía en forma importante, como ser la madera. PC b.h = PC b.s - X ( PC b.s + 600 ) HUMEDAD BASE HUMEDA ( x) 1 kg húmedo x = kg agua / kg húmedo 1- x = kg de material seco / kg húmedo

1–x

x

HUMEDAD BASE SECA ( u) 1 kg SECO u = kg agua / kg seco 1+ u = kg de material húmedo u x=

u + 1

1 kg seco

x u=

1- x

u

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EXCESO DE AIRE Es la cantidad de aire adicional al ideal que se suministra para asegurar que la combustión sea lo más completa posible. Se expresa en porcentaje respecto al aire ideal, y depende del tipo de combustible, tipo de quemador, grado de granulometría si el combustible es sólido, grado de atomización si el combustible es líquido, turbulencia en la cámara de combustión, temperatura de la combustión, diseño del hogar y experiencia del operador. Este exceso es necesario ya que la reacción de todos los elementos combustibles tienen una velocidad determinada o está atenuada por la presencia de gases inertes. Cuando se suministra exceso de aire a una combustión, debe aparecer inevitablemente oxígeno libre en los productos de la combustión. El porcentaje de O2 libre da una idea inmediata si el exceso es alto o moderado. El porcentaje de exceso de aire o déficit de aire con que se desarrolló una combustión real se puede calcular de las siguientes formas: Ra/c ® - Ra/c (I) % Exceso aire =

* 100 Ra/c (I) O2 aire comb.real - O2 aire comb. ideal

% Exceso aire =

* 100 O2 aire comb. ideal

O2 libre prod –

(CO/2) productos

% Exceso aire = 0,266 N2 -

(O2 libre prod –

* 100 (CO/2) productos)

En esta última ecuación los componentes indicados corresponden a los porcentajes volumétricos, de dichos componentes, en los productos secos de la combustión. EXCESOS DE AIRE RECOMENDADOS Sistema de combustión Carbón, parrilla fija, manual Carbón, parrilla móvil, esparcimiento Carbón pulverizado Madera, 40% humedad, pila Desechos húmedos de madera Petróleo, atomizado mecánicam. y con aire Gas

Exceso de aire (%) 45 - 50 30 - 45 15 - 20 35 - 50 70 - 120 18 - 20 10 - 12

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En general un déficit de aire o exceso bajo el recomendado, conducen a una combustión incompleta, con el consiguiente desaprovechamiento de la energía química del combustible. Asimismo, si el exceso es muy alto, el aire enfría los productos de la combustión y también se forma CO, con el agravante adicional que al formarse más masa de productos éstos se llevan más energía hacia el exterior ( ambiente ), perdiéndose una mayor cantidad de calor del combustible en los gases que escapan por la chimenea. En general, se puede mencionar que una combustión se puede optimizar, controlando la composición de los gases de combustión, y regulándola de tal modo que el CO2 sea al máximo con el menor contenido de O 2 ( exceso de aire ) o bien que el CO sea lo mínimo, con el menor valor de O2. MEZCLADO Un buen mezclado del combustible y el aire es importante, de modo que la distribución sea uniforme para que cada molécula de combustible encuentre el oxígeno necesario para quemarse. Un barrido altamente turbulento ayuda a un mejor mezclado. Los combustibles líquidos son corrientemente evaporados y los vapores combustibles resultantes son quemados como gases. La atomización líquida acelera la evaporación. El calor de la llama adyacente causará a veces el “cracking” del combustible, o su descomposición entes de evaporarse. Este cracking, generalmente produce hidrocarburos más livianos que arden como gas y un hidrocarburo más pesado que puede arder como carbón sólido, produciendo una llama amarilla muy luminosa. Cuando se quema carbón , el proceso es más complicado debido a que cada átomo de oxígeno debe contactar la superficie del carbón, formando gas CO u luego quemarse este gas al encontrar oxígeno adicional, formando CO 2. Si debe quemarse combustibles sólidos al alta velocidad, comparable a la alcanzable con petróleo, éste debe pulverizarse, incrementando así la superficie de reacción. IGNICION La combinación química del combustible con el aire ocurre a temperatura ambiente muy lentamente. Si una pila de carbón está localizada en un lugar cerrado, la pequeña cantidad de calor liberada, por esta oxidación lenta, elevará la temperatura de la pila. A medida que dicha temperatura se eleva la velocidad de la oxidación crece y la temperatura se eleva aún más. Se llega finalmente a un encendido espontáneo del material, iniciándose una autoignición. En los casos en que se desea encender rápidamente una mezcla combustible-aire, es necesario aplicar mucho calor a un área localizada, de modo de acelerar la reacción de oxidación, hasta que ésta entregue calor más rápidamente que el que se pierde hacia los alrededores. Ocurrido esto continuará encendiéndose por si misma, sin necesidad de una fuente exterior. La mínima temperatura a la cual lo anterior es posible, se denomina temperatura de ignición de la mezcla.

17 Una corriente de aire frío o el contacto con una muralla fría pude enfríar algunas partes de la llama a un nivel más bajo que le temperatura de ignición., de modo que algo del combustible no se queme. Así, es posible tener una combustión incompleta, aún cuando todos los requerimiento para la combustión fueran satisfactorios en la base de la llama. AIRE PRIMARIO Este aire permite la combustión de los componentes fijos del combustible sobre la parrilla y es inyectado por la parte inferior de ésta. En el caso de combustibles líquidos y sólidos pulverizados, dicho aire se emplea para inyectar el combustible al hogar y/o atomizar el combustible. AIRE SECUNDARIO Se emplea para quemar los volátiles que salen a lata velocidad desde el sólido sin que alcance a reaccionar sobre la parrilla y además para completar la combustión del CO que no encontró oxígeno suficiente sobre la parrilla. AIRE TERCIARIO Se emplea en algunos casos, principalmente donde se tiene una gran cantidad de volátiles y las tasas de combustión son altas, por lo que el tiempo de residencia de las partículas es corto. COMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE HIDROCARBURO A partir del análisis de un combustible de la forma CxHy, es posible establecer el balance de la ecuación de combustión, a través del siguiente método, que se muestra con el ejemplo para el isoctano normal C8H18.  







Toda ecuación de combustión debe plantearse en kmoles. Debemos darnos una base para esta combustión, que puede ser: 1 kmol de combustible; 100 kmoles de combusti...