COMBUSTIBLES Y COMBUSTIBLES Y PROCESO DE COMBUSTIONPROCESO DE COMBUSTION

Profesora: Clara Turriate

• Actualmente el consumo de energía en el mundo se ha incremento notablemente, esta energía se obtiene de diversas fuentes, sin embargo el 85% de esta energía provene de los combustibles fósiles y tan solo el 1% proviene de energías limpias y sustentables.

COMBUSTIBLES FOSILESCOMBUSTIBLES FOSILES

COMBUSTIBLES FOSILESCOMBUSTIBLES FOSILES La mayor parte de la energía empleada actualmente en

el mundo proviene de los combustibles fósiles. Los utilizamos en transporte, para generar electricidad, para calentar ambientes, para cocinar, etc.

Los combustibles fósiles son el petróleo, carbón y gas natural, y se formaron hace millones de años, a partir de restos orgánicos de plantas y animales muertos.

Fueron necesarios millones de años para que las reacciones químicas de descomposición y la presión ejercida por el peso de esas capas transformasen a esos restos orgánicos en gas, petróleo o carbón.

Los combustibles fósiles son recursos no renovables.

Están generalmente formados por átomos de

carbono e hidrógeno y constituidos principalmente

por carbono fijo, material volátil, cenizas, humedad y

sustancias incombustibles.

Son materiales capaces de generar un proceso de

combustión y liberar energía térmica.

La utilización de estos combustibles están

ocasionando problemas de contaminación ambiental

como la lluvia ácida y el efecto invernadero.

COMBUSTIBLES FOSILESCOMBUSTIBLES FOSILES

CombustiblesCombustibles

En el Perúel 54% de la energía consumida proviene del petróleo y gas natural, el 14% del carbono y 32 % de plantas hidroeléctricas.

....

% C FIJO: 94.89

% CENIZAS: 2.10

% MATERIA VOLATIL: 3.01

% HUMEDAD: 2.94

% AZUFRE: 0.01

TIPOS DE COMBUSTIBLES FOSILESTIPOS DE COMBUSTIBLES FOSILES

CARBONCARBONEl carbono puede encontrarse en diferentes formas alotrópicas, como carbono amorfo, cristalino, grafito, diamante, fullerenos, nanotubos y nanoespumas.

Composición típica de un carbón:

PODER CALORÍFICO : 8900 KCAL/KG.

TIPOS DE COMBUSTIBLES FOSILESTIPOS DE COMBUSTIBLES FOSILES

PETROLEO.PETROLEO.Mezcla de hidrocarburos en la que coexiste una fase sólida, liquida y gas. También hay presencia de nitrógeno, azufre, oxigeno y algunos metales. Composición de un petróleo normal:

Elemento Peso(%)

Carbono 84 - 87

Hidrógeno 11 - 14

Azufre 0 - 2

Nitrógeno 0.2

HIDROCARBUROS

FRACCIONES DE PETROLEOFRACCIONES DE PETROLEOFRACCION INICIAL

SUBFRACCIONES

No. Aproximado

de átomos de C.

Intervalo de

ebullición ( OC)

Usos

Gas ligero C 1 -C 5 a - 20 Combustible

A Metano y Etano C 1 - C 2 Gas Combustible

B Olefinas C 2 - C 4Alcohol, hule, plásticos

C Propano y Butano C 3 - C 4 Combustible

Gasolina C 5 - C 10 20 - 200 Combustible para autos

A Eter de petróleo C 5 - C 6 30 - 60 Disolvente

B Ligroína C 6 - C 8 60 - 100 Disolvente

C Naftas C 8 - C 11 100 - 200 Disolventes

Queroseno C 12 - C 16 200 - 300 Combustible, disolvente

Aceite combustible C 15 - C 18 280 - 380 Diesel, combustibles para calderas

Aceites lubricantes C 16 - C 20Lubricante

COMBUSTIBLES GASESOSOSCOMBUSTIBLES GASESOSOS

El principal combustible es el gas natural

• El gas natural se puede encontrar en forma "asociado", cuando en el yacimiento aparece acompañado de petróleo, o gas natural "no asociado" cuando está acompañado únicamente por pequeñas cantidades de otros hidrocarburos o gases.

• La composición varia según el yacimiento.

>70%

Componente Nom.Composición

(%)Estado Natural

Metano CH4 95,08 GasEtano C2H4 2,14 Gas

Propano C3H8 0,29Gas licuable (GLP)

Butano C4H10 0,11Gas licuable (GLP)

Pentano C5H12 0,04 líquidoHexano C6H14 0,01 líquidoNitrógeno N2 1,94 GasGas CarbónicoCO2 0,39 Gas

Impurezas : helio, oxígeno, vapor de agua, azufre, etc.Poder Calorífico : 9.032 kcal/m3

ANALISIS VOLUMETRICO DE ANALISIS VOLUMETRICO DE ALGUNOS GASES ALGUNOS GASES

VARIOS GASES NATURALESCOMPONENTE

A B C D

GAS DE HULLAS

PRODUCIDO EN

RETORTAS

GAS DE

AGUA

GAS DE

HORNOS DE

COKE

Metano 93.9 60.1 67.4 54.3 3.0 10.2 32.1

Etano 3.6 14.8 16.8 16.3

Propano 1.2 13.4 15.8 16.2

Butano 1.3 4.2 7.4 6.1 3.5

Eteno 2.8 0.5

Benceno

Hidrógeno 14.0 40.5 46.5

Nitrógeno 7.5 5.8 50.9 2.9 8.1

Oxígeno 0.6 0.5 0.8

CO 27.0 34.0 6.3

CO2 4.5 3.0 2.2

Procesos de combustión

• Industrias energéticas, industrias manufactureras, residencial y comercial

• Transporte

+

Aire

Motor

TORQUE

Gases de Escape

Combustible

PROCESOS DE COMBUSTION

COMBUSTIONCOMBUSTIONCONCEPTOS BASICOSCONCEPTOS BASICOS

La combustión es una reacción de oxido reducción altamente exotérmica, en el cual el oxígeno se combina con rapidez con materiales oxidables (combustible) produciendo una llama visible y calor.

NECESITA DE:NECESITA DE: Combustible: Carbón, petróleo, leña, H2,

etc. Comburente: Provoca la combustión o lo

activa. Ejm: oxígeno. Temperatura de ignición: Es la

temperatura mínima necesaria para que se inicie el proceso de combustión

CombustiónCombustible Comburente Productos energía+ +

Comburente = aire

O2+ 3,76 N2

21 % O2

78 % N2

1 % A

21 % O2

79 % N2

Composicióntécnica

Composiciónteórica

M=28,86 kg/ kmol

% peso = % masaC. gravimétrica

Cx Hy Hidrocarburo

%volumen =% molar

LíquidoSólido Gaseoso

gasolinagasoilcombustóleo

maderaturbacarbón

gas naturalmetano

Clasificación Composición

Combustible

Tª de inflamación, ignición y poder calorífico

Tª inflamación

Tª ignición

calor liberado Poder calorífico = Kg combustible

P.C.S. Poder calorífico superior P.C.I. Poder calorífico inferior

Calor liberado cuando los productos de la combustión son enfriados hasta su Tª normal

No se tiene en cuenta el calor liberado para vaporizar el agua formada por la combustión del Hidrocarburo

máxima T° a la que puede calentarse un combustible sin riesgo de incendio.

mínima T° con la que la llama originada es persistente y duradera.

CH4 + 2O2 + 8N2 CO2 + 2 H20 + 8N2

8 100 Kcal/ m3 H2O(g) 9 000 Kcal/ m3 H2O (l)

MECANISMO DE LAS REACCIONES DE MECANISMO DE LAS REACCIONES DE COMBUSTIONCOMBUSTION

Parámetros fundamentales:

PROPORCION CORRECTA AIRE - COMBUSTIBLE

Proporcionar un exceso de aire, asegurándose que sea la mínima necesaria (combustión completa).

MEZCLA ADECUADA AIRE COMBUSTIBLE El estado físico del combustible determinará las condiciones operativas. (pulverización atomización, etc) .

INNICION INICIAL Y SOSTENIDA DE LA MEZCLA

La mezcla se encenderá solo al alcanzar la temperatura mínima de ignición ( variable para cada combustible).

TIPOS DE COMBUSTIONTIPOS DE COMBUSTION

Siendo el objetivo fundamental de la

combustión conseguir la oxidación total del

carbono e hidrógeno para formar CO2 y H2O,

se tiene cuatro tipos de combustión.

1. Combustión perfecta (estequiométrica)

2. Combustión Completa (con exceso de aire)

3. Combustión incompleta (con defecto de aire)

4. Combustión imperfecta (seudo combustión).

Combustión Perfecta.

o

3

•Se utiliza para realizar los cálculos teóricos de la combustión.

En condiciones de combustión perfecta, el total del carbono

contenido en el combustible sería convertido en CO2

Combustión Completa (exceso de

aire)Combustión sin presencia de monóxido de carbono en los humos de chimenea

No todo

Combustión Incompleta (defecto de

aire)

El oxígeno presente no alcanza el valor teórico necesario

N2

Combustión Imperfecta (exceso de aire)

Pese al exceso de aire no se completa las reacciones de combustión

Los procesos reales de combustión generan pequeñas cantidades de carbono parcialmente oxidados o sin oxidar.

Cámara de combustión

Aire

combustible

Productos de combustión

Tubo de llama

Aire primario Aire secundario

El análisis de los gases de combustión permitirá conocer el exceso de aire y la eficiencia de combustión

DEFINICIONES AIRE TEORICO (Z’):

Es la cantidad mínima de aire capaz de proporcionar el oxígeno suficiente para la combustión completa del C, H2 o cualquier otro elemento en el combustible susceptibles de ser oxidados.

Ejm. CH4(g) + 0,21Z´O2 a CO2 + bN2 + cH2O + 0,79Z’ N2 + calor

AIRE EFECTIVO (Z): Es la cantidad de aire real que ingresa al proceso de combustión.

Ejm. CH4(g) + 0,21ZO2 CO2 + bCO + eN2 +dO2

+ 0,79ZN2 + eH2O + calor

DEFINICIONES EXCESO DE AIRE: Es la cantidad de aire suministrado sobre el teórico necesario, se expresa en porcentaje.

% de exceso Z – Z´ (100) de aire Z´

=

Z = moles de aire efectivo

Z´ = moles de aire teórico

RELACIÓN AIRE – COMBUSTIBLE (RA/C)

Es la relación entre la masa de aire efectivo y la masa de

combustible. Se expresa en Kg. aire por Kg. de

combustible.

RA/C = masa de aire

CALOR DE COMBUSTIÓN(poder calorífico)

El calor de combustión es la cantidad de energía que se

libera por mol o gramo de hidrocarburo que se quema; se

le conoce como poder calorífico del combustible.

masa de combustiblemasa de combustible

Ecuaciones químicas de la combustión

Combustible +A´( O2+ 3,76 N2) CO2 + H2O + N2

kg aireR(A/C)t = Kg combustible

Reacción teórica o estequiométrica

Reacción real

Combustible +A ( O2+ 3,76 N2) CO2 + H2O + N2 + O2

Con exceso de aire

Combustible + ( O2+ 3,76 N2) CO2 + H2O + N2 +CO

Con defecto de aire

kg aireR(A/C)r = Kg combustible

Combustible + ( O2+ 3,76 N2) Productos + SO3

% azufre

Ecuaciones químicas de la combustión

Combustible+ Z´(0,21O2+0,79 N2) CO2 + H2O + N2

kg aireR(A/C)t = Kg combustible

Reacción teórica o estequiométrica

Reacción real

Combustible +Z(0,21O2+0,79 N2) CO2 + H2O + N2 + O2

Con exceso de aire

Combustible + (0,21O2+0,79 N2) CO2 + H2O + N2 +CO

Con defecto de aire

kg aireR(A/C)r = Kg combustible

Combustible + (0,21O2+0,79 N2 ) Productos + SO3

% azufre

PODER CALORÍFICO DE ALGUNOS COMBUSTIBLES

Análisis de los productos de combustión

Analizador de Orsat

Análisis volumétrico

%CO2 %N2 %O2%CO

Composición enbase seca

% moles%H2O

Analizador de gases electrónico

Equipo que realiza análisis de gases de combustión. CO2, O2,

CO, eficiencia , temperatura y también análisis de SO2 y NOx

Influencia de la humedad del aire en la combustión

Humedad especifica

mv = mgsa

kgkg g.s.

nv mv Mgs 28, 86 = ngs ma Mv 18

molesmol g.s.

CXHY + 0,21 ZO2 + 0,79 ZN2 + m H2O )

b CO2 + (d+m) H2O + e N2

Combustión completa humedad del aire

m H2O debido a la humedad del aire

d H2O debido al H del combustibleProductos de combustión

BALANCE DE MASA

• En estado estacionario

ENTRA = SALE

• En estado no estacionarioENTRA + GENERA = SALE + ACUMULA

1 kmol combustible Cámara combustión

2

Productos

1

Aire

QReactivos

Ejercicios- A1. Los gases de una caldera que quema un combustible, presenta la siguiente composición en

base seca: CO2 (11,2%), CO (1,2%), O2 (3,1%), N2 (83,5 %). Suponiendo que el combustible no contiene más que C y H, calcular: (a) La composición centesimal del combustible. (b) Las moles de aire empleado por kg de combustible. (c) El porcentaje de exceso de aire empleado.

2. La composición de un propano industrial es el siguiente: CH4 (1%), C3 H8 (75 %), n- C4 H10 (22%), CO2 (2,0 %). Debido a una obstrucción de la tubería, el aire se introduce con 10% de defecto respecto al teóricamente requerido para la combustión. En los gases de chimenea no hay restos de combustible y en ellos la proporción CO2:CO es de 2:1. Determinar la composición de los gases de chimenea(base seca).

3. Un cilindro de 5 pies cúbicos contiene 50 libras de propano, C3H8, y se encuentra en un sitio donde recibe directamente el calor. El manómetro indica que la presión es de 45,24 atmosferas. ¿Cuál es la temperatura del propano en el cilindro?. Datos: a= 8,664 atm(L/mol)2 ; b= 0,08445 (L/mol).

4. Si 1250 cm3 de H2 húmedo se encuentran saturados con agua a 30°C y 742 mmHg, ¿cuál será el volumen del gas seco a condiciones normales?. Presión de vapor de agua a 30°C es de 32 mm Hg.

5. Un técnico de laboratorio recolecta una muestra de 40 cm3 de un gas peligroso con vapor de agua a 20°C y 7,0 x 104 N/m2. El gas debe secarse y transferirse a una celda de 50 cm3 a una atmosfera de presión. ¿Qué temperatura deberá mantenerse para que la celda se llene exactamente?. Presión de vapor de agua 20°C = 17,534 mm Hg. 1atm=1,013x105 N/m2

6. Un boletín meteorológico de la mañana reporta las condiciones para ese mismo día en la tarde: temperatura 34°C, humedad relativa, 43%, presión barométrica 753,65, con cielo despejado, con nublados parciales y vientos del sur- sureste de 8 millas/hr. ¿Cuántas libras de vapor de agua habrá en 1mi3 del aire de la tarde?.¿Cuál será el punto de rocío del aire?. Una milla (mi) = 1,60934Km. Presión de vapor de agua a 34°C = 39,898 mm Hg.

Ejercicios- B1. Un gas pobre cuyo análisis (%V) es : CO2 (4,5%), CO (26%), H2 (13%), N2 (56 %),

CH4 (0,5%). Este combustible se quema con 10% de exceso de aire. Suponiendo que el 95% del hidrocarburo presente en el combustible forma agua y el 5% del carbono presente en el combustible forma monóxido de carbono, determinar: (a) El análisis Orsat de los gases de combustión. (b ) La relación aire combustible en base masa. (c) La humedad especifica de los gases de combustión y el volumen del gas de combustión húmedo a 752 K y 1.15 atm. por kilogramo de combustible quemado.

2. Los productos de la combustión de un hidrocarburo de composición desconocida, da el siguiente análisis en un aparato similar al Orsat: CO 2 (10%), CO (1,5), O2 (8,5%), N2 (79,0 %), SO2 (1,0 %). Calcular: (a) La composición del combustible en porcentaje en mas. (b) La relación aire/combustible en base molar. (c) El % de exceso de aire.

3. La madera de pino tiene la siguiente composición: C(50,31%), H2(6,20%), O2 (43,08%); Cenizas (0,41%). Si se emplea un exceso de aire del 30% , determinar el análisis del gas de chimenea seco y los pies cúbicos del gas de chimenea seco a 330° C y una atmósfera de presión que se obtienen por libra de madera quemada

4. El gas combustible tiene la siguiente composición en volumen: CO2 (2,1%), CO (33,8), O2 (0,5%), N2 (4,8 %), C3H6 (7%), H2 (40,6%), C2 H 5 (11,2 %). Si el gas se quema con un 30% de exceso de aire, determine el análisis de los humos formados por combustión de este gas.

5. 4320 Kg. de un combustible gaseoso tiene la siguiente composición volumétrica: C3 H8 (70 %), C4 H10 (20,0 %), O2 (2,0 %), H2 (8,0 %). El combustible gaseoso se quema con exceso de aire. Los gases productos de la combustión tienen una humedad de 5% en volumen y la relación molar de CO2/CO es 7. Determine: (a) La composición volumétrica de los gases de combustión. (b) La relación aire/combustible efectivo en base de masa.

BALANCE DE ENERGÍA