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Motores de combustión interna y compresores

Química de la combustión

Víctor Ávila Alvarado

Heriberto Eliezer Cruz Jácome

Getsemanì

Guadalupe Toral Pereyra


INTRODUCCION

La humanidad ha utilizado desde su existencia reacciones químicas para producir energía. Desde las más rudimentarias, de combustión de madera o carbón, hasta las más sofisticadas, que tienen lugar en los motores de los modernos aviones o naves espaciales.

Las reacciones químicas, pues, van acompañadas de un desprendimiento, o en otros casos de una absorción, de energía.

La combustión es una oxidación violenta, la cual, a su vez, desprende energía en forma de calor y luz. Los principales productos de ella son: el CO2, el vapor de agua y la energía.

Química de la combustión Página 1


ContenidoCOMBUSTION.....................................................................................................................................3

COMBUSTIBLES COMERCIALES.......................................................................................................3

Naturales o primarios.................................................................................................................3

Artificiales o secundarios............................................................................................................3

COMBUSTIBLES ESPECIALES...........................................................................................................4

COMBURENTES..............................................................................................................................4

DEFINICIONES.....................................................................................................................................4

TIPOS DE COMBUSTION.....................................................................................................................5

EJERCICIOS PROPUESTOS...................................................................................................................7

REFERENCIAS....................................................................................................................................12



COMBUSTION

La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxígeno. Es característica de esta reacción la formación de una llama, que es la masa gaseosa incandescente que emite luz y calor, que está en contacto con la sustancia combustible.

La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxígeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno, llamada comburente, siendo el aire atmosférico el comburente más habitual.

La reacción del combustible con el oxígeno origina sustancias gaseosas entre las cuales las más comunes son CO2 y H2O. Se denominan en forma genérica productos, humos o gases de combustión. Es importante destacar que el combustible solo reacciona con el oxígeno y no con el nitrógeno, el otro componente del aire. Por lo tanto el nitrógeno del aire pasará

íntegramente a los productos de combustión sin reaccionar.

Combustible + comburente = proceso de combustión

Podemos clasificar a los combustibles según su origen en comerciales y especiales.

COMBUSTIBLES COMERCIALES

Naturales o primarios

Sólidos.- carbón, madera, biomasa algunos metales (costo muy elevado). Uranio (elemento radiactivo que genera la fisión en un reactor nuclear)

Líquidos.- Petróleo y sus derivados

Gases.- Gas natural, gas licuado de petróleo (GLP)

Artificiales o secundarios

Sólido.- Coque (destilado de carbón de hulla),carbón vegetal (destilado de la madera 250ºC), aglomerado de hulla, biomasa residual (basura y residuos urbanos, estiércol, etc.)



Líquidos.- Alcoholes (destilados de la biomasa), aceites de nafta y benzol (destilados de petróleo)

Gaseosos.- Destilados de madera, destilados de la hulla, destilados de naftas de petróleo

COMBUSTIBLES ESPECIALESEste tipo de combustibles generalmente se utilizan para impulsar cohetes o en usos militares.

Líquidos

H2 liquido + O2 liquido

Kerosene + O2 liquido

Dimetilhidracina [ NH2-N(CH3)2] + N2O4

Sólidos

Perclorato amónico ( NH4ClO4)

Pólvora (NaNO3 o KNO3 ,+ S + C )

COMBURENTESEl comburente es el agente que aporta el oxígeno a una reacción de combustión y la fuente más usual y económica de oxígeno disponible es el aire.

DEFINICIONESEn el manejo de las ecuaciones de reacciones de combustión generalmente se emplean algunos conceptos importantes a saber:

Aire teórico o requerido.-Es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico

Oxígeno teórico.- Son las moles (para un proceso intermitente) o la velocidad de flujo molar (para un proceso continuo) de oxigeno que se necesitan para efectuar la combustión completa del combustible en el reactor, suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida para formar CO2 y todo el H2 se oxida para formar H2O.



Exceso de aire.- Es la cantidad de aire en exceso con respecto al teórico o requerido para una combustión completa. Para su cálculo pueden emplearse las siguientes expresiones equivalentes:

% de exceso de aire = (O2 que entra al proceso - O2 requerido/O2 requerido) x 100

% de exceso de aire = (O2 de exceso / O2 de entrada - O2 de exceso) x 100

Para los cálculos de aire teórico y aire en exceso deben tenerse en claro los siguientes conceptos:

El aire teórico requerido para quemar una cierta cantidad de combustible no depende de la cantidad que realmente se quema. El combustible puede reaccionar parcialmente y puede quemarse parcialmente para formar CO y CO2 pero el aire teórico es aquel que se requeriría para reaccionar con todo el combustible para formar solo CO2

El valor del porcentaje de aire en exceso depende solo del aire teórico y de la velocidad de alimentación de aire y no de cuanto O2 se consume en el reactor o bien de que la combustión sea completa o parcial.

Composición en base seca o análisis de Orsat.- Es la composición de todos los gases que resultan del proceso de combustión sin incluir el vapor de agua.

Composición en base húmeda.- Es la composición de todos los gases que resultan del proceso de combustión incluyendo el vapor de agua.

TIPOS DE COMBUSTIONDe acuerdo a como se produzcan las reacciones de combustión, estas pueden ser de distintos tipos:

Combustión completa.- Ocurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el máximo grado posible de oxidación. En este caso no habrá presencia de sustancias combustibles en los productos o humos de la reacción.

Combustión incompleta.- Se produce cuando no se alcanza el grado máximo de oxidación y hay presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de la reacción.

Combustión estequiométrica o teórica.- Es la combustión que se lleva a cabo con la cantidad mínima de aire para que no existan sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión no hay presencia de oxígeno en los humos, debido a que este se ha empleado íntegramente en la reacción.



Combustión con exceso de aire.- Es la reacción que se produce con una cantidad de aire superior al mínimo necesario. Cuando se utiliza un exceso de aire, la combustión tiende a no producir sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión es típica la presencia de oxígeno en los gases de combustión. La razón por la cual se utiliza normalmente un exceso de aire es hacer reaccionar completamente el combustible disponible en el proceso.

Combustión con defecto de aire.-Es la reacción que se produce con una menor cantidad de aire que el mínimo necesario. En este tipo de reacción es característica la presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de reacción.

Química de la combustión:

De acuerdo con los fundamentos de la química la unión de carbono y oxígeno se expresa de la forma siguiente:

C+O2→CO2 Ec. 1

1 + 1 → 1 en moles

12 + 32 → 44 en peso

Las expresiones anteriores indican que 1 peso molecular de carbono se combina con 1 peso molecular de oxígeno para producir 1 peso molecular de anhídrido carbónico. Un mol de una sustancia vale M kilogramos cuando M es el peso molecular. Aunque las cantidades que se combinan pueden expresarse en kilogramos, es más sencillo efectuar todos los cálculos utilizando moles y transformarlos en kilogramos o metros cúbicos solamente cuando sea necesario.

Se dice que una combustión es completa cuando el combustible es totalmente oxidado y se libera toda la energía. La Ec. 1, corresponde, pues, a la oxidación completa del carbono. La combustión incompleta puede ser debida a:

- Insuficiencia de Oxígeno- Mezcla imperfecta entre el combustible y el oxígeno- Temperatura demasiado baja para mantener la combustión

A continuación se dan las ecuaciones de combustión incompleta, debido a la presencia de óxido de carbono y de hidrógeno libre en los respectivos productos finales.



C+ 12O2→CO Ec. 2

2H 2+12O2→H 2O+H 2 Ec. 3

El Oxígeno necesario para la combustión es captado siempre del aire, acompañándole gran cantidad de nitrógeno debido a que no es fácil la separación de ambos. El oxígeno embotellado se utiliza para determinadas aplicaciones, como por ejemplo, en los sopletes para cortar, en los cuales no pueden permitirse los efectos diluyentes del nitrógeno. Es por tanto necesario revisar las propiedades del aire como manantial de oxígeno.

Tabla 1. Composición del aire seco

% en volumen, moles

% en peso Peso molecular,Kg por mol

Oxígeno 20,99 23,19 32Nitrógeno 78,03 75,47 28,016Argón 0,94 1,30 39,944Anhídrido carbónico 0,03 0,04 44,003Hidrógeno 0,01 0 2,016Aire seco 100 100 28,967

Para efectos de cálculo, se supone que el aire se halla constituido por 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, en volumen y por 23,2% de oxígeno y 76,8% de nitrógeno, en peso.

El vapor de agua contenido en el aire varía ampliamente con la temperatura y con el porcentaje de saturación. El aire saturado a 21,1 °C contiene 2,46 % de humedad en volumen. El aire a 21,1 °C y 50% de saturación tiene 0,5 X 2,46 =1,23% de humedad, lo cual indica que la humedad en volumen está en razón directa al porcentaje de saturación. La saturación a 100 °C señala el 100% de vapor de agua. La cantidad de vapor de agua existente en el aire puede calcularse con bastante exactitud a partir de la grafica psicrométrica, si se conocen las temperaturas de los bulbos húmedo y seco.

La relación molar entre el nitrógeno y oxígeno del aire es la misma que su relación volumétrica, debido a que ambos son gases y se encuentran a la misma temperatura; por tanto, se tendrá

moles N2

moles O2=79%21%

=3,76+¿



La relación anterior pone de manifiesto que por cada mol de oxígeno presente en el aire existen 3,76 moles de nitrógeno. Por consiguiente, en un motor de combustión interna, por cada volumen de oxígeno que pasa a través del filtro de aire, carburador, válvula de admisión y cilindro entran 3,76 volúmenes de nitrógeno.

La combustión del carbono en el aire viene representada por la siguiente ecuación:

C+O2+3,76N2→CO2+3,76N2 Ec.4

1 + 1 + 3,76 →1 + 3,76 en moles

12 + 32 +3,76(28,2)→44 + 3,76(28,2) en peso

Dividiendo por 12,

1 + 2,667 + 8,84 → 3,667 + 8,84 en peso

Combustible aire Productos

Por tanto, el aire requerido será:

(2,667 + 8,84)/1 = 11,5 kg por kg de carbono

La combustión del hidrógeno en el aire viene representada por la siguiente relación:

2H 2+O 2+3,76 N2→2H2O+3,76N2 Ec. 5

2 + 1 + 3,76 →2 + 3,76 en moles

2(2) + 32 + 3,76(28,2) → 2(18) + 3,76(28,2) en peso

Dividiendo por 4,

1 + 8 + 26,5 →9 + 26,5 en peso


Por lo tanto, el aire requerido será

(8 + 26,5)/1 = 34,5 kg por kg de hidrógeno

Como ejemplo de combustión de hidrocarburos consideremos el caso de la gasolina típica (C8H18)

C8H18+(12,5 )O2+12,5 ¿ Ec. 6

1 + 12,5 + 47 → 8 + 9 + 47 en moles

114 + 400 + 1325 → 352 + 162 + 1325 en peso



Dividiendo por 114,

1 + 3,51 + 11,62 →3,09 + 1,42 + 11,62 en peso


Así, pues, para la combustión de cada kilogramo de esta gasolina se necesitan (3,51 + 11,62)/1 o 15,13 kg de aire estando éste constituido por 3,51 kg de oxígeno y 11,62 kg de nitrógeno. La relación aire/combustible es, por consiguiente, 15,13 a 1, y la relación combustible/aire es de 1 a 15,13, o sea 0,066. Estas expresiones se utilizan mucho para indicar la riqueza o pobreza de una mezcla de combustibles y aire. La Ec. 6 representa una mezcla perfecta, químicamente correcta o ideal. Las proporciones químicamente correctas no producen la combustión completa, pues por la ley de la probabilidad no es posible que cada una de las extraordinariamente numerosas moléculas que componen el combustible encuentre una molécula de oxígeno para combinarse con ella. Para lograr la total oxidación del combustible es necesario utilizar una mezcla que tenga un cierto exceso de aire.

Si el aire está en defecto, pueden producirse pérdidas importantes en forma de óxido de carbono, hidrógeno libre e hidrocarburos destilados.

Ejemplo 1:

Se quema fuel-oil típico, C16H32, con la cantidad correcta de aire. Calcular: (1) la ecuación de combustión; (2) la relación ideal aire/combustible; (3) el porcentaje de CO 2, en volumen, existente en los gases secos de la chimenea, y (4) el porcentaje de N2, en volumen, presente en estos mismos gases.

Solución:

La ecuación de combustión, al 100% de aire teórico, queda expresada como:

C16H32+aO2+3,76aN 2→bCO2+dH 2O+3,76a N2

Se procede, entonces, a calcular los coeficientes a, b, y d:

Carbono:

16 → b; por lo tanto b = 16

Hidrógeno:

32→ 2d; por lo tanto d = 16



Oxígeno:

a → b+d/2; por lo tanto: a = 16 +8 =24

Nitrógeno:

3,76(24) → 3,76(24)

Ahora se reescribe la ecuación, conocidos sus coeficientes,

(1)

C16H32+24O2+3,76(24)N2→16CO2+16H2O+3,76(24)N2

1 + 24 + 90,24 → 16 + 16 + 90,24 en moles

(2)

AF=

kgde airekgdecombustible=

24 (32 )+90,24 (28)16 (12 )+32(1)

=14,68

(3) porcentaje de CO2 en los gases secos de la chimenea (en volumen)

1616+90,24

=0,1505

Es decir, 15,05% de CO2

(4) %N 2=100−15,05=84,95

Ejemplo 2:

Se quema gasolina típica, C8H18, con un 20 % de exceso de aire en peso. Calcular (1) la ecuación de combustión; (2) la relación aire/combustible; (3) el % de CO 2 en volumen de los gases de escape secos; (4) kilogramos de vapor de agua formados por kilogramo de combustible; (5) volumen de los gases de escape secos por kilogramo de combustible, en el supuesto de que t = 15,6 °C y P = 1,0336 kg/cm2 (presión absoluta), y (6) presión parcial del vapor de agua en los gases de escape.



Solución:

La ecuación de combustión, al 100% de aire teórico, queda expresada como:

C8H 18+aO2+a(3,76)N2→bCO2+d H2O+a(3,76N2)

Se procede, entonces, a calcular los coeficientes a, b, y d:

Carbono:

8 → b; por lo tanto b = 8

Hidrógeno:

18→ 2d; por lo tanto d = 9

Oxígeno:

a → b + d/2; por lo tanto: a = 8 + 4,5 =12,5

Nitrógeno:

3,76(12,5) → 3,76(12,5)

Ahora se reescribe la ecuación, conocidos sus coeficientes, para un 100 % de aire teorico:

C8H18+(12,5 )O2+12,5¿

1 + 12,5 + 47 → 8 + 9 + 47 en moles

Para un 20 % de exceso de aire, se tiene

C8H18+(1,2) (12,5 )O2+(1,2)12,5¿

(2)

AF=

kgde airekgdecombustible=

1,2(12,5) (32 )+1,2(12,5)(3,76)(28,2)8 (12 )+18(1)

=18,05 kg por kg

(3) porcentaje de CO2 en los gases secos de la chimenea (en volumen)

88+1,2 (12,5 )3,76+2,5

=0,1195

Es decir, 11,95% de CO2



(4) kg H2O

kgcombustible=9(2+16)12 (8 )+18

=1,42kg por kg

(5) PV=NRT o Vmf

=NRTPmf

;(mf=pesode combustiblequemado enkg)

Vmf

=[8+1,2 (12,5 )3,76+2,5 ](848,2)(288,6)

¿¿

(6) P H 2ON H 2O

=PT

NT; P H 2O=

9(10336)8+9+1,2 (12,5 )3,76

=1263,5 kgm2 ;( presiónabsoluta)

Análisis de los productos de escape

Mediante el conocido aparato de Orsat, puede efectuarse un análisis de los productos de escape a partir del cual es posible calcular la relación aire/combustible. También puede determinarse el grado de efectividad de la combustión, y este dato es de vital importancia para el buen funcionamiento de un hogar o de un motor.

Cuando se necesita una gran exactitud se efectúa la medición real del caudal del combustible y de aire, pero la medición de este último requiere gran habilidad y resulta costosa. El método más sencillo consiste en obtener una muestra de los productos de la combustión y determinar el porcentaje en volumen de cada gas componente. Debido a que estos porcentajes se determinan en condiciones de presión, temperatura y saturación constantes, volúmenes iguales de cualquiera de los diversos gases contendrán el mismo número de moléculas (ley de Avogadro). Como quiera que el nitrógeno es inerte, los moles de este gas que aparezcan en los productos de escape deberán figurar también en la mezcla de combustible y aire. Este nitrógeno sirve para indicar la cantidad de aire que entra, pues a cada mol de oxígeno procedente del aire le acompañan 3,76 moles de nitrógeno. Análogamente, el carbono que aparece en los productos de escape constituye un índice del contenido en combustible.

Al analizar los productos de la combustión el vapor de agua se condensa, licúa y llega a formar parte del fluido succionante del Orsat, y por lo tanto no entra en el análisis. El análisis equivale al efectuado sobre gases secos.



Ejemplo 3:

El análisis de ciertos gases de escape da los siguientes porcentajes en volumen:

CO2 = 12,1; O2 = 0,3; CO = 3,3; H2 = 1,3; CH4 = 0,3; N2 = 82,7. Suponiendo que el combustible sea un hidrocarburo de la forma CxHy, (1) encontrar los valores de x e y; (2) establecer la ecuación de combustión; y (3) determinar la relación aire/combustible.

Solución:

(1)

C xH y+aO2+82,7N 2→12,1CO2+(0,3 )O2+3,3CO+1,3H 2+(0,3 )C H4+82,7 N2+b H 2O

Para el Nitrógeno:

a (3,76) → 82,7; por lo tanto a=82,73,76=22

Para el carbono:

X = 12,1 + 3,3 + 0,3 = 15,7

Para el O2 presente en los gases secos:

12,1 + 0,3 + (3,3/2) = 14,05

Por lo tanto, b = (22-14,05)2 = 15,9

Para el hidrógeno (H2):

1,3 + (2)(0,3) + 15,9 = 17,8

Y = 2(H2) = 35,6

(2) Por consiguiente, la ecuación de combustión será:

C15,7H 35,6+22O2+82,7N 2→12,1CO2+(0,3 )O2+3,3CO+1,3H 2+(0,3 )C H 4+82,7N 2+15,9H 2O

(3) Relación aire/combustible = (22 ) (32 )+(82,7)(28,2)(15,7 ) (12 )+(35,6)(1)

=13,5 kg por kg

Nota: Aunque x e y han sido determinados, la composición del combustible no queda definida en forma decisiva. En realidad puede involucrarse más o menos de 1 mol de combustible de tal modo que x e y se reduzcan a números enteros al ser multiplicados por



una constante, z(CxHy). La proporción de hidrógeno a carbono, llamada relación hidrógeno/carbono, es más importante, pudiendo ahora determinarse como H/C, o y/x = 35,6/15,7 = 2,26, o escribirse como CH2,26.

EJERCICIOS PROPUESTOS

1. Un mol de etileno (C₂H₄) se quema con 20% de exceso de aire. Determinar:a) la relación aire – combustible.b) la relación de equivalencia empleada.c) el porcentaje en mol de N₂ en los gases de escape, si la combustión es completa.

2.-Determine la composición (porcentaje en moles con base seca) de los productos formados en la combustión completa (con 20% de exceso) de un gas con la siguiente composición volumétrica: CH4 60%; C2H6 30%; N2 10%.

3.-Un combustible gaseoso posee un análisis volumétrico de 65% de CH4; 25% de C2H6; 5% de CO2 y 5% de N2, es quemado con 30% de exceso de aire. Determinar la relación aire-combustible.

4.- Un mol de acetileno C2H2, se quema con 10% de exceso de aire. Determinar:

a) La relación aire-combustible

b) La relación de equivalencia empleada

c) El porcentaje en mol de N2 en los gases de escape, si la combustión es completa

5.- Un combustible gaseoso posee un análisis volumétrico de:

Es quemado con 30% de exceso de aire. Determina la relación aire-combustible.

6.-Un mol de propileno (C3H6) se quema con 20% de exceso de aire.

Determinar:

a) La relación aire-combustible

b) La relación de equivalencia empleada


65% CH4

25% C2H6

5% CO2

5% N2


c) El porcentaje en mol de N2 , en los gases de escape, si la combustión es completa.

7.- Un gas tiene el siguiente análisis volumétrico en porcentaje CH 4-80.62 %; C2H 6-5.41 %; C3H8 -1.87 %; C4H10-1.60 %; N 2-10.5%. un análisis volumétrico de productos de combustión muestra:

CO2------------- > 78% O2-------------- > 7.8% calcular la relación aire combustibleCO-------------- > 0.2%

8.- Metano (CH4) se quema con 80% de las necesidades de aire teorico.

a) Que porcentaje de carbono en el combustible se convierte en CO2

b) Que relación de equivalencia es empleada.

9.- El análisis volumétrico de los productos secos de combustión de un combustible hidrocarburo que se describe por la formula CxHy es: CO2, 13.6%; O2, 0.4%; CO, 0.8%; CH4, 0.4% y N2, 84.8%.

Determinar los valores X e Y para el combustible con base 13.6mol de CO2 en los productos de combustión.

10.-Un combustible gaseoso posee un análisis volumétrico de 65% de CH4; 25% de C2H6; 5% de CO2 y 5% de N2, es quemado con 30% de exceso de aire. Determinar la relación aire-combustible.



REFERENCIAS

http://www.textoscientificos.com/quimica/combustion

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Energiaquimicaycombustion.htm


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