TERMODINÁMICA• JOSÉ MANRIQUE & RAFAEL CARDENAS-EDITORIAL HARLA• BEATRIZ DE ALVARENGA & ANTONIO RIBEIRO-EDITORIAL HARLA• GORDON VAN WYLEN & RICHARD SONTAG-EDITORIAL LIMUSA

X. PRINCIPIOS DE COMBUSTIÓN

JUEVES 19

La importancia del fenomeno de la combustión radica en sus múltiples aplicaciones, en motores de combustión interna, hornos, plantas de generación de vapor, etc. Por medio de su estudio estamos en capacidad de resolver planteamientos como conocer la cantidad de energia liberada en la combustion, la cantidad de aire requerida para la combustion, la composición de los productos de la combustión, entre otros.

INTRODUCCIÓN

Combustible + Comburente = Productos de combustión

PROCESO DE COMBUSTIÓN

COMBUSTIBLES:

GASOLINA : Mezcla de aprox. 40 hidrocarburos principales y una multitud de otros en pequeñas cantidades

GAS El gas natural constituye una importante fuente de energía fósil liberada por su combustión. Es una mezcla de hidrocarburos gaseosos ligeros

CARBÓN es una roca sedimentaria de color negro, muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos, como H2, S, O2, utilizado como combustible fósil. La mayor parte del carbón se formó durante el período Carbonífero. Es un recurso no renovable.

H2, C, S ] COMPONENTES COMUNES EN LOS COMBUSTIBLES FÓSILES

• CARBONES MINERALES• HIDROCARBUROS LIQUIDOS• HIDROCARBUROS GASEOSOS

Mezclas de varios hidrocarburos diferentes

COMBURENTE:

Composición química del aire:

El más común es el Oxígeno del aire. Hay algunas reacciones que requieren aire enriquecido o inclusive oxígeno puro

PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN:

Los productos mayoritarios de combustión son:

En una combustión incompleta:

Otros elementos

ESTEQUIOMETRIA DE LOS PROCESOS DE COMBUSTIÓN

La estequiometría es el balance de materia de las reacciones químicas

H2 + ½ O2 H2O

1 Kgmol H2 + 0,5 kgmol O2 1 kgmol H2O

M H2 = 2kg H2/kgmol H2M O2 = 32kg O2/kgmol O2M H2O = 18kg H2O/kgmol H2O

1 Kgmol H2 ( 2 kg H2/kgmolH2) + 0,5 kgmol O2 ( 32 kg O2/kgmol O2) 1 kgmol H2O ( 18kg H2O/kgmol H2O)

2 kg H2 + 16 kg O2 18 kg H20

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

En la mayoría de los procesos el oxígeno se alimenta a través del aire y por tanto también ingresa nitrógeno, siendo la reacción:

CH4 + 2O2 + 7,52N2 CO2 + 2H2O+ 7,52 N2

La reacción de la combustión ocurre espontáneamente al suministrar al combustible la cantidad apropiada de aire.

REACTIVOSPRODUCTOS

79 moles de N2 / 21 moles de O2 = 3,76 moles de N2/mol O2Como ingresan 2 moles de O2 : 3,76 * 2 = 7,52 moles de N2

Es la reacción de la combustión completa en la que todo el Carbono (C) se convierte en Dióxido de Carbono (CO2) y todo el Hidrógeno (H2) se convierte en Agua (H2O).

REACCIÓN TEÓRICA

La cantidad mínima de aire requerida para la combustión completa se conoce por cualquiera de las siguientes denominaciones:

Cantidad de aire teórico.Cantidad químicamente correcta de aireCantidad estequiométrica del aire

RELACION AIRE-COMBUSTIBLE: AC

AC = ma / mc

ma: masa del aire

mc: masa del combustible

Para la reacción de combustión :

CH4 + 2O2 + 7,52N2 CO2 + 2H2O+ 7,52 N2

ma= (2+7,52)*29 = 276.08

mc= (1)*16 = 16

AC = ma / mc = 276.08/16

AC = 17,26 kg de aire / kg de combustible

masa: # de moleculas * peso molecularmasa: moles * kg/mol

CH4 + 2O2 + 7,52N2 CO2 + 2H2O+ 7,52 N2

ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTION

Gases de la combustion:

PRODUCTO CANT. %

• CO2 111,74

• 2H2O - -

• 7,52 N2 7,52 88,26

TOTAL 8,52 100%

Análisis en base seca no considera el agua

CH4 + 1,2(2)O2 + 1,2(7,52)N2 CO2 + 2H2O+ 9,02 N2 + X O2

ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTION

REACCION DEL CH4 CON EXCESO DE OXÍGENO

EJEM. 20% DE EXCESO DE AIRE

AC Fórmula moles X M = m

mc CH4 1 16 16

ma 2,4O2+9,02N211,42 29 331,18

AC = 331,18/ 16 = 20,71

Gases de la combustión:

PRODUCTO CANT. %

• CO2 19,60

• 2H2O --

• 9,02 N2 9,0286,56

• 0,4 O2 0,43,84

TOTAL 10,42100%

Aparece O2 por el exceso

CH4 + 2,4 O2 + 9,02 N2 CO2 + 2H2O+ 9,02 N2 + 0,4 O2

CH4 + 0,8(2)O2 + 0,8 (7,52)N2 X CO2 + 2H2O+ 6,02 N2 + Y CO

ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTION

REACCION DEL CH4 CON DEFICIENCIA DE OXÍGENO

EJEM. 20% DE DEFCIENCIA DE AIRE

El carbono se une con el oxígeno y forma CO

CH4 + 1,6 O2 + 6,02 N2 0,2CO2 + 2H2O+ 6,02 N2 + 0,8CO

BALANCE C: 1 = X + YBALANCE O2: 1,6(2) = 2X + 2 + Y

3,2 = 2X +2 + 1-XX=0,2Y=0,8

ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTION

REACCION DEL CH4 CON DEFICIENCIA DE OXÍGENO

AC Fórmula moles X M = m

mc CH4 1 16 16

ma 1,6O2+6,02N27,62 29 220,98

AC = 220,98/ 16 = 13,81

Gases de la combustión:

PRODUCTO CANT. %

• 0,2CO2 0,2 2,85• 2H2O -

-• 6,02 N2 6,02 85,75• 0,8 CO 0,8

11,4

TOTAL 7,02 100%

CH4 + 1,6 O2 + 6,02 N2 0,2CO2 + 2H2O+ 6,02 N2 + 0,8CO

CALOR DE COMBUSTIÓN O PODER CALORÍFICO DEL COMBUSTIBLE, [Qv, Qp]

• Calor disipado por el combustible cuando se quema completamente y se enfrían los productos hasta la temperatura inicial.

• La energia calorífica que el sistema cede o absorbe para mantener cte la temperatura durante la reacción química

• Es una medida cuantitativa de la energía química liberada por el combustible.

Según el tipo de proceso• Qv: Calor de combustión a volumen constante

• Qp: Calor de combustión a presión constante

Qv = ΔU = Uproductos – Ureactivos]T,V

Qp= ΔH = Hproductos – Hreactivos]P,T

Qv, T1= U productos,T1 – U reactivos, T1

Qv, T2= U productos,T2 – U reactivos, T2

Qv, T2= Q v,T1 + ΔU productos]T2, T1 – ΔU reactivos]T2,T1

Qp, T2= Qp,T1 + ΔH productos]T2, T1 – ΔH reactivos]T2,T1

CALOR DE COMBUSTIÓN O PODER CALORÍFICO DEL COMBUSTIBLE, [Qv, Qp]

Qp – Qv = ΔH – ΔU

Qp – Qv = ΔPV

Qp – Qv = ΔPV = ΔnRuT

H= U+PVΔH – ΔU = ΔPV

Δn = n productos – n reactivos

n: moles

CALOR O ENTALPÍA DE FORMACIÓN [ΔH0f ]: Es la energía necesaria en la formación de un mol de compuesto a partir de sus elementos en su estado estándar. Si este calor es medido en condiciones standard de presión y temperatura (1 atm, 25ºC), se conoce como "calor estándar de formación".

La entalpía de formación de un compuesto químico es la variación de entalpía de la reaccion de formacion de dicho compuesto a partir de las especies elementales que lo componen, en su forma mas abundante. Por ejemplo, la entalpía de formacion del agua, formada por hidrogeno y oxigeno, sería equivalente a la entalpía de reaccion de hidrogeno diatomico y oxigeno diatomico.

Esta entalpía es negativa cuando se trata de una reacción exotérmica, que desprende calor, mientras que es positiva cuando es endotérmica.

H2(g) + O2(g) H2O2 (L)

C(s) + ½ O2(g)CO (g)

La entalpia de formación esta dada para 1 mol de producto por tanto la ecuacion debe ser ajustada para tener un mol de producto y para ello es comun que se utilice fracciones en los reactivos. Importante indicar el estado solido, liquido o gaseoso porque sus valores varian según el estado.

ΔH0f H2O2= -188 KJ/mol

ΔH0f CO= -111 KJ/mol

Es un tipo concreto de entalpía de reacción, que recibe el nombre de entalpía de formación estándar o entalpía normal de formación si la reacción se lleva a cabo a 25ºC y a 1 atm, que son las condiciones estándar en termoquímica. Así, la entalpía normal o estándar de formación (también llamada a veces calor normal de formación), se representa por ΔHo

f y es la variación de entalpía cuando se forma un mol de compuesto a partir de sus elementos en estado normal (esto es, en el estado de agregación y forma alotrópica más estable a la que dichos elemento se hallan en condiciones estándar).

Por la propia definición de entalpía estándar de formación concluimos que La entalpía de formación de los elementos puros es igual a 0, pues como no podemos conocer los valores absolutos de entalpía, se toman estos como referencias arbitrarias.

ΔHof Cl2(g) = 0 kJ/molΔHof Na(s) = 0 kJ/mol

C + O2 CO2

Si 1 mol de Carbono a 25 oC y 1 atm se une con 1 mol de O2 a 25 oC y 1 atm para formar 1 mol de CO2 a 1 atm. La transmisión de calor para que el producto quede a 25 oC será:

Q = Hr – Hp

Q + Σnihfi = Σnshfs

0 , h de los elementos reactivos están a 25 0C y 1 atm

Q= Hp

hf0 CO2= -94.054 cal/mol

H=nhf

Se libera calor durante la reacción

ENTALPÍA O CALOR DE REACCIÓN [ΔHr]: Entalpía medida a un compuesto o elemento en su estado físico mas estable sometido a condición estándar (1 atmósfera y 25ºC), con el objeto de comparar los cambios de entalpía de diversas sustancias en idénticas condiciones.

ΔHr = ΣnΔH0f (productos) - ΣnΔH0f(reactivos) ΔH0f= entalpía de formación

Es decir, la entalpía de reacción será La diferencia entre las entalpías de los productos y las entalpías de los reactivos, podemos por tanto decir que la entalpía de reacción es la variacion entálpica de una reacción en la cual, tanto reactivos como productos están en condiciones estándar (p = 1 atm; T = 298 K = 25 ºC; concentración de sustancias disueltas = 1 M).

Esta, puede ser positiva o negativa. Si es positiva quiere decir que ha ganado energía (calor) de los alrededores, por lo tanto será una reacción endotermica. Mientras que si la entalpía de reacción es negativa, quiere decir que ha perdido energía (calor) y será una reacción exotérmica.

ENTALPÍA O CALOR DE REACCIÓN [ΔHr]:

ΔHr = ΣnΔH0f (productos) - ΣnΔH0f(reactivos) ΔH0f= entalpía de formación

aA + bB cC + dD

ΔHr = [cΔH0f C+ dΔH0f D] - [aΔH0f A+ bΔH0f B]

ΔH0fA= entalpía de formación del compuesto A ( se encuentra en tablas)

En las tablas encontramos que ΔHf0(CO2) = -394 kJ/mol, esto indica que ΔH para la reacción:

C(s) + O2(g) → CO2(g) en condiciones estándar es -394 kJ/mol

En las tablas encontramos que ΔHf0(CO) = -111 kJ/mol, esto indica que ΔH para la reacción:

C(s) + 1/2 O2(g) → CO(g) en condiciones estándar es -111 kJ/mol

Por combinación de las ΔHf0 podemos determinar entalpías de reacción de otras reacciones

distintas, puesto que la entalpía es una función de estado (sólo depende de los estados inicial y final, no del camino recorrido)

La ΔHr de la reacción CO(g) + 1/2 O2(g) → CO2(g) será:ΔHr = ΔH0fproductos – ΔH0freactantes = ΔHf

0(CO2) - ΔHf0(CO) = -283 kJ/mol

El ΔHr para la formación del CO2 : CO(g) + 1/2 O2(g) → CO2(g)

TEMPERATURA DE FLAMA ADIABATICA

Temperatura de los productos de la combustión en un proceso adiabatico en el cual no existe trabajo por cambios en la energía cinética o potencial, por tal razón es la máxima temperatura posible de obtener de los reactivos dados.

hRP = ΣR ne [ h0f + (hT – h0298) ]e - ΣP ni [ h0f + (hT – h0298) ]i

i: ingresoe: egreso

ENTALPIA Y ENERGIA DE COMBUSTION INTERNA, CALOR DE REACCIÓN

ENTALPIA DE COMBUSTION [HRP ]: Diferencia de H de los productos y reactivos a temperatura y presion dadas

HRP =HP - HR

URP =UP – UR

URP = ΣR ne [ h0f + (hT – h0298 - Pv ) ]e - ΣP ni [ h0f + (hT – h0298 - Pv ) ]i

ENERGIA INTERNA DE COMBUSTION [URP ]