Mezclas reactivas y combustión

Industriales. Reacción química exotérmica. Energía: consumo. Potencia. Combustibles. Estequiometría

  • Enviado por: Juan Alvarez
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 8 páginas
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Tema 1.- Mezclas reactivas y combustión

1. El proceso de combustión

  • Características generales

  • Combustibles

  • Comburentes

  • Productos de combustión

2. Balance de materia: estequiometría

3. Combustión en régimen estacionario

4. Combustión a volumen constante

1. El proceso de combustión

  • Reacción química exotérmica automantenida por conducción de calor y difusión de especies.

  • El proceso térmico de mayor interés práctico por su escala de utilización mundial

  • Muy fácil de realizar

  • Genera mucha entropía: su viabilidad (tendencia) es muy alta.

  • Muy difícil de estudiar

  • Producción mundial de energía: petróleo, carbón y gas natural

  • 1975 96 %

  • 1985 90 %

  • 1995 ~ 80 %

  • Combustión incontrolada (incendios)

  • Combustión controlada (incineración): prevención de la contaminación

Consumo de energía final. Países OCDE (1991)

Mezclas reactivas y combustión

Potencia instalada en la UE (1994)

Mezclas reactivas y combustión

Producción neta de energía primaria en la UE (1994)

Mezclas reactivas y combustión

Producción de energía primaria en España (1992)

Mezclas reactivas y combustión

Reacción de combustión

  • Reacción de combustión:

Combustible + Comburente =

Productos de combustión

Combustibles

  • Cualquier reacción natural se puede automantener, bajo ciertas condiciones de contorno (P, T, composicón, catalizadores), generando energía térmica y especies activas a alta velocidad.

  • Mayoría de reacciones de combustión: combustibles fósiles + oxígeno del aire

Combustibles especiales (cohetes)

  • Líquidos

  • H2 (l) + O2 (l)

  • Queroseno + O2 (l)

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

  • Sólidos

  • Perclorato amónico (NH4ClO4)

  • Pólvora (NaNO3 ó KNO3 + S + C)

  • No detonan, aunque les atraviese una onda de choque

Combustibles comerciales

  • Naturales o primarios

  • Sólidos

  • Carbón, madera, biomasa

  • Muchos metales (caro, sólo para destellos)

  • Uranio (en sentido amplio)

  • Líquidos

  • Petróleo y derivados (gasolina, gasóleo, fuelóleo)

  • Gases

  • Gas natural (H2, C1, C2)

  • GLP (C3-C5)

  • Artificiales o secundarios

  • Sólidos

  • Coque (destilado de hulla)

  • Carbón vegetal (destilado de madera a ~250 °C):

Madera + calor ®

carbón vegetal + licores piroleñosos + gas + alquitrán

  • Aglomerado de hulla (ladrillos de aglomerado de menudos de hulla con brea)

  • Biomasa residual (basura y desagües urbanos, estiércol, paja, panochas, etc.)

  • Líquidos

  • Alcoholes (destilados de la biomasa)

  • Aceites de nafta y benzol (destilados de petróleo)

  • Gaseosos

  • Destilados de madera (900 °C):

Madera + 1/3 Ot ®CO + H2 (gas pobre)

  • Destilados de la hulla:

Gas de aire (CO)

Gas de agua o gas ciudad antiguo (CO + H2)

  • Destilados de naftas de petróleo (gas ciudad moderno: H2 + CH4)

  • Futuro: H2 por descomposición térmica de agua a T>2500 K

No vale la energía solar (400 K) ni fisión nuclear (1500 K)

Propiedades de los combustibles

  • Composición (y contenido de impurezas)

  • Entalpía estándar de reacción (poder calorífico)

  • Densidad, viscosidad y coef. de dilatación (para el almacenamiento y transporte)

  • Entalpía de vaporización (conviene que sea baja)

  • Presión de vapor (que sea alta para no gasificar artificialmente)

  • Límites de ignición (por chispa), autoinflamación y extinción

  • Toxicidad

  • Compatibilidad con otros materiales (tubos, juntas, válvulas, bombas, etc.)

Propiedades de combustibles (cont.)

  • Carbones

  • Granulometría

  • Contenido en humedad y cenizas

  • Fuelóleo

  • se debe precalentar para que fluya bien y se atomice mejor

  • GLP (propano C3, butano C4, pentano C5)

  • Depósitos a presión (caro)

  • r > raire: ventilación de seguridad

  • Uso limpio, no contamina

  • Gas natural (metano CH4, etano C2, hidrógeno H2)

  • Depósitos criogénicos (incómodo de almacenar)

  • Canalización (gran coste de infraestructura)

Composición del aire (comburente)

Aire

% en volumen

% en peso

Real

Uso

Real

Uso

Nitrógeno

78,03

79

75,45

76,8

Oxígeno

20,99

21

23,20

23,2

Argón

0,94

0

1,30

0

CO2

0,03

0

0,05

0

Otros

0,01

0

desprec.

0

Peso molecular (kg/kmol)

28,967

29

Productos de combustión

  • Mayoritario:

C ® CO2

H ® H2O

  • Combustión incompleta:

C ® CO

  • Otros elementos:

N ® N2 (a T­: NO, NO2, N2O4, N2O5, … = NOx )

S ® SO2 (® SO3 ® H2SO4, lluvia ácida)

2. Estequiometría (balance de materia)

  • Siempre en moles:

  • H2 + 1/2 O2 ® H2O

  • 1 kmol H2 + 0,5 kmol O2 ® 1 kmol H2O

  • Pesos moleculares:

  • M (H2) = 2 kg/kmol

  • M (O2) = 32 kg/kmol

  • M (H2O) = 18 kg/kmol

  • 2 kg H2 + 16 kg O2 ® 18 kg H2O

Reacción teórica

  • Combustión total, pasando todo el C a CO2 y H a H2O

  • C8H18 + a (O2 + 3,76 N2) ® b CO2 + c H2O + d N2

  • Ajuste: con balances individuales (C, H, O, N, …)

  • Ecuación química estequiométrica:

  • C8H18 + 12,5 (O2 + 3,76 N2) ® 8 CO2 + 9 H2O + 47 N2

Reacción real

  • a.[CuHvOwNxSy] + b.[O2] + 3,76b.[N2] + c.[humedad] + d.[impurezas] = e.[CO2] + f.[H2O] + g.[O2] + h.[H2] + i.[CO] + j.[SO2] + k.[NO] + l.[NO2] + m.[cenizas] + a.PCI

  • [CuHvOwNxSy] es 1 mol de materia combustible (compuesto o mezcla), o 1 kg

  • Suele tomarse:

  • a = 1 (por mol de combustible), o bien

  • e + f + g + h + i + j + k + l = 1 (por mol de productos gaseosos)

  • Carbón: ~5 % de humedad, ~10 % de cenizas

Parámetros estequiometría

  • AF: relación másica aire/combustible

  • AFteo: relación másica aire/combustible teórica

  • AF: relación molar aire/combustible

  • AFteo: relación molar aire/combustible teórica

Parámetros estequiometría (cont.)

  • l = aire real / aire teórico = AF / AFt

  • Aire en exceso:

X = (aire real / aire teórico) - 1 = l - 1

  • Dosado relativo:

f = comb. real / comb. teórico = AFt / AF = 1/l

f < 1: mezcla pobre

f > 1: mezcla rica

3. Combustión en rég. estacionario

3.1 Primer Principio

  • Calor de reacción

  • Calor de reacción estándar

  • Calor de formación estándar

  • Calor de combustión. PCS, PCI

  • Balance general de energía en reacción química

3.2 Temperatura adiabática de llama

3.3 Segundo Principio

3.1 Primer Principio

Mezclas reactivas y combustión

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