Reacción estequiométrica ING. ATILIO RIVAROLA

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(1)

Reacción

estequiométrica

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Retroalimentación

Combustión perfecta o estequiométrica:

Combustión obtenida por la reacción de proporciones exactas de

combustible y oxígeno para obtener una conversión completa a dióxido de carbono, vapor de agua y dióxido de azufre.

Combustión subestequiométrica:

Combustión caracterizada cuando hay menor cantidad de oxígeno

que la requerida para la combustión perfecta.

Combustión con exceso de aire:

Combustión perfecta en la que hay mayor cantidad de oxígeno que la

necesaria para la combustión, sin embargo este oxígeno excedente no se consume.

(3)

Retroalimentación

Aire teórico:

Cantidad de aire necesaria para la combustión estequiométrica.Exceso de aire:

Cantidad de aire que excede al aire teórico.Porcentaje de aire teórico:

Cantidad de aire disponible en una combustión subestequiométrica.

(4)

Reacción estequiométrica

Todo combustible se considera como un hidrocarburo más oxígeno

teniendo como formulación general: Cα Hβ Oγ, que de forma al reaccionar con el oxígeno del aire según una reacción estequiométrica, los únicos productos de la reacción serán el CO2, H2O y N2.

Se supone que el aire tiene una composición en volumen de 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, despreciándose el argón por simplicidad en el planteamiento.

Nota: Los reactivos de los combustibles son los compuestos químicos a la izquierda de la ecuación, estos reaccionan entre ellos y forman productos, que se encuentran a la derecha de la ecuación.

4

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Reacción estequiométrica

5

2 C4H10 + 13 O2  8 CO2 + 10 H2O

Reactivos

Producto

2 moléculas de C4H10 + 13 moléculas de O2 forman 8 moléculas de CO2 + 10 moléculas de H2O

4 átomos de carbono (C4) por 2

moléculas de ésta, dan: 2*4 = 8, en total 8 átomos de carbono.

10 átomos de hidrógeno (H10) por 2

moléculas de ésta, dan: 2*10 = 20, en total 20 átomos de hidrógeno.

2 átomos de oxígeno (O2) por 13

moléculas de ésta, dan: 13*2 = 26, en total 26 átomos de oxígeno.

1 átomo de carbono (C) por 8

moléculas de ésta, dan: 8*1 = 8, en total 8 átomos de carbono.

2 átomos de hidrógeno (H2) por 10

moléculas de ésta, dan: 10*2 = 20, en total 20 átomos de hidrógeno.

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Reacción estequiométrica

6

2 C4H10 + 13 O2  8 CO2 + 10 H2O

Reactivos

Producto

2 moléculas de C4H10 + 13 moléculas de O2 forman 8 moléculas de CO2 + 10 moléculas de H2O

4 átomos de carbono (C4) por 2

moléculas de ésta, dan: 2*4 = 8, en total 8 átomos de carbono.

10 átomos de hidrógeno (H10) por 2

moléculas de ésta, dan: 2*10 = 20, en total 20 átomos de hidrógeno.

2 átomos de oxígeno (O2) por 13

moléculas de ésta, dan: 13*2 = 26, en total 26 átomos de oxígeno.

1 átomo de carbono (C) por 8

moléculas de ésta, dan: 8*1 = 8, en total 8 átomos de carbono.

2 átomos de hidrógeno (H2) por 10

moléculas de ésta, dan: 10*2 = 20, en total 20 átomos de hidrógeno.

8 O2 + 10 O = 8*2 + 10*1 = 16 + 10 = 26.

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Reacción estequiométrica

Primero se equilibran los carbonos.Luego se equilibran los hidrógenos.Por último los oxígenos.

7

(8)

Reacción estequiométrica

4 átomos de carbono1 átomo de carbono, entonces le

agrego 4 moléculas de CO2 en el producto.

8

C4H10 +

O2 

CO2 +

H2O

Ya están equilibrados los carbonos.1*4 = 4  4*1 = 4

4  4

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Reacción estequiométrica

9

Luego pasamos a equilibrar los hidrógenos. Tenemos 10 átomos de

hidrógeno en los reactivos, y 2 átomos de hidrógeno en el producto, para equilibrar la ecuación, agregamos 5 moléculas de H2O en el producto.

C4H10 +

O2  4 CO2 +

H2O

C4H10 +

O2  4 CO2 + 5 H2O

Luego los oxígenos, 2 átomos de oxígeno a la izquierda, y a la

derecha: 4*2 + 5*1 = 8 + 5 = 13.

Entonces a la izquierda le agregamos 13/2 moléculas de oxígeno,

(10)

Reacción estequiométrica

Ya está equilibrado, pero para eliminar la fracción podríamos

multiplicar toda la ecuación por 2.

10

C4H10 +(13/2)O2 4 CO2 + 5 H2O

C4H10 +(13/2)O2 4 CO2 + 5 H2O

2 x (

)

2 C4H10 + 13 O2  8 CO2 + 10 H2O

Carbono: 2*4 = 88*1 = 8Hidrógeno: 2*10 = 20  10*2 = 20

Oxígeno: 13*2 = 26  8*2 + 10*1 = 26

Nota: Para lograr el equilibrio, se pueden agregar moléculas pero nunca modificar los átomos de los reactivos ni de los productos.

(11)

Reacción estequiométrica

Generalidad en los combustibles y su combustión con el aire:

Carbono: α = σ1

Hidrógeno: β = 2σ

2

Oxígeno: γ + 2*0,21*v

a

= 2*σ

1

+ σ

2

Nitrógeno: 2*0,79*v

a

= 2*σ

3

11

Cα Hβ Oγ + v

a

(0,21 O2 + 0,79 N2)  σ1

CO2 + σ

2

H2O + σ

3

N2

𝒗

𝒂

=

𝟒𝜶 + 𝜷 − 𝟐𝜸

𝟒 ∗ 𝟎, 𝟐𝟏

𝝈

𝟏

= 𝜶

𝝈

𝟐

=

𝜷

𝟐

𝝈

𝟑

= 𝟎, 𝟕𝟗 ∗ 𝒗

𝒂

(12)

Cálculo del dosado

estequiométrico

El dosado estequiométrico es el cociente entre la masa de

combustible y la masa de aire en una reacción estequiométrica.

Masa atómica:Carbono: 12,011Hidrógeno: 1,008Oxígeno: 16Nitrógeno: 14,007

12

𝐹𝑒 = 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑃𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑣𝑎𝑃𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐹𝑒 = 𝑃𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑣𝑎𝑃𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 á𝑡𝑜𝑚𝑜 𝑣𝑎 × 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒  Aire: 21% O2 + 79% N2Masa atómica del aire:

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Cálculo del dosado

estequiométrico

El dosado estequiométrico es el cociente entre la masa de

combustible y la masa de aire en una reacción estequiométrica.

13

𝐹𝑒 = 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑃𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑣𝑎𝑃𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒 = 12,01𝛼 + 1,008𝛽 + 16𝛾 28,85𝑣𝑎 𝐹𝑒 = 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 = 12,01𝛼 + 1,008𝛽 + 16𝛾 28,85 × 4 × 0,21 4𝛼 + 𝛽 − 2𝛾

𝑭

𝒆

=

𝟏𝟐, 𝟎𝟏𝜶 + 𝟏, 𝟎𝟎𝟖𝜷 + 𝟏𝟔𝜸

𝟐𝟖, 𝟖𝟓

×

𝟒 × 𝟎, 𝟐𝟏

𝟒𝜶 + 𝜷 − 𝟐𝜸

(14)

Ejercicios

Ajustar las reacciones estequiométricas de combustión y calcular el

dosado estequiométrico para los combustibles:

Metano: CH4

Etanol: C2H6O

Queroseno: C12H24

(15)

Ejercicios

Ajustar las reacciones estequiométricas de combustión y calcular el

dosado estequiométrico para los combustibles:

Metano: CH4Etanol: C2H6OQueroseno: C12H24

15

𝑪𝑯𝟒 + 𝟐 𝑶𝟐 + 𝟕, 𝟓𝟐 𝑵𝟐 → 𝑪𝑶𝟐 + 𝟐 𝑯𝟐𝑶 + 𝟕, 𝟓𝟐 𝑵𝟐 𝑪𝟐𝑯𝟔𝑶 + 𝟑 𝑶𝟐 + 𝟏𝟏, 𝟐𝟖 𝑵𝟐 → 𝟐 𝑪𝑶𝟐 + 𝟑 𝑯𝟐𝑶 + 𝟏𝟏, 𝟐𝟖 𝑵𝟐 𝑪𝟏𝟐𝑯𝟐𝟒 + 𝟏𝟖 𝑶𝟐 + 𝟔𝟕, 𝟕 𝑵𝟐 → 𝟏𝟐 𝑪𝑶𝟐 + 𝟏𝟐 𝑯𝟐𝑶 + 𝟔𝟕, 𝟕 𝑵𝟐 𝑭𝒆 = 𝟎, 𝟎𝟓𝟖𝟑𝟖 = 𝟏 𝟏𝟕, 𝟏𝟑 𝑭𝒆 = 𝟎, 𝟏𝟏𝟏𝟖 = 𝟏 𝟖, 𝟗𝟒 𝑭𝒆 = 𝟎, 𝟎𝟔𝟖 = 𝟏 𝟏𝟒, 𝟔𝟗

(16)

Combustión

completa con

exceso de aire

- DOSADO RELATIVO

(17)

Dosado relativo

En muchas aplicaciones el proceso de combustión se lleva a cabo

con una proporción de aire que supera la cantidad estequiométrica calculada.

En motores térmicos lo habitual es utilizar el parámetro dosado

relativo que permite de forma sencilla identificar si está trabajando

con exceso o bien con defecto de aire en relación con la proporción estequiométrica.

17

𝑭

𝑹

=

𝑭

(18)

Coeficiente de exceso de aire

Sin embargo, en las calderas lo habitual es utilizar el coeficiente de

exceso de aire, que relaciona la masa de aire empleada con la

necesaria para llevar a cabo una reacción estequiométrica con la misma cantidad de combustible.

Este coeficiente se suele expresar en tanto por ciento, y se

relaciona con el dosado relativo a partir de las siguientes expresiones:

18

𝒏 =

𝒎

𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒓𝒆𝒂𝒍

𝒎

𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒆𝒔𝒕𝒆𝒒𝒖𝒊𝒐𝒎.

=

𝟏

𝑭

𝑹

exceso de aire %= 𝒏 − 𝟏 × 𝟏𝟎𝟎% =

𝟏 𝑭𝑹

− 𝟏 × 𝟏𝟎𝟎%

Si FR = 0,8 Entonces n = 1,25 Y el exceso de aire es de 25 %

(19)

Ejercicio

Ajustar la reacción de combustión completa del octano (C8H18) si

el dosado relativo de la mezcla combustible-aire es 0,87. Calcular también el coeficiente de exceso de aire correspondiente.

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Ejercicio

Ajustar la reacción de combustión completa del octano (C8H18) si

el dosado relativo de la mezcla combustible-aire es 0,87. Calcular también el coeficiente de exceso de aire correspondiente.

20

𝑪

𝟖

𝑯

𝟏𝟖

+ 𝟏𝟒, 𝟑𝟕𝟓 𝑶

𝟐

+ 𝟓𝟒, 𝟎𝟓 𝑵

𝟐

→ 𝟖 𝑪𝑶

𝟐

+ 𝟗 𝑯

𝟐

𝑶 + 𝟓𝟒, 𝟎𝟓 𝑵

𝟐

+ 𝟏, 𝟖𝟕𝟓 𝑶

𝟐

exceso de aire %= 𝟏𝟓%

Respuesta:

Figure

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Referencias

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