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Ing. Atilio Rivarola

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Academic year: 2021

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(1)
(2)

 Reacción estequiométrica

 Dosado estequiométrico

Cα Hβ Oγ + v

a

(0,21

O2 + 0,79 N2)  σ

1

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

𝑭

𝒆

=

𝟏𝟐, 𝟎𝟏𝜶 + 𝟏, 𝟎𝟎𝟖𝜷 + 𝟏𝟔𝜸

𝟐𝟖, 𝟖𝟓

×

𝟒 × 𝟎, 𝟐𝟏

𝟒𝜶 + 𝜷 − 𝟐𝜸

(3)

 Combustión completa con exceso de aire.

𝒏 =

𝒎

𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒓𝒆𝒂𝒍

𝒎

𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒆𝒔𝒕𝒆𝒒𝒖𝒊𝒐𝒎.

=

𝟏

𝑭

𝑹

exceso de aire (e.a) %= 𝒏 − 𝟏 × 𝟏𝟎𝟎% =

𝟏

(4)

 1. 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.

(5)

 1. 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.

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:

(6)

 2. Ajustar la reacción de combustión completa del queroseno, para el que se

supone una formulación media C12H24, suponiendo que se introduce un exceso de aire de un 300%. Calcular también el dosado relativo.

(7)

 2. Ajustar la reacción de combustión completa del queroseno, para el que se

supone una formulación media C12H24, suponiendo que se introduce un exceso de aire de un 300%.

𝑪

𝟏𝟐

𝑯

𝟐𝟒

+ 𝟕𝟐 𝑶

𝟐

+ 𝟐𝟕𝟎, 𝟖 𝑵

𝟐

→ 𝟏𝟐 𝑪𝑶

𝟐

+ 𝟏𝟐 𝑯

𝟐

𝑶 + 𝟐𝟕𝟎, 𝟖 𝑵

𝟐

+ 𝟓𝟒 𝑶

𝟐

𝑭

𝑹

=0,25

(8)

 Experimentalmente se ha podido comprobar que el volumen que ocupa un mol de

cualquier gas ideal en condiciones normales (Presión = 1 atm, Temperatura = 0° C) es de 22,4 litros. (1000 litros = 1 metro cúbico)

 Un combustible cualquiera con C kg de carbono, H kg de hidrógeno y S kg de

azufre, reacciona con el oxígeno de la siguiente manera:

C+𝑶

𝟐

→ 𝑪𝑶

𝟐

𝟐𝑯

𝟐

+ 𝑶

𝟐

→ 𝟐𝑯

𝟐

𝑶

𝑺 + 𝑶

𝟐

→ 𝑺𝑶

𝟐 H2+ O2 → H2O H2+

1

(9)
(10)

 Carbono: C = 12,011 ≈ 12  Hidrógeno: H = 1,0079 ≈ 1  Azufre: S = 32,065 ≈ 32  Oxígeno: O = 15,999 ≈ 16

C+𝑶

𝟐

→ 𝑪𝑶

𝟐

𝟏𝟐 𝒌𝒈 𝑪 + 𝟐𝟐, 𝟒 𝒎

𝟑

𝑶

𝟐

𝟐𝑯

𝟐

+𝑶

𝟐

→ 𝟐𝑯

𝟐

𝑶 ⇒

𝟒 𝒌𝒈 𝑯 + 𝟐𝟐, 𝟒 𝒎

𝟑

𝑶

𝟐

S+𝑶

𝟐

→ 𝑺𝑶

𝟐

𝟑𝟐 𝒌𝒈 𝑺 + 𝟐𝟐, 𝟒 𝒎

𝟑

𝑶

𝟐

1 𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝑶

𝟐

= 𝟐𝟐, 𝟒 𝒎

𝟑

𝑶

𝟐

𝑶

𝟐

𝟑𝟐 𝒌𝒈 𝑶

(11)

𝑽

𝑶𝟐

= 𝟐𝟐, 𝟒

𝑪

𝟏𝟐

+

𝑯

𝟒

+

𝑺

𝟑𝟐

𝑶

𝟑𝟐

𝒎

𝟑

𝒌𝒈

= 𝟐𝟐, 𝟒

𝑪

𝟏𝟐

+

𝑺

𝟑𝟐

+

𝟏

𝟒

𝑯 −

𝑶

𝟖

𝒎

𝟑

𝒌𝒈

𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑞𝑢𝑒

𝑂

32

𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒.

𝐿𝑎 𝑒𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝐻 − 𝑂 8 𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒.

El hidrógeno disponible representa la parte del hidrógeno que queda en el combustible después de quemar el propio hidrógeno del combustible en el oxígeno existente, ya que se necesitan 8 gramos de oxígeno para consumir 1 gramo de hidrógeno.

(12)

 Como solamente el 21% del aire es oxígeno, entonces el volumen de aire mínimo

necesario para quemar 1 kg de combustible es:

𝑽

𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒎í𝒏𝒊𝒎𝒐

=

𝟐𝟐, 𝟒

𝟎, 𝟐𝟏

𝑪

𝟏𝟐

+

𝑯

𝟒

+

𝑺

𝟑𝟐

𝑶

𝟑𝟐

𝒎

𝟑

𝒌𝒈

=

𝟑𝟐𝟎

𝟑

𝑪

𝟏𝟐

+

𝑺

𝟑𝟐

+

𝟏

𝟒

𝑯 −

𝑶

𝟖

𝒎

𝟑

𝒌𝒈

(13)

 Existen fórmulas empíricas que permiten calcular el volumen de aire necesario

por kg. de combustible, en función a la potencia calorífica inferior Pi del mismo:

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠: 𝑉

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜

=

1,01 𝑃

𝑖

1000

+ 0,5

𝑚

3

𝑘𝑔

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜𝑠: 𝑉

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜

=

0,85 𝑃

𝑖

1000

𝑚

3

𝑘𝑔

(14)

Estado físico del combustible

Combustibles sólidos

Carbón

Lignocelulosa

Residuos naturales

Combustibles líquidos

Derivados del petróleo

Alcoholes

Aceites, etc.

Combstibles gaseosos

Gas natural (biogas)

Hidrógeno

(15)

 Si por ejemplo en 1 m3 de combustible gaseoso existen H m3 de hidrógeno, CO m3

de monóxido de carbono, CH4 m3 de metano, C

2H4 m3 de etano, C2H2 m3 de

acetileno y C6H6 m3 de benceno, el volumen de aire mínimo queda:

𝑉

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜

= 4,76

𝐻 + 𝐶𝑂

2

+ 2𝐶𝐻

4

+ 3𝐶

2

𝐻

4

+ 2,5𝐶

2

𝐻

2

+ 7,5𝐶

6

𝐻

6

− 𝑂 𝑚

(16)

 Si la cantidad de hidrocarburos pesados (eteno, acetileno y benceno) no se conoce

en detalle, pero sí el valor de su suma ∑ CH m3, se puede aplicar con aproximación

suficiente la expresión:

𝑉

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜

= 4,76

𝐻 + 𝐶𝑂

2

+ 2𝐶𝐻

4

+ 3 𝐶𝐻 − 𝑂 𝑚

(17)

 Si se conoce la potencia calorífica inferior Pcal. Inf. del combustible:

 Para los gases pobres como el gas de alto horno, gas de gasógeno, gas de agua, etc., se

tiene:

 Para los gases ricos, como el gas del alumbrado, gas de refinerías, gas de hornos de

coque, etc.:

𝑉

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜

=

0,875 𝑃

𝑐𝑎𝑙.𝑖𝑛𝑓

1000

𝑚

3

𝑚

3

𝑉

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜

=

1,09 𝑃

𝑐𝑎𝑙.𝑖𝑛𝑓

1000

− 0,25

𝑚

3

𝑚

3

(18)
(19)

 El poder fumígeno se define como el peso de los humos producidos en la

combustión de la unidad de combustible. Considerando que la combustión se realiza empleando como comburente no el oxígeno puro, sino el aire, los gases procedentes de la combustión serán, para la combustión perfecta, anhídrido carbónico, vapor de agua y nitrógeno, y además, para el caso de que la combustión no sea completa, óxido de carbono. También habrá oxígeno procedente del aire, si éste se ha tomado en exceso, y si el combustible tiene azufre, habrá anhídrido sulfuroso.

(20)

 El peso y volumen de los gases de combustión, que por 1 kg de combustible tiene

C kg de carbono, H kg de hidrógeno, S kg de azufre y Z kg de cenizas, los obtenemos en la forma:

 Volumen de los humos secos:

𝑉ℎ𝑢𝑚𝑜𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑠 = 𝑉𝐻2 + 𝑉𝐶𝑂2 + 𝑉𝑆𝑂2 = 79 21 × 22,4 𝐶 12 + 𝑆 32 + 1 4 𝐻 − 𝑂 8 + 22,4 𝐶 12 + 𝑆 32 𝑚3ℎ𝑢𝑚𝑜𝑠 𝑘𝑔𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑉ℎ𝑢𝑚𝑜𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑠 = 22,4 100 21 𝐶 12 + 𝑆 32 + 79 21 8𝐻 − 𝑂 32 𝑚3ℎ𝑢𝑚𝑜𝑠 𝑘𝑔𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

(21)

 Para combustibles sólidos:  Para combustibles líquidos:  Para gases pobre:

 Para gases ricos:

𝑉ℎ𝑢𝑚𝑜𝑠 = 0,89 𝑃𝑐𝑎𝑙.𝑖𝑛𝑓 1000 + 1,65 𝑚3 𝑘𝑔 𝑉ℎ𝑢𝑚𝑜𝑠 = 1,11𝑃𝑐𝑎𝑙.𝑖𝑛𝑓 1000 𝑚3 𝑘𝑔 𝑉ℎ𝑢𝑚𝑜𝑠 = 0,725 𝑃𝑐𝑎𝑙.𝑖𝑛𝑓 1000 + 1 𝑚3 𝑘𝑔 𝑉ℎ𝑢𝑚𝑜𝑠 = 1,14 𝑃𝑐𝑎𝑙.𝑖𝑛𝑓 1000 + 0,25 𝑚3 𝑘𝑔

(22)

 Coeficiente de exceso de aire: La relación entre el aire real y el aire mínimo se

denomina coeficiente de exceso de aire, s:

 Exceso de aire: El exceso de aire e o e.a se define de la forma:

𝑠 =

𝐴

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙

𝐴

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜

𝑒 = 𝐴

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑙

− 𝐴

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜

= (𝑠 − 1)𝐴

𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜

(23)

 El volumen de aire práctico es igual al volumen de aire mínimo o volumen de aire

teórico más el porcentaje (expresado en centésimas) del exceso de aire por el volumen de aire teórico, es decir:

𝑉

𝑝

= 𝑉

𝑡

+

𝑒

(24)

 Si se admite que el H y el S se queman completamente, y que el C se quema

parcialmente produciendo CO2 y CO, las ecuaciones de volúmenes de humos producidos son: 𝑥 = % 𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑂2 = 100 0,21 × 𝑒 100 𝑉𝑡 + 𝑉𝐶𝑂 2 𝑉 ℎ𝑢𝑚𝑜𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑠+100𝑉𝑒 𝑡+𝑉2𝐶𝑂 y = % 𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑂2 = 100 𝐴 100 𝑉ℎ𝑢𝑚𝑜𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑠 − 𝑉𝐶𝑂 𝑉 ℎ𝑢𝑚𝑜𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑠+100𝑉𝑒 𝑡+𝑉𝐶𝑂2 𝑡 = % 𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑂 = 100 𝑉𝐶𝑂 𝑉

A partir de estos cálculos se puede representar gráficamente la combustión, mediante el triángulo de la combustión o diagrama de Ostwald, cuya construcción exponemos a continuación.

(25)
(26)

 Con el objeto de analizar y estudiar sistemáticamente el proceso de combustión

de los carbones, Ostwald desarrolla en 1919 un diagrama para su análisis que en 1949 es generalizado por Schwart para todo tipo de combustibles(incluyendo los gaseosos con CO2) y para condiciones de exceso o defecto de oxígeno.

 (A partir de aquí se hablará siempre de aire en lugar de oxígeno ya que para la

(27)

 El diagrama de Ostwald es una representación gráfica, sobre un plano de ejes

ortogonales (% de O2 en horizontales, y % de CO2 en verticales), de la combustión y la composición de sus humos.

 La representación tiene parámetros fundamentales de la combustión:

 n: parámetro del aire presente (n=1 aire estequiométrico o necesario, n>1 exceso, n<1

carencia)

(28)

 La representación dispone de un único cuadrante (el primero) por ser el único con

significado físico, ya que es ilógico hablar de porcentajes negativos de gases.

 Antes de representar una combustión en el diagrama de Ostwald debemos verificar

que cumple las condiciones:

 Todo el carbono C del combustible debe transformarse en CO2 (dióxido de carbono) o CO

(monóxido de carbono) de modo que o quede carbono C libre.

 Todo el hidrógeno H del combustible debe formar agua (H2O) de modo que no exista

hidrógeno libre H2 entre los productos de la combustión.

(29)
(30)
(31)
(32)

Referencias

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