MAQUINAS TERMICAS 1 RELACION AIRE-COMBUSTIBLE

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Instituto Tecnológico de Nuevo León

Máquinas y Equipos térmicos I. Unidad 1 Combustibles y su oxidación.

Actividad 1.1 Relación aire combustible y punto de rocío de los gases

Nombre ___________________________________________       Matricula____________Calif:_______

Objetivos

• Analizar el proceso de oxidación de los combustibles hidrocarburos.
• Determinar el punto de rocío de los gases de la combustión.

Teoría: Cada uno de los productos que resultan de la destilación del petróleo crudo representa una mezcla de muchos compuestos. Las variables fundamentales que intervienen en las reacciones de desintegración son: la temperatura, el tiempo de exposición, la presión y las características de la materia prima que se va a desintegrar. Algunos de los compuestos presentes en los productos son:

La familia de las parafinas. El miembro más simple de este grupo es el metano cuya estructura molecular es CH4¸los elementos superiores de la familia tienen un nombre que se forma con el sufijo ANO el cual se añade a la parte del nombre que identifica el número de átomos de carbono: 1-met; 2-et; 3-prop; 4-but; 5-pent; 6-ex.

Ejemplos:

        C2H6 --------Etano                [pic 2]                  C3H8------Propano       [pic 3]

La fórmula general de esta familia es CnH2n+2; algunas moléculas no tienen una estructura en forma de cadena sino en forma ramificada y al ser su estructura molecular diferente también lo son sus propiedades.

Ejemplo:

             C4H10------metil-propano

A las sustancias que tienen igual fórmula molecular pero diferente estructura química se les llama isómeros. Al radical CH3 se le llama metil,      [pic 4]la fórmula anterior corresponde al metil-propano o iso-butano (isómero del butano); su fórmula química es igual que la del butano más no su estructura. El isooctano o trimetil-pentano por ejemplo, es un isómero del octano y se forma con tres radicales metil unidos a la base del pentano. Algunas otras familias de compuestos presentes en los combustibles son las olefinas, diolefinas, naftenos y aromáticos. Revisa los siguientes videos:

                https://www.youtube.com/watch?v=tFJ064TLW4E

                https://www.youtube.com/watch?v=uAcfZMrQ0uk

El proceso de combustión.- la combustión consiste en la oxidación de los compuestos de los combustibles, durante el proceso la masa total permanece inalterada. Por ejemplo, la oxidación del carbono puede representarse mediante la ecuación:

                                C + O2                   CO2[pic 5]

Reacción que puede leerse como: 1mol de C  +  1 mol de oxígeno reaccionan para darnos 1 mol de CO2.

Podemos transformar los moles en masa si hacemos:                   m=NM

                                                          m=masa en g

                                                          N= número de moles

                                                          M=masa molar        

Sustancia                        símbolo               M                        

  Aire                                         28.97                          

  Argón                              Ar                   39.95                          

  Carbono                           C                    12.01

  Monóxido de Carbono    CO                  28.01

  Bióxido de Carbono        CO2                44.01

  Hidrógeno                       H2                     2.02

  Nitrógeno                        N2                   28.01

  Oxígeno                          O2                   32.0

 La reacción anterior ahora podría leerse como:

                12 g de C  + 32 g de O2 nos dan 44 g de CO2

o si consideramos que la lectura era en kilomoles, entonces tendríamos que:

                             12 kg de C  + 32 kg de O2 nos dan 44 kg de CO2

Al reaccionar por completo un combustible se transforma en dióxido de carbono y agua:

                  CH4  +  2O2                 CO2  +  2H2O[pic 6]

es necesario saber si el agua se encuentra como vapor o en forma líquida aunque lo normal es que termine como vapor debido a las altas temperaturas.

En los procesos de combustión reales el combustible se quema en presencia de aire atmosférico el cual está compuesto por 79% de Nitrógeno y 21% de Oxígeno lo cual da una proporción de 3.76 moles de N2 por cada mol de O2. La reacción estequiométrica correspondiente a la combustión del metano puede entonces balancearse en la siguiente forma:

        CH4 + 2 O2 + 2 (3.76) N2                     CO2 + 2 H2O +7.52 N2[pic 7]

Para el isooctano:

        C8H18 + 12.5 O2 +12.5 (3.76)N2                   8CO2 + 9H2O + 12.5(3.76) N2[pic 8]

                   Pentano:

                   C5H12+    8   O2 + 8(3.76) N2                            5 C02    +     6 H20    +       8(3.76) N2                                                                                                                                

La forma de balancear las siguientes ecuaciones es:

1. Balancear primero el carbono
2. Balancear después el hidrógeno
3. Balancear el oxígeno
4. Por último balancear el nitrógeno

En las ecuaciones anteriores se incluye únicamente la mínima cantidad de oxígeno llamada aire teórico. En la práctica se requiere más aire que el teórico para lograr la combustión total. Así si por ejemplo empleamos un 25% de aire más que el teórico, decimos que tenemos un 125% de aire teórico con lo cual la ecuación se transforma en:

        CH4 + 1.25 (2) O2 + 1.25 (2) (3.76) N2               CO2 + 2H2O + 9.4 N2 + 0.5 O2  [pic 9]

Siempre que se tenga una reacción con aire en exceso habrá oxígeno libre en los productos, si por el contrario el combustible es quemado con menos aire del estequiométrico, no habrá suficiente oxígeno para transformar todo el carbón en CO2 y por lo tanto encontraremos CO en los productos como en el siguiente ejemplo en el cual se utiliza el 80% de aire teórico:

      C8H18 +10 O2 + 10(3.76)N2                  3CO2 + 9H2O + 5CO + 10(3.76) N2[pic 10]

        C6H14 +    9.5 O2     +   9.5x3.76 N2                                          6 CO2     +      7H2O   +   9.5x3.76 N2                        

    80% de aire teórico

         C6H14  +   7.6 O2   + 10(3.76) N2                                3.6 CO2    +   7 H2O     +   2.4 CO   +   10(3.76)N2

                             7.6x2=15.2                                                   3.6x2 + 7 +2.4 =16.6

                                                                                                   3.5x2   + 7   + 2.5 =16.5

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