Proceso De Combustion

Desde el momento en que los seres humanos se dieron cuenta que tenían que quemar unas ramas para calentarse o para cocinar sus alimentos, el fuego pasó a ser imprescindible en sus vidas. Hoy más del 90% del calor y del poder que necesitamos, es generado por combustión, y prácticamente todo nuestro sistema de transporte depende de ello. Cada año, las estufas y los hornos del mundo consumen más de mil millones de toneladas de carbón. En el año 2000, sólo las líneas aéreas de Estados Unidos, quemaron cada día más de 250 millones de litros de kerosene de aviación.

Pero las necesidades de satisfacer las demandas masivas de energía entran en conflicto con nuestra preocupación del medio ambiente. Es así como quemando combustible fósil se producen grandes cantidades de dióxido de carbono, el que incrementa el efecto global de calentamiento de la Tierra. También se liberan contaminantes peligrosos, como óxido de nitrógeno y hollín. Los científicos, para poner límite a estas emisiones, están tratando de comprender la complejidad de la combustión, para llegar a desarrollar nuevas tecnologías que aseguren un uso del combustible más limpio y más eficiente.

La "combustión" es un proceso químico que, para que ocurra, requiere de dos ingredientes básicos: un "combustible", como el gas, el petróleo o el carbón, y un "oxidador", generalmente oxígeno del aire. A ellos se agrega una pequeña cantidad de energía (como por ejemplo una llama o una chispa) y usted puede gatillar una "reacción exotérmica" (que libera calor), con lo que rápidamente se libera la energía atrapada en las uniones químicas del combustible.

Pero la combustión no es un proceso químico ordinario. Una vez que se inicia, "se mantiene a sí misma". Esto la distingue de la mayor parte de las reacciones químicas, y se debe principalmente al hecho de que parte de la energía liberada por la combustión, calienta el combustible a su alrededor. Este proceso de "feedback" incrementa el ritmo de la reacción y mantiene la combustión en marcha.

También, a diferencia de otras reacciones químicas, la reacción de combustión es visible, gracias al humo y las llamas. Las llamas se producen cuando una gran cantidad de energía liberada genera luz. El ejemplo más familiar de una llama, es probablemente la que se produce en una vela encendida (ver figura 1). Esta clase de llama en forma de lágrima, se denomina "llama de difusión" porque el oxígeno del aire se debe difundir a través de la región de combustión, mientras el vapor del hidrocarburo tiene que difundir hacia fuera de la mecha.

A principio del siglo XIX, el científico inglés Michael Faraday, hizo uno de los primeros estudios detallados de la llama de la vela. Observó que el calor irradiado de la llama, fundía la cera, permitiendo que ésta, como un líquido empapara la mecha. Una vez dentro de la mecha, el calor vaporizaba la cera líquida. Aquí la temperatura de alrededor de 1000ºC rápidamente descomponía la cera en fragmentos más pequeños y más reactivos.

Estos fragmentos comienzan a reaccionar con oxígeno, descomponiéndose cada vez a cadenas más y más pequeñas, generando gases, vapor de agua y pequeñas partículas sólidas, constituidas por carbón no quemado u hollín, al que llamamos "humo". En esta llama, el mayor ritmo de reacción, como también la zona de mayor calor y emisión de luz, ocurre cerca de la superficie externa de ella, ya que es allí donde el combustible hidrocarbonado se encuentra con el oxígeno.

Parte de la luz, principalmente la naranja y la amarilla, se produce por partículas de hollín incandescente que se generan durante la combustión. El área más roja, cerca del centro de la llama, alcanza una temperatura de 800ºC. La región naranja y la amarilla, son más calientes que eso, alcanzando una temperatura sobre 1400ºC.

Además, algunas de las moléculas creadas por combustión, cuando se forman, ganan considerable energía. Esta energía es absorbida por sus electrones, que luego la remiten como fotones. El resultado es el color azul visto en la base de la llama de la vela, revelando que en esta región, el oxígeno se está mezclando con el combustible para causar una elevada reacción exotérmica.

Algunas de las formas de combustión más comúnmente usadas se basan en llamas de difusión, como las estaciones generadoras eléctricas que queman partículas de carbón pulverizado, o los motores diesel en los autos y camiones, que queman combustible dispersado como un spray de finas gotas. Este tipo de llama también se produce en la superficie de combustibles sólidos como el coke, la truba y la madera cuando se queman en estufas o en fogatas abiertas. La combustión de difusión, incluso puede algunas veces contribuir al desarrollo de nuevos y valiosos materiales (ver recuadro 1).

Con todo, las llamas de difusión no son muy eficientes en el uso del combustible. Para optimizar la eficiencia de la combustión, maximizando la liberación de calor, y manteniendo la producción de humo y contaminantes en un mínimo, deben previamente mezclarse el combustible con el oxígeno, antes que comience la combustión, a un nivel molecular.

A mediados del siglo XIX, un químico alemán llamado Robert Bunsen tuvo una idea para mejorar la eficiencia de la combustión. Se le ocurrió combinar un chorro de gas flamable con el aire, antes que se prendiera. El concepto fue concretado en el "Mechero Bunsen", que produce una llama extremadamente caliente. En la actualidad, la premezcla de aire dentro de un chorro de gas natural (que consiste principalmente de metano) es la mejor forma de lograr quemadores eficientes para las cocinas domésticas, sistemas de quemadores y hornos industriales.

La estructura de una "llama de pre-mezclado", es muy diferente de una llama de difusión (ver figura 1). La zona de reacción principal y la región que quema azul más brillante, está dentro de la llama. La llama misma es cónica, ya que su forma está determinada por la moldura circular del quemador. La reacción de combustión se mantiene a sí misma debido tanto a la conducción del calor, como a la difusión de especies químicas reactivas como radicales libres, desde la llama en el interior de la mezcla más fría y el aire que circula hacia arriba. Ya que el combustible se quema más eficientemente en la llama de pre-mezcla, se forma menos hollín y produce muy poca incandescencia amarilla.

Una de las aplicaciones más comunes de la combustión pre-mezcla, es el motor de petróleo como el que se usa en los automóviles. La versión más eficiente de estos motores combina el aire con cantidades muy controladas de vapor de petróleo, e inyecta la mezcla en los cilindros del motor. El pistón comprime la mezcla y una chispa gatilla la combustión. Cuando la mezcla se prende, produce gas caliente que se expande y empuja contra el pistón para hacer girar el cigüeñal del motor.

Máxima eficiencia

Receta para la combustión compuesta

Para la máxima eficiencia, el vapor de petróleo debe estar mezclado con la cantidad precisa de aire para así permitir la combustión completa hasta dióxido de carbono y agua. Si no hay suficiente aire, no se quema todo el combustible, reduciendo la producción total de calor, el nivel de quemado y la fuerza del pistón. Por otra parte, si hay mucho aire, entonces el exceso absorbe algo del calor causando otra vez que disminuya la fuerza del motor.

Los químicos pueden calcular cuánto oxígeno se necesita para la máxima eficiencia. La combustión completa del octano (un componente representativo del petróleo) se da en la siguiente fórmula:

C8H18+12.502+47N2=8CO2+9H2O+47N2

En este caso, todo el combustible es oxidado a dióxido de carbón y agua. Por volumen, esto representa 1.7 % de vapor de octano en aire. Para el butano, un típico combustible para las cocinillas de camping, la proporción óptima es de 3.2% de butano en aire.

En la práctica, la llama de un combustible dado puede sólo sostenerse bajo un rango estricto de condiciones. Este rango está determinado por la temperatura, la presión y la relación combustible-aire. Los dos extremos de este rango, dependiente de esas condiciones, se llama límites de "flamabilidad", que puede variar de "pobre" a "rico". Es pobre, cuando hay suficiente combustible como para encender la llama y es rico cuando hay suficiente presencia de aire. Para la mezcla octano en aire, estos límites son por volúmenes, entre 1 y 6% respectivamente.

Los límites de la flamabilidad no sólo determinan lo más ancho del rango de la relación combustible-aire en la que un motor puede operar, sino también ayuda a evaluar el riesgo de fuego o explosión en los procesos industriales o manufactureros que usan líquidos o gases flamables. Así por ejemplo, dejando caer un fósforo encendido en el estanque cerrado de un automóvil, es muy poco probable que este explote, porque en este caso la mezcla de vapor y aire es demasiado rica en combustible como para que explote, a pesar de lo que se ve en las películas.

La química comprometida en la reacción de combustión es extremadamente compleja, aun para uno de los más simples ejemplos, como es la quema del gas natural o metano:

CH4+2O2=CO2+2H2O

Encender un chorro de gas natural en oxígeno o aire, produce un flujo de especies reactivas (Figura 2). Estas incluyen radicales libres altamente reactivos

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