Que Combustible Usar

INTRODUCCION

El reto

Imaginen que el gobierno de México ha decidido iniciar un programa para promover el uso de combustibles alternativos del país. Para ello contrata a un grupo de asesores, a los que se les solicita hacer recomendaciones sobre el tipo de combustibles que podrían usarse para reemplazar combustibles como la gasolina, el diesel, el carbón y el gas natural. Su reto consistirá en hacer las investigaciones necesarias para diseñar este programa y generar un reporte con recomendaciones para el Presidente de la Republica. Las conclusiones de su trabajo se presentaran en un mini congreso de combustibles alternativos.

Los combustibles fósiles, como el petróleo y el carbón, son considerados los motores de la sociedad moderna, pues son la fuente principal de la energía moderna, sin embargo su consumo daña el ambiente, por otro lado son recursos no renovables.

Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se quema, y luego cambiar o transformar su estructura química. Supone la liberación de una energía de su forma potencial a una forma utilizable. En general se trata de sustancias susceptibles de quemarse, pero hay excepciones que se explican a continuación. Se llaman también combustibles a las sustancia empleadas para producir la reacción nuclear en el proceso de fisión, aunque este proceso no es propiamente una combustión.

Naturales o primarios

Sólidos

• carbón, madera, biomasa

• algunos metales (costo muy elevado)

• Uranio (elemento radiactivo que genera la fisión en un reactor nuclear)

Líquidos

• Petróleo y sus derivados

Gases

• Gas natural

• Gas licuado de petróleo (GLP)

Artificiales o secundarios

Sólidos

• coque (destilado de carbón de hulla)

• carbón vegetal (destilado de la madera a 250ºC)

• Aglomerado de hulla

• Biomasa residual (basura y residuos urbanos, estiércol, etc.)

Líquidos

• Alcoholes (destilados de la biomasa)

• Aceites de nafta y benzol (destilados de petróleo)

Gaseosos

• Destilados de madera

• Destilados de la hulla

• Destilados de naftas de petróleo

Combustibles especiales

Este tipo de combustibles generalmente se utilizan para impulsar cohetes o en usos militares.

Líquidos

• H2 liquido + O2 liquido

• Kerosene + O2 liquido

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

Sólidos

• Perclorato amónico ( NH4ClO4)

• Pólvora (NaNO3 o KNO3 ,+ S + C )

Se denomina combustible fósil al que proviene de restos orgánicos vegetales y animales y se extrae de la naturaleza. Ellos son el carbón, el petróleo y el gas natural. El petróleo es un combustible pero generalmente no se lo utiliza como tal directamente, sino que se lo caracteriza como una excelente materia prima para obtener, mediante su refinación y tratamiento, otras sustancias de mayor importancia industrial como los gases licuados de petróleo (GLP), naftas, gas-oil, fuel-oil, y otros productos.

Los combustibles alternativos que actualmente se conocen, solamente el Biodiesel yel Bioetanol son totalmente renovables, de aplicación directa, no requieren cambiossustanciales a los motores y son idóneos para desarrollarse en México debido a quepueden fortalecer sensiblemente el sector agrícola, favorecen la independenciatecnológica, mejoran la administración de los recursos petroleros, además de susexcelentes beneficios ambientales.En México es particularmente capital la voluntad de las autoridades para la viabilidadde este tipo de proyectos, ya que involucran a los sectores de la agricultura y losenergéticos.Los principales combustibles alternativas que se tienen en la actualidad, incluyen alos siguientes:

Biodiesel• Electricidad

Etanol

Hidrógeno

Metanol

Gas Natural

Gas LP

Composición

Conocer la composición de un combustible es muy importante para poder determinar los parámetros característicos estequiométricos de la reacción de combustión y conocer si en el existen sustancias que puedan tener importancia posterior en cuanto a la contaminación o nocividad de los productos de reacción.

La forma más común de indicar la composición de un combustible gaseoso es como porcentaje en volumen de cada uno de sus componentes en condiciones normales.

Para un combustible gaseoso tipo hidrocarburo, la fórmula general es :

CmHn + [(4m + n)/4]O2 ....................... m CO2 + (n/2) H2O

y sus componentes mas habituales son :

CO2 , CO , H2 , O2 , N2 , SO2 SH2 y H2O como vapor

Si Xi es la fracción molar, se expresara como:

[ Xi ] = Kmol del componente i / Kmol de combustible

y debe cumplirse que si el gas tiene p componentes

Para un combustible líquido o sólido, la forma mas común de indicar la composición es expresar la cantidad de C, H , S , N , O , H2O y cenizas en porcentaje de masa referida a un kg de combustible.

Si mi es la masa del componente i se expresara como:

[ mi ] = kg del componente i / kg de combustible con cenizas

y deberá cumplirse que si hay p componentes

Esta expresión se denomina también composición en "base húmeda"

Para expresar la composición en base seca será:

siendo ma la fracción másica del agua

Como ejemplo en la siguiente tabla se expresa la composición de un gas natural típico

Composición de un Gas Natural

i Xi

N2 0.0071

CH4 0.8425

C2H6 0.1477

C3H8 0.0025

i C4H10 0.0001

n C4H10 0.0001

Poder Calorífico

El poder calorífico (PC) de un combustible es la cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad empleada de combustible (Kg, Kmol, m3)

De acuerdo a como se expresa el estado del agua en los productos de reacción se puede dividir en:

Poder calorífico Superior (PCS):

Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reacción completa de la unidad de combustible con el agua de los humos en forma líquida a 0 ºC y 1 atm.

Poder calorífico Inferior (PCI):

Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reacción completa de la unidad de combustible con el agua de los humos en estado de vapor.

Viscosidad

La viscosidad tiene gran importancia en los combustibles líquidos a efectos de su almacenamiento y transporte. Su determinación es experimental y los valores típicos se encuentran tabulados para los distintos combustibles industriales líquidos.

Densidad

Generalmente se determina experimentalmente y para el caso de los combustibles gaseosos se utiliza la densidad relativa al aire. En la práctica es muy importante conocer este parámetro para saber si el gas combustible se acumula en el techo o en el suelo, en caso de una fuga en un local cerrado.

La densidad absoluta del aire en condiciones normales es de 1,293 kg/m3

Para los combustibles líquidos, en forma aproximada se puede utilizar la siguiente fórmula :

Densidad = 250 + 9,13 mc + mh expresada en kg / m3 a 15 ºC

donde mc y mh son las masas respectivas de carbono e hidrógeno.

También es muy frecuente emplear una unidad convencional llamada "G" que se mide en ºAPI y se calcula como

G = (141,5 / densidad) - 131,5 con la densidad en kg/ m3

Limite de inflamabilidad

Esta propiedad es característica a los combustibles gaseosos y establece la proporción de gas y aire necesaria para que se produzca la combustión, indicando un límite superior y uno inferior.

Ejemplo:

PROPANO Límite inferior: 2,4 % Limite superior: 9,5 %

Punto de inflamación

Para que una reacción de combustión se produzca, la mezcla de combustible y comburente debe alcanzar una temperatura mínima necesaria, que recibe el nombre de punto de inflamación.

El punto de inflamación depende del comburente, por lo que su valor no es el mismo si se utiliza oxígeno o aire.

Una vez iniciada la reacción, el calor mantendrá la temperatura por encima de la inflamación y la reacción continuara hasta agotarse el combustible.

Otra temperatura importante es la temperatura de combustión o de llama máxima, que se alcanza en la combustión. En la bibliografía especifica estos valores se encuentran tabulados :

Ejemplo

BUTANO

Temp de Inflamación Temp de combustión

en aire 420 ºC 1960 ºC

en oxígeno 280 ºC 2790 ºC

PETROLEO

Aquellos recursos que se vuelvan accesibles a medida que se hagan mejorasen las tecnologías de explotación; o se vuelvan comerciales por el incremento en el uso de carbones de bajo rango, cuya utilización no

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