REACCIONES DE COMBUSTION.

2.10 REACCIONES DE COMBUSTION:

La combustión es la reacción entre un combustible y oxígeno. Es una reacción muy importante en la industria química por la gran cantidad de calor que produce. Los combustibles más empleados son: carbón de hulla (C, algo de H y S y sustancias no combustibles); aceite combustible (hidrocarburos pesados y S); combustible gaseoso (CH4 principalmente) y GLP (gas licuado del petróleo conformado principalmente por propano y/o butano).

El aire es la fuente de oxígeno en la mayoría de los reactores de combustión debido a su costo (el costo del aire es menor que el de los combustibles). Para los cálculos de combustión, la composición del aire seco se considera como 79% en volumen de N2 y 21% en volumen de O2.

Cuando se quema un combustible, el carbono que contiene reacciona para formar CO2 o CO, el hidrógeno forma H2O, el azufre forma SO2 y el nitrógeno forma óxidos de nitrógeno. Una reacción de combustión en la que todo el C del combustible forma CO2 se conoce como combustión completa, mientras que si se forma CO (aunque parte del C del combustible forme CO2) se conoce como combustión parcial o incompleta.

El término composición en base húmeda indica las fracciones molares de un gas que contiene agua y el término composición en base seca indica las fracciones molares del mismo gas sin agua. El producto gaseoso que sale de la cámara de combustión se conoce como gas de emisión o gas de combustión.

Como en una reacción de combustión el reactivo más barato es el aire, éste se suministra en cantidad mayor a la necesaria (teórica). Los siguientes términos son útiles en la combustión:

Oxígeno teórico: Moles o velocidad de flujo molar (intermitente o continuo) de O2 que se necesitan para efectuar la combustión completa del combustible, suponiendo que todo el carbono del combustible  forma CO2 y todo el hidrógeno forma H2O.

Aire teórico: Es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico.

Aire en exceso: Es la cantidad en exceso del aire que entra al reactor con respecto al aire teórico. El porcentaje de aire en exceso se calcula usando la siguiente ecuación:

% de aire en exceso = {(Moles de aire que entran – moles de aire teórico)/moles de aire teórico} * 100

El procedimiento para resolver balances de materia en la combustión es el mismo que el procedimiento para los sistemas reactivos, pero teniendo en cuenta estos puntos:

(1) El N2 sale del reactor tal como entra. En la salida del reactor debe considerarse el O2 que no reacciona y el combustible que no se consume.

(2) El porcentaje de aire en exceso y el porcentaje de oxígeno en exceso tienen el mismo valor numérico. Si se conoce el porcentaje en exceso de O2, el  O2 real se calcula multiplicando el O2 teórico por 1 más la fracción de oxígeno en exceso.

(3) Si sólo sucede una reacción se pueden usar indistintamente balances para especies moleculares o para especies atómicas. Si ocurren varias reacciones químicas suelen ser más convenientes los balances para especies atómicas.

2.10.1 EJERCICIO:

Se quema propano (C3H8) con 12% de aire en exceso. El porcentaje de conversión del propano es de 95%; del propano quemado, 15% reacciona para formar CO y el resto para formar CO2. Calcule la composición del gas de combustión en base seca y en base húmeda.

Base de cálculo: 100 moles de propano alimentados.

                                                           [pic 1][pic 2][pic 3]

 100 moles C3H8                                                             

                                                                         Gas de emisión: CO, CO2, H2O, N2, O2, C3H8[pic 4]

Aire (21% O2 y 79% N2)

Moles de propano que reaccionan: 95 moles.

Moles de propano que producen CO2 = 95 moles * 0,85 = 80,75 moles.

Moles de propano que producen CO = 95 moles * 0,15 = 14,25 moles.

 Reacciones: 80,75 C3H8 + 403,75 O2 → 242,25 CO2 + 323 H2O

                      14,25 C3H8 + 49,875 O2 → 42,75 CO + 57 H2O

Cálculo del número de moles de oxígeno teórico:

100 C3H8 + 500 O2 → 300 CO2 + 400 H2O

Moles de O2 teórico = 500 moles

Moles de O2 alimentados = 500 moles * 1,12 = 560 moles

Moles de N2 alimentados = 560 moles O2 * (79 moles N2/21 moles O2) = 2106,67 moles

Balance de C3H8: Entrada = salida + consumo → 100 moles = salida + 95 moles

→ C3H8 que sale = 5 moles.

Balance de N2: Entrada = salida → N2 que sale = 2106,67 moles.

Balance de CO: Salida = producción → CO que sale = 42,75 moles.

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