Reacciones de combustion



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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.

100 moles C3H8

Gas de emisión: CO, CO2, H2O, N2, O2, C3H8

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.
Balance de CO2: Salida = producción  CO2 que sale = 242,5 moles.
Balance de H2O: Salida = producción  H2O que sale = (323 moles + 57 moles) = 380 moles.
Balance de O2: Entrada = salida – consumo  O2 que sale = 560 moles – (403,75 moles + 49,875 moles) = 106,375 moles.
Moles totales del gas de combustión = 2883,045 moles.
Composición de los gases de emisión en base húmeda:

%CO = (42,75 moles*100/2883,045 moles) = 1,48%

Mediante cálculos similares se obtienen los siguientes valores:

%CO2 = 8,40%; %H2O = 13,18%; %N2 = 73,07%; %O2 = 3,69%; %C3H8 = 0,18%.


Composición de los gases de combustión en base seca:

Moles de gases de emisión sin agua: 2883,045 moles – 380 moles = 2503,045 moles.

%CO = (42,75 moles*100/2503,045 moles) = 1,71%.

Mediante cálculos similares se obtienen los siguientes valores:

%CO2 = 9,68%; %N2 = 84,16%; %O2 = 4,25%; %C3H8 = 0,20%.
Respuestas: Composición en base húmeda: %CO = 1,48%; %CO2 = 8,40%; %H2O = 13,18%; %N2 = 73,07%; %O2 = 3,69%; %C3H8 = 0,18%; Composición en base seca: %CO = 1,71%; %CO2 = 9,68%; %N2 = 84,16%; %O2 = 4,25%; %C3H8 = 0,20%.
2.10.2 EJERCICIO:
Un gas pobre obtenido de coque tiene la siguiente composición en volumen: 28,0% de CO; 3,5% de CO2; 0,5% de O2 y 68% de N2. Este gas se quema con una cantidad tal de aire que el oxígeno del aire está en un 20% en exceso del oxígeno neto necesario para la combustión. Si la combustión se completa en un 98%, calcule la masa y la composición en porcentaje volumétrico del gas de combustión formado por cada 100 lb. de gas quemado.
Base de cálculo: 100 lb -mol de gas pobre.

Gas pobre

Gas de emisión: N2, CO2; O2, CO
Aire 79% N2 y 21% O2

El gas pobre consiste en: 28 lb Mol de CO, 3,5 lb mol de CO2, 0,5 lb mol de O2 y 68 lb mol de N2.

Combustión completa: 28 CO + 14 O2  28 CO2

O2 necesario para la combustión completa: 14 lb mol.

O2 en gas pobre: 0,5 lb mol.

O2 neto necesario para la combustión completa: 13,5 lb mol.

O2 suministrado: 13,5 lb mol * 1,2 = 16,2 lb mol.

N2 suministrado = 16,2 lb mol O2 * (79 lb mol N2 / 21 lb mol O2) = 60,94 lb mol.

CO que se quema: 28 lb mol * 0,98 = 27,44 lb mol.

27,44 CO + 13,72 O2  27,44 CO2

Balance para N2: Entrada = salida  68 lb mol + 60,94 lb mol = N2 que sale  N2 que sale = 128,94 lb mol.

Balance para CO2: Entrada + producción = salida  3,5 lb mol + 27,44 lb mol = CO2 que sale  CO2 que sale = 30,94 lb mol.

Balance para O2: Entrada = salida + consumo  0,5 lb mol + 16,2 lb mol = O2 que sale + 13,72 lb mol  O2 que sale = 2,98 lb mol.

Balance para CO: Entrada = salida + consumo  28 lb mol = CO que sale + 27,44 lb mol  CO que sale = 0,56 lb mol.


Resumen para el gas de emisión:


Gas

Lb mol

Masa ( lb)

N2

128,94

3610,32

CO2

30,94

1361,36

O2

2,98

95,36

CO

0,56

15,68

Totales 163,42 5082,72
Masa de gas pobre = 28 lb mol CO * (28 lb / 1 lb mol) + 3,5 lb mol CO2 * (44 lb / 1 lb mol) + 0,5 lb mol O2 * (32 lb / 1 lb mol) + 68 lb mol N2 * (28 lb / 1 lb mol) = 2858 lb.

Se producen 5082,72 lb por cada 2858 lb de gas pobre quemadas. Entonces, el cálculo para determinar la masa de gas de emisión obtenida al quemar 100 lb de gas pobre es:

Masa de gas de emisión = 100 lb de gas pobre * (5082,72 lb gas emisión / 2858 lb gas pobre) = 177,84 lb.
La composición volumétrica del gas de emisión es la misma para cualquier cantidad del mismo gas pobre quemado:

% N2 = 128,94 lb mol N2 * 100 / 163,42 lb mol gas emisión = 78,90%.

De manera análoga se obtienen los siguientes porcentajes:

% CO2 = 18,93%

% O2 = 1,82 %

% CO = 0,34%



Respuestas: 177,84 lb; 78,90% N2, 18,93% CO2, 1,82% O2, 0,34% CO.

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