24/11/2014

Proceso de combustión Una combustión es una reacción exotérmica de una sustancia reductora, denominada combustible, con una sustancia oxidante, denominada comburente. El fenómeno va acompañado de un gran aumento de temperatura y, generalmente, de emisión de luz. Lo que determina que una reacción de oxidación-reducción exotérmica sea una combustión es la velocidad con que tiene lugar y la posibilidad de que se acumule el calor aumentando la temperatura. Así, por ejemplo. la corrosión del hierro o la putrefacción de la madera son procesos lentos de oxidaciónreducción. Como consecuencia de la reacción entre el combustible y el comburente se obtienen uno o más productos y se libera calor. Generalmente la combustión tiene lugar en fase gaseosa, de modo que la combustión de un sólido o de un líquido va precedida de la información de gases procedentes de la vaporización o de la pirólisis de parte del combustible. Lo mas frecuente es que los combustibles líquidos se vaporicen y que los sólidos experimenten una destilación pirolítica. La pirólisis es la descomposición de una sustancia en otras más sencillas por acción del calor. En general, para iniciar la reacción en cadena es preciso que las moléculas del combustible y el comburente tengan una energía cinética elevada para que sus colisiones sean capaces de romper enlaces químicos que originen radicales y se inicie la reacción en cadena. La energía cinética de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta y aumenta linealmente con la temperatura Celsius o centígrada. Por lo tanto, una forma de conseguir que aumente la

COMBUSTION. BASES

energía de las moléculas de un gas es aumentar su temperatura, lo que a su vez se puede conseguir suministrando energía al sistema. Una vez iniciada la reacción y formadas las cantidades de productos se libera calor y si éste es suficiente y se libera con suficiente velocidad. la reacción de combustión se mantiene por sí misma, pues el calor liberado permite alcanzar la temperatura necesaria para que reaccionen nuevas cantidades de combustible y comburente.

E. TORRELLA

Proceso de combustión

Para que la combustión tenga lugar han de coexistir tres factores, de modo que si falta alguno de ellos la combustión no puede llevarse a cabo. Estos componentes son:  Combustible.  Comburente. Comburente  Energía de activación (calor). El proceso se inicia calentando el combustible por encima de su temperatura de ignición. Por el calor los enlaces químicos del combustible se rompen.

E. TORRELLA

Tipos de combustión en una mezcla combustible y comburente El proceso de combustión puede ser de dos tipos:  Deflagración; en la que el frente de llama (frontera de separación entre la mezcla fresca a quemar y los gases quenados) se desplaza a una velocidad mas o menos constante y del orden del decímetro por segundo. La base del fenómeno es el calentamiento por cond cción con ección de la mezcla conducción-convección me cla fresca y las reacciones en cadena que q e hacen avanzar a an ar el proceso.  Detonación; en este caso, y tras una etapa inicial lenta, se produce finalmente una propagación a muy alta velocidad, del orden del kilómetro por segundo. La onda de presión calienta la mezcla fresca por compresión, propagándose además fuera de la mezcla con efectos destructores. Este tipo se produce en especies explosivas.

E. TORRELLA

1

24/11/2014

Velocidad de deflagración

Aplicaciones. Procesos de combustión

Es la velocidad con la que avanza el frente de llama en una mezcla apta para quemar.

Tal vez el proceso térmico de mayor interés práctico por su escala de utilización mundial, siendo

En un equipo destinado a producir o mantener la combustión (quemador), debe obtenerse una combustión estable,

a la vez muy fácil de realizar y muy difícil de estudiar. Sus aplicaciones se pueden resumir en:

lo que supone que la zona de reacción permanece fija en el espacio a pesar del flujo de los fluidos que intervienen. Ahora bien, este mantenimiento resulta de un equilibrio entre la velocidad de deflagración, que tiende a remontar la llama hacia el interior de la mezcla fresca y la velocidad con la que esta se suministra, que a su vez tiende a provocar el desprendimiento de la llama y su consiguiente extinción. Los factores de los que depende la velocidad de deflagración son:  La composición de la mezcla, es decir del tipo de combustible, del comburente, y de la relación de sus caudales.

 calefacción de habitáculos (hogueras, estufas, calderas),  producción de electricidad (centrales térmicas),  propulsión (motores alternativos, turbinas de gas),  proceso de materiales (reducción de óxidos, fundición, cocción),  eliminación de residuos (incineración de basura),

 La temperatura de la mezcla, a mayor temperatura mayor velocidad de deflagración

 producción de frío (frigoríficos de absorción),

 La presión de la mezcla, factor poco importante en aplicaciones de generación de calor, pero influyente en motores de combustión interna.

 control de incendios (barreras cortafuegos, materiales ignífugos),

 El régimen fluidodinámico, laminar o turbulento, en el segundo caso la velocidad es mayor al existir mayor transferencia de masa que prepara (calienta) mas rápidamente las zonas adyacentes al frente de llama.

 iluminación (hasta finales del siglo XIX era el único método de luz artificial).

E. TORRELLA

Consumo energético

E. TORRELLA

Fuente: Ministerio de Industria, Turismo y Comercio (La energía en España 2010) . España consumió en el año 2009 unos 132.123 KTep. La principal fuente de energía primaria ha sido el petróleo, con casi el 50%. Los combustibles fósiles han cubierto más del 77%, y la nuclear más del 12%. Las energías renovables han cubierto el 11% de la energía consumida.

Consumo de energía primaria (ktep) 2009

Consumo % 2009

Consumo de energía primaria (ktep) 2010

Consumo % 2010

 Consumos de energía primaria mediante combustibles en España: 52% petróleo, 13% gas natural y 15% carbón.

Petróleo

62.540

47,3

63.684

48,8

Gas natural

31.096

23,8

31.003

23,5

 Consumos de energía final mediante combustibles en España: 61% derivados del petróleo, 14% gas natural y 3% carbón.

Nuclear

13.750

10,5

16.155

12,2

Carbón

10.550

8,1

8.463

6,4

Energías renovables

12.151

9,3

14.678

11,1

Biomasa y residuos

4.824

3,7

5.046

3,8

Eólica

3.258

2,5

3.765

2,8

Hidráulica

2.266

1,7

3.390

2,6

Biocarburantes

1.074

0,8

1.442

1,1

Solar

709

0,5

1.014

0,8

Geotérmica

19

0,0

21

0,0

-695

-0,5

-717

-0,5

130.535

100,0

132.123

100,0

Los combustibles suponen actualmente el 80% de la energía primaria consumida en España

En el año 2000, el 65% de la energía final consumida por la industria española a partir de combustibles:  Consumos industriales de combustibles: 24% productos petrolíferos, 38% gas natural y 3% carbón.  Además la industria consume el 30% de la energía eléctrica, (60% producida en centrales térmicas que queman combustibles fósiles). El proceso térmico de mayor interés práctico por su escala de utilización mundial  Muy fácil de realizar. Genera mucha entropía: su viabilidad (tendencia) es muy alta.  Muy difícil de estudiar dado su carácter multidisciplinar.

Fuente de energía

Saldo eléctrico (Import-Export) Total

E. TORRELLA

E. TORRELLA

2

24/11/2014

Energía consumidas en España, tanto generadas en el propio país como importadas (2009)

E. TORRELLA

Planificación energética indicativa y el plan de energías renovables a 2020

Evolución consumo energía primaria en España

E. TORRELLA

Planificación energética indicativa y el plan de energías renovables a 2020

Aprobados la planificación energética indicativa y el plan de energías renovables a 2020 Establecen el camino para que España supere el objetivo de la UE de que un 20 por 100 del consumo de energía sea de origen renovable en 2020. Las energías renovables cubrirán el 20,8 por 100 del consumo de energía en España en el año 2020. La electricidad renovable cubrirá el 61 por 100 del objetivo en 2020. Las renovables subirán su ppeso en la ggeneración eléctrica en un 30 ppor 100, en un 57 por 100 en los usos térmicos y en un 125 por 100 en el transporte. Generará un beneficio económico estimado en 29.000 millones de euros gracias a las menores importaciones de hidrocarburos. Además, en el periodo se evitará la emisión de 171 millones de toneladas de CO2. 11.11.11 esta ha sido la fecha elegida por el Consejo de Ministros para la aprobación del Plan de Energías Renovables 2011-2020. El documento plantea que en el año 2020 al menos el 20% del consumo final bruto de energía en España proceda del aprovechamiento de las fuentes renovables pasando de una contribución del 13,2% en 2010 a un 20,8% en 2020.

E. TORRELLA

E. TORRELLA

3

24/11/2014

Energía primaria Una fuente de energía primaria es toda forma de energía disponible en la naturaleza antes de ser convertida o transformada

Energía primaria. Unidades La propiedad fundamental de las sustancias combustibles es su poder calorífico, es decir, la cantidad de calor que puede obtenerse en la combustión de la unidad de combustible (1 kg ó 1 m3). Precisamente esta propiedad permite expresar las cantidades de energía en unidades equivalentes de combustible.

Símbolo

E. TORRELLA

Energía primaria Una fuente de energía primaria es toda forma de energía disponible en la naturaleza antes de ser convertida o transformada

Tonelada equivalente de petróleo

Unidad

Factor de conversión a kJ

tep

Tonelada equivalente de petróleo

m3 de petróleo

Metro cúbico de petróleo

4,187.107 3 7 107 3,7.10

tec

Tonelada equivalente de carbón

2,93.107

bbl

Barril equivalente de petróleo

6,119.106

tet

Tonelada equivalente de trílita

4,2.106

m3 de G.N.

Metro cúbico equivalente de G.N.

termia

1 000 Kcal

3,7.104 4,187.103

kW-h

Kilowatio-hora

MJ

Megajulio

3,6.103 1.103

Kcal

Kilocaloría

4,187

E. TORRELLA

Importancia El proceso de combustión es muy importante en ingeniería porque todavía hoy, aunque tiende a disminuir (96% en 1975, 90% en 1985 y 40% en 1995), la mayor parte de la producción mundial de energía se hace por combustión de petróleo, carbón y gas natural. Y no sólo es importante el estudio de la combustión controlada de los recursos

La tonelada equivalente de petróleo (tep, en inglés toe) es una unidad de energía. Su valor equivale a la energía que rinde

primarios usados en la producción de trabajo y calor, sino que también es preciso estudiar los procesos de combustión incontrolada (fuegos) para tratar de prevenirlos y luchar

un tonelada de petróleo, la cual, como varía según la composición química de éste, se ha tomado un valor convencional de:

contra ellos. Además, cada vez va siendo más importante analizar la combustión controlada de materiales de desecho (incineración), con el fin de minimizar la contaminación ambiental.

41 868 000 000 J (julios) = 11 630 kW-h (kilovatios-hora).Es una de las unidades grandes de energía. Sirve también

La combustión (quemar algo) es un proceso tan fácil de realizar porque genera mucha entropía y por tanto su viabilidad (tendencia a reaccionar) es muy alta; mucha energía

de parámetro (comparación) de los niveles de emisión de anhídrido carbónico (también conocido como dióxido de carbono o CO2) a

ordenada en los enlaces químicos pasa bruscamente a energía térmica (desordenada) de las partículas producidas. De hecho, el mundo que nos rodea está integrado por

la atmósfera que se generan al quemar diversos combustibles. combustibles

mezclas reactivas (p (p.e. el mobiliario o la vestimenta y el oxigeno g del aire ambiente)) en equilibrio q metaestable,, y a veces basta con forzar localmente la reacción ((chispa) p ) ppara

Equivalencias de 1 tep expresadas en toneladas de CO2  Gas natural = 2,1  Carbón mineral = 3,8  Gasoil (o gasóleo) = 2,9  Referencia: 1 tep = 1,435 toneladas de carbón mineral Termia. La termia (símbolo: th) es una unidad de energía, equivalente a 1 millón de calorías. Se usa en el suministro de gas natural para calcular las facturas. Como el gas suministrado tiene un poder calorífico algo variable, el cobro se hace en termias en vez de

m3.

E. TORRELLA

que se autopropague, normalmente formando un frente luminoso (llama). Sin embargo, el proceso de combustión es difícil de analizar por los siguientes motivos: 

es un proceso multidisciplinario (termoquímico-fluidodinámico) fuertemente acoplado,.



los procesos de transporte de especies y calor (fenómenos de no equilibrio) son dominantes,



la fuerte exotermicidad da lugar a altas temperaturas, enormes gradientes (llama), e importantes fuerzas de flotabilidad por dilatación diferencial,



los enormes gradientes espaciales y los cortos tiempos de residencia en ellos provocan estados de no equilibrio local (quirniluminiscencia, ionización).

El carácter multidisciplinar del proceso de combustión demanda un vasto soporte de ciencias básicas: 

la Termodinámica, que enseña si el proceso es viable y predice la composición final, la energía liberada y la temperatura alcanzada en el equilibrio;



la Cinética química, que trata de predecir el mecanismo detallado de la reacción, la velocidad de reacción, el por que se producen radicales luminiscentes e ionizados, etc;



la Transmisión de calor y de masa, que enseña c6mo se difunden la energía térmica y las especies; y



la Mecánica de fluidos, que, con los datos de las anteriores, enseña a establecer los balances de flujos apropiados para permitir, al menos teóricamente, abordar la solución del problema.

E. TORRELLA

4

24/11/2014

Aspectos de la combustión

Combustibles

En términos generales, se considera como combustible cualquier material que suministre calor al arder. Los combustibles pueden clasificarse por su origen en naturales y artificiales, y según su estado físico en sólidos, líquidos y gaseosos, aunque normalmente la combustión tiene lugar en fase gaseosa por la vaporización previa de los combustibles (si no eran ya gases) o su descomposición por el calor, dando lugar a sustancias combustibles en estado gaseoso (pirólisis). Algunas pocas veces la combustión tiene lugar en más de una fase (combustión heterogénea), como sucede en la combustión del carbono y de algunos metales. La combustión en fase gaseosa generalmente produce una llama visible, mientras que la combustión heterogénea produce una incandescencia (Estado de un cuerpo, generalmente metálico, cuando se enrojece o blanquea por la acción del calor) E. TORRELLA

Comburentes El oxígeno es el comburente más frecuente en las combustiones. Nuestra fuente de oxígeno es el aire, del cual forma parte en un 21%, aproximadamente, por tanto si utilizamos aire para la combustión es necesario un volumen del orden de cinco veces mayor al de oxígeno necesario. En caso de utilizar sólo oxígeno el proceso se denomina oxi-combustión. En niveles altos de O2 el grado de inflamabilidad de materiales y ggases aumenta,, con concentraciones del 24%,, elementos como las prendas de vestir pueden entrar en combustión de manera espontánea. Otros agentes oxidantes poco frecuentes, pero bien conocidos, son ciertas sustancias químicas que

E. TORRELLA

Aspecto térmico de la combustión (I)

En el aspecto térmico se considera globalmente la evolución del sistema constituido por el combustible y el comburente, y considerando como producto final los gases de combustión. Como ejemplo consideremos la combustión de un hidrocarburo con oxígeno como comburente: m m  Cn H m   n   O2  n CO2  H 2O  Q 4 2  Se denomina energía de combustión a la diferencia entre la suma de las energías de formación

pueden liberar fácilmente oxígeno en condiciones adecuadas y provocar la combustión en ausencia

de los productos finales y la suma de formación de los iniciales (los productos finales llevados a

de otro comburente. Son ejemplos el nitrato de sodio (Na NO3), el clorato de potasio (K Cl O3), el

condiciones normales de presión y temperatura). Dado que la combustión se efectúa

peróxido de hidrógeno (H2 O2), etc.

normalmente a presión constante, la energía de combustión aparece como una variación de

Algunas sustancias combustibles, como la nitrocelulosa, contienen oxígeno combinado en sus

entalpía (Q), y el signo menos significa que el proceso es exotérmico, suministrando energía al

moléculas, de modo que pueden mantener una combustión parcial sin aportación externa de oxígeno.

medio ambiente

E. TORRELLA

E. TORRELLA

5

24/11/2014

Aspecto térmico de la combustión (II) Si la combustión se realiza con un bajo intercambio de calor con el exterior, o incluso de forma adiabática, la energía de combustión se almacena bajo forma de calor sensible en los productos de combustión, los cuales pasan a tener latas temperaturas, en estas condiciones las moléculas pueden presentar cierta inestabilidad, lo que puede acarrear descomposiciones como:

Proceso de combustión

El proceso de combustión es el del conjunto de reacciones que se producen a partir de los reactivos para dar lugar a los productos, con la liberación de una cierta energía térmica “Q”. Desde el punto de vista termodinámico la combustión en un equipo generador de calor puede considerarse que se efectúa:

CO2  CO  1 / 2 O2  Q1 H 2O  H 2  1 / 2 O2  Q2

 En un sistema abierto, con una entrada y una salida.

H 2O  1 / 2 H 2  OH  Q3

 En régimen permanente.

H 2  2 H  Q4

 Sin producción de trabajo

O2  2 O  Q5

 A presión constante.

Estas descomposiciones exigen un aporte de energía exterior (signo + en las variaciones de entalpía), lo que limita la energía de combustión y la temperatura final de humos.

E. TORRELLA

E. TORRELLA

Esquema básico de la combustión

Reactivos

Balance energético

H R )Te  H R )Tr  H R )Te Tr

Productos

H P )Ts  H P )Tr  H P )Ts Tr

Energía liberada H R )Te  Q  H P )TS

con "Tr " como temperatura de referencia, sustituyendo: Ts Q  H R )Tr  H P )Tr   H R )Te Tr  H P )Tr

por definición el poder calorífico (P.C.) es:

PC  H R )Tr  H P )Tr

siendo:

 HR)Te = entalpía de los reactivos a la temperatura de entrada "Te"

y finalmente:

 HP)Ts = entalpía de los productos a la temperatura de salida "Ts"

E. TORRELLA

Ts Q  PC  H R )Te Tr  H P )Tr

E. TORRELLA

6

24/11/2014

Representación gráfica del balance H

1

Productos

El nivel de referencia H

1

3

Productos (agua en fase vapor) 2

H R )Te Tr

H )

Te R Tr

Reactivos

2’ 2 PCI PCS

2

T Ts

Tadiabática

E. TORRELLA

En general, el estado de referencia se considera a presión atmosférica y temperatura ambiente

Productos (agua en fase líquida) Tr

Te

H P )Ts Tr

H ' P )Ts Tr

H P )Ts Tr

PC

Tr

Q12

Q

Te

Ts

T

Ts Q12  PCI )Tr  H R )Ts Tr  H P )Tr





Ts Ts Ts Ts Q12  PCS )Tr  H R )Ts Tr  H ' P )Tr  PCS )Tr  H R )Tr  H P ,sec os )Tr  ma Tr  h ' a )Tr 

PCS  PCI  ma Tr E. TORRELLA

Temperaturas de combustión

Temperatura adiabática de llama

En función de las condiciones en que tiene lugar el proceso, pueden distinguirse una serie de niveles térmicos:

Es la temperatura de la llama en una combustión que se da en un recinto perfectamente adiabático. Al no haber

Si la evolución se produce de forma adiabática la energía liberada al exterior es nula, es decir tiene lugar sin liberación de energía, con lo que todo el calor pasa a los productos finales, aumentando su temperatura sin cesión de energía al entorno. Si además el comburente (oxigeno, generalmente aire) interviene en la cantidad mínima que asegure la completa comb stión de todos los reactivos combustión reacti os combustibles comb stibles (combustión (comb stión neutra ne tra o estequiométrica), esteq iométrica) entonces la temperatura de salida de los productos es máxima y se denomina temperatura teórica o adiabática:

esta igualdad es la temperatura adiabática de llama. Es la máxima temperatura que se puede alcanzar en esa

Ts PC  H R )Te Tr  H P )Tr

Si no existe precalentamiento de aire, la variación de entalpía de los reactivos (combustible y comburente) es despreciable y la temperatura adiabática se calcula como: a PC  H P )Tadiabatic Tr

salida de calor al exterior se verifica que entalpía reactivos = entalpía productos. La temperatura a la que se cumpla combustión.

T adibática [ºC]

Gas natural

Propano

Butano

1940

1988

1900

En muchos casos es suficiente una evaluación aproximada en función del valor máximo calculado para la combustión en condiciones adiabáticas (sin pérdidas de calor a través de las paredes del hogar o del horno en la combustión cerrada; o por contacto con los gases ajenos a la combustión, si ésta es abierta). La temperatura así calculada se denomina temperatura adiabática de combustión. Esta temperatura aumenta con el poder calorífico del combustible y disminuye con la capacidad calorífica total de los productos de combustión, según expresa la expresión:

PCI  (Tadiabática  Tinicial ( combustible comburente ) )  c p ,i ni i

E. TORRELLA

E. TORRELLA

7

24/11/2014

Temperatura potencial

Temperatura efectiva

Esta temperatura es la que alcanzarían los productos de combustión si el proceso se realizase

Esta temperatura es la que alcanzarían los gases en las mismas condiciones supuestas para la

de forma completa, adiabática pero con una cantidad de aire superior a la mínima exigida para

temperatura potencial (adiabática, completa y con exceso de aire) pero considerando ahora el

que la combustión se efectuase totalmente.

calor absorbido por las reacciones de disociación de los productos de combustión.

Esta temperatura es inferior a la teórica ya que el volumen de humos formado es mayor al existir

La temperatura efectiva es inferior a la potencial dado que las reacciones de disociación tienen

un volumen de comburente mayor del estrictamente necesario para que la combustión tenga

un carácter endotérmico.

lugar de un modo completo.

E. TORRELLA

E. TORRELLA

Temperatura práctica o de equilibrio

Es la alcanzada por los productos de combustión cuando la cantidad de calor liberada en la combustión es igual a la absorbida por las superficies receptoras (principalmente por radiación) mas el calor que abandona el hogar con los productos de combustión.

Q  Qr  Qs

Comentarios al balance energético

Dos consideraciones deben realizarse sobre el razonamiento empleado:  El nivel de referencia implica no solo una temperatura de referencia sino también el estado físico de las especies.  Las reacciones de disociación planteadas inicialmente inciden sobre la energía total liberada, provocando una disminución del poder calorífico a considerar.

Q = calor liberado en la combustión. Qr = calor transmitido por radiación hacia la superficie receptora. Qs = entalpía de los gases de combustión a la salida.

E. TORRELLA

E. TORRELLA

8

24/11/2014

Poder calorífico

Poder calorífico

El calor que puede obtenerse a partir de un combustible que arde en condiciones determinadas está relacionado con la potencia calorífica. La energía química liberada en la

Combustible

combustión aparece en forma de calor de combustión, que

Poder calorífico Inferior (PCI)

Superior (PCS)

9,08 kWh/kg 10,28 kWh/l 9.934 kcal/kg 12,73 kWh/kg 12,86 kWh/kg 11.055 kcal/kg 22.529 kcal/Nm3 10,83 kWh/Nm3 9.314 kcal/Nm3

9,43 kWh/kg 10,89 kWh/l 10.524 kcal/kg 13,79 kWh/kg 13,97 kWh/kg 12.011 kcal/kg 24.475 kcal/Nm3 11,98 kWh/Nm3 10.304 kcal/Nm3

en gran parte se emplea en aumentar la temperatura de los humos.

Carbón

S denomina Se d i poder d calorífico l ífi de d un combustible b tibl a la l cantidad de calor que se libera en la combustión completa de la unidad de masa del mismo, medido a una atmósfera de presión y 18ºC. Depende de la naturaleza y cantidad de los

Gasóleo Gas butano

componentes combustibles. Hay que distinguir entre el poder calorífico superior y el inferior. Se denomina poder calorífico superior al determinado considerando que el agua formada

Gas propano

en la combustión (si es que se forma agua) y, en su caso, la que pase directamente a los humos, quede en estado líquido. Si el agua queda en estado gaseoso, el poder

Gas natural

PCI/PCS (%) 96,3 94,4 92,3 92,1 90,4

calorífico es menor (pues se necesita calor para vaporizar el agua) y se denomina poder calorífico inferior

E. TORRELLA

Poder calorífico

E. TORRELLA

Temperatura de inflamación Temperatura de inflamación (Flash Point). Es la temperatura del combustible a la que se inflaman por primera vez los vapores emitidos por el combustible al ponerse en contacto con una llama. Temperatura de inflamación: temperatura mínima hasta la que hay que calentar el combustible, para que se inicie la reacción de combustión. Este punto corresponde a la temperatura más baja a la que un líquido emana suficiente vapor en su superficie para que pueda formarse una mezcla con el aire, aire inflamable o explosiva. Muchos líquidos peligrosos tienen punto de inflamación a temperaturas ambientes o inferiores y están cubiertos por una capa de vapores inflamables que pueden arder o deflagrar inmediatamente si se exponen a una fuente de ignición. El efecto de la vaporización aumenta al subir la temperatura, por lo que el peligro aumenta a elevadas temperaturas.

.

E. TORRELLA

T inflamación [ºC]

Gas natural

Propano

Butano

580

493

482

E. TORRELLA

9

24/11/2014

Temperatura de ignición

Temperatura de ignición

Temperatura de combustión. Es la temperatura del combustible, superior a la de inflamación a la que se produce la combustión de los vapores del combustible, al menos durante 5 segundos, al ponerse en contacto con una llama. Temperatura de ignición: temperatura necesaria para que la llama originada por la combustión sea duradera y persistente, mientras quede combustible. A veces referida como temperatura de ignición expontánea (en inglés “SIT”), es la temperatura más baja necesaria para iniciar y mantener la combustión de una sustancia, independientemente y aunque no haya fuente de ignición. Este valor suele estar muy por encima del punto de inflamación a copa abierta (open-cup flash point). La temperatura de la superficie externa de los aparatos que se usen en una zona con peligro de explosión no debe superar la temperatura de ignición. Por lo tanto el equipo debe ser seleccionado y marcado teniendo en cuenta la naturaleza de los gases que puedan estar presentes.

E. TORRELLA

Límites de inflamabilidad

E. TORRELLA

Límites de inflamabilidad

Límites de inflamabilidad. Proporciones relativas de combustible y comburente deben estar cercanas a la relación de la proporción estequiométrica. Siendo “L” el porcentaje de combustible en la mezcla combustible-comburente, se define:  Límite inferior de inflamación Li,, ppor debajo j del cual no existe suficiente combustible ppara realizarse la combustión.  Límite superior de inflamación Ls, por encima del cual no existe suficiente comburente. Por tanto la combustión únicamente se realiza si Li < L < Ls. Los de inflamabilidad dependen de la temperatura y presión de la mezcla, así como de la presencia de gases inertes y vapor de agua.

E. TORRELLA

E. TORRELLA

Límites para el CO 40

10

24/11/2014

Límites de inflamabilidad

Límites de inflamabilidad Gases Fórmula

Límites de inflamabilidad Inferior (% vol/ vol)

Superior (% vol/ vol)

4 5 3,2 2,4 18 1,8 1,9 1,4 1,25 1 3,05 2 2 2,5 1,4 12,5 15,5 4,3 16 5

75 15 12,45 9,5 84 8,4 8,4 7,8 6,9 6 28,6 11,1 11,5 81 6,75 74,2 27 45,5 64 33

H2 CH4 C2H6 C3H8 i C4H10 n C4H10 C5H12 (Pentano) C6H14 (Hexano) C7H16 (Heptano) C2H4 (Etileno) C3H6 (Propileno) C4H6 (Butadieno) C2H2 (Acetileno) C6H6 (Benceno) CO NH3 SH2 Gas de gasógeno Gas de coquería

E. TORRELLA

Factores que influyen sobre  los límites de inflamabilidad

E. TORRELLA

La llama

Cuando la temperatura aumenta el rango de inflamabilidad se modifica tendiendo a desplazar el valor del L.I. hacia el valor cero

Se consideran aquí las características de la reacción de combustión, dejando aparte los procesos que conducen a las condiciones

en la misma proporción en que tiende a desplazar el valor del L.S.

iniciales y los que tiene lugar con los productos de la combustión. La característica más sobresaliente de la reacción de combustión

hacía valores más elevados con lo cual el rango de inflamabilidad

es la aparición de una llama visible. La aparición de una llama es tan representativa que, aun a pesar de reconocer la existencia de

se amplía. Según datos experimentales, por cada 100º de aumento de la temperatura, los límites de inflamabilidad se ven afectados en un 8%, de tal manera que la concentración mínima para alcanzar el LII será un 8% menor mientras que la concentración requerida para alcanzar el LSI será un 8% mayor

llamas invisibles, de llamas frías, de llamas mortecinas (la de un cigarrillo, la de las ascuas), etc., se puede restringir el estudio de la combustión a los procesos con llama, dejando los otros procesos de oxidación exotérmica antes mencionados para un análisis más general de procesos reactivos. Un ejemplo cercano y muy instructivo de estos procesos de oxidación exotérmica (combustión sin llama) lo constituyen las estufas

Para pasar de unas condiciones (P; T) a otras (P´;T´):

catalíticas, donde un flujo de butano (la combustión catalítica de otros hidrocarburos no está tan desarrollada) es dirigido a una matriz

L.I.(T’) = L.I.(T) -0,75· (T’ – T)· PCI-1

porosa (p.e. de alúmina) donde se encuentra el catalizador (p.e. platino) a la que también llega aire ambiente; si el catalizador esta frio

L.S. (T’) = L.S.(T) +0,75· (T’ – T)· PCI-1 L.I.(p’) ≈ L.I. (p) -0,3·lnP L.S.(p’) ≈ L.S. (p)+ 8,9·lnP ; L.I.(p’) ≈ L.I. (p) -0,3·lnP Con: P: presión absoluta (atm); T: temperatura (ºC); PCI: poder calorífico inferior (kcal/mol)

E. TORRELLA

no hay reacción, pero basta con que se caliente la matriz hasta unos 500 K (aunque la temperatura de funcionamiento normal es de unos 750 K) para que la mayor parte del butano reaccione con el oxigeno en la superficie del catalizador y genere calor suficiente para mantener la matriz caliente frente a las perdidas de calor al ambiente (que dicho sea de paso, es el objetivo de la estufa). Como no se alcanzan altas temperaturas, no se ve la emisión de radiación (lo cual es un inconveniente psicológico de este tipo de estufas), y parte del butano no llega a reaccionar, detectándose típicamente una concentraci6n del 5% en los gases de salida, que puede llegar al 10% al cabo de unos años de funcionamiento (los catalizadores envejecen).

E. TORRELLA

11

24/11/2014

¿Qué es la llama?

Espectro de la llama

La llama es el producto visible, en forma de

Los sólidos y fluidos calientes emiten una curva

radiación electromagnética, emitido por los

continua de distribución espectral. El espectro

gases calientes de la reacción química

típico de la radiación que desprende la llama

exotérmica entre un combustible y el oxígeno del

incluye zonas en la región UV, zonas en la

aire. El calor de la llama es radiación infrarroja.

región visible y, en mayor medida, zonas en la

Al calentarse estos cuerpos, el máximo de la luz emitida se desplaza al rojo, el color más cercano que el ojo humano puede ver.

región IR (Los vapores de hidrocarburos arden inmediatamente con llamas de una temperatura considerablemente

más

alta

que

otros

combustibles ordinarios). La radiación térmica se

En las llamas se pueden observar distintos

asocia a una radiación electromagnética con un

colores: el rojo-amarillo está provocado por la

intervalo de longitudes de onda entre 0,01 y 100

ignición de átomos de carbono, el azul claro por

micras.

átomos de hidrógeno. CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + Q (Calor)

E. TORRELLA

Emisividad de la llama

E. TORRELLA

Tipos de llamas Los reactantes pueden llegar, o bien previamente mezclados por un mismo lado de la llama (llama de premezcla) y los productos salir por el otro lado, o bien separados cada uno por un lado de la llama (llama de difusión), saliendo los productos también por difusión por ambos lados. En las llamas de gases premezclados la cinética química es el mecanismo dominante, el cual controla la velocidad de propagación y los limites de ignición. La combustión es más intensa y eficiente que en las de difusión, es decir, se consigue más potencia térmica, y se generan menos contaminantes. El color de la llama suele ser azulado, debido a la emisión lurniniscente de algunos radicales activos. La velocidad de la llama varia mucho con la composición, y es máxima para riquezas algo superiores a la estequiométrica (precisamente cuando la temperatura de combustión adiabática es máxima). En las llamas de difusión (de chorros de gas o de vaporización de sólidos o líquidos) es la difusión de especies el mecanismo dominante. dominante Estas llamas no presentan características propias como velocidad de propagación, espesor de llama, limites de ignición, etc. El rango de velocidades en que puede arder es mucho más extenso, son de un color amarillento (al ser peor la combustión se forma más hollín, que emite más radiación como cuerpo negro), son mucho más voluminosas para una misma potencia térmica, y son más seguras, al no formarse mezcla reactiva hasta la salida del inyector. La formación de hollín se explica por la gran diferencia de difusividades entre el hidrógeno y los demás productos de la descomposición térmica del combustible (hidrocarburo) en el interior de la llama (envoltura delgada donde la mezcla alcanza la estequiometría). Ello produce una fuga de hidrógeno y hace que aumente la concentración de moléculas ricas en carbono, produciéndose una sublimación inversa que les hace agregarse formando núcleos sólidos de f6rmula ponderal media C8H.

La baja emisividad de las llamas de gas natural debe procurar compensarse, demorando la disponibilidad de las partículas para que se produzca el hollinamiento que favorezca la emisividad y transferencia de calor por radiación. E. TORRELLA

E. TORRELLA

12

24/11/2014

Tipos de llamas

Llamas de difusión

Llamas de difusión: Gases no mezclados antes de la ignición, más inquemados y por tanto menor eficacia de la combustión. Llama más fría y de características:  Color naranja/rojo  Menor ruido  Perfil definido

Llama de premezcla: Combustible y comburente mezclados antes de la ignición. Menos inquemados y mejor combustión. La llama se caracteriza:  Color azul  Mayor ruido  Llama más estable pero mas dífícil de delimitar debido a perfil borroso.

E. TORRELLA

Llamas de premezcla El mechero Bunsen

E. TORRELLA

Apariencia y Color de la llama

En la llama del mechero Bunsen se pueden

La llama es la manifestación visible de la combustión porque

distinguir dos conos o envolturas:

el oxígeno del aire y la partícula de coque producto de la

 El cono interior, oscuro, formado por una zona brillante y reductora de combustión incompleta, es la zona de reducción y de baja temperatura. Su zona central esta formada por gases sin arder.  El cono exterior, constituido por una zona incolora y. de gran poder calorífico debido a que la combustión es completa, es la zona de oxidación.

permite apreciar como se desarrolla la reacción heterogénea entre disociación del combustible. El color de la llama es producto de las partículas de coque en estado incandescente; cuando el tamaño de partículas es considerable, el tiempo que demora la combustión permite observar colores que varían entre rojo y blanco deslumbrante en función de la temperatura de reacción.

Petróleo

En el caso de la combustión del gas natural, la disociación o craqueo del metano produce partículas microscópicas que se miden en Angstrons, por lo cual, si existe la disponibilidad suficiente de oxígeno en el medio, la presencia de partículas será fugaz no resultando suficiente para que se observe los colores típicos, predominando el color azul de los productos intermedios de la combustión entre los componentes del metano (Hidrógeno y Carbono) con el oxígeno (aldehídos y cetanos); en la medida que

G.N.

se demore la combustión por turbulencia y calidad de la mezcla, aparecerán los colores típicos de la reacción heterogénea, principalmente amarillo en el caso del gas natural.

E. TORRELLA

E. TORRELLA

13

24/11/2014

El retorno de llama

El despegue de llama

Se produce en mezclas de combustible-comburente con alta velocidad de propagación,

Al contrario del retorno, el despegue se produce con bajas velocidades de propagación, siendo

aumentando con las altas temperaturas y los bajos caudales de suministro, como por ejemplo

el riesgo tanto menor cuanto menor sea el factor de aire primario (el presente en la mezcla). Loe

en los momentos de parada de un quemador. Puede observarse en los quemadores

métodos para evitarlo son:

atmosféricos de gas, que al parar pueden producir llamas blancas en la salida del combustible.

 Aumento de la velocidad de salida

El método mas eficaz para evitarlo consiste en dividir la sección de la mezcla en múltiples

 Presencia de llamas piloto (el más utilizado), que consiste en la disposición periférica, respecto a la llama principal, de otras llamas alimentadas por la mezcla, lo que ocasiona:

orificios de pequeña sección, ya que la velocidad de retorno de llama aumenta con la sección de

 Impide la llegada de aire secundario a la base de la llama  Calentamiento, con aumento de la velocidad de propagación  Formación de radicales libres que aceleran el proceso de combustión

paso. Un ejemplo se tiene en que una tela metálica de malla fina no es atravesada por una llama, antiguas lámparas de minero. Una alta presión de suministro, unida a secciones de paso pequeñas producen altas

 Aumento de la velocidad de propagación, principalmente por acción de sobrecalentamiento de la mezcla o adición de oxígeno en el comburente (casos excepcionales).

velocidades de flujo y descenso del peligro de retorno de llama. E. TORRELLA

Frente de llama

E. TORRELLA

E. TORRELLA

Oxicombustión

E. TORRELLA

14

24/11/2014

Oxicombustión

E. TORRELLA

Oxicombustión

E. TORRELLA

Aspecto cinético

Balance energético en un sistema abierto

Resulta evidente que las expresiones que se consideran en la combustión no explican el

Entradas (Reactivos)

mecanismo real del proceso. Poe ejemplo si consideramos la combustión del heptano con

H e   nei hei

oxígeno:

Wa

Volumen de control (cámara de combustión)

i

C7 H16  11O2  7 CO2  8 H 2O  Q

infinito para que la combustión tenga lugar.

H s   nsj hsj j

Q  Wa   nsj hsj   nei hei [J / s = W]

Es improbable que se produzca una colisión entre doce moléculas (once de oxígeno y una de heptano), la probabilidad es ínfima, por lo que sería necesario dejar transcurrir un tiempo casi

Q

Salidas (Productos)

j

i

  Q W  a    sj hsj    ei hei [ J / mol comb.] ncomb ncomb j i

En este curso no se va a entrar en el mecanismo reaccional de la combustión, considerando

Q  Wa  H s  H e  H [J/mol comb.]

únicamente los estados inicial y final.

E. TORRELLA

E. TORRELLA

15

24/11/2014

1 PRINCIPIO

1 PRINCIPIO

Calor de reacción En procesos de trabajo nulo (casi siempre, excepto máquinas de combustión interna):

Potencia calorífica  Es una propiedad de cada combustible

 Q = H = Hs - He: Calor de reacción  H > 0: Hs > He: Q > 0 (entra calor)

 PCS = - Hc°. Agua líquida a 25 °C

 H < 0: Hs < He: Q < 0 (produce calor) Estado estándar

 PCI: agua vapor a 25 °C C en los productos

Entalpías absolutas: respecto a un estado de referencia

 Balance general de reacción química

hi(T,P) = hi0(T0,P0) + hi

H

Reactivos (entradas) a Te, Pe

Productos (salidas) a T s , Ps HS

HE Hr°

Reactivos a T0, P0

Productos a T0, P0

Estado de referencia: P0 = 1 bar, T0 = 298,15 K  Elementos (tabla periódica): hi0 = fH° = 0

  H   H r   H S   H E

 Compuestos: calor de formación estándar (fH°)  Elementos (T0,P0)  1 mol Compuesto (T0,P0)

 H   r

 Q = fH° [J/mol]: en tablas



 H   r

 Prod

j

 H  S

(  f H  ) j    i (  f H  )i Reac

  h j

j

Salidas

(  f H  ) j    i (  f H  )i [J / mol comb. ] Reac

 

h j 

E. TORRELLA

j

Prod

Calor de reacción estándar. Reactivos y productos en estado estándar (25 °C, 1 bar): entalpía de la reacción



Tt

T0

c p1dT   ht   c p 2 dT TS

Tt

E. TORRELLA

1 PRINCIPIO

E. TORRELLA

E. TORRELLA

16