Tema 1. Intro Flashcards
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Combustión
Reacción, química de oxidación-reducción que tiene lugar entre un combustible (reductor) y un comburente (oxidante) que se da con gran rapidez y libera gran cantidad de calor (exotérmica) además es automantenida.
El comburente, salvo procesos muy específicos, se aporta como aire.
Usamos oxígeno puro, cuando quiero temperaturas de llama altísimas.
Si la temperatura de combustión es demasiado alta pueden aparecer NOx.
El combustible a priori es sólido.
El combustible es pesado, entonces parte, no sé quemará.
Explosión
Combustión muy rápida. Los combustibles con oxígeno no necesitan tanto oxígeno de la atmósfera, pero la existencia de esa molécula de oxígeno quita la oportunidad a dos moléculas que aportan más a la combustión como el hidrógeno.
Tipos y clasificación de combustibles:
Por su estado físico
El carbono es mucho más al final hierro en la combustión.
Proceso de coquización quemarlo con déficit de oxígeno.
Combustibles sólidos
Transporte convencional de sólidos camiones y transportadores, etc.
Tipos de carbón, antracita, hulla, lignito y turba.
Biomasa: sólido renovable. Astillas, Briquetas y Pellets. Origen: residuos agrícolas o industriales, podas, etc.
Las antracitas de España no son buenas, porque tienen mucho azufre.
Combustibles líquidos
Origen: 95 % destilación del petróleo.
Biocombustibles: bioalcohol, biodiesel.
Punto de inflamación: temperatura, la cual yo puedo realizar una combustión auto mantenida.
Clasificación por viscosidad calentamiento en la utilización:
Tipo I: sin calentamiento adecuada, viscosidad, gasóleo C.
Tipo II: calentamiento en pulverización, fueloil ligero.
Tipo III: calentamiento en tanque y quemador, fueloil pesado.
Tipo IV: calentamiento en varias zonas, asfaltos.
Combustibles gaseosos
Clasificación por índice de Wobbe:
Significa que pueden cambiar por la presión.
Los gases pertenecientes a la misma familia son intercambiables sin introducir modificaciones en las instalaciones de uso.
Intercambiabilidad de los gases combustibles:
Dos gases eran intercambiables cuando para un quemador determinado, con las mismas condiciones de suministro, presión y temperatura, mantienen las mismas características de combustión.
Se determina mediante el índice de Wobbe y el potencial de combustión.
Potencial de combustión C: índice empírico, relacionado con la velocidad de combustión del gas.
Un gas arde de forma insatisfactoria en un quemador cuando:
Se produce desprendimiento de llama: el gas sale a más velocidad que la velocidad de propagación de la combustión.
Se produce el retorno de llama: el gas sale a menos velocidad que la velocidad de propagación de la combustión.
Se producen monóxido de carbono en una cantidad superior al 0,1 %.
Tipos y clasificación de combustibles:
Por su peligrosidad de manejo.
Se suele utilizar para clasificar hidrocarburos (derivados del petróleo). Cuanto más volátil es un combustible más peligroso es.
Clase A: corresponde a gases licuados del petróleo, cuya tensión de vapor es inferior a 1 kg/cm2 a la temperatura de 0°C.
Clase B: hidrocarburos conjunto de inflamación inferior a 55 °C y que no están incluidos en la clase A.
Clase C: hidrocarburos con punto de inflamación, comprendido entre 55°C y 120°C.
Clase D: hidrocarburos con punto de inflamación superior a 120 °C.
Propiedades
Densidad: masa por unidad de volumen. Importante para transporte y combustibles.
Análisis inmediato
Establece las cantidades relativas de humedad, materias volátiles, carbono fijo, materia mineral (cenizas) y poder calorífico.
Se emplea para caracterizar los carbones en aplicaciones industriales. Se incluyen los porcentajes en peso de:
Humedad: puede ser superficial, ocluida en los poros ( se desprenden al calentar la muestra en estufa, dejando la muestra seca) o combinada químicamente.
Materias volátiles: gases obtenidos en la pirólisis del carbón. Contienen sustancias combustibles, y tienen gran importancia en las características de la combustión del carbón.
Carbono fijo: el que resulta de la pirólisis, descontadas las cenizas.
Poder calorífico: representa la cantidad de calor recuperado cuando los productos de la combustión completa son enfriados hasta la temperatura inicial de combustible y el comburente (aire).
PCS: agua líquida.
PCI: agua vapor.
El poder calorífico del carbón suele determinarse mediante el análisis inmediato. Sin embargo, en muchos casos es incluido como un apartado más de análisis elemental. Para su determinación, se incinera una muestra de carbón, previamente pesada, dentro de un calorímetro, manteniendo el proceso bajo unas condiciones controladas.
Análisis elemental
Sirve para cuantificar las cantidades totales de cada uno de los elementos químicos principales que se encuentran presentes en el carbón: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre.
En general, se refiere a base seca; hay que conocer con precisión la referencia del análisis.
La composición se expresa enfracciones másicas.
Carbono total: de la sustancia orgánica y carbonatos minerales. Es la suma del carbono fijo (sin combinar) (no destila cuando se calienta un carbón) y del contenido de las materias volátiles.
Hidrógeno: en forma de compuestos orgánicos, humedad y agua de constitución de los silicatos de la materia mineral.
Azufre: los carbones contienen azufre en altas cantidades apreciables que aumentan a menor calidad. Su presencia produce sus inconvenientes: óxidos corrosivos, escorias, lluvias ácidas.
Nitrógeno: se encuentran pequeñas cantidades, procedente de combinaciones orgánicas. Es un estéril y produce NOx.
Oxígeno: rebaja la potencia calorífica del combustible, aunque contribuye a las necesidades del aire de combustión.
Reacciones de combustión:
Cuantificación de cantidades de combustible y aire.
Aire de combustión: oxígeno necesario en cada reacción de combustión. Con composición aproximada del aire (21 % de O2 y 79 % de N2), cada mol de O2 está acompañado de 3,76 moles de N2.
➡️ Relación aire combustible: cociente entre la cantidad de aire en una reacción y la cantidad de combustible en base molar o másica.
➡️ Combustión completa: todos los productos resultantes de la reacción están en el máximo grado posible oxidación.
Oxígeno teórico o estequiométrico: cantidad de O2, teóricamente necesaria para llegar a cabo estas reacciones.
La combustión llevada a cabo en estas condiciones, se denomina esta estequiométrica o teórica.
➡️ Combustión incompleta: en la realidad, si solo se suministra oxígeno teórico, la reacción no se lleva a cabo completamente o con la rapidez suficiente, generando relaciones incompletas.
Parte de la energía calorífica no se libera por tanto, no se obtiene la máxima energía disponible en el combustible.
Entendemos por combustión completa aquella en que algún componente de combustible no ha llegado al grado máximo de oxidación.
Los productos que no se han oxidado totalmente se denominan inquemados.
Resulta necesario proporcionar un acceso de aire al combustible para aumentar la posibilidad de que reaccione con el O2 rápida y totalmente en combustión completa antes de que pase a una zona más fría, donde la combustión no tendría lugar
Términos para describir las proporciones de combustible y aire, que alimentan a un sistema de combustión.
➡️ Oxígeno teórico: son los moles (combustión discontinua) o flujo molar (combustión continua) de O2, que es necesario para efectuar la combustión completa de 1 mol de combustible en un reactor, suponiendo que todo el C se oxida para formar CO2 y todo el H2 para formar agua.
➡️ Aire teórico: es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico. Por cada mol de O2 se requiere 1+x moles de aire.
Si x < 3,78 se dice que el aire está enriquecido en O2.
En la práctica del uso de aire oxigenado se limita a < 30% (llamas oxigenadas).
➡️ Exceso de aire: cantidad en exceso de aire que alimenta el reactor con respecto al aire teórico.
➡️ Defecto de aire: cuando el número de moles de aire de alimentación, es menor que el de moles de aire teóricos utilizados.
Tasa de aireación: porcentaje de aire estequiométrico o riqueza de aire (n).
Cuanto mayor es la temperatura termodinámica media mayor es el rendimiento de nuestra instalación .
Reacciones de combustión:
Temperatura adiabática de llama.
Es la máxima temperatura teórica que puede alcanzar una llama, máxima temperatura alcanzable en la combustión. El cálculo de este valor se lleva a cabo mediante los balances de energía. Este valor es muy dependiente de la proporción aire-combustible.
En realidad, no alcanzamos esta temperatura por los siguientes motivos: combustión incompleta, el exceso de aire diluye los productos, pérdidas de calor y disociación de productos a alta temperatura.
Máxima ➡️ estequiométrica
Mínima ➡️ mezcla rica en combustible o pobre en aire.
Reacciones de combustión:
Ignición y temperatura de ignición.
Ignición: fenómeno en el que la velocidad de una reacción de oxidación aumenta abruptamente cuando la temperatura de la mezcla de reacción es mayor a cierto valor.
La temperatura a la que ocurre es la temperatura de ignición.
Retardo de ignición: tiempo entre instante en el que la mezcla alcanza la temperatura de ignición y el momento de la ignición.
A mayor temperatura mayor velocidad, cuando la velocidad de generación de calor por la reacción excede el valor de la velocidad de pérdida de calor en la zona de reacción y se retira la fuente de calor, esta velocidad puede mantener el sistema a alta temperatura hasta que se consuman los reactivos.
Punto de ignición
Conjunto de condiciones físicas necesarias para que la sustancia empiece a arder al acercarse a un punto y a retirar este la llama continúe.
Temperatura mínima a la que un material desprende vapores en cantidad suficiente para arder en presencia de una fuente de ignición, pero no continúa quemándose si se retira la fuente de calor.
Reacciones de combustión:
Inflamabilidad y límites inflamabilidad .
Existen dos valores característicos del porcentaje en moles de una mezcla de reacción.
El límite o inferior de inflamabilidad y el límite rico o superior de inflamabilidad en los que la temperatura adiabática de llama es igual a la temperatura de ignición de mezcla.
El intervalo de composición entre los límites de inflamabilidad se conoce como intervalo explosivo de la mezcla.
El punto de inflamación de un líquido es la temperatura a la que el líquido produce suficiente vapor para formar una mezcla que se prende con el aire por encima de la superficie del líquido.
Reacciones de combustión:
Entalpía de formación .
Energía liberada o absorbida cuando el compuesto se forma a partir de sus elementos y tanto el compuesto como los elementos están a la temperatura y presión de referencia.
Cómo cambia la entalpía al formarse un compuesto desde sus elementos químicos en sus estados estándar mediante una reacción isoterma.
Los valores de energía interna, entalpía y entropía específicas están dados respecto de algún estado arbitrario de referencia donde se hacen cero. Esta aproximación vale para el cálculo de variaciones en las propiedades entre estados de la misma composición.
Pero cuando hay una reacción química, los reactivos desaparecen y se forman los productos.
Establecemos una referencia para la entalpía en el estudio de sistemas reactivos asignando, arbitrariamente un valor nulo a la entalpía de los elementos estables en un estado llamado estado de referencia estándar.
Solo se asigna un valor cero dental pilla en el estado estándar a los elementos estables (químicamente estables).
La entalpía de un compuesto en el estado estándar es igual a su entalpía de formación.
Cálculo de entalpía
La entalpía específica de un compuesto en un estado distinto del estándar se encuentra sumando a la entalpía de formación la variación de entalpía específica entre el estado estándar y el de interés.
Consideraciones a tener presentes al escribir los balances de energía para los sistemas que incluyen combustión
➡️ es necesario considerar si se producen transferencias significativas de calor y trabajo y sus valores respectivos se conocen.
➡️ deben valorarse los efectos de las energías cinética y potencial.
➡️ es importante conocer el estado del combustible antes de que se realice la combustión.
➡️ es importante saber si el combustible es sólido, líquido o gaseoso.
➡️ es necesario considerar si el combustible está premezclado con el aire de combustión, o si ambos entran por separado reactor.
➡️ el estado de los productos de la combustión, también debe fijarse.
➡️ es importante saber si los productos de la combustión son una mezcla gaseosa o si condensado parte del agua, formada en la combustión.
Entalpía de combustión.
Se define como la diferencia entre la entalpía de los productos y la de los reactivos para una combustión completa, a temperatura y presión dadas.
Raciones de combustión:
Poder calorífico .
Es un número positivo igual a la magnitud de la entalpía de combustión.
Se distinguen dos poderes:
El poder calorífico superior, se obtiene cuando todo el agua formada en la combustión líquida.
Poder ismo inferior se obtiene cuando todo el agua formada en la combustión gaseosa.
Reacciones de combustión:
Diagramas de combustión:
Diagrama de Oswald.
Se utiliza para el caso de combustiones incompletas con quemado, son en forma de CO.
➡️ Eje horizontal: fracción molar de O2 en humo secos.
➡️ Eje vertical: fracción molar de CO2 en humos secos.
