balances de materia en procesos de combustión

BALANCES DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTIÓN
1.
Introducción
La combustión de cualquier combustible es una reacción química compleja. En mayor o
menor proporción, se producen óxidos de nitrógeno y productos de combustión parcialmente
oxidados, incluso con exceso de aire, como el CO (monóxido de carbono). Si se desea estudiar,
por ejemplo, la producción de óxidos de nitrógeno, se ha de plantear la reacción de combustión
con toda su complejidad. Sin embargo, en ocasiones, basta un análisis simple de la combustión.
Definamos, previamente, algunos conceptos fundamentales.
• Reacción de combustión completa. Es aquella en la que todos los productos de la combustión
están presentes en el mayor grado posible de oxidación en una reacción de combustión. Esta
matización es importante porque en los óxidos de azufre, por ejemplo, “el de mayor grado” de
oxidación es el SO3 y, sin embargo, “el mayor grado que se puede obtener de una combustión”
es el SO2.
• Reacción de combustión estequiométrica. Es la reacción completa con el aire mínimo
necesario.
• Reacción de combustión completa con exceso de aire. Como su nombre indica, se trata de una
combustión completa en la que hay más aire que el mínimo necesario.
• Reacción de combustión con defecto de aire. Es una combustión en la que se utiliza una
cantidad de aire menor que el mínimo para la reacción completa. Necesariamente es una
reacción incompleta, puesto que de ella se obtienen productos con un grado de oxidación menor
que el máximo o, incluso, suele presentar una fracción de combustible sin quemar. En este caso,
se dice que en los humos hay inquemados.
2.
Aire técnico de la combustión
Consideremos que la reacción de combustión se lleva a cabo con aire atmosférico y que
éste, para simplificar los cálculos, tiene 21 % de O2 y 79 % de N2 en volumen. Se ignoran el
vapor de agua y el dióxido de carbono que hay en el aire. Este aire de composición constante y
simplificada se denomina aire técnico de la combustión (ATC).
La masa molecular aparente del ATC es 28,85 kg/kmol
Las principales equivalencias aire-oxígeno y aire-nitrógeno se obtienen de las siguientes
proporciones: 1 kmol de aire contiene 0,21 kmol de oxígeno y 0,79 kmol de nitrógeno. 4,762
kmol de aire contienen 1 kmol de oxígeno y 3,762 kmol de nitrógeno.
3.
Parámetros fundamentales del balance de masas de una combustión
En general, un combustible está constituido por una mezcla de diferentes componentes,
no todos ellos combustibles. Es preciso expresar la composición del combustible indicando la
concentración de cada componente. Si el combustible es gaseoso, se suele emplear la fracción
molar x; xi indica la fracción molar del componente i. Se cumple:
in
x
i 1
i
1
siendo n el número de componentes.
Si el combustible es líquido o sólido, se suele emplear la fracción másica m; mi indica la
fracción másica del componente i. Se cumple:
i n
m
i 1
i
1
Parámetros fundamentales:
• relación oxígeno-combustible en kmol O2 /(kmol combustible): ROC molar, ro
• relación oxígeno-combustible en kg O2 /(kg combustible): ROC másico, ro
• relación aire-combustible en kmol aire/(kmol combustible): RAC molar, ra
• relación aire-combustible en kg aire/(kg combustible): RAC másico, ra
• relación humos húmedos-combustible en kmol humos húmedos/(kmol combustible): RHHC
molar, rhh
• relación humos húmedos-combustible en kg humos húmedos/(kg combustible): RHHC
másico, rhh
• relación humos secos-combustible en kmol humos secos/(kmol combustible): RHSC molar,
rhh
• relación humos secos-combustible en kg humos secos/(kg combustible): RHSC másico, rhs
• relación aire-combustible estequiométrica, o bien la cantidad mínima necesaria para que se
produzca la reacción completa: RAC est., rae
• relación aire-combustible real: RAC real, rar
• coeficiente de exceso de aire, n o λ = rar / rae
• masa molecular media aparente del combustible en kg combustible/(kmol combustible), Mcomb.
Se obtiene de la composición del combustible, expresada en fracción molar, y de la masa
molecular de cada componente, Mi,
i n
M comb   xi M i
i 1
La tabla 1 indica las masas moleculares de las sustancias más usuales en las reacciones
de combustión junto con la reacción de combustión.
La relación entre la fracción molar y la fracción másica de un componente i es:
xi  mi
M comb
Mi
La masa molecular media aparente de los humos húmedos Mhh, en kg h.h./(kmol h.h.),
se obtiene de la composición de los humos húmedos, expresada la de cada componente en
fracción molar xj :
j m
M hh   x j M j
j 1
siendo m el número de componentes de los humos húmedos.
La masa molecular media aparente de los humos secos Mhs,, en kg h.s./ /(kmol h.s.) se
obtiene de la composición de los humos secos, expresada la de cada componente en fracción
molar xk:
m 1
M hs   xk M k
k 1
Obsérvese que los humos secos tienen un componente menos.
Tabla 1
4.
Balance de masas de la reacción de combustión completa de un combustible
gaseoso
El balance de masas de un combustible gaseoso se lleva a cabo mediante cálculos que
giran en torno a la reacción química de combustión. Si ésta se plantea de forma general para
todo el combustible, puede resultar una operación muy tediosa, debido a que el gas tendrá,
probablemente, varios componentes. Es preferible efectuar los cálculos a partir de una tabla
normalizada en la cual se disponen los componentes en columna y las reacciones y operaciones
en filas. Se expone un ejemplo de cálculo a continuación.
Ejemplo. Efectuar el balance de masas de un gas manufacturado cuya composición molar es:
CH4, 0,380; C2H4, 0,08; H2, 0,48; CO2, 0,02; N2, 0,02; O2, 0,02. Considérese la reacción
estequiométrica.
Los cálculos se desarrollan en las tablas 2 y 3.
Tabla 2
Tabla 3
En estas tablas λo y λhh representan las ROC y RHHC molares ( ro , rhh ), respectivamente.
5.
Balance de masas de la reacción de combustión completa de un combustible sólido
o líquido
Fundamentalmente, se han de hacer los mismos cálculos que los expuestos en el
apartado anterior. Sin embargo, en combustibles sólidos o líquidos, la composición se da en
fracción másica elemental y, además, puede haber sustancias no combustibles (cenizas) que
hacen la mecánica operativa de cálculo algo distinta. Por tanto, es aconsejable plantear el
balance de forma independiente. Los cálculos se exponen en las tablas 4 y 5 en el ejemplo
siguiente.
Ejemplo. Efectuar el balance de masas de un lignito cuya composición elemental, en fracción
másica, es: C, 0,607; H, 0,049; S, 0,009; O, 0,155; N, 0,012; H2O, 0,101; cenizas, 0,067.
Considérese la reacción estequiométrica.
Las fracciones molares equivalentes de los componentes del lignito sin cenizas se han
obtenido de la siguiente forma:
xi 
M lig
mi
1  mcenizas M i
donde Mlig es la masa molecular del lignito sin cenizas (s.c.), y expresada en kg de lignito
s.c./(kmol lignito s.c.). La masa molecular del lignito se puede obtener de:
6
6

i 1

mi
 x   1  m
i 1
i
cenizas
M lig 
 1
Mi 
Tabla 4
Tabla 5
En estas tablas λo representa la ROC másica y λhh,, la RHHC molar, respectivamente.
6.
Temas de ampliación
En este apartado se ha estudiado únicamente la combustión completa que, por otra
parte, es la más habitual en Ingeniería. Un estudio más profundo comprendería el análisis de las
combustiones incompletas, fundamentalmente las llamadas combustiones de Ostwald y de
Kissel, así como el estudio de los diagramas triangulares de combustión [1]. La combustión de
Ostwald es la que presenta CO como único inquemado gaseoso. La combustión de Kissel,
presenta CO e H2 como inquemados. El diagrama triangular de una combustión es la
representación gráfica de diversas características de la combustión; por ejemplo, la
concentración de CO en los humos y la concentración de oxígeno. Este diagrama suele presentar
la concentración de CO2 en ordenadas y la de O2, en abscisas.
Bibliografía
[1] MIRANDA, A. L. y OLIVER, R.: La combustión. Grupo Editorial CEAC, Barcelona, 1996.
[2] MOLINA, A.L. y MOLINA, G.: Manual de Eficiencia Energética Térmica en la Industria.
CADEM, Bilbao, 1993.
[3] LLORENS, M. y MIRANDA A.L.: Ingeniería Térmica. Grupo Editorial CEAC, Barcelona,
1999.