Proceso de combustión Proceso de combustión Tipos de

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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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¿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
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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.
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E. TORRELLA
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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
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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
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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
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1 PRINCIPIO
E. TORRELLA
E. TORRELLA
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