Resumen de Turbinas, Refrigeración y Combustión en Ingeniería Química
Turbinas, Refrigeración y Combustión en Ingeniería Química
Introducción
La combustión de combustibles es un proceso químico y energético central en muchas aplicaciones industriales y de servicio. En este material estudiaremos cómo se cuantifica la energía liberada por los combustibles, cómo se determinan las cantidades de aire necesarias, el efecto del exceso de aire y la influencia de la humedad. Se incluyen definiciones, fórmulas prácticas y ejemplos aplicables a combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.
Definición: La combustión es la reacción química entre un combustible y el oxígeno que genera productos oxidados (típicamente \ce{CO2}, \ce{H2O}) y libera calor medible como poder calorífico.
1. Calor de combustión: conceptos clave
1.1 Reacciones representativas
Se comparan calores de formación para carbono:
$$\ce{C + O2 -> CO2} \quad \Delta H^{\circ}_{25,^{\circ}\mathrm{C}} = -94{,}1\ \mathrm{kcal/mol\ de\ elem.\ comb.}}$$
$$\ce{C + 1/2 O2 -> CO} \quad \Delta H^{\circ}_{25,^{\circ}\mathrm{C}} = -26{,}4\ \mathrm{kcal/mol\ de\ elem.\ comb.}}$$
Una combustión incompleta que produce \ce{CO} en vez de \ce{CO2} libera menos calor y representa pérdidas económicas y riesgos de seguridad.
Definición: La combustión teórica (o estequiométrica) es aquella realizada con la cantidad mínima de aire que permite la oxidación completa de los elementos combustibles sin exceso de oxígeno en los productos.
1.2 Tipos de combustión
- Combustión teórica o estequiométrica: aire mínimo, productos sin \ce{CO} ni \ce{O2}. Se logra solo si la mezcla y la dosificación son exactas.
- Combustión con exceso de aire: en la práctica se usa más aire que el teórico; los productos contienen \ce{N2} y O2 libre y la combustión es en atmósfera oxidante. El calor liberado es el mismo que en la combustión teórica (para oxidación completa), pues la reacción química no cambia.
2. Poder calorífico: superior e inferior
Definición: El poder calorífico es la energía liberada por la combustión completa de una unidad de masa o volumen de combustible, en condiciones definidas.
- Unidades: kcal/kg para sólidos y líquidos, kcal/m^3_N para gases.
- Condiciones normales: $P = 1,\mathrm{atm}$, $T = 0,^{\circ}\mathrm{C}$ (volumen molar de referencia para gases).
2.1 Poder calorífico superior ($q_s$)
Es la energía liberada si se condensa todo el vapor de agua producido y se recupera su calor latente. Se mide en bomba calorimétrica.
2.2 Poder calorífico inferior ($q_i$)
Es la energía aprovechable cuando los gases no se enfrían hasta la condensación del vapor de agua. Es el valor práctico en la mayoría de cálculos de combustión.
2.3 Relación entre $q_s$ y $q_i$
$$q_i = q_s - \Delta H_v, m_{\mathrm{H_2O}}$$
- $\Delta H_v$: calor latente de vaporización del agua, en kcal/kg.
- $m_{\mathrm{H_2O}}$: masa de vapor de agua producida por kg de combustible (kg H2O/kg comb.).
Para combustibles secos la producción de agua proviene del hidrógeno del combustible. Se usa la aproximación:
$$m_{\mathrm{H_2O}} = 9,H$$
donde $H$ es la fracción en masa de hidrógeno (kg H/kg combustible). Para combustibles sólidos y líquidos hay que sumar la humedad: $m_{\mathrm{H_2O}} = 9H + H_2O$.
Ejemplo práctico: Para metano se calcula $q_i$ a partir de $q_s$ restando el calor de condensación del agua producida según condiciones (ver sección de ejemplo más adelante).
3. Cálculo aproximado del poder calorífico
3.1 Fórmulas empíricas
Según Dubbel:
$$q_s = 81{,}3,C + 297,H + 15,N + 45{,}6,S - 23{,}5,O \quad (\mathrm{kcal/kg})$$
$$q_i = 81{,}3,C + 243,H + 15,N + 45{,}6,S - 23{,}5,O - 6,\mathrm{H_2O} \quad (\mathrm{kcal/kg})$$
Según Dulong:
$$q_s = 81{,}5,C + 347\left( H - \frac{O}{8} \right) + 22{,}7,S \quad (\mathrm{kcal/kg})$$
En estas ecuaciones $C,H,O,N,S$ son fracciones en peso (kg/100 kg de combustible).
3.2 Combustibles gaseosos
Para gases el poder calorífico inferior se obtiene por suma molar:
$$q_i = \sum x_i, q_{i_i}$$
donde $x_i$ es la fracción
Regístrate para el resumen completo¿Ya tienes cuenta? Iniciar sesión
Análisis y propiedades de combustibles
Klíčové pojmy: Diferencia entre poder calorífico superior $q_s$ y el inferior $q_i$ mediante $q_i=q_s-\Delta H_v m_{H2O}$, Calcular masa de agua producida: $m_{H2O}=9H$ para combustibles secos, Fórmula mínima de oxígeno: $W_0=2{,}67C+8H+S-O$ (kg O2/kg comb.), Aire mínimo en masa: $W_{a\min}=11{,}5C+34{,}5H+4{,}31S-4{,}31O$, Relación exceso de aire: $V_a=(1+e)V_{a\min}$ y coeficiente $n=1+e$, Cálculo de $q_i$ para gases: $q_i=\sum x_i q_{i_i}$ y $q_{iR}=q_i/z$, Balance entálpico para temperatura de llama: $F q_i = W_g C_{p,g}(T_g-T_0)$, Corregir volumen de aire por humedad usando $V_{a,f}=fV_a$ con $f=1+\varphi\,p_{vs}/p_{as}$