Combustibles y Combustión Profesor : Profesor Aux :. Unidad de aprendizaje : Termodinámica aplicada Fecha: 08/NOV/2016 Curso : III CRIM MPE

APRENDIZAJE ESPERADO Realizar correctamente cálculos de balanceo de ecuaciones de combustión.

INDICADORES DE DESEMPEÑO Analiza conceptos relacionados con la combustión. Balancea ecuaciones de combustión.

CONTENIDO INTRODUCCIÓN CRACKING CHON COMBUSTIÓN COMBUSTIBLES AIRE MATERIALES ENERGÉTICOS REACCIÓN REDOX CONCEPTO GENERALES EJERCICIOS PRÁCTICO SÍNTESIS

INTRODUCCIÓN 1… 2… 3…

Elementos básicos de la energía química

Cracking del petróleo crudo La mayoría de los combustibles líquidos a base de hidrocarburos se obtienen de la destilación del petróleo crudo

Gas natural licuado

Tabla de combustibles Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Oxidante y combustible Se denomina reacción de reducción-oxidación, a toda reacción química en la que uno o más electrones se transfieren entre los reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación. Debe haber un elemento que ceda electrones, y otro que los acepte: Semirreacción de reducción:2 𝑒 − + 𝐶𝑢 2+ + → 𝐶𝑢 0 Semirreacción de oxidación: 𝐹𝑒 0 → 𝐹𝑒 2+ + 2 𝑒 − o más comúnmente, también llamada ecuación general: 𝐹𝑒 0 + 𝐶𝑢 2+ → 𝐹𝑒 2+ + 𝐶𝑢 0 Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma violenta con desprendimiento de calor. Oxidante es aquel elemento químico que tiende a captar esos electrones, quedando con un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir, siendo reducido. Agente reductor es aquel elemento químico que suministra electrones de su estructura química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir siendo oxidado. El oxidante se reduce, gana electrones. El reductor se oxida, pierde electrones. Todos los componentes de la reacción tienen un estado de oxidación. En estas reacciones se da un intercambio de electrones.

Concepto de combustión comburente combustible gases Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Combustión + O combustión

Liberación de energía en una reacción química Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Liberación de energía en una reacción química

energía (entalpia) de formación

1 kmol de O2  3.76 kmol N2 Composición del aire inerte 4.76 kmol de aire (0.79/0.21 = 3.76) Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Aire húmedo La presión que ejerce un gas depende mucho de su densidad y su temperatura. Para una mezcla de gas, la presión medida por un sensor, es la suma de las presiones que ejerce cada uno de los gases, nombradas como presión parcial. La presión atmosférica 𝑃 𝑎𝑡𝑚 es la suma de la presión del aire seco 𝑃 𝑎 y la presión del vapor de agua, llamada presión de vapor 𝑃 𝑣 𝑃 𝑎𝑡𝑚 = 𝑃 𝑎 + 𝑃 𝑣 El aire puede contener sólo cierta cantidad de humedad, y la relación entre la cantidad real de humedad en el aire a una determinada temperatura y la máxima cantidad que el aire puede contener a esa temperatura se llama humedad relativa 𝟇 . La humedad relativa varía de 0 para el aire seco a 100% para el aire saturado (que no puede contener más humedad). La presión de vapor del aire saturado a una determinada temperatura es igual a la presión de saturación del agua a esa temperatura. 4.76 kmol de aire

saturación Condición de equilibrio de fases 𝑃 𝑣 = 𝑃 𝑠𝑎𝑡 𝑎 𝑇 Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Presión de vapor 𝑃 𝑣 = 𝟇𝑃 𝑠𝑎𝑡 𝑎 𝑇 𝑃 𝑔 𝑎 25°𝐶 =3,1698 𝑘𝑃𝑎 𝑃 𝑣 = 0,6 3,1698 𝑘𝑃𝑎 =1,902𝑘𝑃𝑎 Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Presión de vapor En un día de verano, la temperatura del aire que se halla sobre un lago es de 25 °C. Determine la temperatura del agua del lago cuando se establecen las condiciones de equilibrio de fase entre el agua en el lago y el vapor en el aire para humedades relativas del aire de 10, 80 y 100% 𝑃 𝑠𝑎𝑡 𝑎 25°𝐶 =3,17 𝑘𝑃𝑎 𝑃 𝑣1 = 𝟇 1 𝑃 𝑠𝑎𝑡 𝑎 25°𝐶 = 0,1 3,17 𝑘𝑃𝑎 =0,17𝑘𝑃𝑎 𝑃 𝑣2 = 𝟇 2 𝑃 𝑠𝑎𝑡 𝑎 25°𝐶 = 0,8 3,17 𝑘𝑃𝑎 =0,2536𝑘𝑃𝑎 𝑃 𝑣3 = 𝟇 3 𝑃 𝑠𝑎𝑡 𝑎 25°𝐶 = 1 3,17 𝑘𝑃𝑎 =3,17𝑘𝑃𝑎 𝑇 1 =−0,8°𝐶 𝑇 2 =21,2°𝐶 𝑇 3 =25°𝐶 Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Balance de masa Método algebraico de balanceo… Principio de la conservación de la masa (o el balance de masa): -La masa total de cada elemento se conserva durante una reacción química. -El número total de moles no se conserva durante una reacción química Método algebraico de balanceo… Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Balance de masa   𝐶 8 𝐻 18 +20 𝑂 2 +3,76 𝑁 2 →𝑥 𝐶𝑂 2 +𝑦 𝐻 2 𝑂+𝑧 𝑂 2 +𝑤 𝑁 2 Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Balance de masa 𝐶 8 𝐻 18 +20 𝑂 2 +3,76 𝑁 2 →𝑥 𝐶𝑂 2 +𝑦 𝐻 2 𝑂+𝑧 𝑂 2 +𝑤 𝑁 2 𝐶: 8=𝑥 →𝑥=8 𝐻: 18=2𝑦 →𝑦=9 𝑂: 20𝑥2=2𝑥+𝑦+2𝑧 →𝑧=7,5 𝑁: 20𝑥3,76=2𝑤 →𝑤=75,2 𝐶 8 𝐻 18 +20 𝑂 2 +3,76 𝑁 2 →8 𝐶𝑂 2 +9 𝐻 2 𝑂+7,5 𝑂 2 +75,2 𝑁 2 Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Relación Aire-Combustible 𝐴𝐶= 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 𝐶𝐴= 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚=𝑁𝑀 𝑚=𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑁=𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑀=𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 4.76 kmol de aire Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Relación Aire-Combustible 𝐶 8 𝐻 18 +20 𝑂 2 +3,76 𝑁 2 →8 𝐶𝑂 2 +9 𝐻 2 𝑂+7,5 𝑂 2 +75,2 𝑁 2 𝐴𝐶= 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 = (𝑁𝑀) 𝑎𝑖𝑟𝑒 (𝑁𝑀) 𝐶 + (𝑁𝑀) 𝐻 2 = (20𝑥4,76𝑘𝑚𝑜𝑙)(29 𝐾𝑔 𝑘𝑚𝑜𝑙 ) 8𝑘𝑚𝑜𝑙 12 𝐾𝑔 𝑘𝑚𝑜𝑙 +(9𝑘𝑚𝑜𝑙)(2 𝐾𝑔 𝑘𝑚𝑜𝑙 ) =24,2 𝐾𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐾𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

ejercicio Se quema combustible de propano ( 𝐶 3 𝐻 8 ) en presencia de aire. Suponiendo que la combustión es teórica —es decir, sólo están presentes en los productos nitrógeno ( 𝑁 2 ), vapor de agua ( 𝐻 2 𝑂) y dióxido de carbono ( 𝐶𝑂 2 )— determine a) la fracción másica de dióxido de carbono y b) las fracciones molar y másica del vapor de agua en los productos. Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Combustión teórica El proceso de combustión en donde no existan excesos de Oxigeno, se denominará combustión teórica

ejercicio El mezclador de combustibles en un quemador de gas natural mezcla metano ( 𝐶𝐻 4 ) con aire para formar una mezcla combustible a la salida. Determine los flujos másicos en las dos entradas que se necesitan para producir 0,01 𝑘𝑔/𝑠 de una mezcla ideal de combustión a la salida. 𝐶𝐻 4 0,01 𝑘𝑔/𝑠 𝑎𝑖𝑟𝑒 Cengel Y., Boles M, Termodinámica, 8va Ed.

Combustión incompleta

Aparato de orsat 𝐶𝑂 2 𝐶𝑂 𝑂 2 𝑁 2

síntesis CONCEPTOS: CRACKING CHON COMBUSTIÓN COMBUSTIBLES AIRE HUMEDAD RELATIVA MATERIALES ENERGÉTICOS REACCIÓN REDOX RELACION AIRE-COMBUSTIBLE PRESIÓN DE VAPOR BALANCE DE ECUACIONES DE COMBUSTION

Combustibles y Combustión Profesor : PhD Carlos Friedli Profesor Aux :Cap Carlos Biolley M. Unidad de aprendizaje : Termodinámica aplicada Fecha: 08/NOV/2016 Curso : III CRIM MPE