14/11/20161 Máquinas y Equipos Térmicos Tema 2 ESTEQUIOMETRIA.

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1 14/11/20161 Máquinas y Equipos Térmicos Tema 2 ESTEQUIOMETRIA

2 14/11/20162 OBJETIVO Resolver problemas de combustión relacionados con los Generadores de Vapor.

3 14/11/20163 CONTENIDO Clases De Combustibles.Clases De Combustibles. Elementos Fundamentales De Un Combustible.Elementos Fundamentales De Un Combustible. Potencia Calorífica De Los Combustibles.Potencia Calorífica De Los Combustibles. Fórmula De Dulong.Fórmula De Dulong. Química De La Combustión.Química De La Combustión. Combustión Del Carbono En El Aire.Combustión Del Carbono En El Aire. Aire Teórico Para La Combustión.Aire Teórico Para La Combustión. Productos De La Combustión.Productos De La Combustión. Análisis De Los Productos De Escape.Análisis De Los Productos De Escape. Peso Real Del Aire De La Combustión.Peso Real Del Aire De La Combustión. Cantidad Real De Carbono Consumido Por Kilogramo.Cantidad Real De Carbono Consumido Por Kilogramo. Carbono Contenido En El Residuo.Carbono Contenido En El Residuo. Peso Real De Aire Seco Utilizado Por Kg de Combustible Quemado.Peso Real De Aire Seco Utilizado Por Kg de Combustible Quemado. Peso Del Exceso De Aire.Peso Del Exceso De Aire. Peso De Gases Secos Por Kilogramo De Combustible.Peso De Gases Secos Por Kilogramo De Combustible. Peso Real De Gas Seco.Peso Real De Gas Seco.

4 414/11/2016 CLASES DE COMBUSTIBLES COMBUSTIBLES SÓLIDOS C CC Comprenden los carbonos, lignitos, coques, maderas y residuos combustibles procedentes de muchos procesos de fabricación COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Comprenden el alcohol, petróleo y sus destilados, y algunas veces, las breas. LOS GASES NATURALES salen de la tierra y los gases fabricados. Son productos obtenidos principalmente del carbón.

5 14/11/20165 CARBON.  El carbón es una mezcla de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, agua y cenizas.  El tamaño del carbón al salir de la mina varía desde polvo fino hasta grandes terrones. Tamaños de carbón.

6 14/11/20166 CLASIFICACIÓN DE LOS CARBONES.  Antracita. Carbón muy duro que posee un color negro lustroso brillante! No se coquifica; tiene un elevado porcentaje de carbono y menos del 8% de materias volátiles.  Semiantracita. Se encuentra en pequeñas cantidades. Tiene menos de carbono fijo, 8 a 14 % de materias volátiles, menos lustre, y arde con llamas más largas y luminosas.  Carbones bituminosos. Son «blandos», poseen un elevado porcentaje de materias volátiles, arden con llamas largas amarillas y humeantes.  Carbones sub-bituminosos. Se conocen algunas veces con el nombre de lignitos negros. Son carbones bituminosos de baja calidad que han perdido la estructura leñosa de los lignitos.  Lignitos. Constituyen el estado de transición entre la turba y el carbón sub-bituminoso. Tienen aspecto de madera y, frecuentemente de arcilla, potencias caloríficas bajas y elevado contenido de humedad y cenizas.

7 14/11/20167 ANÁLISIS QUÍMICO DEL CARBÓN  Debido a que el carbón en su estado natural no es ni una sustancia pura ni tiene composición uniforme, se deberá realizar un análisis químico.  Humedad. La humedad de los carbones se halla presente como: (1).- Humedad superficial procedente de la atmósfera y de las operaciones de lavado. (2).- Humedad inherente, la cual se halla ligada químicamente con la estructura del carbón.

8 14/11/20168 CARBONO TOTAL.  Es  Es la suma del carbono fijo y del contenido en las materias volátiles.  El  El carbono fijo, o carbono sin combinar, es el que no destila cuando se le calienta.

9 14/11/20169  HIDRÓGENO. El hidrógeno puede existir como constituyente de las materias volátiles y de la humedad inherente.  OXÍGENO. Todo el oxígeno contenido en un carbón se supone que se halla combinado con hidrógeno en forma de agua.  NITRÓGENO. Casi todos los carbones contienen una pequeña cantidad de nitrógeno.  AZUFRE. La mayoría de los carbones contienen algo de azufre, el cual únicamente puede ser determinado por análisis químico.  CENIZAS. El residuo que queda después de haber quemado la muestra a 1100 °C hasta que no haya pérdida de peso se denomina cenizas.

10 14/11/201610 ANÁLISIS INMEDIATO DEL CARBÓN.  Se realiza con una balanza de laboratorio y un horno con regulación de temperatura los componentes son:  Humedad. La determinación de la humedad se efectúa en la forma indicada para el análisis químico  Materias volátiles. Las materias volátiles están constituidas por la combinación de carbono, hidrógeno y otros gases que destilan fácilmente  Cenizas. la muestra se quema a 1100 °C hasta que no hay diferencia de peso entre dos pesadas consecutivas.  Carbono fijo. El porcentaje de carbono fijo se determina restando de 100 la suma de los porcentajes de humedad, materias volátiles y cenizas.

11 14/11/201611 ANALISIS QUIMICO DE LOS CARBONES DE LOS ESTADOS UNIDOS

12 14/11/201612  Gases naturales. El metano (CH 4 ) y etano (C 2 H 6 ) son los principales constituyentes del gas natural.  Gases del petróleo liquidables. Gas LP son principalmente el propano (C 3 H 8 ) y el butano (C 4 H l0 ).  Gases subproductos. Ciertas operaciones industriales producen gases aprovechables. El gas de alto horno se recoge al hacer pasar aire a través de capas de coque y de mineral de hierro.  Gas de gasógeno. Este gas resulta de la oxidación parcial del carbón, coque o turba cuando arden con defecto de aire, produciéndose monóxido de carbono (CO) más que anhídrido carbónico (CO 2 ).  Gas de agua. Se obtiene inyectando vapor de agua su lecho de carbón o coque al rojo - blanco.  Petróleo. El aceite mineral natural existente a diferentes profundidades, y en muchas localidades de la tierra se denomina petróleo.

13 14/11/201613 PROPIEDADES DE LOS HIDROCARBUROS. LLLLa mayoría de los hidrocarburos, lo mismo que el agua, pueden congelarse, fundirse o hervir. LLLLa temperatura a la cual ocurren estos cambios de fase tiene una gran importancia en las aeronaves.

14 14/11/201614 GASOLINAS. LLLLa gasolina es una mezcla de hidrocarburos líquidos comprendidos entre límites especificados. Como consecuencia existen «buenas» y «malas» gasolinas. LLLLa volatilidad. Se refiere al porcentaje en volumen de combustible que se vaporiza a una temperatura dada. EEEEl número o índice de octano. Es un índice de la capacidad de una gasolina para soportar una presión y temperatura elevadas sin explotar espontáneamente.

15 14/11/201615 POTENCIA CALORÍFICA DE LOS COMBUSTIBLES.  La potencia calorífica de un combustible es la energía liberada por unidad de peso o de volumen del mismo y puede ser superior o inferior.  Potencia calorífica inferior es el calor liberado por kilogramo de combustible después de deducir el necesario para vaporizar el agua formada por la combustión del hidrógeno.  Potencia calorífica superior de un combustible es la obtenida mediante un calorímetro de volumen constante en el cual el vapor producido se condensa y se recupera su calor.

16 14/11/201616 FÓRMULA DE DULONG  Se basa en las proporciones, en peso, del carbono total, hidrógeno útil y azufre.  La fórmula de Dulong da un valor aproximado de la potencia calorífica superior de un combustible. Kcal. Por Kg = 8148C + 34720 (H – O/8) + 2268,5S

17 14/11/201617 QUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN.  Combustión:  Combustión: combinación violenta, con desprendimiento sensible de calor y luz; es sinónimo de oxidación y consiste en la unión del oxígeno con una materia combustible. C + 0 2 0 2 CO 2  Combustión  Combustión completa cuando el combustible es totalmente oxidado y se libera toda la energía.  La  La combustión incompleta se se debe a : (1) Insuficiencia de oxígeno; (2) Mezcla imperfecta entre el combustible y el oxígeno; (3) Temperatura demasiado baja para mantener la combustión.

18 14/11/201618 COMBUSTIÓN DEL CARBONO CON AIRE  C + O 2 + 3,76N 2 → CO 2 + 3,76N 2  1 + 1 + 3,76 → 1 + 3,76 en moles  12 + 32 + 3,76(28,2) → 44 + 3,76(28,2) en peso Dividiendo por 12. Dividiendo por 12.  1 + 2,667 + 8,84 → 3,667 + 8,84 en peso Combustible Aire Productos Combustible Aire Productos

19 14/11/201619 AIRE TEÓRICO PARA LA COMBUSTIÓN.  El  El peso teórico de aire necesario para quemar un kilogramo de combustible cuyo análisis químico, al igual que en un carbón, es conocido viene dado por: m ta = m ta = 11,5C + 34,5 (H — O/8 ) + 4,325

20 14/11/201620 PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN.  Son  Son los gases de escape de los motores y de los hogares.  La  La composición de estos productos depende del tipo de combustible utilizado; de la relación aire/combustible; y de las condiciones en que se efectúa la combustión.

21 14/11/201621 ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE ESCAPE.  Mediante el aparato de Orsat puede efectuarse un análisis de los productos de escape a partir del cual es posible calcular la relación aire/combustible.  Las centrales térmicas de vapor, mediante un Orsat, registran la concentración de CO 2,CO, O 2 y N 2 se obtiene por diferencia. En los gases quemados o de escape, con el fin de controlar la marcha de la operación.

22 14/11/201622 Peso real del aire de la combustión. 28N 2 28N 2 12 (CO 2 + CO) x 0,769 12 (CO 2 + CO) x 0,769  Si  Si se consideran 100 volúmenes molares de gases quemados, o de escape, los porcentajes del análisis de dichos gases representan los volúmenes molares de cada constituyente presente. El peso de nitrógeno es 28 x N 2, N 2, y el peso de carbono presente en forma de CO 2 CO 2 y CO es: 12 (CO 2 (CO 2 + CO). Por lo tanto el peso de nitrógeno por Kilogramo de carbono será: 28N 2 28N 2 12 (CO 2 + CO) 12 (CO 2 + CO) mc =mc =mc =mc =  Como 1 kg de aire contiene 0,769 kg de nitrógeno; el peso de aire, m c, por kilogramo de carbono dado por

23 14/11/201623 CANTIDAD REAL DE CARBONO CONSUMIDO POR KILOGRAMO. CANTIDAD REAL DE CARBONO CONSUMIDO POR KILOGRAMO. cccc1 = carbono quemado por kilogramo de combustible, en kg mmmmf = peso de combustible quemado, en kg CCCCf = carbono del combustible según el análisis elemental, en % mmmmr = peso del residuo procedente de mf kilogramos de combustible, en kg. CCCCr = carbono contenido en el residuo, en % m f C f – m r C r m f X 100 C1 =C1 =C1 =C1 =

24 14/11/201624 CARBONO CONTENIDO EN EL RESIDUO. SSSSi Cr no ha sido determinado por análisis, puede encontrarse mediante la expresión: 100m r m f Cr =Cr =Cr =Cr = - A A = % de cenizas obtenidas en el análisis elemental.

25 14/11/201625 Peso real de aire seco utilizado por kg de combustible quemado. 28N 2 m f C f - m r C r 28N 2 m f C f - m r C r CO 2 + CO x 0,769 12 m f * 100 CO 2 + CO x 0,769 12 m f * 100X m aa =

26 14/11/201626 PESO DEL EXCESO DE AIRE.  El exceso de aire se expresa generalmente como un porcentaje del requerido teóricamente. m aa – m ta m ta X 100 Ea =Ea =Ea =Ea = E a = Porcentaje de aire en exceso. m aa = Cantidad real de aire empleado por kilogramo de combustible, en kg. m ta = Cantidad teórica de aire requerido por kilogramo de combustible, en kg. El porcentaje de aire en exceso requerido para una buena combustión puede variar de 10 a 60.

27 14/11/201627 PESO DE GASES SECOS POR KILOGRAMO DE COMBUSTIBLE.  Para expresar la cantidad real de aire empleado por kilogramo de combustible, se encuentra, para el peso de los gases secos formados por kilogramo de carbono, la siguiente expresión: Los símbolos CO 2, O 2, CO y N representan los porcentajes en volumen determinados mediante el análisis de los gases quemados de la chimenea. 4CO 2 + O 2 + 700 3(CO 2 + CO) mg =mg =mg =mg =

28 14/11/201628 PESO REAL DE GAS SECO.  El  El peso real de gas seco formado por kilogramo de combustible se encuentra efectuando del producto C1 C1 C1 C1 x mg.mg.mg.mg. 4CO 2 + O 2 + 700 3(CO 2 + CO) m f C f – m r C r M f X 100 m dg = [[]]

29 14/11/201629  Podemos obtener el peso real de aire suministrado por kilogramo de combustible quemado.  Se debe deducir el peso de carbono C1 realmente quemado por kg de combustible del peso de los gases secos,  La adición del oxígeno necesario para la combustión del hidrógeno.  El nitrógeno procedente del aire empleado en la combustión del hidrógeno aparece incluido en el contenido total nitrógeno de los gases de la chimenea. m aa = m dg – C 1 + 8(H – O/8)