Termodinamica

CAPÍTULO 1 COMBUSTIÓN

1.1 EL PROCESO DE COMBUSTIÓN Cuando tiene lugar una reacción química, los enlaces de las moléculas de los reactivos se rompen y, los átomos y electrones se reagrupan para formar los productos. En las reacciones de combustión, la oxidación rápida de los elementos reactivos del combustible trae como consecuencia la liberación de energía al formarse los productos de lacombustión. Los tres elementos activos más importantes en los combustibles habituales son el carbono, el hidrógeno y el azufre. En general, el azufre contribuye poco a la energía liberada pero es la causa de problemas importantes de contaminación y corrosión. Se dice que un combustible se ha quemado completamente si todo su carbono se ha transformado en dióxido de carbono, todo su hidrógeno en agua ytodo su azufre en dióxido de azufre. Si estas condiciones no se cumplen, la combustión es incompleta. En este capítulo tratamos con las reacciones de combustión expresadas por las ecuaciones químicas de la siguiente forma: reactivos productos o combustible + comburente productos

Al considerar reacciones químicas hay que recordar que la masa se conserva, de manera que la masa de los productos esigual a la masa de los reactivos. La masa total de cada elemento químico debe ser igual a ambos lados de la ecuación, aunque los elementos existan en compuestos químicos diferentes en reactivos y productos. Sin embargo, el número de moles de los productos puede ser distinto del de los reactivos. Considérese como ejemplo sencillo la combustión completa del hidrógeno con el oxígeno: 1 H2 + ½ O2 1H2O (1.1)

En este caso, los reactivos son el hidrógeno y el oxígeno. El hidrógeno es el combustible y el oxígeno el comburente (oxidante). El agua es el único producto de la reacción. Los coeficientes numéricos de la ecuación, que preceden a los

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símbolos químicos para dar iguales cantidades de cada elemento en ambos lados de la ecuación, se denominancoeficientes estequiométricos. En otras palabras, la ecuación (1.1), establece que: 1 kmol H2 + ½ kmol O2 1 kmol H2O

Nótese que el número total de moles en ambos lados de la ecuación (1.1), no son el mismo. Sin embargo, al conservarse la masa, la masa total de los productos debe ser igual a la de los reactivos. Puesto que 1 kmol de H2 pesa 2 kg, ½ kmol de O2 pesa 16 kg y, 1 kmol de H2O pesa 18 kg. Debidoa lo anterior la ecuación (1.1), se puede interpretar estableciendo que: 2 kg H2 + 16 kg O2 18 kg H2O

En el resto de esta sección se considera la naturaleza del combustible, del oxidante y de los productos de la combustión que intervienen normalmente en diferentes aplicaciones prácticas de la combustión.

1.2 COMBUSTIBLES Un combustible es simplemente una sustancia susceptible de serquemada. En este capítulo se hace énfasis en los hidrocarburos, que contienen carbono e hidrógeno. Pueden contener también azufre y otros elementos químicos. Estos combustibles pueden existir en estado sólido, líquido o gaseoso. Los hidrocarburos líquidos se extraen normalmente del petróleo crudo mediante procesos de craqueo y destilación. Ejemplo son la gasolina, el gasóleo, el keroseno y otros tipos decombustibles petrolíferos. La mayor parte de estos combustibles líquidos son mezclas de hidrocarburos cuya composición se da habitualmente en términos de sus fracciones de masa. Por sencillez en los cálculos, la gasolina se considera frecuentemente como octano, C 8H18 y el gasóleo como dodecano C12H26. Los hidrocarburos gaseosos se obtienen de los pozos de gas natural o se producen en ciertosprocesos químicos. El gas natural consiste habitualmente en una mezcla de varios hidrocarburos diferentes, cuyo constituyente mayoritario es el metano, CH4. La composición de los combustibles gaseosos se da generalmente en función de las fracciones molares. Los hidrocarburos gaseosos y los líquidos se pueden sintetizar a partir de carbón, de arenas asfálticas y de esquistos bituminosos. El carbón...