ing quimico

67.30 - Combustión - Unidad II

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Unidad II: Análisis de la combustión completa e incompleta
2. 1. Aire
El aire que se usa en las reacciones de combustión es el aire atmosférico. Ya se dijo en la
Unidad I que, debido a que ni el N2 ni los gases inertes del aire reaccionan durante la
combustión, se los suele agrupar, y se considera que el aire está formado por 21% de O2 y
79% de N2. Esdecir, que 1 kmol de aire contiene 0.21 kmol de O2 y 0.79 kmol de N2. En
consecuencia, para obtener 1 kmol de O2 se necesitan 4.762 kmol de aire.
La masa molecular (Wa) promedio de este aire, llamado comúnmente aire técnico
simplificado (ATS) es Wa = 28.85 kg/kmol. Por lo tanto, si expresamos las relaciones
anteriores en kg en vez de kmol, estas cantidades serán distintas. Un kg de airecontiene
0.233 kg de O2 y 0.766 kg de N2. La cantidad de aire necesaria para obtener 1 kg de O2 es
de 4.292kg de aire.
Todos estos datos, que se utilizan en la combustión con ATS, se resumen en la Tabla II.1.

Cantidad de aire

Composición

1 kmol

0.79 kmol N2

0.21 kmol O2

4.762 kmol

3.762 kmol N2

1 kmol O2

1 kg

0.767 kg N2

0.233 kg O2

4.292 kg

3.292 kg N2

1 kgO2

Tabla II.1

En la Tabla II.2 se indican algunas propiedades del ATS, a 0ºC y 101325 kPa (1atm).

Símbolo

Valor

Unidad

Masa Molecular

Wa

28.85

kg/ kmol

Densidad

ρa

1.287

kg/ m3

Tabla II.2 Propiedades del ATS

Dr. Ing. E. Brizuela – Dra. Ing. S. D. Romano

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2. 2. Reacciones químicas
Las principales reaccionesquímicas que se utilizan para estudiar un proceso de
combustión, se muestran en la Tabla II.3. Dichas reacciones corresponden a reacciones
completas de sustancias que pueden pertenecer a un combustible sólido, líquido o gaseoso.
Es importante hacer notar que las reacciones fueron planteadas para 1 kmol de combustible
y se ha utilizado oxígeno puro como comburente.

C + O2 = CO2
CO + 1/2 O2 =CO2
H2 + 1/2 O2 = H2O
S + O2 = SO2
SH2 + 3/2 O2 = SO2 + H2 O
CnHm + (m/4 + n) O2 = n CO2 + m/2 H2O

Tabla II.3 Principales reacciones químicas en Combustión

En la tabla II.4 se indican las masas moleculares de las principales sustancias que
intervienen en las reacciones de combustión.

Componente
O2
N2
H2
S
C
CO
CO2
SO2
CnHm
H2O
SH2

Masa Molecular (kg/ kmol)
32
28
2
3212
28
44
64
12 n + m
18
34

Tabla II.4 Masas Moleculares

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2. 3. Mezclas de gases
2. 3. 1. Composición fraccional
Sea una mezcla de i gases de los cuales, en un volumen de control V haya ni moles de cada
uno. Definimos la fracción molar:
xi =

ni
n
= i
n
∑ ni

(2.1)

Si las masasmoleculares de los gases son Wi, definimos la fracción de masa
yi =

niWi
m
= i
m
∑ niWi

(2.2)

donde m indica la cantidad de masa total en el volumen de control.
De las expresiones anteriores:

y i = xi

Wi
W

(2.3)

Luego, como por definición ∑ xi = ∑ yi = 1 , resulta:

y
1
=∑ i
W
Wi

(2.4)

W = ∑ xiWi

(2.5)

y también

Las expresiones anteriores nos permitencalcular la composición fraccional en peso (yi) y
en volumen (xi) de la mezcla, así como el número de moles n y la masa molecular de la
mezcla W.
La presión parcial se relaciona con la densidad parcial de cada componente de la mezcla
por
pi = ρ i

ℜ
T (2.6)
Wi

siendo ρi = mi / V.
Luego, como
x i = pi / p
y

p=ρ

ℜ
T
W

(2.7)
(2.8)

resulta

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ρ i = yi ρ

(2.9)

ρ = ∑ ρ i yi

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(2.10)

y también

con lo que podemos obtener las presiones y densidades de los componentes y de la mezcla.
Otra manera de expresar la composición de la mezcla es por medio de las concentraciones,
medidas en moles por unidad de volumen:

[i ] = ni
V

=ρ

ρ xi ρ i
yi
=
=
Wi
W
Wi...