Problemas resueltos del cap. 3 - Combustión - Allison Butts
Combustión
La combustión de un combustible consiste en la combinación química de los elementos oxidables del combustible con el oxígeno del aire. En los procesos rutinarios de generación de calor la ayuda es quemar el combustible lo más completo como sea posible para producir la máxima cantidad de calor. El carbono del combustible mayoritariamente se quemará a CO2. Por el momento podemos despreciar la formación de CO, el cual representa solamente una parte de la combustión.
En general, el análisis de sólidos y líquidos se hace en base a masa y el de los gases en base a volumen.
% %
C : 72 N : 1
H : 4 H2O : 3
O : 8 Cenizas : 12
Las reacciones que ocurren en la combustión son:
Solución:
El aire contiene 21,0 % de O2 por volumen.
Por lo tanto, el volumen de aire requerido es (1,512 /0,21) = 7,20 m3.
En la última solución se observa que ha sido necesaria la conversión de la masa dada de oxígeno (0,08 kg) a metros cúbicos para sustraerla de la cantidad suministrada por el aire.
Esta operación de cambiar de masa a volumen de un gas, o inversamente, encontrar la masa de un cierto volumen de gas es una de las soluciones que más frecuentemente se emplean en problemas metalúrgicos.
En resumen:
volumen en m3 = masa en kg x (22,4 /peso molecular ), y
masa en kg = volumen en m3 x (peso molecular /22,4)
Sin embargo, si se requiere de una precisión más exigente, entonces no deberá utilizarse debido a que que el factor 22,4 varía ligeramente para diferentes gases. En lugar de ello, se puede usar la masa real de un metro cúbico de varios gases la que puede ser obtenido desde una tabla de referencia. El peso de un metro cúbico de cualquier gas es aproximadamente igual a la mitad de su peso molecular x 0,09 kg y el peso molecular del hidrógeno es aproximadamente 2.
Esto puede se establecido omo:
masa en kg = volumen en m3 x (peso molecular /2) x 0,09.
Ejemplo c)
La siguiente tabla muestra las masas reales determinadas de gases comunes y las masas calculadas para comparación.
Las reacciones que ocurren en la combustión son:
Solución.
Los gases resultantes son los encontrados en las ecuaciones (1) y (2), pero también se incluyen el nitrógeno gasificado, el agua proveniente del carbón y el nitrógeno introducido por el aire.
Por lo tanto, todos los gases presentes son los que están más allá del punto de combustión. Prácticamente los gases están entremezclados. A esta mezcla se le denomina "gases de combustión", "gases de chimenea", "productos de la combustión", etc.
De la ecuación (1), 0,72 kg de C forma 0,72 x (44 /12) = 2,64 kg de CO2
0,04 kg de H forma 0,04 x (36 /4) = 0,36 kg de H2O
A partir del carbón se obtiene directamente = 0,03 kg de H2O
0,01 kg de N
El aire contiene 76,8 % de N por masa y la masa de aire requerida es 9,31 kg (ver ejemplo a). Por lo tanto:
La combustión de un combustible consiste en la combinación química de los elementos oxidables del combustible con el oxígeno del aire. En los procesos rutinarios de generación de calor la ayuda es quemar el combustible lo más completo como sea posible para producir la máxima cantidad de calor. El carbono del combustible mayoritariamente se quemará a CO2. Por el momento podemos despreciar la formación de CO, el cual representa solamente una parte de la combustión.
En general, el análisis de sólidos y líquidos se hace en base a masa y el de los gases en base a volumen.
Ejemplo a)
Considerar que en un carbón se encuentra los siguientes elementos:% %
C : 72 N : 1
H : 4 H2O : 3
O : 8 Cenizas : 12
Las reacciones que ocurren en la combustión son:
C + O2 = CO2 (1)
2H2 + O2 = 2H2O (2)
Encontrar los metros cúbicos de aire (en condiciones estándar) teóricamente necesarios para la combustión del carbón.
Solución:
Desde luego, las cenizas, el agua y el nitrógeno no se queman (oxidan), y el O contenido en el carbón va a suministrar parte del oxígeno necesario en las ecuaciones, reduciendo la cantidad a ser suministrada por el aire
1 kg de carbón contiene 0,72 kg de C y 0,04 kg de H.
De la ecuación (1), 0,72 kg de C requiere 0,72 x [(32/12)] = 1,92 kg de O
De la ecuación (2), 0,04 kg de H requiere 0,04 x [(32/4)] = 0,32 kg de O
Total O requerido = 2,24 kg
O presente en el carbón = 0,08 kg
De la ecuación (1), 0,72 kg de C requiere 0,72 x [(32/12)] = 1,92 kg de O
De la ecuación (2), 0,04 kg de H requiere 0,04 x [(32/4)] = 0,32 kg de O
Total O requerido = 2,24 kg
O presente en el carbón = 0,08 kg
O suministrado por el aire = 2,16 kg
El aire contiene 23,2 % de O por masa.
Por lo tanto, la masa de aire requerida es (2,16 / 0,232) = 9,31 kg
1 m3 de aire pesa 1,293 kg en condiciones estándar.
Por lo tanto, el volumen del aire requerido es 9,31 / 1,293 = 7,20 m3
En esta solución, el aire ha sido encontrado por masa y en el último paso convertido a volumen.
Preferentemente, es usual encontrar el volumen en forma directa, puesto que esto simplifica los cálculos de los gases de combustión. La solución a este método es el siguiente:
Ejemplo b)
De la ecuación (1), 0,72 kg de C requiere 0,72 x [(22,4 /12)] = 1,344 m3 de O2
0,04 kg de H requiere 0,04 x [(22,4 /4) ] = 0,224 m3de O2
Total de O2 requerido = 1,568 m3
O2 presente en el carbón = 0,08 kg x (22,4 /32) = 0,056 m3
O2 suministrado por el aire = 1,512 m3El aire contiene 23,2 % de O por masa.
Por lo tanto, la masa de aire requerida es (2,16 / 0,232) = 9,31 kg
1 m3 de aire pesa 1,293 kg en condiciones estándar.
Por lo tanto, el volumen del aire requerido es 9,31 / 1,293 = 7,20 m3
En esta solución, el aire ha sido encontrado por masa y en el último paso convertido a volumen.
Preferentemente, es usual encontrar el volumen en forma directa, puesto que esto simplifica los cálculos de los gases de combustión. La solución a este método es el siguiente:
Ejemplo b)
De la ecuación (1), 0,72 kg de C requiere 0,72 x [(22,4 /12)] = 1,344 m3 de O2
0,04 kg de H requiere 0,04 x [(22,4 /4) ] = 0,224 m3de O2
Total de O2 requerido = 1,568 m3
O2 presente en el carbón = 0,08 kg x (22,4 /32) = 0,056 m3
El aire contiene 21,0 % de O2 por volumen.
Por lo tanto, el volumen de aire requerido es (1,512 /0,21) = 7,20 m3.
En la última solución se observa que ha sido necesaria la conversión de la masa dada de oxígeno (0,08 kg) a metros cúbicos para sustraerla de la cantidad suministrada por el aire.
Esta operación de cambiar de masa a volumen de un gas, o inversamente, encontrar la masa de un cierto volumen de gas es una de las soluciones que más frecuentemente se emplean en problemas metalúrgicos.
En resumen:
volumen en m3 = masa en kg x (22,4 /peso molecular ), y
masa en kg = volumen en m3 x (peso molecular /22,4)
Sin embargo, si se requiere de una precisión más exigente, entonces no deberá utilizarse debido a que que el factor 22,4 varía ligeramente para diferentes gases. En lugar de ello, se puede usar la masa real de un metro cúbico de varios gases la que puede ser obtenido desde una tabla de referencia. El peso de un metro cúbico de cualquier gas es aproximadamente igual a la mitad de su peso molecular x 0,09 kg y el peso molecular del hidrógeno es aproximadamente 2.
Esto puede se establecido omo:
masa en kg = volumen en m3 x (peso molecular /2) x 0,09.
Ejemplo c)
La siguiente tabla muestra las masas reales determinadas de gases comunes y las masas calculadas para comparación.
Las reacciones que ocurren en la combustión son:
C + O2 = CO2 (1)
2H2 + O2 = 2H2O (2)
Encontrar el volumen y la composición porcentual de los gases resultantes de la combustión de 1 kg de carbón cuyos análisis han sido dados.Solución.
Los gases resultantes son los encontrados en las ecuaciones (1) y (2), pero también se incluyen el nitrógeno gasificado, el agua proveniente del carbón y el nitrógeno introducido por el aire.
Por lo tanto, todos los gases presentes son los que están más allá del punto de combustión. Prácticamente los gases están entremezclados. A esta mezcla se le denomina "gases de combustión", "gases de chimenea", "productos de la combustión", etc.
De la ecuación (1), 0,72 kg de C forma 0,72 x (44 /12) = 2,64 kg de CO2
0,04 kg de H forma 0,04 x (36 /4) = 0,36 kg de H2O
A partir del carbón se obtiene directamente = 0,03 kg de H2O
0,01 kg de N
El aire contiene 76,8 % de N por masa y la masa de aire requerida es 9,31 kg (ver ejemplo a). Por lo tanto:
0,768 x 9,31 = 7,15 kg de N
Resumiendo y cambiando a volumen:
CO2 = 2,64 x (22,4 /44) = 1,34 m3.
H2O = 0,39 x (22,4 /18) = 0,49 m3
N2 = 7,15 x (22,4 /28) = 5,74 m3
Total = 7,57 m3
Composición porcentual:
Total = 7,57 m3
Composición porcentual:
CO2 = 1,34 /7,57 = 17,7%
H2O = 0,49 /7,57 = 6,5%
N2 = 5,74 /7,57 = 75,8%
La solución alternativa es más fácil por referencia al método del volumen directo encontrando el requerimiento del aire y la ley química, como sigue:
"Cuando los gases reaccionan, la combinación de los volúmenes están en la misma relación del número de moléculas".
Esto significa que en la ecuación (1), el volumen de CO2 es igual al volumen de O2, debido a que hay una molécula en cada uno. En la ecuación (2) el volumen de agua es dos veces el volumen de O2, puesto que hay 2 moléculas de agua respecto a 1 molécula de O2.
Por lo tanto:
N2 del aire = 0,79 x 7,20 = 5,688"Cuando los gases reaccionan, la combinación de los volúmenes están en la misma relación del número de moléculas".
Esto significa que en la ecuación (1), el volumen de CO2 es igual al volumen de O2, debido a que hay una molécula en cada uno. En la ecuación (2) el volumen de agua es dos veces el volumen de O2, puesto que hay 2 moléculas de agua respecto a 1 molécula de O2.
Por lo tanto:
CO2 = 1,344 m3
H2O = 2 x 0,224 = 0,448
H2O del carbón = 0,03 x (22,4 /18) = 0,037
N2 del carbón = 0,01 x (22,4 /28) = 0,008
H2O del carbón = 0,03 x (22,4 /18) = 0,037
N2 del carbón = 0,01 x (22,4 /28) = 0,008
Total = 7,525 m3
Una buena forma para obtener la cantidad de nitrógeno del aire es sustrayendo la cantidad de oxígeno de la cantidad de aire. Por lo tanto:
Por masa: N = 9,31 - 2,16 = 7,15 kg
Por volumen: N2 = 7,20 . 1,512 = 5,688 m3
Una buena forma para obtener la cantidad de nitrógeno del aire es sustrayendo la cantidad de oxígeno de la cantidad de aire. Por lo tanto:
Por masa: N = 9,31 - 2,16 = 7,15 kg
Por volumen: N2 = 7,20 . 1,512 = 5,688 m3
Comentarios
Publicar un comentario