COMBUSTION DEL CARBONO La combustión del carbono es un proceso reactivo de oxidación espontanea. Se produce

en

hogares

ó

cámaras

de

combustión,

cuando

se

queman

sustancias

orgánicas (combustibles) con aire ambiente (comburente), a temperaturas elevadas, y con desprendimiento de grandes cantidades de energía como calor (Q) y trabajo (W). Los combustibles y el comburente, que ingresan al proceso se denominan reactivos, y las sustancias que egresan del seno de la reacción , productos de la com bustión, hum os ó gases de la com busti ón y cenizas.

PROCESOS REACTIVOS PRODUCTOS

REACTIVOS

COMPUESTOS o ELEMENTOS QUE INGRESAN

COMPUESTOS o ELEMENTOS QUE EGRESAN

PRODUCTOS INTERMEDIOS

W

Q

Nuestro especial interés en estudiar los procesos reactivos de combustión del carbono se debe a que, mediante estos procesos se obtiene prácticamente la energía del mundo.

Mediante la combustión del carbono se genera aproximadamente el 60-90

%

de

la

energía

empleada

en

todas

las

máquinas

termoeléctricas y procesos industriales del planeta. !

G E N E R AL I D AD E S D E U N A C O M B U S T I Ó N La

combustión

es

un

fenómeno

de

oxidación

rápida

(1,5.10

-3

seg.).

Los

elem entos com bustibles m ás im portantes son el C (Carbono) y el H2 (Hidrógeno), suele encontrarse S (Azufre) y N (Nitrógeno); pero éstos elementos perjudican el proceso, debido a la posterior formación de ácidos corrosivos , al reaccionar sus respectivos óxidos con la humedad atmosférica, por lo que se los trata de evitar (corrosión, lluvia ácida).

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1

Por ser la combustión una oxidación, siempre es necesaria la intervención del O2 (Oxígeno). Este elemento es aportado por el aire atmosférico debido a su fácil disponibilidad y costo despreciable. El aire atm osférico es una m ezcla gaseos a com puesta por apr oxim adam ente un 21% de O2 (Oxígeno) y 79% de N2 (Nitrógeno); en realidad otros elementos también com ponen el aire atmosférico pero s e los desprecia debido a que existen en porcentajes muy bajos y tienen poca significación en el proceso. El N2 (Nitrógeno) que ingresa con el aire se com porta com o inerte, no reacciona durante la combustión; por lo tanto la cantidad de N2 (Nitrógeno) que ingresa será siempre igual a la que egresa.

Toda combustión requiere aire. El O 2 (Oxigeno) reacciona con el combustibl e. El N 2 (Nitrógeno) permanece inerte . El

estudio

com bustión

a

de

bajas

la combustión industrial presiones

(se

realiza

en

se

divide en

hogares

de

dos

grandes

calderas

y

grupos:

hornos)

y

com bustión a altas presiones ( en cámaras de combustión de motores a explosión). Es importante reconocer los estados de agregación de los materiales que

COMBUSTION DEL CARBONO

COMBUSTIBLE

HOGARES ó

HUMOS

CAMARAS DE COMBUSTION

(ó Gases de Comb.) y

y CENIZAS AIRE

W

Q

intervienen en una com bustión: el aire ingresante obviam ente es un gas pero los com bustibles

pueden

ser

sólidos,

líquidos

ó

gaseosos

y

estar

conformados

por

sustancias puras, mezclas ó soluciones; los productos que se form an después de la com bustión s iem pre serán una m ezc la hom ogénea de gases que pueden o nó contener algunas cenizas en suspensión. Cuando contienen cenizas se denominan humos y cuando no, sim plem ente gases de combustión ; finalm ente las cenizas que se forman, ya sea por sustancias no com bustibles ó com bustibles no quem ados , se encuentr an en estado sólido y egresan por la zona inferior de los hogares. Una combustión es “completa” cuando

los elementos combustibles se oxidan al

m áxim o produciendo: Dióxido de Carbono (CO 2) y Vapor (H2O), e “incompleta” cuando al

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2

final de la misma quedan todavía sustancias capaces de ser oxidadas: Monóxido de Carbono (CO), Com puestos Orgánicos (CxH yO z), etc. La combustión incompleta debe ser evitada por dos razones : el Monóxido de Carbono que se forma es un com puesto tóxico letal y su calor de form ación es m ucho menor

que el calor de form ación del CO2 dism inuyendo así el rendim iento térm ico del

proceso.

La combustión del carbono es complet a si todo el carbono se oxida a CO 2 e incompleta cuando se forma alg o de CO !

COMPOSICIÓN QUIMICA DE UN COMBUSTIBLE La cantidad de aire que necesita un determinado combustible para quemarse y las cantidades de gases (humos) que resultan de dicha combustión se determinará m ediante un balanc e de m ateria realizado a partir de la com posición quím ica del com bustible. Dicha composición puede conocerse mediante un análisis químico elemental si el combustible es una sustancia compleja, pero si es una sustancia simple o una mezcla de sustancias simples podemos conocer su composición química por deducción

de sus

f órm ulas quím icas y com posición porcentual (caso de m ezclas ) . Véase los ejem plos a continuación. Composición Porcentual de Combustibles

Sólidos

Líq o Gas

Carbono

gC %

fc %

Hidrógeno

gH2 %

fH2 %

Oxigeno

gO2 %

fO2 %

Nitrógeno

gN %

fN %

Azufre

gS %

fS %

Agua

gH2O %

fH2O %

Cenizas

gInerte %

---

1,00

1,00

SUMA TOTAL

Unidades más frecuentes gi =

( Kg )i / ( Kg Combustible )

fi =

( Nm3 )i / ( Nm3 Combustible )

= ( Kmol )i / ( Kmol Combustible )

Los

análisis

Formula Química de una Sustancia Simple = C2H6O (Etanol 100%) Formula Química Genérica = CxHyOz Composición Química: fc = x = 2 Kmol de Carbono / Kmol Combustible fH2 = y/2 = 3 Kmol de Hidrógeno / Kmol Combustible fO2 = z/2 = ½ Kmol de Oxígeno / Kmol Combustible Formula Química y Composición % de una mezcla de Sustancias Simples C2H6 (Etano 35%) y CH4 (Metano 65%) Formulas Quimicas Genericas y Composicion % ( Cx1Hy1Oz1 ; 1 ) y ( Cx2Hy2Oz2 ;  2 ) Composición Química: fc = ( x1 * 1 + x2 * 2 ) = ( 2 x 0,35 + 1 x 0,65 ) = 1,35 Kmol de Carbono / Kmol Combustible fH2 = (y1/2 * 1 + y2/2 * 2 ) = ( 3 x 0,35 + 2 x 0,65 ) = 2,35 Kmol de Hidrógeno / Kmol Combustible Kmoles de O2 igual a cero en ambos compuestos. (z1=0 y z2=0)

químicos

que

informan

la

composición

porcentual

de

los

com bustibles com plejos, generalm ente se expresan: en fracciones porcentuales de m asa ó peso (gi%) para los com bustibles sólidos y en fracciones porcentuales de volumen ó molares (fi%) para los líquidos ó gases.

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3

Para los com bustibles sólidos

Composiciones Molares

se recomienda usar

Carbono

mc = (gC % / 12) x 100

com o base de cálculo 1 (un) Kg de com bustible y usar

Hidrógeno

mH2 = (gH2 % / 2) x 100

exclusivamente las composiciones molares (mi) que se

Oxigeno

mO2 = (gO2 % / 32) x 100

Nitrógeno

mN = (gN % / 14) x 100

Azufre

mS = (gS % / 32) x 100

Agua

mH2O = (gH2O % / 18) x 100

calculan; porcentuales

dividiendo (gi%)

las por

fracciones los

másicas

respectivos

pesos

m oleculares (PMi ) del com ponente; com o se indica en la tabla adyac ente.

mi = ( Kmol )i / ( Kg Combustible )

Estas composiciones molares quedan expresadas en (Kmol)i / (Kg Combustible); léase: Kmol del componente “i” en un Kg de Combustible.

La combustión de sólidos requiere un cálculo previo que consist e en obtener las composiciones molares a partir de las fracciones másicas, di vidi endo éstas por los respecti vos PM

Para com bustibles gaseosos se recom ienda usar com o base de cálculo 1 (un) Kmol ó 1 (un) Nm

3

de combustible y usar las fracciones volumétricas (fi) ó las

fracciones m olares ya que am bas se equiparan dir ectam ente .

La combustión de gases utiliza para sus cálculos directamente las fracciones volumétricas ó molares del combustible. 1 [(Kmol) i / (Kmol Combustible) ] = 1 [(Nm3) i / (Nm3 Combustible) = (f i )]

Debe recordarse que salvo casos especiales, los combustibles se queman con la COMPOSICION B A S E S E C A Y B AS E H U M E D A

humedad de origen, es decir, no se secan antes de quemarlos, por lo que para todos los cálculos debe

 K g del componente i  g´i     K g de Combustible Seco 

utilizarse las composiciones referidas al combustible

  K g de Agua g H 2O     K g de Combustibl e Húm 

No obstante, para hacer el análisis elemental de un

 K g del componente i  gi     K g de Combustibl e Húm 

seca e informa su composición sobre base seca (g’i)

g i  g´i 

1 

g H2O

húmedo.

com bustible en el labora torio, generalm ente éste se



y la fracción de agua eliminada (gH2O) por lo que debemos

corregir

dichas

com posiciones

com o

se

indica en la tabla adyacente.

R E L AC I O N E S E S T E Q U I O M E T R I C AS Las relaciones estequiométricas son razones de números enteros y pequeños que establecen las relaciones de Kmoles de reactivos y productos que intervienen en una reacción química.

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Dado que una combustión es un proceso reactivo, es posible utilizar las relaciones estequiométric as para simplificar los balances de materia. Vemos

a

continuación

las

relaciones

estequiométricas

utilizadas

en

la

com bustión del carbono. Las ecuaciones quím icas representan el balance de m ateria de una reacción.

Combustión

Ecuación Química

Relaciónes Estequiometricas ( ri )

1

Carbono

C + O2 = CO2 1 + 1 = 1

 O2   C  1  

 CO2   C  1  

 CO2    1  O2 

2

Carbono

C + ½ O2 = CO 1 + ½. = 1

 O2  1  C  2  

 CO   C  1  

 CO   2  O2 

3

Hidrógeno

2 H2 + O2 = 2 H2O 2 + 1 = 2

 O2  1   2  H2 

 H 2O    1  H2 

 H 2O   2  O2 

O X I G E N O N E C E S AR I O E N U N A C O M B U S T I O N C O M P L E T A Conocida las ecuaciones químicas que se producen en una combustión completa y sus relaciones estequiom étricas ( por Ej :com bustión 1 y 3 del cuadro de arriba para el Metano),

podemos

calcular

la

cantidad

de

oxígeno

necesaria

para

esta

reacción

sum ando las m oles ó Km oles de cada c om ponente que se oxida m ultiplicado por su relación estequiométrica al oxígeno (O2 en el numerador). Si el combustible es oxigenado, caso del alcohol ó la celulosa, por ejemplo, debem os restar ese oxigeno que ingresa con el m ism o com bustible para obtener un parámetro muy utilizado posteriormente llamado Oxígeno mínimo

(O2)mín .por ser la

m ínim a cantidad de oxígeno que se necesita aportar para que una com bustión sea com pleta.

Comb ust ión com pl et a d e un S ól ido : (O 2 ) m í n =

(∑ mi * ri) – mO2

Comb ust i ón C omp l et a d e un Lí q /G a s: : (O 2 ) m í n =

(∑ fi * ri) – fO2

 Kmol de O2     Kg Comb.   Kmol de O2     Kmol Comb

Por ejem plo, si conocem os las fracciones m ásicas de un com bustible sólido com puesto por C, H2, O2 y S , el oxígeno m í nim o necesario para que combustione com pletam ente será : (O2)mín =

(O2)mín =

gc x 1 + 12

g H2 2

x ½ +

gS x 1 32

g H2 gO   gc g   S  2   4 32 32   12

g O2

x1

32

 Kmol de O2     Kg Com b. 

 Kmol de O2     Kg Com b. 

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AI R E N E C E S AR I O P AR A U N A R E AC C I O N C O M P L E T A 3

3

3

En 1,00 (Nm ) de aire hay 0,21 (Nm ) de O2 y 0,79 (Nm ) de N2; por cuanto es posible conocer la cantidad de aire m ínimo (L) mín necesar ia par a lograr una com bustión com pleta com o se indica a continuación:

(O 2 ) m í n = 0,21 ( L ) m í n (L)mín

 Kmol de Aire     Kg Comb. 

= (O2 )mín 0,21

ó

 Kmol de Aire     Kmol Comb 

AI R E R E AL S U M I N I S T R AD O A U N A C AL D E R A Dada la rapidez de la combustión y la distinta presentación de los combustib les, especialmente

los

sólidos,

es

prácticamente

imposible

que

cada

molécula

de

com bustible encuentre una m olécula de oxígeno para reaccionar, por lo que, en la práctica, para asegurar que se produzca una combustión adecuada es necesario i n t r o d u c i r a l h o g a r ó c á m a r a d e c o m b u s t i ó n , u n a c a n t i d a d d e a i r e m a yo r q u e l a m í n i m a . Esta cantidad, que llam am os aire real ( Lr), la definirem os a partir de un factor adim ensional m ayor que 1 (uno), denom inado



ó factor de dilución debido a que

representa el exceso de aire que hacemos ingresar al hogar ó cámara, respecto al aire m ínim o necesario; as í entonces:

 

El valor de

Lr ( L)mín



 1

Lr =





COMBUSTIBLE depende del

x (L)min

F AC T O R D E D I L U C I Ó N

1,1

Gas

com bustible utilizado , del quem ador y del hogar ó cámara de combustión donde se quema dicho combustible En

la

tabla

adyac ente

se

observan algunos valores.

-

1, 2

1,3

Hulla pulver izada Hulla en parrilla

1,4

-

1, 7

Leña, bagazo

1,6

-

2, 0

1,3

Diesel rápido Diesel grandes2T

1,6

-

1, 7

Por ejemplo, el Aire Real suministrado para la combustión de un sólido compuesto por C, H2 y O2 cu yas fracciones m ásicas son conocidas, sería: Lr

=





(O2 ) mín x 2 2 , 4 = 0,21



g g  g 22,4   c  H 2  O2   4 32  0,21 12

 Nm3 de Aire     Kg Comb. 

3

Donde se multiplica por el volumen molar = 22,4 [Nm /Kmol] para expresar el caudal de Aire Real en unidades de Volúmen, en condiciones normales de presi ón y temperatura.

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G AS E S P R O D U C T O S D E L A C O M B U S T I O N De la misma manera que se calculó el oxígeno que reacciona con cada com ponente, se puede utilizar las relaciones estequiom étricas para determ inar los productos que resultan de la combustión de cada componente. Será necesario recordar las dos ecuaciones posibles de combustión del Carbono y la ecuación de combustión del H2 (Ver cuadro en pag Nº 5) y sus respectivas relaciones estequiométricas al pr oducto que se quiere determinar (producto en el num erador). Tam bién recordarem os las ecuaciones del aire necesario . En la siguiente tabla se expresan los cálculos para determinar los volúmenes de los gases de una

 Nm3 de Aire  ó  Nm3 de Air e :    Km olCom b.     Kg Comb. 

com bustión expresados en

Nº

Producto

1

CO2+CO

2 H2O 3 4

Origen

ri

Base Kg

Base Kmol

Gases

1

mC  22,4

fC  22,4

V(CO2  CO)

1

mH 2  22,4

f H 2  22,4

1

mH 2O  22,4

f H 2O  22,4

1

mN 2  22,4

f N 2  22,4

Aire

-

 

Aire

-

Combustión del Carbono Combustión del Hidrógeno Combustible (humedad) Combustible (gaseoso)

N2 5 6 O2

8 9

VGS 10

VN 2

79  (O2 )mín  22,4 21

(   1 )  ( O2 ) mín  22,4

Combustion Incompleta Otros Combust. del ri mi  ri  Oxidos Combustible El Volúmen total de Gases Secos será :

7

VH 2 O

Vco

fi  ri  22,4

22,4 =

VO2

2

V(CO2  CO) + VN 2

+

VO2

Vi +

 V  i

El Volúmen total de Gases Húmedos será :

VGH = VGS Ambos

volúmenes

totales

alcanzarían

un

+

VH 2 O

valor

m ínimo

hipotético,

produjera una combustión completa, sin formación de Monóxido de Carbono

si

se

VCO  0 ,

y

se estuviese agregando el aire m ínim o necesario; es decir, el factor de dilución sería igual a uno



1 . E s t e v a l o r e s h i p o t é t i c o p o r q u e s i e m p r e s e n e c e s i t a u n e x c e s o d e

aire para lograr procesos aceptables de combustión. Por ej: Los volúm enes m ínim os de gases que gener ía una combustión com pleta de un sólido, con un caudal de aire

Lr  ( L)mín , e s d e c i r



1 ; c o m p u e s t o p o r C , H 2 y O 2

cuyas fracciones m ásicas son conocidas, s ería:

( VGS ) mín  VCO2  VN 2

( VGH )mín  ( VGS )mín 

 1

gH2 2



 gc  79     12  21  

g H 2 g O2    gc      12 4 32  

   22,4  

 Nm3 de Aire     Kg Com b. 

 22,4

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C O M P O S I C I O N D E L O S G AS E S D E C O M B U S T I O N Las composiciones de los gases producto de una combustión se expresarán en fracciones volumétricas, por lo que, resultarán diferentes según se refieran a los gases húmedos o a los gases secos: Fracciones en base gases secos

:

Fracciones en base gases húmedos :

w´i  wi 

Vi VGS Vi VGH

 w´  

;

i

n

;

w

i





n

(

Vi )  1. VGS

(

Vi )  1. VGH

COM BUST IÓN INCOM PLET A Cuando al finalizar l a com bustión quedan en los hum os sustancias capaces de ser oxidadas com o ser CO, H 2, CxH y, etc, se dice que ha y una c om bustión incom pleta. El r endim iento térm ico dism inuye sensiblem ente cuando la

com bustión del

carbono no es completa. Otro inconveniente de graves consecuencias, es que se produce m onóxido de carbono (CO) altam ente tóxico.

CONT ROL DE L A COM BUST ION Se debe controlar entonces el proceso de com bustión para asegurar la m áxim a oxidación de los componentes del combustible a fin de elevar su rendim iento calórico. Este control fundamentalmente consiste en determinar el caudal óptimo de aire que se debe ingresar al hogar ó la cámara de combustión por cada Kg ó Kmol de com bustible consum ido, para que la reac ción resulte com pleta ó m uy próx im a de ser com pleta.

E l ca u da l de a ire qu e se sum in ist ra a u na comb u st ión lo lla m amo s A ire Re a l (L r ), y s u va lo r, re su lt a r á se r u n p o co ma yo r qu e e l va lo r d e l a ire m ín im o n ece sa rio pa ra qu e la com b u st ió n se a co m p le t a . Este caudal de aire real, modifica de diferentes maneras las condiciones del proceso: según el tipo de combustible, según el quemador utilizado, según el tipo y características del hogar ó cámara de combustión, según el tipo de tiraje y chimenea, etc. Esta gran diversidad obliga a utilizar la siguiente r egla, conocida como “Regla de las 3T” para acordar criterios valederos en todos los casos.

PARA MEJORAR UNA COMBUSTION SE DEBE LOGRAR LOS MAXI MOS VALORES POSIBLES EN LOS SIGUIENTES PARAMETROS

Temperatura de llama Tiempo de Residencia Turbulencia

Asegura la reacción y la no formación de hollín.Disminuye cuando aumenta (Lr) Existen tiempos m ínim os de reacción y de propagación de la llama. Disminuye cuando aumenta (Lr) Asegura una buena mezcla de l aire y del combustible. Aumenta cuando aumenta (Lr)

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Vem os entonces que dos de éstos par ám etros dism inuyen cuando aum enta (Lr) y solo uno responde en igual sentido. En consecuencia no se debe aumentar en forma desmedida el caudal de aire real por que se enfría la reacción y achica el tiempo de residencia. Estas consideraciones refuerzan el concepto de utilizar un factor de dilución para determinar el aire real a partir del aire mínimo necesario , donde si bien su valor n u m é r i c o e s m a yo r q u e 1 , n u n c a a l c a n z a r á v a l o r e s m a y o r e s q u e 2 .

Nunca se debe agregar más que el doble del aire m ínimo necesario

1    2 Cuando la combustión está bien controlada, no aparece C ni H2 en los humos y solamente muy pequeñas cantidades de CO e hidrocarburos. En cuanto empeora la com bustión hace su aparic ión en form a not able el CO, por lo que se utiliza este gas com o indicador de la com bustión incom pleta. Para supervisar

un

proceso de

combustión

es

imprescindible

realizar

una

m edición (análisis) de los gases producidos, para conocer sus com ponentes y sus respectivas concentr aciones ya que es im posible determ inar a priori si se producirá o no CO.

Es imposible determinar el Vco sin hacer un análisis químico de al menos un comp onente de los gases de combustió n Con el análisis de los humos se controla la marcha de l proceso, la falta o exceso de aire, la producción de CO y el valor de

.

Este análisis puede hacerse con el Aparato de Orsat (determinación química) o con analizadores de gases eléctricos o electrónicos, que en forma continua nos da la com posición

de

cada

gas

en

base

a

las

propiedades

particulares

de

cada

uno

(viscosidad, calor especifico, conductividad, etc.). Tam bién se utiliza el m étodo de hacer pas ar la m uestra por catalizadores donde reaccionan los gases no quemados y se mide el aumento de temperatura. En general todas las m ediciones m encionadas son laboriosa s y costosas, y, salvo el de CO2, los demás datos carecen de precisión. Esto ha llevado a crear un método gráfico denominado Diagrama de Ostwald que permite minimizar el número de componentes a analizar , como así también, el número de análisis necesarios para establecer las condiciones óptimas de operación . El diagram a de Ostwald perm ite conocer la com posición de los gases de com bustión y el valor del factor de dilución a partir de la determ inación analíti ca de solo dos componentes (punto de operación).

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C O N S T R U C C I O N D E L D I AG R AM A D E O S T W AL D Este diagram a se construye a partir de la com posición de l combustible tal cual ingresa al hogar ó cámara de combustión. Tiene forma triangular y existe uno para cada com bustible, dependiendo su s dim ensiones exclusivam ente de la com posición elem ental del combustible. La construcción del diagrama no dep ende ni del hogar ó cámara de com bustión, ni del caudal con que se esté quem ando el com bustible. El triángulo de Ostwald se constru ye representando las fracciones volum étrica en base seca de los gases ó humos produc idos por la combustión de un combustible; el eje vertical

representará la fracción del CO2 producido y el eje horizontal representará

la fracción de O2 existente; finalmente una línea inclinada encierra entre ambos ejes un plano triangular que contiene todas las com bustiones posibles del com bustible en cuestión.

Para su construcción se

de berá calcular

los

valores

numéricos

de los

siguientes tres vértices extremos.

Determinación del vértice A Es el punto superior izquierdo del triángulo y su valor numérico es la fracción m áxim a de CO 2 = Siendo

( w´

)

CO2 máx



VCO2

( w´ CO2 ) 

que se puede obtener del combustible. , esta fracción será m áxim a cuando el volum en de los

VGS

gases secos sea mínimo, lo que se cumple para



= 1 y (V

co

 0) ; e s d e c i r c u a n d o e l

aire real es igual al aire mínimo necesario y se produce una combustión completa. Observamos en la tabla de gases de combustión que en estas condiciones: Renglon 1 : V Renglones 6 y 7: V V  0; . ( CO2 CO)

CO2

o2

Así entonces el punto A será el valor numérico de la fracción:

( w´ CO2 ) máx 

VCO2 ( VGS ) mín



VCO2 VCO2  VN 2

 1

  Vi 

Combustible

( w´ CO2 ) máx

Carbono Puro

21,0 %

valores de com posició n m áxim a de CO2 que se

Madera seca al aire

20,9 %

obtienen por combustión completa de diferente s

Bagazo

20,0 %

com bustibles:

Nafta

15,0 %

Obsérvese que ninguno supera el valor de

Fuel Oil

17,0 %

21 % ; por cuanto podemos establecer un rango de

Gas Oil

16,0 %

variación de éste valor tal que :

Gas Natural

12,0 %

En la siguiente tabla se muestr an algunos

0  ( w´ CO ) máx  0,21 2

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10

Determinación del vértice B. Es el punto inferior derecho del triángulo y su valor numér ico es la fracción m áxim a de O 2 =

( w´

)

O2 máx



que se puede encontrar en los gases de una combustión.

Es un punto extremo hipotético que nunca podría alcanzarse en la práctica, s u valor se encuentra considerando que no se realiza una combustión por que ingresa una cantidad tan grande de aire que apaga la misma; así entonces, en este punto, el factor de dilución valdrá infinito, la fracción de CO2 valdrá cero y la fracción de O 2 será m áxim a. Este punto extrem o no podrá calcul ars e ya que no existe fracción de una cantidad infinita y si

 

el volumen de gases secos también

(VGS  ) . S u v a l o r s e

deduce considerándolo igual a la fracción de Oxígeno del aire ; por cuanto el punto B será:

( w´

)

O2 máx

  0,21

Determinación del vértice C. Es el punto inferior izquierdo del triángulo y su valor numérico es la fracción de

O2 =

( w´

s

O2

)



que se obtiene cuando se realiza una combustión selectiva del carbono.

Esta combustión selectiva consiste en hacer ingresar la mínima cantidad de aire necesaria para que la combustión sea completa pero direccionar para que todo el carbono existente en el combustible se oxide a monóxido de carbono, es decir se produce una combustión totalmente incompleta. Este punto también es extremo e hipotético, imposible de alcanzar en la práctica, su valor se encuentra considerando que se suministra el aire mínimo para com bustión com pleta (

 =1

) , pero el volumen de dióxido de carbono es ce ro y el

volum en de m onóxido de carbono es m áximo. Se realiza una combustión selectiva de todo el carbono tal que solo se obtiene m onóxido de carbono, ninguna m olécula alcanza a ox idarse com pletam ente. Observamos en la tabla de gases de combustión que en es tas condiciones: Renglon 1 : V Renglones 6 y 7: V V  V 2 ; . ( CO2 CO)

CO

No habrá O 2 por exc eso de aire ya que



o2

CO

=1 pero se formará un remanente de

oxígeno en los gases de combustión por que el carbono, al no oxidarse a dióxido, consume menos O2; vemos que este remanente de O2 resulta igual a la mitad del volum en de m onóxido form ado. Esta igualdad, es un dato m uy im portante, ya que nos permite calcular fácilmente este tercer vértice del triángulo.

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( w´ s O2 ) 

V s O2 ( V s GS )



VCO2  VN 2

VCO 2   Vi   VCO 2  1

V s GS  VGS  VCO 2

Nótese que:

C o n s t r u c c i ó n d e l T r i á n g u l o c o n l o s t r e s p u n t o s A, B y C c a l c u l a d o s :

20 18 16A 14 12 F 10 8 6 4 2 0

D

(

1    .

H

desde A (

Esta

  1)

hiperbólica,

por

variación hasta B (  lo

que





E

C

0

que

Lineas de factor de dilución =cte Sobre la hipotenusa AB Ostwald comprobó que se encuentran todas las posibilidades de combustión completa para el factor de dilución variando entre

5

10

15

G

20

B

  ) es

se

debe

-1

representar su inversa ( ) si se quiere establecer una relación lineal; así entonces, si definimos un 30 n u e v o n ú m e r o    1 r e s u l t a r á

25

tomará valores comprendidos entr e:



de

1    0 ; e n t o n c e s e n A (   1) y e n B

 0)



Si recordamos que ambos puntos A y C fueron calculados para el valor de

=1

s e p u e d e c o n s i d e r a r q u e l a r e c t a AC r e p r e s e n t a r á u n a l í n e a d o n d e e l v a l o r d e permanece constante e igual a 1 (  =1). Ostwald

demostró

que

toda

línea

paralela

a

la

derecha

de

representará una combustión real para un determinado valor constante de

esta



recta

  1;

(por

e j . l a r e c t a D E ) . T a m b i é n e s t a b l e c i ó q u e t o d a r e c t a p a r a l e l a a l a i z q u i e r d a d e AC , representar á una com bustión donde se sum inistra m enos que el aire m ínim o

  1,

generalmente irreal. Así entonces, para leer los valores de  que toman las distintas líneas paralelas a AC ( l i n e a s d e  = c t e ) , d i v i d i m o s l a h i p o t e n u s a AB e n d i e z p a r t e s i g u a l e s y t r a z a m o s una escala desde 0 en B hasta 1 en A . Así tendremos representados los valores de    1 , q u e p u e d e n l e e r s e d o n d e i n t e r c e p t a e s t a h i p o t e n u s a c o n l a l í n e a d e  = c t e y obtener el valor de



calculando la inversa del



leído.

Lineas de fracción de CO (Monóxido de Carbono) = cte De la ecuación de combustión selectiva indicada en el punto C anterior vemos que para



=1 el volumen de monóxido selectivo resulta ser el dob le del volumen de

oxígeno selectivo, por lo tanto también será la fracción selectiva del primero igual al doble de la fracción selectiva del segundo:

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

( w´ s CO )

( w´s O2 ) 2

El punto C representa el límite de una combustión incompleta (combustión selectiva) para el valor de



=1 cuyo valor num érico en el eje de absisas es la fracción

de oxígeno selectivo; pero tambien este punto representa la fracción de monóxido selectivo, obviam ente no sobre el eje de absisas, ya que su valor es dife rente, sino sobre otra recta que la representaremos a continuación. C u a l q u i e r p u n t o d e l a r e c t a AB r e p r e s e n t a r á e l v a l o r c e r o p a r a l a f r a c c i ó n d e m onóxido, ya que ella representa todas las posibilidades de com bustión com pleta para el factor de dilución variando entre

1    .

Así entonces, si trazamos una recta cualquiera que comience en algún punto de la recta AB, donde fracción de Monóxido vale cero, y termine en el punto C, donde fracción de Monóxido alcanza su máximo valor (por ej. La recta HC), ella representará un segmento de valor igual a la fracción de monóxido selectivo en C (Combustión totalmente incompleta). Esta recta HC nos permitirá leer la fracción de monóxido resultante de una com bustión cualquiera. Se ac onseja seleccionar un segm ento cuya distancia sea un múltiplo del valor

( w´ s CO ) .

F i n a l m e n t e , t o d a p a r a l e l a a l a r e c t a AB q u e c o r t e a l a r e c t a H C r e p r e s e n t a r á u n valor constante de fracción de monóxido; por Ej la recta FG.

Interpretación del diagrama. Todos los casos posibles de combustión están incluidos dentro del diagrama. Se llam a Punto de Oper ación al que se obtiene con los valores de ensa yo (análisis de los gases de com bustión). Si los valores de ensayo dan un punto fuera del m ism o, el ensayo está m al hec ho o el diagram a m al trazado. Vem os que con dos valores de com posición de gases, obtenidos por ensa yo, se puede encontrar el punto de operación de la combustión y obtenerse por lectura en el diagrama el tercer valor de composición y el valor de . Si se obtienen por ensayo 3 valores, los m ism os deben coinc idir en un punto. Según la zona donde se ubique el punto de operación de la combustión se tiene:

1 3

2

Zona 1 :

Combustión óptima (  y CO bajo).

Zona 2 :

Exceso de aire ( alto).

Zona 3 :

Defecto de aire ( bajo y CO alto).

Zona 4 : Combustión pésima ( y CO altos). En

4

este caso la combustión no se realiza en condi ciones adecuadas. No se cumple la regla de las 3T .

Ningún punto de combustión debe caer en 1.

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