Reacciones de combustión
Introducción
¡Hola!
Me da mucho gusto saludarte en esta ocasión, que sin demeritar las anteriores, ya has avanzado mucho en este proceso formativo y eso es razón suficiente para pedirte que continúes con ese mismo ímpetu por aprender más. Te reitero mis felicitaciones y te doy la bienvenida a la última clase digital de esta curso.
Seguimos con los sistemas reactivos, pero hay un caso especial de sistemas reactivos, las reacciones de combustión. Quizá surja la duda de por qué es importante verlas y en un apartado especial. Los procesos químicos requieren elevar o disminuir su temperatura, para el caso de elevar la temperatura, no es posible poner el equipo a fuego directo, ¡no!, esto se hace empleando vapor de agua el cual es generado a través del calentamiento del agua y este calentamiento requiere el uso de una fuente de energía y esta fuente de energía es el calor que se desprende por una reacción de combustión. Quizá pensaríamos, pues es una combustión, eso debe ser lo más sencillo, encender y listo. Pero la realidad es otra, existen variables y términos asociados a las reacciones de combustión que son necesarios de conocer ya que son de uso cotidiano a nivel industrial.
Considerando lo anterior, te invito a empezar tu última sesión. ¡Éxito!
Desarrollo del tema
Reacciones de combustión
La combustión es un proceso que tiene como reactivos, un combustible y el oxígeno, su importancia a nivel industrial radica en que provee la energía necesaria para ser empleada en proceso de calentamiento o control de condiciones de proceso, mover turbinas para generar electricidad ya sea en una planta o para la población, etc. Si bien la generación eléctrica recae en los ingenieros mecánicos y en energía, el ingeniero químico es el encargado de cerciorarse que las reacciones químicas necesarias para generar calor se realicen de manera adecuada. En el caso de las plantas de procesamiento de químicos, existe un área que se llama servicios auxiliares, esta área se encarga de generar los servicios de vapor, agua de enfriamiento y electricidad necesarias para que la planta funcione.
Química de la combustión
Los combustibles empleados en los hornos de combustión o calderas a nivel industrial pueden ser diversos:
- Carbón: Contiene carbono, hidrógeno y azufre. Es poco empleado por su alto nivel contaminante.
- Aceite combustible: Está compuesto por hidrocarburos de alto peso molecular y un poco de azufre.
- Combustible gaseoso: Ejemplos de estos son el gas natural el cual está compuesto principalmente de metano, o también podemos tener el gas licuado de petróleo que por lo general es propano y butano.
Los procesos de combustión se caracterizan por ser no necesariamente perfectos ya que pueden verse afectados por la presencia de las cantidades de los reactivos, generando componentes no deseados como CO, ácido nítrico, ácido sulfhídrico, etc. Cuando en una reacción de combustión tenemos presencia de CO se dice que tenemos una combustión parcial o incompleta, la cual no es deseable, porque el CO es contaminante tóxico y porque no estamos obteniendo la eficiencia requerida en términos de generación de energía.
Entre el argot de la industria química, existen términos como la composición en base húmeda y base seca. La composición en base húmeda se emplea con frecuencia para denotar las fracciones molares componentes que contienen agua. Mientras que la composición en base seca indica las fracciones molares de los componentes del mismo gas sin agua. Por ejemplo, si un gas contiene 33.33 % mol de CO2, 33.3 % de N2 y 33.33 % de H2O (en base húmeda), esa misma mezcla tendría una composición de 50 % mol de CO2 y 50 % de N2 en base seca.
Cuando se lleva a cabo el proceso de combustión que sale por la chimenea del horno o caldera son los gases de combustión. Y está compuesta por diversos gases de acuerdo con el tipo de control y operación que se tuvo en el proceso de combustión.
La reacción de combustión perfecta está dada por la reacción de un combustible con oxígeno para obtener productos como dióxido de carbono y agua:
Cualquier reacción extra que se lleva a cabo lo único que generará es que sea una reacción incompleta.
Aire teórico y aire en exceso
Las reacciones de combustión tienen como uno de sus reactivos el oxígeno, lo primero que nos vendría a la cabeza es decir que vamos a comprar oxígeno para quemarlo, pero no es necesario, ya que este podemos encontrarlo gratis en el aire, además que podemos alimentarlo en exceso al sistema. De lo anterior, es necesario determinar algunos términos que se emplean en los procesos de combustión.
- Oxígeno teórico: Los moles (que se alimentan en un proceso por lote o intermitente) o la velocidad de flujo molar (en un proceso continuo) de O2 que se necesitan para quemar por completo el combustible que se alimenta al reactor, suponiendo que todo el carbono combustible se oxida a CO2 y que todo el hidrógeno se oxida a H2O. Esta cantidad la podemos obtener a partir de la estequiometría de la reacción.
- Aire teórico: Es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico. Para calcular la cantidad de aire teórico es necesario conocer la composición de aire, basado en sus componentes principales, que son el oxígeno y nitrógeno, con una composición de 21 % y 79 % mol, respectivamente.
- Aire en exceso: Es la cantidad excedente de aire que contiene el oxígeno necesario para consumir todo el combustible en la reacción de combustión. La siguiente ecuación se emplea para calcular el porcentaje de aire en exceso.
Conclusión
Para finalizar, en esta clase aprendimos la importancia de las reacciones de combustión y lo que implica, por ejemplo, nuevos términos en el lenguaje de ingeniería química y la forma en cómo realizamos los cálculos.
¡Has llegado al final de la última clase del curso, muchas felicidades! Ha sido un gozo compartir contigo este trayecto formativo. Deseo que el curso haya cumplido tus expectativas y encuentres satisfacción en los temas abordados, así como con tu desempeño y compromiso. Para concluir de forma correcta, te invito a realizar la siguiente actividad la cual incluye el desarrollo de un proyecto donde implementarás todos los conocimientos aprendidos durante el curso. Espero encontrarte nuevamente, ¡hasta pronto!
Fuentes de información
- Felder, R.M. y Rousseau, R.W. (2006). Principios Elementales de los procesos Químicos. (3ª ed.). Limusa-Wiley. ISBN: 968-18-6169-8
- Murphy, R.M. (2007). Introducción a los procesos químicos: principios, análisis y síntesis. USA: McGraw-Hill. ISBN: 978-970-10-6199-2. En español ISBN: 970-10-6199-3.