Ejercicios de aplicación BM+RC

El aire es la fuente de oxígeno (comburente) en la mayoría de los reactores de combustión debido a su costo (el costo del aire es menor que el de los combustibles). Para los cálculos de combustión, la composición del aire seco se considera como 79% en volumen de N₂ y 21% en volumen de O₂. Los productos de la combustión, también llamados gases de combustión, gases de chimenea o gases de emisión, tienen una composición que depende del tipo de combustible usado.

Así, si el combustible es un hidrocarburo los productos de la combustión pueden ser CO₂, CO y H₂O. Si el combustible está formado por C, H y O como el alcohol etílico (combustible usado en los mecheros de alcohol tan conocidos en los laboratorios de química) los productos de la combustión pueden ser los mismos citados arriba, pero si además de estos elementos contiene azufre (S) se produce SO₂ y si contiene nitrógeno produce una mezcla de óxidos de nitrógeno que se representan como NOx y se calculan como si todos fuesen NO₂.

En una combustión se pueden producir CO₂ y CO y cuando ello sucede, la combustión se denomina incompleta. Pero si todo el carbono que posee el combustible se convierte en CO₂ la combustión se llama combustión completa. La combustión completa entre un alcano (hidrocarburo con todos sus enlaces sencillos) y oxígeno se representa por la siguiente ecuación química:

C(n)H(2n+2) + (3n+1)/2O2 → (n)CO₂ + (n+1)H₂O

Como el gas de chimenea contiene agua, su composición puede expresarse de dos maneras: en base húmeda y en base seca. El término composición en base húmeda indica las fracciones molares de los componentes de una mezcla gaseosa incluyendo el agua y el término composición en base seca indica las fracciones molares del mismo gas sin considerar el agua que contiene. Para analizar los gases de emisión (o de combustión) se usa, entre otros, un dispositivo llamado Analizador Orsat, el cual determina los porcentajes de CO₂, O₂ y CO en base seca usando una solución de KOH para absorber el CO₂, una solución de ácido pirogálico para absorber el O₂ y una solución de cloruro cuproso amoniacal para absorber el CO. Lo que sobra del gas de chimenea luego de ser absorbido por esas soluciones es N₂.

Como en una reacción de combustión el reactivo más barato es el aire, éste se suministra en cantidad mayor a la necesaria (teórica). Los siguientes términos son útiles en la combustión:

• Oxígeno teórico: Moles o velocidad de flujo molar (proceso intermitente o continuo) de O₂ que se necesitan para efectuar la combustión completa del combustible, suponiendo que todo el carbono del combustible forma CO₂ y todo el hidrógeno forma H₂O.
• Aire teórico: Es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico.
• Aire en exceso: Es la cantidad en exceso del aire que entra al reactor con respecto al aire teórico. El porcentaje de aire en exceso se calcula usando la siguiente ecuación:

El procedimiento para resolver balances de materia en la combustión es el mismo que el procedimiento para los sistemas reactivos, pero teniendo en cuenta estos puntos:

1. El N₂ sale del reactor tal como entra. En la salida del reactor debe considerarse el O2 que no reacciona y el combustible que no se consume.
2. El porcentaje de aire en exceso y el porcentaje de oxígeno en exceso tienen el mismo valor numérico. Si se conoce el porcentaje en exceso de O₂, el O₂ real se calcula multiplicando el O₂ teórico por 1 más la fracción de oxígeno en exceso.
3. Si sólo sucede una reacción se pueden usar indistintamente balances para especies moleculares o para especies atómicas. Si ocurren varias reacciones químicas suelen ser más convenientes los balances para especies atómicas.