Conceptos sobre combustión

La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxígeno. Es característica de esta reacción la formación de una llama, que es la masa gaseosa incandescente que emite luz y calor, que esta en contacto con la sustancia combustible.
La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxigeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno, llamada comburente, siendo el aire atmosférico el comburente mas habitual.
La reacción del combustible con el oxígeno origina sustancias gaseosas entre las cuales las más comunes son CO2 y H2O. Se denominan en forma genérica productos, humos o gases de combustión. Es importante destacar que el combustible solo reacciona con el oxigeno y no con el nitrógeno, el otro componente del aire. Por lo tanto el nitrógeno del aire pasará íntegramente a los productos de combustión sin reaccionar.
Entre las sustancias mas comunes que se pueden encontrar en los productos o humos de la reacción se encuentran:
• CO2
• H2O como vapor de agua
• N2
• O2
• CO
• H2
• Carbono en forma de hollín
• SO2
De acuerdo a como se produzcan las reacciones de combustión, estas pueden ser de distintos tipos:
Combustión completa
Ocurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el máximo grado posible de oxidación. En este caso no habrá presencia de sustancias combustibles en los productos o humos de la reacción.
Combustión incompleta
Se produce cuando no se alcanza el grado máximo de oxidación y hay presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de la reacción.
Combustión estequiométrica o teórica
Es la combustión que se lleva a cabo con la cantidad mínima de aire para que no existan sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión no hay presencia de oxigeno en los humos, debido a que este se ha empleado íntegramente en la reacción.
Combustión con exceso de aire
Es la reacción que se produce con una cantidad de aire superior al mínimo necesario. Cuando se utiliza un exceso de aire, la combustión tiende a no producir sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión es típica la presencia de oxigeno en los gases de combustión.
La razón por la cual se utiliza normalmente un exceso de aire es hacer reaccionar completamente el combustible disponible en el proceso.
Combustión con defecto de aire
Es la reacción que se produce con una menor cantidad de aire que el mínimo necesario. En este tipo de reacción es característica la presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de reacción.
Clasificación de los combustibles
Podemos clasificar a los combustibles según su origen en comerciales y especiales.
Combustibles comerciales
Naturales o primarios
Sólidos
• carbón, madera, biomasa
• algunos metales (costo muy elevado)
• Uranio (elemento radiactivo que genera la fisión en un reactor nuclear)
Líquidos
• Petróleo y sus derivados
Gases
• Gas natural
• Gas licuado de petróleo (GLP)
Artificiales o secundarios
Sólidos
• coque (destilado de carbón de hulla)
• carbón vegetal (destilado de la madera a 250ºC)
• Aglomerado de hulla
• Biomasa residual (basura y residuos urbanos, estiércol, etc.)
Líquidos
• Alcoholes (destilados de la biomasa)
• Aceites de nafta y benzol (destilados de petróleo)
Gaseosos
• Destilados de madera
• Destilados de la hulla
• Destilados de naftas de petróleo
Combustibles especiales
Este tipo de combustibles generalmente se utilizan para impulsar cohetes o en usos militares.
Líquidos
• H2 liquido + O2 liquido
• Kerosene + O2 liquido
• Dimetilhidracina [ NH2-N(CH3)2] + N2O4
Sólidos
• Perclorato amónico ( NH4ClO4)
• Pólvora (NaNO3 o KNO3 ,+ S + C )
Se denomina combustible fósil al que proviene de restos orgánicos vegetales y animales y se extrae de la naturaleza. Ellos son el carbón, el petróleo y el gas natural. El petróleo es un combustible pero generalmente no se lo utiliza como tal directamente, sino que se lo caracteriza como una excelente materia prima para obtener, mediante su refinación y tratamiento, otras sustancias de mayor importancia industrial como los gases licuados de petróleo (GLP), naftas, gas-oil, fuel-oil, y otros productos.
Propiedades de los combustibles
Las propiedades más características de un combustible son las siguientes:
Composición
Conocer la composición de un combustible es muy importante para poder determinar los parámetros característicos estequiométricos de la reacción de combustión y conocer si en el existen sustancias que puedan tener importancia posterior en cuanto a la contaminación o nocividad de los productos de reacción.
La forma más común de indicar la composición de un combustible gaseoso es como porcentaje en volumen de cada uno de sus componentes en condiciones normales.
Para un combustible gaseoso tipo hidrocarburo, la fórmula general es :
CmHn + [(4m + n)/4]O2 ....................... m CO2 + (n/2) H2O
y sus componentes mas habituales son :
CO2 , CO , H2 , O2 , N2 , SO2 SH2 y H2O como vapor

Poder Calorífico
El poder calorífico (PC) de un combustible es la cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad empleada de combustible (Kg, Kmol, m3)
De acuerdo a como se expresa el estado del agua en los productos de reacción se puede dividir en:
Poder calorífico Superior (PCS):
Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reacción completa de la unidad de combustible con el agua de los humos en forma líquida a 0 ºC y 1 atm.
Poder calorífico Inferior (PCI):
Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reacción completa de la unidad de combustible con el agua de los humos en estado de vapor.
Viscosidad
La viscosidad tiene gran importancia en los combustibles líquidos a efectos de su almacenamiento y transporte. Su determinación es experimental y los valores típicos se encuentran tabulados para los distintos combustibles industriales líquidos.
Densidad
Generalmente se determina experimentalmente y para el caso de los combustibles gaseosos se utiliza la densidad relativa al aire. En la práctica es muy importante conocer este parámetro para saber si el gas combustible se acumula en el techo o en el suelo, en caso de una fuga en un local cerrado.
La densidad absoluta del aire en condiciones normales es de 1,293 kg/m3
Para los combustibles líquidos, en forma aproximada se puede utilizar la siguiente fórmula :
Densidad = 250 + 9,13 mc + mh expresada en kg / m3 a 15 ºC
donde mc y mh son las masas respectivas de carbono e hidrógeno.
También es muy frecuente emplear una unidad convencional llamada "G" que se mide en ºAPI y se calcula como
G = (141,5 / densidad) - 131,5 con la densidad en kg/ m3
Limite de inflamabilidad
Esta propiedad es característica a los combustibles gaseosos y establece la proporción de gas y aire necesaria para que se produzca la combustión, indicando un límite superior y uno inferior.
Ejemplo:
PROPANO Límite inferior: 2,4 % Limite superior: 9,5 %
Punto de inflamación
Para que una reacción de combustión se produzca, la mezcla de combustible y comburente debe alcanzar una temperatura mínima necesaria, que recibe el nombre de punto de inflamación.
El punto de inflamación depende del comburente, por lo que su valor no es el mismo si se utiliza oxígeno o aire.
Una vez iniciada la reacción, el calor mantendrá la temperatura por encima de la inflamación y la reacción continuara hasta agotarse el combustible.

Aire
Como ya se ha mencionado anteriormente, el comburente es el agente que aporta el oxigeno a una reacción de combustión y la fuente mas usual y económica de oxígeno disponible es el aire.
Si dos reactivos participan en una reacción y uno de ellos es considerablemente más costoso que el otro, es muy común que el reactivo más económico se utilice en exceso con respecto al reactivo mas caro. Esto se justifica a efecto de aumentar la conversión del reactivo más caro a expensas del costo del reactivo en exceso. En consecuencia, como el reactivo mas económico es el aire, que además es gratis, las reacciones de combustión se realizan invariablemente con más aire del que se necesita, para asegurarse en proporcionar oxigeno en cantidad estequiométrica al combustible.
Propiedades y definiciones
En el manejo de las ecuaciones de reacciones de combustión generalmente se emplean algunos conceptos importantes a saber:
Aire teórico o requerido
Es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico
Oxígeno teórico
Son las moles (para un proceso intermitente) o la velocidad de flujo molar (para un proceso continuo) de oxigeno que se necesitan para efectuar la combustión completa del combustible en el reactor, suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida para formar CO2 y todo el H2 se oxida para formar H2O.
Exceso de aire
Es la cantidad de aire en exceso con respecto al teórico o requerido para una combustión completa.
Para su cálculo pueden emplearse las siguientes expresiones equivalentes:

% de exceso de aire = (O2 que entra al proceso - O2 requerido/O2 requerido) x 100
% de exceso de aire = (O2 de exceso / O2 de entrada - O2 de exceso) x 100
Para los cálculos de aire teórico y aire en exceso deben tenerse en claro los siguientes conceptos:
• El aire teórico requerido para quemar una cierta cantidad de combustible no depende de la cantidad que realmente se quema. El combustible puede reaccionar parcialmente y puede quemarse parcialmente para formar CO y CO2 pero el aire teórico es aquel que se requeriría para reaccionar con todo el combustible para formar solo CO2
• El valor del porcentaje de aire en exceso depende solo del aire teórico y de la velocidad de alimentación de aire y no de cuanto O2 se consume en el reactor o bien de que la combustión sea completa o parcial.

En la mayoría de los cálculos de combustión es aceptable utilizar esta composición simplificada a 79 % de N2 y 21 % de O2 en base molar.
Así un Kmol de aire contiene 0,21 Kmol de oxigeno y 0,79 Kmol de nitrógeno, siendo la relación de 79/21 = 3,76 Kmol de N2 / Kmol de O2 o también puede expresarse como la cantidad de 4,76 Kmol de aire / Kmol de oxigeno que equivale a la cantidad de aire necesaria para contener 1 Kmol de oxígeno.
Recordar y no confundir que estas relaciones son válidas únicamente para composiciones molares.
En términos de composiciones de masa o kilogramos, estas cantidades son diferentes: 1 kg de aire contiene 0,233 kg. de oxigeno y 0,766 kg. de nitrógeno y la cantidad de aire necesaria para contener 1 kg. de oxigeno es de 4,292 kg. de aire.
Composición en base seca o análisis de Orsat:
Es la composición de todos los gases que resultan del proceso de combustión sin incluir el vapor de agua.
Composición en base húmeda:
Es la composición de todos los gases que resultan del proceso de combustión incluyendo el vapor de agua.
La composición expresada mediante el Análisis de Orsat hace referencia a un tipo de aparato de análisis de gases denominado Orsat en el que los volúmenes de los gases respectivos se miden sobre y en equilibrio con agua.