Combustión

La combustión , o quemado , ^{[1] es una}reacción química redox exotérmica a alta temperatura entre un combustible (el reductor) y un oxidante , generalmente oxígeno atmosférico , que produce productos oxidados, a menudo gaseosos, en una mezcla denominada humo . La combustión no siempre resulta en fuego , porque una llama sólo es visible cuando las sustancias en combustión se vaporizan, pero cuando lo hace, una llama es un indicador característico de la reacción. Si bien se debe suministrar energía de activación para iniciar la combustión (por ejemplo, usar una cerilla encendida para encender un fuego), el calor de una llama puede proporcionar suficiente energía para que la reacción sea autosostenida .

La combustión es a menudo una secuencia complicada de reacciones radicales elementales . Los combustibles sólidos , como la madera y el carbón , primero se someten a pirólisis endotérmica para producir combustibles gaseosos cuya combustión luego suministra el calor necesario para producir más. La combustión suele ser lo suficientemente caliente como para que se produzca una luz incandescente en forma de incandescencia o de llama . Un ejemplo sencillo puede verse en la combustión de hidrógeno y oxígeno en vapor de agua , una reacción que se utiliza comúnmente para alimentar motores de cohetes . Esta reacción libera 242 kJ/mol de calor y reduce la entalpía en consecuencia (a temperatura y presión constantes):

{\ce {2H_{2}(g){+}O_{2}(g)\rightarrow 2H_{2}O\uparrow }}

La combustión no catalizada en el aire requiere temperaturas relativamente altas. La combustión completa es estequiométrica con respecto al combustible, donde no queda combustible restante e, idealmente, no hay oxidante residual. Termodinámicamente, el equilibrio químico de la combustión en el aire está abrumadoramente del lado de los productos. Sin embargo, una combustión completa es casi imposible de lograr, ya que no necesariamente se alcanza el equilibrio químico, o puede contener productos no quemados como monóxido de carbono , hidrógeno e incluso carbono ( hollín o ceniza). Por tanto, el humo producido suele ser tóxico y contiene productos no quemados o parcialmente oxidados. Cualquier combustión a altas temperaturas en el aire atmosférico , que es 78 por ciento de nitrógeno , también creará pequeñas cantidades de varios óxidos de nitrógeno , comúnmente conocidos como NOx , ya que la combustión de nitrógeno se favorece termodinámicamente a temperaturas altas, pero no bajas. Dado que la quema rara vez es limpia, la ley puede exigir la limpieza del gas combustible o los convertidores catalíticos .

Los incendios se producen de forma natural, provocados por la caída de rayos o por productos volcánicos . La combustión ( fuego ) fue la primera reacción química controlada descubierta por el ser humano, en forma de fogatas y hogueras , y sigue siendo el principal método para producir energía para la humanidad. Generalmente, el combustible es carbono , hidrocarburos o mezclas más complicadas como la madera que contienen hidrocarburos parcialmente oxidados. La energía térmica producida a partir de la combustión de combustibles fósiles como el carbón o el petróleo , o de combustibles renovables como la leña , se aprovecha para usos diversos como cocinar , producir electricidad o calefacción industrial o doméstica. La combustión es también actualmente la única reacción utilizada para impulsar los cohetes . La combustión también se utiliza para destruir ( incinerar ) residuos, tanto peligrosos como no peligrosos.

Los oxidantes para combustión tienen un alto potencial de oxidación e incluyen oxígeno atmosférico o puro , cloro , flúor , trifluoruro de cloro , óxido nitroso y ácido nítrico . Por ejemplo, el hidrógeno se quema en cloro para formar cloruro de hidrógeno con la liberación de calor y luz característicos de la combustión. Aunque normalmente no está catalizada, la combustión puede ser catalizada por platino o vanadio , como en el proceso de contacto .

Tipos

Completo e incompleto

Completo

En la combustión completa, el reactivo se quema en oxígeno y produce un número limitado de productos. Cuando un hidrocarburo se quema en oxígeno, la reacción producirá principalmente dióxido de carbono y agua. Cuando se queman elementos, los productos son principalmente los óxidos más comunes. El carbono producirá dióxido de carbono , el azufre producirá dióxido de azufre y el hierro producirá óxido de hierro (III) . El nitrógeno no se considera una sustancia combustible cuando el oxígeno es el oxidante . Aún así, pequeñas cantidades de diversos óxidos de nitrógeno (comúnmente denominados NOXespecies) se forman cuando el aire es el oxidante.

La combustión no es necesariamente favorable al grado máximo de oxidación y puede depender de la temperatura. Por ejemplo, el trióxido de azufre no se produce cuantitativamente mediante la combustión de azufre. Las especies de NO _x aparecen en cantidades significativas por encima de aproximadamente 2800 °F (1540 °C) y se produce más a temperaturas más altas. La cantidad de _NOx también es función del exceso de oxígeno. ^[2]

En la mayoría de las aplicaciones industriales y en incendios , el aire es la fuente de oxígeno ( O
₂). En el aire, cada mol de oxígeno se mezcla con aproximadamente3,71 moles de nitrógeno. El nitrógeno no participa en la combustión, pero a altas temperaturas, parte del nitrógeno se convertirá en NO.X(principalmente NO , con cantidades mucho más pequeñas de NO2). Por otro lado, cuando no hay suficiente oxígeno para quemar el combustible por completo, parte del carbono del combustible se convierte en monóxido de carbono y parte del hidrógeno permanece sin reaccionar. Por lo tanto, un conjunto completo de ecuaciones para la combustión de un hidrocarburo en el aire requiere un cálculo adicional para la distribución de oxígeno entre el carbono y el hidrógeno en el combustible.

La cantidad de aire necesaria para una combustión completa se conoce como "aire teórico" o "aire estequiométrico". ^[3] La cantidad de aire por encima de este valor realmente necesaria para una combustión óptima se conoce como "exceso de aire" y puede variar desde el 5% para una caldera de gas natural, hasta el 40% para el carbón de antracita y el 300% para una turbina de gas. . ^[4]

Incompleto

La combustión incompleta ocurrirá cuando no haya suficiente oxígeno para permitir que el combustible reaccione completamente para producir dióxido de carbono y agua. También ocurre cuando la combustión se apaga mediante un disipador de calor, como una superficie sólida o una trampa de llama. Como ocurre con la combustión completa, el agua se produce por combustión incompleta; sin embargo, en lugar de dióxido de carbono se produce carbono y monóxido de carbono .

Para la mayoría de los combustibles, como el gasóleo, el carbón o la madera, la pirólisis se produce antes de la combustión. En la combustión incompleta, los productos de la pirólisis permanecen sin quemar y contaminan el humo con partículas y gases nocivos. Los compuestos parcialmente oxidados también son motivo de preocupación; La oxidación parcial del etanol puede producir acetaldehído nocivo y el carbono puede producir monóxido de carbono tóxico.

Los diseños de dispositivos de combustión pueden mejorar la calidad de la combustión, como quemadores y motores de combustión interna . Se pueden lograr mejoras adicionales mediante dispositivos de postcombustión catalíticos (como los convertidores catalíticos ) o mediante el simple retorno parcial de los gases de escape al proceso de combustión. Estos dispositivos son requeridos por la legislación medioambiental para automóviles en la mayoría de los países. Pueden ser necesarios para permitir que los grandes dispositivos de combustión, como las centrales térmicas , alcancen los estándares legales de emisiones .

El grado de combustión se puede medir y analizar con equipos de prueba. Los contratistas de HVAC , bomberos e ingenieros utilizan analizadores de combustión para probar la eficiencia de un quemador durante el proceso de combustión. Además, la eficiencia de un motor de combustión interna se puede medir de esta manera, y algunos estados y municipios locales de EE. UU. utilizan el análisis de combustión para definir y calificar la eficiencia de los vehículos que circulan hoy en día.

El monóxido de carbono es uno de los productos de la combustión incompleta . ^[5] La formación de monóxido de carbono produce menos calor que la formación de dióxido de carbono, por lo que se prefiere mucho la combustión completa, especialmente porque el monóxido de carbono es un gas venenoso. Cuando se respira, el monóxido de carbono reemplaza al oxígeno y se combina con parte de la hemoglobina en la sangre, dejándola incapaz de transportar oxígeno. ^[6]

Problemas asociados con la combustión incompleta.

Problemas ambientales

Estos óxidos se combinan con el agua y el oxígeno de la atmósfera, creando ácido nítrico y ácidos sulfúricos , que regresan a la superficie de la Tierra en forma de deposición ácida o "lluvia ácida". La deposición ácida daña los organismos acuáticos y mata los árboles. Debido a su formación de ciertos nutrientes menos disponibles para las plantas como el calcio y el fósforo, reduce la productividad del ecosistema y de las granjas. Un problema adicional asociado con los óxidos de nitrógeno es que, junto con los contaminantes de hidrocarburos , contribuyen a la formación de ozono a nivel del suelo , un componente importante del smog. ^[7]

Problemas de salud humana

Respirar monóxido de carbono causa dolor de cabeza, mareos, vómitos y náuseas. Si los niveles de monóxido de carbono son lo suficientemente altos, los humanos pierden el conocimiento o mueren. La exposición a niveles moderados y altos de monóxido de carbono durante períodos prolongados se correlaciona positivamente con el riesgo de enfermedad cardíaca. Las personas que sobreviven a una intoxicación grave por monóxido de carbono pueden sufrir problemas de salud a largo plazo. ^[8] El monóxido de carbono del aire se absorbe en los pulmones y luego se une a la hemoglobina en los glóbulos rojos humanos. Esto reduce la capacidad de los glóbulos rojos que transportan oxígeno por todo el cuerpo.

Latente

La combustión lenta es la forma de combustión lenta, a baja temperatura y sin llama, sostenida por el calor desprendido cuando el oxígeno ataca directamente la superficie de un combustible en fase condensada. Es una reacción de combustión típicamente incompleta. Los materiales sólidos que pueden soportar una reacción de combustión lenta incluyen carbón, celulosa , madera , algodón , tabaco , turba , mantillo , humus , espumas sintéticas, polímeros carbonizados (incluida la espuma de poliuretano ) y polvo . Ejemplos comunes de fenómenos de combustión lenta son el inicio de incendios residenciales en muebles tapizados por fuentes de calor débiles (por ejemplo, un cigarrillo, un cable en cortocircuito) y la combustión persistente de biomasa detrás de los frentes llameantes de los incendios forestales .

Espontáneo

La combustión espontánea es un tipo de combustión que se produce por autocalentamiento (aumento de temperatura debido a reacciones internas exotérmicas ), seguido de fuga térmica (autocalentamiento que se acelera rápidamente a altas temperaturas) y finalmente, ignición. Por ejemplo, el fósforo se autoinflama a temperatura ambiente sin aplicación de calor. Los materiales orgánicos sometidos a compostaje bacteriano pueden generar suficiente calor para alcanzar el punto de combustión. ^[9]

Turbulento

La combustión que resulta en una llama turbulenta es la más utilizada para aplicaciones industriales (por ejemplo, turbinas de gas , motores de gasolina , etc.) porque la turbulencia ayuda al proceso de mezcla entre el combustible y el comburente .

Microgravedad

El término "micro" gravedad se refiere a un estado gravitacional que es "bajo" (es decir, "micro" en el sentido de "pequeño" y no necesariamente una millonésima parte de la gravedad normal de la Tierra), de modo que la influencia de la flotabilidad en los procesos físicos puede ser Se considera pequeño en relación con otros procesos de flujo que estarían presentes en condiciones de gravedad normal. En un entorno así, la dinámica de transporte térmico y de flujo puede comportarse de manera muy diferente que en condiciones de gravedad normales (por ejemplo, la llama de una vela toma la forma de una esfera ^[10] ). La investigación de la combustión en microgravedad contribuye a la comprensión de una amplia variedad de aspectos que son relevantes tanto para el entorno de una nave espacial (por ejemplo, la dinámica del fuego relevante para la seguridad de la tripulación en la Estación Espacial Internacional ) como para las condiciones terrestres (por ejemplo, las gotas dinámica de combustión para ayudar a desarrollar nuevas mezclas de combustibles para una combustión mejorada, procesos de fabricación de materiales, gestión térmica de sistemas electrónicos , dinámica de ebullición de flujo multifásico y muchos otros).

Microcombustión

Se consideran microcombustión los procesos de combustión que ocurren en volúmenes muy pequeños . La alta relación superficie-volumen aumenta la pérdida de calor específica. La distancia de extinción juega un papel vital en la estabilización de la llama en dichas cámaras de combustión .

ecuaciones químicas

Combustión estequiométrica de un hidrocarburo en oxígeno.

Generalmente, la ecuación química para la combustión estequiométrica de un hidrocarburo en oxígeno es:

{\ce {C}}_{x}{\ce {H}}_{y}+\left(x+{y \over 4}\right){\ce {O2->}}x{ \ce {CO2}}+{y \sobre 2}{\ce {H2O}}

Por ejemplo, la combustión estequiométrica de metano en oxígeno es:

{\ce {{\underset {metano}{CH4}}+ 2O2 -> CO2 + 2H2O}}

Combustión estequiométrica de un hidrocarburo en el aire.

Si la combustión estequiométrica se realiza utilizando aire como fuente de oxígeno, se puede agregar a la ecuación el nitrógeno presente en el aire ( Atmósfera de la Tierra ) (aunque no reacciona) para mostrar la composición estequiométrica del combustible en el aire y la composición. del gas de combustión resultante. Tratar todos los componentes no oxigenados del aire como nitrógeno da una proporción de "nitrógeno" a oxígeno de 3,77, es decir (100 % - O2 %)/O2 % donde el % de O2 es 20,95 % vol:

{\ce {C}}_{x}{\ce {H}}_{y}+z{\ce {O2}}+3.77z{\ce {N2 ->}}x{\ce {CO2}}+{y \sobre 2}{\ce {H2O}}+3,77z{\ce {N2}}

dónde . $z=x+{y \sobre 4}$

Por ejemplo, la combustión estequiométrica del metano en el aire es:

{\ce {{\underset {metano}{CH4}}+ 2O2}}+7,54{\ce {N2-> CO2 + 2H2O}}+7,54{\ce {N2}}

La composición estequiométrica del metano en el aire es 1/(1+2+7,54) = 9,49% vol.

La reacción de combustión estequiométrica para C _α H _β O _γ en aire:

{\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta } {4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \ alfa {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+3,77\left(\alpha +{\frac {\beta }{ 4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right){\ce {N_{2}}}

La reacción de combustión estequiométrica para C _α H _β O _γ S _δ :

{\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}S_{\mathit {\delta }}}}+\left(\ alfa +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\delta \right)\left({\ce {O_{2}}}+3,77{\ce { N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\delta { \ce {SO_{2}}}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\delta \right){\ce { norte_ {2}}}

La reacción de combustión estequiométrica para C _α H _β O _γ N _δ S _ε :

{\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}N_{\mathit {\delta }}S_{\mathit {\epsilon }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\epsilon \right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\epsilon {\ce {SO_{2}}}+\left(3.77\left(\alpha +{\frac {\beta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}+\epsilon \right)+{\frac {\delta }{2}}\right){\ce {N_{2}}}

La reacción de combustión estequiométrica para C _α H _β O _γ F _δ :

{\ce {C_{\mathit {\alpha }}H_{\mathit {\beta }}O_{\mathit {\gamma }}F_{\mathit {\delta }}}}+\left(\alpha +{\frac {\beta -\delta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right)\left({\ce {O_{2}}}+3.77{\ce {N_{2}}}\right)\longrightarrow \alpha {\ce {CO_{2}}}+{\frac {\beta -\delta }{2}}{\ce {H_{2}O}}+\delta {\ce {HF}}+3.77\left(\alpha +{\frac {\beta -\delta }{4}}-{\frac {\gamma }{2}}\right){\ce {N_{2}}}

Traza de productos de combustión

Varias otras sustancias comienzan a aparecer en cantidades significativas en los productos de combustión cuando la temperatura de la llama es superior a aproximadamente1600K . _ Cuando se utiliza exceso de aire, el nitrógeno puede oxidarse a NO y, en mucha menor medida, a NO.2. El CO se forma por desproporción de CO ₂ y H2y se forma OH por desproporción de H 2 O .

Por ejemplo, cuandoSe quema 1 mol de propano con28,6 mol de aire (120% de la cantidad estequiométrica), los productos de combustión contienen 3,3% O
₂. En1400 K , los productos de combustión en equilibrio contienen 0,03% de NO y 0,002% de OH . En1800 K , los productos de combustión contienen 0,17% NO , 0,05% OH , 0,01% CO y 0,004% H
₂. ^[11]

Los motores diésel funcionan con un exceso de oxígeno para quemar pequeñas partículas que tienden a formarse con sólo una cantidad estequiométrica de oxígeno, lo que necesariamente produce emisiones de óxido de nitrógeno . Tanto los Estados Unidos como la Unión Europea imponen límites a las emisiones de óxido de nitrógeno de los vehículos, lo que requiere el uso de convertidores catalíticos especiales o el tratamiento de los gases de escape con urea (consulte Líquido de escape diésel ).

Combustión incompleta de un hidrocarburo en oxígeno.

La combustión incompleta (parcial) de un hidrocarburo con oxígeno produce una mezcla de gases que contiene principalmente CO
₂, CO , H 2 O y H
₂. Estas mezclas de gases se preparan habitualmente para su uso como atmósferas protectoras para el tratamiento térmico de metales y para la cementación con gas . ^[12] La ecuación de reacción general para la combustión incompleta de un mol de un hidrocarburo en oxígeno es:

{\ce {{\underset {fuel}{C_{\mathit {x}}H_{\mathit {y}}}}+{\underset {oxygen}{{\mathit {z}}O2}}->{\underset {carbon\ dioxide}{{\mathit {a}}CO2}}+{\underset {carbon\ monoxide}{{\mathit {b}}CO}}+{\underset {water}{{\mathit {c}}H2O}}+{\underset {hydrogen}{{\mathit {d}}H2}}}}

Cuando z cae por debajo de aproximadamente el 50% del valor estequiométrico, CH4puede convertirse en un importante producto de combustión; cuando z cae por debajo de aproximadamente el 35% del valor estequiométrico, el carbono elemental puede volverse estable.

Los productos de una combustión incompleta se pueden calcular con la ayuda de un balance de materiales , junto con el supuesto de que los productos de la combustión alcanzan el equilibrio . ^[13]^[14] Por ejemplo, en la combustión de un mol de propano ( C
₃h
₈) con cuatro moles de O
₂, se forman siete moles de gas de combustión y z es el 80% del valor estequiométrico. Las tres ecuaciones de equilibrio elemental son:

Carbón: $a+b=3$
Hidrógeno: $2c+2d=8$
Oxígeno: $2a+b+c=8$

Estas tres ecuaciones son insuficientes por sí solas para calcular la composición del gas de combustión. Sin embargo, en la posición de equilibrio, la reacción de desplazamiento agua-gas da otra ecuación:

{\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}

;

K_{eq}={\frac {a\times d}{b\times c}}

Por ejemplo, en1200 K el valor de K _eq es 0,728. ^[15] Resolviendo, el gas de combustión consta de 42,4% H 2 O , 29,0 % CO ₂ , 14,7 % H
₂, y 13,9% CO . El carbono se convierte en una fase estable en1200K y _1 atm de presión cuando z es inferior al 30% del valor estequiométrico, momento en el que los productos de la combustión contienen más del 98% de H
₂y CO y aproximadamente 0,5% CH
₄.

Las sustancias o materiales que sufren combustión se denominan combustibles . Los ejemplos más comunes son el gas natural, el propano, el queroseno , el diésel , la gasolina, el carbón vegetal, la hulla, la madera, etc.

Combustibles líquidos

La combustión de un combustible líquido en una atmósfera oxidante ocurre en realidad en fase gaseosa. Es el vapor el que arde, no el líquido. Por lo tanto, un líquido normalmente se incendiará sólo por encima de una determinada temperatura: su punto de inflamación . El punto de inflamación de un combustible líquido es la temperatura más baja a la que puede formar una mezcla inflamable con el aire. Es la temperatura mínima a la que hay suficiente combustible evaporado en el aire para iniciar la combustión.

Combustibles gaseosos

La combustión de combustibles gaseosos puede ocurrir a través de uno de cuatro tipos distintivos de combustión: llama de difusión , llama premezclada , frente de reacción autoinflamatoria o como detonación . ^[16] El tipo de combustión que realmente ocurre depende del grado en que el combustible y el oxidante se mezclan antes del calentamiento: por ejemplo, se forma una llama de difusión si el combustible y el oxidante se separan inicialmente, mientras que en caso contrario se forma una llama premezclada. . Del mismo modo, el tipo de combustión también depende de la presión: una detonación, por ejemplo, es un frente de reacción autoinflamable acoplado a una fuerte onda de choque que le confiere su característico pico de alta presión y su alta velocidad de detonación . ^[dieciséis]

Combustibles sólidos

Un esquema general de combustión de polímeros.

El acto de combustión consta de tres fases relativamente distintas pero superpuestas:

Fase de precalentamiento , cuando el combustible no quemado se calienta hasta su punto de inflamación y luego de incendio . Los gases inflamables comienzan a desprenderse en un proceso similar a la destilación seca .
Fase de destilación o fase gaseosa , cuando se enciende la mezcla de gases inflamables desprendidos con oxígeno. La energía se produce en forma de calor y luz. A menudo se ven llamas . La transferencia de calor de la combustión al sólido mantiene el desprendimiento de vapores inflamables.
Fase de carbón o fase sólida , cuando la salida de gases inflamables del material es demasiado baja para la presencia persistente de llama y el combustible carbonizado no arde rápidamente y sólo brilla y luego sólo arde .

Gestión de la combustión

El calentamiento de procesos eficiente requiere la recuperación de la mayor parte posible del calor de combustión de un combustible en el material que se procesa. ^[17]^[18] Hay muchas vías de pérdida en el funcionamiento de un proceso de calentamiento. Normalmente, la pérdida dominante es el calor sensible que sale con los gases de escape (es decir, los gases de combustión ). La temperatura y la cantidad de gases de escape indican su contenido de calor ( entalpía ), por lo que mantener su cantidad baja minimiza la pérdida de calor.

En un horno perfecto, el flujo de aire de combustión se adaptaría al flujo de combustible para darle a cada molécula de combustible la cantidad exacta de oxígeno necesaria para provocar una combustión completa. Sin embargo, en el mundo real la combustión no se produce de forma perfecta. Combustible no quemado (generalmente CO y H
₂) descargado del sistema representa una pérdida de poder calorífico (así como un peligro para la seguridad). Dado que los combustibles no son deseables en los gases de escape, mientras que la presencia de oxígeno sin reaccionar presenta preocupaciones ambientales y de seguridad mínimas, el primer principio del manejo de la combustión es proporcionar más oxígeno del que teóricamente se necesita para garantizar que todo el combustible se queme. Para metano ( CH
₄) la combustión, por ejemplo, se necesitan algo más de dos moléculas de oxígeno.

Sin embargo, el segundo principio de la gestión de la combustión es no utilizar demasiado oxígeno. La cantidad correcta de oxígeno requiere tres tipos de medición: primero, control activo del flujo de aire y combustible; en segundo lugar, medición del oxígeno de los gases de escape; y tercero, medición de gases combustibles. Para cada proceso de calentamiento, existe una condición óptima de mínima pérdida de calor de los gases de escape con niveles aceptables de concentración de combustibles. Minimizar el exceso de oxígeno genera un beneficio adicional: para una temperatura determinada de los gases de escape, el nivel de NOx es más bajo cuando el exceso de oxígeno se mantiene al mínimo. ^[2]

El cumplimiento de estos dos principios se promueve realizando balances de materia y calor en el proceso de combustión. ^[19]^[20]^[21]^[22] El balance de materia relaciona directamente la relación aire/combustible con el porcentaje de O
₂en el gas de combustión. El balance de calor relaciona el calor disponible para la carga con el calor neto total producido por la combustión del combustible. ^[23]^[24] Se pueden realizar balances adicionales de material y calor para cuantificar la ventaja térmica del precalentamiento del aire de combustión, ^[25]^[26] o su enriquecimiento en oxígeno. ^[27]^[28]

Mecanismo de reacción

La combustión de oxígeno es una reacción en cadena en la que participan muchos radicales intermedios distintos. La elevada energía necesaria para la iniciación se explica por la estructura inusual de la molécula de dioxígeno . La configuración de menor energía de la molécula de dioxígeno es un diradical estable y relativamente no reactivo en un estado de espín triplete . El enlace se puede describir con tres pares de electrones enlazantes y dos electrones antienlazantes, con espines alineados, de modo que la molécula tenga un momento angular total distinto de cero. La mayoría de los combustibles, por otra parte, se encuentran en estado singlete, con espines pareados y momento angular total nulo. La interacción entre ambos es, desde el punto de vista de la mecánica cuántica, una " transición prohibida ", es decir, posible con muy baja probabilidad. Para iniciar la combustión, se requiere energía para forzar al dioxígeno a un estado de espín emparejado, u oxígeno singlete . Este intermediario es extremadamente reactivo. La energía se suministra en forma de calor y la reacción produce calor adicional, lo que le permite continuar.

Se cree que la combustión de hidrocarburos se inicia mediante la abstracción de átomos de hidrógeno (no la abstracción de protones) del combustible a oxígeno, para dar un radical hidroperóxido (HOO). Este reacciona aún más para dar hidroperóxidos, que se rompen para dar radicales hidroxilo . Existe una gran variedad de estos procesos que producen radicales combustibles y radicales oxidantes. Las especies oxidantes incluyen oxígeno singlete, hidroxilo, oxígeno monoatómico e hidroperoxilo . Estos intermediarios tienen una vida corta y no pueden aislarse. Sin embargo, los intermedios no radicales son estables y se producen en caso de combustión incompleta. Un ejemplo es el acetaldehído producido en la combustión de etanol . Un intermediario en la combustión de carbono e hidrocarburos, el monóxido de carbono , tiene especial importancia porque es un gas venenoso , pero también económicamente útil para la producción de gas de síntesis .

Los combustibles sólidos y líquidos pesados también sufren una gran cantidad de reacciones de pirólisis que dan lugar a combustibles gaseosos que se oxidan más fácilmente. Estas reacciones son endotérmicas y requieren un aporte constante de energía procedente de las reacciones de combustión en curso. La falta de oxígeno u otras condiciones mal diseñadas dan como resultado que estos productos de pirólisis nocivos y cancerígenos se emitan en forma de humo negro y espeso.

La velocidad de combustión es la cantidad de material que se quema durante un período de tiempo. Se puede expresar en gramos por segundo (g/s) o kilogramos por segundo (kg/s).

Las descripciones detalladas de los procesos de combustión, desde la perspectiva de la cinética química, requieren la formulación de grandes e intrincadas redes de reacciones elementales. ^[29] Por ejemplo, la combustión de combustibles de hidrocarburos normalmente implica cientos de especies químicas que reaccionan según miles de reacciones.

La inclusión de tales mecanismos dentro de los solucionadores de flujo computacional todavía representa una tarea bastante desafiante, principalmente en dos aspectos. En primer lugar, el número de grados de libertad (proporcional al número de especies químicas) puede ser espectacularmente grande; en segundo lugar, el término fuente debido a reacciones introduce un número dispar de escalas de tiempo que hace que todo el sistema dinámico sea rígido. Como resultado, la simulación numérica directa de flujos reactivos turbulentos con combustibles pesados pronto se vuelve intratable incluso para las supercomputadoras modernas. ^[30]

Por lo tanto, se han ideado una gran cantidad de metodologías para reducir la complejidad de los mecanismos de combustión sin recurrir a altos niveles de detalle. Los ejemplos son proporcionados por:

El método de redistribución de relajación (RRM) ^[31]^[32]^[33]^[34]
El enfoque del colector intrínseco de baja dimensión (ILDM) y desarrollos posteriores ^[35]^[36]^[37]
El método de la curva de preimagen del borde de equilibrio invariante restringido. ^[38]
Algunos enfoques variantes ^[39]^[40]
El método de perturbación singular computacional (CSP) y desarrollos posteriores. ^[41]^[42]
El enfoque del equilibrio restringido controlado por tasa (RCCE) y del colector de cuasi equilibrio (QEM). ^[43]^[44]
El esquema G. ^[45]
El método de cuadrículas invariantes (MIG). ^[46]^[47]^[48]

Modelado cinético

El modelado cinético puede explorarse para comprender los mecanismos de reacción de la descomposición térmica en la combustión de diferentes materiales mediante el uso, por ejemplo, de análisis termogravimétrico . ^[49]

Temperatura

Suponiendo condiciones de combustión perfectas, tales como una combustión completa en condiciones adiabáticas (es decir, sin pérdida ni ganancia de calor), se puede determinar la temperatura de combustión adiabática. La fórmula que da esta temperatura se basa en la primera ley de la termodinámica y tiene en cuenta que el calor de la combustión se utiliza íntegramente para calentar el combustible, el aire de combustión u oxígeno y los gases producto de la combustión (comúnmente denominados gas de combustion ).

En el caso de los combustibles fósiles quemados en el aire, la temperatura de combustión depende de todo lo siguiente:

el poder calorífico ;
la relación estequiométrica aire-combustible ; ${\lambda }$
la capacidad calorífica específica del combustible y del aire;
las temperaturas de entrada del aire y del combustible.

La temperatura de combustión adiabática (también conocida como temperatura de llama adiabática ) aumenta para valores caloríficos y temperaturas de aire de entrada y combustible más altos y para relaciones estequiométricas de aire cercanas a uno.

Más comúnmente, las temperaturas de combustión adiabática del carbón son de alrededor de 2200 °C (3992 °F) (para el aire de entrada y el combustible a temperatura ambiente y para ), alrededor de 2150 °C (3902 °F) para el petróleo y 2000 °C (3632 °F). F) para gas natural . ^[50]^[51] $\lambda =1.0$

En calentadores industriales , generadores de vapor de centrales eléctricas y grandes turbinas alimentadas por gas , la forma más común de expresar el uso de más aire de combustión que el estequiométrico es el porcentaje de exceso de aire de combustión . Por ejemplo, un exceso de aire de combustión del 15 por ciento significa que se está utilizando un 15 por ciento más que el aire estequiométrico requerido.

Inestabilidades

Las inestabilidades de combustión suelen ser oscilaciones violentas de presión en una cámara de combustión. Estas oscilaciones de presión pueden alcanzar hasta 180 dB, y la exposición prolongada a estas presiones cíclicas y cargas térmicas reduce la vida útil de los componentes del motor. En cohetes como el F1 utilizado en el programa Saturn V, las inestabilidades provocaron daños masivos en la cámara de combustión y los componentes circundantes. Este problema se resolvió rediseñando el inyector de combustible. En los motores a reacción de líquido, el tamaño y la distribución de las gotas se pueden utilizar para atenuar las inestabilidades. Las inestabilidades de la combustión son una preocupación importante en los motores de turbina de gas terrestres debido a las emisiones _de NOx . La tendencia es funcionar pobremente, relación de equivalencia inferior a 1, para reducir la temperatura de combustión y así reducir las emisiones _de NOx ; sin embargo, ejecutar la combustión pobre la hace muy susceptible a la inestabilidad de la combustión.

El criterio de Rayleigh es la base para el análisis de la inestabilidad de la combustión termoacústica y se evalúa utilizando el índice de Rayleigh durante un ciclo de inestabilidad ^[52]

G(x)={\frac {1}{T}}\int _{T}q'(x,t)p'(x,t)dt

donde q' es la perturbación de la tasa de liberación de calor y p' es la fluctuación de presión. ^[53]^[54] Cuando las oscilaciones de liberación de calor están en fase con las oscilaciones de presión, el índice de Rayleigh es positivo y la magnitud de la inestabilidad termoacústica se maximiza. Por otro lado, si el índice de Rayleigh es negativo, entonces se produce amortiguamiento termoacústico. El criterio de Rayleigh implica que la inestabilidad termoacústica se puede controlar de manera óptima teniendo oscilaciones de liberación de calor desfasadas 180 grados con oscilaciones de presión a la misma frecuencia. ^[55]^[56] Esto minimiza el índice de Rayleigh.

Ver también

Referencias

^ El significado coloquial de quemar es combustión acompañada de llamas.
^ ab La formación de NOx. Alentecinc.com. Recuperado el 28 de septiembre de 2010.
^ Plantas de calderas centrales (Reporte). Departamento del Ejército de EE. UU. 1989. pág. Glosario 26. TM 5-650.
^ "Caja de herramientas de ingeniería: procesos de combustión óptimos: combustible frente a exceso de aire". 2003 . Consultado el 15 de mayo de 2023 .
^ "Proceso de combustión incompleta".
^ "Quema que muestra una combustión incompleta".
^ "Problemas ambientales asociados a la combustión incompleta".
^ "Envenenamiento por monóxido de carbono". 8 de diciembre de 2020.
^ "Una tormenta perfecta: dinámica y prevención de incendios de mantillo". Soilandmulchproducernews.com . Consultado el 12 de julio de 2018 .
^ Historia / ciencia / microgravedad / llama de vela en microgravedad (CFM) de Shuttle-Mir - MGBX. Vuelo espacial.nasa.gov (16 de julio de 1999). Recuperado el 28 de septiembre de 2010.
^ Bale, Christopher W.; Bélisle, Eve (8 de marzo de 2022). "Equilib-Web". Centro de Investigación en Termoquímica Computacional, Polytechnique Montreal . Consultado el 15 de mayo de 2023 .
^ Comité de la ASM sobre atmósferas de hornos, atmósferas de hornos y control de carbono , Metals Park, OH [1964].
^ "Atmósferas exotérmicas". Calefacción Industrial : 22 de junio de 2013 . Consultado el 5 de julio de 2013 .
^ [1] ExoCalc
^ "Reacción-Web". Crct.polymtl.ca . Consultado el 12 de julio de 2018 .
^ ab Bradley, D (25 de junio de 2009). "La combustión y el diseño de los futuros combustibles para motores". Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte C: Revista de Ciencias de la Ingeniería Mecánica . 223 (12): 2751–2765. doi :10.1243/09544062jmes1519. S2CID 97218733.
^ "Cálculo del calor de combustión del gas natural". Calefacción Industrial : 28 de septiembre de 2012 . Consultado el 5 de julio de 2013 .
^ [2] CalcCalc
^ "Hacer un balance de materia". Calefacción Industrial : 20 de noviembre de 2012 . Consultado el 5 de julio de 2013 .
^ [3] MatBalCalc
^ "Hacer un balance de calor". Calefacción Industrial : 22 de diciembre de 2012 . Consultado el 5 de julio de 2013 .
^ [4] CalorBalCalc
^ "Calor de combustión disponible". Calefacción Industrial : 22 de abril de 2013 . Consultado el 5 de julio de 2013 .
^ [5] AvailHeatCalc
^ "Hacer un equilibrio del sistema (Parte 2)". Calefacción Industrial : 24. de marzo de 2012 . Consultado el 5 de julio de 2013 .
^ [6] SysBalCalc2
^ "Hacer un equilibrio del sistema (Parte 1)". Calefacción Industrial : 22. de febrero de 2012 . Consultado el 5 de julio de 2013 .
^ [7] SysBalCalc
^ Ley, CK (2006). Física de la Combustión . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 9780521154215.
^ Goussis, D.; Maas, U. (2011). Modelado de combustión turbulenta . Ciencia Springer. págs. 193-220.
^ Chiavazzo, Eliodoro; Karlin, Ilya (2011). "Simplificación adaptativa de sistemas complejos multiescala". Física. Rev. E. 83 (3): 036706. arXiv : 1011.1618 . Código bibliográfico : 2011PhRvE..83c6706C. doi : 10.1103/PhysRevE.83.036706. PMID 21517624. S2CID 7458232.
^ Chiavazzo, Eliodoro; Asinari, Pietro; Visconti, Filippo (2011). "Cálculo rápido de sistemas de combustión multiescala". Fil. Trans. Roy. Soc. A . 369 (1945): 2396–2404. arXiv : 1011.3828 . Código Bib : 2011RSPTA.369.2396C. doi :10.1098/rsta.2011.0026. PMID 21576153. S2CID 14998597.
^ Chiavazzo, Eliodoro (2012). "Aproximación de dinámicas lentas y rápidas en sistemas dinámicos multiescala mediante el método de redistribución de relajación linealizada". Revista de Física Computacional . 231 (4): 1751-1765. arXiv : 1102.0730 . Código bibliográfico : 2012JCoPh.231.1751C. doi :10.1016/j.jcp.2011.11.007. S2CID 16979409.
^ Kooshkbaghi, Mahdi; Frouzakis, E. Christos; Chiavazzo, Eliodoro; Boulouchos, Konstantinos; Karlin, Ilya (2014). "El método de redistribución de la relajación global para la reducción de la cinética de combustión" (PDF) . La Revista de Física Química . 141 (4): 044102. Código bibliográfico : 2014JChPh.141d4102K. doi : 10.1063/1.4890368. PMID 25084876. S2CID 1784716. Archivado (PDF) desde el original el 9 de octubre de 2022.
^ Maas, U.; Papa, SB (1992). "Simplificación de la cinética química: variedades intrínsecas de baja dimensión en el espacio de composición". Combustión. Fuego . 88 (3–4): 239–264. doi :10.1016/0010-2180(92)90034-m.
^ Bykov, V.; Maas, U (2007). "La extensión del concepto ILDM a variedades de reacción-difusión". Combustión. Modelo Teórico . 11 (6): 839–862. Código Bib : 2007CTM....11..839B. doi :10.1080/13647830701242531. S2CID 120624915.
^ Nafe, J.; Maas, U. (2002). "Un algoritmo general para mejorar los ILDM". Combustión. Modelo Teórico . 6 (4): 697–709. Código Bib : 2002CTM.....6..697N. doi :10.1088/1364-7830/6/4/308. S2CID 120269918.
^ Ren, Z.; Papa, SB; Vladimirsky, A.; Guckenheimer, JM (2006). "El método de curva de preimagen de borde de equilibrio restringido invariante para la reducción dimensional de la cinética química". J. química. Física . 124 (11): 114111. Código bibliográfico : 2006JChPh.124k4111R. doi :10.1063/1.2177243. PMID 16555878.
^ Lebiedz, D (2010). "Principios extremos relacionados con la entropía para la reducción de modelos de sistemas dinámicos disipativos". Entropía . 12 (4): 706–719. Código Bib : 2010Entrp..12..706L. doi : 10.3390/e12040706 .
^ Reinhardt, V.; Winckler, M.; Lebiedz, D. (112). "Aproximación de variedades de atracción lenta en cinética química mediante enfoques de optimización basados en trayectorias" (PDF) . J. Física. Química. A . 112 (8): 1712-1718. Código Bib : 2008JPCA..112.1712R. doi : 10.1021/jp0739925. PMID 18247506. Archivado (PDF) desde el original el 9 de octubre de 2022.
^ Lam, SH; Goussis, D. (1991). "Perturbación singular asintótica y computacional convencional para modelado cinético simplificado ". Berlín: Springer.
^ Valorani, M.; Goussis, D.; Najm, HN (2005). "Correcciones de orden superior en la aproximación de variedades de baja dimensión y construcción de problemas simplificados con el método csp". J. Computación. Física . 209 (2): 754–786. Código Bib : 2005JCoPh.209..754V. doi :10.1016/j.jcp.2005.03.033.
^ Keck, JC; Gillespie, D. (1971). "Método de equilibrio parcial de velocidad controlada para el tratamiento de mezclas de gases reactivos". Combustión. Fuego . 17 (2): 237–241. doi :10.1016/S0010-2180(71)80166-9.
^ Chiavazzo, Eliodoro; Karlin, Ilya (2008). "Algoritmo de cuadrícula de cuasiequilibrio: construcción geométrica para reducción de modelos". J. Computación. Física . 227 (11): 5535–5560. arXiv : 0704.2317 . Código Bib : 2008JCoPh.227.5535C. doi :10.1016/j.jcp.2008.02.006. S2CID 973322.
^ Valorani, M.; Paolucci, S. (2009). "El G-Scheme: un marco para la reducción de modelos adaptativos a múltiples escalas". J. Computación. Física . 228 (13): 4665–4701. Código Bib : 2009JCoPh.228.4665V. doi :10.1016/j.jcp.2009.03.011.
^ Chiavazzo, Eliodoro; Karlin, Ilya; Gorban, Alejandro (2010). "El papel de la termodinámica en la reducción de modelos cuando se utilizan cuadrículas invariantes" (PDF) . Comunitario. Computadora. Física . 8 (4): 701–734. Código Bib : 2010CCoPh...8..701C. CiteSeerX 10.1.1.302.9316 . doi :10.4208/cicp.030709.210110a. Archivado (PDF) desde el original el 9 de octubre de 2022.
^ Chiavazzo, Eliodoro; Karlin, Ilya; Frouzakis, Christos E.; Boulouchos, Konstantinos (2009). "Método de rejilla invariante para modelo de reducción de combustión de hidrógeno". Actas del Instituto de la Combustión . 32 : 519–526. arXiv : 0712.2386 . doi :10.1016/j.proci.2008.05.014. S2CID 118484479.
^ Chiavazzo, Eliodoro; Karlin, Ilya; Gorban, Alejandro; Boulouchos, Konstantinos (2010). "Acoplamiento de la técnica de reducción de modelos con el método reticular de Boltzmann para simulaciones de combustión". Combustión. Fuego . 157 (10): 1833–1849. doi : 10.1016/j.combustflame.2010.06.009.
^ Reyes, JA; Conesa, JA; Marcilla, A. (2001). "Pirólisis y combustión de reciclaje de cartones polirrecubiertos. Modelo cinético y análisis ms". Revista de pirólisis analítica y aplicada . 58–59: 747–763. doi :10.1016/S0165-2370(00)00123-6.
^ "Temperatura de llama adiabática". Calefacción Industrial : 20 de mayo de 2013 . Consultado el 5 de julio de 2013 .
^ [8] AFTCalc
^ John William Strutt, tercer barón Rayleigh, Sc.D., FRS., miembro honorario del Trinity College, Cambridge; "La teoría del sonido", §322h, 1878:
^ AA Putnam y WC Dennis (1953) "Oscilaciones de tubo de órgano en un tubo lleno de llama", Cuarto Simposio (internacional) sobre combustión , The Combustion Institute, págs.
^ EC Fernandes y MV Heitor, "Unsteady flames and the Rayleigh criterio" en F. Culick, MV Heitor y JH Whitelaw, ed.s, Unsteady Combustion (Dordrecht, Países Bajos: Kluwer Academic Publishers, 1996), p. 4
^ Dowling, AP (2000a). "Vórtices, sonido y llamas: una combinación dañina". La Revista Aeronáutica de la RaeS
^ Chrystie, Robin SM; Quemaduras, Iain S.; Kaminski, Clemens F. (2013). "Respuesta de temperatura de una llama premezclada pobre turbulenta acústicamente forzada: una determinación experimental cuantitativa". Ciencia y Tecnología de la Combustión . 185 : 180–199. doi :10.1080/00102202.2012.714020. S2CID 46039754.

Otras lecturas

Busque combustión en Wikcionario, el diccionario gratuito.

Poinsot, Thierry; Veynante, Denis (2012). Combustión teórica y numérica (3ª ed.). Centro Europeo de Investigación y Formación Avanzada en Computación Científica.
Lackner, Maximiliano; Invierno, Franz; Agarwal, Avinash K., eds. (2010). Manual de Combustión, conjunto de 5 volúmenes. Wiley-VCH . ISBN 978-3-527-32449-1. Archivado desde el original el 17 de enero de 2011 . Consultado el 29 de abril de 2010 .
Baukal, Charles E., ed. (1998). Combustión mejorada con oxígeno . Prensa CRC .
Glassman, Irvin; Aún así, Richard. Combustión (Cuarta ed.).
Turnos, Stephen (2011). Introducción a la combustión: conceptos y aplicaciones .
Ragland, Kenneth W; Bryden, Kenneth M. (2011). Ingeniería de combustión (Segunda ed.).
Baukal, Charles E. Jr, ed. (2013). "Combustión industrial". Manual de combustión de John Zink Hamworthy: conjunto de tres volúmenes (Segunda ed.).
Gardiner, WC Jr (2000). Química de combustión en fase gaseosa (edición revisada).