Análisis 16: Solución gráfica en la combustión de n-butano
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El butano es un gas que se usa principalmente para ACS y cocina donde no llega la red de gas natural. También es usado, mezclado con propano, como combustible para automóviles. El butano se obtiene de dos formas, en la destilación del petróleo y en el fraccionamiento del gas natural.
Composición de los productos de la combustión en base seca y húmeda
Los diagramas de la combustión se han empleado con mucha fuerza en el pasado, pero aún siguen teniendo algo de protagonismo, aunque menos, debido al desarrollo de software específico. Estos diagramas representan las fracciones molares de algunos productos de la combustión en base seca.
La combustión de Kissel, en la que los inquemados son el CO y el H2, y la combustión de Ostwald, en la que hay un solo inquemado, el CO. Para ambos casos se encuentran soluciones gráficas que permiten una rápida evaluación de las condiciones globales de la combustión, la eficiencia de la combustión y la producción de contaminantes ambientales. Estos diagramas se pueden utilizar para supervisar una instalación de combustión. Las grandes calderas, por ejemplo, poseen instrumentos para analizar los gases de combustión.
El diagrama de Bunte es válido para procesos de combustión completa, con λ≥1. sin H2(g) ni CO(g). La suma de fracciones molares CO2+O2 es 16.16%.
El diagrama de Grebbel es válido también solo para procesos de combustión completa, con λ≥1. sin H2(g) ni CO(g).
El diagrama de Ostwald es el más empleado, y éste es válido para procesos de combustión completa e incompleta, con presencia de CO(g), pero sin H2(g) en los productos de la combustión.
El diagrama de Ostwald es una herramienta extremadamente útil para cuantificar el impacto ambiental del carbono de cualquier sistema energético basado en combustión, incluidas las calderas de vapor o cámaras de combustión, ya que correlaciona las concentraciones de CO2 y CO en los gases de combustión en cualquier régimen de funcionamiento y especifica sus valores máximos.
La temperatura de rocío de los productos de combustión (flue gas) es 47.52ºC. Si disminuimos la temperatura de los productos de combustión por debajo de este valor, parte del vapor de agua va a condensar, aumentando la condensación conforme disminuya la temperatura de los productos de combustión.
Para una temperatura de los productos de 42.5ºC, hay una condensación del 24.839%, pasando de 5 moles de H2O(g)/ mol fuel a 3.758028 H2O(g)/ mol fuel; pasando la diferencia (1.2420 moles/moles fuel) al estado líquido.
El diagrama de Kissel tiene en cuenta la presencia de H2(g) en los productos de combustión, y para construirlo es necesario introducir una nueva ecuación, la reacción de equilibrio químico "water gas shift reaction" CO +H2O CO2 + H2. La constante de equilibrio Kp es evaluada a la temperatura de equilibrio del proceso de combustión. Esta temperatura puede ser elegida por el usuario.
El software calcula de manera simultánea la temperatura de equilibrio (si no fuera conocida) y el grado de disociación, obteniendo de esta manera el balance de materia que incluye el H2(g).
Para poder verificar los resultados empleando el diagrama de Kissel, es necesario trabajar con una combustión incompleta que incluya H2(g). El siguiente caso se ha evaluado, donde se ha considerado que la relación molar CO2/CO=2:
El balance de materia en base húmeda y seca es el siguiente:
La temperatura adiabática calculada por el software es la siguiente:
Debido a la no linealidad de la relación entre [CO] y [H2] en la ecuación de gas del agua (CO + H2O <--> CO2 + H2), siendo K la constante de equilibrio, K= [CO2] [H2] / [CO] [H2O], las líneas de exceso de aire constante no son rectas, y deben obtenerse resolviendo el sistema de ecuaciones que se genera para cada valor de λ. Esto lo hace el software de manera automática:
Evaluación de la temperatura adiabática en función del coeficiente de exceso de aire para el caso de combustión completa, sin H2(g) ni CO(g) en los productos de combustión:
La temperatura adiabática máxima se alcanza en situación estequiométrica (λ=1), sin H2 ni CO en los productos de combustión. Tad,max = 2126.05 ºC.
Para el caso de hidrógeno y CO en lo productos (simulación obtenida tras aproximadamente 30 minutos de ejecución):
