Análisis 53: Disociación química (7 reacciones)
Obtener las fracciones másicas de los productos de combustión del conjunto de reacciones de disociación siguiente:
Reacción 1: 0.5 N2 + 0.5 O2 <--> NO
Reacción 2: NO + 0.5 N2 <--> N2O
Reacción 3: 0.5 N2 + O2 <--> NO2
Reacción 4: 2 NO2 <--> N2O4
Reacción 5: CO2 <--> CO + 0.5 O2
Reacción 6: H2O <--> H2 + 0.5 O2
Reacción 7: SO2 + 0.5 O2 <--> SO3
Para la combustión realizada en un motor de combustión interna, que consume una mezcla volumétrica del 70% de CH4(g) y 30% de H2S(g) con un 200% de aire estequiométrico, saliendo los productos de combustión a la temperatura de 1700 ºC.
Este caso ha sido resuelto previamente mediante el software EES:
"Valores de Kp at 1700ºC"
K1=0.01843708
K2= 0.00005837
K3=0.0000888
K4=0.0000000009426
K5=0.00101717
K6=0.00023014
K7=0.00780155
100 "kPa"
Po=100 "kPa"
"Methane"
FM1=0.7
Alfa0=1
Beta0=4
Alfa=FM1*Alfa0
Beta=FM1*Beta0+FM2*2
"H2S"
FM2=1-FM1
Gamma=FM2
O2_est=Alfa+Beta/4+Gamma
lambda=2.0
Air=O2_est*lambda
"Mass balance"
N=NCO2 + NH2O + NO2 + NN2 + NNO + NN2O+ NNO2 + NN2O4 + NCO + NH2 + NSO2+ NSO3 (moles total de productos)
"Mass balance C"
NCO2+NCO=Alfa
"Mass balance H2O"
2*NH2O+2*NH2+NH=Beta
"2*NH2O+2*NH2=Beta"
"Mass balance N2"
2*NN2+NNO + 2*NN2O +NNO2 + 2*NN2O4 =3.76*Air*2
"Mass balance O2"
2*Air=2*NCO2+NCO+NH2O+NN2O + NNO + 2*NO2 +4*NN2O4 + 2*NNO2 + 2*NSO2+ 3*NSO3
"Mass balance S"
Gamma= NSO2+ NSO3
YNO=NNO/N
PNO=YNOP/Po
YO2=NO2/N
PO2=YO2P/Po
YN2O=NN2O/N
PN2O=YN2OP/Po
YN2=NN2/N
PN2=YN2P/Po
K1=PNO/(PO2^(1/2)PN2^(1/2)) "0.5 N2 + 0.5 O2 <--> NO"
K2=PN2O/(PN2^(1/2)PNO) "NO + 0.5 N2 <--> N2O"
YNO2=NNO2/N PNO2=YNO2P/Po
K3=PNO2/(PO2PN2^(1/2)) " 0.5 N2 + O2 <--> NO2"
YN2O4=NN2O4/N
PN2O4=YN2O4P/Po
K4=PN2O4/(PNO2^2) "2 NO2 <--> N2O4"
YCO=NCO/N
PCO=YCOP/Po
YCO2=NCO2/N
PCO2=YCO2P/Po
K5=PCOPO2^(1/2)/PCO2 "CO2 <--> CO + 0.5 O2"
YH2O=NH2O/N
PH2O=YH2OP/Po
YH2=NH2/N
PH2=YH2P/Po
K6=PH2PO2^(1/2)/PH2O "H2O <--> H2 + 0.5 O2"
YSO2=NSO2/N
PSO2=YSO2P/Po
YSO3=NSO3/N PSO3=YSO3P/Po
K7=PSO3/(PSO2PO2^(1/2)) "SO2 + 0.5 O2 <--> SO3"
Resolución mediante THERMOCombustion:
Las reacciones que ocurren en los motores de combustión interna alternativos (MCIA) producen sustancias como CO, CO2, H2O, OH, H2, NOx, hidrocarburos sin quemar y partículas. Los tres principales contaminantes que están sujetos a la legislación sobre emisiones de escape son el monóxido de carbono (CO), los hidrocarburos no quemados (HC) y los óxidos de nitrógeno (NOx). El CO2 y el H2O se liberan debido a la combustión completa, mientras que la mayoría de los gases tóxicos como el CO y los hidrocarburos sin quemar se liberan debido a varias razones, como la combustión incompleta, la heterogeneidad de la mezcla de aire y combustible y la falta de oxígeno. Mientras tanto, las elevadas temperaturas alcanzadas debido a la combustión generan también NOx por la presencia de nitrógeno en el aire.
La disociación generalmente tiende a romper las moléculas del producto en moléculas reactivas intermedias (por ejemplo, CO2 y H2O se convierten en CO, H2 y O2). Sin embargo, la misma teoría muestra que, a altas temperaturas, el nitrógeno y el oxígeno se combinarán para formar óxidos de nitrógeno, un contaminante importante. En un proceso de combustión, la disociación siempre reduce las temperaturas y presiones alcanzadas y, por lo tanto, reduce la producción de trabajo y la eficiencia de un dispositivo.
Toda reacción química debe tener el potencial de alcanzar el equilibrio dado que tiene las condiciones adecuadas para alcanzar la constante de equilibrio de la reacción. Esto podría depender de cosas como el tiempo, ya que las reacciones necesitan tiempo para ocurrir y alcanzar esa constante de equilibrio, siendo la cinética química la que estudia el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio químico de cada reacción.
La temperatura adiabática:
Es fácil verificar que ambos procedimientos generan resultados muy próximos.
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