Análisis 98: Diagrama de flamabilidad de una mezcla metano+aire con nitrógeno
La figura muestra el diagrama de flamabilidad de una mezcla metano+aire con nitrógeno.
Deducir los puntos "A" y "B" de la recta de mezcla estequiométrica
Obtener las coordenadas del punto C
¿Es la mezcla estequiométrica con fuel de 50% CH4 + 50% N2 inflamable?
¿Es la mezcla 60% CH4 + 40% N2 inflamable?
El coeficiente de exceso de aire para LFL sin N2.
Para un 20% de N2, obtener los valores de CH4 extremos y el punto de CH4 estequiométrico.
Obtener el diagrama ternario y teórico, CH4
,O2 y N2 que proporciona Thermocombustion, e interprete dicho diagrama.
Determinación del punto C
Cualquier mezcla estequiométrica (λ=1) con mayor del 85% de N2 será no inflamable.
Mezcla inflamable
Se observa claramente que la mezcla 40% CH4 + 60% N2 sigue siendo inflamable.
Punto F (LFL=5%), sin N2:
Punto H
Punto D:
Reacción estequiométrica:
a CH4 + b N2 + c (O2 + 3.76 N2) a CO2 + 2a H2O + (3.76 c + b) N2
c = 2 a
Reacción no estequiométrica, λ>1:
a CH4 + b N2 + c (O2 + 3.76 N2) a CO
2+ 2a H2O + (3.76 c + b) N2 + c (λ-1) O2c= 2a λ
Ecuaciones:
a+b=1
a/(a+b+4.7619 c) = 0.053
b/(a+b+4.7619 c) = 0.200
Operando:
a=0.20948
b=0.79052
c=0.620046
λ = 1.479966
Punto E:
Reacción estequiométrica:
a CH4 + b N2 + c (O2 + 3.76 N2) a CO2 + 2a H2O + (3.76 c + b) N2
c = 2 a
Reacción no estequiométrica, λ>1:
a CH4 + b N2 + c (O2 + 3.76 N2) a CO2 + 2a H2O + (3.76 c + b) N2 + c (λ-1) O2
c= 2a λ
Ecuaciones:
a+b=1
a/(a+b+4.7619 c) = 0.108
b/(a+b+4.7619 c) = 0.200
Operando:
a=0.350649
b=0.649351
c=0.471819
λ = 0.67277
El diagrama de Ostwald nos muestra que para λ<0.75 no hay solución.
Observamos para un coeficiente de exceso de aire 0.75, la no presencia de CO2 en los productos de combustión, ni oxígeno libre, siendo por tanto el punto extremo (coordenada 0,0) del diagrama de Ostwald:
Los diagramas de inflamabilidad son un tipo de diagrama ternario que muestra los regímenes de inflamabilidad en mezclas de combustible, oxígeno y un gas inerte, normalmente nitrógeno. Las mezclas de los tres gases generalmente se representan en un diagrama triangular, también conocido como diagrama ternario. Dichos diagramas están disponibles en la literatura especializada.
Este diagrama solo se refiere a un combustible, pero estos diagramas se pueden generalizar a mezclas de combustibles.
La lectura del diagrama de inflamabilidad consta de tres sencillos pasos:
1. De la visualización del diagrama triangular, que muestra todas las mezclas posibles de metano, oxígeno y nitrógeno. El aire es una mezcla de aproximadamente 21% en volumen de oxígeno y 79% en volumen de inertes (nitrógeno).
Por lo tanto, cualquier mezcla de metano y aire se encontrará en la línea recta entre el metano puro y el aire puro; esto se muestra como la línea de aire azul (Air line). Los límites superior e inferior de inflamabilidad del metano en el aire se encuentran en esta línea, puntos que cortan con la envolvente de color rojo (en cuyo interior se encuentra la zona inflamable).
2. La combustión estequiométrica del metano es: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O. Por lo tanto, la concentración estequiométrica de metano en oxígeno es 1/(1+2), que es 33 %. Cualquier mezcla estequiométrica de metano y oxígeno estará en la línea recta entre nitrógeno puro (y 0 % de metano) y 33 % de metano (y 67 % de oxígeno); esto se muestra como la línea estequiométrica de color verde. Los límites superior e inferior de inflamabilidad del metano en oxígeno se encuentran en el eje del metano.
3. La envolvente real que define la zona de inflamabilidad solo puede determinarse en base a experimentos. Ésta atravesará los límites superior e inferior de inflamabilidad del metano en el oxígeno y en el aire. La línea MOC es una paralela al eje del N2 que parte de la concentración límite de oxígeno (LOC, concentración mínima de oxígeno requerida para propagar una llama). En el punto de corte entre las líneas estequiométricas y la línea MOC se encuentra el extremo final de la envolvente de flamabilidad.
La mezcla vapor-aire no arderá cuando la composición sea inferior al límite inferior de inflamabilidad (LFL); la mezcla es demasiado pobre para la combustión. La mezcla tampoco es inflamable cuando la composición es demasiado rica; es decir, cuando está por encima del límite superior de inflamabilidad (UFL).
Diagrama de flamabilidad para un coeficiente de exceso de aire de la unidad. Donde la mezcla es combustionable.
Diagrama de flamabilidad para un coeficiente de exceso de aire de 2.2 (mezcla pobre). Donde la mezcla no es combustionable.
Diagrama de flamabilidad para un coeficiente de exceso de aire de 0.75 (mezcla rica). Donde la mezcla es combustionable.
Históricamente, la dilución y la purga no están bien definidas. La dilución generalmente se usa para disminuir la concentración agregando un diluyente.
Sin embargo, purgar también consiste en disminuir la concentración mediante la adición de un diluyente. Aquí, para una mezcla terciaria, si se cambia una concentración junto con otra, esto es dilución. Si se cambia una concentración cambiando simultáneamente otras dos, se trata de un proceso de purga.
Entonces, la purga involucra tres especies, mientras que la dilución involucra solo dos especies. La purga involucra un compartimiento, mientras que la dilución ocurre para una corriente de flujo, donde la concentración de cualquier especie puede controlarse libremente. El proceso de dilución dejará constante la concentración de una especie, mientras que todas las concentraciones cambiarán en un proceso de purga.
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