Combustion de Hidrocarburos

Combustion La combustión o quema es la secuencia de reacciones químicas exotérmicas entre un combustible y un oxidante acompañada por la producción de calor y la conversión de las especies químicas. La liberación de calor puede producir la luz en la forma de encendido o una llama. Combustibles de interés a menudo incluyen compuestos orgánicos en el gas, la fase líquida o sólida. En una reacción de combustión completa, un compuesto que reacciona con un elemento oxidante, tal como oxígeno o flúor, y los productos son compuestos de cada elemento en el combustible con el elemento oxidante. Por ejemplo: CH4 2 O2? CO2 2 H2O energía Un ejemplo sencillo puede ser visto en la combustión de hidrógeno y oxígeno, que es una reacción comúnmente utilizado en los motores de cohetes: 2 H2 O2? 2 H2O calor El resultado es vapor de agua. La combustión completa es casi imposible de alcanzar. Como las reacciones de combustión reales vienen al equilibrio, una amplia variedad de especies de mayor y menor estará presente como el monóxido de carbono y de carbono puro. Además, cualquier combustión en el aire atmosférico, que es 78 por ciento de nitrógeno, también creará pequeñas cantidades de varias formas de óxido de nitrógeno, comúnmente referido como NOx, a altas temperaturas.

Tipos Completar vs incompleta En la combustión completa, las quemaduras reaccionantes en oxígeno, produciendo un número limitado de productos. Cuando un hidrocarburo se quema en oxígeno, la reacción sólo dará lugar a dióxido de carbono y agua. Cuando se queman los elementos, los productos son principalmente los óxidos más comunes. Carbono producirá dióxido de carbono, nitrógeno producirá dióxido de nitrógeno, azufre producirá dióxido de azufre, y el hierro se dió óxido de hierro.

La combustión no es necesariamente favorable para el máximo grado de oxidación y puede ser dependiente de la temperatura. Por ejemplo, trióxido de azufre no se produce cuantitativamente en la combustión de azufre. Los óxidos de nitrógeno comienzan a formarse por encima de 2800 F y más óxidos de nitrógeno se producen a temperaturas más altas. Por debajo de esta temperatura, el nitrógeno molecular se ve favorecida. También es una función de exceso de oxígeno. En la mayoría de aplicaciones industriales y en los incendios, el aire es la fuente de oxígeno. En el aire, cada mol de oxígeno se mezcla con aproximadamente 3,76 mol de nitrógeno. El nitrógeno no participa en la combustión, pero a altas temperaturas, algo de nitrógeno se puede convertir en NOx, por lo general entre 1% y 0,002%. Por otra parte, cuando hay cualquier combustión incompleta, algunos de carbono se convierte en monóxido de carbono. Un conjunto más completo de ecuaciones para la combustión de metano en el aire es por lo tanto: CH4 2 O2? CO2 2 H2O 2 CH4 3 O2? 2 CO 4 N2 H2O O2? 2 NO N2 2 O2? 2 NO2 incompleto La combustión incompleta sólo se producirá cuando no hay suficiente oxígeno para permitir que el combustible para reaccionar completamente para producir dióxido de carbono y agua. También sucede cuando la combustión se apaga por un disipador de calor tal como una superficie sólida o trampa de llama. Para la mayoría de los combustibles, tales como aceite diesel, carbón o madera, la pirólisis se produce antes de la combustión. En la combustión incompleta, los productos de la pirólisis quedan sin quemar y contaminan el humo con partículas nocivas y gases. Compuestos parcialmente oxidados son también una preocupación; oxidación parcial de etanol puede producir acetaldehído perjudiciales, y de carbono puede producir monóxido de carbono tóxico. La calidad de la combustión puede ser mejorado por el diseño de los dispositivos de combustión, tales como quemadores y motores de combustión interna. Otras mejoras son alcanzables por los dispositivos de postcombustión catalítica o por el retorno parcial simple de los gases de escape en el proceso de combustión. Tales dispositivos son requeridos por la legislación ambiental para los coches en la mayoría de los países, y puede ser necesario en los dispositivos de combustión grandes, como las centrales térmicas, para alcanzar los estándares de emisión legales. El grado de combustión se puede medir y analizar, con equipo de prueba. Contratistas de

HVAC, bomberos y los 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 están utilizando análisis de combustión para definir y evaluar la eficiencia de los vehículos en la carretera hoy en día.

Latente Smoldering es la forma lenta, de baja temperatura, sin llama de la combustión, sostenida por el calor desprendido cuando el oxígeno ataca directamente a la superficie de un combustible de fase condensada. Se trata de una reacción de combustión incompleta típicamente. Los materiales sólidos que puedan sostener una reacción ardiente incluyen el carbón, la celulosa, la madera, el algodón, el tabaco, la turba, sin valor, humus, espumas sintéticas, polímeros carbonización como espuma de poliuretano, y el polvo. Los ejemplos más comunes de los fenómenos latentes son el inicio de incendios residenciales en los muebles tapizados por fuentes de calor débiles, y la combustión de la biomasa persistente detrás del frente de llamas de los incendios forestales

Rápido Combustión rápida es una forma de combustión, conocidos de otra manera como un incendio, en el que se liberan grandes cantidades de calor y energía de la luz, que a menudo resulta en una llama. Esto se utiliza en una forma de máquinas tales como motores de combustión interna y en armas termobáricas. A veces, un gran volumen de gas es liberado en la combustión, además de la producción de calor y luz. La evolución repentina de grandes cantidades de gas crea una presión excesiva que produce un fuerte ruido. Tal combustión se conoce como una explosión. La combustión no necesita implicar oxígeno; por ejemplo, el hidrógeno se quema en cloro para formar cloruro de hidrógeno con la liberación de calor y la característica de iluminación de la combustión.

Turbulento La combustión resultante en una llama turbulenta es el más utilizado para la aplicación industrial debido a la turbulencia ayuda a que el proceso de mezcla entre el combustible y el oxidante.

Microgravedad Los procesos de combustión se comportan de manera diferente en un ambiente de microgravedad que en las condiciones de la Tierra de gravedad debido a la falta de flotabilidad. Por ejemplo, la llama de una vela toma la forma de una esfera. Investigación de la combustión microgravedad contribuye a la comprensión de la seguridad contra incendios naves espaciales y diversos aspectos de la física de combustión.

Micro-combustión Los procesos de combustión que se producen en volúmenes muy pequeños son considerados micro-combustión. La alta relación de superficie a volumen aumenta la pérdida de calor específico. Distancia de extinción juega un papel vital en la estabilización de la llama en tales cámaras de combustión.

Las ecuaciones químicas Combustión estequiométrica de un hidrocarburo con oxígeno En general, la ecuación química para la combustión estequiométrica de un hidrocarburo con oxígeno es: Por ejemplo, la combustión estequiométrica de propano en oxígeno es: La simple ecuación de palabra para la combustión estequiométrica de un hidrocarburo con oxígeno es:

Combustión estequiométrica de un hidrocarburo en el aire Si la combustión estequiométrica se lleva a cabo utilizando aire como fuente de oxígeno, el nitrógeno presente en el aire se puede añadir a la ecuación para mostrar la composición del gas de combustión resultante: Por ejemplo, la combustión estequiométrica de propano en el aire es: La simple ecuación de palabra para la combustión estequiométrica de un hidrocarburo en el aire es:

El nitrógeno también puede oxidar cuando hay un exceso de oxígeno. La reacción está favorecida termodinámicamente sólo a altas temperaturas. Los motores diesel se ejecutan con un exceso de oxígeno para quemar las partículas pequeñas que tienden a formar con sólo una cantidad estequiométrica de oxígeno, produciendo necesariamente las emisiones de óxido de nitrógeno. Tanto los Estados Unidos y la Unión Europea tienen límites a las emisiones de óxido de nitrógeno, que requieren el uso de un convertidor o el tratamiento de los gases de escape con urea catalítica especial.

La combustión incompleta de un hidrocarburo con oxígeno En general, la ecuación química de la combustión incompleta de hidrocarburos en oxígeno es: Por ejemplo, la combustión incompleta de propano es: La simple ecuación de palabra para la combustión incompleta de un hidrocarburo con oxígeno es:

Combustibles Sustancias o materiales que se someten a combustión se llaman combustibles. Los ejemplos más comunes son queroseno, diesel, gasolina, carbón de leña, carbón, madera, etc Un buen combustible es una que es fácilmente disponible, es barato, se quema con facilidad en el aire ya un ritmo moderado, tiene un alto poder calorífico y es favorable al medio ambiente. Probablemente no hay combustible que puede ser considerado un combustible ideal.

Los combustibles líquidos La combustión de un combustible líquido en una atmósfera oxidante que realmente sucede en la fase de gas. Es el vapor que se quema, no el líquido. Por lo tanto, un líquido será normalmente un incendio sólo por encima de una cierta temperatura: su punto de inflamación. El punto de un combustible líquido de inflamación es la temperatura más baja a la que puede formarse una mezcla inflamable con el aire. También es la temperatura mínima a la que hay suficiente combustible evaporado en el aire para iniciar la combustión.

Los combustibles sólidos El acto de la combustión consta de tres fases relativamente distintas pero superpuestas: •Fase de precalentamiento, cuando el combustible sin quemar se calienta hasta su punto de inflamación y punto de combustión. Gases inflamables empezar a ser desarrollado en un proceso similar a la destilación seca. •Destilación fase o fase gaseosa, cuando se enciende la mezcla de gases inflamables evolucionado con oxígeno. La energía se produce en forma de calor y luz. Las llamas son a menudo visible. La transferencia de calor de la combustión para el sólido mantiene la evolución de vapores inflamables. •Fase de carbón o en fase sólida, cuando la salida de gases inflamables del material es demasiado baja para la presencia persistente de las llamas y el combustible quemado no se quema rápidamente y sólo se ilumina y después sólo arde.

Mecanismo de reacción La combustión del oxígeno es una reacción en cadena, donde participan muchos intermediarios radicales distintos. La alta energía requerida para la iniciación se explica por la inusual estructura de la molécula de dioxígeno. La configuración de energía más baja de la molécula de dioxígeno es un di-radical estable, relativamente no reactivo en un estado de espín triplete. El ligado puede ser descrita con tres pares de electrones enlazantes y dos electrones antienlazantes, cuyos espines están alineados, de tal manera que la molécula tiene distinto de cero momento angular total. La mayoría de los combustibles, por el contrario, se encuentran en un estado simple, con giros pares y el impulso angular total cero. La interacción entre los dos es la mecánica cuántica una "transición prohibida", es decir, es posible con una probabilidad muy baja. Para iniciar la combustión, la energía se requiere para forzar dioxígeno en un estado de espín-dos a dos, u oxígeno singlete. Este intermedio es extremadamente reactivo. La energía se suministra en forma de calor. La reacción produce calor, que mantiene en marcha. Se cree que la combustión de hidrocarburos para ser iniciado por abstracción del átomo de hidrógeno el combustible al oxígeno, para dar un radical hidroperóxido. Este reacciona adicionalmente para dar hidroperóxidos, que se rompen para dar radicales hidroxilo. Hay una gran variedad de estos procesos que producen radicales de combustible y los radicales oxidantes. Especies oxidantes incluyen oxígeno atómico, hidroxilo, oxígeno monoatómico y hidroperoxilo. Tales intermedios son de corta duración y no pueden ser aislados. Sin embargo,

los compuestos intermedios no radicales son estables y se producen en la combustión incompleta. Un ejemplo es el acetaldehído producido en la combustión de etanol. Un producto intermedio en la combustión de carbono y los hidrocarburos, monóxido de carbono, es de especial importancia debido a que es un gas venenoso, sino también económicamente útil para la producción de gas de síntesis. Combustibles líquidos sólida y pesada también se someten a un gran número de reacciones de pirólisis que dan oxidado más fácilmente, los combustibles gaseosos. Estas reacciones son endotérmicas y requieren una entrada de energía constante a partir de las reacciones de combustión. La falta de oxígeno u otras condiciones mal diseñado resultado en estos productos de pirolisis tóxicos y cancerígenos que se emite como un espeso humo negro. La tasa de combustión es la cantidad de un material que se somete a combustión en un período de tiempo. Puede ser expresado en gramos o kilogramos por segundo por segundo.

Temperatura Suponiendo que las condiciones de combustión perfectos, tales como la combustión completa en condiciones adiabáticas, la temperatura de combustión adiabática se puede determinar. La fórmula que produce esta temperatura se basa en la primera ley de la termodinámica y toma nota del hecho de que el calor de la combustión se utiliza completamente para calentar el combustible, los gases de la combustión de productos de combustión de aire u oxígeno, y. En el caso de los combustibles fósiles quemados en el aire, la temperatura de combustión depende de todos de los siguientes: •el poder calorífico; •la estequiométrica de aire a combustible; •la capacidad de calor específico de combustible y aire; •las temperaturas de entrada de aire y de combustible. La temperatura de combustión adiabática aumenta para valores más altos de calefacción y de aire de entrada y la temperatura del combustible y para relaciones estequiométricas aire se acercan uno. Por lo general, las temperaturas de combustión adiabáticas para carbones son alrededor de 2200 C, 2150 C alrededor de petróleo y 2.000 C para el gas natural.

En calentadores industriales despedidos, generadores de vapor de centrales eléctricas y grandes turbinas a gas, la forma más común de expresar el uso de más que el aire de combustión estequiométrica es el porcentaje de exceso de aire de combustión. Por ejemplo, el exceso de aire de combustión de 15 por ciento significa que el 15 por ciento más que el aire estequiométrica requerida está siendo utilizado.

Inestabilidades Inestabilidades de combustión suelen ser violentas oscilaciones de presión en la cámara de combustión. Estas oscilaciones de presión puede ser tan alta como 180 dB, y la exposición a largo plazo a estas presión cíclica y cargas térmicas reduce la vida de los componentes del motor. En cohetes, tales como la F1 utilizado en el programa de Saturno V, inestabilidades condujeron a daños masivos de la cámara de combustión y los componentes circundantes. Este problema se resuelve mediante la redefinición de los inyectores de combustible. En los motores de chorro de líquido el tamaño de la gotita y distribución se pueden utilizar para atenuar las inestabilidades. Inestabilidades de combustión son una preocupación importante en los motores de turbina de gas en tierra a causa de las emisiones de NOx. La tendencia es ejecutar magra, una relación de equivalencia de menos de 1, para reducir la temperatura de combustión y por lo tanto reducir las emisiones de NOx, sin embargo, se ejecuta la combustión pobre hace que sea muy susceptible a la inestabilidad de combustión. El criterio de Rayleigh es la base para el análisis de la inestabilidad de combustión termoacústico y se evalúa usando el Índice de Rayleigh más de un ciclo de inestabilidad donde q 'es la perturbación de la velocidad de liberación de calor y p' es la fluctuación de la presión. 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 termo acústico se maximiza. Por otro lado, si el índice de Rayleigh es negativo, entonces se produce termoacústico amortiguación. El criterio de Rayleigh implica que una inestabilidad termoacústico se puede controlar de manera óptima por tener oscilaciones de liberación de calor 180 grados fuera de fase con las oscilaciones de presión en la misma frecuencia. Esto minimiza el índice de Rayleigh.