calculo de reacción de combustión

Calculo de reacción de combustión: fundamentos y aplicaciones avanzadas

El cálculo de reacción de combustión determina la cantidad exacta de reactivos y productos en una combustión. Es esencial para optimizar procesos industriales y ambientales.

Este artículo aborda desde tablas de valores comunes hasta fórmulas detalladas y ejemplos reales para un entendimiento profundo. Aprenderás a aplicar cálculos precisos en diferentes escenarios.

Calculadora con inteligencia artificial (IA) para cálculo de reacción de combustión

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  • Calcular la reacción de combustión completa de metano con aire.
  • Determinar el exceso de aire necesario para la combustión de gasolina.
  • Obtener la composición de gases de combustión para propano con 10% de aire en exceso.
  • Calcular la cantidad de oxígeno requerido para quemar 1 kg de etanol.

Tablas de valores comunes para cálculo de reacción de combustión

CombustibleFórmula químicaCalor de combustión (MJ/kg)Densidad (kg/m³)Relación estequiométrica O₂/Combustible (mol/mol)Relación aire/combustible (kg/kg)Productos principales
MetanoCH₄500.717217.2CO₂, H₂O
PropanoC₃H₈46.41.88515.6CO₂, H₂O
Gasolina (aprox.)C₈H₁₈44.4720 (kg/m³)12.514.7CO₂, H₂O
EtanolC₂H₅OH29.7789 (kg/m³)39CO₂, H₂O
HidrógenoH₂1200.08990.534.3H₂O
Carbón (aprox.)C32.81400 (kg/m³)12.67CO₂

Estos valores son fundamentales para realizar cálculos precisos en combustión, considerando tanto combustibles gaseosos como líquidos y sólidos.

Fórmulas esenciales para el cálculo de reacción de combustión

El cálculo de reacción de combustión se basa en la estequiometría química, que permite balancear la ecuación y determinar cantidades de reactivos y productos.

1. Ecuación general de combustión

Para un hidrocarburo genérico CxHyOz, la combustión completa con oxígeno se representa como:

CxHyOz + a O2 → b CO2 + c H2O

Donde:

  • a = cantidad de moles de oxígeno requerida
  • b = moles de dióxido de carbono producido
  • c = moles de agua producida

Para balancear:

a = x + (y/4) – (z/2)
b = x
c = y/2

Explicación:

  • x: número de átomos de carbono en el combustible.
  • y: número de átomos de hidrógeno.
  • z: número de átomos de oxígeno en el combustible.
  • a: moles de oxígeno necesarios para la combustión completa.

2. Relación aire-combustible estequiométrica (AFRst)

El aire contiene aproximadamente 21% de oxígeno en volumen y 23.2% en masa. La relación aire-combustible estequiométrica se calcula como:

AFRst = a × (Maire / MO₂)

Donde:

  • a: moles de oxígeno requeridos (de la ecuación anterior).
  • Maire: masa molar del aire ≈ 28.96 g/mol.
  • MO₂: masa molar del oxígeno = 32 g/mol.

Ejemplo: Para metano (CH₄), a = 2, entonces:

AFRst = 2 × (28.96 / 32) ≈ 1.81 (kg aire / kg CH₄)

3. Cálculo de exceso de aire

El exceso de aire es la cantidad adicional de aire suministrada sobre la cantidad estequiométrica para asegurar una combustión completa y evitar emisiones contaminantes.

Exceso de aire (%) = ((AFRreal – AFRst) / AFRst) × 100

Donde:

  • AFRreal: relación aire-combustible real suministrada.
  • AFRst: relación aire-combustible estequiométrica.

4. Composición de gases de combustión

Para combustión completa sin exceso de aire, los productos principales son CO₂ y H₂O. Con exceso de aire, se añade N₂ y O₂ no reaccionado.

La composición molar de gases de combustión con exceso de aire (λ) se calcula como:

CO₂ = b
H₂O = c
O₂ = a × (λ – 1)
N₂ = a × λ × (79/21)

Donde λ = AFRreal / AFRst (relación aire-combustible relativa).

5. Cálculo del poder calorífico

El poder calorífico inferior (PCI) y superior (PCS) son fundamentales para evaluar la energía liberada en la combustión.

  • PCI: energía liberada sin condensar el vapor de agua.
  • PCS: energía liberada incluyendo la condensación del vapor de agua.

Estos valores se obtienen experimentalmente o de tablas, pero se relacionan con la composición del combustible y la reacción de combustión.

Ejemplos prácticos de cálculo de reacción de combustión

Ejemplo 1: Combustión completa de metano con aire

Se desea calcular la reacción de combustión completa de 1 mol de metano (CH₄) con aire, determinar la cantidad de oxígeno y aire necesarios, y la composición de los gases de combustión sin exceso de aire.

Datos:

  • Combustible: CH₄
  • Fórmula: CH₄
  • Masa molar CH₄ = 16 g/mol
  • Masa molar aire = 28.96 g/mol
  • Oxígeno en aire = 21% en volumen

Solución:

1. Calcular moles de oxígeno requeridos:

a = x + (y/4) – (z/2) = 1 + (4/4) – 0 = 2 moles O₂

2. Calcular masa de oxígeno:

Masa O₂ = 2 moles × 32 g/mol = 64 g

3. Calcular masa de aire necesario:

Masa aire = Masa O₂ × (100 / 21) = 64 × (100 / 21) ≈ 304.76 g

4. Reacción balanceada:

CH₄ + 2 O₂ + 7.52 N₂ → CO₂ + 2 H₂O + 7.52 N₂

Donde 7.52 moles de N₂ provienen del aire (relación molar N₂/O₂ = 79/21 ≈ 3.76).

5. Composición molar de gases de combustión:

  • CO₂: 1 mol
  • H₂O: 2 moles
  • N₂: 7.52 moles
  • O₂: 0 (sin exceso de aire)

Ejemplo 2: Combustión de propano con 10% de exceso de aire

Calcular la cantidad de aire real necesaria para quemar 1 mol de propano (C₃H₈) con un 10% de exceso de aire y determinar la composición de los gases de combustión.

Datos:

  • Combustible: C₃H₈
  • Masa molar propano = 44 g/mol
  • Exceso de aire = 10%

Solución:

1. Calcular moles de oxígeno requeridos:

a = x + (y/4) – (z/2) = 3 + (8/4) – 0 = 3 + 2 = 5 moles O₂

2. Calcular aire estequiométrico:

Airest = 5 × (28.96 / 32) = 4.52 kg aire / mol propano

3. Calcular aire real con 10% exceso:

Airereal = Airest × (1 + 0.10) = 4.52 × 1.10 = 4.97 kg aire

4. Calcular λ (relación aire real / aire estequiométrico):

λ = 1.10

5. Composición molar de gases de combustión:

  • CO₂ = b = 3 moles
  • H₂O = c = 4 moles
  • O₂ = a × (λ – 1) = 5 × (1.10 – 1) = 0.5 moles
  • N₂ = a × λ × (79/21) = 5 × 1.10 × 3.76 = 20.68 moles

6. Reacción balanceada con exceso de aire:

C₃H₈ + 5.5 O₂ + 20.68 N₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O + 0.5 O₂ + 20.68 N₂

Aspectos avanzados y consideraciones normativas

El cálculo de reacción de combustión no solo es fundamental para el diseño de sistemas térmicos, sino también para cumplir con normativas ambientales y de seguridad. Por ejemplo, la norma ISO 1928 establece métodos para determinar el poder calorífico de combustibles sólidos, mientras que la EPA regula las emisiones derivadas de combustión incompleta.

Además, en aplicaciones industriales, se debe considerar la temperatura y presión de operación, la presencia de contaminantes y la eficiencia del proceso. El uso de software especializado y simuladores termodinámicos es común para optimizar estos cálculos.

Recursos externos para profundizar en cálculo de reacción de combustión

Resumen técnico y recomendaciones para el cálculo de reacción de combustión

Para realizar un cálculo preciso de la reacción de combustión, es imprescindible:

  • Identificar correctamente la fórmula química del combustible.
  • Balancear la ecuación química considerando todos los elementos presentes.
  • Calcular la relación estequiométrica de oxígeno y aire.
  • Incluir el exceso de aire según las condiciones operativas.
  • Determinar la composición de gases de combustión para análisis térmicos y ambientales.
  • Utilizar tablas y bases de datos confiables para propiedades físicas y termodinámicas.

El dominio de estos conceptos permite optimizar procesos, reducir emisiones contaminantes y mejorar la eficiencia energética en múltiples industrias.