La combustión , o quema , [1] es una alta temperatura exotérmica redox reacción química entre un combustible (el reductor) y un oxidante , por lo general atmosférica de oxígeno , que produce oxida, a menudo productos gaseosos, en una mezcla denominado como humo . La combustión en un incendio produce una llama , y el calor producido puede hacer que la combustión sea autosuficiente. La combustión es a menudo una secuencia complicada de reacciones radicales elementales . Combustibles sólidos , como la madera y el carbón., primero se someten a una pirólisis endotérmica para producir combustibles gaseosos cuya combustión luego suministra el calor requerido para producir más de ellos. La combustión a menudo es lo suficientemente caliente como para producir una luz incandescente en forma de resplandor o de una llama . Un ejemplo simple se puede ver en la combustión de hidrógeno y oxígeno en vapor de agua , una reacción comúnmente utilizada para alimentar motores de cohetes . Esta reacción libera 242 kJ / mol de calor y reduce la entalpía enconsecuencia (a temperatura y presión constantes):
- 2 H
2 (g) +O
2 (g) → 2H
2 O(g)
La combustión de un combustible orgánico en el aire siempre es exotérmica porque el doble enlace en O 2 es mucho más débil que otros enlaces dobles o pares de enlaces simples, y por lo tanto la formación de los enlaces más fuertes en los productos de combustión CO
2 y H
2 Oresulta en La liberación de energía. [2] Las energías de enlace en el combustible juegan un papel menor, ya que son similares a las de los productos de combustión; por ejemplo, la suma de las energías de enlace de CH 4 es casi la misma que la de CO
2 . El calor de combustiónes de aproximadamente -418 kJ por mol de O 2usado en la reacción de combustión, y puede estimarse a partir de la composición elemental del combustible. [2]
2 y H
2 Oresulta en La liberación de energía. [2] Las energías de enlace en el combustible juegan un papel menor, ya que son similares a las de los productos de combustión; por ejemplo, la suma de las energías de enlace de CH 4 es casi la misma que la de CO
2 . El calor de combustiónes de aproximadamente -418 kJ por mol de O 2usado en la reacción de combustión, y puede estimarse a partir de la composición elemental del combustible. [2]
La combustión no catalizada en el aire requiere temperaturas bastante altas. La combustión completa es estequiométrica con respecto al combustible, donde no queda combustible, e idealmente, no queda oxidante. Termodinámicamente, el equilibrio químico de la combustión en el aire está abrumadoramente del lado de los productos. Sin embargo, la combustión completa es casi imposible de lograr, ya que no se alcanza necesariamente el equilibrio químico, o puede contener productos no quemados como el monóxido de carbono , hidrógeno e incluso carbono ( hollín o cenizas). Por lo tanto, el humo producido suele ser tóxico y contiene productos no quemados o parcialmente oxidados. Cualquier combustión a altas temperaturas enEl aire atmosférico , que es 78 por ciento de nitrógeno , también creará pequeñas cantidades de varios óxidos de nitrógeno , comúnmente conocidos como NO
x , ya que la combustión de nitrógeno se favorece termodinámicamente a temperaturas altas, pero no bajas. Como la combustión rara vez es limpia, la ley puede requerir la limpieza de gases de combustión o convertidores catalíticos .
x , ya que la combustión de nitrógeno se favorece termodinámicamente a temperaturas altas, pero no bajas. Como la combustión rara vez es limpia, la ley puede requerir la limpieza de gases de combustión o convertidores catalíticos .
Los incendios se producen naturalmente, encendidos por rayos o por productos volcánicos . La combustión ( fuego ) fue la primera reacción química controlada descubierta por los humanos, en forma de fogatas y fogatas , y sigue siendo el método principal para producir energía para la humanidad. Por lo general, el combustible es carbono , hidrocarburos o mezclas más complicadas, como la madera que contiene hidrocarburos parcialmente oxidados. La energía térmica producida por la combustión de combustibles fósiles como el carbón o el petróleo , o de combustibles renovables comola leña , se cosecha para diversos usos, como la cocina , la producción de electricidad o la calefacción industrial o doméstica. La combustión también es actualmente la única reacción utilizada para impulsar cohetes . La combustión también se usa para destruir ( incinerar ) desechos, tanto peligrosos como no peligrosos.
Los oxidantes para la combustión tienen un alto potencial de oxidación e incluyen oxígeno atmosférico o puro , cloro , flúor , trifluoruro de cloro , óxido nitroso y ácido nítrico . Por ejemplo, el hidrógeno se quema en el cloropara formar cloruro de hidrógeno con la liberación de calor y luz característica de la combustión. Aunque generalmente no se cataliza, la combustión se puede catalizar con platino o vanadio , como en el proceso de contacto .
Tipos [ editar ]
Completo e incompleto [ editar ]
Completo [ editar ]
En la combustión completa, el reactivo se quema en oxígeno y produce un número limitado de productos. Cuando un hidrocarburo se quema en oxígeno, la reacción producirá principalmente dióxido de carbono y agua. Cuando se queman elementos, los productos son principalmente los óxidos más comunes. El carbono producirá dióxido de carbono , el azufre producirá dióxido de azufre y el hierro producirá óxido de hierro (III) . El nitrógeno no se considera una sustancia combustible cuando el oxígeno es el oxidante , sino pequeñas cantidades de varios óxidos de nitrógeno (comúnmente designado NO
x especies) se forman cuando el aire es el oxidante.
x especies) se forman cuando el aire es el oxidante.
La combustión no es necesariamente favorable al grado máximo de oxidación, y puede depender de la temperatura. Por ejemplo, el trióxido de azufre no se produce cuantitativamente por la combustión de azufre. Las especies de NOx aparecen en cantidades significativas por encima de unos 2.800 ° F (1.540 ° C), y se produce más a temperaturas más altas. La cantidad de NOx también es una función del exceso de oxígeno. [3]
En la mayoría de las aplicaciones industriales y en incendios , el aire es la fuente de oxígeno ( O
2 ) En el aire, cada mol de oxígeno se mezcla con aproximadamente3.71 mol de nitrógeno. El nitrógeno no participa en la combustión, pero a altas temperaturas, algo de nitrógeno se convertirá en NO
x (principalmenteNO, con cantidades mucho más pequeñas deNO
2 ) Por otro lado, cuando no hay suficiente oxígeno para quemar completamente el combustible, parte del carbono del combustible se convierte enmonóxido de carbonoy parte del hidrógeno permanece sin reaccionar. Un conjunto más completo de ecuaciones para la combustión de un hidrocarburo en el aire, por lo tanto, requiere un cálculo adicional para la distribución de oxígeno entre el carbono y el hidrógeno en el combustible.
2 ) En el aire, cada mol de oxígeno se mezcla con aproximadamente3.71 mol de nitrógeno. El nitrógeno no participa en la combustión, pero a altas temperaturas, algo de nitrógeno se convertirá en NO
x (principalmenteNO, con cantidades mucho más pequeñas deNO
2 ) Por otro lado, cuando no hay suficiente oxígeno para quemar completamente el combustible, parte del carbono del combustible se convierte enmonóxido de carbonoy parte del hidrógeno permanece sin reaccionar. Un conjunto más completo de ecuaciones para la combustión de un hidrocarburo en el aire, por lo tanto, requiere un cálculo adicional para la distribución de oxígeno entre el carbono y el hidrógeno en el combustible.
La cantidad de aire requerida para que tenga lugar la combustión completa se conoce como aire teórico. Sin embargo, en la práctica, el aire utilizado es 2-3 veces mayor que el aire teórico.
Incompleto [ editar ]
La combustión incompleta ocurrirá cuando no haya suficiente oxígeno para permitir que el combustible reaccione completamente para producir dióxido de carbono y agua. También ocurre cuando la combustión se apaga mediante un disipador de calor, como una superficie sólida o una trampa de llama. Como es el caso con la combustión completa, el agua se produce por combustión incompleta; sin embargo, se produce carbono , monóxido de carbono y / o hidróxido en lugar de dióxido de carbono.
Para la mayoría de los combustibles, como el diesel, el carbón o la madera, la pirólisis ocurre antes de la combustión. En una combustión incompleta, los productos de la pirólisis permanecen sin quemar y contaminan el humo con partículas nocivas y gases. Los compuestos parcialmente oxidados también son una preocupación; La oxidación parcial del etanol puede producir acetaldehído dañino , y el carbono puede producir monóxido de carbono tóxico.
La calidad de la combustión puede mejorarse mediante los diseños de dispositivos de combustión, como quemadores y motores de combustión interna . Otras mejoras son alcanzables por catalítica después de la quema de los dispositivos (tales como convertidores catalíticos ) o por el simple retorno parcial de los gases de escape en el proceso de combustión. Dichos dispositivos son requeridos por la legislación ambiental para automóviles en la mayoría de los países y pueden ser necesarios para permitir que los dispositivos de combustión grandes, como las centrales térmicas , alcancen los estándares legales de emisión .
El grado de combustión se puede medir y analizar con equipos de prueba. Los contratistas de HVAC , bomberose ingenieros usan 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 de los EE. UU. Y municipios locales utilizan el análisis de combustión para definir y calificar la eficiencia de los vehículos en la carretera hoy en día.
La combustión incompleta produjo monóxido de carbono [ editar ]
El monóxido de carbono es uno de los productos de la combustión incompleta . [4] El carbono se libera en la reacción de combustión incompleta normal, formando hollín y polvo. Dado que el monóxido de carbono se considera un gas venenoso, es preferible la combustión completa, ya que el monóxido de carbono también puede provocar problemas respiratorios cuando se respira, ya que toma el lugar del oxígeno y se combina con la hemoglobina. [5]
Problemas asociados con la combustión incompleta [ editar ]
- Problemas ambientales: [6]
Estos óxidos se combinan con agua y oxígeno en la atmósfera, creando ácido nítrico y ácidos sulfúricos , que regresan a la superficie de la Tierra como deposición ácida o "lluvia ácida". La deposición ácida daña los organismos acuáticos y mata los árboles. Debido a su formación de ciertos nutrientes que están menos disponibles para las plantas como el calcio y el fósforo, reduce la productividad del ecosistema y las granjas. Un problema adicional asociado con los óxidos de nitrógeno es que, junto con los contaminantes de hidrocarburos , contribuyen a la formación de ozono troposférico , un componente importante del smog.
- Problemas de salud humana: [6]
Respirar monóxido de carbono causa dolor de cabeza, mareos, vómitos y náuseas. Si los niveles de monóxido de carbono son lo suficientemente altos, los humanos se vuelven inconscientes o mueren. La exposición a niveles moderados y altos de monóxido de carbono durante largos períodos de tiempo se correlaciona positivamente con el riesgo de enfermedad cardíaca. Las personas que sobreviven a una intoxicación grave por CO pueden sufrir problemas de salud a largo plazo. [7] El monóxido de carbono del aire se absorbe en los pulmones, que luego se une a la hemoglobina en los glóbulos rojos de los humanos. Esto reduciría la capacidad de los glóbulos rojos para transportar oxígeno por todo el cuerpo.
Ardiente [ editar ]
La combustión lenta es la forma de combustión lenta, a baja temperatura y sin llama, sostenida por el calor que se desarrolla cuando el oxígeno ataca directamente la superficie de un combustible de fase condensada. Es una reacción de combustión típicamente incompleta. Los materiales sólidos que pueden soportar una reacción de combustión lenta incluyen carbón, celulosa , madera , algodón , tabaco , turba , duff , humus , espumas sintéticas, polímeros carbonizados (incluida la espuma de poliuretano ) y polvo . Ejemplos comunes de fenómenos latentes son el inicio de incendios residenciales en muebles tapizados.por fuentes de calor débiles (p. ej., un cigarrillo, un cable en cortocircuito) y la combustión persistente de biomasa detrás de los frentes en llamas de los incendios forestales .
Rápido [ editar ]
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La combustión rápida es una forma de combustión, también conocida como fuego , en la que se liberan grandes cantidades de calor y energía lumínica , lo que a menudo provoca una llama . Esto se usa en una forma de maquinaria como motores de combustión interna y en armas termobáricas . Dicha combustión con frecuencia se denomina explosión , aunque para un motor de combustión interna esto es inexacto. [ disputado ] Un motor de combustión interna opera nominalmente en una combustión rápida controlada. Cuando la mezcla de combustible y aire en un motor de combustión interna explota, eso se conoce como detonación. [ disputado ]
Espontáneo [ editar ]
La combustión espontánea es un tipo de combustión que se produce por autocalentamiento (aumento de la temperatura debido a reacciones internas exotérmicas ), seguido de fugas térmicas (autocalentamiento que acelera rápidamente a altas temperaturas) y finalmente, ignición. Por ejemplo, el fósforo se auto enciende a temperatura ambiente sin la aplicación de calor. Los materiales orgánicos sometidos a compostaje bacteriano pueden generar suficiente calor para alcanzar el punto de combustión. [8]
Turbulento [ editar ]
La combustión que produce una llama turbulenta es la más utilizada para aplicaciones industriales (por ejemplo , turbinas de gas , motores de gasolina , etc.) porque la turbulencia ayuda al proceso de mezcla entre el combustible y el oxidante .
Microgravedad [ editar ]
El término 'micro' gravedad se refiere a un estado gravitacional que es 'bajo' (es decir, 'micro' en el sentido de 'pequeño' y no necesariamente una millonésima parte de la gravedad normal de la Tierra) tal que la influencia de la flotabilidad en los procesos físicos puede ser considerado pequeño en relación con otros procesos de flujo que estarían presentes en la gravedad normal. En dicho entorno, la dinámica de transportetérmico y de flujo puede comportarse de manera bastante diferente que en condiciones normales de gravedad (p. Ej., La llama de una vela toma la forma de una esfera. [9] ). La investigación de la combustión por microgravedad contribuye a la comprensión de una amplia variedad de aspectos que son relevantes tanto para el entorno de una nave espacial (por ejemplo, la dinámica del fuego relevante para la seguridad de la tripulación en elEstación Espacial Internacional ) y condiciones terrestres (basadas en la Tierra) (por ejemplo, dinámica de combustión de gotas para ayudar a desarrollar nuevas mezclas de combustible para mejorar la combustión, procesos de fabricación de materiales , gestión térmica de sistemas electrónicos , dinámica de ebullición de flujo multifásico y muchos otros).
Microcombustión [ editar ]
Los procesos de combustión que ocurren en volúmenes muy pequeños se consideran microcombustión . La alta relación superficie-volumen aumenta la pérdida de calor específica. La distancia de extinción juega un papel vital en la estabilización de la llama en tales cámaras de combustión .
Ecuaciones químicas [ editar ]
Combustión estequiométrica de un hidrocarburo en oxígeno [ editar ]
En general, la ecuación química para la combustión estequiométrica de un hidrocarburo en oxígeno es:
dónde .
Combustión estequiométrica de un hidrocarburo en el aire [ editar ]
Si la combustión estequiométrica se lleva a cabo utilizando el aire como fuente de oxígeno, el nitrógeno presente en el aire ( Atmósfera de la Tierra ) se puede agregar a la ecuación (aunque no reacciona) para mostrar la composición estequiométrica del combustible en el aire y la composición. del gas de combustión resultante. Tenga en cuenta que el tratamiento de todos los componentes que no son de oxígeno en el aire como nitrógeno da una relación de 'nitrógeno' a oxígeno de 3.77, es decir (100% - O2%) / O2% donde O2% es 20.95% vol:
dónde .
Por ejemplo, la combustión estequiométrica de propano () en el aire es:
La composición estequiométrica del propano en el aire es 1 / (1 + 5 + 18.87) = 4.02% vol
Traza productos de combustión [ editar ]
Varias otras sustancias comienzan a aparecer en cantidades significativas en los productos de combustión cuando la temperatura de la llama es superior a aproximadamente1600 K . Cuando se usa un exceso de aire, el nitrógeno puede oxidarse a NO y, en un grado mucho menor, a NO
2 . El CO seforma pordesproporcióndeCO
2yH
2yOHforma por desproporción deH
2O.
2 . El CO seforma pordesproporcióndeCO
2yH
2yOHforma por desproporción deH
2O.
Por ejemplo, cuando 1 mol de propano se quema con28,6 mol de aire (120% de la cantidad estequiométrica), los productos de combustión contienen 3,3% de O
2 . A1400 K , los productos de combustión en equilibriocontienen 0.03% de NO y 0.002% de OH . A1800 K , los productos de combustión contienen 0.17% NO , 0.05% OH , 0.01% CO y 0.004% H
2 . [10]
2 . A1400 K , los productos de combustión en equilibriocontienen 0.03% de NO y 0.002% de OH . A1800 K , los productos de combustión contienen 0.17% NO , 0.05% OH , 0.01% CO y 0.004% H
2 . [10]
Los motores diesel funcionan con un exceso de oxígeno para quemar pequeñas partículas que tienden a formarse con solo una cantidad estequiométrica de oxígeno, produciendo necesariamente emisiones de óxido de nitrógeno . Tanto los Estados Unidos como la Unión Europea imponen límites a las emisiones de óxido de nitrógeno de los vehículos, que requieren el uso de convertidores catalíticos especiales o el tratamiento del escape con urea (ver fluido de escape Diesel ).
Combustión incompleta de un hidrocarburo en oxígeno [ editar ]
La combustión incompleta (parcial) de un hidrocarburo con oxígeno produce una mezcla de gases que contiene principalmente CO
2 ,CO,H
2 OyH
2 . Dichas mezclas de gases se preparan comúnmente para su uso como atmósferas protectoras para eltratamiento térmicode metales y parala cementación de gases. [11] La ecuación de reacción general para la combustión incompleta de unmolde un hidrocarburo en oxígeno es:
2 ,CO,H
2 OyH
2 . Dichas mezclas de gases se preparan comúnmente para su uso como atmósferas protectoras para eltratamiento térmicode metales y parala cementación de gases. [11] La ecuación de reacción general para la combustión incompleta de unmolde un hidrocarburo en oxígeno es:
Cuando z cae por debajo de aproximadamente el 50% del valor estequiométrico, CH
4 puede convertirse en un importante producto de combustión; cuandozcae por debajo de aproximadamente el 35% del valor estequiométrico, elcarbonoelementalpuede volverse estable.
4 puede convertirse en un importante producto de combustión; cuandozcae por debajo de aproximadamente el 35% del valor estequiométrico, elcarbonoelementalpuede volverse estable.
Los productos de combustión incompleta pueden calcularse con la ayuda de un equilibrio de materiales , junto con la suposición de que los productos de combustión alcanzan el equilibrio . [12] [13] Por ejemplo, en la combustión de un mol de propano ( C
3 H
8 ) con cuatro moles deO
2 , se forman siete moles de gas de combustión, yzes el 80% del valor estequiométrico. Las tres ecuaciones de equilibrio elemental son:
3 H
8 ) con cuatro moles deO
2 , se forman siete moles de gas de combustión, yzes el 80% del valor estequiométrico. Las tres ecuaciones de equilibrio elemental son:
- Carbón:
- Hidrógeno:
- Oxígeno:
Estas tres ecuaciones son insuficientes en sí mismas para calcular la composición del gas de combustión. Sin embargo, en la posición de equilibrio, la reacción de desplazamiento agua-gas da otra ecuación:
- ;
Por ejemplo, en 1200 K el valor de K eq es 0.728. [14] Solucionando, el gas de combustión consiste en 42.4% H
2O , 29.0% CO
2 , 14.7% H
2 y 13.9% deCO. El carbono se convierte en una fase estable en1200 K y1 presión atm cuando z es inferior al 30% del valor estequiométrico, momento en el cual los productos de combustión contienen más del 98% de H
2 yCOy aproximadamente 0.5% deCH
4 .
2O , 29.0% CO
2 , 14.7% H
2 y 13.9% deCO. El carbono se convierte en una fase estable en1200 K y1 presión atm cuando z es inferior al 30% del valor estequiométrico, momento en el cual los productos de combustión contienen más del 98% de H
2 yCOy aproximadamente 0.5% deCH
4 .
Combustibles [ editar ]
Las sustancias o materiales que sufren combustión se denominan combustibles . Los ejemplos más comunes son gas natural, propano, queroseno, diesel, gasolina, carbón, carbón, madera, etc.
Combustibles líquidos [ editar ]
La combustión de un combustible líquido en una atmósfera oxidante en realidad ocurre en la fase gaseosa. Es el vapor que arde, no el líquido. Por lo tanto, un líquido normalmente se incendiará solo por encima de cierta temperatura: su punto de inflamación . El punto de inflamación de un combustible líquido es la temperatura más baja a la que puede formar una mezcla inflamable con el aire. Es la temperatura mínima a la que hay suficiente combustible evaporado en el aire para iniciar la combustión.
Combustibles gaseosos [ editar ]
La combustión de combustibles gaseosos puede ocurrir a través de uno de los cuatro tipos distintivos de combustión: llama de difusión , llama premezclada , frente de reacción autoignitiva o como detonación . [15] El tipo de combustión que realmente ocurre depende del grado en que se mezclan el combustible y el oxidanteantes del calentamiento: por ejemplo, se forma una llama de difusión si el combustible y el oxidante se separan inicialmente, mientras que una llama premezclada se forma de otra manera . Del mismo modo, el tipo de combustión también depende de la presión: una detonación, por ejemplo, es un frente de reacción autoignitiva acoplado a una fuerte onda de choque que le da su pico de alta presión característico y altovelocidad de detonación . [15]
Combustibles sólidos [ editar ]
El acto de combustión consta de tres fases relativamente distintas pero superpuestas:
- Fase de precalentamiento , cuando el combustible no quemado se calienta hasta su punto de inflamación y luego se dispara . Los gases inflamables comienzan a evolucionar en un proceso similar a la destilación en seco .
- Fase de destilación o fase gaseosa , cuando se enciende la mezcla de gases inflamables desprendidos con oxígeno. La energía se produce en forma de calor y luz. Las llamas son a menudo visibles. La transferencia de calor de la combustión al sólido mantiene la evolución de los vapores inflamables.
- Fase de carbón o fase sólida , cuando la salida de gases inflamables del material es demasiado baja para la presencia persistente de llamas y el combustible carbonizado no se quema rápidamente y solo brilla y luego solo arde .
Gestión de la combustión [ editar ]
El calentamiento eficiente del proceso requiere la recuperación de la mayor parte posible del calor de combustión de un combustible en el material que se procesa. [16] [17] Hay muchas vías de pérdida en la operación de un proceso de calentamiento. Típicamente, la pérdida dominante es el calor sensible que sale del gas de escape (es decir, el gas de combustión ). La temperatura y la cantidad de gas de escape indica su contenido de calor ( entalpía ), por lo que mantener su cantidad baja minimiza la pérdida de calor.
En un horno perfecto , el flujo de aire de combustión coincidiría con el flujo de combustible para dar a cada molécula de combustible la cantidad exacta de oxígeno necesaria para provocar la combustión completa. Sin embargo, en el mundo real, la combustión no se desarrolla de manera perfecta. Combustible no quemado (generalmente CO y H
2 ) la descarga del sistema representa una pérdida de valor de calefacción (así como un peligro para la seguridad). Dado que los combustibles no son deseables en el gas de escape, mientras que la presencia de oxígeno sin reaccionar allí presenta problemas mínimos de seguridad y ambientales, el primer principio de la gestión de la combustión es proporcionar más oxígeno del que en teoría se necesita para garantizar que todo el combustible se queme. Para metano (CH
4 ) la combustión, por ejemplo, requiere un poco más de dos moléculas de oxígeno.
2 ) la descarga del sistema representa una pérdida de valor de calefacción (así como un peligro para la seguridad). Dado que los combustibles no son deseables en el gas de escape, mientras que la presencia de oxígeno sin reaccionar allí presenta problemas mínimos de seguridad y ambientales, el primer principio de la gestión de la combustión es proporcionar más oxígeno del que en teoría se necesita para garantizar que todo el combustible se queme. Para metano (CH
4 ) la combustión, por ejemplo, requiere un poco más de dos moléculas de oxígeno.
Sin embargo, el segundo principio del manejo de la combustión es no usar demasiado oxígeno. La cantidad correcta de oxígeno requiere tres tipos de medición: primero, control activo del flujo de aire y combustible; segundo, medición del oxígeno del gas de escape; y tercero, medición de gases de escape. Para cada proceso de calentamiento, existe una condición óptima de pérdida de calor mínima del gas de escape con niveles aceptables de concentración de combustibles. Minimizar el exceso de oxígeno paga un beneficio adicional: para una temperatura dada de gas de escape, el nivel de NOx es más bajo cuando el exceso de oxígeno se mantiene más bajo. [3]
La adhesión a estos dos principios se fomenta haciendo equilibrios de material y calor en el proceso de combustión. [18] [19] [20] [21] El balance de materiales relaciona directamente la relación aire / combustible con el porcentaje de O
2 en el gas de combustión. El balance de calor relaciona el calor disponible para la carga con el calor neto total producido por la combustión del combustible. [22] [23] Se pueden hacer equilibrios de material y calor adicionales para cuantificar la ventaja térmica de precalentar el aire de combustión, [24] [25] o enriquecerlo en oxígeno. [26] [27]
2 en el gas de combustión. El balance de calor relaciona el calor disponible para la carga con el calor neto total producido por la combustión del combustible. [22] [23] Se pueden hacer equilibrios de material y calor adicionales para cuantificar la ventaja térmica de precalentar el aire de combustión, [24] [25] o enriquecerlo en oxígeno. [26] [27]
Mecanismo de reacción [ editar ]
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La combustión en oxígeno es una reacción en cadena en la que participan muchos intermedios radicalesdistintos . La alta energía requerida para la iniciación se explica por la estructura inusual de la molécula de dioxígeno . La configuración de energía más baja de la molécula de dioxígeno es un diradical estable, relativamente no reactivo en un estado de espín triplete . El enlace se puede describir con tres pares de electrones de enlace y dos electrones antienlace, con espines alineados, de modo que la molécula tenga un momento angular total distinto de cero. La mayoría de los combustibles, por otro lado, están en un estado singlete, con giros emparejados y momento angular total cero. La interacción entre los dos es mecánicamente cuántica una " transición prohibida", es decir, es posible con una probabilidad muy baja. Para iniciar la combustión, se requiere energía para forzar el dioxígeno en un estado de hilado emparejado, o oxígeno singlete . Este intermedio es extremadamente reactivo. La energía se suministra como calor , y la reacción produce más calor, lo que le permite continuar.
Se cree que la combustión de hidrocarburos se inicia por abstracción de átomos de hidrógeno (no abstracción de protones) del combustible a oxígeno, para dar un radical hidroperóxido (HOO). Esto reacciona aún más para dar hidroperóxidos, que se rompen para dar radicales hidroxilo . Hay una gran variedad de estos procesos que producen radicales combustibles y radicales oxidantes. Las especies oxidantes incluyen oxígeno singlete, hidroxilo, oxígeno monoatómico e hidroperoxilo . Dichos intermedios son de corta duración y no pueden aislarse. Sin embargo, los intermedios no radicales son estables y se producen en combustión incompleta. Un ejemplo es el acetaldehído producido en la combustión de etanol . Un intermediario en la combustión de carbono e hidrocarburos,El monóxido de carbono es de especial importancia porque es un gas venenoso , pero también económicamente útil para la producción de gas de síntesis .
Los combustibles líquidos sólidos y pesados también sufren una gran cantidad de reacciones de pirólisis que dan combustibles gaseosos que se oxidan más fácilmente. Estas reacciones son endotérmicas y requieren un aporte de energía constante de las reacciones de combustión en curso. La falta de oxígeno u otras condiciones inadecuadamente diseñadas dan como resultado que estos productos de pirólisis nocivos y cancerígenos se emitan como humo espeso y negro.
La tasa de combustión es la cantidad de un material que sufre combustión durante un período de tiempo. Se puede expresar en gramos por segundo (g / s) o kilogramos por segundo (kg / s).
Las descripciones detalladas de los procesos de combustión, desde la perspectiva de la cinética química, requieren la formulación de redes grandes e intrincadas de reacciones elementales. [28] Por ejemplo, la combustión de combustibles de hidrocarburos generalmente involucra cientos de especies químicas que reaccionan de acuerdo con miles de reacciones.
La inclusión de tales mecanismos en los solucionadores de flujo computacional todavía representa una tarea bastante desafiante, principalmente en dos aspectos. Primero, el número de grados de libertad (proporcional al número de especies químicas) puede ser dramáticamente grande; segundo, el término fuente debido a reacciones introduce un número dispar de escalas de tiempo que hacen que todo el sistema dinámico sea rígido. Como resultado, la simulación numérica directa de flujos reactivos turbulentos con combustibles pesados pronto se vuelve intratable incluso para las supercomputadoras modernas. [29]
Por lo tanto, se ha ideado una gran cantidad de metodologías para reducir la complejidad de los mecanismos de combustión sin recurrir a un alto nivel de detalle. Los ejemplos son proporcionados por:
- El Método de Redistribución de Relajación (RRM) [30] [31] [32] [33]
- El enfoque del colector intrínseco de baja dimensión (ILDM) y desarrollos posteriores [34] [35] [36]
- El método de curva de preimagen de borde de equilibrio restringido invariante. [37]
- Algunos enfoques variacionales [38] [39]
- El método de perturbación singular computacional (CSP) y otros desarrollos. [40] [41]
- El enfoque de equilibrio controlado de velocidad controlada (RCCE) y el múltiple de cuasi equilibrio (QEM). [42] [43]
- El esquema G. [44]
- El Método de Cuadrículas Invariantes (MIG).
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