BALANCES DE MATERIA: Combustión
Summary
TLDREste video aborda el tema de la combustión, explicando cómo los combustibles reaccionan con el oxígeno para generar calor y energía, elementos clave en la industria química. Se discuten los tipos de combustibles (sólidos, líquidos y gaseosos), las reacciones de oxidación completa e incompleta, y el cálculo de oxígeno teórico y aire en exceso. También se explica cómo las reacciones de combustión impulsan turbinas para la generación de energía. Finalmente, se resuelve un problema práctico sobre el cálculo del porcentaje de aire en exceso en un proceso de combustión.
Takeaways
- 🔥 La combustión es una reacción entre un combustible y oxígeno, generando dióxido de carbono y agua.
- 💡 Aunque los productos de la combustión no tienen valor económico, la energía generada es clave para mover turbinas de gas y vapor.
- ⚙️ Los ingenieros químicos se enfocan en analizar las reacciones de combustión y controlar la contaminación ambiental.
- 🪵 Los combustibles pueden ser sólidos (como carbón), líquidos (como el petróleo), o gaseosos (como el gas natural).
- ⚗️ La combustión completa produce dióxido de carbono, mientras que la combustión incompleta genera monóxido de carbono, un subproducto indeseable.
- 🌬️ El aire es la principal fuente de oxígeno para las reacciones de combustión, compuesto en su mayoría de nitrógeno y oxígeno.
- 📊 Para los cálculos de combustión, se simplifica la composición del aire a 79% de nitrógeno y 21% de oxígeno.
- 🧮 El exceso de oxígeno es común en la combustión para asegurar una mayor conversión del combustible, siendo el aire el reactivo más económico.
- 📉 El oxígeno teórico es la cantidad necesaria para una oxidación completa, mientras que el aire teórico contiene el oxígeno requerido.
- 🔍 El porcentaje de exceso de aire se calcula a partir del aire alimentado menos el aire teórico, dividido entre el aire teórico.
Q & A
¿Qué es la combustión según el video?
-La combustión es una reacción química entre un combustible y el oxígeno, produciendo calor y gases como dióxido de carbono y vapor de agua.
¿Cuál es la importancia de la combustión en la industria química?
-La combustión es crucial en la industria química porque genera grandes cantidades de calor, que se utilizan para mover turbinas de gas y producir vapor para turbinas de vapor, lo que genera la mayor parte de la energía eléctrica del mundo.
¿Cuáles son los principales elementos que componen un combustible?
-Los elementos fundamentales de un combustible son el carbono e hidrógeno. Aunque el azufre también está presente, no se considera combustible, sino más bien un material indeseable.
¿Qué diferencia existe entre una combustión completa y una incompleta?
-La combustión completa ocurre cuando se produce dióxido de carbono (CO2) como resultado de la oxidación total del carbono, mientras que la combustión incompleta genera monóxido de carbono (CO), un producto indeseable que daña los equipos.
¿Cuál es la composición molar aproximada del aire utilizada en los cálculos de combustión?
-El aire tiene una composición molar aproximada de 78.03% nitrógeno, 20.98% oxígeno, 0.95% argón, y 0.03% dióxido de carbono, entre otros gases en trazas.
¿Por qué se considera al nitrógeno como inerte en las reacciones de combustión?
-El nitrógeno se considera inerte en las reacciones de combustión porque, aunque puede reaccionar a altas temperaturas para formar óxidos de nitrógeno, generalmente no participa en las reacciones de combustión y se asume que entra y sale sin cambios.
¿Qué es el oxígeno teórico y para qué se utiliza en los cálculos de combustión?
-El oxígeno teórico es la cantidad mínima de oxígeno necesaria para oxidar completamente el combustible. Se utiliza en los cálculos para asegurar que se efectúe la oxidación completa de los compuestos del combustible.
¿Por qué se utiliza aire en exceso en las reacciones de combustión?
-Se utiliza aire en exceso para garantizar que todo el combustible reaccione y se oxiden por completo los compuestos de carbono e hidrógeno. Esto asegura un mayor consumo del combustible y evita la formación de productos indeseables como el monóxido de carbono.
¿Cómo se calcula el porcentaje de aire en exceso?
-El porcentaje de aire en exceso se calcula con la fórmula: (aire alimentado - aire teórico) / aire teórico * 100, y generalmente es igual al porcentaje de oxígeno en exceso.
¿Cuál es el resultado final del problema planteado en el video sobre la combustión de propano?
-El resultado del problema es un porcentaje de 47% de aire en exceso en el proceso de combustión del propano en un horno, calculado a partir de las moles de oxígeno alimentado y teórico.
Outlines
🔥 Introducción a la combustión
La combustión es la reacción entre un combustible y oxígeno, produciendo calor. En la industria química, esta reacción es fundamental aunque sus productos no tengan valor comercial. El combustible más común es el metano, que reacciona con oxígeno para generar dióxido de carbono y agua. La energía generada se usa principalmente para mover turbinas de gas y vapor, produciendo electricidad. Los ingenieros químicos estudian estas reacciones para optimizar procesos y reducir la contaminación ambiental.
🌍 Composición del aire y su papel en la combustión
El aire está compuesto mayoritariamente por nitrógeno (78.03%) y oxígeno (20.98%), además de pequeñas cantidades de otros gases. En la mayoría de los cálculos de combustión, se simplifica la composición del aire a 79% nitrógeno y 21% oxígeno. A temperaturas elevadas, una pequeña cantidad de nitrógeno reacciona formando óxido nítrico, aunque en la mayoría de los casos se considera inerte en las reacciones de combustión.
📊 Cálculo del exceso de aire en la combustión
Cuando se realiza una combustión, es común usar aire en exceso para asegurar la conversión completa del combustible. El oxígeno teórico es la cantidad necesaria para lograr la oxidación completa, mientras que el aire teórico contiene dicho oxígeno. El exceso de aire es la cantidad adicional utilizada para garantizar que todo el combustible se oxide. El cálculo se basa en la diferencia entre el aire alimentado y el teórico, que permite obtener el porcentaje de aire en exceso.
🧪 Ejemplo de cálculo de aire en exceso
Se presenta un problema donde se alimentan 100 moles de propano y 3500 moles de aire por hora a un horno. Parte del propano no se quema completamente, formando monóxido y dióxido de carbono. El cálculo del porcentaje de exceso de aire se realiza identificando las corrientes de los componentes involucrados. Se determina que el porcentaje de aire en exceso es del 47%, basándose en las moles teóricas de oxígeno necesarias y las moles reales alimentadas.
Mindmap
Keywords
💡Combustión
💡Oxígeno
💡Combustible
💡Oxidación completa
💡Oxidación incompleta
💡Aire en exceso
💡Oxígeno teórico
💡Monóxido de carbono
💡Dióxido de carbono
💡Peso molecular del aire
Highlights
La combustión es la reacción entre un combustible y oxígeno, siendo una de las más importantes en la industria química.
Los productos de combustión, aunque no tienen valor, son cruciales para la generación de energía térmica.
El metano y el oxígeno reaccionan para formar dióxido de carbono y agua, liberando grandes cantidades de calor.
La energía térmica de la combustión se utiliza para mover turbinas de gas y vapor, generando la mayor parte de la energía eléctrica mundial.
La combustión de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos es clave en varios sectores industriales.
El carbono y el hidrógeno son los elementos fundamentales en los combustibles, aunque el azufre también aparece en menor medida.
Existen reacciones de combustión completas, que producen dióxido de carbono, e incompletas, que generan monóxido de carbono.
La oxidación parcial produce monóxido de carbono, un producto indeseado por su efecto negativo en equipos industriales.
El aire es la principal fuente de oxígeno en las reacciones de combustión, y su composición molar es 78% nitrógeno y 21% oxígeno.
En las reacciones de combustión, se considera al nitrógeno como un gas inerte que no participa en la reacción.
El oxígeno teórico es la cantidad necesaria para efectuar una oxidación completa de un combustible.
El aire en exceso se utiliza en las reacciones de combustión para asegurar una mayor conversión del combustible.
El porcentaje de aire en exceso se calcula con la fórmula: aire alimentado menos aire teórico, dividido entre aire teórico.
La oxidación completa de un combustible implica la formación de dióxido de carbono y vapor de agua.
El exceso de oxígeno se utiliza para maximizar la eficiencia de la combustión y reducir la formación de monóxido de carbono.
Transcripts
[Música]
hola queridos estudiantes como están
en esta ocasión revisaremos ahora el
tema de combustión en el cual el
equivalente al balance es en un reactor
ahora el componente principal que
llamará la atención será el oxígeno
comencemos ahora revisaremos
que la combustión es esa reacción de un
combustible con oxígeno es quizás la
reacción más importante en la industria
química a pesar de que los productos de
la combustión no tienen valor alguno y
aquí encontramos principalmente los a
los componentes principales tenemos a
los reactivos que principalmente es un
combustible metano más oxígeno que
reaccionan para formar dióxido de
carbono y agua
la importancia de la combustión reside
en que las cantidades de calor tan
grandes que se producen son
principalmente utilizadas para mover
turbinas de gas y para producir vapor de
agua que a su vez se usa para operar
turbinas de vapor
[Música]
ambos ambos tipos de turbinas generan la
mayor parte de la energía eléctrica del
mundo los ingenieros mecánicos
generalmente son los encargados de
diseñar el equipo de generación de
potencia eléctrica pero el análisis de
las reacciones de combustión de los
reactores y de la disminución y control
de la contaminación ambiental causada
por los productos de la combustión son
tareas en las que estamos involucrados
los ingenieros químicos
vamos a revisar los conceptos básicos un
combustible es aquella sustancia que
combinada con el oxígeno del aire
produce luz calor y desprendimiento de
gases los combustibles comerciales ya
sea en su estado natural o en formas
preparadas pueden ser sólidos líquidos y
gases tenemos al combustible en fase
sólida a los combustibles en fase
líquida y al combustible en fase gas
aike que tenemos muy en mente que los
combustibles sólidos comprenden tanto
los carbones lignitos oques maderas y
residuos combustibles procedentes de
muchos procesos de fabricación los
combustibles líquidos comprenden al
alcohol el petróleo y sus derivados los
gases naturales salen de la tierra y los
gases fabricados son productos obtenidos
principalmente del carbón los elementos
fundamentales de un combustible son
carbono que ya lo conocemos
principalmente en todos los compuestos
químicos e hidrógeno el azufre también
se presenta pero no se considera como
combustible sino más bien como un
material y
y tenemos algunas reacciones de
combustión que les llamamos completas e
incompletas de materiales sólidos
líquidos graciosos cuando se quema un
combustible que tiene carbono hidrógeno
ya sufre algunas de las reacciones
químicas que ocurren son las siguientes
principalmente se hace reaccionar el
reactivo carbono más oxígeno los cuales
provocan el el producto monóxido de
carbono en algunas ocasiones estos
mismos reactivos producen al dióxido de
carbono y en algunas ocasiones el
hidrógeno en fase gas o elemental más
oxígeno en facilidad
tenemos el vapor de agua para cuando se
se genera la reacción de azufre más
oxígeno se genera el dióxido de azufre
aquí la reacción en la que se forma
monóxido se conoce como oxidación
parcial o oxidación incompleta y la
reacción en la que se produce el dióxido
de carbono se denomina oxidación
completa
a continuación se muestran algunos
ejemplos para el caso de carbono y
varios hidrocarburos idh y sulfuro de
carbono porque tenemos esto tenemos las
siguientes reacciones porque decimos que
es oxidación completa cuando se forma
dióxido de carbono pues es que en este
caso este producto que se genera pues
principalmente nosotros deseamos que se
genere este este producto el monóxido de
carbono no nos conviene para los
procesos químicos que se formen dado que
genera o es un material indeseable que
nada más daña a los equipos por lo tanto
debemos de considerar que cuando tenemos
producción de dióxido de carbono vamos a
considerar que es una oxidación completa
y tenemos diferentes ejemplos así que
revisen muy bien
estas estas reacciones que tenemos aquí
también por racionales obviamente
económicas el aire es la principal
fuente de oxígeno en la mayoría de las
reacciones de combustión el aire
presenta la siguiente composición molar
aproximada nosotros vamos a identificar
en porcentaje mol estos elementos
incluidos en el aire por ejemplo tenemos
al nitrógeno que está presente en 78
puntos 0 3 % al oxígeno en un 20 punto
98 por ciento al argón en punto 95% al
co2 o dióxido de carbono el punto 0 3 %
y a los siguientes elementos que sería
el hidrógeno en fase a gas helio e neón
en krypton y xenón en el punto 0 1 %
tenemos un peso molecular promedio para
el aire de 28.84 gramos por mol ustedes
ya saben cómo calcular el peso molecular
promedio y además tenemos un vídeo en el
cual les explicamos cómo se lleva a cabo
este cálculo
para la mayoría de los cálculos de
combustión es aceptable simplificar toda
la composición que tenemos en la parte
superior solamente a nitrógeno y oxígeno
indicando 79% mol para el nitrógeno y
21% muy para oxígeno a temperaturas
mayores que generalmente se encuentran
entre 1800 grados centígrados una
pequeña parte del nitrógeno del aire
reacciona para formar óxido nítrico y
sin embargo para el análisis de la
combustión generalmente se supone que el
nitrógeno es inerte nuestras reacciones
y todos los ejemplos que nosotros vemos
y vamos a desarrollar además de los que
se encuentran en la industria química el
nitrógeno se considera un gas inerte no
va a participar en las reacciones de
combustión por eso es que lo vamos a
dejar indicado así en los cálculos
correspondientes
tenemos también y ya revisamos en
algunos ejercicios anteriores el cálculo
del oxígeno teórico y oxígeno en exceso
además del porcentaje de oxígeno en
exceso vamos a recordar que si dos
reactivos participan en una reacción uno
de ellos es considerablemente más caro
que el otro y es frecuente que el
reactivo más barato se utilice en exceso
con respecto al más caro ello tiene el
efecto de aumentar la conversión del
reactivo más caro a expensas del costo
del reactivo en exceso que va a pasar
que para el caso de la combustión el
reactivo más económico es el oxígeno del
aire por lo tanto las reacciones de
combustión se llevan a cabo
invariablemente con más aire del que se
necesita para asegurar un mayor consumo
del combustible aquí es por eso que
nosotros vamos a ocupar al oxígeno del
aire que es lo que tenemos gratis en
nuestros en todo el planeta entonces
vamos a ocupar a este para hacerlo
reaccionar y generalmente vamos a
agregarlo en exceso para
qué acapare a la mayor cantidad del
reactivo limitante
también tenemos en consideración que el
oxígeno teórico es la cantidad de exceso
que se necesita para efectuar la
oxidación completa del combustible que
se alimenta el quemador entonces si
estamos hablando de oxidación completa
estamos hablando de la reacción que
forma dióxido de carbono suponiendo que
todo el carbono del combustible se oxida
para formar este compuesto que todo el
hidrógeno se oxida para formar vapor de
agua y si hay azufre este produzca
dióxido de azufre el oxígeno teórico
también se conoce como ese oxígeno
requerido hay que tomarlo mucho en mente
también hay que considerar la definición
de aire teórico esta es la cantidad de
aire que contiene el oxígeno teórico y
el aire en exceso es la cantidad en
exceso del aire alimentado al reactor
con respecto al aire teórico
vale entonces tenemos la siguiente
expresión para el cálculo del porcentaje
de aire en exceso la cual es porcentaje
de exceso de aire es igual al aire
alimentado menos el aire teórico entre
el aire teórico por ciento también vamos
a considerar que cuando las corrientes
del combustible no van acompañadas
detrás alguna de oxígeno a qué nos
referimos contras alguna de oxígeno es a
partes muy pequeñas de este compuesto
el porcentaje de aire en exceso es
idéntico al porcentaje de oxígeno en
exceso y qué es lo que tenemos qué
porcentaje de aire en exceso es igual al
porcentaje de oxígeno en exceso y esto
va a ser igual al a moles de oxígeno a
alimentado o más a menos
moles o masa de oxígeno teórico entre
moles o masa de oxígeno teórico por
ciento entonces así lo vamos a calcular
y esto va a aplicar siempre y cuando no
tengamos trazas de algo en el
combustible de oxígeno generalmente
nuestros
en nuestros desarrollos en los
ejercicios no traen trazas y de oxígeno
en el combustible y la corriente de
oxígeno o de aire va independiente vale
entonces vamos a comenzar con el primer
problema de este concepto tenemos que un
horno se alimenta con 100 moles por
horas de propano junto con 3500 moles
por hora de aire no se quema todo el
propano y se forman monóxido y dióxido
de carbono respectivamente calculé el
porcentaje de aire en exceso
suministrado al horno entonces tenemos
la primera reacción en la cual tenemos
una mol de propano más 5 moles de
oxígeno reaccionan o se hacen reaccionar
para formar 3 moles de dióxido de
carbono y 4 moles de agua o vapor de
agua tenemos una segunda reacción
indeseable en esta se hace reaccionar
una mol de propano más 3.5 moles de
oxígeno
se producen tres moles de mont de
monóxido de carbono más cuatro moles de
vapor de agua y tenemos el siguiente
esquema no estamos identificando que
existen tres corrientes en la primera
corriente entre el combustible propano
que son en un flujo molar de 100 moles
por hora en la corriente 2 se hace
ingresar aire de por 33 mil 500 moles
por hora y están saliendo los compuestos
dióxido de carbono que estamos viendo
presente en la reacción que se forma
monóxido de carbono el indeseable que
también se forma vapor de agua propano
que no reaccionó oxígeno que tampoco
reaccionó y nitrógeno que no participa
en la reacción osea el nitrógeno así
como entra así sal entonces empecemos a
hacer su desarrollo correspondiente nos
está pidiendo el porcentaje de exceso de
aire
que identificamos en la siguiente
información tenemos una base de cálculo
de moles totales en la corriente 1
identificamos que son los moles de
propano en la corriente 1 igual a 100
moles por hora además tenemos otra base
de cálculo que es molesto tales en la
corriente 2 que corresponden a las moles
de aire que se están suministrando y son
3500 moles por hora por lo tanto sabemos
que moles totales de la corriente 2 son
iguales a las moles de aire en la
corriente 2 y esto corresponde a moles
parciales de oxígeno y moles parciales
de nitrógeno en la misma corriente 2 que
corresponden y nosotros ya hemos
desarrollado estos cálculos a los moles
totales por su correspondiente fracción
mol de cada uno de ellos
entonces considerando que la fracción
mol de oxígeno desde el punto 21 y
fracción mol de nitrógeno punto 79 vamos
a multiplicarlo por con su
correspondiente
corriente total que sería para oxígeno
735 moles por ahora y para nitrógeno dos
mil 765 moles por hora entonces ya
tenemos moles parciales de cada uno de
los componentes nos están solicitando el
cálculo del porcentaje de exceso de aire
como también identificamos que el
problema no nos está indicando que
existan trazas de oxígeno en el
combustible propano se considera que el
porcentaje de exceso de aire es igual al
porcentaje de exceso de oxígeno y esto
para su cálculo necesitamos los moles
parciales que estamos alimentando de
oxígeno que ya los tenemos menos moles
parciales de oxígeno teórico que está
reaccionando por cien entre oxígeno
teórico por ciento por lo tanto ya
tenemos moles de oxígeno alimentado y
necesitamos calcular moles de oxígeno
teórico cómo lo vamos a hacer recordando
que moles de oxígeno teórico son iguales
a los moles de propano que reaccionan
por la relación éste kilométrica molar
entonces si estamos hablando del torico
es cuando todo el reactivo limitante
está reaccionando al 100% o sea el grado
de conversión es del 100% que todo lo
que alimentamos
acción por lo tanto realizamos para los
cálculos correspondientes de oxígeno
teórico necesitamos tomar como base la
primer reacción en la cual se lleva a
cabo la oxidación completa donde existe
la formación de dióxido de carbono
abusados por lo tanto vamos a ocupar
esta reacción para que esta reacción la
vamos a ocupar en los cálculos este
geométricos o sea vamos a tomar las
moles que estamos formando de dióxido de
carbono
[Música]
entonces moles de oxígeno teórico que
van a reaccionar son iguales a las moles
de propano que reaccionan al 100% por
relación este que métrica a molar y esto
es igual a 100 moles por hora por 5
entre 1
5 de que de oxígeno entre una mol de
propano ojo no estamos tomando las moles
de dióxido de carbono estamos tomando al
oxígeno porque porque estamos calculando
por ser moles parciales de oxígeno
teórico
entonces tenemos que moles parciales de
oxígeno teórico que reaccionarían si se
consumiera todo el propano serían de 500
moles por horas de oxígeno ahora el
porcentaje de exceso de aire o
porcentaje de exceso de oxígeno vamos a
calcularlo de la siguiente manera ya
tenemos lo que alimentamos 735 muy por
ahora menos 500 que es lo que está
reaccionando teóricamente entre 500 que
es mismos moles parciales de oxígeno
teórico por 100 y tenemos un resultado
de 47 por ciento de aire en exceso u
oxígeno en exceso entonces aquí ya
tenemos el resultado si se dan cuenta no
nos pidieron la composición como en los
otros problemas anteriores sino que aquí
solamente nos pidieron cálculo calcular
porcentaje de exceso de aire entonces
así es como terminamos este problema
espero te haya gustado a describir los
acordes realizarnos un like para
continuar subiendo contando al cual
pretendemos de ayuda en diferentes ramas
de la tumba
[Música]
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