Teoría de un proceso de combustión

Introducción

La combustión es el conjunto de procesos físico-químicos por los cuales se libera controladamente parte de la energía interna del combustible. Una parte de esa energía se va a a manifestar en forma de calor y es la que a nosotros nos interesa.

La reacción de un elemento químico con el oxígeno sabemos que se llama oxidación. La combustión no es más que una reacción de oxidación, en la que normalmente se va a liberar una gran cantidad de calor.

Los combustibles tienen en su composición unos elementos principales, combustibles (C, H, S) y otros no combustibles, como el V, Ni, Na, Si,…

El comburente más habitual usado en la combustión es el aire (21% O, 73% N₂ (inerte)).

Se llama calor de combustión a la disminución de entalpía de un cuerpo en C/N de presión y a una temperatura definida. Será entonces el calor que se libera cuando el combustible arde en una llama o cuando los componentes principales reaccionan con el oxígeno. En la combustión, cada uno de los componentes combustibles del combustible va a sufrir la reacción de oxidación correspondiente.

Reacción de combustión

Se trata de una reacción de oxidación con la particularidad de que se realiza muy rápidamente, es exotérmica. Esta reacción se produce entre los elementos combustibles de un combustible y el oxígeno del comburente. Para que un combustible sufra la combustión, es necesario que alcance su temperatura de ignición. Se define el punto de ignición de un combustible como la temperatura a la cual, una vez iniciada la llama, esta ya no se extingue. Es esta temperatura de 20 a 60ºC más alta que la temperatura de inflamación.

En una reacción de oxidacción tendremos

Primer Miembro		Segundo Miembro
Combustible + comburente		Gases de combustión + calor

Combustible: Toda sustancia capaz de arder

Comburente: Sustancia que aporta el oxígeno para que el combustible sufra oxidación

Los combustibles industriales suelen estar constituídos por mezclas de pocos elementos, ya que esto simplifica en gran medida el proceso. Los componentes de un combustible se pueden clasificar en:

• Combustibles
• Inertes. Estos hay que eliminarlos y por lo tanto resultan perjudiciales

Fases de la reacción de combustión

Se pueden distinguir tres fases en la reacción de combustión:

• Fase de prerreacción (formación de radicales). Los compuestos hidrocarbonados se descomponen dando lugar a la formación de radicales, que son unos compuestos intermedios inestables y muy activos, para que de este modo el carbono y el hidrógeno puedan reaccionar con el oxígeno.
• Fase de Oxidación: En esta fase se produce la combinación entre los elementos y el oxígeno. Es una fase muy exotérmica y es cuando tiene lugar la propagación de la llama.
• Fase de Terminación: Aquí es cuando se forman los compuestos estables. El conjunto de estos compuestos es lo que llamamos gases de combustión.

Es necesario que se produzca una gran coordinación entre la 1ª y la 2ª fase, ya que si no podría llegar a producirse una explosión, por acumulación de radicales. La explosión es la onda que se produce y transmite por la masa reaccionante a una velocidad de 1500-2500 m/s, pudiendo producirse más de una detonación di después de la primera queda producto que aún pueda reaccionar violentamente. 4.- CLASES DE REACCIONES DE COMBUSTIÓN Las reacciones se pueden clasificar según el modo en el cual transcurran de la siguiente manera:

• Combustión NEUTRA o estequiométrica
• Combustión INCOMPLETA o imperfecta
• Combustión COMPLETA

Combustión neutra

Es aquélla que se produce cuando el aire empleado aporat la cantidad justa de oxígeno para que todos los reactivos de transformen en productos. Para que la estequiometría se cumpla, hay que considerar TODOS los elementos que sufren la reacción de combustión en el combustible. Cuando la reacción tenga lugar totalmente, entonces no habrá H, O, S y C, que se transformarán en productos correspondientes que irán en los gases de combustión. Como inertes aparecerá, por lo menos, el nitrógeno.

A veces, a los gases de combustión se les llama poder comburívoro o poder fumígeno. Se define éste como los gases húmedos tótales procedentes de una combustión neutra o estequiométrica (de todos los elementos combustibles e inertes también)

Combustión incompleta

Es aquélla en la que por defecto en el suministro de aire no hay oxígeno necesario para que se produzca la oxidación total del carbono. Esto quiere decir que no todo el carbono se va a transformar en CO₂ y aparecerá como producto de combustión de CO. Aparecen entonces los inquemados. Los inquemados también se pueden producir por defecto en el aparato quemador. Los inquemados se definen como la materia combustible que ha quedado sin quemar o parcialmente quemada. Pueden ser de dos clases:

• Sólidos: Carbono (hollín). Provocan un ennegrecimiento de los humos de combustión
• Gaseosos: CO, H₂

Cuando aparecen inquemados es señal de que no se ha aprovechado bien el combustible, por lo que la combustión que se está realizando es mala y se deberían tomar medidas de algún tipo para mejorarla.

Combustión completa

Para que se produzca una combustión completa se hace necesario aportar un exceso de aire, es decir, de oxígeno. El exceso se realiza sobre la cantidad estequiométricamente necesaria para que todos los productos combustibles sufran la oxidación (tanto el C como el O ó el H). En este caso no se van a producir inquemados. En la práctica se hace difícil conseguir la combustión completa. Por ello es necesario aportar un exceso de aire. El exceso de aire se define como la cantidad de aire por encima del teórico que hay que aportar para que se realice la combustión completa del combustible

Productos resultantes de la reacción de combustión

En general, los productos de combustión se llaman humos. Se definen éstos como la masa de compuestos que resultan de un proceso de combustión. Mayoritariamente están formados por óxidos de los elementos combustibles de un combustible, además de por los elementos del combustible que no sufren reacción, donde hay que incluir el N₂ del aire que no va a reaccionar con el oxígeno.

Otros elementos que pueden aparecer en los humos pueden ser pequeñas proporciones de elementos en suspensión, como carbón u hollín (que se define como una sustancia alquitranosa de coquización).

Los humos pueden clasificarse en secos (sin agua) o húmedos (con agua).