E NT AL PIA NO RM AL DE FO RM ACI Ó N : I ° f La ent al pí a norm al de form aci ón de un com puest o es el cal or que s e ex t rae durant e s u re acci ón de fo rm aci ón si em pre que se m a nt en ga const ant e l a pr es i ón durant e t odo el proc eso y l as t em perat u r as de ent rada de l os react i vos sea i gu al a l a t em perat ur a de sa l i da de l os product o s. P ara com para r r es ul t ados se ut i l i z a el est ado norm al i z ado o s t and ard (p o , T o ) =[ 1(at m ), 29 8(°K)] . S e supone l as si gui ent es condi c i ones: E c =0 ; E p =0; w t =0; q=0. P odem os gr afi ca r el pro ceso com o si gue:

Reactivos (1ata ; 293°K)

Cámara de Reacción wt = 0

Producto

Producto

(1ata ; Tf °K)

(1ata ; 298°K)

q=0 - q = I ° f =( I T f - I 2 9 8 )

La t em p erat ur a de s al i da de l os gas es de l a cám ar a de r eac c i ón T f , que s erá m a yor qu e 298°K, se denom i na t em pera t ura t eóri ca o adi ab át i ca de re acci ón; y es l a t em per at ura que al canz arí a el p rodu ct o si ést e absorbi e ra t odo el cal or de l a reac ci ón com pl et a ( C uando t odo l os rea ct i vos se t ransform a n en product o). El cal or ex t raí do en el i nt ercam bi ador a p=ct e, re ci be el nom bre de ent al pí a norm al de form a ci ó n del com puest o I ° f = -q = ( I T f - I 2 9 8 )

[ kcal / m ol del com puest o]

Labo rat ori os especi al i z ados han det e rm i nado y t abul ado est as I f pa ra t odos l os com puest os conoci dos, y p ara e l m i sm o est ado norm al i z ado.

PODER CALORÍFICO DE UN COMBUSTIBLE

El poder cal o rí fi co o pot enci a c al orí fi c a de un com bust i bl e es l a c ant i dad de cal or que l i bera una det erm i nada uni dad (m ási ca [ Kcal / Kg] si es sól i do/l í qui do ó vol um ét ri ca [ Kcal / Nm 3 ] si es l í qu i do/gas eoso) de di cho c om bust i bl e cuando s e quem a en condi ci ones norm al i z adas. P ara norm al i z ar el val or num éri co de l P oder C al orí fi co se adopt an l as s i gui ent es condi ci ones para su d et erm i na ci ón: 

El com bust i bl e y el ai re i ngresan se cos a un a det erm i nada t em perat ur a “T” y a l a p resi ón p = 1 [ Kg/ cm 2 ]



La com bust i ón es co m pl et a y se m ant i en e i nvari ant e l a p resi ón.

Te c n o l o g í a d e l o s S e r v i c i o s A u x i l i a r e s - A p u n t e s d e C l a s e -

1



Los gas es product o de l a com bust i ón son enfri ados has t a l a m i sm a t em perat ur a “T” d e l os react ant es si n m odi fi car l a pr esi ón.

P odem os gra fi ca r de l a si gui ent e m an er a :

Combustible y Aire

Productos Calorímetro

Secos a (p,T)

wt = 0

a (p,T)

H>0

C uando s e conoce l a com posi ci ón del c om bust i bl e, se puede det erm i nar s u P oder C al orí fi co a part i r de l os c al ores de form aci ón de t odos l os product os d e l a com bus t i ón.

 (I 

H 

f

gi 100

)i x

i

P or ej em pl o: si t odas l as re ac ci ones q ue se produ cen en una com bust i ón s on l as s i gui ent es: C + O2

= CO2

+

8.130 [ Kcal / K g de C ]

H2 + ½ O2

= H2O

+ 29.700 [ Kcal / K g de H 2 ]

2 N (com bi nados)

= N 2 (l i bre) +

1.500 [ Kcal / K g de N 2 ]

2 O (com bi nados)

= O 2 (l i bre) -

2.350 [ Kcal/ Kg de O 2 ]

= SO2

4.560 [ Kcal / K g de S ]

S + O2

+

El P oder C al orí fi co será: H = 81,3 gc + 297 gh 2 + 15 gn 2 - 23,5 go 2 + 45,6 gs

[ Kcal / Kg C om bust i bl e]

C uando no se conoc e l a com posi ci ón quí m i ca del com bust i bl e, se det erm i na su

P oder

C al orí fi co

denom i nados cal orí m et ros

bom bas pa ra

ó

cal or

de

r eac ci ón

cal ori m ét ri cas

gas es

y

l í qui dos

para

ut i l i z ando sól i dos

(presi ón

apar at os

(v ol um en

const a nt e).

El

esp eci a l es

const ant e)

y

pri nci pi o

de

funci onam i ent o de am bos es si m i l ar al em pl eado par a det e rm i nar l as ent al pí as de form aci ón. Los rea ct i vos ent r an con l a m i sm a t em p erat ur a con que s al e n l os product os s i endo el w t =0 . El cal or ex t raí do del cal orí m et ro se d enom i na : H = P oder C al orí fi co.

En

general

l as

uni da des

son:

[ Kcal / Kg]

o

[ Kc al / Nm 3 ];

ex i s t i endo[ MJ / Kg] o [ MJ / Nm 3 ] Te c n o l o g í a d e l o s S e r v i c i o s A u x i l i a r e s - A p u n t e s d e C l a s e -

2

H p : P oder cal orí fi c o a p=ct e (si st em as abi ert os) H v : P oder cal o rí fi c o a v=ct e (si st em as cerr ados ) En l a práct i c a y par a l a m i sm a t em perat ura resul t a: H v (T) = 1,01 H p (T) por l o que una di fer enci a de 1% s e pu e de des pr eci a r y s uponer que: H v (T)  H p (T)  H( T) El poder cal orí fi co no depend e d el ex ce so de ai re ; aunqu e si es fun ci ón d e l a t em perat ur a T c on que ent ran l os re act i vos y sal en l os product os (por l a vari aci ón de l os cal ores especí fi cos con T); pero l a di ferenc i a ent re H(T o ) y H ( T), s i em pre a condi ci o nes próx i m as a l a am bi ent e, es peque ña en su val or abs ol ut o (erro res pequ eños), por l o que en l a pr á ct i ca se ha ce u n a nu eva si m pl i fi caci ón: H(T)  H(T o )

=

H

[ Kcal / Kg C om b]

PO DE R CAL O RÍ FI CO S UPE RIO R (H s ) e IN FE RIO R (H i ). S i l a t em perat ura a l a cual se ha ce l a det erm i naci ón del P ode r C al orí fi co es s uperi or a 100 °C , el a gua pr oveni ent e de l a com bust i ón y d e l a hum edad del com bus t i bl e sal e d el cal orí m et ro ev ap orada; po r cu ant o ést a abso rbi ó c al or de evapora ci ón y el val or de H que se obt i ene, denom i nado P oder C al orí fi co Infe ri or, res ul t a s er de m enor val or que el qu e se obt endrí a en una i dént i ca det erm i naci ó n a t em perat ur as m enor es que 100 °C , por cuant o el H así obt eni do se l l am ará P oder C al óri co S uperi or. La di f eren ci a en t re am bos es el product o del cal or de vapori z aci ón del agua (r ( 3 0 º C ) = 580[ Kcal / Kg] ) por l as can t i dades de a gua form ada y/ o prov eni ent e de l a hum edad del com bust i bl e:

Hs  Hi



g H 2O  g H2   2  18 

  x 18 x 580  



9

g H 2  g H 2O



x

580

Así ent onces se rá necesa ri o di fe renci ar el P ode r C al orí f i co en S uperi or, cuando s al e a gua l í qui da, y en Inf eri or, cuando sal e a gua e n est ado de vapor. Es t e úl t i m o es el caso m ás fre cuent e ó com ún ya que en l a práct i c a no p uede aprovech arse el cal o r de condens aci ón. Los

val ores

de

P oder

C al orí fi co

S uperi or

e

Infe ri or

ex pres ados

en

[ MJ / Km ol] y en [ MJ / Kg] se m uest ran en l as si gui ent es t abl a s:

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3

C OMBUS T IB LE

H s (MJ / Km ol )

H i (MJ / Km ol )

C arbono Hi drógeno Met ano Et ano P ropano Et anol

406.9 286 890 1558.5 2221.1 1365

242 802 1426.5 2045.1 1233

C OMBUS T IB LE

Hs

(MJ / Kg)

H i (MJ/ Kg)

Hs (MJ / Kg) 46.5 45.4 43.3 16.9 30 -34 30

Naft a Gas oí l Fuel oí l Madera hul l a C oque

43.5 42.7 40.8 15.3 28-32 29

1[Kcal/Kg] = 4.1868[KJ/Kg] ; 1[MJ] = 238,846 [Kcal]

1 [Kg Comb] ; Ic ; tc

Vgh [Nm3 Gases] ; Igh ; tf

Combustión Hi [Kcal/Kg Comb]

Lr [Nm3 Aire] ; Ia ; ta

wt = 0

q= 0

BALANCE DE ENTALPIA DE UNA COMBUSTION

S i s e quem a 1 Kilogr am o de com bust i bl e a t em perat ura “t c ”, de P oder C al orí fi co i nferi or H i , con L r vol úm e nes de ai re se co a t em perat ur a “t a ”, en un s i s t em a ai s l ado i de al m ent e; se p roduci rán V g h vol úm enes de gases (húm edos) de com bus t i ón

que

absorberán

t odo

el

cal or

de

la

re a cci ón;

al canz ando

una

t em perat ur a de l l am a que l l am ar em os “ T f ”. S ol o para el caso d e que l a com bust i ón fuese com pl et a, e l ai re i ngresant e fues e el ai re m í ni m o neces ari o (  =1) y l as t em perat ur a s t c y t a sean i gual es a l a t em perat ur a de re f erenci a, l a t em per at ura al canz ada en l os gases s e l l a m ará t em perat ur a t eóri c a de l l am a “t t ” y el c a l or absorbi do ser á H i . Las ent al pí as de l os t res fl uj os s erán I c , I a e I g h par a el com bust i bl e, el ai re y l os g as es r espec t i vam ent e; cu yos v al ores dep ender án de l a t em pe rat ur a de

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4

refe renci a que se ad opt e. C onsi derando para t odos l os fl uj os l a m i sm a t em per at ura de ref eren ci a t o =0, t endrem os que: I c  1  Cpc

tc 0

  t c   ( Cpi  i

I a    Lmin  Cpa I gh  Vgh  Cp gh

tf 0

ta 0

tc 0

  g i )  t c 

 ta

  t f  Vgh   ( Cpi  i

I gh  H i  I c  I a

tf 0

   i )  t f 

(1)

( 2)

La ent al pí a “ I c ” nor m al m ent e es d espre ci abl e ya que l a t e m perat ura t c del com bus t i bl e es baj a (gene ral m ent e t em perat ur a am bi ent e ), adem ás l as v ari a ci ones de l os C p m edi os c on l as t em perat ur as son pequeña en l o s com bust i bl es s ól idos y/ o l í qui dos. Así ent onces est a ent al pí a t i ene un val or despreci abl e; ex ce pt o cuando pre cal ent am os di cho com bust i bl e ó cuando el com bu st i bl e es gas eos o. La ent al pí a “ I a ” no es senci l l o det e rm i narl a ya que d epende de l as s i gui ent es va ri abl es : 

Del val or de  que varí a se gún el ex ces o de ai re ( L m í n est á fi j ado con l a com posi ci ón del co m bust i bl e).



Del val or de l a t em perat ur a t a que t am bi én puede vari ar por que es m u y com ún prec al ent ar e l com burent e.



Del val or d e l os C p m edi os del ai r e que va rí an bast ant e cuando cam bi am os l a t em pe rat ura t a .

La ent al pí a “ I g h ” po drí a det erm i na rse a part i r de l a ecu aci ó n (2) s ol o en el cas o úni co de com bust i ón com pl et a , ya que H i es el cal or ent re gado cu ando l a com bus t i ón es com pl et a, y ut i l i z ando t abl as de C p m edi os del ai re y d e l os com ponent es

del

com bust i bl e

para

l as

t em perat uras

de

i ngr eso

ta

y

tc.

Norm al m ent e no se t rabaj a en condi ci on es de com bust i ón co m pl et a. S i observam os l a ecuaci ón (1) v em os que I g h es funci ón de l as s i gui ent es vari abl es : 

Del val or de

 y de l a com posi ci ó n del com bust i bl e, ya qu e V g h

depender á de ést os. 

De l a com posi ci ón d e l os gas es, cu yos v al ores est án i nfl uen ci ados por el val or de  y por l a t em perat ur a de l l am a t f .

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5



Del val or de l a t em perat ur a de l l a m a t f , el cual se r á i gu al a l a t em perat ur a t eóri ca de l l am a t t c uando l a com bust i ón sea c om pl et a y  val ga 1.



Del val or de l os C p m edi os de l os p roduct os de l a com bust i ón que varí an bast ant e cuan do cam bi am os l a t e m perat ura t f .

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