UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA
DE MÉXICO
FACULTAD DE QUÍMICA
3.- Combusti´on
J.L. L´opez-Cervantes
A. A. Garc´ıa Figueroa
Laboratorio de Superficies, Facultad de Qu´ımica, UNAM
fenomenossuperficies104@ gmail. com
17 de agosto de 2020
Ciclo Combinado
Generador
de vapor
1
2
3
4
5
6
7
10
11
12
13
8
14
15
16
17
18
29
30
28
Aire
Quemador
Turbina de gas
14
15
16
17
19
20
21
22
23
18
Ciclo Combinado
Combusti´on
Arreglo para la combusti´on
A
B
C
E
G
Quemador
Mezclador Economizador
S
H
Balance de materia
N
A
i
= x
A
i
N
A
(1)
Balance de materia con reacci´on qu´ımica:
Salida = Entra -Consume + Produce
Balance de materia
α
11
A
1
+ α
21
A
2
−−→ α
31
A
1
+ α
41
A
2
ξ
1
α
12
A
1
+ α
22
A
2
−−→ α
32
A
1
+ α
42
A
2
ξ
2
Balance de materia
Balance de materia por componente
N
S
i
= N
E
i
+
n
R
X
j=1
α
ij
ξ
j
(2)
Balance de materia total
N
S
= N
E
+
n
c
X
i=1
n
R
X
j=1
α
ij
ξ
j
(3)
Donde α
ij
son los coeficientes estequim´etricos y ξ
j
son los
avances de reacci´on.
Balance de materia
Balance de materia por componente
N
S
i
= N
E
i
+
n
R
X
j=1
α
ij
ξ
j
(4)
Balance de materia total
N
S
= N
E
+
n
c
X
i=1
n
R
X
j=1
α
ij
ξ
j
(5)
Donde α
ij
son los coeficientes estequim´etricos y ξ
j
son los
avances de reacci´on.
Balance de materia
Composici´on a la salida:
y
S
i
=
N
S
i
N
S
(6)
Balance de energ´ıa
Balance de energ´ıa general
N
S
h
S
− N
E
h
E
=
˙
Q +
˙
W (7)
n
R
X
j=1
ξ
j
∆h
o
r,j
+N
S
h
S
−N
E
h
E
=
˙
Q +
˙
W (8)
Temperatura de flama adiab´atica
Quemador
˙
Q = 0
˙
W = 0
Temperatura de flama adiab´atica
Temperatura de flama adiab´atica:
n
R
X
j=1
ξ
j
∆h
o
r,j
+ N
S
h
S
− N
E
h
E
= 0 (9)
Aproximaciones:
n
R
X
j=1
ξ
j
∆h
o
r,j
+ N
S
hc
#
p
i
S
(T
S
− T
o
) − N
E
hc
#
p
i
E
(T
E
− T
o
) = 0
(10)
Temperatura de flama adiab´atica
T
S
=
N
E
hc
#
p
i
E
(T
S
− T
o
) −
P
n
R
j=1
ξ
j
∆h
o
r,j
N
S
hc
#
p
i
S
+T
o
(11)
Temperatura de flama adiab´atica
E
Quemador
S
˙
Q
max
= N
S
h
S
= N
S
hc
#
p
i
S
(T
S
− T
o
) (12)
Combusti´on Gas Natural
Reacciones
CH
4
+ 2 O
2
−−→ CO
2
+ 2 H
2
O
C
2
H
6
+ 3.5 O
2
−−→ 2 CO
2
+ 3 H
2
O
Ecuaciones de balance de materia:
N
S
CH
4
= N
E
CH
4
− ξ
1
(13)
N
S
C
2
H
6
= N
E
C
2
H
6
− ξ
2
(14)
N
S
O
2
= N
E
O
2
− 2ξ
1
− 3.5ξ
2
(15)
N
S
CO
2
= N
E
CO
2
+ ξ
1
+ 2ξ
2
(16)
N
S
H
2
O
= N
E
H
2
O
+2ξ
1
+3ξ
2
(17)
Conversi´on
Metano:
N
S
CH
4
= (1 −
CH
4
) N
E
CH
4
(18)
ξ
1
= −
CH
4
N
E
CH
4
α
CH
4
,1
(19)
Etano:
N
S
C
2
H
6
= (1 −
C
2
H
6
) N
E
C
2
H
6
(20)
ξ
2
= −
C
2
H
6
N
E
C
2
H
6
α
C
2
H
6
,2
(21)
Aire en exceso
Aire en exceso
A
B
C
Mezclador
Aire
Combustible
N
A
i
+ N
B
i
= N
C
i
(22)
Aire en exceso
A
B
C
Mezclador
Aire
Combustible
N
A
O
2
= y
A
O
2
N
A
aire
(23)
Aire en exceso
CH
4
+ 2 O
2
−−→ CO
2
+ 2 H
2
O
C
2
H
6
+ 3.5 O
2
−−→ 2 CO
2
+ 3 H
2
O
N
Ao
O
2
= 2N
B
CH
4
+ 3.5N
B
C
2
H
6
(24)
N
Ao
aire
=
2N
B
CH
4
+ 3.5N
B
C
2
H
6
y
A
O
2
(25)
Demostraci´on ir a p´agina 26
Aire en exceso
ϕ
aire
=
N
A
aire
− N
Ao
aire
N
Ao
aire
=
N
A
O
2
− N
Ao
O
2
N
Ao
O
2
= ϕ
O
2
(26)
N
A
O
2
= (1 + ϕ
aire
) N
Ao
O
2
(27)
N
A
aire
= (1 + ϕ
aire
) N
Ao
aire
(28)
Aire en exceso
N
A
O
2
= (1 + ϕ
aire
)
2N
B
CH
4
+ 3.5N
B
C
2
H
6
(29)
N
A
aire
=
(1 + ϕ
aire
)
2N
E
CH
4
+ 3.5N
E
C
2
H
6
y
A
O
2
(30)
Aire en exceso
N
A
O
2
= y
A
O
2
N
A
aire
(31)
N
A
N
2
= y
A
N
2
N
A
aire
(32)
N
A
H
2
O
= y
A
H
2
O
N
A
aire
(33)
Aire en exceso
Demostraci´on ecuaci´on 24
N
S
CH
4
= N
E
CH
4
− ξ
o
1
= 0 ξ
o
1
= N
E
CH
4
(34)
N
S
C
2
H
6
= N
E
C
2
H
6
− ξ
o
2
= 0 ξ
o
2
= N
E
C
2
H
6
(35)
N
S
O
2
= N
Eo
O
2
− 2ξ
o
1
− 3.5ξ
o
2
= 0 (36)
N
Eo
O
2
= 2ξ
o
1
+ 3.5ξ
o
2
(37)
N
Eo
O
2
= 2N
E
CH
4
+ 3.5N
E
C
2
H
6
(38)