Combustion - Aire Teorico & Exceso

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGIENIERIA QUIMICA Y TEXTIL
BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

PI-111B
CLASE 12
ING. MBA MARIO R. DE LA CRUZ AZABACHE
AGOSTO 2020
COMBUSTION
Una de las reacciones mas importante, debido a la gran
cantidad de energía que liberan. Útil para la generación de
vapor y energía eléctrica a través de turbinas. Se
presentan altas temperaturas y bajas presiones.
Se define como la reacción de un combustible (carbón,

hidrógeno, hidrocarburos de alto peso molecular, gas
natural (metano), gas licuado de petróleo (propano,
butano), etc. con oxígeno.
REACCIONES:
Al reaccionar con oxígeno, el carbono presente en el
combustible forma CO ó CO2 y el hidrógeno forma H2O y si
hay azufre, SO2.
C3H8 + 7/2 O2 3CO + 4 H2O (INCOMPLETA)
C3H8 + 5 O2 3CO2 + 4 H2O COMPLETA
CO + ½ O2 CO2
H2 + ½ O2 H2O
CS2 + 3 O2 CO2 + 2SO2

FUENTE BÁSICA
Por razones económicas, el aire se emplea como fuente de
oxígeno. El aire seco tiene un peso molecular igual a 29 y
su composición molar es en promedio 79% N2 y 21% O2
BASE SECA Y BASE HÚMEDA

El gas de combustión contiene agua. Si en la composición
se incluye ésta, se define como composición en base
húmeda. Ej:
% molar
CO2 33.3
N2 33.3
H2O 33.3
100.0
Generalmente en las técnicas para analizar el gas de
combustión (como el Análisis Orsat) expresa la
composición en base seca. En el ejemplo anterior:
% molar
CO2 50.0
N2 50.0
100.0
PROBLEMA 1.- El análisis de un gas de combustión refleja
60.0% mol N2, 15% mol de CO2, 10.0 % de O2 y el balance
H2O. Calcule la composición en base seca
BASE: 100 Moles de gas húmedo
moles B.D
CO2 15.0
N2 60.0
O2 10.0
85.0
% molar B.D
CO2 15.0/85.0 x 100 17.6
N2 60.0/85.0 x 100 70.6
O2 10.0/85.0 X 100 11.8
100.0
PROBLEMA 2.- El análisis Orsat de un gas de combustión
da la siguiente composición refleja 65.0% mol N2, 14% mol
de CO2, 11.0 % de CO y el balance O2. Si la humedad del
gas de combustión es 0.070 mol de H20 /mol de gas
húmedo, calcule la composición del gas de combustión en
base húmeda.
BASE: 100 Moles de gas seco
0.070 mol de H2O x mol de gas húmedo

mol de gas húmedo (1 - 0.070) mol gas seco
mol de H2O
= 0.0753
mol de gas seco
% molar
moles húmedo
H2O 0.0753 x 100 7.53 7.53/107.53 x 100 7.00
CO2 0.14 x 100 14.00 14.00/107.53 x 100 13.02
N2 0.65 x 100 65.00 65.00/107.53 x 100 60.45
CO 0.11 x 100 11.00 11.00/107.53 x 100 10.23
O2 0.10 X 100 10.00 10.00/107.53 X 100 9.30
107.53
100.00
AIRE TEORICO Y AIRE EN
EXCESO
El aire teórico, es el que contiene el oxígeno teórico, que

es la cantidad de oxígeno requerido para quemar todo el
combustible a CO2 y H2O
El aire en exceso, cantidad de aire que excede al aire

teórico. Se expresa comúnmente como porcentaje en
exceso:
Moles aire real – moles de aire teórico x 100

% de aire en exceso =
moles de aire teórico
OXÍGENO TEÓRICO DE
COMBUSTIBLES
Dado un combustible con la composición de

CnH(2n+2) ó CnHm, entonces los moles de oxígeno
teórico requerido se determina:
PROBLEMA 3.- Calcular el oxígeno teórico requerido para la
combustión de un gas que tiene la siguiente composición en
volumen
%
CO2 2.6
C2.73H4.72(no saturado) 8.4
O2 0.7
H2 39.9
CO 32.9
C1.14H4.28 (parafinas) 10.1
N2 5.4
100.0
BASE: 100 Moles de gas de combustión
Moles oxígeno
necesario
No saturados : 8.4 x( 2.73 + 4.72/4) 32.80
Hidrógeno : 39.9/2 19.95
Monóxido de Carbono: 32.9/2 16.45
Parafinas : 10.1 x ((3x1.14)/2 + 1/2) 22.30
91.50
(0.70)
90.80
Por tanto, se requiere 0.908 moles de oxígeno teórico por

mol de gas de combustión. ¿Cuánto aire con 45% de
exceso se requiere para quemar este combustible?
PROBLEMA.- Un gas pobre obtenido de coque tiene la
siguiente composición en volumen:
%
CO 28.0
CO2 3.5
O2 0.5
N2 68.0
100.0
El gas se quema con aire que contiene 20% de exceso de

oxígeno neto necesario para la combustión completa. Si la
combustión se completa en un 100%, calcular:
a. Las moles de aire suministrado y del gas resultante

b. La composición en tanto por ciento en volumen del
producto gaseoso formado por cada 100 mol de gas
pobre
I.- BASE: 100 Moles de gas pobre
II. Diagrama de flujo
GAS DE COMBUSTIÓN
B Mol
%
GAS POBRE
CO2 ?
100 Mol
O2 ?
N2 ?
%
100
CO 28.0
CO2 3.5
O2 0.5 Horno
N2 68.0 con 100%
100.0 conversión
AIRE Con 20% de exceso en oxígeno neto

A mol
%
O2 ? III. REACCIÓN DE COMBUSTIÓN
N2 ?
100
CO + ½ O2 CO2
1 Mol ½ Mol 1 Mol
IV. BALANCE DE OXÍGENO
GAS DE COMBUSTIÓN
B Mol
GAS POBRE %
100 Mol CO2 ?
O2 ?
% N2 ?
CO 28.0 100
CO2 3.5 Horno
O2 0.5 con 100%
N2 68.0 CO + ½ O2 CO2
conversión
100.0
A mol
%
O2 ?
N2 ?
100
- O2 necesario para combinar con todo el CO :
0.5 mol O2/1 mol CO x 28 mol CO = 14 mol O2
- O2 en el gas pobre = 0.5 mol
- O2 que se necesita (Oxígeno Neto) = 14.0 – 0.5 = 13.5 mol O2

Entonces, O2 suministrado por el aire con 20% de exceso :
13.5 mol O2 X 1.20 = 16.2 mol O2
Luego, O2 consumido con 100% de conversión = 14.0 mol
Por tanto :
O2 en el gas de combustión:
O2 IN - O2 Reacc = O2 OUT
(O2 en gas pobre + O2 en aire) - O2 Reacc = O2 OUT
(0.5 mol O2 + 16.2 mol O2 ) – 14.0 mol O2 = 2.7 mol O2

V. BALANCE DE NITROGENO
GAS DE COMBUSTIÓN
B Mol
CO2 ?
GAS POBRE O2 2.7 mol
100 Mol N2 ?
%
CO 28.0 Horno
CO2 3.5
con 100%
O2 0.5
N2 68.0 conversió CO + ½ O2 CO2
100.0 n
A mol
O2 16.2 mol
N2 ?
Nitrógeno en el gas pobre : 68 mol N2
Nitrógeno en el aire en exceso

79 mol N2 aire/21 mol O2 aire X 16.2 mol O2 = 60.94 mol N2
Entonces nitrógeno en gas de combustión = 68 + 60.94 = 128.94 mol N2
Y, aire en exceso alimentado
A = 16.2 + 60.94 = 77.14 mol Aire

VI. BALANCE DE DIÓXIDO DE CARBONO
GAS DE
COMBUSTIÓN
GAS POBRE B Mol

100 Mol
CO2 ?
O2 2.7 mol
% N2 128.94 mol
CO 28.0 Horno
CO2 3.5
con 100%
O2 0.5 CO + ½ O2 CO2
N2 68.0 conversión
100.0
77.14 mol
O2 16.2 mol
N2 60.94 mol
Balance con moles de C

- Moles de Carbono en el gas pobre =
(28 mol CO X 1 mol C / mol CO) + (3.5 mol CO2 X 1 mol C / mol CO2 )
28.0 + 3.5 = 31.5 mol C
Que es el mismo carbono que se encuentra en el CO2 del gas de combustión:
31.5 mol C X 1 mol CO2 / 1 mol C = 31.5 mol CO2

Finalmente:
GAS DE COMBUSTIÓN
163.14 mol
GAS POBRE CO2 31.50 mol 19,31 %
O2 2.70 mol 1.65 %
100 Mol N2 128.94 mol 79.04 %
%
CO 28.0
CO2 3.5 Horno
O2 0.5 con 100%
conversión
N2 68.0
100.0
77.14 mol
O2 :16.2 mol 21.0 %
N2 : 60.94 mol 79.0 %

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FACULTAD DE INGIENIERIA QUIMICA Y TEXTIL

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

ING. MBA MARIO R. DE LA CRUZ AZABACHE

Se define como la reacción de un combustible (carbón,

C3H8 + 7/2 O2 3CO + 4 H2O (INCOMPLETA)

C3H8 + 5 O2 3CO2 + 4 H2O COMPLETA

CS2 + 3 O2 CO2 + 2SO2

BASE SECA Y BASE HÚMEDA

0.070 mol de H2O x mol de gas húmedo

El aire teórico, es el que contiene el oxígeno teórico, que

El aire en exceso, cantidad de aire que excede al aire

Moles aire real – moles de aire teórico x 100

Dado un combustible con la composición de

Por tanto, se requiere 0.908 moles de oxígeno teórico por

El gas se quema con aire que contiene 20% de exceso de

a. Las moles de aire suministrado y del gas resultante

AIRE Con 20% de exceso en oxígeno neto

AIRE Con 20% de exceso en oxígeno neto

- O2 necesario para combinar con todo el CO :

0.5 mol O2/1 mol CO x 28 mol CO = 14 mol O2

- O2 en el gas pobre = 0.5 mol

- O2 que se necesita (Oxígeno Neto) = 14.0 – 0.5 = 13.5 mol O2

13.5 mol O2 X 1.20 = 16.2 mol O2

Luego, O2 consumido con 100% de conversión = 14.0 mol

(O2 en gas pobre + O2 en aire) - O2 Reacc = O2 OUT

(0.5 mol O2 + 16.2 mol O2 ) – 14.0 mol O2 = 2.7 mol O2

AIRE Con 20% de exceso en oxígeno neto

Nitrógeno en el gas pobre : 68 mol N2

Nitrógeno en el aire en exceso

Entonces nitrógeno en gas de combustión = 68 + 60.94 = 128.94 mol N2

Y, aire en exceso alimentado

A = 16.2 + 60.94 = 77.14 mol Aire

GAS POBRE B Mol

AIRE Con 20% de exceso en oxígeno neto

Balance con moles de C

28.0 + 3.5 = 31.5 mol C

Que es el mismo carbono que se encuentra en el CO2 del gas de combustión:

31.5 mol C X 1 mol CO2 / 1 mol C = 31.5 mol CO2

AIRE Con 20% de exceso en oxígeno neto

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