Combustión

Combustión del metano con el oxígeno.

Por combustión (del latín combustio, -onis)​ , en sentido amplio, puede entenderse toda reacción química, relativamente rápida, de carácter notablemente exotérmico, que se desarrolle en fase gaseosa o heterogénea (liquido-gas, sólido-gas), sin exigir necesariamente la presencia de oxígeno, con o sin manifestación del tipo de llamas o de radiaciones visibles.​

Desde el punto de vista de la teoría clásica, la combustión se refiere a las reacciones de oxidación, que se producen de forma rápida, de materiales llamados combustibles, formados fundamentalmente por carbono (C) e hidrógeno (H) y en algunos casos por azufre (S), en presencia de oxígeno, denominado el comburente y con gran desprendimiento de calor.

Desde un punto de vista funcional, la combustión es el conjunto de procesos físico-químicos, por los cuales se libera controladamente parte de la energía interna del combustible(energía química) que se manifiesta al exterior bajo la forma de calor, para ser aprovechado dentro de un horno o una caldera​.

En adelante, todo se refiere a la teoría clásica. En la realidad, en lugar de oxígeno puro, la reacción se produce con presencia de aire, que normalmente, para simplificar los cálculos, se le considera con una composición en volumen; de 21% de Oxigeno y 79% de Nitrógeno.

Las reacciones que se producen son las siguientes:

$C\qquad +\qquad O_{2}\qquad \longrightarrow \qquad CO_{2}\qquad +\qquad 33.875$ KJ/kg de C

$H_{2}\qquad +\qquad 1/2O_{2}\qquad \longrightarrow \qquad H_{2}O\qquad +\qquad 143.330$ kJ/kg de H₂

$S\qquad +\qquad O_{2}\qquad \longrightarrow \qquad SO_{2}\qquad +\qquad 8.958$ kJ/kg de S

Fases de la combustión

Las reacciones de combustión son en realidad mucho más complejas de lo que puede parecer, debido principalmente a la enorme rapidez con que se suceden las distintas etapas. Hasta la llama más simple es el resultado de muchas reacciones químicas casi simultáneas, cuyo estudio requiere la resolución de problemas de aerodinámica, de conducción de calor y de difusión molecular​. La teoría clásica simplifica todo este proceso atendiendo más al resultado final, que a la dinámica del proceso.

Los tres componentes indicados no se encuentran como componentes puros, sino que forman parte de un compuesto que generalmente conocemos como hidrocarburo. El proceso de combustión se realiza en tres fases:

• En una primera fase se produce una prerreacción en la que los hidrocarburos se descomponen para reaccionar con el oxígeno, formando unos compuestos inestables que reciben el nombre de radicales.
• La segunda fase es la de oxidación, en la cual se libera la mayor parte del calor.
• En la tercera se completa la oxidación y se forman los productos estables que serán los componentes de los gases de combustión.

En la primera fase, los radicales formados son muy activos y enormemente inestables, de forma que se producen reacciones en cadena en la que estos evolucionan y desaparecen de una forma equilibrada. Cuando los radicales se forman a una velocidad superior a la que reaccionan posteriormente, su acumulación provoca una reacción masiva y violenta con el oxígeno que se conoce como explosión. La onda expansiva que se produce por la liberación súbita de energía, puede alcanzar velocidades de transmisión superiores a 2500 m/s y suele estar acompañada de una detonación. Cuando la velocidad de propagación es inferior a la del sonido, no hay explosión y la reacción súbita se conoce como deflagración.

Tipos de combustión

Se pueden distinguir tres tipos de combustión:

• Combustión completa o perfecta: Cuando las reacciones indicadas están desplazadas totalmente a la derecha, es decir, los componentes se oxidan completamente, formando dióxido de carbono ($CO_{2}$), vapor de agua ( $H_{2}O$) y en su caso, dióxido de azufre($SO_{2}$), independientemente de la cantidad de aire empleada en la reacción. Esto implica que el oxígeno presente en el aire, ha sido cuando menos, suficiente para oxidar completamente los componentes.
• Combustión Estequiométrica o neutra: es una combustión completa en la que se ha empleado la cantidad exacta de aire obtenida a partir de las relaciones cuantitativas de las moléculas que intervienen en cada reacción. En realidad se trata de una combustión ideal, que solo puede conseguirse en laboratorio.
• Combustión incompleta: Es aquella cuyos gases de combustión contienen compuestos parcialmente oxidados llamados inquemados, como: monóxido de carbono (CO), partículas de carbono,hidrógeno,etc.

Exceso de aire

La reacción de combustión del C se puede escribir de la siguiente manera:

$C\qquad +\qquad O_{2}\qquad \longrightarrow \qquad CO_{2}$

$12\,g\qquad \qquad 22,4\,l\qquad \qquad 22,4\,l$

Los números debajo, son las cantidades en peso y volumen, en condiciones normales a 0ºC y 101,3 kPa de presión, que intervienen de cada sustancia en la reacción ; 12 gramos de Carbono, necesitan 22,4 litros​ de oxígeno para que se obtengan 22,4 litros de dióxido de carbono. Si esto se produce exactamente así, es lo que se llama reacción estequiométrica. A partir de la cantidad estequiométrica de oxígeno y teniendo en cuenta que el aire lo contiene en un 21% de su volumen, podemos calcular el aire mínimo necesario para aportar el oxígeno estequiométrico. Para un combustible, que contiene un determinado porcentaje en peso de carbono, hidrógeno y azufre, se calcula el oxígeno necesario para oxidar cada elemento y la suma de estas cantidades será el aire mínimo necesario para quemar completamente una unidad del mismo ​.

En la práctica, como ya se dijo, aportando a un proceso de combustión esta cantidad de aire mínima, no se logra una combustión completa. No hay que olvidar que en un proceso industrial, tanto el combustible como el aire están en movimiento, lo que hace que la mezcla combustible-comburente no sea homogénea. Si a esto se añaden; la velocidad de las reacciones, el escaso tiempo de permanencia de la mezcla en la cámara y las variaciones de temperatura, el resultados es que una fracción del combustible escapa por la chimenea sin haberse quemado, o por lo menos, no totalmente.

Cuando una partícula de carbono, no encuentra el aire suficiente para quemarse, la reacción que se produce es:

$C\qquad +\qquad 1/2O_{2}\qquad \longrightarrow \qquad CO\qquad +\qquad 10.204$kJ/kg de C (monóxido de carbono)

Esto significa que por cada kg de C que pase a CO, se pierden 23.671 kJ, además de la peligrosidad que implica la formación de monóxido de carbono. Se hace pues imprescindible, aportar un exceso de aire(n) ​, es decir, una cantidad mayor de la estequiométricamente necesaria, para que todas las partículas de combustible encuentren el oxígeno suficiente para oxidarse totalmente. Podría llegarse a la conclusión de que aportar mucho aire garantiza una combustión completa y por tanto es una buena estrategia. Sin embargo, todo el aire añadido no necesario, entra y sale de la cámara de combustión sin haber hecho otra cosa que calentarse, lo cual supone una pérdida de calor y por tanto una bajada del rendimiento. Lo eficaz, en consecuencia, será añadir el exceso de aire justo para conseguir una oxidación completa.

Ecuación química

Combustible + O₂ → H₂O + CO₂ + energía

Reacción de combustión

(Combustión de hidrocarburos (alcanos) con O₂.)

C(n)H(2n+2) + (1.5n+0.5)O2 → (n)CO2 + (n+1)H2O

Bibliografía

• Giuliano Salvi.La combustión (teoría y aplicaciones).Dossat S.A..isbn 8423704254
• Campsa.Manual Técnico sobre la utilización de combustibles líquidos en la industria.isbn 8439846260
• Catalana de Gas y Electricidad.Ahorro de energía en la industria(Uso racional de los combustibles). Index.isbn8470872257
• John R. Howell & Richard O. Buckius. Principios de termodinámica para ingenieros. McGraw Hill.isbn9684225717

Véase también

• Deflagración
• Detonación
• Teoría del flogisto
• Reducción-oxidación#Oxidación
• Motor de combustión interna
• Reacción irreversible
• Respiración
• Combustión completa

Enlaces externos

• Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre combustión.

• El Diccionario de la Real Academia Española tiene una definición para combustión.