Calculadora d’anàlisi de la combustió

Una calculadora d’anàlisi de la combustió determina l’equació química equilibrada, la relació aire-combustible i la calor alliberada quan crema un combustible. Funciona amb combustibles habituals com el metà, el propà i l’octà, i amb combustibles hidrocarbonats personalitzats introduïts àtom per àtom.

Com s’utilitza la calculadora d’anàlisi de la combustió

1. Trieu un tipus de combustible, com ara metà o propà, o seleccioneu «personalitzat» i introduïu el nombre d’àtoms de carboni, hidrogen, oxigen i nitrogen de la molècula de combustible.
2. Per a un combustible personalitzat, introduïu també la seva entalpia estàndard de formació en kJ/mol. Aquest valor és negatiu per a la majoria dels combustibles: el metà és −74,8 i el propà −103,8. Utilitzeu el valor corresponent a la fase en què es troba el combustible, com ara −234,8 per al vapor d’etanol o −277,0 per a l’etanol líquid. Un element en el seu estat estàndard, com ara l’hidrogen gasós o el carboni, és 0.
3. Trieu l’oxidant: aire (21 % d’oxigen i 79 % de nitrogen en volum) o oxigen pur.
4. Establiu el percentatge d’excés. Utilitzeu 0 % per a la mescla estequiomètrica exacta, o un nombre més alt per afegir oxidant addicional. El camp s’etiqueta «Excés d’aire» per a l’aire i «Excés d’oxigen» per a l’oxigen pur.
5. Llegiu els resultats: l’equació equilibrada, la relació de masses entre l’oxidant i el combustible, la calor alliberada per mol i per quilogram de combustible, i la proporció en massa de cada gas producte.

Quan se selecciona aire, la relació s’etiqueta «Relació aire-combustible». Amb oxigen pur no hi ha aire a la mescla, de manera que el mateix resultat s’etiqueta «Relació oxidant-combustible». Les fórmules dels combustibles apareixen en l’ordre de Hill: primer el carboni, després l’hidrogen i, a continuació, els altres elements; per tant, un combustible personalitzat amb un àtom de carboni, dos d’hidrogen i dos d’oxigen s’escriu CH₂O₂.

Què és la combustió?

La combustió és una reacció química entre un combustible i un oxidant, normalment oxigen, que allibera calor. En una combustió completa, un combustible hidrocarbonat (una molècula formada per carboni i hidrogen) reacciona amb prou oxigen per formar únicament diòxid de carboni (CO₂) i aigua (H₂O). Si no hi ha prou oxigen, la reacció és incompleta i també produeix monòxid de carboni (CO), sutge i combustible sense cremar.

Fórmula de l’oxigen estequiomètric

Per a un combustible amb la fórmula CₓHᵧOᵤ, els mols d’oxigen (O₂) necessaris per a la combustió completa són:

$n(\mathrm{O_2}) = x + \frac{y}{4} - \frac{z}{2}$

Aquí, x és el nombre d’àtoms de carboni, y és el nombre d’àtoms d’hidrogen i z és el nombre d’àtoms d’oxigen que ja hi ha en el combustible. L’equació equilibrada és:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Com es calcula la relació aire-combustible

La relació aire-combustible (AFR) és la massa d’aire dividida per la massa de combustible necessària per a la combustió completa. Per determinar-la:

1. Calculeu els mols estequiomètrics de O₂ a partir de la fórmula anterior.
2. Si l’oxidant és aire, determineu els mols corresponents de N₂ utilitzant la relació de l’aire 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Convertiu tots dos gasos en massa mitjançant les seves masses molars (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) i sumeu-les per obtenir la massa d’aire.
4. Dividiu la massa d’aire per la massa molar del combustible.

Exemple resolt: metà

El metà (CH₄) té un àtom de carboni i quatre àtoms d’hidrogen, de manera que necessita n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol d’oxigen per mol de combustible:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Amb aire com a oxidant, 2 mol de O₂ aporten 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol de N₂. La massa d’aire és (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. La massa molar del metà és aproximadament 16,04 g/mol, de manera que la relació aire-combustible és 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 a 1 en massa.

Calor de combustió

La calor de combustió és l’energia alliberada per mol o per quilogram de combustible cremat. Es calcula amb la llei de Hess, utilitzant l’entalpia estàndard de formació de cada substància:

$Q = 393.5 \times x + 241.8 \times \frac{y}{2} + \Delta H_f$

on Q és la calor alliberada per mol de combustible, en kJ/mol, i ΔHf és l’entalpia estàndard de formació del combustible.

Els valors 393,5 i 241,8 kJ/mol provenen de l’entalpia de formació del CO₂ i del vapor d’aigua. Com que l’aigua es considera vapor i no líquid, això dona el poder calorífic inferior (PCI), no el poder calorífic superior (PCS). El PCS és més gran perquè també inclou la calor alliberada quan el vapor d’aigua es condensa en líquid, cosa que no passa dins de la majoria dels equips de combustió.

Per al metà, ΔHf = −74,8 kJ/mol, de manera que la calor alliberada és 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. En dividir-ho per la massa molar del metà (16,04 g/mol), s’obtenen aproximadament 50,0 MJ/kg.

La calor alliberada és la mateixa independentment de l’oxidant i de la quantitat d’excés d’aire utilitzada, perquè es compta per mol de combustible. L’excés d’aire modifica la temperatura de la flama i la composició dels gasos de combustió, però no l’energia emmagatzemada en el combustible.

Combustibles habituals

El metà és el component principal del gas natural. El propà i el butà s’utilitzen per a la calefacció, la cuina i els fogons portàtils. En aquests càlculs, l’octà representa la gasolina, tot i que la gasolina real és una mescla de molts hidrocarburs i la seva AFR estequiomètrica sol situar-se prop de 14,7:1.

Excés d’aire i eficiència de la combustió

L’excés d’aire és l’aire addicional que s’afegeix per sobre de la quantitat estequiomètrica, expressat com a percentatge. Els cremadors reals rarament funcionen amb exactament 0 % d’excés d’aire, perquè una mescla imperfecta deixaria part del combustible sense cremar.

• Amb 0 % d’excés d’aire, la mescla és exactament estequiomètrica. Això proporciona la temperatura de flama més alta, però comporta el risc d’una combustió incompleta si la mescla no és perfecta.
• La majoria dels cremadors funcionen amb un 10–20% d’excés d’aire, que crema de manera fiable tot el combustible i només desaprofita una petita quantitat de calor.
• Un excés d’aire superior a 50 % redueix encara més l’eficiència, perquè el nitrogen i l’oxigen addicionals absorbeixen calor i surten amb els gasos de combustió. També redueix la temperatura de la flama, fet que pot disminuir la formació d’òxids de nitrogen (NOx).

Factors que afecten una reacció de combustió

Composició del combustible. Els combustibles amb una proporció més alta de carboni respecte de l’hidrogen alliberen menys energia per quilogram i produeixen més CO₂ per a una mateixa producció d’energia.

Elecció de l’oxidant. L’aire dilueix la reacció amb nitrogen, cosa que redueix la temperatura de la flama en comparació amb l’oxigen pur. La combustió amb oxigen pur és més calenta, però pot produir més òxids de nitrogen si hi ha nitrogen procedent del combustible o d’entrades d’aire.

Nitrogen del combustible. Els àtoms de nitrogen del combustible es compten com a àtoms i surten en forma de molècules de N₂, de manera que dos àtoms de nitrogen del combustible afegeixen un mol de N₂ als productes.

Mescla. El combustible i l’oxidant s’han de mesclar bé perquè la reacció es completi. Les zones amb una proporció de combustible massa alta o massa baixa cremen de manera incompleta, encara que la mescla global sigui correcta de mitjana.

Aplicacions de l’anàlisi de la combustió

Els enginyers utilitzen aquests càlculs per dissenyar motors de cotxes i avions, ajustar forns i calderes industrials i dimensionar sistemes de calefacció residencial. Els enginyers ambientals utilitzen les mateixes equacions equilibrades per estimar les emissions de CO₂ i NOx.

Preguntes freqüents

Quina diferència hi ha entre la combustió completa i la incompleta? La combustió completa es produeix quan hi ha prou oxigen per convertir tot el combustible en CO₂ i aigua. La combustió incompleta es produeix quan falta oxigen i, en lloc d’això, es produeixen monòxid de carboni, sutge i combustible sense cremar.

Per què els sistemes de combustió utilitzen un excés d’aire? L’aire addicional garanteix que totes les parts del combustible entrin en contacte amb prou oxigen, fins i tot quan la mescla no és perfecta. La majoria dels sistemes funcionen amb aproximadament un 10–20% d’excés d’aire per evitar la producció de monòxid de carboni.

Com es calcula la relació aire-combustible? Determineu els mols de O₂ necessaris a partir de la fórmula del combustible, afegiu-hi els N₂ corresponents si l’oxidant és aire, convertiu tots dos gasos en massa i dividiu la massa total d’aire per la massa de combustible. El metà necessita aproximadament 17,1 kg d’aire per quilogram de combustible.

Quina diferència hi ha entre el poder calorífic superior i l’inferior? El poder calorífic inferior (PCI) pressuposa que l’aigua produïda es manté en forma de vapor. El poder calorífic superior (PCS) pressuposa que l’aigua es condensa de nou en líquid i allibera calor addicional. Aquesta calculadora dona el PCI, ja que la majoria dels equips de combustió deixen escapar el vapor d’aigua amb els gasos de combustió en lloc de condensar-lo.

Què és la combustió estequiomètrica? La combustió estequiomètrica és la mescla exacta de combustible i oxidant, sense combustible ni oxigen sobrants als productes. Qualsevol quantitat d’aire superior a aquesta s’anomena excés d’aire; qualsevol quantitat inferior s’anomena mescla rica en combustible.

La composició del combustible afecta els gasos de combustió? Sí. Una quantitat més gran d’hidrogen en el combustible implica més vapor d’aigua als gasos de combustió. Una quantitat més gran de carboni implica més CO₂. Els combustibles que contenen nitrogen o sofre també poden produir òxids de nitrogen o diòxid de sofre quan cremen.