Calcolatore dell’analisi della combustione

Un calcolatore dell’analisi della combustione determina l’equazione chimica bilanciata, il rapporto aria-combustibile e il calore liberato quando brucia un combustibile. Funziona con combustibili comuni come metano, propano e ottano, nonché con combustibili idrocarburici personalizzati inseriti atomo per atomo.

Come usare il calcolatore dell’analisi della combustione

1. Scegliere un tipo di combustibile, come metano o propano, oppure selezionare «personalizzato» e inserire il numero di atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto nella molecola del combustibile.
2. Per un combustibile personalizzato, inserire anche la sua entalpia standard di formazione in kJ/mol. Questo valore è negativo per la maggior parte dei combustibili: il metano è −74,8 e il propano −103,8. Usare il valore relativo alla fase in cui si trova il combustibile, ad esempio −234,8 per il vapore di etanolo o −277,0 per l’etanolo liquido. Un elemento nel suo stato standard, come l’idrogeno gassoso o il carbonio, ha valore 0.
3. Scegliere l’ossidante: aria (21% di ossigeno, 79% di azoto in volume) oppure ossigeno puro.
4. Impostare la percentuale di eccesso. Usare 0% per la miscela stechiometrica esatta oppure un valore più alto per aggiungere altro ossidante. Il campo è denominato «Eccesso d’aria» per l’aria e «Eccesso di ossigeno» per l’ossigeno puro.
5. Leggere i risultati: l’equazione bilanciata, il rapporto in massa tra ossidante e combustibile, il calore liberato per mole e per chilogrammo di combustibile e la frazione massica di ciascun gas prodotto.

Quando è selezionata l’aria, il rapporto è denominato «Rapporto aria-combustibile». Con l’ossigeno puro non c’è aria nella miscela, quindi lo stesso risultato è denominato «Rapporto ossidante-combustibile». Le formule dei combustibili seguono l’ordine di Hill: prima il carbonio, poi l’idrogeno, quindi gli altri elementi; perciò un combustibile personalizzato con un atomo di carbonio, due di idrogeno e due di ossigeno è scritto CH₂O₂.

Che cos’è la combustione?

La combustione è una reazione chimica tra un combustibile e un ossidante, generalmente ossigeno, che libera calore. Nella combustione completa, un combustibile idrocarburico (una molecola costituita da carbonio e idrogeno) reagisce con una quantità sufficiente di ossigeno formando soltanto diossido di carbonio (CO₂) e acqua (H₂O). Se l’ossigeno non è sufficiente, la reazione è incompleta e produce anche monossido di carbonio (CO), fuliggine e combustibile incombusto.

Formula dell’ossigeno stechiometrico

Per un combustibile con formula CₓHᵧOᵤ, le moli di ossigeno (O₂) necessarie per la combustione completa sono:

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

Qui x è il numero di atomi di carbonio, y il numero di atomi di idrogeno e z il numero di atomi di ossigeno già presenti nel combustibile. L’equazione bilanciata è:

CₓHᵧOᵤ + n(O₂) → x CO₂ + (y/2) H₂O

Come calcolare il rapporto aria-combustibile

Il rapporto aria-combustibile (AFR) è la massa d’aria divisa per la massa di combustibile necessaria per la combustione completa. Per determinarlo:

1. Calcolare le moli stechiometriche di O₂ usando la formula precedente.
2. Se l’ossidante è aria, determinare le moli corrispondenti di N₂ usando il rapporto dell’aria 79:21: mol N₂ = mol O₂ × (79/21).
3. Convertire entrambi i gas in massa usando le rispettive masse molari (O₂ = 32,00 g/mol, N₂ = 28,02 g/mol) e sommarli per ottenere la massa dell’aria.
4. Dividere la massa dell’aria per la massa molare del combustibile.

Esempio svolto: metano

Il metano (CH₄) ha un atomo di carbonio e quattro atomi di idrogeno, quindi richiede n(O₂) = 1 + 4/4 = 2 mol di ossigeno per mole di combustibile:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Con l’aria come ossidante, 2 mol di O₂ apportano 2 × (79/21) ≈ 7,52 mol di N₂. La massa dell’aria è (2 × 32,00) + (7,52 × 28,02) ≈ 274,8 g. La massa molare del metano è circa 16,04 g/mol, quindi il rapporto aria-combustibile è 274,8 ÷ 16,04 ≈ 17,1 a 1 in massa.

Calore di combustione

Il calore di combustione è l’energia liberata per mole o per chilogrammo di combustibile bruciato. Si calcola con la legge di Hess, usando l’entalpia standard di formazione di ciascuna sostanza:

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

dove Q è il calore liberato per mole di combustibile, in kJ/mol, e ΔHf è l’entalpia standard di formazione del combustibile.

I valori 393,5 e 241,8 kJ/mol derivano dall’entalpia di formazione di CO₂ e del vapore acqueo. Poiché l’acqua è considerata sotto forma di vapore e non liquida, si ottiene il potere calorifico inferiore (PCI), non il potere calorifico superiore (PCS). Il PCS è maggiore perché include anche il calore liberato quando il vapore acqueo condensa in liquido, fenomeno che non si verifica all’interno della maggior parte degli impianti di combustione.

Per il metano, ΔHf = −74,8 kJ/mol, quindi il calore liberato è 393,5(1) + 241,8(2) − 74,8 = 802,3 kJ/mol. Dividendo per la massa molare del metano (16,04 g/mol) si ottengono circa 50,0 MJ/kg.

Il calore liberato è lo stesso indipendentemente dall’ossidante e dalla quantità di aria in eccesso utilizzata, perché è calcolato per mole di combustibile. L’aria in eccesso modifica la temperatura della fiamma e la composizione dei gas di scarico, non l’energia immagazzinata nel combustibile.

Combustibili comuni

Il metano è il componente principale del gas naturale. Propano e butano sono utilizzati per il riscaldamento, la cottura e i fornelli portatili. In questi calcoli l’ottano rappresenta la benzina, anche se la benzina reale è una miscela di molti idrocarburi e il suo AFR stechiometrico viene generalmente indicato intorno a 14,7:1.

Aria in eccesso ed efficienza della combustione

L’aria in eccesso è aria aggiunta oltre la quantità stechiometrica, espressa in percentuale. I bruciatori reali funzionano raramente con esattamente 0% di aria in eccesso, perché una miscelazione non perfetta lascerebbe parte del combustibile incombusta.

• Con 0% di aria in eccesso, la miscela è esattamente stechiometrica. Ciò produce la temperatura della fiamma più alta, ma comporta il rischio di combustione incompleta se la miscelazione non è perfetta.
• La maggior parte dei bruciatori funziona con 10–20% di aria in eccesso, bruciando in modo affidabile tutto il combustibile e disperdendo soltanto una piccola quantità di calore.
• Un’aria in eccesso superiore a 50% riduce ulteriormente l’efficienza, perché l’azoto e l’ossigeno aggiuntivi assorbono calore e vengono espulsi con i gas di scarico. Riduce anche la temperatura della fiamma, limitando eventualmente la formazione di ossidi di azoto (NOx).

Fattori che influenzano una reazione di combustione

Composizione del combustibile. I combustibili con un rapporto carbonio-idrogeno più elevato liberano meno energia per chilogrammo e producono più CO₂ a parità di energia fornita.

Scelta dell’ossidante. L’aria diluisce la reazione con l’azoto, riducendo la temperatura della fiamma rispetto all’ossigeno puro. La combustione con ossigeno puro è più calda, ma può produrre più ossidi di azoto se è presente azoto proveniente dal combustibile o da infiltrazioni d’aria.

Azoto legato al combustibile. Gli atomi di azoto presenti nel combustibile vengono conteggiati come atomi e fuoriescono sotto forma di molecole N₂; pertanto, due atomi di azoto nel combustibile aggiungono una mole di N₂ ai prodotti.

Miscelazione. Il combustibile e l’ossidante devono miscelarsi bene affinché la reazione giunga a completamento. Zone troppo ricche o troppo povere di combustibile bruciano in modo incompleto, anche se nel complesso la miscela è corretta.

Dove viene utilizzata l’analisi della combustione

Gli ingegneri usano questi calcoli per progettare motori per automobili e aeromobili, regolare forni e caldaie industriali e dimensionare gli impianti di riscaldamento residenziali. Gli ingegneri ambientali usano le stesse equazioni bilanciate per stimare le emissioni di CO₂ e NOx ai fini della rendicontazione.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra combustione completa e incompleta? La combustione completa si verifica quando c’è ossigeno sufficiente per trasformare tutto il combustibile in CO₂ e acqua. La combustione incompleta si verifica quando l’ossigeno è insufficiente e produce invece monossido di carbonio, fuliggine e combustibile incombusto.

Perché gli impianti di combustione usano aria in eccesso? L’aria aggiuntiva garantisce che ogni parte del combustibile incontri una quantità sufficiente di ossigeno, anche quando la miscelazione non è perfetta. La maggior parte degli impianti funziona con circa 10–20% di aria in eccesso per evitare la produzione di monossido di carbonio.

Come si calcola il rapporto aria-combustibile? Determinare le moli di O₂ necessarie dalla formula del combustibile, aggiungere le moli corrispondenti di N₂ se l’ossidante è aria, convertire entrambi i gas in massa e dividere la massa totale dell’aria per la massa del combustibile. Il metano richiede circa 17,1 kg di aria per chilogrammo di combustibile.

Qual è la differenza tra potere calorifico superiore e inferiore? Il potere calorifico inferiore (PCI) presume che l’acqua prodotta rimanga sotto forma di vapore. Il potere calorifico superiore (PCS) presume che l’acqua condensi nuovamente in liquido, liberando calore aggiuntivo. Questo calcolatore indica il PCI, poiché la maggior parte degli impianti di combustione lascia fuoriuscire il vapore acqueo con i gas di scarico invece di farlo condensare.

Che cos’è la combustione stechiometrica? La combustione stechiometrica è la miscela esatta di combustibile e ossidante, senza combustibile né ossigeno residui nei prodotti. Qualsiasi quantità d’aria superiore a questa è chiamata aria in eccesso; qualsiasi quantità inferiore è chiamata miscela ricca di combustibile.

La composizione del combustibile influisce sui gas di scarico? Sì. Una maggiore quantità di idrogeno nel combustibile comporta una maggiore quantità di vapore acqueo nei gas di scarico. Una maggiore quantità di carbonio comporta una maggiore quantità di CO₂. Un combustibile contenente azoto o zolfo può inoltre produrre ossidi di azoto o diossido di zolfo durante la combustione.