Combustió

Flama causada per la combustió

La combustió es basa en la reacció química exotèrmica d'una substància, o mescla de substàncies, anomenades combustible amb l'oxigen. Els tipus més freqüents de combustible són els materials orgànics que contenen carboni i hidrogen. És característica, d'aquesta reacció, la formació d'una flama, que és la massa gasosa incandescent que emet llum i calor, que està en contacte amb la substància combustible. A més a més, produeix un òxid. La reacció de combustió pot portar-se a terme directament amb l’oxigen o bé amb una mescla de substàncies que continguin oxigen, aquestes s’anomenen comburent, sent l’aire atmosfèric el comburent més habitual. La reacció del combustible amb l’oxigen origina substàncies gasoses entre les quals les més comunes són el CO₂ i H₂O. Es denomina de forma genèrica productes, fum o gasos de combustió. És important destacar que el combustible només reacciona amb l’oxigen i no amb el nitrogen, l’altre compost majoritari de l’aire. Per tant, el nitrogen de l’aire passarà integrament als productes de combustió sense reaccionar.

Equació química

Normalment, l'equació química de la combustió d'un hidrocarbur amb oxigen és així:

C_xH_y + (x + y/4)O₂ → xCO₂ + (y/2)H₂O

Per exemple la combustió del propà és:

C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

Tipus de combustió

D’acord a com es produeixen les reaccions de combustió, aquestes poden ser de diferents tipus.

1. Combustió completa: té lloc quant les substàncies combustibles reaccionen fins el màxim grau possible d’oxidació. En aquest cas no hi haurà presencia de substàncies combustibles en els productes de la reacció.
2. Combustió incompleta: es produeix quan no s’arriba al grau màxim d’oxidació i hi ha presència de substàncies combustibles en els gasos de la reacció.
3. Combustió estequiomètrica o teòrica: és la combustió que es dur a terme amb la quantitat mínima d'aire per que no existeixin substàncies combustibles en els gasos de reacció. En aquest tipus de combustió no hi ha presència d'oxigen en els fums, degut a que aquest s’ha emprat íntegrament en la reacció.
4. Combustió amb excés d'aire: és la reacció que es produeix amb una quantitat d'aire superior al mínim necessari. Quan s’utilitza un excés d'aire, la combustió tendeix a no produir substàncies combustibles en els gasos de reacció. En aquest tipus de combustió és típica la presència d'oxigen en els gasos de combustió.La raó per la qual s’utilitza, normalment, un excés d’aire és fer reaccionar completament el combustible disponible en el procés.
5. Combustió amb defecte d'aire: és la reacció que es produeix amb una menor quantitat d'aire que el mínim necessari. En aquest tipus de reacció es característica la presencia de substàncies combustibles en els gasos de reacció.

Combustió completa

Com s’ha mencionat anteriorment, en la combustió completa es cremen les substàncies combustibles del combustible fins el màxim grau d’oxidació. En aquest tipus de reacció no es troben substàncies combustibles en els productes de combustió. Les reaccions químiques que s’utilitzen en l’estudi de les combustions tècniques tant si s’utilitza aire o oxigen, són molt senzilles i les principals són:

C + O₂ -> CO₂

CO + ½ O₂ -> CO₂

H₂ + ½ O₂ -> H₂O

S + O₂ -> SO₂

SH₂ + 3/2 O₂ -> SO₂ + H₂O

Aquestes reaccions corresponen a reaccions completes de substàncies que poden formar part en un combustible gasos, líquid o sòlid i s’expressen per 1mol o 1Kmol de substància combustible. Totes aquestes reaccions s’utilitzen per efectuar un balanç màssic complet d’una reacció de combustió.

Combustió incompleta

Aquest tipus de reacció es caracteritzen per la presencia de substàncies no cremades en els productes de combustió. Aquestes substàncies, generalment, són carbonis com el sutge, CO, H₂, i també poden aparèixer petites quantitats dels hidrocarburs que s’utilitzen com a combustibles. En el cas de la reacció de combustió en la que únicament es produeix CO en els gasos de combustió, es coneix amb el nom de combustió de Ostwald i la reacció que produeix CO i H2 es coneix com combustió de Kissel. Aquestes denominacions deriven de l’ús dels diagrames d’aquest autors utilitzats per determinar les respectives reaccions de combustió, sent evident que la reacció de Ostwald és un cas particular de la reacció de Kissel. A la pràctica, s’ha de tenir especial atenció en els ambients en que es pugin desenvolupar aquest tipus de reaccions. Un cas pràctic i molt conegut és la combustió incompleta d'un motor d'un automòbil, un braser. Donada la generació de CO en aquest tipus de reaccions, que es presenta com un gas imperceptible per l’olfacte, s’ha de tenir especial atenció en la ventilació dels ambients on es doni, ja que el CO és un element nociu per el cos humà i pot produir la mort, deguda al bloqueig del transport d'oxigen, generat per la molècula hemoglobina, una proteïna complexa present en la sang, on el CO exerceix un efecte competitiu amb l’oxigen, produint la carboxihemoglobina i impedint la transferència i el transport d'oxigen al cos, produint la mort deguda a una anòxia cerebral.

REACCÓ INCOMPLETA D’UN HIDROCARBUR AMB OXIGEN

zCxHy + z • ( x/2 + y/4 ) O₂ -> z• xCO + ( (z*y )/2 )H₂O

Per exemple la combustió incompleta del propà

2 C₃H₈ + 7 O₂ -> 2C + 2 CO + 8 H₂O + 2CO₂

Productes de la combustió

Entre les substàncies més comuns que es poden trobar en els productes o fum de la reacció es troben:

2. - Diòxid de carboni (CO₂)
3. - Aigua (H₂O com a vapor d’aigua)
4. - Nitrogen (N₂)
5. - Oxigen (O₂)
6. - Monòxid de carboni (CO)
7. - Hidrogen (H₂)
8. - Carboni en forma de sutge
9. - Diòxid de sofre (SO₂)
10. - Òxids de nitrogen (NO_x)
11. - Cendres
12. - Hidrocarburs
13. - Dioxines
14. - Hidrocarburs aromàtics policíclics (PAH)

La composició d'aquests productes dependrà dels tipus de combustible utilitzat, de la relació d'aire combustible, de l’estat d'operació de l’equip i de les condicions en que s’efectuï la combustió. La major part d'aquest productes són invisibles i l’aparició de fums foscos és senyal que s’opera a baixa temperatura o amb insuficiència d'oxigen.

Aplicacions

Les reaccions de combustió són molt útils per la indústria de processos ja que permeten disposar d'energia per altres usos i generalment es realitza en equips de processos com forns, calderes i tot tipus de cambres de combustió. En aquests equips s’utilitzen diferents tecnologies i dispositius per dur a terme les reaccions de combustió. Un dispositiu molt comú denominat cremador, produeix una flama característica per cada combustible emprat. Aquest dispositiu ha de barrejar el combustible i un agent oxidant (comburent) en proporcions que es trobin dins dels límits de inflamabilitat per l’encesa i així obtenir una combustió constant. A més a més, ha d’assegurar el funcionament continu sense permetre una discontinuïtat en el sistema de alimentació del combustible o el desplaçament de la flama a una regió de baixa temperatura on s’apagaria. És important comprendre que com a resultat d’una combustió mitjançant l’operació d’aquest dispositius, es pot produir substàncies nocives i contaminants, els quals han de ser perfectament controlades, reduint-les a concentracions permeses o eliminades, d’acord amb la legislació vigent sobre el tema.

Bibliografia

HANRAHAN, G.; Key Concepts in Enviromental Chemistry, 2012, Elsevier

FELDER,Richard; Principios elementales de los procesos químicos, 1991, Addison-Welsey Longman

Manual del ingeniero químico, 4ª Ed Robert Perry, 2001, McGraw-Hill

Articles relacionats

• Índex de Wobbe
• Diagrama d'Ostwald
• Cremador