combustión
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Combustión
La combustión es una reacción química de oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de energía, en forma de calor y luz, manifestándose visualmente como fuego.
En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustión (comburente), generalmente oxígeno en forma de O2 gaseoso. Los explosivos tienen oxígeno ligado químicamente por lo que no necesitan el oxígeno del aire para realizar la combustión.
Los tipos más frecuentes de combustible son los materiales orgánicos que contienen carbono e hidrógeno. En una reacción completa todos los elementos tienen el mayor estado de oxidación. Los productos que se forman son el dióxido de carbono (CO2) y el agua, el dióxido de azufre (SO2) (si el combustible contiene azufre) y pueden aparecer óxidos de nitrógeno (NOx), dependiendo de la temperatura y la cantidad de oxígeno en la reacción.
En la combustión incompleta los productos que se queman pueden no reaccionar con el mayor estado de oxidación, debido a que el comburente y el combustible no están en la proporción adecuada, dando como resultado compuestos como el monóxido de carbono (CO). Además, pueden generarse cenizas.
El proceso de destruir materiales por combustión se conoce como incineración.
Para iniciar la combustión de cualquier combustible, es necesario alcanzar una temperatura mínima, llamada temperatura de ignición, que se define como, en °C y a 1 atm, temperatura a la que los vapores de un combustible arden espontáneamente.
La temperatura de inflamación, en °C y a 1 atm es aquella a la que, una vez encendidos los vapores del combustible, éstos continúan por si mismos el proceso de combustión.
Ecuación Química
Reacción de Combustión
(Combustión de hidrocarburos con O2)
C(n)H(2n+2) + (3n+1)O2 → (n)CO2 + (n+1)H2O
Deflagración
Una deflagración es una combustión súbita con llama a baja velocidad de propagación, sin explosión. Se suele asociar,
erróneamente, con las explosiones, usándose a menudo como sinónimo.
Las reacciones que provoca una deflagración son idénticas a las de una combustión, pero se desarrollan a una velocidad comprendida entre 1m/s y la velocidad del sonido.
En una deflagración, el frente de llama avanza por fenómenos de difusión térmica. Por el contrario, en una detonación la combustión está asociada a una onda de choque que avanza a velocidad superior a la del sonido.
Para que se produzca una deflagración se necesita:1º.- Una mezcla de producto inflamable con el aire, en su punto de inflamación.2º.- Una aportación de energía de un foco de ignición.3°.- Una reacción espontánea de sus partículas volátiles al estímulo calórico que actúa como catalizador o iniciador primario de reacción.
Típicos ejemplos de deflagración son:
encender una cerilla. la combustión de mezclas de gas y aire en una estufa u
horno de gas. la mezcla de combustible-aire en un motor de combustión
interna. la rápida combustión de una carga de pólvora en una arma
de fuego. las mezclas pirotécnicas en los fuegos artificiales o en
los dispositivos o cartuchos de fragmentación de roca segura.
Detonación
Una detonación es una combustión supersónica que implica la existencia de una onda expansiva y una zona de reacción detrás de ella. Se diferencia de la deflagración, que es una combustión subsónica.1 2
Una detonación es un drástico proceso de transformación de la energía que contiene un material, casi siempre de naturaleza química, que se intercambia a elevadas velocidades con el medio adyacente. Así, para medir el poder detonante de un material con propiedades explosivas, se utiliza la definición de "poder detonante" y se expresa en metros por segundo, dadas las características particulares del material químico en cuestión.
La detonación en sí, considerando la idea de un dispositivo detonador, es un rápido microcambio (prácticamente instantáneo), que inyecta en el material que se pretende detonar, una cierta cantidad de energía que a éste le es imposible de acumular, almacenar, o disipar por algún otro medio. Esto hace que en el material sometido se produzca una reacción crítica, principalmente en la que su estructura molecular experimenta una
drástica pérdida de su geometría estructural o deformación física. De ahí que una parte de la base científica del poder detonante esté relacionada con la geometría del contenedor, es decir, los materiales químicos pueden poseer capacidad detonante por naturaleza, pero si ésta no es "reducida" convenientemente, este poder sólo representa una mínima fracción del exponente del poder energético total.
Por ejemplo, un tanque de combustible -gasolina-, tiene mucho más poder detonante cuando este material se activa en el contenedor, que esa misma gasolina activada sin estar comprimida en un recipiente. La diferencia de detonación es exponencial a la carga, la capacidad de reacción química del material, y al contenedor reductor. Hay materiales mucho más reactivos que otros, pero este índice es posible modificarlo cuando el material que se pretende hacer reaccionar se combina con otros reactivos, que sirven como activadores en un proceso llamado tren de fuego.
Gases de combustión
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Los gases de combustión son gases producidos como resultado de la combustión de gasolina/petróleo, Diesel o carbón. Se descarga a la atmósfera a través de una tubería o chimenea.
Aunque gran parte de los gases de combustión está compuesto por el relativamente inofensivo dióxido de carbono, también contiene sustancias nocivas o tóxicas como el monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC), óxidos de nitrógeno (NOx) y aerosoles. Los gases de combustión del Diesel tienen un olor característico.
Los estándares de control del deterioro de la calidad del aire suelen centrarse en reducir los contaminantes que llevan éstos gases.
Gases de combustión
Los gases de escape generados en los procesos de combustión se denominan gases de combustión. Su composición depende del tipo de combustible y de las condiciones de combustión, ej. el valor del coeficiente de exceso de aire. Muchos de los componentes de los gases de combustión son contaminantes del aire y por tanto deben eliminarse de los gases de combustión con procedimientos especiales de limpieza extremadamente lentos y costosos, antes de liberar el gas a la atmósfera conforme a la normativa legal. Los gases de combustión en su estado original se conocen como gases brutos y como gas limpio una vez que han pasado por las fases de limpieza. A continuación se explican los principales componentes de los gases de combustión.
Nitrógeno (N2):
Con el 79 % en volumen, el nitrógeno es el principal componente del aire. Este gas incoloro, inodoro e insípido se aporta mediante el aire de combustión pero no tiene un papel directo en la misma; pasa como medio inerte y medio para disipar el calor y se devuelve a la atmósfera. Sin embargo, el nitrógeno contribuye en parte, junto con el nitrógeno del combustible, a la formación de óxidos de nitrógeno peligrosos (ver a continuación).
Anhídrido carbónico (CO2):
El anhídrido carbónico es un gas incoloro e insípido, con un gusto ligeramente ácido, y se genera en todos los procesos de combustión y durante la respiración. Debido a su propiedad de filtrar el calor radiante, es una contribución importante al efecto invernadero. Su contenido en el aire ambiente es sólo del 0,03% y la concentración máxima permitida de anhídrido carbónico (CO2) en el puesto de trabajo es del 0,5%; concentraciones en el aire inhalado superiores al 15% producen la pérdida de conciencia en las personas.
Vapor de agua (humedad):
El hidrógeno contenido en el combustible se une con el oxígeno para formar agua (H2O). Dependiendo de la temperatura de los gases de combustión (FT), aparece luego conjuntamente con el agua del combustible y el aire de la combustión o como humedad de los gases de combustión (a FT alta) o como condensado (a FT baja).
Sustancias sólidas (polvo, hollín):
Las sustancias sólidas en los gases de combustión se originan a partir de los constituyentes incombustibles de los combustibles sólidos y líquidos. Estas incluyen, por ejemplo, óxidos de silicio, aluminio, calcio, etc., en el carbón y los sulfatos de diversas sustancias en el fueloil pesado. El efecto nocivo del polvo sobre las personas está producido particularmente por la deposición de sustancias tóxicas y cancerígenas en las partículas de polvo.
Oxígeno (O2):
El oxígeno no utilizado en el proceso de combustión, si hay exceso de aire, aparece como gas en los gases de combustión y es una medida de la eficiencia de la combustión. Se usa para determinar los parámetros de combustión y como variable de referencia.
Monóxido de carbono (CO):
El monóxido de carbono es un gas tóxico incoloro e inodoro. Se genera en gran medida como consecuencia de la combustión incompleta de combustibles fósiles (instalaciones de combustión), combustibles de motor (vehículos) y otros
materiales que contienen carbono. El CO es, en general, inocuo para las personas porque rápidamente se une con el oxígeno del aire para formar CO2. En recintos cerrados, sin embargo, el CO es extremadamente peligroso, ya que las personas que respiran aire con una concentración de sólo 700 ppm morirán en pocas horas. La concentración máxima en el puesto de trabajo es 50 ppm
Óxidos de nitrógeno (NO y NO2, fórmula total NOx):
En los procesos de combustión, el nitrógeno del combustible y, a temperaturas elevadas, el del aire de combustión se une en cierta medida con el oxígeno del aire de combustión para formar óxido nítrico NO (NO combustible y NO térmico) en primera instancia, que luego se oxida cuando entra en contacto con el oxígeno en el conducto de los gases de combustión y posteriormente en la atmósfera, para formar el peligroso dióxido de nitrógeno (NO2). Ambos óxidos son tóxicos; el NO2 en particular es un peligroso veneno respiratorio y en combinación con la luz solar contribuye a la formación de ozono. Se utilizan tecnologías caras tales como el proceso SCR para limpiar los gases de combustión que contienen NOx. Medidas especiales relacionadas con la combustión, tales como el suministro de aire por etapas, se utilizan para reducir los óxidos nítricos en la etapa de combustión.
Anhídrido sulfuroso (SO2):
El anhídrido sulfuroso es un gas incoloro, tóxico con un olor picante. Se produce como resultado de la oxidación del mayor o menor volumen de azufre contenido en el combustible. La concentración máxima en el puesto de trabajo es 5 ppm. En combinación con agua o condensado, se forman ácido sulfuroso (H2SO3) y ácido sulfúrico (H2SO4), ambos de los cuales están relacionados con los diversos tipos diferentes de deterioro medioambiental a la vegetación y edificios. Las plantas de desulfuración de los gases de combustión (FGD) se usan para reducir los óxidos de azufre.
Sulfuro de hidrógeno (H2S):
El sulfuro de hidrógeno es un gas tóxico que huele mal incluso en concentraciones mínimas (aprox. 2,5 µm/m3). Es un componente que se encuentra naturalmente en el gas natural y el petróleo y por consiguiente está presente en refinerías e instalaciones de procesado de gas natural, pero también en tenerías, actividades agrícolas y, no de forma menos importante, tras la combustión incompleta en los convertidores catalíticos de vehículos. Se usan diversos métodos para eliminar el H2S de los gases de combustión, incluida la combustión para formar SO2, determinados procesos de absorción o, para niveles más importantes, la conversión en azufre elemental en una instalación Claus.
Hidrocarburos (HC o CxHy):
Los hidrocarburos son un amplio grupo de compuestos químicos formados exclusivamente por carbono e hidrógeno. Los HC son las sustancias más importantes en química orgánica; en la naturaleza se encuentran en el petróleo, gas natural o el carbón. Se pueden emitir HC cuando se fabrican productos hidrocarbonados (ej. en refinerías) así como durante su uso y eliminación (disolventes, plásticos, pinturas, combustibles, residuos, etc.). Las combustiones incompletas son una fuente particular de emisiones de HC. Estas también incluyen los incendios forestales y los cigarrillos, por ejemplo. Los HC también contribuyen al efecto invernadero. Ejemplos de HC incluyen metano (CH4), butano (C4H10) y benceno (C6H6), pero también componentes cancerígenos como el benzopireno. El potencial total de compuestos orgánicos volátiles en los gases de combustión normalmente se describe como HC total o CxHy total. Esta suma se determina generalmente en los gases de combustión.
Cianuro de hidrógeno (HCN):
El cianuro de hidrógeno (también conocido como ácido cianhídrico) es un líquido extremadamente venenoso con un punto de ebullición de 25,6°C; donde está presente, adopta la forma gaseosa en los gases de combustión. El HCN también puede encontrarse en instalaciones de incineración de residuos. Amoníaco (NH3):
En los gases de combustión, el amoníaco juega un papel, conjuntamente con el proceso SCR, en la reducción de los óxidos de nitrógeno. Se añade a los gases de combustión en cantidades exactamente dosificadas en reactores de óxidos de nitrógeno y desencadena la conversión de los óxidos de nitrógeno en nitrógeno y agua. La parte no utilizada (pérdida de NH3) se reduce fuertemente mediante etapas de limpieza posteriores y está presente normalmente en los gases limpios a 2 mg/m3 o menos.
Haluros de hidrógeno:
Si se queman carbón y/o sustancias residuales, se producen los haluros de hidrógeno HCl y HF que, en combinación con la humedad, forman ácidos agresivos. Estas sustancias se lavan de los gases de combustión en gran medida, en las instalaciones limpiadoras de gases de combustión (lavadores).
Poder calorífico bruto
Poder calorífico bruto, poder calorífico neto, rendimiento
Poder calorífico bruto, poder calorífico neto
El poder calorífico bruto (anteriormente denominado como potencia calorífica neta superior) es un valor característico del combustible y describe la energía liberada durante la combustión completa en relación con la cantidad de combustible
aportada. El poder calorífico neto (anteriormente denominado como potencia calorífica neta inferior) es, por otra parte, la energía liberada menos el calor de evaporación del vapor de agua generado durante la combustión a 25°C, nuevamente en relación con la cantidad de combustible aportada. El poder calorífico neto es en general, inferior al poder de combustión.
Rendimiento de la combustión
El rendimiento es una variable que se determina mientras la instalación está funcionando de forma constante, a partir de los valores de potencia. El rendimiento (siempre es inferior al 100%) es la relación entre la energía total suministrada desde la cámara de combustión y la energía necesaria o utilizada para completar el proceso (calentamiento, fusión, sinterizado, etc.). El rendimiento incluye varias partes:
El rendimiento de la combustión describe la parte de la potencia total suministrada (energía por unidad de tiempo) que está disponible en la cámara de combustión para usarse después de la combustión. Es por consiguiente una variable importante de la calidad de la combustión.
El rendimiento de la caldera, en gran medida función de su diseño, describe la calidad de la caldera y de su funcionamiento basándose en la relación entre la energía suministrada y la energía disponible en la caldera.
El rendimiento total se obtiene multiplicando los rendimientos de combustión y de la caldera
Calderas de condensación
Las calderas de condensación son calderas de calefacción que, además del calor de evaporación, también hacen uso del calor de condensación de los gases de combustión generados reenfriando el gas a la temperatura apropiada. En términos de poder calorífico neto, estas calderas pueden conseguir un rendimiento de combustión del 107%. Sin embargo, el condensado cargado de contaminantes así generado se debe eliminar de forma medioambientalmente segura.
CALOR DE COMBUSTIÓN
Escuela de Ingeniería Química, Universidad de Costa Rica
Resumen
En esta práctica se pretende determinar el calor de combustión, por medio de una bomba calorimétrica, para varias muestras de residuos de la broza del café (muestra B111003). La calibración del calorímetro se logra determinando el calor de combustión de una sustancia de referencia, en este caso el ácido benzoico.
Se obtuvo un valor para la capacidad calorífica del calorímetro de 9135.7 J/°C y un valor promedio para el calor de combustión de broza de café, con un porcentaje de humedad del 25%, de 11874.6 J. El análisis estadístico mostró que no hay diferencia significativa entre los valores obtenidos y su promedio.
Se recomienda tomar mayor cantidad de mediciones antes de la ignición, con el fin de facilitar los cálculos y usar suficiente cantidad de agua en el calorímetro para facilitar el intercambio calórico.
Keywords
Calor, combustión
Marco Teórico
Durante los años 1840 a 1878, J.P. Joule llevó a cabo una serie de experimentos cuidadosos sobre la naturaleza del trabajo y el calor. Estos experimentos son fundamentales para comprender la primera ley de la termodinámica y el concepto moderno de energía.
Los experimentos de Joule eran bastantes sencillos, pero él tomó muchas precauciones para asegurar la exactitud. En su famosa serie de mediciones , Joule colocó cantidades conocidas de agua en un contenedor aislado y agitó el agua con un agitador giratorio. La cantidad de trabajo hecha sobre el agua por el agitador fue medida con exactitud , anotándose los cambios de temperatura del agua. Joule encontró que se necesitaba una cantidad fija de trabajo por unidad de masa por cada grado de aumento en la temperatura provocado por el agitador, y que la temperatura original del agua podía restablecerse por la transferencia de calor a través del simple contacto con un objeto más frío. Así fue como Joule mostró de manera concluyente la existencia de una relación cuantitativa entre el trabajo y calor y que, en consecuencia, el calor es una forma de energía. En este tipo de pruebas se añade energía al agua como trabajo, pero se extrae de ésta como calor. Con esto cabe la pregunta de qué es lo que sucede a la energía entre el momento en que se añade al agua como trabajo y el momento en que se extrae como calor. La lógica sugiere que esta energía se encuentra contenida en el agua , en otra forma, la cual se define como energía interna.
La energía interna se refiere a la energía de las moléculas que forman la sustancia, las cuales se encuentran en un movimiento continuo y tienen energía cinética de traslación, con excepción de las moléculas monoatómicas que también poseen energía de rotación y de vibración interna. La adición de calor a la sustancia aumenta esta actividad molecular, provocando un aumento en la energía interna. El trabajo hecho sobre la sustancia puede tener el mismo efecto, tal como lo demostró Joule.
La energía interna de una sustancia también incluye la energía potencial resultante de las fuerzas intermoleculares. A esta escala submolecular, existe una energía asociada con los electrones y los núcleos de los átomos, así como una energía de enlace resultante de las fuerzas que mantienen unidos los átomos como moléculas. Aunque se desconocen los valores absolutos de la energía interna, este hecho no representa ninguna
desventaja en el análisis termodinámico, ya que sólo se necesitan los cambios de energía interna.
La designación de esta forma de energía como interna la distingue de la energía cinética y potencial que pueda tener una sustancia como resultado de su posición o movimiento macroscópicos, y que pueden considerarse como formas externas de energía.
El reconocimiento del calor la energía interna como formas de energía sugiere una generalización de la ley de la conservación de la energía mecánica para aplicarla al calor y al energía interna, así como al trabajo y a la energía cinética y potencial externas. Al principio esta generalización no fue más que un postulado, pero sin excepción alguna todas las observaciones hechas en procesos ordinarios la apoyan. De aquí que el postulado haya alcanzado el estado de ley de la naturaleza y se conozca como primera ley de la termodinámica. Un planteamiento formal de ésta es:
Aunque la energía tome muchas formas, la cantidad total de energía es constante, y cuando la energía desaparece en una forma, aparece simultáneamente en otras formas.
Al aplicar la primera ley a un proceso dado, la esfera de influencia del proceso se divide en dos partes, el sistema y sus alrededores. La parte donde se lleva a cabo el proceso es la que se toma como sistema, mientras que todo aquello con lo que el sistema interactúe se considera como alrededores. El sistema puede tener cualquier tamaño dependiendo de las condiciones particulares, y sus fronteras pueden ser reales o imaginarias, rígidas o flexibles. En su forma más básica, la primera ley puede escribirse como:
(1)
Los cambios en el sistema pueden darse en su energía interna, en su energía potencial o cinética o en la energía potencial o cinética de sus partes finitas. Puesto que la atención se dirige sobre el sistema, la naturaleza de los cambios de energía en los alrededores no es de interés.
En su sentido termodinámico, el calor y el trabajo se refieren a energía en tránsito a través de la frontera que divide al sistema de sus alrededores. Estas formas de energía no se almacenan y nunca están contenidas en el cuerpo o sistema.
Si la frontera de un sistema no permite el transporte de materia entre el sistema y el medio, entonces se dice que el sistema es cerrado, y su masa necesariamente constante.
Todo el intercambio entre un sistema cerrado y sus alrededores se hace como calor y trabajo. Por lo tanto el primer término de la ecuación 1 se puede remplazar por:
(2)
La selección de los signos utilizados para Q y W depende de la dirección del transporte considerada como positiva. El primer término de la ecuación 1 puede desarrollarse para mostrar cambios de energía en distintas formas. Si la masa es constante y sólo participan cambios en las energías interna, cinética y potencial,
(3)
donde es la energía total del sistema. Con esto la ecuación 1 puede escribirse como:
(4)
La convención de moderna del signo, tanto párale calor Q como para el trabajo W, hace que los valores numéricos de ambas cantidades sean positivos para el transporte, de los alrededores hacia el sistema, a través de la frontera. Con esto en mente, puede escribirse
(5)
La ecuación 2 indica que el cambio total de energía de un sistema de masa constante es igual a la energía neta transportada hacia él como calor y trabajo. Los sistemas cerrados a menudo experimentan procesos que no causan ningún cambio en su energía potencial o cinética, sino solamente en su energía interna. Para tales procesos la ecuación 2 se reduce a:
(6)
La ecuación 3 se aplica a procesos donde participan cambios finitos en la energía interna del sistema. Para cambios diferenciales, la ecuación 3 se escribe como:
(7)
Esta ecuación, al igual que la 3 se aplica a sistemas cerrados que experimentan únicamente cambios en su energía interna. El calor es visto a menudo, como se demostró anteriormente, en relación con el efecto que tiene sobre el objeto hacia o desde el cual se transfiere. Así se define una variable llamada capacidad calorífica como la cantidad de calor necesaria que se requiere por unidad de masa para elevar la temperatura en un grado. Entre mas pequeño sea el cambio de temperatura en un cuerpo provocado por la transferencia de una cantidad de calor dada, mayor es su capacidad. Entonces la capacidad calorífica se puede escribir como .
Existen dos capacidades caloríficas de uso muy común para fluidos homogéneos. Capacidad calorífica a volumen constante:
(8)
Capacidad calorífica a presión constante:
(9)
Ambas expresiones dan una relación entre un conjunto de propiedades termodinámicas y, por lo tanto, constituyen definiciones que son independientes del proceso particular que se lleve a cabo. Estas expresiones acomodan tanto capacidades caloríficas molares como específicas (las que usualmente se conocen como calores específicos), lo que depende del hecho de que U y H sean propiedades molares o específicas.
Un proceso donde se pone en práctica lo anterior es el de la combustión el cual consiste en la oxidación de los constituyentes del combustible, mediante una reacción química. La reacción de combustión se define como aquella entre un elemento o compuesto y el oxígeno, para formar ciertos productos de combustión. Para compuestos orgánicos formados sólo por carbono, hidrógeno y oxígeno, los productos son dióxido de carbono y agua; ésta última puede ser vapor o líquido. Entonces, la cantidad de energía que se libera por mol de hidrocarburo que se quema se conoce como calor de combustión.
Cuando una sustancia pura en estado sólido se licua o se vaporiza a partir de un estado líquido, a presión constante, no hay ningún cambio en la temperatura; sin embargo, el proceso requiere la transferencia de una cantidad finita de calor al sustancia. Estos efectos calóricos se conocen como calor latente de fusión y de vaporización respectivamente. La característica principal de todos estos procesos es la coexistencia de dos fases. De acuerdo con la regla de fases, un sistema de dos fases formado por una sola especie es univariante y su estado intensivo está determinado por la especificación de una sola propiedad intensiva. Por tanto, el calor latente que acompaña a un cambio de fase es una función exclusiva de la temperatura, y está relacionado con las demás propiedades del sistema por una ecuación termodinámica exacta:
(10)
donde es el calor latente y es el cambio de volumen que acompañan al cambio de fases. Esta relación es conocida como la ecuación de Clapeyron.
Hay tres formas de transferencia de energía: conducción, convección y radiación. La transferencia de energía por conducción se realiza de dos maneras. El primer mecanismo es el de la interacción molecular, en el cual el aumento del movimiento de una partícula a un nivel de energía más alto, imparte energía a las moléculas adyacentes que se encuentran en niveles más bajos. Está presente, en cierto grado, en todos los sistemas en los que existe un gradiente de temperatura. Además deben encontrarse moléculas de sólido, líquido o gas. El segundo mecanismo es el de transferencia de calor por medio de electrones " libres ". Este tipo es importante, principalmente en los sólidos puramente metálicos. La ecuación básica que sirve para describir el proceso de conducción es:
(11)
Donde qx es la rapidez de transferencia decalor en la dirección de x; A es el área normal
a la dirección de flujo de calor; k es la conductividad térmica y es el gradiente de temperatura en la dirección x. Está ecuación es la ley de Fourier de conducción de calor.
La transferencia de calor debida a la convección se relaciona con el cambio de energía que ocurre entre una superficie y un fluido adyacente. Existen dos tipos: la convección forzada, en la cual se hace pasar un flujo por una superficie sólida usando un medio externo, tal como un ventilador o una bomba y la convección libre o natural, en la que un fluido más caliente ( o más frío ), que se encuentra próximo a la frontera sólida,
ocasiona la circulación a causa de la diferencia de densidades que resulta de la variación de temperatura en una región del fluido.
A diferencia de la trasferencia de calor por convección, en la radiación no se requiere que intervenga un espacio lleno de materia para que las superficies intercambien calor. Esto es así porque la radiación térmica es un tipo de radiación electromagnética que depende únicamente de la temperatura en la superficie.
Uno de los instrumentos que utilizan una transferencia de calor como principio de funcionamiento es la bomba calorimétrica, con la cual se puede determinar el calor de combustión de una sustancia. La bomba calorimétrica, como la mostrada en la figura 1, se compone de un vaso cilíndrico de unos 300 cm3 de capacidad provisto de una tapa atornillada,. En la tapa se encuentran dos válvulas. Una de ellas se emplea para llenar la bomba con oxígeno, mientras que la otra se utiliza para dar salida a los gases de combustión después del ensayo. Para hacer hermética la junta , entre la tapa y el vaso se intercala un anillo de plomo, que encaja en una entalladura de la tapa y puede renovarse a menudo. La tapa se atornilla primero a mano, y luego se aprieta con una llave de brazos que acompaña a la bomba. Es perjudicial apretar más de lo necesario.
Figura 1. Calorímetro de bomba con unidad de ignición
En el interior de la bomba se encuentra la cápsula del combustible, la cual puede ser de diferentes tipos. Las cápsulas de platino de forma plana ( bordes bajos ) sólo son apropiadas para sustancias de pronta combustión. Para sustancias de escasa velocidad de combustión se utilizan cápsulas de materiales poco conductores de calor y bordes altos ( cuarzo, porcelana o arcilla refractaria no vidriada ). La bomba se llena con oxígeno por medio de un tubo flexible y delgado de cobre, provisto de un manómetro, terminado de un lado en una tuerca que se adapta a las aberturas de llenado de la bomba, y por el otro por una boquilla que se ajusta a la rosca normal de las botellas de oxígeno. Se abre la botella y se deja pasar el oxígeno hasta que el manómetro señale algo más de 25 atm. Se cierra primero la botella de oxígeno y después la bomba cuando el manómetro desciende a 25 atm ya que las tuberías nunca son absolutamente herméticas. debe tomarse como norma llenar de oxígeno la bomba en último término y dar salida al gas inmediatamente después de realizado el ensayo; es decir, la bomba no debe estar bajo presión más que el tiempo absolutamente indispensable.
La parte exterior está formada por un depósito de agua de forma anular que contiene de 15 a 25 litros, y que por su gran capacidad térmica constituye el ambiente del calorímetro y lo protege de cambios de calor. Sobre este depósito va montado un soporte que sostiene los mecanismos de accionamiento del agitador, así como la suspensión elástica del termómetro.
Se puede emplear un agitador de hélice, con el cual se debe modificar la disposición del aparato. El depósito exterior de agua tiene la misma forma, pero mayor diámetro y capacidad. En este ensanchamiento va colocado el canal de agitación ( canal de la hélice ). Ésta toma el agua caliente de la parte superior y la impulsa por la parte inferior.
La bomba no necesita estar centrada en el depósito del calorímetro, sino que deberá estar en la proximidad inmediata al canal de agitación , con el fin de que la velocidad de circulación en el punto más alejado de la hélice sea lo más reducida posible. Una de las ventajas de esta disposición es que ni el termómetro ni la bomba están en contacto inmediato con el agitador, y por consiguiente, éste trabaja
absolutamente sin choques o rozamientos.
Para la medición de temperaturas se empleará un termómetro de mercurio con una amplitud de 14 a 23ºC construido especialmente para este caso. La longitud de los grados de estos termómetros es de 3 a 4,5 cm. y están divididos en 100 partes, lo que permite llegar a apreciar incluso la milésima de grado haciendo las lecturas con lupa.
La cantidad de calor medida indirectamente al efectuar la determinación calorimétrica es el producto de la diferencia de la temperaturas corregidas por la capacidad térmica del calorímetro llamada esta última equivalente de agua. Se comprende con esta denominación la cantidad de calor necesaria para elevar en 1.00 ºC la temperatura de todo el sistema. La manera más exacta para producir y calcular esta cantidad de calor es utilizar el método eléctrico, el cual consiste en rodear la bomba con una resistencia calefactora. Generalmente por comodidad se calcula el equivalente
por el método de combustión en el cual se utilizan productos químicos puros de calor de combustión conocidos.
Lo mismo que en el ensayo calorimétrico ordinario, al efectuar la determinación del equivalente del calorímetro, además del calor de combustión de la sustancia patrón, se deben tomar en cuenta otros factores :
a) La inflamación del filamento metálico empleado. La pequeña cantidad de corriente que se invierte en el encendido puede despreciarse o introducirse en el valor del equivalente.
b) El calor de formación del ácido nítrico. Para evitar la formación del mismo es recomendable hacer lavados con oxígeno para desalojar de la bomba la mayor cantidad de aire posible.
c) Para realizar los cálculos calorimétricos se realizan una serie de correcciones tal como la corrección por radiación que permite obtener la elevación verdadera de la temperatura basándose en la hipótesis de que hasta el punto en que el termómetro ha
recorrido la mitad del camino en su ascenso, el cambio de calor es igual del que se calcula como consecuencia del movimiento del termómetro en las fases inicial y final. En todos los minutos siguientes, las temperaturas están tan cerca de la temperatura máxima, que el cambio de calor es el mismo que resulta de la marcha del termómetro en la fase final del ensayo.
d) Otro tipo de corrección es la determinación de los ácidos sulfúrico y nítrico por volumetría utilizando el método de Langbein.
El conocimiento de los valores de calor de combustión es importante a nivel industrial principalmente en el empleo de calderas, las cuales se establece un intercambio de calor entre los gases de combustión de algún combustible ,como el disel o la gasolina, y el agua. El cálculo de la eficiencia de la caldera requiere el valor del calor de combustión, para conocer cuanto de la energía disponible en el combustible se transfiere al agua.
Equipo y Diagrama Experimental
Cuadro 1. Equipo experimental
Equipo FabricantePlaca
U.C.R.
Calorímetro de bomba
Parr 4764
Unidad de ignición
Parr 124660
Empastillador Parr 120762
Termómetro Cole-Parmer 08003-10
Cronómetro Accusplit 126541
Cuadro 2. Reactivos utilizados.
Sustancia Fabricante Calidad
Ácido Benzoico
FLUKA AG Reactivo
Broza de café (B111003)
CITA ----
Figura 2. Diagrama del calorímetro de bomba y sus partes principales.
Metodología
Se procede a la determinación del calor de combustión de varias muestras de residuos de broza de café, las cuales tienen un 25% de humedad. Para lo cual primeramente se determina la capacidad calorífica del calorímetro, por medio del uso de una sustancia de referencia como lo es el ácido benzoico. Se prepara una pastilla para la combustión de dicha sustancia, y se prepara la bomba calorimétrica de acuerdo a lo estipulado por el diseño del instrumento.
Seguidamente se mide temperatura y tiempo antes, durante y posterior al proceso de combustión, hasta que la temperatura se mantenga constante. Se procede de la misma forma para determinar el calor de combustión de las distintas muestras de broza de café, realizando tres corridas. Los datos necesarios para el cálculo se obtienen a partir de los gráficos de temperatura en función del tiempo, realizados para cada muestra analizada.
El experimento considera como variables de diseño la masa de cada muestra combustionada, así como la longitud del alambre de combustión. Como variable de respuesta se tiene el tiempo y la temperatura, durante el intercambio calórico. Como variables fijas se tiene el volumen de agua utilizado en el calorímetro, la presión atmosférica y la presión en la bomba de oxígeno.
Discusión de Resultados
Se determinó el calor de combustión para varias muestras de broza de café, utilizando ácido benzoico como sustancia de referencia, para calibrar el calorímetro.
El calor de combustión que se genera al quemar la sustancia en presencia de oxígeno dentro de la bomba se expresa principalmente de dos formas: como el calor que gana el calorímetro y la cantidad de calor que gana el agua. La sustancia de referencia se utiliza para determinar el calor ganado por el calorímetro como la diferencia del valor de calor de combustión de la sustancia patrón y el calor que absorbe el agua. Los valores necesarios para determinar el calor ganado por el calorímetro, es decir, su capacidad calorífica, se obtienen a partir del gráfico de temperatura contra tiempo para el proceso de combustión y utilizando las fórmulas preestablecidas para el tipo de calorímetro utilizado. La gráfica correspondiente se observa en la figura 3.
Figura 3. Variación de la temperatura con el tiempo durante la combustión del ácido benzoico.
Se obtuvo un valor de 9135.7 J/°C para la capacidad calorífica del calorímetro. Una vez determinado este parámetro, se calculó el valor del calor de combustión para tres muestras de broza de café (B111003) con un 25% de humedad. Nuevamente, los parámetros necesarios para el cálculo se determinan a partir de la curva temperatura contra tiempo, la cual se muestra en la figura 4.
Figura 3. Variación de la temperatura con el tiempo durante la combustión de las distintas muestras de broza de café.
A partir de la información proporcionado por las curvas de la figura 4, y utilizando el valor de la capacidad calorífica del calorímetro obtenido a partir de la combustión del ácido benzoico, se obtiene el calor de combustión para las distintas muestras de broza de café. Los resultados se observan en el siguiente cuadro.
Cuadro 3. Valores para el calor de combustión de las distintas muestras de broza de café
Muestra
Calor de combustión
H, J/g
1
2
12034.3
10780.2
3
Promedio
12809.2
11874.6
Es importante señalar en este punto las suposiciones realizadas para obtener estos valores. Primeramente, se observa de la figura 4 que las muestras se queman muy rápido en la bomba; el intervalo de tiempo previo a la ignición y la razón de cambio de la temperatura en dicho intervalo, parámetros necesarios para calcular el calor de combustión, se han estimado de una forma aproximada solamente, ya que se cuentan con pocos pares de datos. En las gráficas realizadas se observa como las sustancias parten de la temperatura ambiente a la que se encontraba el agua antes de la combustión. A medida que se realiza la reacción comienza el intercambio del calor, que se genera dentro de la bomba de oxígeno, con su alrededor inmediato, en este caso el agua, la cual comienza a aumentar la temperatura. El flujo calórico disminuye a medida que se establece el equilibrio térmico entre los dos sistemas. Es importante mencionar que se hizo solamente la corrección debida al calor de combustión del alambre utilizado, ya que de la literatura se conocía el factor de corrección y en el laboratorio se determinó la longitud de alambre quemado. Otras correcciones que debían realizarse, debidas principalmente a la formación de ácido nítrico y sulfúrico durante el proceso de combustión, se omitieron debido a la imposibilidad práctica de estimar con exactitud la cantidad de ácido nítrico y sulfúrico formados.
Otro punto importante a señalar es que los cambios de energía asociados con la reacción de combustión se miden a temperatura y volumen constante. En el laboratorio se utilizaron 1200 ml de agua, los cuales, asumiendo que la densidad del agua es 1g/ml , equivalen a 1200 g. Se utiliza esta cantidad ya que con esta se tapa la bomba a un nivel por debajo de las entradas de los electrodos, para así evitar el posible contacto de la electricidad con el agua. Además no se efectúa trabajo, aunque en la determinación participen gases, ya que el cambio de volumen es igual a cero.
Como no se dispone de datos teóricos para comparar con los valores de calor de combustión obtenidos para la broza de café, se realiza el análisis estadístico comparando la diferencia de los valores obtenidos con respecto al valor promedio. Los respectivos valores se muestran en el siguiente cuadro
Cuadro 4. Diferencias de los valores de calor de combustión respecto al promedio
MuestraDiferencia respecto al
promedio, d (J/g)
1
2
3
159.7
1094.4
934.6
Se establece como hipótesis nula que no existe diferencia estadísticamente significativa de los valores respecto a su promedio, mientras la hipótesis alterna plantea lo contrario, es decir, sí existe diferencia. Utilizando la distribución t de student con dos grados de
libertad y un nivel de significancia del 5%, se obtienen los valores tabulados en el cuadro 5.
Cuadro 5. Valores requeridos para la determinación del nivel de significancia de la hipótesis planteada.
Definición Valor
Promedio de las diferencias
Desviación estándar de las diferencias, s
Valor de t calculado, tcalc
Valor de t tabulado, tteo
Probabilidad, Pr (tcalc)
Probabilidad, Pr (tteo)
Criterio sobre hipótesis nula
729.6
499.9
2.528
4.303
0.07
0.05
no se rechaza
Como el valor de t calculado es menor que el valor de t tabulado, no hay suficiente evidencia estadística para rechazar la hipótesis nula al nivel de significancia del 5%. Es importante recalcar que la prueba estadística solamente comprueba la validez del promedio de los datos, como un estimado del calor de combustión para la muestra de broza de café, sin embargo, se desconoce si este valor es el real. Sería recomendable efectuar una mayor cantidad de corridas, ya que tres valores no son suficientes para establecer un criterio respecto a la validez del método seguido. También podría compararse con el valor de calor de combustión de alguna sustancia conocida y con características similares, aunque sea sólo parcialmente.
Entre las principales fuentes de error cometidas se pueden señalar las siguientes:
No se tomaron suficientes medidas de temperatura y tiempo antes de la ignición, lo cual afecta los cálculos y se dificulta debido a la rapidez con que se quema la broza de café.
Para ver la temperatura en el termómetro de la bomba era necesaria una lupa y mucha precisión por lo que estas mediciones pueden variar según el observador.
No se tomó en cuenta el residuo observado en la cápsula después del proceso de combustión, además se desconoce su naturaleza.
Se desconoce si el valor obtenido para la capacidad calorífica del calorímetro es el correcto, ya que no se comparó con ningún otro valor, experimental o teórico.
Conclusiones y Recomendaciones
El aumento de la temperatura del agua a medida que se da la reacción tiende hacia un valor constante debido a que el flujo calórico es consecuencia del gradiente de temperatura entre los dos sistemas. Por esto cuando se establece el equilibrio, dicho gradiente es igual a cero y la temperatura se mantiene constante.
Las correcciones necesarias por formación de sustancias tales como ácido nítrico o sulfúrico, deben realizarse solamente si se puede estimar la cantidad de dichas sustancias formadas, de lo contrario es más recomendable omitirlas que hacer aproximaciones empíricas.
Basándose solamente en lo observado experimentalmente, no se recomienda la broza de café como combustible, ya que estando seca, se quema muy rápido, mientras que estando muy húmeda no se quema o no lo hace de forma completa.
Se recomienda usar una cantidad de agua en el calorímetro no menor a un litro, ya que una cantidad grande facilita el intercambio calórico y que el mismo no sea muy rápido.
Es importante asegurarse que haya cantidad de oxígeno suficiente en la bomba para que se dé la combustión completa.
Se recomienda tomar suficientes mediciones antes y después de la ignición con el fin de facilitar los cálculos.
Bibliografía
Smith, J.M. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. 5 edición, McGraw-Hill, México , 1995.
Van Wylen, G. Fundamentos de Termodinámica. 2 edición. Limusa, México, 1999.
Perry, J.H. Chemical Engineering Handbook. 7° Edición, McGraw-Hill, 1998.
Box, George; Hunter William. Estadística para investigadores. Editorial Reverté, S.A., España 1993.
Nomenclatura
Cuadro 6. Nomenclatura utilizada en el informe.
Símbolo Significado Unidades
E
Q
Energía
Calor
J
J
W
U
C
T
H
P
t
q
Trabajo
Energía Interna
Capacidad calorífica
Temperatura
Diferencial parcial
Entalpía
Presión
Tiempo
Calor
J
J
J/°C
°C
adim
J
Pa
s
J
Cuadro 6.(cont.) Nomenclatura utilizada en el informe.
Símbolo Significado Unidades
x
k
m
r
Longitud
Conductividad
Masa
Pendiente
m
W/mK
g
°C/s
Superíndices
2 Potencia cuadrada
Subíndices
a
b
c
Anterior a la ignición
Durante la ignición
Después de la ignición
Datos Experimentales
Cuadro 7. Masa de las pastillas utilizadas para la combustión (masa pastilla más alambre de ignición), antes y después de la combustión.
Sustancia
Ácido Benzoi
co
Broza de café
1 2 3
Masa, m 1.0867 1.037 0.821 0.968
(g) antes 1 0 5
Masa, m (g)
después0.0000
0.0432
0.0340
0.0420
Cuadro 8. Longitud de alambre antes y después de la combustión.
SustanciaÁcido
BenzoicoBroza de café
1 2 3
Longitud, l(cm) antes
10 10 10 10
Longitud, l(cm)
después
6.7 5.4 6.0 3.3
Cuadro 9. Temperaturas cada 5 segundos para las diferentes muestras.
Ácido Benzoic
o
Broza de café
Corrida 1
Corrida 2
Corrida 3
21,42
21,42
21,44
21,74
21,76
21,78
21,78
21,78
21,79
21,22
21,23
21,24
Cuadro 9.(cont.) Temperaturas cada 5 segundos para las diferentes muestras.
Ácido Benzoic
o
Broza de café
Corrida 1
Corrida 2
Corrida 3
21,54
21,70
22,00
22,30
22,70
21,78
21,86
21,98
22,2
21,80
21,83
21,90
21,98
22,00
21,24
21,28
21,36
21,40
21,64
23,10
23,40
23,60
23,70
23,90
24,04
24,20
24,34
24,40
24,44
24,48
24,46
24,48
24,56
24,56
24,62
24,68
24,72
24,74
24,76
24,80
24,82
24,86
24,90
0
22,30
22,50
22,66
22,80
22,90
23,00
23,08
23,16
23,18
23,20
23,26
23,30
23,32
23,33
23,34
23,3
22,08
22,16
22,30
22,36
22,42
22,50
22,57
22,63
22,69
22,74
22,79
22,83
22,86
22,90
22,94
22,96
22,98
23,00
23,03
23,06
23,07
23,09
23,11
23,13
21,78
21,78
21,88
22,00
22,06
22,18
22,24
22,30
22,36
22,40
22,44
22,50
22,55
22,58
22,63
22,65
22,68
22,70
22,73
22,74
22,77
22,78
22,80
22,82
24,94
24,96
24,96
24,98
25,00
25,04
25,08
25,08
25,10
25,12
25,14
25,14
25,16
25,18
5
23,37
23,40
23,42
23,43
23,48
23,51
23,52
23,52
23,54
23,54
23,56
23,58
23,59
23,60
23,61
23,6
23,15
23,17
23,19
23,20
23,21
23,22
23,24
23,24
23,26
23,27
23,28
23,30
23,31
23,32
22,84
22,85
22,87
22,88
22,91
22,92
22,93
22,95
22,96
22,97
22,98
22,99
23,00
23,01
2
23,63
23,65
23,66
23,67
23,69
23,70
23,71
Cuadro 9. (cont.) Temperaturas cada 5 segundos para las diferentes muestras.
Ácido Benzoic
o
Broza de café
Corrida 1
Corrida 2
Corrida 3
25,20
25,24
25,24
25,26
25,26
25,27
25,28
25,30
25,32
25,33
23,72
23,72
23,73
23,74
23,75
23,76
23,7
23,33
23,34
23,36
23,37
23,38
23,38
23,39
23,40
23,41
23,42
23,03
23,04
23,04
23,05
23,06
23,07
23,07
23,08
23,09
23,10
25,36
25,36
25,36
25,36
25,36
7
23,78
23,80
23,81
23,82
23,84
23,42
23,43
23,44
23,44
23,10
23,11
23,12
23,13
23,14
23,14
23,14
Resultados Intermedios
Cuadro 10. Datos para el cálculo de la capacidad calorífica de la bomba de oxígeno y el calor de combustión de la broza de café
Parámetro
Ácido Benzoi
co
Broza de café
1 2 3
r1 (°C/s)
r2 (°C/s)
a (s)
b (s)
c (s)
ta (°C)
tb (°C)
tc (°C)
e (J)
t (°C)
0,002
0,0028
10
45
195
21,44
23,40
25,08
31,76
3,15
0,0028
0,0022
20
50
175
21,86
22,80
23,59
44,27
1,371
0,0024
0,0021
25
65
175
21,90
22,50
23,20
38,49
0,973
0,0014
0,0018
20
75
185
21,28
22,30
22,92
64,48
1,365
Muestra de Cálculo
1. Cálculo de la capacidad calorífica del calorímetro.
Se calcula utilizando la siguiente fórmula:
(12)
Donde t se calcula como sigue:
(13)
Los valores de r1 y r2 se obtuvieron mediante una regresión lineal utilizando Excel 2000 y los datos del cuadro 9, filas 1-3, columna 1, obteniéndose los valores del cuadro 10, filas 1-2, columna 2. Con los datos del cuadro 10, filas1-8, columna 2 y sustituyendo en la ecuación (13), se obtiene el valor del mismo cuadro, misma columna, fila 10:
Para calcular e1 (corrección debida al alambre combustionado) se utiliza la siguiente ecuación:
(14)
Con los valores del cuadro 8, filas 1-2, columna 2 se obtiene el valor del cuadro 10, fila 9, columna 2:
Sustituyendo en (12) los valores del cuadro 10, filas 9-10, columna 2; cuadro 7, fila 1, columna 2 y el valor del calor de combustión para el ácido benzoico (26452.2 J), se obtiene:
2. Cálculo del calor de combustión para las muestras de broza de café.
Se realizó utilizando la siguiente fórmula:
(15)
Para la muestra 1, con los valores del cuadro 10, filas 9-10, columna 3; cuadro 7, fila 1, columna 3 y el valor de C calculado anteriormente, se obtiene el valor del cuadro 3, fila 1, columna 2:
Se procede de igual forma para calcular los demás calores de combustión.
3. Análisis estadístico de los datos obtenidos
Se plantea una prueba de hipótesis, para las diferencias de los valores del calor de combustión obtenidos respecto a su Llamando a la diferencia esperada entre los valores y d las diferencias obtenidas experimentalmente y tabuladas en el cuadro 4, filas 1-3, columna 2 se plantea:
Primeramente, se calculan los promedios de las diferencias obtenidas, mediante la siguiente ecuación:
(16)
para los valores del cuadro 4, filas 1-3, columna 2 se obtiene el valor del cuadro 5, fila 1, columna 2:
El cálculo de la desviación estándar, se realiza utilizando la siguiente ecuación:
(17)
Utilizando los valores del cuadro 4, filas 1-3, columna y del cuadro 5, fila 1, columna 2, se obtiene el valor del cuadro 5, fila 2, columna 2:
El valor de t calculado, tcalc, se obtiene mediante la siguiente fórmula:
(18)
Con los datos del cuadro 5, filas 1 y 2, columna 2 se obtiene el valor del mismo cuadro, fila 3, columna 2:
El valor de tteo, el cual se obtuvo de las respectivas tablas de la distribución t de Student con dos grados de libertad; se encuentra en el cuadro 5, fila 4, columna 2.
Como el valor de t teórico, tteo, es mayor que el valor de t calculado, tcalc, no hay suficiente evidencia estadística para rechazar la hipótesis nula.
Procedimiento Experimental
a. Calibración de la muestra.
Pese la muestra del material en la balanza analítica. La muestra no debe ser mayor de 1. 1 gramos
Prepare la pastilla de acuerdo a lo estipulado en el manual.
Instale el alambre ( que se utiliza en la combustión de la pastilla ), tal que se cierre el circuito. Se recomienda no mayor de 10cm.
Coloque la pastilla en la cápsula y coloque el alambre sobre la misma sin
que toque el alambre de la cápsula.
Cierre herméticamente la bomba de oxígeno.
Realice 2 lavados con el oxígeno, y llene la bomba con oxígeno a una presión no mayor a las 25 atmósferas.
Introduzca la bomba de combustión en el calorímetro, conectando los electrodos del detonador y haciendo funcionar éste, luego de revisar que todo el sistema se encuentre en orden.( Tener desconectado el detonador por peligro de una descarga eléctrica ).
Mida temperatura y tiempo para el transcurso del intercambio calórico. Hasta que la temperatura se encuentre constante.
Abra la válvula para la salida de los gases de combustión antes de abrir la bomba de oxígeno.
Mida la longitud del alambre no combustionado, así como los residuos de muestra no combustionada.
b) Determinación del calor de combustión
Confeccionar tres pastillas con el equipo que se localiza en el laboratorio.
Instale el alambre ( que se utiliza en la combustión de la pastilla ), tal que se cierre el circuito. Se recomienda no mayor de a los 10cm.
Coloque la pastilla en la cápsula y coloque el alambre sobre la misma sin que toque el alambre de la cápsula.
Cierre herméticamente la bomba de oxígeno.
Realice 2 lavados con el oxígeno, y llene la bomba con oxígeno a una presión no mayor a las 25 atmósferas.
Introduzca la bomba de combustión en el calorímetro, conectando los electrodos del detonador y haciendo funcionar éste, luego de revisar que todo el sistema se encuentre en orden.( Tener desconectado el detonador por peligro de una descarga eléctrica ).
Mida temperatura y tiempo para el transcurso del intercambio calórico. Hasta que la temperatura se encuentre constante.
Abra la válvula para la salida de los gases de combustión antes de abrir la bomba de oxígeno.
Mida la longitud del alambre no combustionado, así como los residuos de muestra no combustionada.
Limpie el equipo y entréguelo.
Punto de inflamaciónEl punto de inflamación es la temperatura mínima necesaria para que un material inflamable desprenda vapores que, mezclados con el aire, se inflamen en presencia de una fuente ígnea, y continúa ardiendo una vez retirada la fuente de activación.
Según NFPA, el punto de inflamación corresponde con el Flash Point que es la temperatura mínima necesaria para que un material inflamable desprenda vapores que, mezclados con el aire, se inflamen en presencia de una fuente ígnea, para volverse a extinguir rápidamente por sí sola una vez retirada la fuente de activación. En España, la definición de Flash Point corresponde con el punto de encendido según la normativa vigente UNE-EN ISO 13943.
En teoría, todos los materiales presentan una cierta cantidad de energía que permanece en estado inercial, es decir, no cambian su estado a menos que se produzca un cambio que permita producir la reacción. Esto también puede explicarse de otro modo: todos los materiales presentan cierta resistencia gradual a los cambios, de tal forma que sólo es posible alterarlos si dicho cambio puede modificar drásticamente la resistencia del material. Por ejemplo, golpear un metal repetidamente para modificar su forma, desprendiendo energía en forma de calor que hace que la resistencia del material baje levemente.
Punto de shock térmico
Se da por hecho que un material puede poseer, en una cierta escala, un grado de ignición térmica, por lo que añadido a esta idea cabe tener en cuenta la relación entre la resistencia del material y el tipo de reacción al que se somete el material. La presión es uno de los elementos que hacen que un material pueda comenzar a calentarse en un determinado cierto punto, que puede ser considerado en una escala de 0 a 9. Cuando un material, por algún tipo de inducción externa, cambia su resistencia, modifica este punto y puede comenzar a calentarse.
El punto de inflamación es, por tanto, un estado crítico que puede alcanzar un material ante el intento pasivo de absorber una energía externa que no puede liberar de ningún modo posible, de tal modo que entra en reacción con el nivel de energía recibido. El material recibe energía y no la puede disipar, por lo que sigue acumlando más y más energía, hasta que su estructura ya no puede más y se transforma en una reacción total de energía.
Definición de sustancias tóxicas, inflamables y explosivas¿Conoce las diferentes sustancias tóxicas, inflamables y explosivas? ¿Sabe cuáles son las clases de sustancias inflamables que existen?
Tema: Definición de sustancias tóxicas, inflamables y explosivasFecha:03-Mar-2006 Fuente:QuimiNet Sectores relacionados:Petroquímica, Química, Ecología y Medio Ambiente, Seguridad Industrial y Protección Personal
La cantidad y las características físicas y químicas de las sustancias involucradas en una actividad industrial o de
servicios (en proyecto o en operación), así como en un transporte y depósito de sustancias, constituyen los factores de mayor importancia para definir su grado de riesgo. Es por ello, que se han constituido listados de sustancias peligrosas reguladas (principalmente tóxicas o explosivas e inflamables), para las cuales se han fijado cantidades de reporte o de control.
En términos generales las sustancias tóxicas, inflamables y explosivas se clasifican en:
Sustancias de toxicidad aguda: Una sustancia es considerada como un tóxico agudo de acuerdo a que: su concentración capaz de producir la muerte de la mitad o el 50 por ciento (CL50) de los animales expuestos vía inhalación durante ocho horas sea de 0.5 mg/l de aire; o bien que su dosis dérmica que provoca la muerte del 50 por ciento (DL50) de los animales expuestos sea de 50 mg/kg de peso corporal; o que su dosis oral (DL50) sea equivalente a 25 mg/kg de peso corporal. En ausencia de estos valores, se utilizan las concentraciones o dosis más bajas que son letales para cualquier animal de prueba.
Sustancias inflamables: Son aquellas capaces de formar una mezcla, con el aire, en concentraciones tales que las haga formar una flama espontáneamente o por la acción de una chispa. La concentración de dicha mezcla se considera equivalente al límite inferior de inflamabilidad. Dichas sustancias son consideradas como inflamables si poseen un punto de inflamación menor a 60 ºC, una presión de vapor absoluta que no exceda de 2.81 Kg/cm 2 y temperatura de ebullición de 37.8 ° C. Un líquido inflamable es definido por la Asociación Nacional de Protección contra el Fuego (NFPA) como aquel líquido con un punto de flasheo por debajo de los 37.8 ° C. La misma NFPA establece las siguientes subclasificaciones para estos líquidos:
Clase 1A
Son aquellos que tienen puntos de flasheo por debajo de los 22.8 ° C y que tienen un punto de ebullición por debajo de 37.8 ° C.
Clase 1B
Son aquellos que tienen puntos de flasheo por debajo de los 22.8 ° C y cuyo punto de ebullición es o se encuentra por arriba de 37.8 ° C.
Clase II
Son aquellos que tienen puntos de flasheo de 0 por arriba de los 37.8 ° C y debajo de los 60 ° C.
Clase III
Líquidos subdivididos en 2 subclases: Clase IIIA : todos aquellos que tienen puntos de flasheo de o por arriba de 60 ° C y por debajo de 93.3 ° C. Clase IIIA : todos aquellos que tienen puntos de flasheo de o por arriba de 93.3 ° C.
Sustancias explosivas : Son aquellas que producen una expansión repentina, por turbulencia, originada por la ignición de cierto volumen de vapor inflamable, acompañada por ruido, junto con fuerzas físicas violentas capaces de dañar seriamente las estructuras por la expansión rápida de los gases.
En México, para calcular las cantidades de reporte o de control, se tomó como referencia una distancia de 100 metros, en torno a las fuentes emisoras; dentro de la cual para el caso de sustancias tóxicas, se alcanzaran valores de concentraciones iguales al IDLH; en el caso de sustancias inflamables, se produjeran niveles de radiación térmica iguales a 5 kw/m 2 y para las sustancias explosivas, se presentaran ondas de sobrepresión de 0.5 psi.
El criterio de distanciamiento de 100 metros se adoptó considerando que al desprenderse un gas o evaporarse una sustancia líquida tóxica o inflamable, se formara una nube con forma elíptica, que por la acción del viento, llevara a dicha sustancia a concentrarse en el extremo de la elipse (concentración IDLH para sustancias tóxicas y/o la concentración equivalente al Límite Inferior de Explosividad, LIE, para sustancias inflamables). Para ello, se tomaron en cuenta las consideraciones señaladas en la Guía de Acciones de Emergencia para selección de materiales peligrosos, publicada en 1978 por el Departamento de Transporte (DOT) de Estados Unidos.
Cada país incluye las sustancia en los listados tomando en cuenta otros factores como la existencia de la sustancia, su utilización, la frecuencia en que se haya visto involucrada en accidentes y la gravedad de las repercusiones de los mismos.
En el caso de los Estados Unidos de América, el listado de sustancias reguladas por la Sección 112 (r) de la Ley del Aire Limpio comprende 77 sustancias tóxicas, 63 inflamables y las explosivas listadas por el Departamento del Transporte; por su parte el listado de la Directiva del Consejo de la Unión Europea promulgada en 1982 reúne 180 sustancias tóxicas, inflamables y explosivas. En Canadá, se han establecido tres listados de sustancias peligrosas; la lista 1, es una lista corta que incluye a las sustancias de alta prioridad comúnmente encontradas en el país en fuentes fijas y en el transporte en cantidades por arriba de los umbrales considerados en las cantidades de reporte, por lo cual existe una alta probabilidad de que causen muertes al ocurrir un accidente. La lista 2, es una lista más larga, e incluye a las mismas sustancias de la lista 1 manejadas en cantidades inferiores, así como otras que en caso de liberación súbita pudieran causar fatalidades, y la lista 3 comprende otras sustancias peligrosas frecuentemente encontradas en Canadá pero en cantidades mucho menores y que tienen poca probabilidad de verse involucradas en accidentes graves.
Cabe destacar que también existen variaciones en la forma en que se fija la cantidad de reporte o de control de una sustancia peligrosa de un país a otro, que dependen de la forma en que se concibe la distancia que separa a las unidades que la contienen en la misma o en distintas áreas de una misma instalación, como se indica a continuación.
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Las diferentes sustancias tóxicas, inflamables y explosivas¿Conoce las diferentes sustancias tóxicas, inflamables y explosivas? ¿Sabe cuáles son las clases de sustancias inflamables que existen?
Tema: Definición de sustancias tóxicas, inflamables y explosivasFecha:05-Ago-2011 Fuente:QuimiNet Sectores relacionados:Petroquímica, Química, Ecología y Medio Ambiente, Seguridad Industrial y Protección Personal
En el caso de la legislación de Estados Unidos, se considera que en una fuente fija se encuentra una cantidad de reporte o de control, cuando la cantidad total de la sustancia regulada contenida en un proceso es superior al umbral o límite establecido.
Mientras que por proceso se entiende cualquier actividad que involucra a la sustancia regulada y que incluye cualquier uso, almacenamiento, manufactura, manejo o movilización de la misma, o combinaciones de estas actividades. También se considera como un proceso unitario a varios recipientes físicamente interconectados o a varios recipientes cercanos conteniendo la sustancia regulada, que en el caso de un accidente pueden verse involucrados en la liberación de la misma.
A su vez, se define por fuente fija, cualquier edificio, estructura, equipo, instalación o actividades fijas emisoras de sustancias reguladas, que pertenecen a una misma empresa, y que están localizadas en una o más propiedades contiguas, controladas por un mismo operador, y a partir de las cuales puede producirse la liberación accidental de dichas sustancias.
En dicho país, la lista de sustancias reguladas está basada en la toxicidad aguda, historia de accidentes y volatilidad. Los valores de las cantidades de control o umbrales (TQ) de las sustancias tóxicas, están comprendidos entre 500 y 20 mil libras, mientras que para
las sustancias inflamables se fija un TQ de 10 mil libras y para las explosivas de cinco mil.
En el caso de la Directiva del Consejo de la Unión Europea (82/501/CEE), las cantidades de reporte o de control, se refieren a cada instalación o conjunto de instalaciones del mismo fabricante cuando la distancia entre las mismas no es suficiente para evitar, en circunstancias previsibles, un aumento de los riesgos de accidentes graves. O bien, se refieren a cada conjunto de instalaciones de un mismo fabricante cuando la distancia que las separa sea inferior a aproximadamente 500 metros.
En México, de acuerdo con la Ley General del Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente, publicada en 1988, la clasificación de las actividades riesgosas se sustentó en el uso de sustancias peligrosas en cantidades que ameritaran su control (llamadas cantidades de reporte). De ahí que se elaboraran y publicaran en el Diario Oficial de la Federación, listados de sustancias tóxicas (el 28 de marzo de 1990) e inflamables y explosivas (el 4 de mayo de 1992), y sus cantidades de reporte.
Para determinar las cantidades umbrales o límites, denominadas cantidades de reporte de las sustancias identificadas como tóxicas, la concentración máxima fue comparada con los niveles máximos permitidos (dosis) que aseguren el bienestar y salud del ser humano. Con base en la aplicación de modelos matemáticos, se simuló la dispersión de una nube de gas o vapor, emitida accidentalmente, mediante lo cual se determinó la concentración máxima de cada sustancia que se podría alcanzar a una cierta distancia a partir de la fuente, en condiciones meteorológicas estables.
Las sustancias incluidas en los listados, se seleccionaron a partir de diversas listas tales como: el listado de sustancias identificadas por la Agencia Ambiental de los Estados Unidos de América como agudamente tóxicas; listados de sustancias consideradas por la Ley General de Salud, de la Secretaría de Salud; listado de sustancias que requieren permiso para su importación a territorio nacional; así como sustancias para las cuales se han fijado límites de exposición a nivel ocupacional por la Secretaria de Trabajo y Previsión Social.
Después de establecer una comparación entre los listados anteriores, se decidió la inclusión de todas las sustancias que:
tienen un IDLH menor de 10 mg/m 3 , se producen, manejan o transportan en México en grandes volúmenes (aunque no
sean tóxico-agudas, porque en caso de liberarse podrían presentar problemas serios al considerarse su concentración en el ambiente),
se encuentren en cantidades tales que de producirse una liberación, ya sea por fuga o derrame de las mismas, provocaría la formación de nubes inflamables cuya concentración sería semejante a la de su límite inferior de inflamabilidad, en un área determinada por una franja de 100 m de longitud en torno a las instalaciones o medio de transporte dados,
generen ondas de sobre presión de 1 lb/pulg. 2 en una franja similar a la anterior en el caso de formación de nubes explosivas.
En total se reunieron en los dos listados 481 sustancias (233 tóxicas y 248 inflamables y explosivas). Está previsto, siguiendo el ejemplo de los países que han revisado y
adecuado sus listados conforme a la experiencia y al avance en el conocimiento, someter a revisión los listados actuales para su adecuación. En particular, porque se ha identificado que en ellos se han incluido las diversas especies químicas que se encuentran en un mismo producto comercial, como es el caso del propano, butano, 1-buteno, 2-buteno, 2-butino, 2-metil-propeno, propileno y propino, contenidos en el gas LP y que no requerirían ser considerados por separado. Lo mismo ocurre con la gasolina, sobre la cual se detallan 38 especies, o bien, con otras sustancias que cuentan con diversos isómeros. Lo cual hace innecesariamente largos los listados y no contribuye a disminuir los riesgos en su manejo.
Es importante tener presente que para decidir como clasificar las actividades altamente riesgosas en México, no se creyó conveniente simplemente adoptar alguna de las clasificaciones de otro país, ya que nuestra realidad puede ser totalmente distinta, el grado de conciencia y capacidad de manejar los materiales peligrosos puede diferir y la vulnerabilidad de las poblaciones vecinas a las actividades riesgosas puede ser más alto.
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Límites de inflamabilidad : información de seguridadLos gases y líquidos en (estado de vapor) pueden presentar dos límites de inflamabilidad, superior (LSI) e inferior, que definen el rango de mezcla de la sustancia con el aire que pueden propagar una llama y causar una explosión. Por debajo del límite inferior de inflamabilidad (LII) la mezcla de oxígeno y aire es insuficiente para que se propague una llama porque tiene un déficit de oxígeno. También se conoce con las siglas en inglés LEL (Lower explosive limits): mínima concentración de combustible (% de vapor envolumen) en mezcla con el aire en el que una llama se propaga en presencia de una fuente de ignición. El límite superior de inflamabilidad (LSI) (upper explosive limit, UEL) es la concentración máxima de combustible (% en volumen) de vapor en el aire en el que la llama no se propaga. La zona de inflamabilidad es el rango de concentraciones que se encuentra entre el límite inferior de inflamabilidad y el límite superior de inflamabilidad. Este rango cambia con la temperatura, en atmósferas ricas en oxígeno y en presencia de otros componentes.
Ejemplos de límites de inflamabilidad de un grupo de sustancias ampliamente utilizadas
sustancia LII LSI
- acetona 2,6 12,8.
- eter dietílico 1,90 36
- metanol 6,7 36
- acetaldehído 4 60
- ácido acético 4 19,9
- acetonitrilo 3 16
- disulfuro de carbono
1,3 50
- ciclohexano 1,3 8
- dietilemnia 1,8 10,1
- alcohol etílico 3,3 19
- heptano 1,05 6.7
- hexano 1,1 7,5
- alcohol isopropílico
2 12
- pentano 1,5 7,8
- tetrahidrofurano 2 11,8
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Punto de IgniciónSaltar a: navegación, búsqueda
Se denomina Temperatura o Punto de Ignición a la temperatura mínima necesaria para que los vapores generados por un combustible comiencen a arder.o hervir depende de su temperatura y se parece a una sustancia pura, o combinada y eso lo convierte en un cambio químico - físico.
Para que esto suceda es necesario alcanzar primero la Temperatura de vaporizació
Temperatura de vaporizaciónSaltar a: navegación, búsqueda
Se llama temperatura o punto de vaporización a la temperatura mínima necesaria para que un combustible comience a generar vapores inflamables.
En los líquidos no inflamables es la temperatura a la que esos líquidos pasan a ser vapor.
El calor necesario para alcanzar la temperatura de vaporización sigue la fórmula: Qc = mCD t, donde C es el calor específico de la sustancia en estado líquido.
BLEVEBLEVE es el acrónimo inglés de "boiling liquid expanding vapour explosion" (explosión de vapores que se expanden al hervir el líquido). Este tipo de explosión ocurre en tanques que almacenan gases licuados a presión y sobrecalentados, en los que por ruptura o fuga del tanque, el líquido del interior entra en ebullición y se incorpora masivamente al vapor en expansión.
Desarrollo
La causa más frecuente de este tipo de explosiones es debida a un incendio externo que envuelve al tanque presurizado, lo debilita mecánicamente, eleva la temperatura del líquido contenido y aumenta la presión dentro del tanque. Llega un punto en que la presión alcanza valores que el recipiente no puede soportar, produciendo una fisura o
ruptura del mismo. Esto ocasiona un súbito descenso de la presión, comienza el proceso de nucleación espontánea y todo el líquido contenido cambia su estado a gaseoso en forma virtualmente instantánea, aumentando su volumen cientos o miles de veces.
Si el vapor liberado corresponde a un producto inflamable, se genera una bola de fuego también en expansión. Si el producto no es inflamable igual ocurre la explosión tipo BLEVE; la onda expansiva de sobrepresión ocurre cuando el liquido se convierte en gas, su volumen cambia dramáticamente (leyes de Gay-Lussac y de Boyle) lo que causa esta onda de sobrepresión. La combustión del contenido ocurrirá siempre que el producto contenido sea combustible e inflamable, pero esta es una segunda explosión que es otro fenómeno conocido como "Explosión de Vapores No Confinados" o en inglés "Unconfined Vapour Cloud Explosion" (UVCE) y es consecuencia del BLEVE y no parte de él.
Consecuencias físicas
En una BLEVE se manifiestan las siguientes consecuencias físicas:
Sobrepresión por la onda expansiva: la magnitud de la onda de sobrepresión depende de la presión de almacenamiento, del calor específico del producto implicado y de la resistencia mecánica del depósito.
Proyección de fragmentos: la formación de proyectiles suele limitarse a fragmentos metálicos del tanque y a piezas cercanas a éste. Se trata de una consecuencia difícilmente predecible, y los fragmentos pueden proyectarse a varios cientos de metros, e incluso a miles de metros.
Radiación térmica de la bola de fuego: la radiación infrarroja de la bola de fuego suele tener un alcance mayor que el resto de efectos, y es la que causa más daños. El alcance de la radiación depende del tipo y cantidad de producto almacenado, y de la temperatura y humedad relativa ambiental.
También puede producirse el denominado efecto dominó cuando los efectos alcanzan otras instalaciones o establecimientos con sustancias peligrosas, pudiéndose generar en ellos nuevos accidentes secundarios que propaguen y aumenten las consecuencias iniciales.
Existen diversos modelos físicos propuestos por el TNO que permiten estimar la magnitud de cada tipo de consecuencias. Este efecto fue estudiado a mediados del siglo XX por el ingeniero español de la compañía Butano, S.A. (Hoy Repsol Butano) D. Narciso Belinchón, siendo pionero en el estudio de este tipo de siniestros.