Reacciones quimicas en turbinas

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Breve presentación resumen sobre las reacciones químicas en una turbina a gas

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Mezclas reactivas

Mezclas reactivasLa relacin aire-combustible estequiomtrica es:

La relacin de equivalencia es definida como:

Mezclas reactivas > 1: Mezclas ricas en combustible < 1: Mezclas pobres en combustible. = 1: Mezclas estequiomtricas

% estequiomtrica y % exceso de aire;% de aire estequiomtrico = . 100% % de exceso de aire = [(-1)] 100%Entalpa Absoluta y Entalpa de formacinPara cualquier especie, podemos definir una entalpa absolutaque es la suma de una entalpa de formacin y el cambio de entalpa sensible:

Donde:

Entalpa absoluta (o estandarizada)Se define un estado de referencia estndar.

La entalpa de formacin es cero para los elementos en su estado de origen natural a la temperatura y presin de referenciaPor ejemplo, a 25 C y 1 atm el oxgeno existe como molcula diatmica; entonces:

Entalpa absoluta (o estandarizada)Para formar tomos de oxgeno en el estado estndar se requiere la ruptura del enlace qumico de su molcula.

La energa de disociacin del enlace de O2 en el estado estndar es 498,390 kJ / kmol. La ruptura de su enlace crea dos tomos de O; por lo tanto la entalpa de formacin del oxgeno atmico es:

Entalpa absoluta (o estandarizada)La entalpas de formacin es el cambio netode entalpa asociada al rompimiento de los enlaces qumicos de un elemento en su estado estndar y la formacin de nuevos enlaces para crear los elementos de inters. Ejemplos:

Entalpa absoluta (o estandarizada)Entalpa absoluta, de formacin y sensible:

Entalpa de combustin y valor calorficoReactor en condicin estacionaria

Entalpa de combustin y valor calorficoCondicionesReactivos: mezcla estequiomtrica a una condicin de estado estndar

Productos: una combustin completa es alcanzada y los productos estn en condicin de estado estndar.Los productos salen a la misma temperatura que los reactivos, por lo tanto se extrae calor.La cantidad de calor eliminado est relacionado con la entalpa absoluta de los reactivo y productos mediante la primera ley de la termodinmicaEntalpa de combustin y valor calorficoDe la ecuacin de primera ley:

La entalpa de la reaccin, o la entalpa de combustin,hR puede ser dada en funcin de la masa de mezcla

O como propiedades extensivas:

12Entalpa de combustin y valor calorficoEjemplo:La entalpa de los reactantes en una mezcla estequiomtrica de CH4 y aire a estado estndar es de -74, 831 kJ por kmol de combustible En las mismas condiciones, los productos de la combustintener una entalpa absoluta de -877, 236 kJ.

13Entalpa de combustin y valor calorficoEjemplo:O en base a la masa de la mezcla:

Donde:

14Entalpa de combustin y valor calorficoEl calor de combustin hc (conocido tambin como el valor calorfico) es numricamente igual a la entalpa de combustin, pero con signo positivo

15Temperaturas de flama adiabtica La temperaturas de flama adiabtica se define para dos procesos:Combustin a presin constanteCombustin a volumen constante

Combustin a presin constante: Si una mezcla de aire y combustible se quema adiabticamente a presin constante, la entalpa absoluta de los reactivos en el estado inicial (digamos, T1 = 298 K, P = 1 atm) es igual a la entalpa absoluta de los productosen el estado final (T = Tad, P = 1 atm).

16Presin Constante TadLa definicin de temperatura adiabtica a presin constante es dada por:

O en base masa por:

De forma conceptual, la temperatura de flama adiabtica es simple. Sin embargo, esta propiedad requiere eventualmente del conocimiento de la composicin de los productos de combustin

17Volumen Constante TadDefinicin:

Donde U es la energa interna de la mezclaEn la mayora de los clculos termodinmicas se proveen H (o h) y no U (o u). Por lo tanto se considera la definicin de entalpa para el calculo de U.

18Volumen Constante TadSi se aplica la ley de gases ideales:

La relacin anterior queda:

19Volumen Constante TadComo:

20Equilibrio QumicoLos productos de la combustin no son una simple mezcla de productos idealesSe suele utilizar una aproximacin de productos ideales para determinar la estequiometraLos productos de combustin ideal para combustibles hidrocarburos son:

Equilibrio QumicoProductos reales de una combustin de hidrocarburos puede incluir CO2 , H2O, N2, O2, H2, OH, CO, H, O, N, NO, ....Las especies mas frecuentes sonCO2, H2O, N2, O2, H2, CO,Y su disociacin que resulta en especies menos frecuentes H, N, O, OH, NONuestro objetivo aqu es caluclar la fraccin molar de todas las especies en los productos

Consideraciones de segunda Ley Segunda ley de la termodinmicas --- concepto de equilibrio qumicoPara un proceso a volumen constante, la temperatura y presin incrementan en la medida en que se ejecuta la reaccin, hasta que una condicin de equilibrio es alcanzadaEl estado final no est gobernado nicamente por la primera ley, este requiere tambin incluir la segunda ley.

Consideraciones de segunda Ley Considerando la siguiente reaccin de combustin

Si la temperatura final es suficientemente alta el CO2 se disociar. Si los productos asumidos son CO2, CO y H2O, entonces:

Consideraciones de segunda Ley = Fraccin de CO2 disociado La temperatura de flama adiabtica puede ser calculada como funcin de = 1: No hay combustin; T, P, y xi permaneces inalteradas = 0: Hay combustin; P y T pueden ser los mas altos posibles segn la primera ley

Consideraciones de segunda Ley Restricciones impuestas por la segunda ley en el sistema:Entropa de la mezcla:

Consideraciones de segunda Ley Equilibrio qumico para un sistema con masa constante (V=cte)

Consideraciones de segunda Ley Si se grafca la entropa de la mezcla versus , se observa que la entropa alcanza su mximo cerca de = 0.5

Para la condicin seleccionada se requiere que el cambio de entropa dentro del sistema sea:

Xi alcanzara el punto de mxima entropa por cualquiera de los dos lados mostrados en la figura anterior

Cuando la mxima entropa es alcanzada, no se permite mas cambios en Xi

Funcin de GibbsPara un sistema aislado con masa y volumen constante, la aproximacin de mxima entropa demuestra el rol de la segunda leyEn la mayora de los sistemas tpicos, el equilibrio Xi es dado para una condicin con valores fijos de T, P y Para esos casos, la funcin de libre energa de Gibbs G remplaza la entropa como una propiedad termodinmica importanteLa energa de Gibbs libre se define como

G H TSFuncin de GibbsLa segunda ley en trminos de G

La cual establece que la funcin de mnima energa de Gibbs siempre decrece para un cambio espontaneo, isotrmico e isobrico de un sistema con masa fija.

Esto nos permite calcular una condicin de equilibrio para xi cuando P y T son fijos.

Funcin de Gibbs

Funcin de Gibbs

Funcin de GibbsFuncin de GibbsFuncin de GibbsEcuacin de vant Hoff Ecuacin de vant Hoff Funcin de Gibbs