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ARTÍCULO No. MEC-38
ARTÍCULO
ACEPTADO POR REFEREO
15vo CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA
ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS (CNIES 2015)
Estudio de la Combustión No-Estequiometrica
de la Mezcla Metano-Nitrógeno con Oxigeno
G. Reyes Santiago1, M. De la Cruz Ávila 2, G. Polupan 2, G. Jarquín López1.

Keywords— combustion, Non-Stoichiometric, Methane, LCV,
Enthalpy,
Resumen— En este trabajo se realizó un estudio de
combustión completa e incompleta con oxígeno, a condiciones de
referencia, tomando como variable el porcentaje de nitrógeno en
la mezcla reactiva.
Los parámetros termodinámicos considerados son los
siguientes: volúmenes de los gases de combustión, poder
calorífico inferior, cantidad de oxigeno requerido para quemar 1
m3 de gas natural, la energía liberada en forma de entalpías de
los gases de combustión para un rango de temperaturas desde
100 0C hasta 2500 0C y la temperatura de llama adiabática.
Las ecuaciones de cálculo se basan en las relaciones
estequiométricas bajo condiciones normales (P = 1bar, T = 273.15
K) para una combustión completa. El comburente es una mezcla
metano con oxígeno.
Los resultados demuestran que con la presencia de nitrógeno
se libera una menor cantidad de calor. La incorporación del 5%
de nitrógeno reduce hasta un 8% el PCI, y en un 4% la entalpia
de la reacción y la temperatura flama adiabática.
I. INTRODUCCIÓN
E
n el presente artículo se analiza la metodología de cálculo
de la reacción de combustión completa e incompleta,
considerando diferentes variaciones de concentración de
nitrógeno en la mezcla comburente.
La finalidad de analizar las características de los procesos
térmicos que tienen lugar en el hogar del generador de vapor
es cuidar la estructura del mismo y minimizar errores de
operación, se deben realizar los cálculos que sirvan de base
para la selección de materiales o sistemas de enfriamiento así
como consideraciones de muchos otros factores del proceso.
La combustión es una reacción química exotérmica de
oxidación de las sustancias combustibles de manera rápida en
la que se libera la energía química almacenada en los enlaces
moleculares, transformándola en energía térmica y luminosa.
La combustión completa es la quema de una unidad de
combustible en su totalidad, mientras en la incompleta esto no
se cumple debido a una insuficiencia de comburente y/o
combustible.
Palabras Clave— combustión, no-estequiometrica, metano, PCI,
Entalpia.
Abstract— This paper presents a study of complete and
incomplete combustion with oxygen, performed at reference
conditions, taking as a variable the percentage of nitrogen in the
reaction mixture.
The thermodynamic parameters considered are: volumes of
flue gas, lower calorific value, oxygen required to burn 1 m3 of
natural gas, the enthalpy of the combustion gases to temperature
range from 100 °C to 2500 °C and adiabatic flame temperature.
The equations for complete combustion are based on
stoichiometric ratios under normal conditions (P = 1 bar, T =
273.15 K). The oxidizer is a methane mixed with oxygen.
As a result of the incorporation of nitrogen at the fuel
mixture, the Low Calorific Value was decreased by 8% in each
5% nitrogen added to the initial mixture of fuel, and 4% of the
reaction enthalpy and adiabatic flame temperature.
El nitrógeno es un gas inerte presente en el combustible o en
el comburente, en este artículo participara como parte de la
mezcla reactiva y se utilizara oxigeno como comburente.
Aun como lastre de la reacción se busca determinar el efecto
que este elemento ocasiona a la reacción.
II. DESARROLLO Y/O CAMPO TEÓRICO
A. Balance de Materia
La combustión completa se lleva acabo con la cantidad de
oxigeno necesaria para que se queme la unidad completa; las
ecuaciones
utilizadas
son
resultado
de
balances
estequiométricos; en el caso de hidrocarburos la ecuación que
representa dicho balance es la siguiente:
1
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Instituto
Politécnico Nacional. SEPI-ESIME CULHUACAN Av. Santa Ana No.1000
Edif.2 Tercer pido C.P.04480, México D.F. Correo electrónico:
[email protected]
2
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Instituto
Politécnico Nacional. SEPI-ESIME ZACATENCO. Laboratorio de Ingeniería
Térmica e Hidráulica Aplicada, Av. IPN s/n, Edif 5, Col Lindavista,
C.P.07738, México D.F., Tel 57296000 Ext. 54783, Fax 57526000 Ext.
54880, Correo electrónico: [email protected]
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n

n
CmHn   m   O2  mCO2    H 2O
4

2
1
(1)
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n
n
(m  ) mol  m mol  ( ) mol
4
2
n
n

 3
  3
3
m  m mm  m
4

2
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C. Poder Calorífico Inferior
El PCI de la reacción es la cantidad de energía liberada
durante la reacción de combustión, sin embargo lleva signo
positivo a pesar de que estamos hablando de una reacción
exotérmica; esto se debe a que lo representativo de esta
energía es la manera en la que afecta los alrededores.
(2)
(3)
donde
m es igual al número de moléculas de carbono
n el número de moléculas de hidrogeno.
Al igual que la entalpia, en el PCI se considera el efecto del
nitrógeno en la mezcla reactiva en los siguientes porcentajes:
5, 10 y 15%; con la finalidad de determinar el efecto que se da
en presencia de este elemento difícil de eliminar en muchas
reacciones.
Cuando se trata de una reacción de combustión incompleta no
se puede determinar los moles de los productos inquemados
por balances de especies atomicas, es necesario la utilización
de ecuaciones como la descrita en la combustión de Kissel.
De los balances de materia que se mencionan anteriormente,
se determina la cantidad de moles que están presentes en la
reacción, este valor será multiplicado por el valor del PCI de
cada sustancia.
n x y 
n x y 


CmHn   m  –
 z  O2 3, 762  m  –
 z  N 2  vN 2
4
2
4
2




n
( m – x ) CO2  xCO  ( – y ) H 2O  yH 2  2
n ( x  y)
zO2  ( 3, 762 ( m  –  z )  v) N 2 4
2
NOMBRE
Metano
Oxigeno
Nitrógeno
Monóxido de carbono
Hidrogeno
(4)
Qcompleta  VCH 4 * PCI CH 4
PCI MJ/m3
35.88
0
0
12.64
10.79
(8)
En el caso de que se trate de combustión incompleta el valor
de los productos de combustión incompleta se deben
considerar de la misma manera
Debido a que el comburente en la reacción es oxígeno, y la
ecuación anterior contempla el aire como comburente se
modifica
n x y

CmHn   m  –
 O2  ( m – x ) CO2  4
2 

n
xCO  ( – y ) H 2O  yH 2
2
Tabla 1 Datos de sustancias
FORMULA DENSIDAD kg/m3
CH4
0.717
O2
1.428
N2
1.250
CO
1.250
H2
0.090
Qincompleta  VCO * PCI CO  VH 2 * PCI H 2
(9)
(5)
El resultado se deberá restar al PCI de la combustión
completa.
donde
Qliberado  Qincompl  Qcompleta
x y
representa la cantidad de oxigeno que se pierde.
2
(10)
D. Temperatura de la Flama Adiabática
Las ecuaciones de la 1 a la 5 deberán modificarse de acuerdo
al porcentaje de metano en la mezcla reactiva.
La temperatura de la flama adiabática representa la
temperatura máxima que la reacción de combustión puede
alcanzar.
B. Entalpia
En combustión completa los productos de la combustión serán
CO2 y H2O, considerando que los productos y reactivos son
gases ideales podemos hacer una relación entre las entalpias
que están en función de la temperatura y se expresa como el
producto del poder calórico por la temperatura como se
muestra:
(11)
Hp  Hr
Los volúmenes calculados anteriormente se multiplican por la
capacidad calorífica de cada producto y se suman para poder
determinar la entalpia de la reacción.
h  V *  Cp * T 
I  VRO 2(CpT ) RO2  V
V
0
H 2O
(CpT ) H 2O
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0
N
(6)
2(CpT ) N 2
hf CH 4  CO2 [hf (CO2 )  Cp (t 2  t1)] 
(7)
H 2O [hf ( H 2O )  Cp (t 2  t1)]
2
(12)
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El método es iterativo y se inicia con la propuesta de una
temperatura, en lo que a este articulo ocupa se propone 1473
K debido a que es la temperatura reportada en bibliografía a la
que salen los gases de combustión en un generador de vapor
de 350 MW.
generación menos de los productos mencionados
anteriormente.
Por otra parte en la combustión incompleta los balances de
materia difieren en dos sentidos:
 Deficiencia de oxigeno
 Adición de nitrógeno a la mezcla comburente.
Por su parte en combustión incompleta se debe considerar los
productos inquemados de la reacción CO y H2
hf CH 4  CO2 [hf (CO2 )  Cp (t 2  t1)] 
H 2O [hf ( H 2O )  Cp (t 2  t1)]
Tabla 2 Balance de Combustión No Estequiométrica
DEFICIENCIA
ECUACIÓN BALANCEADA
DE OXIGENO
(13)
5%
CH4 + 1.9 O2 ↔ 0.9 CO2 + 1.9 H2O + 0.1 CO + 0.1 H2
10%
CH4 + 1.8 O2 ↔ 0.8 CO2 + 1.8 H2O + 0.2 CO + 0.2 H2
15%
CH4 + 1.7 O2 ↔ 0.7 CO2 + 1.7 H2O + 0.3 CO + 0.3 H2
III. RESULTADOS
A. Balance de Materia
Se realiza el balance de materia de acuerdo a las ecuaciones 1
a 3 de la metodología.
4
4
CH 4  (1  )O2  1CO2  ( ) H 2O
4
2
CH 4  2O2  1CO2  2H 2O
Gráfica 2 Volumen de Gases de Combustión No-Estequiometrica con 100%
metano
1mol  2mol  1mol  2mol
Los balances de la reacción por efecto de la adición de
nitrógeno restan productos de combustión completa, sin
embargo también merman la cantidad de productos
inquemados, debido a la ausencia de metano en la mezcla.
16kg  32kg  44kg  36kg
1m3  2m3  1m3  2m3
En combustión completa los balances de materia permiten
observar el decremento de la producción de los productos de
la reacción debido a la inclusión de nitrógeno en la mezcla
reactiva.
Gráfica 1 Volumen de Gases de Combustión Estequiométrica
Gráfica 3 Volumen de Gases de Combustión No-Estequiometrica y Diferentes
Concentraciones de Metano
Al llevarse la reacción a cabo se produce 2 moles de agua más
1 mol de dióxido de carbono; a medida que se adiciona
nitrógeno, el metano reduce su presencia causando una
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B. Entalpía
La entalpia de la reacción muestra un decremento del 12%
cuando la cantidad de metano presente en la mezcla se ve
reducido hasta en un 15%.
Gráfica 5 PCI en Combustión No-Estequiometrica
D. Temperatura de Flama Adiabática
El cálculo de la flama adiabática está basado en la ecuación 12
de la metodología para combustión completa y la ecuación 13
cuando la reacción se realiza con menos oxigeno del requerido
para la quema de la totalidad del combustible.
Gráfica 4 Entalpía de la reacción de combustión
Por otra parte la entalpia a 100 °C representa solo un 2.5%
respecto a la entalpia alcanzada a 2800 °C cuando la mezcla es
100% metano; este comportamiento guarda una relación lineal
cuando se incluye el nitrógeno en la mezcla comburente.
De la misma manera que los casos anteriores, el porcentaje de
nitrógeno y la reducción de oxígeno en la reacción afectan
directamente la temperatura de la flama.
C. Poder Calorífico Inferior
Se observa que en combustión completa la temperatura decae
155 K equivalente a un 3%, cuando se ha incorporada 15% de
nitrógeno en la mezcla.
El PCI lo calcularemos en función al porcentaje másico
equivalente al de los casos anteriores dados en volumétricos,
esto debido a que el PCI es la energía liberada por un Kg de
combustible. Y siguiendo la metodología (ec.8-10) calculamos
el PCI de los diferentes casos.
Tabla 3 Conversión de Porcentajes y PCI en Combustión Completa
% VOLUMÉTRICO
% MÁSICO
PCI (Kj/m3)
CH4 95% / N2 5%
CH4 92% / N2 8%
46,016.10
CH4 90% / N2 10%
CH4 95% / N2 5%
42,073.47
CH4 85% / N2 15%
CH4 95% / N2 5%
38,396.64
Gráfica 6 Temperatura de Flama Adiabática.
En combustión incompleta se mantiene que por cada 5% de
nitrógeno en la mezcla añadido, la temperatura descienda 1%;
un sesgo más representativo es cuando la cantidad de oxígeno
a la que se da la reacción se reduce, ya el 3% de la temperatura
de flama adiabática es restada al disminuir en 5% el
comburente.
La tabla anterior revela que la cantidad de energía que se
pierde al incorporar nitrógeno en la mezcla es de 7,500 Kj/m3
(15%), que corresponde a la cantidad de metano que no está
presente en la mezcla reactiva.
El segundo factor que disminuye la cantidad de PCI de la
reacción es la cantidad de oxigeno con la que se inicia la
reacción; esto más el decremento anterior causa bajas del 28%
aproximadamente en el PCI.
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VI. REFERENCIAS
[1] Huang Zhao Xiang. Selected Works of combustion:
Lecture of combustion course. China, 2006.
[2] Prabir Basú, Cen Kefa y Luis Jestin. Boilers and burners
design and theory. Mechanical engineering series.
Editorial Springer-Verlag, New York, 2000.
[3] S. McAllister et al., Fundamentals of Combustion
Processes.
[4] George Herman Babcock and Stephen Wilcox. “Steam” its generation and use. United States of America. Mc
Dermott Company. U.S.A, 2005
[5] E.M. Pismeny. Ingeniería Termica. Ministerio de
Educación superior de Ucrania. 2005.
[6] Combustión y quemadores de Manuel Márquez Martínez.
[7] Tesis de grado “Estudio numérico del proceso de
mezclado de oxígeno-metano para un generador de vapor
en fondo de pozo petrolero” Ing. Mauricio de la Cruz Ávila.
[8] Art. Cálculo del intercambio de calor en el hogar de un
generador de vapor de 350 MW de potencia que usa
combustóleo. SEPI-ESIMEZ, México, 2001
[9] Art. Metodología de Cálculo de la Combustión de los
Combustibles: Madera, Petróleo y Gas Natural. SEPIESIMEC, México, 2013.
[10] A.L. Miranda y M Flores. Ingeniería Térmica. Grupo
Editorial Ceac, S.A., 1999.
Gráfica 7 Temperatura de Flama Adiabática
IV. CONCLUSIONES
La incorporación de nitrógeno en la mezcla comburente
reduce la generación de gases de combustión en un 3.33 % por
cada 5% de este; esto en combustión completa.
En cuanto a combustión incompleta, la disminución del 5% de
comburente merma la generación de agua en un 6% mientras
el dióxido de carbono se reduce en 10% aproximadamente.
Por su cuenta la entalpia de la combustión difiere en un 12%
en su punto más alto (100% de metano) y el punto más
reducido (85% de metano) a 2800°C; dicha diferencia se va
reduciendo al disminuir la temperatura, llegando a 1% cuando
se llega a los 100°C.
VII. BIOGRAFÍA
Ing. Guillermo Reyes Santiago, nació el 18 de abril de
1989 en México, D.F. estudiante de tiempo completo en
Maestría en Ciencias de Ingeniería en Sistemas
Energéticos en la SEPI ESIME CULHUACAN IPN. Se
tituló como Ingeniero químico en el 2011 en la
Universidad del Valle de México
El Poder Calorífico Inferior en una reacción de combustión
completa desciende un 8% con la inclusión del 5% de
nitrógeno en la mezcla comburente. Es decir que al aumentar
en 15% la cantidad de nitrógeno en el combustible el PCI se
reduce hasta un 24%. Y debido a la disminución de oxígeno el
PCI puede reducirse un 32% cuando se retira el 155 del
comburente.
M. en C. Mauricio De la Cruz concluyó su licenciatura
en Ingeniería Física en la Universidad Autónoma
Metropolitana Azcapotzalco. Obtuvo el grado de
Maestro en Ciencias en Ingeniería en Sistemas
Energéticos en la Escuela Superior de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica Unidad Culhuacán y actualmente
pertenece al programa de posgrado de la Sección de
Estudios de Posgrado e Investigación en la Escuela
Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad
Zacatenco.
La temperatura de flama adiabática no presenta grandes
modificaciones por la inclusión de nitrógeno en la mezcla
comburente, estos cambios son al redor del menos 1%; el
cambio más representativo se presenta cuando se merma la
cantidad de comburente de la reacción limitando su
temperatura en un 4% por la reducción del 5% de oxígeno.
Dr. Georgiy Polupan. Profesor investigador de tiempo
completo del Posgrado de Ingeniería Mecánica en el
Instituto Politécnico Nacional de México. Es profesor
de la ESIME-IPN desde 1999 a la fecha. En 1970 se
tituló como Ingeniero mecánico en la Universidad
Técnica Nacional de Ucrania. Posteriormente se graduó
como Maestro en Ciencias de la misma Universidad en
el año de 1972. Para el año de 1980 se obtuvo el grado
de Doctor en Ciencias en Ingeniería Mecánica por parte
de la Universidad Técnica Nacional de Ucrania.
V. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al Instituto Politécnico Nacional, a la
Sección de estudios de Estudios de Posgrado e Investigación
de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Zacatenco y Unidad Culhuacán, al Consejo Nacional
de Ciencia y Tecnología y al Instituto de Ciencia y Tecnología
del Distrito Federal por el apoyo brindado.
México D.F., 13 al 17 de octubre 2015
Dr. Guillermo Jarquin López. Ingeniero Mecánico
Agrícola de la Universidad Autónoma Chapingo
(1994). Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica en
Diseño Mecánico cursado en la Sección de Postgrado e
Investigación de la ESIME Zacatenco-IPN (1997) y
Doctor en Ciencias en Ingeniería Mecánica Opción
Energética en la Sección de Postgrado e Investigación
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ACEPTADO POR REFEREO
15vo CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA
ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS (CNIES 2015)
de la ESIME Zacatenco-IPN (2006). Actualmente es profesor Titular "C" de
la ESIME Culhuacán en el IPN. Áreas de Investigación: Generadores de
vapor, Mecánica de fluidos, Combustión, Contaminación del medio ambiente
y transferencia de calor.
México D.F., 13 al 17 de octubre 2015
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