Cinética de la Combustión Sin Llama de Gas Natural sobre CaOMgO - GRUPO 5

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA AGROPECUARIA DE MANABÍ
MANUEL FÉLIX LÓPEZ
CARRERA DE AGROINDUSTRIA
CUARTO NIVEL “B”
PERÍODO MAR/2020 – OCT/2020
INFORME
TEMA:
ESTUDIO CINÉTICO DE LOS GASES
INTEGRANTES:
Vera Saltos Gema Mercedes
Zambrano Álvarez Odalis Andreina
Zambrano Cedeño Frank Yumar
Zambrano Parrales Jorman Alexander
Zamora Intriago Martha Gregoria
FACILITADORA:
ING. LUISA ANA MENDOZA.
CALCETA, JULIO 2020.
CINÉTICA DE LA COMBUSTIÓN SIN LLAMA DE GAS NATURAL SOBRE
CaO/MgO
Gómez, Sánches, & Jaramillo (2009) responsables del estudio cinético en el artículo señalan que la
combustión térmica con llama es uno de los mayores impactos en el ambiente y en la salud humana
el cual se produce por las emisiones de los hidrocarburos inquemados, por lo cual la oxidación de
esos hidrocarburos sería la solución para generar combustión sin llama, que en cuanto a eso los
materiales más activos para combustión sin llama de gas natural son metales nobles y óxidos de
metales de transición, el cual presentan inestabilidad térmica, menor actividad y difícil preparación.
Sin embargo, la oxidación de metano sobre MgO puro o adicionado con otros elementos como litio,
hierro, cobre y calcio viene aumentando el interés ya que cuando se adiciona al MgO, Fe o Co se da
oxidación total del metano promovida por el metal de transición. Asimismo, el óxido de magnesio
puro, usado frecuentemente como soporte de metales nobles por su alta estabilidad térmica, tiene
alguna actividad para la oxidación total de metano en exceso de oxígeno. Es así como en este artículo
los autores antes mencionados realizaron el estudio cinético de la combustión sin llama de mezclas
gas natural-aire con partículas secadas y calcinadas de hidróxido de magnesio con adiciones de CaO,
donde se estudió la dependencia de la velocidad de reacción con respecto a la temperatura y a las
concentraciones de metano y oxígeno. Cabe recalcar que la combustión sin llamas según Yepes,
Arrieta, & Amell (2019) es la recirculación interna de los productos de combustión para obtener una
reacción diluida y distribuida donde no existe una llama definida, esa dilución genera que los picos
de temperatura producidos durante la reacción sean mucho menores que los obtenidos en los procesos
tradicionales.
En este estudio cinético se llevó a cabo la preparación del material activo que en este caso fue el MgO
industrial obtenido por calcinación a 1000°C, luego para las suspensiones acuosas utilizaron el
método de Gómez, Sánchez, & Jaramillo (2008) donde las suspensiones se prepararon de una parte
de sólido por cuatro de agua, con agitación mecánica durante 1.50 horas; se separó el sedimento
después de 12 horas y se secó en la estufa a 125 °C por 36 horas, después el sólido seco fue triturado
y tamizado hasta formar pequeñas partículas las cuales fueron calcinadas durante 4 horas. Por otro
lado, para la instalación experimental del estudio, los flujos de mezcla reactiva se regularon con un
controlador de flujo másico, para el control de la temperatura de la mezcla gaseosa utilizaron un
controlador temperatura junto con un termómetro digital, el reactor se recubrió con ladrillo refractario
y manta cerámica, mientras que el tubo del sistema de reacción se llenó con cuarzo como material
inerte, para facilitar la homogenización y el calentamiento de la mezcla reactiva, que a partir de ahí
se empacaron las partículas del material activo; al igual la concentración de los gases en combustión
se midió por medio de un analizador de gases tipo infrarrojo.
Para eliminar los efectos difusionales entre la superficie y el interior de las partículas (limitaciones
internas), se mantuvo constante la relación entre la masa de material activo y el flujo molar de
reactivos, el cual se suministró un flujo de 3.0 SLPM a 650oC con 2.5 % v/v de metano, para 2.0
gramos de material activo con diámetros de partícula entre 1.2 y 2.8 mm. Para determinar la reacción
respecto al metano, se varió la concentración de éste con 100% de oxígeno en exceso, sin suministro
de nitrógeno. Las concentraciones de metano en la entrada fueron 1.5, 2.0, 2.5 y 3.0% v/v controladas
por medio del analizador a temperaturas entre 600 y 650oC, con incrementos de 12.5oC, empacando
partículas de diámetro entre 1.6 y 2.1 mm de material activo, respecto al oxígeno, se midió la
combustión manteniendo la concentración de metano constante (3.0% v/v) con concentraciones de
oxígeno de 17, 33 y 50% en exceso, con diámetros de partículas entre 1.6 y 2.1 mm. El aire se
suministró diluido con nitrógeno y se ajustaron las concentraciones en línea con el analizador de gases
NDIR. Por último, el análisis de la dependencia de velocidad de reacción respecto a la temperatura
dadas entre 600 y 650°C, con incrementos de 12.5° se determinó a partir de las concentraciones de
metano a la entrada y a la salida del reactor.
Los resultados de las pruebas realizadas los autores de dicho artículo obtuvieron que la velocidad de
reacción se mantuvo constante en 0.018 mol/g min, lo cual es indicativo de la no existencia de
limitaciones de transporte entre el seno del gas y la superficie de la partícula ya que la relación entre
el consumo de metano respecto al diámetro de partícula se obtuvo que para tamaños menores a 2.18
mm, la velocidad de reacción no depende de esta variable, indicando que no hay efectos de difusión
interna cuando el lecho se empaca con partículas de diámetro inferior. La velocidad de reacción
respecto a la concentración de 𝐶𝐻4 evidencia la limitación de consumo de metano por saturación
superficial, dado que la velocidad cambia de pendiente positiva a negativa, por el cual el coeficiente
de correlación R2 es superior a 0.8 para temperatura entre 612.5 y 650ºC, confirmándose que para
dicho intervalo la reacción sigue un mecanismo de adsorción en sitios distintos con limitaciones por
reacción superficial donde el orden de reacción para el metano es aproximadamente uno; debido al
alto exceso de oxigeno utilizado (100%), la velocidad de reacción puede considerarse independiente
de su concentración.
Por otra parte, en los análisis ejecutados hubo una leve incidencia de la concentración de oxígeno
sobre la conversión de metano, lo que permite afirmar que, para los excesos de oxígeno evaluados,
es despreciable la dependencia de la velocidad de reacción con respecto a la concentración de este
reactivo y por tanto la reacción es de orden cero respecto al oxígeno. La velocidad de reacción de
respecto a la temperatura se manifiesta en la constante de equilibrio de adsorción del metano (KCH4) y
en la constante global ks, donde se aprecia la influencia de la temperatura sobre la primera evidenciada
al cuadruplicarse el valor de la constante ante un incremento de 50ºC en la temperatura, asimismo de
acuerdo a la aplicación de la fórmula de Arrhenius se indica la dependencia exponencial de la
constante cinética con temperatura, en la que se despreció la dependencia del cubrimiento superficial
del oxígeno respecto a la temperatura, dado el exceso de oxigeno usado, los cuales a los valores de la
constante global se le aplico logaritmo natural, siendo representada en una gráfica de linealización de
la ecuación de Arrhenius para combustión de metano sobre CaO/MgO resultando un coeficiente de
variación de 0,993, donde a partir de la pendiente dio se dio el cálculo de la energía de activación
resultando 136.64 kJ/mol lo que corresponde al 46.85% menor que la requerida para combustión
térmica lo que muestra que el CaO/MgO es activo para la combustión de gas natural con aire y su
elevada estabilidad térmica lo hace apto para aplicaciones de combustión sin llama donde se requieran
temperaturas que superen los 800oC
Los autores responsables de este estudio concluyeron que la reacción de combustión sin llama de gas
natural en exceso de oxígeno sobre CaO/MgO, presenta una cinética tipo LHHW, que según Torres
et al. (2016) este tipo de cinética representa la velocidad de reacción con catalizadores sólidos, ya
sean químicos o biocatalizadores como células en forma de floculo o inmovilizadas, gránulos,
biopelículas o perlas enzimáticas. Además, las pruebas realizadas permitieron observar a dichos
autores la reacción de combustión con sin llama de gas natural con aire con concentraciones de
metano y exceso de oxigeno sobre CaO/MgO evidenciando que el material activo preparado si es
eficaz para el proceso de combustión sin llama siendo fundamental para el diseño de éste nuevo
sistema donde se puede operar con temperaturas inferiores a las que se forman los NOx térmicos
evitando impactos ambientales y de salud humana.
Bibliografía
Gómez, E., Sánches, M., & Jaramillo, J. (2009). Cinética de la Combustión Sin Llama de Gas Natural
sobre
CaOMgO.
Obtenido
de
https://scielo.conicyt.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S071807642009000400008&lang=es
Gómez, E., Sánchez, M., & Jaramillo, J. (2008). Combustión sin Llama de Mezclas Pobres MetanoAire sobre Óxido de Magnesio Adicionado con Óxido de Calcio. Obtenido de
https://pdfs.semanticscholar.org/07ee/fb875e5792c19ea50ba3ee1004bfd19d56d1.pdf
Torres, R., Benítez, L., Hernández, A., & Navarro, J. (2016). Velocidad de reacción intrínsecamodelación
vía
el
método
secuencial.
Obtenido
de
http://www.reibci.org/publicados/2016/dic/1900106.pdf
Yepes, H., Arrieta, C., & Amell, A. (2019). Combustión sin llama como una alternativa para mejorar
la eficiencia de sistemas térmicos: revisión del estado del arte. Obtenido de
https://www.redalyc.org/jatsRepo/3442/344261485016/html/index.html