Combustión de Líquidos
Este artículo describe cómo calcular la masa de CO2 y el volumen de gases de escape emitidos en la combustión de combustibles líquidos en motores de combustión interna.
¿Cómo calculamos la emisión de CO2 en la combustión de líquidos?
1) Por lo general el consumo de combustibles líquidos se mide en volumen, por lo que el primer paso es conocer el volumen de combustible consumido.
Dato 1: Volumen de Combustible Líquidos
2) Sin embargo, la emisión de CO2 se informa en masa, y para ello necesitamos saber la masa de combustible consumido, y para ello necesitamos la densidad del combustible.
Dato 2: Densidad del Combustible Líquido
Ecuación 1: Masa de Combustible = Volumen de Combustible * Densidad del Combustible
A continuación se muestran densidades típicas de distintos combustibles líquidos, a 15 °C y en kg/m3.
Combustible N°1 según API (41,5 °API) = 818
Combustible N°2 según API (33 °API) = 860
Combustible N°4 según API (23,2 °API) = 915
Combustible N°6 según API, bajo contenido de azufre (12,6 °API) = 982
Combustible N°6 según API, alto contenido de azufre (15,5 °API) = 963
Diesel = 850
Biodiesel = 880
Gasolina = 750
Metanol = 796
Etanol = 794
3) Ahora necesitamos conocer la fracción másica de carbono del combustible líquidos, para saber cuánto carbono se va a transformar en CO2. Vamos a asumir que todos los átomos de carbono en el combustible van a formar CO2, durante la combustión con el oxígeno. Si bien esto no es cierto pues durante la combustión de combustibles líquidos también se forman hidrocarburos de cadenas más cortas (Ej: metano) y material particulado, es una aproximación muy cercana a la realidad y que no impacta significativamente en el cálculo de la emisión de CO2.
Dato 3: Fracción Másica de Carbono del Combustible
A continuación se muestran fracciones másicas de carbono típicas de distintos combustibles líquidos.
Ecuación 2: Masa de Carbono en el Combustible = Fracción Másica de Carbono * Masa de Combustible
Combustible N°1 según API (41,5 °API) = 0,864
Combustible N°2 según API (33 °API) = 0,873
Combustible N°4 según API (23,2 °API) = 0,8647
Combustible N°6 según API, bajo contenido de azufre (12,6 °API) = 0,8726
Combustible N°6 según API, alto contenido de azufre (15,5 °API) = 0,8367
Diesel = 0,87
Biodiesel = 0,77
Gasolina = 0,865
Metanol = 0,375
Etanol = 0,522
4) Conociendo la estequimetría de la combustión, y la fórmula quimica del CO2, podemos conocer la masa de CO2 formada a partir de la masa de carbono en el combustible:
C + O2 => CO2
Cada mol de C va a formar un mol de CO2, o lo que es lo mismo, cada 12 g de C van a formar 44 g de CO2, pues 12 g es el peso molar de C y 44 g es el peso molar de CO2. Por lo tanto:
Ecuación 3: Masa de CO2 = Masa de Carbono en el Combustible * 44 / 12
¿Cómo calculamos el volumen de gases de escape en la combustión de líquidos?
5) Sabiendo la masa de CO2 emitida, y conociendo la densidad del CO2, podemos calcular el volumen de CO2 emitido. Sin embargo, la densidad de los gases depende de la presión y la temperatura. De bibliografía podemos usar valores medidos de densidad de CO2 a diferentes temperaturas y presiones, o podemos usar la siguiente ecuación para calcular la densidad a la temperatura y presión que queramos:
Ecuación 4: Densidad Gases = (P * Mr) / (R * T) [kg/m3 o g/L]
Donde:
P: Presión del gas [atm]
T: Temperatura del Gas [°K]
R: Constante de los Gases = 0,0821 [(atm*L)/(°K*mol)]
Mr: Masa molar [g/mol]
Ecuación 5: Volumen de CO2 = Masa de CO2 / Densidad CO2
6) Sin embargo, el CO2 no es el único componente de los gases de escape, pues el O2 que se combustiona con el C suele estar en exceso dentro de los motores, y parte de él "pasa" sin reaccionar con el C; por lo que también hay O2 en los gases de escape. Además, el O2 proviene del aire, que posee, en volumen, 21% de O2 y 79% de N2, que pasa por el motor sin reaccionar. Por lo tanto, el N2 es también un componente de los gases de escape. A ciencia cierta, parte del N2 reacciona con el O2 formando óxidos de nitrógeno, pero esta reacción no incide significativamente en el cálculo del volumen total de gases de escape, y se despreciará.
Para calcular el volumen de O2 y N2, es necesario conocer el exceso de O2 con el que trabaja el motor en cuestión.
Dato 4: Exceso de oxígeno
El exceso de oxígeno se expresa como la masa de O2 que entra al motor, dividido la masa estequimétrica necesaria.
La tabla 3 muestra datos de exceso de oxígeno típicos para distintos combustibles líquidos.
La masa de oxígeno en los gases de escape corresponde a la masa estequiométrica de oxígeno multiplicada por el exceso de aire; o lo que es lo mismo la diferencia entre la masa de oxígeno que entró al motor menos la masa de oxígeno estequiométrica.
De acuerdo a la estequiometría explicada en el punto 4), cada mol de C reacciona con un mol de O2, es decir que cada 12 g de C que se transforman en CO2, 32 g de O2 reaccionan para formar el mismo CO2. Por lo tanto:
Ecuación 6: Masa de O2 estequiométrica = Masa de C en el combustible * 32 / 12
Ecuación 7: Masa de O2 en gases de escape = Masa de O2 estequiométrica * Exceso de O2
Ecuación 8: Volumen de O2 = Masa de O2 en gases de escape / Densidad de O2
Por cada 21 unidades de volumen de O2 que entran al motor, entran y se emiten luego 79 unidades de N2. Por lo tanto:
Ecuación 9: Volumen de N2 = Masa de O2 estequiométrico * (1 + exceso de aire) * 79 / (densidad de O2 * 21)
"Masa de O2 estequiométrico * (1 + exceso de aire)" corresponde a la masa de O2 que entra al motor.
Ecuación 10: Volumen Total emitido = Volumen de CO2 + Volumen de O2 + Volumen de N2
La ecuación 10 suma los resultados de las ecuaciones 5, 8 y 9.
Atención! Para calcular correctamente el volumen total emitido, las densidad utilizada para calcular los volúmenes de los diferentes compuestos deben estar calculadas, o tomadas de bibliografía, a la misma temperatura y presión.
¿Cómo calculamos la emisión de CO2 en la combustión de líquidos?
1) Por lo general el consumo de combustibles líquidos se mide en volumen, por lo que el primer paso es conocer el volumen de combustible consumido.
Dato 1: Volumen de Combustible Líquidos
2) Sin embargo, la emisión de CO2 se informa en masa, y para ello necesitamos saber la masa de combustible consumido, y para ello necesitamos la densidad del combustible.
Dato 2: Densidad del Combustible Líquido
Ecuación 1: Masa de Combustible = Volumen de Combustible * Densidad del Combustible
A continuación se muestran densidades típicas de distintos combustibles líquidos, a 15 °C y en kg/m3.
Combustible N°1 según API (41,5 °API) = 818
Combustible N°2 según API (33 °API) = 860
Combustible N°4 según API (23,2 °API) = 915
Combustible N°6 según API, bajo contenido de azufre (12,6 °API) = 982
Combustible N°6 según API, alto contenido de azufre (15,5 °API) = 963
Diesel = 850
Biodiesel = 880
Gasolina = 750
Metanol = 796
Etanol = 794
3) Ahora necesitamos conocer la fracción másica de carbono del combustible líquidos, para saber cuánto carbono se va a transformar en CO2. Vamos a asumir que todos los átomos de carbono en el combustible van a formar CO2, durante la combustión con el oxígeno. Si bien esto no es cierto pues durante la combustión de combustibles líquidos también se forman hidrocarburos de cadenas más cortas (Ej: metano) y material particulado, es una aproximación muy cercana a la realidad y que no impacta significativamente en el cálculo de la emisión de CO2.
Dato 3: Fracción Másica de Carbono del Combustible
A continuación se muestran fracciones másicas de carbono típicas de distintos combustibles líquidos.
Ecuación 2: Masa de Carbono en el Combustible = Fracción Másica de Carbono * Masa de Combustible
Combustible N°1 según API (41,5 °API) = 0,864
Combustible N°2 según API (33 °API) = 0,873
Combustible N°4 según API (23,2 °API) = 0,8647
Combustible N°6 según API, bajo contenido de azufre (12,6 °API) = 0,8726
Combustible N°6 según API, alto contenido de azufre (15,5 °API) = 0,8367
Diesel = 0,87
Biodiesel = 0,77
Gasolina = 0,865
Metanol = 0,375
Etanol = 0,522
4) Conociendo la estequimetría de la combustión, y la fórmula quimica del CO2, podemos conocer la masa de CO2 formada a partir de la masa de carbono en el combustible:
C + O2 => CO2
Cada mol de C va a formar un mol de CO2, o lo que es lo mismo, cada 12 g de C van a formar 44 g de CO2, pues 12 g es el peso molar de C y 44 g es el peso molar de CO2. Por lo tanto:
Ecuación 3: Masa de CO2 = Masa de Carbono en el Combustible * 44 / 12
¿Cómo calculamos el volumen de gases de escape en la combustión de líquidos?
5) Sabiendo la masa de CO2 emitida, y conociendo la densidad del CO2, podemos calcular el volumen de CO2 emitido. Sin embargo, la densidad de los gases depende de la presión y la temperatura. De bibliografía podemos usar valores medidos de densidad de CO2 a diferentes temperaturas y presiones, o podemos usar la siguiente ecuación para calcular la densidad a la temperatura y presión que queramos:
Ecuación 4: Densidad Gases = (P * Mr) / (R * T) [kg/m3 o g/L]
Donde:
P: Presión del gas [atm]
T: Temperatura del Gas [°K]
R: Constante de los Gases = 0,0821 [(atm*L)/(°K*mol)]
Mr: Masa molar [g/mol]
Ecuación 5: Volumen de CO2 = Masa de CO2 / Densidad CO2
6) Sin embargo, el CO2 no es el único componente de los gases de escape, pues el O2 que se combustiona con el C suele estar en exceso dentro de los motores, y parte de él "pasa" sin reaccionar con el C; por lo que también hay O2 en los gases de escape. Además, el O2 proviene del aire, que posee, en volumen, 21% de O2 y 79% de N2, que pasa por el motor sin reaccionar. Por lo tanto, el N2 es también un componente de los gases de escape. A ciencia cierta, parte del N2 reacciona con el O2 formando óxidos de nitrógeno, pero esta reacción no incide significativamente en el cálculo del volumen total de gases de escape, y se despreciará.
Para calcular el volumen de O2 y N2, es necesario conocer el exceso de O2 con el que trabaja el motor en cuestión.
Dato 4: Exceso de oxígeno
El exceso de oxígeno se expresa como la masa de O2 que entra al motor, dividido la masa estequimétrica necesaria.
La tabla 3 muestra datos de exceso de oxígeno típicos para distintos combustibles líquidos.
La masa de oxígeno en los gases de escape corresponde a la masa estequiométrica de oxígeno multiplicada por el exceso de aire; o lo que es lo mismo la diferencia entre la masa de oxígeno que entró al motor menos la masa de oxígeno estequiométrica.
De acuerdo a la estequiometría explicada en el punto 4), cada mol de C reacciona con un mol de O2, es decir que cada 12 g de C que se transforman en CO2, 32 g de O2 reaccionan para formar el mismo CO2. Por lo tanto:
Ecuación 6: Masa de O2 estequiométrica = Masa de C en el combustible * 32 / 12
Ecuación 7: Masa de O2 en gases de escape = Masa de O2 estequiométrica * Exceso de O2
Ecuación 8: Volumen de O2 = Masa de O2 en gases de escape / Densidad de O2
Por cada 21 unidades de volumen de O2 que entran al motor, entran y se emiten luego 79 unidades de N2. Por lo tanto:
Ecuación 9: Volumen de N2 = Masa de O2 estequiométrico * (1 + exceso de aire) * 79 / (densidad de O2 * 21)
"Masa de O2 estequiométrico * (1 + exceso de aire)" corresponde a la masa de O2 que entra al motor.
Ecuación 10: Volumen Total emitido = Volumen de CO2 + Volumen de O2 + Volumen de N2
La ecuación 10 suma los resultados de las ecuaciones 5, 8 y 9.
Atención! Para calcular correctamente el volumen total emitido, las densidad utilizada para calcular los volúmenes de los diferentes compuestos deben estar calculadas, o tomadas de bibliografía, a la misma temperatura y presión.
Comentarios