Combustión de metano con 20 % de aire en exceso
Por Daniel · Actualizado el 1 de noviembre de 2026
Los problemas de combustión siguen siempre el mismo orden: oxígeno teórico, oxígeno alimentado según el exceso, aire (con su nitrógeno, que no reacciona) y, por último, los balances por especie en el horno. El exceso de aire se calcula sobre el oxígeno necesario para la combustión completa.
Enunciado
Se queman 100 kmol/h de metano con 20 % de aire en exceso. La combustión es completa. Calcula el flujo de aire y la composición de los gases de combustión.
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Solución paso a paso
1. Diagrama de flujo
2. Datos, unidades y notación
Reacciones:
- R1: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Supuestos:
- En A se dieron todas las fracciones; la de N2 no es un dato independiente (se cumple Σx = 1).
Notación:
- ṅi,F = flujo molar del componente i en la corriente F (kmol/h).
- ṅF = Σi ṅi,F (kmol/h); ṁF = Σi Mi ṅi,F (kg/h).
- ξR = grado de avance de la reacción R (kmol/h). Sale = Entra + Σ νi ξ.
3. Análisis de grados de libertad
| Subsistema | Variables | Balances | Datos y relaciones | GL |
|---|---|---|---|---|
| Horno | 9 | 5 | 4 | 0 |
| Sistema completo | 9 | 9 ecuaciones | 0 | |
GL = variables − balances independientes − datos y relaciones. Las variables son los flujos de cada componente en cada corriente, más grados de avance, fracciones de división, Q, W y temperaturas desconocidas. Con GL = 0 el problema está completamente especificado. Se empieza por el subsistema con GL = 0.
4. Ecuaciones planteadas
- Dato · F1 ṅF1 = 100 kmol/h
- Dato · A ṅO2,A = 0.21 ṅA
- Balance · H1 ṅCH4,G = ṅCH4,F1 − ξR1
- Balance · H1 ṅO2,G = ṅO2,A − 2 ξR1
- Balance · H1 ṅN2,G = ṅN2,A
- Balance · H1 ṅCO2,G = ξR1
- Balance · H1 ṅH2O,G = 2 ξR1
- Relación ṅCH4,F1 − ṅCH4,G = 1 · ṅCH4,F1conversión en un paso de CH4
- Relación ṅO2,A = (1 + 0.2) · (2 ṅCH4,F1)O2 teórico = 2 ṅCH4,F1
5. Solución paso a paso
- De la ecuación (1) ⇒ ṅCH4,F1 = 100 kmol/h
- De la ecuación (8): (100) − ṅCH4,G = 1 · (100) ⇒ ṅCH4,G = 0 kmol/h
- De la ecuación (9): ṅO2,A = (1 + 0.2) · (2 (100)) ⇒ ṅO2,A = 240 kmol/h
- De la ecuación (2): (240) = 0.21 ṅA ⇒ ṅN2,A = 902.86 kmol/h
- De la ecuación (3): (0) = (100) − ξR1 ⇒ ξR1 = 100 kmol/h
- De la ecuación (4): ṅO2,G = (240) − 2 (100) ⇒ ṅO2,G = 40 kmol/h
- De la ecuación (5): ṅN2,G = (902.86) ⇒ ṅN2,G = 902.86 kmol/h
- De la ecuación (6): ṅCO2,G = (100) ⇒ ṅCO2,G = 100 kmol/h
- De la ecuación (7): ṅH2O,G = 2 (100) ⇒ ṅH2O,G = 200 kmol/h
6. Resultados
F1
| Componente | kmol/h | Fracción molar | kg/h | Fracción másica |
|---|---|---|---|---|
| CH4 | 100 | 1 | 1,604.3 | 1 |
| Total | 100 | 1 | 1,604.3 | 1 |
A
| Componente | kmol/h | Fracción molar | kg/h | Fracción másica |
|---|---|---|---|---|
| O2 | 240 | 0.21 | 7,679.5 | 0.2329 |
| N2 | 902.86 | 0.79 | 25,293 | 0.7671 |
| Total | 1,142.9 | 1 | 32,972 | 1 |
G
| Componente | kmol/h | Fracción molar | kg/h | Fracción másica |
|---|---|---|---|---|
| CH4 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| O2 | 40 | 0.03218 | 1,279.9 | 0.03702 |
| N2 | 902.86 | 0.7264 | 25,293 | 0.7315 |
| CO2 | 100 | 0.08046 | 4,400.9 | 0.1273 |
| H2O | 200 | 0.1609 | 3,603 | 0.1042 |
| Total | 1,242.9 | 1 | 34,576 | 1 |
| Otras incógnitas | Valor |
|---|---|
| ξR1 | 100 kmol/h |
7. Verificación (entra + genera = sale)
| Equipo | Balance | Entra | Genera | Sale | Error |
|---|---|---|---|---|---|
| Horno | Balance de CH4 | 100 | -100 | 0 | ✓ 2.4 × 10-9 % |
| Horno | Balance de O2 | 240 | -200 | 40 | ✓ 0 % |
| Horno | Balance de N2 | 902.86 | 0 | 902.86 | ✓ 0 % |
| Horno | Balance de CO2 | 0 | 100 | 100 | ✓ 7.7 × 10-9 % |
| Horno | Balance de H2O | 0 | 200 | 200 | ✓ 6 × 10-9 % |
| Horno | Masa total | 34,576 | 0 | 34,576 | ✓ 1.5 × 10-9 % |
| Horno | Átomos de C | 100 | 0 | 100 | ✓ 5.3 × 10-9 % |
| Horno | Átomos de H | 400 | 0 | 400 | ✓ 3.6 × 10-9 % |
| Horno | Átomos de O | 480 | 0 | 480 | ✓ 5.7 × 10-9 % |
| Horno | Átomos de N | 1,805.7 | 0 | 1,805.7 | ✓ 0 % |
Tolerancia: error relativo menor a 1 × 10-4 %. Todos los balances cierran.
Claves del problema
- CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. O₂ teórico = 2 × 100 = 200 kmol/h; con 20 % de exceso se alimentan 240 kmol/h.
- Aire = 240 / 0.21 = 1,142.86 kmol/h, que trae 902.86 kmol/h de N₂.
- Gases: CO₂ 100, H₂O 200, O₂ 40 (el exceso) y N₂ 902.86; en total 1,242.86 kmol/h.
- En base seca (sin agua, como los analizadores Orsat) quedan 1,042.86 kmol/h y el CO₂ es el 9.59 %.
Errores comunes
- Olvidar el nitrógeno del aire: es la mayor parte de los gases de combustión.
- Calcular el exceso sobre el oxígeno que realmente reacciona en lugar del oxígeno teórico para combustión completa.
Preguntas frecuentes
¿Qué es el aire teórico?
El aire que contiene justo el oxígeno necesario para quemar todo el combustible a CO₂ y H₂O. El aire en exceso es lo que se alimenta por encima de esa cantidad.
¿Qué es la base seca?
La composición de los gases sin contar el vapor de agua. Muchos analizadores condensan el agua antes de medir, por eso los datos de laboratorio suelen estar en base seca.
Sigue aprendiendo
- Combustión: aire teórico, aire en exceso y gases en base seca
- Conversión, reactivo limitante, exceso, rendimiento y selectividad
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