Combustión incompleta de propano: dos reacciones y CO en los gases
Por Daniel · Actualizado el 1 de noviembre de 2026
Cuando parte del carbono termina como CO, se plantean dos reacciones con su propio grado de avance. Un punto que confunde mucho: el aire en exceso se sigue calculando sobre la combustión completa, aunque en la realidad se forme algo de CO.
Enunciado
Se queman 100 kmol de propano con 30 % de aire en exceso. Todo el propano reacciona y en los gases hay 10 mol de CO₂ por cada mol de CO. Calcula la composición de los gases.
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Solución paso a paso
1. Diagrama de flujo
2. Datos, unidades y notación
Reacciones:
- R1: C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O
- R2: C3H8 + 3.5 O2 → 3 CO + 4 H2O
Notación:
- ni,F = cantidad molar del componente i en la corriente F (kmol).
- nF = Σi ni,F (kmol); mF = Σi Mi ni,F (kg).
- ξR = grado de avance de la reacción R (kmol). Sale = Entra + Σ νi ξ.
3. Análisis de grados de libertad
| Subsistema | Variables | Balances | Datos y relaciones | GL |
|---|---|---|---|---|
| Reactor H | 11 | 6 | 5 | 0 |
| Sistema completo | 11 | 11 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 · F nF = 100 kmol
- Dato · A nO2,A = 0.21 nA
- Balance · H nC3H8,G = nC3H8,F − ξR1 − ξR2
- Balance · H nO2,G = nO2,A − 5 ξR1 − 3.5 ξR2
- Balance · H nN2,G = nN2,A
- Balance · H nCO2,G = 3 ξR1
- Balance · H nCO,G = 3 ξR2
- Balance · H nH2O,G = 4 ξR1 + 4 ξR2
- Relación nC3H8,F − nC3H8,G = 1 · nC3H8,Fconversión en un paso de C3H8
- Relación nO2,A = (1 + 0.3) · (5 nC3H8,F)O2 teórico = 5 nC3H8,F
- Relación nCO2,G = 10 · nCO,G
5. Solución paso a paso
- De la ecuación (1) ⇒ nC3H8,F = 100 kmol
- De la ecuación (9): (100) − nC3H8,G = 1 · (100) ⇒ nC3H8,G = 0 kmol
- De la ecuación (10): nO2,A = (1 + 0.3) · (5 (100)) ⇒ nO2,A = 650 kmol
- De la ecuación (2): (650) = 0.21 nA ⇒ nN2,A = 2,445.2 kmol
- De la ecuación (5): nN2,G = (2,445.2) ⇒ nN2,G = 2,445.2 kmol
- Reactor H: 6 ecuaciones simultáneas: ecuaciones (11), (3), (4), (6), (7), (8), resueltas a la vez (Newton-Raphson, 2 iteraciones).
⇒ nCO2,G = 272.73 kmol
⇒ nCO,G = 27.273 kmol
⇒ ξR1 = 90.909 kmol
⇒ ξR2 = 9.0909 kmol
⇒ nO2,G = 163.64 kmol
⇒ nH2O,G = 400 kmol
6. Resultados
F
| Componente | kmol | Fracción molar | kg | Fracción másica |
|---|---|---|---|---|
| C3H8 | 100 | 1 | 4,409.7 | 1 |
| Total | 100 | 1 | 4,409.7 | 1 |
A
| Componente | kmol | Fracción molar | kg | Fracción másica |
|---|---|---|---|---|
| O2 | 650 | 0.21 | 20,799 | 0.2329 |
| N2 | 2,445.2 | 0.79 | 68,501 | 0.7671 |
| Total | 3,095.2 | 1 | 89,300 | 1 |
G
| Componente | kmol | Fracción molar | kg | Fracción másica |
|---|---|---|---|---|
| C3H8 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| O2 | 163.64 | 0.04945 | 5,236 | 0.05588 |
| N2 | 2,445.2 | 0.739 | 68,501 | 0.731 |
| CO2 | 272.73 | 0.08242 | 12,002 | 0.1281 |
| CO | 27.273 | 0.008242 | 763.91 | 0.008152 |
| H2O | 400 | 0.1209 | 7,206 | 0.0769 |
| Total | 3,308.9 | 1 | 93,709 | 1 |
| Otras incógnitas | Valor |
|---|---|
| ξR1 | 90.909 kmol |
| ξR2 | 9.0909 kmol |
7. Verificación (entra + genera = sale)
| Equipo | Balance | Entra | Genera | Sale | Error |
|---|---|---|---|---|---|
| Reactor H | Balance de C3H8 | 100 | -100 | 0 | ✓ 0 % |
| Reactor H | Balance de O2 | 650 | -486.36 | 163.64 | ✓ 0 % |
| Reactor H | Balance de N2 | 2,445.2 | 0 | 2,445.2 | ✓ 8.6 × 10-10 % |
| Reactor H | Balance de CO2 | 0 | 272.73 | 272.73 | ✓ 0 % |
| Reactor H | Balance de CO | 0 | 27.273 | 27.273 | ✓ 0 % |
| Reactor H | Balance de H2O | 0 | 400 | 400 | ✓ 0 % |
| Reactor H | Masa total | 93,709 | 0 | 93,709 | ✓ 6.3 × 10-10 % |
| Reactor H | Átomos de C | 300 | 0 | 300 | ✓ 0 % |
| Reactor H | Átomos de H | 800 | 0 | 800 | ✓ 0 % |
| Reactor H | Átomos de O | 1,300 | 0 | 1,300 | ✓ 0 % |
| Reactor H | Átomos de N | 4,890.5 | 0 | 4,890.5 | ✓ 8.6 × 10-10 % |
Tolerancia: error relativo menor a 1 × 10-4 %. Todos los balances cierran.
Claves del problema
- O₂ teórico (combustión completa): 5 × 100 = 500 kmol; con 30 % de exceso se alimentan 650 kmol y 2,445.24 kmol de N₂.
- El carbono (300 kmol) se reparte 10:1 entre CO₂ y CO: 272.73 kmol de CO₂ y 27.27 kmol de CO. Así ξ₁ = 90.91 y ξ₂ = 9.09 kmol.
- O₂ consumido = 5 × 90.91 + 3.5 × 9.09 = 486.36 kmol, de modo que salen 163.64 kmol de O₂. El agua es 4 × 100 = 400 kmol.
- Es un problema por lote (kmol, sin tiempo): la calculadora detecta que no hay unidades de tiempo y lo resuelve como tal.
Errores comunes
- Calcular el O₂ teórico con la reacción a CO: el exceso siempre se refiere a la combustión completa.
- Usar un solo grado de avance: con dos reacciones hay dos incógnitas de reacción.
Preguntas frecuentes
¿Por qué se forma CO si hay oxígeno de sobra?
Por mezclado imperfecto, tiempos de residencia cortos o zonas frías de la flama. El problema lo modela con la razón CO₂/CO medida.
¿Cómo se verifica?
Con balances de átomos de C, H, O y N. La calculadora los muestra en la tabla de verificación.
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