Combustión de mezclas ricas de etano-aire en medios porosos inertes

Combustion of rich ethane-air mixtures in inert porous media

El presente trabajo tiene por objetivo analizar teórica-experimentalmente la combustión de mezclasricas de etano-aire en medios porosos inertes (MPI) para evaluar la producción de hidrógeno y gas desíntesis. Se analizan los perfiles de temperatura, las velocidades de propagación de llama y los productosprincipales de la combustión, como son el hidrógeno (H₂) y el monóxido de carbono (CO), mediante eluso de cromatografía gaseosa, para relaciones de equivalencia en el rango de 1,0 a 2,5 y dos diámetros deesferas de alúmina que componen el medio poroso. Se simula numéricamente el proceso de combustiónmediante el uso del programa PREMIX utilizando dos mecanismos de reacción, como son el GRIMECH 1.2 y GRI-MECH 3.0. Con GRI-MECH 3.0 se obtienen resultados numéricos que predicencorrectamente los resultados experimentales para todo el rango de relaciones de equivalencia con unmedio poroso compuesto por esferas de alúmina de 3,5 mm. La máxima generación de hidrógeno H₂y CO presentes en los productos de combustión son de 14,3% y 18,0%, respectivamente. El porcentajede conversión de etano en H₂ (61,3%) y en CO (81%) muestra el potencial de este combustible comogenerador de gas de síntesis.

INTRODUCCIÓN

En la actualidad se buscan constantemente fuentes de energías más limpias y económicas como el gas natural. El etano es un componente significante en muchos gases naturales y juega un papel muy importante para determinar sus propiedades de ignición. Además, se sabe que la comprensión cuantitativa de la oxidación química de éste ayudaría a modelar correctamente la pirólisis y oxidación del gas natural.

La combustión en MPI consiste en el proceso de propagación de la zona reacción exotérmica química de un gas a lo largo de un sólido químicamente inerte. Existe una participación tanto del medio poroso como del gas reactante en este proceso, en donde tres zonas características se pueden identificar dentro del medio poroso. Una zona que se encuentra delante del frente donde los gases reactantes se mezclan en forma natural y se precalientan aprovechando el calor desprendido por el medio poroso. La segunda zona es muy estrecha y representa la zona de reacción química, la que se mueve en la misma dirección o en contra del flujo de gas y donde se libera una gran cantidad de la entalpía, la que es absorbida por el medio poroso y conducida hacia la primera zona, es decir, la zona de entrada del gas fresco. En esta última zona, gracias a la inmensa superficie específica que tiene el medio poroso, la energía es cedida por ella al gas entrante y trasladada por convección hacia la zona de la reacción. De esta forma se realiza una regeneración del calor en el sistema, lo que lleva al exceso de la entalpía en la zona de reacción química y un lento aumento de la temperatura en el frente, la que puede superar a la temperatura adiabática. La tercera zona, la que se encuentra detrás del frente, contiene los productos de combustión, los que intercambian activamente el calor por convección con el medio poroso. Estos sistemas se caracterizan por la presencia en ellos de dos frentes dinámicos, el de generación del calor y el de altas temperaturas.