Una llama fría es una llama que tiene una temperatura máxima por debajo de aproximadamente 400 ° C (752 ° F). [1] Por lo general, se produce en una reacción química de una determinada mezcla de aire y combustible. A diferencia de la llama convencional, la reacción no es vigorosa y libera muy poco calor, luz y dióxido de carbono . Los incendios fríos son difíciles de observar y poco comunes en la vida cotidiana, pero son responsables de la detonación del motor : la combustión indeseable, errática y ruidosa de combustibles de bajo octanaje en los motores de combustión interna . [2] [3] [4]
Historia
Las llamas frías fueron descubiertas accidentalmente en la década de 1810 por Sir Humphry Davy , que estaba insertando un alambre de platino caliente en una mezcla de aire y vapor de éter dietílico. "Cuando el experimento sobre la combustión lenta del éter se realiza en la oscuridad, se percibe una luz fosforescente pálida por encima del alambre, que por supuesto es más nítida cuando el alambre deja de encenderse. Esta apariencia está relacionada con la formación de una peculiar sustancia volátil acre que posee propiedades ácidas ". [5] : 79 Luego de notar que ciertos tipos de llamas no le quemaban los dedos ni encendían un fósforo, también encontró que esas llamas inusuales podían transformarse en convencionales y que a ciertas composiciones y temperaturas, no requerían una fuente de ignición externa. , como una chispa o material caliente. [2] [5] [6]
Harry Julius Emeléus fue el primero en registrar sus espectros de emisión, y en 1929 acuñó el término "llama fría". [7] [8]
Parámetros
Compuesto | CFT (° C) | AIT (° C) |
---|---|---|
Metiletilcetona | 265 | 515 |
Metil isobutil cetona | 245 | 460 |
Alcohol isopropílico | 360 | 400 |
n- acetato de butilo | 225 | 420 |
La llama fría puede ocurrir en hidrocarburos , alcoholes , aldehídos , aceites , ácidos , ceras , [9] e incluso metano . La temperatura más baja de una llama fría está mal definida y se establece convencionalmente como la temperatura a la que la llama puede detectarse a simple vista en una habitación oscura (las llamas frías son apenas visibles a la luz del día). Esta temperatura depende ligeramente de la relación de combustible a oxígeno y depende en gran medida de la presión del gas; hay un umbral por debajo del cual no se forma una llama fría. Un ejemplo específico es 50% n- butano –50% oxígeno (por volumen) que tiene una temperatura de llama fría (CFT) de aproximadamente 300 ° C a 165 mmHg (22,0 kPa). Se informó uno de los CFT más bajos (156 ° C) para una mezcla de C 2 H 5 OC 2 H 5 + O 2 + N 2 a 300 mmHg (40 kPa). [10] El CFT es significativamente más bajo que la temperatura de autoignición (AIT) de una llama convencional (ver tabla [8] ). [2]
Los espectros de las llamas frías consisten en varias bandas y están dominados por las azules y violetas, por lo que la llama generalmente aparece de color azul pálido. [11] El componente azul se origina en el estado excitado del formaldehído (CH 2 O *) que se forma a través de reacciones químicas en la llama: [8]
Una llama fría no se enciende instantáneamente después de que se aplican la presión y la temperatura umbral, sino que tiene un tiempo de inducción. El tiempo de inducción se acorta y la intensidad del brillo aumenta al aumentar la presión. Al aumentar la temperatura, la intensidad puede disminuir debido a la desaparición de los radicales peroxi requeridos para las reacciones luminosas anteriores. [8]
Se han establecido llamas frías estables y autosostenidas mediante la adición de ozono a la corriente del oxidante. [12]
Mecanismo
Mientras que en una llama normal las moléculas se descomponen en pequeños fragmentos y se combinan con oxígeno produciendo dióxido de carbono (es decir, arden), en una llama fría, los fragmentos son relativamente grandes y se recombinan fácilmente entre sí. Por lo tanto, se libera mucho menos calor, luz y dióxido de carbono; el proceso de combustión es oscilatorio y puede durar mucho tiempo. Un aumento típico de temperatura tras la ignición de una llama fría es de unas pocas decenas de grados Celsius, mientras que es del orden de 1000 ° C para una llama convencional. [2] [13]
La mayoría de los datos experimentales pueden explicarse mediante el modelo que considera la llama fría como una reacción química lenta en la que la tasa de generación de calor es mayor que la pérdida de calor. Este modelo también explica el carácter oscilatorio de la llama fría: la reacción se acelera a medida que produce más calor hasta que la pérdida de calor se vuelve apreciable y apaga temporalmente el proceso. [11]
Aplicaciones
Las llamas frías pueden contribuir al golpeteo del motor : la combustión indeseable, errática y ruidosa de combustibles de bajo octanaje en los motores de combustión interna. [2] En un régimen normal, el frente de llama convencional viaja suavemente en la cámara de combustión desde la bujía, comprimiendo la mezcla de aire / combustible que se encuentra adelante. Sin embargo, el aumento concomitante de presión y temperatura puede producir una llama fría en la última mezcla de aire y combustible sin quemar (los llamados gases terminales) y participar en la autoignición de los gases terminales.
Esta liberación de calor repentina y localizada genera una onda de choque que viaja a través de la cámara de combustión, y su repentino aumento de presión provoca un sonido de golpe audible. Peor aún, la onda de choque interrumpe la capa límite térmica en la superficie del pistón, provocando un sobrecalentamiento y una eventual fusión. La potencia de salida disminuye y, a menos que el acelerador (o la carga) se corte rápidamente, el motor puede dañarse como se describe en unos minutos. La sensibilidad de un combustible a la ignición de una llama fría depende en gran medida de la temperatura, la presión y la composición.
Es probable que la llama fría se inicie en el proceso de detonación solo en condiciones de funcionamiento muy estranguladas, ya que se observan llamas frías a presiones bajas. En condiciones normales de funcionamiento, la autoignición se produce sin que se active una llama fría. Mientras que la temperatura y la presión de combustión están determinadas en gran medida por el motor, la composición puede controlarse mediante varios aditivos antidetonantes. Este último tiene como objetivo principal eliminar los radicales (como el CH 2 O * mencionado anteriormente) suprimiendo así la fuente principal de la llama fría. [14]
Ver también
Referencias
- ^ Lindström, B .; Karlsson, JAJ; Ekdunge, P .; De Verdier, L .; Häggendal, B .; Dawody, J .; Nilsson, M .; Pettersson, LJ (2009). "Reformador de combustible diesel para aplicaciones de pilas de combustible de automoción" (PDF) . Revista Internacional de Energía de Hidrógeno . 34 (8): 3367. doi : 10.1016 / j.ijhydene.2009.02.013 . Archivado desde el original (PDF) en 2011-06-08 . Consultado el 18 de mayo de 2010 .
- ^ a b c d e Pearlman, Howard; Chapek, Richard M. (1999). Llamas frías y autoignición: teoría de la combustión por ignición térmica validada experimentalmente en microgravedad . NASA . pag. 142. ISBN 978-1-4289-1823-8., Versión web en NASA Archivado el 1 de mayo de 2010 en la Wayback Machine.
- ^ Peter Gray; Stephen K. Scott (1994). Oscilaciones e inestabilidades químicas: cinética química no lineal . Prensa de la Universidad de Oxford. pag. 437. ISBN 978-0-19-855864-4.
- ^ Stephen K. Scott (1993). Caos químico . Prensa de la Universidad de Oxford. pag. 339. ISBN 978-0-19-855658-9.
- ^ a b H. Davy (1817) "Algunos nuevos experimentos y observaciones sobre la combustión de mezclas gaseosas, con una descripción de un método para conservar una luz continua en mezclas de gases inflamables y aire sin llama", Philosophical Transactions of the Royal Society de Londres , 107 : 77-86.
- ^ Varios otros investigadores posteriormente también observaron llamas frías:
- HB Miller (1826) "Sobre la producción de ácido acético, en algunos experimentos originales con sustancias metálicas y no metálicas sobre éter, alcohol, etc.", The Annals of Philosophy , nueva serie, 12 : 17-20. De la página 19: "La punta de la varilla de vidrio sostenida sobre el éter emite la llama azul de toda su superficie; el ácido acético se formó en abundancia".
- (Döbereiner) (1834) "Sauerstoffabsorption des Platins" (Absorción de oxígeno por platino), Annalen der Physik und Chemie , 31 : 512. De la página 512: "Eine andere nicht uninteressante Beobachtung von Döbereiner ist: das Aether Schon bei der Termperatur von 90 ° R. verbrennt, und zwar mit einer nur im Dunkeln wahrnehmbaren blassblauen Flamme, die nicht zündend wirkt, aber selbst so entzündbar ist, dass sie sich bei Annäherung einer brennenden Kerze augenblicklich in eine hochlodermme, helllewandetendelt. (Otra observación no poco interesante de Döbereiner es que el éter arde incluso a la temperatura de 90 ° Réaumur con una llama azul pálido que es perceptible solo en la oscuridad, que no hace que [las cosas] se enciendan, pero en sí mismo es tan inflamable que al acercarse de una vela encendida, se transforma instantáneamente en una llama ardiente y resplandeciente.)
- Boutigny (1840) "Phénomènes de la caléfaction" , Comptes rendus …, 12 : 397-407. En la página 400, Boutigny declaró que cuando se añadió éter dietílico gota a gota a un crisol de platino al rojo vivo, se produjo un vapor ácido e irritante. "... il est bien à présumer qu'il s'opère là une combustion lente, ..." (... es bueno suponer que allí se está produciendo una combustión lenta ...)
- Pierre Hippolyte Boutigny, Études sur les corps à l'état spheroidal: Nouvelle branche de physique [Estudios sobre cuerpos en estado esferoidal: una nueva rama de la física], 3ª ed. (París, Francia: Victor Masson, 1857), págs. 165-166. En la página 166 , Boutigny señaló que cuando vertió un poco de éter dietílico en un crisol caliente: "Dans une obscurité profonde, on aperçoit, à toutes les fases de l'expérience, une flamme d'un bleu clair peu aparente, qui ondule dans le creuset dont elle remplit toute la capacité. Cette flamme rare et transparente est le signe d'une metamorphose profonde qui subit l'éther; elle est caractérisée par le dégagement d'une vapeur dont l'odeur vive et pénétrante irrite fortement la muquese nasale et les conjonctives ". (En la oscuridad profunda, se percibe, en todas las etapas del experimento, una llama de un azul claro discreto, que ondula en el crisol que llena por completo. Esta llama rara y transparente es signo de una profunda metamorfosis que sufre el éter; se caracteriza por la liberación de un vapor cuyo olor fuerte y penetrante irrita fuertemente la mucosa nasal y la conjuntiva [de los ojos].)
- WH Perkin (1882) "Algunas observaciones sobre la luminosa combustión incompleta de éter y otros cuerpos orgánicos", Journal of the Chemical Society , 41 : 363-367.
- ^ Harry Julius Emeléus (1929) "La emisión de luz de las llamas fosforescentes de éter, acetaldehído, propaldehído y hexano", Revista de la Sociedad Química (reanudado) , págs. 1733-1739.
- ^ a b c d HJ Pasman; O. Fredholm; Anders Jacobsson (2001). Prevención de pérdidas y promoción de la seguridad en las industrias de procesos . Elsevier. págs. 923–930. ISBN 0-444-50699-3.
- ^ Peligros XIX: seguridad de los procesos y protección del medio ambiente: ¿qué sabemos? ¿A dónde vamos? . IChemE. 2006. p. 1059. ISBN 0-85295-492-1.
- ^ Griffiths, John F .; Inomata, Tadaaki (1992). "Llamas frías oscilatorias en la combustión del éter dietílico". Revista de la Sociedad Química, Transacciones de Faraday . 88 (21): 3153. doi : 10.1039 / FT9928803153 .(esta referencia cita evidencia de fuego frío a 430 K, que es 156 C, no 80 C)
- ^ a b Barnard, J (1969). "Oxidación de cetonas a llama fría". Simposio (Internacional) sobre Combustión . 12 (1): 365. doi : 10.1016 / S0082-0784 (69) 80419-4 .
- ^ Won, SH; Jiang, B .; Diévart, P .; Sohn, CH; Ju, Y. (2015). "Llamas de difusión fría de n-heptano autosostenidas activadas por ozono". Actas del Combustion Institute . 35 (1): 881–888. doi : 10.1016 / j.proci.2014.05.021 .
- ^ Jones, John Clifford (septiembre de 2003). "Oxidación a baja temperatura". Seguridad en los procesos de hidrocarburos: un texto para estudiantes y profesionales . Tulsa, OK: PennWell. págs. 32–33. ISBN 978-1-59370-004-1.
- ^ George E. Totten; Steven R. Westbrook; Rajesh J. Shah, eds. (2003). Manual de combustibles y lubricantes: tecnología, propiedades, rendimiento y pruebas . ASTM International. pag. 73. ISBN 0-8031-2096-6.
Otras lecturas
- Peter Gray; Stephen K. Scott (1994). Oscilaciones e inestabilidades químicas: cinética química no lineal . Prensa de la Universidad de Oxford. págs. 429 y sigs. ISBN 0-19-855864-3. - una explicación de la naturaleza oscilatoria de la llama fría.