Cos'è la combustione?

La combustione è un tipo di reazione chimica tra un combustibile e un ossidante, solitamente ossigeno, che produce energia sotto forma di calore e luce, comunemente denominata fiamma. Poiché produce più energia termica di quanta ne consuma, la combustione è una reazione esotermica. Poiché comporta riduzione (acquisto di elettroni) e ossidazione (perdita di elettroni), è anche classificata come reazione redox. 

La maggior parte delle reazioni di combustione richiede energia da una scintilla o da una fiamma per avviare il processo di combustione. Se la reazione chimica produce energia sufficiente per continuare il processo di ossidazione, si parla di combustione autoalimentata. 

Le reazioni di combustione riscaldano gli edifici, cucinano il cibo, alimentano le automobili, spingono gli aerei, lanciano razzi e generano elettricità. Il crescente utilizzo da parte dell'uomo della combustione basata sugli idrocarburi, in particolare dei combustibili fossili, è anche responsabile dell'aumento delle molecole contenenti carbonio che intrappolano il calore nell'atmosfera terrestre. 

Ecco perché lo studio della combustione, la scienza della combustione, è un'attività che diventa sempre più importante. Scienziati e ingegneri lavorano per creare reazioni più efficienti con vari carburanti e ossidanti che producono meno emissioni, riducono i sottoprodotti dannosi e utilizzano materiali infiammabili sostenibili o meno costosi come fonti di carburante. L'ottimizzazione del processo di combustione può migliorare significativamente prestazioni, costi ed emissioni.

La reazione redox è una reazione in cui si ha un trasferimento di elettroni tra due materiali. Il numero di elettroni in un dato atomo o molecola è detto numero di ossidazione. Le reazioni di ossidoriduzione sono fondamentali per le funzioni di base della vita, tra cui la fotosintesi, la respirazione, la corrosione o ruggine e la combustione. 

Prima di esaminare alcune reazioni comuni di combustione, ecco alcuni termini chiave utilizzati per descrivere la chimica della combustione:

• Agente ossidante: uno ione o una molecola che accetta elettroni. L'agente ossidante ossida o rimuove elettroni dalle molecole di altri materiali.
• Agente riducente: uno ione o una molecola che dona elettroni. L'agente riducente riduce o aggiunge elettroni alle molecole di altri materiali. 
• Carburante: un materiale costituito da agenti riducenti. Il combustibile più elementare è la molecola di idrogeno. Moltissimi combustibili sono idrocarburi, sebbene alcuni metalli ed elementi altamente reattivi come il fosforo servano da combustibile nelle reazioni di combustione. 
• Emissioni: ioni e molecole che sono i prodotti della combustione. Sebbene il calore e la luce siano il risultato desiderato della combustione, gran parte della scienza della combustione si concentra sulla comprensione e sulla riduzione al minimo delle emissioni. 
• Idrocarburi: molecola contenente idrogeno e carbonio, spesso combinata con altri composti organici e inorganici. Gli idrocarburi possono essere prodotti mediante processi organici in oggetti come il legno. I combustibili fossili sono la forma più comune di idrocarburi utilizzati nella combustione. Si tratta di idrocarburi organici sottoposti a milioni di anni di calore e pressione per formare molecole complesse come petrolio, carbone e gas naturale. 
• Ossidi di carbonio: molecole contenenti solo atomi di carbonio e ossigeno, solitamente monossido di carbonio (CO) o anidride carbonica (CO2). Gli ossidi di carbonio sono l'emissione più comune derivante dalla combustione di combustibili contenenti carbonio. 
• Ossidi di azoto: molecole contenenti solo atomi di azoto e ossigeno. I due ossidi di azoto più comuni derivanti dalla combustione nell'aria sono l'ossido nitrico (NO) e il biossido di azoto (NO2). Qualsiasi combinazione di NO e NO2 viene definita NOx. I NOx rappresentano una fonte significativa di inquinamento atmosferico. 
• Fiamma: una combinazione riscaldata di gas in fase di combustione. L'interno o il nucleo di una fiamma è costituito da una miscela di ossidante gassoso e combustibile, mentre l'esterno, o fronte di fiamma, è il luogo in cui avviene la reazione di combustione. Il calore prodotto dalla reazione eccita gli elettroni nel gas e quando gli elettroni eccitati collassano a livelli energetici più bassi, rilasciano energia sotto forma di fotoni. 
• Catalizzatore: materiale che aumenta la velocità della reazione chimica. I materiali catalitici vengono utilizzati nella combustione per rendere la reazione di combustione più efficiente, avvenire a temperature più basse e ridurre le emissioni indesiderate come NOx. 
• Pirolisi: decomposizione di un materiale dovuta al calore che non comporta ossidazione. Nella combustione, il combustibile liquido e solido si converte in un gas che poi brucia mediante pirolisi.

Equazioni chimiche per la combustione

La forma più semplice di combustione è la combustione dell'idrogeno. Combina due molecole di idrogeno e una molecola di ossigeno per creare vapore acqueo:

2H2 + O2 → 2H2O + 286 kJ/mol of heat

L'energia sotto forma di calore viene prodotta perché le molecole di ossigeno sono costituite da due atomi con doppi legami. Quando viene aggiunto calore, i legami si rompono, rilasciando più energia. 

Il reagente idrocarburico più semplice è il metano, CH4:

CH4 + 2O2 →  CO2 + 2H2O + 890 kJ/mol of heat

La combustione del metano produce più calore per mole perché la molecola di metano ha quattro legami singoli tra l'atomo di carbonio e ciascun atomo di idrogeno. 

Il propano (C3H8) ha due legami carbonio-carbonio e otto legami idrogeno-carbonio:

C3H8 + 5O2 →  3CO2 + 4H2O + 2,220 Kj/mol of heat

La benzina è un carburante complesso, ma il riducente primario è l'ottano, dove otto atomi di carbonio sono legati a 18 atomi di idrogeno. Ciò si traduce in sette legami carbonio-carbonio e 18 legami idrogeno-carbonio:

2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O + 5,483 kJ/mol of heat

La reazione di combustione stechiometrica è quella teoricamente ideale, in cui le quantità di carburante e ossigeno sono abbinate esattamente, ottenendo la massima quantità di calore possibile e la massima efficienza di combustione. 

Emissioni

Nella combustione completa, le emissioni della combustione sono composte di acqua o, quando è presente carbonio, acqua e anidride carbonica. Tuttavia, la maggior parte della combustione coinvolge altre molecole, reazioni incomplete e reazioni secondarie che producono emissioni aggiuntive. Eventuali emissioni aggiuntive indesiderate sono ciò che chiamiamo inquinanti e gran parte della scienza della combustione si concentra sulla riduzione di queste emissioni indesiderate.

Nella maggior parte dei casi, l'azoto presente nell'aria è inerte e non partecipa alla combustione. Tuttavia, l'ossigeno può formare legami con l'azoto ad alte temperature di combustione per produrre NOx. Inoltre, quando la quantità di ossigeno disponibile è troppo bassa per reagire completamente con il carburante, per cui si può formare monossido di carbonio anziché anidride carbonica. Composti organici volatili possono formarsi anche a basse temperature durante la combustione. Questi composti con bassi punti di ebollizione reagiscono facilmente con altri prodotti chimici organici e producono inquinanti indesiderati. 

Fattori che influiscono sull'efficienza della combustione

Un'ampia varietà di caratteristiche determina l'efficienza della combustione. Gli ingegneri possono progettare con questi fattori per aumentare l'efficienza della termodinamica di una determinata applicazione di combustione:

• Chimica del carburante: La determinazione più significativa dell'energia e delle emissioni rilasciate in una reazione di combustione dipende dalla chimica e dalla composizione molecolare del carburante da ossidare. I legami molecolari determinano l'energia necessaria per avviare la combustione e il calore prodotto. La composizione elementare, in particolare gli elementi non idrocarburici nel carburante, determina i tipi di emissioni prodotte. Viene svolto un lavoro significativo nel campo della chimica dei carburanti per progettare e migliorare nuove soluzioni di carburante come gas sintetici, biocarburanti e carburante per aerei rinnovabile e per esplorare quali additivi possono migliorare la chimica dei carburanti. Gli ingegneri fanno affidamento sulla Ansys Model Fuel Library per avere un facile accesso alle proprietà dei combustibili precedenti e alle alternative più recenti. 
• Rapporto tra carburante e ossigeno: La reazione di ossidazione nella combustione è guidata dalla quantità di ossigeno disponibile per la reazione con il carburante. L'obiettivo è ottenere la miscela giusta in modo che il carburante bruci completamente e non si verifichino reazioni indesiderate. 
• Temperatura: La cinetica chimica della combustione è determinata dalla temperatura alla quale avviene la reazione. Se la temperatura è troppo bassa, solo una parte della sostanza combustibile nel carburante si ossida e, se la temperatura è troppo alta, possono verificarsi reazioni indesiderate che producono NOx. 
• Pressione: Maggiore è la pressione dei gas in una reazione di combustione, più velocemente avviene la reazione e viene generato più calore. Per questo motivo, in molte applicazioni di combustione come i motori a combustione interna e i motori a turbina è presente una fase di compressione. 
• Miscelazione: Affinché la combustione possa avvenire, le molecole coinvolte nella reazione chimica devono trovarsi in stretta vicinanza fisica. Per questo motivo, la progettazione della miscelazione dei due componenti è fondamentale per l'efficienza. La turbolenza, la velocità del gas e la forma della fiamma determinano il modo in cui avviene questa miscelazione. 
• Forma e stabilità della fiamma: Poiché la reazione di combustione avviene sul fronte della fiamma, la forma e la stabilità della fiamma stessa rappresentano una parte fondamentale nella progettazione di un sistema di combustione. Il trasferimento di calore nella fiamma tra quest'ultima e l'aria determina la temperatura e l'efficienza del processo di combustione. 

I progettisti devono affrontare molte sfide nel bilanciare questi diversi fattori. Ad esempio, la cinetica chimica della combustione è guidata da una combinazione di miscelazione, rapporti di carburante, temperatura e pressione. Gli ingegneri utilizzano spesso strumenti come il software Ansys Chemkin-Pro™ per simulare i flussi di reazione e ottimizzare i loro progetti per una maggiore efficienza e ridurre al minimo sottoprodotti e sprechi. Il software Chemkin-Pro modella la reazione chimica indipendentemente dalla geometria. 

Un programma software CFD generico che contenga anche turbolenze accurate, modelli di combustione e flusso multispecie, come il software Ansys Fluent, è fondamentale per catturare tutti i fattori in un unico ambiente virtuale. Ogni fattore può essere esplorato, compreso e ottimizzato. Uno strumento come il software Fluent modella gli aspetti tridimensionali del flusso dei fluidi e della combustione. 

Sebbene ogni reazione di combustione implichi una reazione chimica simile, il modo in cui avviene tale reazione dipende dal tipo di combustione, dall'efficienza e dalle emissioni della reazione. 

Ecco i tipi di combustione più comuni: 

• Combustione completa: si parla di combustione completa, quando tutto il carburante è completamente consumato in una reazione di combustione. Questo pieno utilizzo del carburante è ideale e la progettazione dei sistemi di combustione si concentra sul raggiungimento di una combustione quanto più vicina possibile alla completa. 
• Combustione incompleta: Si parla di combustione incompleta, quando non c'è abbastanza ossigeno in una reazione di combustione. Fuliggine e cenere, insieme al monossido di carbonio, sono i sottoprodotti della combustione incompleta. A volte viene anche chiamata carbonizzazione perché rimane combustibile carbonizzato. 
• Combustione spontanea: Alcune reazioni di ossidazione generano calore sufficiente per avviare la combustione senza l'aggiunta di energia esterna. Ad esempio, il fosforo brucia spontaneamente nell'aria, così come alcuni oli e vernici lasciati su uno straccio. Alcuni processi di fermentazione batterica possono anche generare calore sufficiente per avviare la combustione. 
• Combustione senza fiamma: La combustione lenta e senza fiamma viene definita combustione senza fiamma. La combustione senza fiamma si verifica quando il processo di ossidazione avviene sulla superficie del combustibile solido anziché nel combustibile gassoso. La combustione senza fiamma può anche essere definita combustione lenta. 
• Combustione rapida: Si parla di combustione rapida, quando la combustione avviene in una fiamma che sprigiona calore e luce. La maggior parte delle applicazioni industriali della combustione sono considerate combustione rapida. 
• Combustione esplosiva: si parla di combustione esplosiva, quando la combustione avviene con una rapidità tale da provocare una rapida ed energica espansione dei gas. La combustione esplosiva viene solitamente ottenuta accendendo sostanze chimiche che contengono sia idrocarburi sia molecole ossidanti. 

La combustione ha molti usi e applicazioni. La maggior parte delle applicazioni di combustione utilizza il calore per ulteriori reazioni chimiche come la cottura, oppure il calore viene utilizzato per espandere i gas che vengono poi utilizzati per svolgere lavoro meccanico, come in un motore a combustione interna. Fino all'introduzione della luce elettrica, la combustione era l'unica fonte di luce artificiale. L'elettricità sta anche sostituendo molte applicazioni di combustione basate sul calore e che producono pressione. 

Ecco i modi più comuni in cui viene utilizzata la combustione:

• Illuminazione: Fin dalla preistoria, gli esseri umani hanno utilizzato la luce emessa durante la combustione per fornire luce. Viene ancora utilizzata nelle lampade a propano e olio, dove l'elettricità non è disponibile o quando si desidera il romanticismo della fiamma di una candela. 
• Riscaldamento e cottura: Fin dalla preistoria gli esseri umani hanno utilizzato la combustione anche per fornire calore e cuocere il cibo. Con la crescita della tecnologia e della popolazione, il riscaldamento e la cucina basati sulla combustione sono passati dalla combustione di legna o torba al carbone e poi al gas naturale. 
• Incendi naturali: La combustione in natura, sotto forma di incendi forestali, incendi boschivi e incendi nella boscaglia, è una parte importante dei sistemi biologici. Quando non sono provocati dall'uomo, gli incendi naturali sono solitamente innescati da un fulmine. 
• Motori a combustione interna (ICE): Quando la combustione avviene all'interno di un pistone, il gas in espansione causato dalla generazione di calore può essere convertito in energia meccanica. Lo stesso pistone viene utilizzato anche per comprimere la miscela aria-carburante prima della combustione. Gli ICE sono dispositivi altamente ottimizzati che continuano a migliorare. Molti ingegneri utilizzano il software Ansys Forte per ottimizzare l'esclusiva e difficile simulazione della combustione negli ICE. 
• Turbomacchine per motori aeronautici, potenza e pompaggio: Il gas in espansione derivante dalla combustione può anche essere convertito in energia meccanica attraverso l'utilizzo di una turbina rotante. L'energia di rotazione viene utilizzata anche per comprimere l'aria prima della combustione. Le turbomacchine vengono utilizzate per alimentare velivoli, azionare pompe e generare energia elettrica.
• Motore a detonazione rotante (RDE): Invece di comprimere meccanicamente la miscela aria-carburante in un motore con lavoro meccanico, gli RDE utilizzano un fronte d'onda supersonico che viaggia in un anello per comprimere fortemente la miscela aria-carburante senza parti in movimento. 
• Propulsione a razzo: Quando la combustione esplosiva non è contenuta su un lato della camera di combustione, diventa propulsione a razzo. I razzi a carburante liquido utilizzano ossigeno liquido e carburante liquido, di solito idrogeno liquido o metano liquido. I motori a razzo a combustibile solido utilizzano propellente, che è una miscela di ossidante e reagente, mentre i motori a razzo ibridi combinano un polimero idrocarburico solido con un ossidante liquido, come protossido di azoto o ossigeno liquido. 
• Bruciatori industriali: Il calore della combustione può essere utilizzato anche in applicazioni industriali per altri processi chimici, come la distillazione o per fondere materiali. I bruciatori industriali possono essere utilizzati anche per far bollire l'acqua per produrre vapore che può essere convertito in energia meccanica o come mezzo per trasmettere calore a lunghe distanze, come il riscaldamento a vapore. 

Anche se la combustione è stata una delle prime tecnologie sviluppate dall'uomo, è ancora in fase di rapidi progressi con importanti attività di ricerca e sviluppo e scoperte sui combustibili, sulla cinetica di combustione e su nuove applicazioni. Questi sforzi combinano chimica, fisica, meccanica dei fluidi e ingegneria meccanica. 

Anche l'intelligenza artificiale (IA) si sta imponendo nell'ottimizzazione della termochimica della combustione e nell'aiutare gli ingegneri a sviluppare nuovi modi per gestire le alte temperature necessarie per una combustione più pulita ed efficiente. 

Gran parte della ricerca sui carburanti si concentra sull'uso dell'idrogeno e dei biocarburanti, in particolare sui carburanti sostenibili per l'aviazione (SAF). Sebbene il trasporto aereo contribuisca solo per il 2,4% alle emissioni di carbonio, si prevede che il numero di voli commerciali triplicherà entro il 2050. Quindi, è il momento di trovare fonti di carburante che siano sostenibili e abbiano un impatto minore sul cambiamento climatico. 

Per essere considerato un SAF, il carburante deve ridurre le emissioni del 50% o più rispetto al tradizionale carburante per aerei. Sono in corso anche lavori sull'aggiunta di idrogeno al carburante o sull'utilizzo diretto dell'idrogeno per bruciatori industriali, motori a combustione interna e motori a turbina. 

Un aumento di soli pochi punti percentuali può determinare un'enorme differenza nel costo della produzione di energia e nelle emissioni a lungo termine. Scienziati e ingegneri stanno mettendo a punto simulazioni complesse esaminando la forma, la stabilità della fiamma e il profilo di uscita del flusso di combustione per produrre maggiore energia e minori emissioni. 

Altri gruppi stanno anche lavorando per migliorare il rumore udibile creato dalla combustione e come una migliore modellazione dei fluidi, e in particolare la simulazione delle turbolenze, possa migliorare l'efficienza. 

Mentre vengono apportati questi miglioramenti ai combustibili e al processo di combustione stesso, i team di tutti i settori stanno lavorando su nuove applicazioni per la combustione. La corsa per ottenere velivoli più veloci sta spingendo nuovi progressi nei progetti ramjet e scramjet, in cui la velocità di avanzamento della cellula viene utilizzata per comprimere l'aria per la combustione. Le soluzioni RDE alternative puntano verso importanti miglioramenti dell'efficienza per le turbine a gas naturale utilizzate per la produzione di energia elettrica. I miglioramenti apportati ai motori diesel stanno dimostrando il valore di centrali elettriche ICE ad alta efficienza abbinate a trasmissioni elettriche per ridurre le emissioni nelle locomotive e nei camion di grandi dimensioni. 

Tutti questi sforzi stanno aumentando le prestazioni e puntando a un futuro più sostenibile in cui i sottoprodotti della combustione, i gas serra, siano ridotti. 

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