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1. Curso Taller Internacional GAS NATURAL USO INDUSTRIAL Diseño/Instalaciones/Conversiónoperación/Mantenimiento COMBUSTION-QUEMADORES Ing. HERNANDO GALVIS BARRERA LIMA, DICIEMBRE 01-03 DEL 2004 TERMODINAMICA S.A.

3. PRINCIPIOS DE COMBUSTION

5. PRINCIPIOS DE COMBUSTION DEFINICION DE COMBUSTION COMBUSTION: Reacción que se realiza rápidamente con la conversión de energía química a energía sensible . A una mayor área de contacto se obtiene una mayor velocidad de reacción. Reacción de oxidación y exotérmica con desprendimiento de llama Combinación Química – Violenta – Desprendimiento de calor El avance de la combustión ocurre por reacciones rápidas en cadena, que se sucede en etapas, las cuales dependen del tipo de combustible que se utilice, ya sea gas, líquido o sólido.

6. PRINCIPIOS DE COMBUSTION DEFINICION DE COMBUSTION Es necesario que la temperatura en algún punto de la mezcla de oxígeno y combustible, adquiera un determinado valor . Reacción imperfecta oxidación en grado inferior o no oxidación. Combustibles formados por carbono e hidrógeno La propagación de calor debe cesar para un valor finito de la velocidad de inflamación.(LII-LSI) La forma de producirse la combustión varía según el estado del combustible. El proceso de combustión es controlado por la concentración, temperatura y la mezcla de los reactivos. Cada combustible exige un diseño apropiado.

7. PRINCIPIOS DE COMBUSTION DEFINICION DE COMBUSTION INGENIERIA DE LA COMBUSTION: Se refiere a la optimización de la reacción en cuanto a velocidad, eficiencia y control de emisiones atmosféricas mediante el uso adecuado de combustibles y equipos. Para mejorar los diseños de un proceso de combustión es necesario entender la combustión desde el punto de vista científico y de ingeniería, para ello se debe utilizar la química, matemáticas, termodinámica, transferencia de calor y mecánica de fluidos. De igual manera debe aplicar en forma conjunta la ciencia, la experimentación y la experiencia para mejorar los procesos de combustión.

11. PRINCIPIOS DE COMBUSTION COMBUSTIBLES MAS USADOS Propano Gas metano Metano Biogás Hidrogeno Gas Natural GASEOSOS Combustibles coloidales Combustibles vegetales Alcoholes Aceites biológicos Destilado petróleo Crudo LÍQUIDOS Desechos inorgánicos Desechos orgánicos Vegetación Carbón Vegetal Madera Coque Carbón Combustión interna Generadores Cogeneración Turbinas Hornos de Proceso Unidades de secado Generación de vapor SÓLIDOS Generación de Energía Transferencia de Calor Producción Sintética Producción Natural Por Aplicación Por Fase

16. COMBUSTIBLES LIQUIDOS CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOS Son mezclas de hidrocarburos derivados del petróleo por medio de procesos de refinación. En el petróleo se pueden distinguir diferentes compuestos, además de hidrocarburo, el petróleo contiene pequeñas cantidades de oxígeno, nitrógeno, azufre, vanadio, níquel, hierro, trazas de otros metales e impurezas tales como agua y sedimentos. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES

19. COMBUSTIBLES LIQUIDOS PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES

21. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS GRAVEDAD ESPECIFICA : Relación de densidad con respecto al agua ó Variación con la temperatura: Un líquido se expande cuando se incrementa la temperatura y se contrae cuando se disminuye PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES

22. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS VISCOSIDAD La medida de la resistencia a fluir. Para un combustible líquido es la facilidad para ser bombeado y atomizado. Los combustibles líquidos se manejan a diferentes niveles de viscosidad Comportamiento de la viscosidad con la temperatura A mayor temperatura menor viscosidad (GPSA FIG 23.21) PODER CALORIFICO Energía liberada como calor en la combustión Relación poder calorífico y gravedad específica PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES

23. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS DESTILACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Combustibles destilados: baja viscosidad, humedad y contenido de metales Combustibles residuales: alto contenido de contaminantes La destilación ayuda a determinar el comportamiento de los combustibles líquidos. PUNTO DE CHISPA Temperatura a la cual los vapores del combustible liquido produce combustión rápida en presencia de una llama. Propiedad que determina la seguridad en el manejo de los combustibles líquidos PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES

24. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS RESIDUOS DE CARBÓN Tendencia a formar hollín en el proceso de combustión Se mide como carbón conradson y determina el potencial del combustible líquido a formar humos. CONTENIDO DE CENIZAS Y METALES Material no inflamable presente en el combustible. Causan problemas en los equipos y en la eficiencia de la transferencia de calor PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES

25. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS AGUA Y SEDIMENTOS Arrastre de humedad y lodos en los procesos de destilación. Causan discontinuidad de la llama y obstrucción en los quemadores. Daños en los equipos de control. CONTENIDO DE AZUFRE Y NITROGENO Componentes orgánicos que liberan óxidos de azufre y nitrógeno en la combustión. Causan corrosión y lluvia ácida. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES

26. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS PUNTO DE FLUIDEZ Temperatura mas baja a la cual el combustible líquido fluye. Propiedad que determina inversiones para su manejo. TEMPERATURA DE AUTO – IGNICION La temperatura mas baja para que ocurra combustión auto-sostenida en ausencia de llama o chispa Es una indicación de la facilidad de un combustible a combustir Temperatura auto-ignición de gasolina: 370 o C PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES

29. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES Libre de agua en estado líquido. Líquidos. Libre de polvos, gomas y de cualquier sólido que pueda ocasionar problemas en la tubería. Material Sólido. 50 °C. Temperatura. 6 % Vol. Gases Inertes (*). 3.5 % Vol. Dióxido carbono. (CO 2 ). 65 – 4 lb/MMPC mg/sm 3 Vapor de agua 15 mg/sm 3 Azufre Total. (S) 3 mg/sm 3 Sulfuro Hidrógeno. (H 2 S) 10300 8450 Kcal/sm 3 Poder calorífico bruto. Máximo. Mínimo. Especificaciones de calidad. Unidades Propiedad.

32. REACCION DE COMBUSTION Combustible : Material que libera energía, cuyo principales componentes son C y H. Oxidante: El aire cuya composición es 79% N 2 y 21% O 2 . Productos de combustión : Compuestos resultado de la reacción de combustión. La ecuación de reacción presenta el resultado inicial y final , no indica el camino real de la reacción que involucra varias etapas. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

33. REACCION DE COMBUSTION La ley de conservación de la masa La ecuación de una reacción química es una expresión cualitativa y cuantitativa. En la oxidación completa se produce el máximo rendimiento energético y los productos finales no son susceptibles de nueva combustión. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

35. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION BALANCE ESTEQUIOMETRICO Vi: Coeficiente estequiométrico, signo positivo para productos, signo negativo para reactivos. C i : Compuestos que entran a la reacción. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

36. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION Los productos de la combustión se presentan en forma gaseosa, cuando existe baja temperatura es posible la condensación de agua. Para los productos de combustión se aplica con bastante aproximación la ley de los gases ideales . Si V 1 =1 Se aplica la ley de conservación de las especies químicas así: Para C: 2 = V 3 Para H: 6 = 2 V 4  V 4 =3 Para O: 2V 2 = 2V 3 + V 4 Reemplazando V 3 y V 4 tenemos: PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

37. ESTEQUIMETRIA DE LA COMBUSTION Determinación de Oxígeno y aire teórico Cantidad mínima para oxidar todo el combustible. Cantidad de oxígeno: (n + m/4) / vol CnHm V O2 = 0.21V a o V a =4.76V O2 Cantidad de aire: (4,76)(n + m /4) / vol CnHm PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

38. ESTEQUIMETRIA DE LA COMBUSTION Para una mezcla de gas como combustible se tiene: Donde: X O2 : Fracción volumétrica de O 2 en el combustible V am : Volumen de aire teórico por volumen de gas X i : Fracción de componente i en la mezcla de gas. V ai : Volumen de aire teórico del componente i, por volumen del gas i PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

39. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION Ejemplo de cálculo teórico de aire para la combustión . Determinar el volumen de aire teórico para quemar un metro cúbico del siguiente gas natural: CH 4 :85% C 2 H 6 :13% C 3 H 8 :2% Contenido de oxígeno en el gas es cero, luego Xo 2 = 0 PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

40. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION Ejemplo de cálculo teórico de aire para la combustión . PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

41. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

44. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION EXCESO DE AIRE Cálculo de exceso de aire a partir de medir el suministro de aire : %aire exceso= [ ( aire utilizado - aire teórico ) / aire teórico] 100 Cálculo de exceso de aire a partir de la composición de los gases de combustión : %aire exceso= donde: X: Es la fracción molar o volumétrico de los diferentes compuestos presentes en los gases de combustión. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

45. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION EXCESO DE AIRE Cálculo de exceso de aire cuando en los gases de combustión esta presente combustible no quemado, hidrógeno y monóxido de carbón PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

47. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION Ejemplo : Los gases de combustión en base seca de una caldera , presentan la siguiente composición: 5% O 2 y 9% CO 2 . Determinar el exceso de aire. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION % exceso de aire = 27.97%

48. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION PRODUCTOS DE COMBUSTION Volumen de productos de combustión, generados por la combustión completa de un volumen de gas a condiciones teóricas. PRODUCTOS DE COMBUSTION HUMEDO Se tiene en cuenta el agua producto de la reacción de combustión . V’ fo = (n+m/2)C n H m +0.79V a Donde: V’ fo :Volumen de gases de combustión incluyendo el agua V a :Volumen teórico de aire PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

49. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION PRODUCTOS DE COMBUSTION SECO No se tiene en cuenta el agua producto de la reacción de combustión Vfo = nCnHm + 0.79Va Donde Vfo: Volumen de gas de combustión sin incluir el agua PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

50. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION PRODUCTOS DE COMBUSTION Cálculo de volumen de gases de combustión para una mezcla de gases como combustible. Donde: V’ fo , V fo : Poderes fumigeno húmedo y seco. : Fracción de N 2 en la mezcla de gas combustible. : Fracción de CO 2 en la mezcla de gas combustible. V fo’m , V foi : Poderes fumigenos húmedos y secos para cada componente i. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

51. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION PRODUCTOS DE COMBUSTION Cálculo de volumen de gases de combustión incluyendo el exceso de aire. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

52. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION Ejercicio: Calcular el volumen de gases de combustión con base húmeda y seca Para un gas cuya composición es: CH 4 =85% C 2 H 6 =13% C 3 H 8 =2% CH 4 : V’ fo = (1+4/2) + 0.79(4.76)(1+4/4) V a =(4.76)(n+m/4) V’ fo =10.52 V fo = (1)+0.79(4.76)(1+ 4/4) = 8.52 C 2 H 6 : V’ fo = (2+6/2) + 0.79(2+6/4)(0.76) = 18.16 o = 15.16 C 3 H 8 : V’ fo = (3+8/2) + 0.79(4.76)(3+8/4) = 25.8 = 21.8 PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

53. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION PRODUCTOS DE COMBUSTION = 0.85(10.52) + 0.13(16.16) + 0.02(21.8) + 0 + 0 = 11.82 m 3 de gases de combustión/m 3 de gas combustible = 0.85(8.52) + 0.13(15.16) + 0.02(21.8) + 0 + 0 = 9.465 m 3 de gases de combustión/m 3 de gas combustible PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

54. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION PRODUCTOS DE COMBUSTION Determine en volumen de gases de combustión con un 10% exceso de aire. Exceso de aire = %exceso * V am = (0.1)(10.73) = 1.073 V’ fo = 11.82 +1.073 = 12.893 V fo = 9.465 + 1.073= 10.538 PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

55. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTION La cantidad de vapor de agua en el aire se puede calcular midiendo directamente la masa de vapor de agua presente en una masa unitaria de aire seco, lo que se denomina humedad absoluta o especifica (w): PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

56. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTION La saturación de aire con vapor de agua se logra cuando se inicia la condensación de la humedad, es decir se presenta una separación física del aire y el agua líquida. La humedad relativa,  , es la cantidad de vapor de agua contenida en el aire en relación con la cantidad máxima de humedad permitida a las condiciones de presión y temperatura. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

57. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTION P g : Presión de saturación @ T Donde: m v : masa de vapor m g : máximo contenido de vapor en el aire a condición de saturación Relacionando humedad absoluta con humedad relativa tenemos: w : masa de agua / masa de aire seco PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

58. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTION Ejemplo: En 100 m 3 de aire a 1 atmósfera de presión y 50ºC y una humedad relativa de 80%; determine la masa de vapor de agua existente y su volumen P g (1 atm y 50ºC) = 12.349 Kpa Pv =  P g = 12.349 Kpa * 0.8 = 9.88 Kpa P T = P a + Pv Pa = 101.92 – 9.88 = 91.44 Kpa R = 8.31434 PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

59. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTION m aire = 0.9874 Kgr m vapor = 0.066 Kgr PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION PV = nRT

62. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN DETERMINACION DE LA RELACION CARBONO-HIDROGENO EN EL COMBUSTIBLE EJERCICIO CON DATOS DE ANALIZADOR DE ORSAT Un hidrocarburo reacciona con aire a 1 atmósfera de presión, 15 ºC y 60% de humedad relativa. El análisis en volumen Orsat de los humos es el siguiente: CO 2 : 10% ;O 2 : 2.37% y N 2 : 87.1%. Determinar la relación C / H en peso del combustible PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

63. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

64. ESTEQUEOMETRIA DE LA COMBUSTION Cálculo de la cantidad de agua en los gases de combustión Cantidad de N 2 : 87.1 moles Cantidad de O 2 : 87.1/3.76 =23.1 moles O 2 total O 2 para formar agua= O 2 total - O 2 Gases de Combustión O 2 (H 2 O)= 23.1 - 12.635= 10.465 moles O 2 para formar H 2 O H 2 en el combustible: 2 * moles de O 2 (H 2 O) H 2 en el combustible: 2 * 10.465= 20.93 moles de H 2 Cantidad de agua formada: 20.93 moles H 2 O por 100 moles de humos secos Cálculo de Relación C / H Moles de C: 10.53 moles Moles de H2: 20.93 moles Relación C / H = PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

65. ESTEQUEOMETRIA DE LA COMBUSTION Análisis de los productos de combustión DETERMINACION DE COMBUSTIBLE NO QUEMADO EJERCICIO 2, CON DATOS DEL ANALIZADOR ORSAT. Un combustible líquido posee C: 86% y H:14% en peso , y se quema con aire. El análisis de los gases de combustión es el siguiente: CO 2 : 0.2% CO:3% O 2 : 3.5% N 2 : 83.3% Encontrar la fracción de C no quemado. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

66. ESTEQUEOMETRIA DE LA COMBUSTION Desarrollo: Balance de la reacción mC + nH + q(O 2 +3.76)  10.2CO 2 + 3CO + 3.5O 2 + 83.3N 2 + pH 2 O PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION 83.3 15.2 13.2 100 Totales 83.3 0 0 83.3 N 2 0 3.5 0 3.5 O 2 0 1.5 3.0 3.0 CO 0 10.2 10.2 10.2 CO 2 Moles N 2 Moles O 2 Moles C Moles Sustancia

67. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION Cantidad de aire: q= 83.3/3.76 = 22.1 moles de aire Cantidad de C: m= 13.2 moles Cantidad de O 2 total: 22.1 moles =q O 2 para formar agua: 22.1-15.2 = 6.9 Moles de H 2 O: 2*6.9 = 13.8 moles de agua = p Moles de H: 2*13.8 = 27.6 moles H = n 13.2C + 27.6H + 22.1(O 2 + 3.76N 2 )  10.2CO 2 + 3CO + 3.5O 2 + 83.3N 2 + 13.8H 2 O PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

68. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION Consumo de combustible: 13.2(12) + 27.6(1)=186 gramos Composición del combustible: H:14% C:86% Moles de H: 27.6 Peso de H: 27.6*1 = 27.6 Relación másica combustible: 27.6/(x+186) = 0.14  x=11.1 gramos de hollín no quemado Masa total de combustible: 186+11.1=197.1 gramos PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

72. ESTEQUEOMETRIA DE LA COMBUSTION RELACIÓN AIRE COMBUSTIBLE A° = m aireteorico / m combustible 1 mol de O 2  4.76 moles de aire C x H y O z +  [O 2 +3.76N 2 ]  xCO 2 + 1/2yH 2 O + 3.76  N 2 PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

73. ESTEQUEOMETRIA DE LA COMBUSTION Calculo para CH 3 OH (METANOL) A 0 =1.44 (8C+24H+3S-3O) donde: C,H,S,O son las fracciones másicas de carbono, hidrogeno, azufre y oxígeno, en el combustible PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

74. RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE Ejercicio: Determinar la relación aire combustible requerida para la combustión de 1 Kg de tolueno. ¿cuáles son los análisis molar y másico de los gases de combustión? C 6 H 5 CH 3 + 9[ O 2 + 3.76N 2 ]  7CO 2 + 4H 2 O + 33.8N 2 PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION

75. RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE ANALISIS MOLAR Y MASICO PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION 100 1326.4 100 44.8 Totales 72.5 946.4 75.5 33.8 N 2 4.3 72 8.9 4 H 2 O 23.2 308 15.6 7 CO 2 Y 1 % (peso) Gramos X i % (molar) Moles Producto

76. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE EXCESO DE AIRE A° : Relación aire-combustible teórica A : relación aire-combustible real A= A°  Donde:  es el porcentaje de exceso o defecto de aire.  > 1 : exceso  < 1 : defecto

77. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE Ejercicio: Un carbón utilizado como combustible tiene la siguiente composición en peso: C: 80.7% ;H:4.9%;S:1.8% O:5.3% ; N:1.1% ; cenizas:10.97%. Cúal es la relación aire combustible real si se utiliza 20% de exceso Desarrollo: Base de cálculo: 100 gr de carbón

78. PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE Cálculo de aire teórico: 6.725 C + 6.725 O2  6.725 CO2 2.45 H2 + 1.225 O2  2.45 H2O 0.0562 S + 0.0562 O2  0.0562 SO2 0.0393 N + 0.0393 O2  0.0393 NO2 O2 total = 8.0455 O2 teórico = 8.0455 – 0.1656 = 7.8799 moles A= A°  A°= (138.3*7.8799)/100 = 10.89 A= 10.89*1.2 = 13.07=A

80. FUNDAMENTOS TERMODINAMICOS Todo cuerpo posee energía manifestada en su estado , en su temperatura , en su estructura molecular y en su estructura atómica . Durante los procesos de combustión se presentan cambios en el contenido energético : estructura química por efecto de una reacción como resultado del rompimiento de enlaces La termodinámica trata los cambios de energía de un sistema durante un proceso y no en la energía de los estados particulares razón por la cual se establece el estado de referencia estándar. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TERMODINAMICA DE LA COMBUSTION H 2 O Liq . H 2 O Liq. H 2 O Liq. C.S 30 0 C 80 0 C  Energía

81. CALOR DE FORMACION DEFINICION : Cambio de energía entálpica que acompaña la formación de un mol de sustancia a partir de sus elementos, o reactivos cuando la reacción ocurre a condiciones estándar (P 0 = 1atm T 0 = 25 0 C). El calor de formación de sus reactivos en su estado estándar es cero. Ah 0 H 2 = 0 Ah 0 H  0 La entalpía de una sustancia cualquiera en el estado de referencia es igual a su entalpía de formación h 0 f = h (T 0 , P 0 ) PRINCIPIOS DE COMBUSTION TERMODINAMICA DE LA COMBUSTION

82. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TERMODINAMICA DE LA COMBUSTION ENTALPIA ABSOLUTA Definición Contenido de energía de un compuesto a unas condiciones de T y P, la cual es la sumatoria de la energía de formación más la entalpía sensible Entalpía absoluta de una compuesto consiste de la energía asociada a su formación , y otra relacionada con el cambio de las condiciones respecto a la estándar a composición constante

83. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TERMODINAMICA DE LA COMBUSTION ENTALPIA ABSOLUTA Determinación de entalpía absoluta: Gases: Líquidos sólidos:

84. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TERMODINAMICA DE LA COMBUSTION PODER CALORIFICO Definición : Es la cantidad de energía liberada cuando un combustible se quema por completo en un proceso de flujo permanente, y los productos vuelven a las mismas condiciones de T y P que los reactivos. Unidades de medición : BTU,Joule, Kwh, Kcalorías Poder calorífico superior : El agua producto de la reacción de combustión permanece en forma líquida en los productos de combustión.

85. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TERMODINAMICA DE LA COMBUSTION PODER CALORIFICO Poder calorífico Inferior : El agua producto de la reacción permanece en forma gaseosa. (PCS – PCI) : Calor requerido para vaporizar el agua producto de la combustión

86. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TERMODINAMICA DE LA COMBUSTION Cálculo del poder calorífico: Mezcla de un combustible gaseoso: Donde: PCm : Poder calorífico de la mezcla PCi : Poder calorífico del componente i Xi : Fracción del componente i en la mezcla Combustibles líquidos y sólidos: Método experimental mediante el uso de un calorímetro Ejercicio: Calcular el PCS de una mezcla gaseosa de CH4: 85% ; C2H6: 13% ; C3H8: 2% PODER CALORIFICO

87. PODER CALORIFICO PRINCIPIOS DE COMBUSTION TERMODINAMICA DE LA COMBUSTION

88. Introducción: Las condiciones de combustión están referidas por la relación aire-combustible en la reacción y proporción de aire (aire realmente usado/aire teórico). Relación aire-combustible : R=Q a /Q g Donde: Q a : Flujo de aire, m 3 /h Q g : Flujo de gas, m 3 /h Proporción de aire : n=Q a /(V a Q g )=R/V a Donde: V a :Volúmen teórico de aire/m 3 gas Combustión Estequiométrica o ideal: Es aquella reacción de combustión que utiliza la cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa . No hay presencia de oxígeno y combustible en los gases de combustión. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTION

89. COMBUSTION INCOMPLETA Reacción donde los elementos que conforman el combustible no son completamente oxidados en el proceso de combustión. Los componentes que identifican una combustión completa en los gases de combustión son C, CO, H2, OH. Las causas de una combustión incompleta : - Cantidad insuficiente de oxígeno - Mezcla combustible - aire deficiente - Tiempo de residencia inadecuado PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTION

90. COMBUSTION REAL Es la practica común de combustión donde un exceso de aire garantiza la reacción con todo el combustible liberando la energía total contenido en dicho combustible. Exceso de aire superior al exigido en la combustión real causa ineficiencia en el proceso. COMBUSTION ADIABATICA Proceso donde todo el calor liberado en la combustión se usa exclusivamente a elevar la temperatura de los gases de combustión . No existe intercambio de calor con los alrededores. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTION

91. CONDICIONES PARA LA COMBUSTION La mezcla combustible - oxidante reaccionan generando una llama auto - sostenida cuando se cumplan ciertas condiciones termodinámicas y cinéticas que el proceso de combustión exige. TEMPERATURA DE INFLAMABIIDAD Temperatura a la cual lo vapores de combustible en presencia de aire y una fuente de calor reaccionan y se propaga poco a poco a toda la masa de combustible. PRINCIPIOS DE COMBUSTION CONDICIONES PARA LA COMBUSTION

92. CONDICIONES PARA LA COMBUSTION LIMITES DE INFLAMABILIDAD Límites de concentración aire - combustible inferior y superior para que ocurra la reacción de combustión auto - sostenida en presencia de una fuente de calor. Los límites de concentración varían de acuerdo al tipo de combustible. TEMPERATURA DE IGNICION Es la temperatura mas baja a la cual la reacción de combustión se auto - sostiene . La temperatura de ignición depende de las condiciones cinéticas de la reacción del combustible y los equipos de combustión PRINCIPIOS DE COMBUSTION CONDICIONES PARA LA COMBUSTION

93. PRINCIPIOS DE COMBUSTION CONDICIONES PARA LA COMBUSTION

97. ETAPA DE PRE-COMBUSTION - Actividades de manejo y suministro del combustible hasta los quemadores del equipo de combustión. - La problemática de la pre-combustión esta referida al tipo de combustible y a las facilidades que se dispongan PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION

101. Mecanismos del Proceso de Combustión Las variables que intervienen en el proceso de combustión están relacionadas con las propiedades de los combustibles ; como aquellas propiedades externas del combustible como son los equipos de proceso , la turbulencia y el tiempo de residencia . Tanto los unos como los otros influyen en forma positiva o negativa en el logro de un correcto proceso de reacción definido claramente en el modelo de la combustión. PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION

102. PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION

107. SECADO DE LOS COMBUSTIBLES Eliminación de la humedad contenida en el combustible lo que ocasiona una menor temperatura de cámara de combustión, pérdida de eficiencia y baja velocidad de reacción de combustión. PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION

109. Introducción El cálculo teórico del proceso de combustión se basa en la combustión adiabática , es decir el calor desprendido por la reacción es absorbido por los gases de combustión Temperatura Adiabática de Llama Temperatura máxima de los gases de combustión cuando toda la energía química liberada en el proceso de combustión se usa para elevar su temperatura. No existe interacción con los alrededores ni cambios de energía cinética y potencial en la corriente del combustible- Reacción completamente aislada Temperatura Adiabática  Entalpia de productos = Entalpia de los reactivos PRINCIPIOS DE COMBUSTION CALCULO TEORICO DEL PROCESO DE COMBUSTION

112. Diagrama de Sankey PRINCIPIOS DE COMBUSTION EFICIENCIA DEL PROCESO DE COMBUSTION

114. EQUIPOS DE COMBUSTION

116. EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS Circulación Natural: Flujo de Agua y vapor por diferencia de densidad por efecto de la temperatura

117. EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS Circulación Forzada: Uso de bomba de agua para garantizar flujo en la caldera

121. Caldera Pirotubular – Tipo Horizontal EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS

123. Caldera Pirotubular – Partes de la Caldera Horizontal EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS

124. Caldera Pirotubular – Caldera Horizontal a carbón EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS

125. Caldera Pirotubular – Tipo Económico tres pasos EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS

126. Caldera Pirotubular – Hogar interior de 4 pasos EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS

127. Caldera Pirotubular – Tipo Vertical EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS

129. Caldera Acuatubular Principio Operacional: El agua circula por el interior de los tubos expuestos a los gases de combustión. EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS

131. Caldera Acuatubular de tubos rectos EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS

132. Caldera Acuatubular de tubos curvos EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS

133. Caldera Acuatubular compacte tipo D EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS

134. Caldera Acuatubular – Tipo A EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS

135. Caldera Acuatubular – Tipo D EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS

136. Caldera Acuatubular – Tipo O EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS

138. Caldera para Quemar Gas, fuel y Carbón Pulverizado EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS

140. EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE PROCESO

141. EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE PROCESO

142. EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE PROCESO

144. Hornilla industria Cerámica y Ladrillera EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE FUEGO DIRECTO

146. Secadora de Flujo Continuo EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE FUEGO DIRECTO

147. Secadora de Parrillas EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE FUEGO DIRECTO

148. Secadora en Tres Etapas EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE FUEGO DIRECTO

149. Secadora por batch en dos ciclos EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE FUEGO DIRECTO

153. Gasodomésticos USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL Aparatos Domésticos de Cocción Cocina o Estufa Horno

154. Gasodomésticos USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL Calentador Acumulador

155. Gasodomésticos USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL Calentador de Paso o Instantáneo

156. Gasodomésticos USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL Calentadores de Ambiente

161. PARAMETROS PARA EL DE UN SISTEMA DE COMBUSTION DISEÑO

167. Por punto de mezcla aire – combustible Quemadores de premezcla Gas y aire primario se mezclan previamente antes de llegar a la zona de combustión. El aire secundario se entrega en la zona de combustión. Quemadores de premezcla a Presión. Diseño de premezcla total. Flexibilidad limitada, elevada intensidad de combustión y alta temperatura de llama Quemadores sin mezcla previa Gas y aire se suministra por separado a la zona de combustión Quemadores Clasificación de los quemadores a gas PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION

169. Quemadores Industriales a Gas PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION La combustión de gas aparentemente es la más sencilla pero en realidad requiere de cuidados especiales más específicos que los otros combustibles. Una razón de lo anterior, es que la llama en muchos tipos de gas tiene poca luminosidad por lo que es difícil verla en el horno, otra es que la acumulación del gas sin quemarse por resultado de fugas dentro del horno, o pérdida de fuego dentro del horno, o por pérdida de fuego dentro de los quemadores, no lo hace visible y por tal motivo no será notado por los operadores dando por consecuencia una explosión

170. Quemadores a Gas – Abiertos de Tiro Natural PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Presión negativa en la cámara de combustión que aspira aire del medio controlado por rejillas o obturadores ajustables. Difícil control aire – combustible. Tiro natural o tiro inducido

171. Quemadores Industriales a Gas Quemador de tiro natural JZ para hornos de proceso PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION

172. Quemadores a Gas – Sellados Mecánicos PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Flujo de entrada de aire controlado por un ventilador de inyección (tiro forzado). Buena mezcla por la caída de presión y control de configuración de llama

173. Quemadores Industriales a Gas Quemador de tiro forzado para hornos y secadores PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION

174. Quemadores a Gas – Sistema de Quemador con Premezclado PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Gas y aire se mezclan completamente corriente arriba de la tobera. Se utilizan en hornos de parrilla a baja temperatura. Ej. Tostado de alimentos. La mezcla aire–combustible puede ser tipo Inyector o tipo Aspirador.

175. PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION

176. Quemadores a Gas – Sistema de Mezcla en la punta del Quemador PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Mezcla de aire – gas en la boquilla del quemador. Permiten usar una amplia variedad de relaciones aire – combustible y formas de llama. Se presentan varios tipos: Quemador de alta velocidad, Quemador de radiación de pared.

177. Quemadores a Gas – Controlados por Combustible PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Suministro de combustible a alta presión utilizando dicha energía para controlar la estabilidad y la forma de llama usando fuentes de aire a baja presión.

188. Quemadores Especiales PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Quemadores duales: gas – líquido. En general se basan en un quemador de líquido al que se le acopla un colector anular de gas que conduce éste a la vena de aire Quemadores de aire precalentado . Si el aire no pasa de los 200º C no se requiere generalmente precauciones especiales; pero por encima de estas temperaturas deberá prestarse atención a los refractarios y partes internas del quemador Quemadores con control de forma de llama . La forma de la llama se ajusta variando la velocidad de mezclado , pasando de llamas largas y estrechas a cortas y anchas. También puede lograrse el mismo efecto variando la posición de las aletas del aire

189. Quemadores Especiales PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Quemadores de residuos líquidos . Generalmente es de tipo dual, alimentando el residuo por la boquilla del combustible líquido. Se ha de asegurar que el residuo sea combustible, que sea atomizable y que los productos no sean tóxicos ni corrosivos Quemadores con enriquecimiento de oxígeno . En ellos el oxígeno se mezcla con el aire, nunca con el combustible. Esto aumenta la eficiencia de combustión y la temperatura de llama Quemadores de baja emisión de NOx . Constituyen la última tecnología en diseños de quemadores. Grandes y ambiciosos programas son desarrollados actualmente en el mundo con el fin de disminuir las fuentes que contaminan nuestro medio ambiente

196. OPERACIÓN DEL SISTEMA Control Electromecánico del quemador en calderas Pirotubulares PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION

199. Cámara de Combustión Valores de IV (Factores empíricos de cámara) para diferentes combustibles PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION 0.25 25.000 Leña 1.03 100.000 Gases 0.21-0.41 20.000-40.000 Hogar de caldera 1.03 100.000 Líquidos a alta velocidad 0.83 80.000 Líquidos pesados 1.03 100.000 Líquidos livianos 0.47-0.57 45000-55000 Combustible sólido en lechos IV Btu/hr-ft 3 MW/m 3 COMBUSTIBLE

200. ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE GAS NATURAL

207. Procedimiento para adaptar equipos al uso de Gas Natural ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.

214. ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.

217. Válvula de Bola ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.

219. Regulador con resorte ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N. Regulador cargado con Resorte

220. Regulador cargado con Piloto ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.

221. Dimensionamiento del sistema de alimentación a Gas Ejercicio Q max : 43,200 PCSH Presión Máxima de entrada: 214.7 psia Presión de salida o regulada: 114.7 psia C g : Coeficiente característico del regulador calculado mediante ecuación del fabricante C g = f ( P 1 , P 2 , Q ) El regulador se selecciona con la mínima presión de entrada. De acuerdo al C g se va a los catálogos de reguladores del fabricante y se selecciona el diámetro del regulador. ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.

223. Filtro de Gas ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N. Drenaje

224. Ejercicio Selección del Sistema de Filtración Caso Anterior Presión Mínima de operación: 214.7 psia Caída Máxima de presión: 2 psi Tamaño de partículas a remover: 3 micras Porcentaje de retención: 99% Q max : 43,200 PCSH ANSI 150 Con la información anterior se selecciona en los catálogos de los fabricantes de filtros el diámetro de conexión del filtro. Estación de Regulación y Medición ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.

226. Válvula de Alivio ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.

228. Válvula de Cierre Automático Alta y/o Baja Presión ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N. Botón de presión (normalmente cerrado)

230. Medidores de Gas Estación de Regulación y Medición ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.

231. Medidores de Gas Estación de Regulación y Medición ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.

234. Tramo 2 Longitud de tubería L = 50 pies. Q max = 21.6 MPCSH P 1 = 103 psia P 1 2 = 10,609 Factor GLTZ = 0.60 * 50ft * 500 o R * 0.980 = 14,700 Diamétro de tubería = 1.5” Factor D 8/3 = 2.95 Despejando P 2 ecuación WEYMOUTH tenemos: P 2 = 100 psia Tramo 3 Longitud de tubería L = 300 pies. Q max = 8.1 MPCSH Presión de salida de estación de regulación y medición = Factor GLTZ= 88,200 P 1 = 103 psia P 1 2 = 10,609 D = 1“ Factor D 8/3 = 1 P 2 = 98 psia Dimensionamiento tubería de alimentación interna. ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.