Gas natural uso industrial

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Gas natural uso industrial

  1. 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.
  2. 2. <ul><li>Principios de combustión. </li></ul><ul><li>Equipos de combustión. </li></ul><ul><li>Parámetros para el diseño de un sistema de medición. Control de combustión </li></ul><ul><li>Adaptación de equipos de combustión al uso de gas natural. </li></ul><ul><li>Beneficios económicos del uso del gas natural. </li></ul>CONTENIDO
  3. 3. PRINCIPIOS DE COMBUSTION
  4. 4. <ul><li>Definición de Combustión </li></ul><ul><li>Tipos de Combustibles </li></ul><ul><li>Química de la Combustión </li></ul><ul><li>Termodinámica de la Combustión </li></ul><ul><li>Tipos de Combustión </li></ul><ul><li>Condiciones para la Combustión </li></ul><ul><li>Mecanismos del Proceso de Combustión </li></ul><ul><li>Cálculo teórico del proceso de Combustión </li></ul><ul><li>Eficiencia del proceso de Combustión </li></ul><ul><li>Control de la reacción de Combustión </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION
  5. 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. 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. 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.
  8. 8. PRINCIPIOS DE COMBUSTION DEFINICION DE COMBUSTION <ul><li>OBJETIVOS DE LA COMBUSTION: </li></ul><ul><li>Generar calor a un proceso determinado, fundición. </li></ul><ul><li>Incrementar la temperatura para facilitar la ocurrencia de un proceso, generación de vapor. </li></ul><ul><li>Crear una atmósfera con los productos de combustión, secado. </li></ul>
  9. 9. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES <ul><li>Combustible es aquel compuesto que almacena energía química en su estructura molecular, y en contacto con aire dicha energía es liberada a través de complejas reacciones químicas y expresadas por una llama. Especificaciones básicas de los combustibles : </li></ul><ul><li>Alta densidad de energía: Contenido de calor. </li></ul><ul><li>Alto calor de combustión: Potencial calor a liberar. </li></ul><ul><li>Estabilidad térmica: Almacenamiento. </li></ul><ul><li>Presión de vapor : Volatilidad. </li></ul><ul><li>Contaminación atmosférica : Efecto impacto ambiental. </li></ul>
  10. 10. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPO DE COMBUSTIBLES <ul><li>Selección de combustibles : </li></ul><ul><li>Costo </li></ul><ul><li>Disponibilidad </li></ul><ul><li>Transporte </li></ul><ul><li>Reglamentación Ambiental </li></ul><ul><li>Tipos de combustibles </li></ul><ul><li>Sólidos </li></ul><ul><li>Líquidos </li></ul><ul><li>Gaseosos </li></ul>
  11. 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
  12. 12. <ul><li>COMBUSTIBLES SÓLIDOS </li></ul><ul><li>La buena combustión depende de la facilidad de acceso del aire a las partículas del combustible </li></ul><ul><li>CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES SÓLIDOS </li></ul><ul><li>Carbón mineral </li></ul><ul><li>Carbón vegetal: Madera </li></ul><ul><li>Biomasa: Bagazo </li></ul><ul><li>Desechos sólidos: cauchos, polietileno, etc </li></ul><ul><li>FORMAS DE USO </li></ul><ul><li>Pulverizado: Fluidizado y Banda Transportadora </li></ul><ul><li>Emulsión </li></ul><ul><li>Estado Natural </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  13. 13. <ul><li>COMBUSTIBLES SÓLIDOS </li></ul><ul><li>El proceso de combustión de un combustible sólido posee las siguientes fases: </li></ul><ul><li>Secado del combustible : Humedad contenida en el combustible </li></ul><ul><li>Destilación : Separación de los componentes volátiles contenidos en el combustible. </li></ul><ul><li>Quema de los componentes menos volátiles debido al calor generado por la combustión de los volátiles. </li></ul><ul><li>Residuo de cenizas en el proceso de combustión </li></ul><ul><li>El uso de combustibles sólidos requiere una mayor inversión para el almacenamiento, preparación, manejo y transporte del combustible, pero a su vez su costo es mucho más bajo que los combustibles líquidos y gaseosos. </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  14. 14. COMBUSTIBLES SÓLIDOS <ul><li>CARACTERÍSTICAS </li></ul><ul><li>Alto contenido de oxígeno, nitrógeno y azufre </li></ul><ul><li>Poder calorífico </li></ul><ul><li>Contenido material vólatil </li></ul><ul><li>Contenido de cenizas </li></ul><ul><li>Humedad </li></ul><ul><li>Granulomatría </li></ul><ul><li>Temperatura de fusión de las cenizas </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  15. 15. <ul><li>COMBUSTIBLES SÓLIDOS </li></ul><ul><li>EVALUACION COMO COMBUSTIBLES </li></ul><ul><li>Mayor inversión para el almacenamiento, manejo, preparación y transporte </li></ul><ul><li>Alta contaminación atmosférica </li></ul><ul><li>Menor eficiencia </li></ul><ul><li>Costos bajos respecto a combustibles líquidos y gaseosos </li></ul><ul><li>COMPOSICION DE COMBUSTIBLES SÓLIDOS </li></ul><ul><li>CONSIDERACIONES DE SELECCION </li></ul><ul><li>Disposición y tipo de cenizas </li></ul><ul><li>Efectos de corrosión / abrasivos </li></ul><ul><li>Mezcla con otros combustibles </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  16. 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
  17. 17. <ul><li>COMBUSTIBLES LIQUIDOS </li></ul><ul><li>ESTRUCTURA MOLECULAR DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOS </li></ul><ul><li>Crudo y Destilados </li></ul><ul><ul><li>Parafínicos Naftenicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Aromáticos Olefinas </li></ul></ul><ul><li>Residuales </li></ul><ul><li>COMPOSICION DE COMBUSTIBLES LIQUIDOS </li></ul><ul><li>Análisis Químico C, H, S, N, O </li></ul><ul><li>Contenido de C: 83 – 88% </li></ul><ul><li>Contenido de H: 7 – 12% </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  18. 18. <ul><li>COMBUSTIBLES LIQUIDOS </li></ul><ul><li>Origen del petróleo </li></ul><ul><li>Naturales: Crudo </li></ul><ul><li>Refinados: Nafta, Keroseno; Gas oil, Diesel, JetA </li></ul><ul><li>Residuales: Fuel oil </li></ul><ul><li>Origen de combustibles sólidos </li></ul><ul><li>A partir del carbón. </li></ul><ul><li>Subproductos industriales </li></ul><ul><li>Licor negro </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  19. 19. COMBUSTIBLES LIQUIDOS PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  20. 20. <ul><li>COMBUSTIBLES LÍQUIDOS </li></ul><ul><li>CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOS </li></ul><ul><li>Composición química parecida, propiedad física diferente </li></ul><ul><li>Gravedad especifica </li></ul><ul><li>Viscosidad </li></ul><ul><li>Poder calorífico </li></ul><ul><li>Curva de destilación </li></ul><ul><li>Punto de inflamación </li></ul><ul><li>Contenido de carbón conradson </li></ul><ul><li>Contenido de cenizas </li></ul><ul><li>Contenido de sedimento y agua </li></ul><ul><li>Contenido de azufre </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  21. 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. 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. 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. 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. 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. 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
  27. 27. <ul><li>COMBUSTIBLES GASEOSOS </li></ul><ul><li>Un combustible gaseoso es más fácil de manejar y su combustión es limpia y sin problemas de operación . </li></ul><ul><li>El gas es un combustible de fácil quemado, ya que para su combustión sólo requiere ser mezclado con determinada cantidad de aire a condiciones óptimas de temperatura . </li></ul><ul><li>CLASIFICACIÓN DE LOS GASES COMBUSTIBLES </li></ul><ul><li>PRIMERA FAMILIA: Gases manufacturados </li></ul><ul><li>SEGUNDA FAMILIA: Gas Natural </li></ul><ul><li>TERCERA FAMILIA: GLP, Propano, Butano </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  28. 28. <ul><li>COMBUSTIBLES GASEOSOS </li></ul><ul><li>COMPOSICION TÍPICA DEL GAS NATURAL </li></ul><ul><li>METANO: 70 – 96% </li></ul><ul><li>ETANO: 1 – 14% </li></ul><ul><li>PROPANO: 0 – 4% </li></ul><ul><li>C + 4 : 0 – 2% </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  29. 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.
  30. 30. <ul><li>COMBUSTIBLES GASEOSOS </li></ul><ul><li>APLICACIONES DEL GAS NATURAL COMO COMBUSTIBLE </li></ul><ul><li>Utilización térmica clásica: gasodomésticos, calderas, hornos, turbogás. </li></ul><ul><li>Utilización térmica especial: tratamientos térmicos (oxi-red). </li></ul><ul><li>Utilización térmica particular: características químicas y termodinámicas tanto del gas como productos de combustión. </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  31. 31. <ul><li>COMBUSTIBLES GASEOSOS </li></ul><ul><li>CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOS </li></ul><ul><li>Gravedad Específica: Relación de densidad con respecto al aire. </li></ul><ul><li> ó @ c.s </li></ul><ul><li>Composición del gas </li></ul><ul><li>Poder calorífico: energía liberada en el proceso de combustión. </li></ul><ul><li>Temperatura de Ignición: Temperatura mas baja a la que sucede la combustión auto-sometida. </li></ul><ul><li>Limites de Inflamabilidad: Rango de concentración aire-combustible en el que sucede la combustión. </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TIPOS DE COMBUSTIBLES
  32. 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. 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
  34. 34. <ul><li>ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION </li></ul><ul><li>ESTEQUIOMETRIA : Es el estudio de la cantidad de materia proporcional en la combinación para que ocurra una reacción. La estequiometría es el punto de partida para el diseño de un equipo de combustión . Permite: </li></ul><ul><li>Cantidad de aire requerida para quemar una determinada cantidad de combustible. </li></ul><ul><li>Cantidad y composición de los gases producto de la combustión. </li></ul><ul><li>Determinar coeficientes de transferencia de calor </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  35. 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. 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. 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. 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. 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. 40. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION Ejemplo de cálculo teórico de aire para la combustión . PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  41. 41. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  42. 42. <ul><li>ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION EXCESO DE AIRE: </li></ul><ul><li>Para obtener la combustión completa se requiere utilizar una cantidad adicional de aire a la teórica </li></ul><ul><li>En los productos de la combustión debe estar presente el aire no requerido en la reacción de combustión </li></ul><ul><li>Los equipos de combustión se diseñan para trabajar con exceso de aire a fin de garantizar una combustión completa </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  43. 43. <ul><li>ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION EXCESO DE AIRE: </li></ul><ul><li>La eficiencia del equipo esta relacionada directamente con los requerimientos de exceso de aire: mayor eficiencia menor exceso de aire. </li></ul><ul><li>El exceso de aire se relaciona con: </li></ul><ul><ul><li>Temperatura deseada de los gases </li></ul></ul><ul><ul><li>Variaciones de la carga térmica del equipo </li></ul></ul><ul><ul><li>Limitaciones de tipo metalúrgico </li></ul></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  44. 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. 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
  46. 46. <ul><li>ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION </li></ul><ul><li>EXCESO DE AIRE </li></ul><ul><li>Cálculo de exceso de aire si solo se conoce el contenido de dióxido de carbono en los gases de combustión </li></ul><ul><li>(CO 2 ) t : Producción teórica de CO 2 para el combustible dado (CO 2 ) : Producción real de CO 2 en los gases de combustión </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  47. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
  60. 60. <ul><li>ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION </li></ul><ul><li>ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTION </li></ul><ul><li>La presencia de CO y H 2 en los gases de combustión causan ineficiencia en el equipo por menor energía y pérdida de combustible. </li></ul><ul><li>Alto exceso de aire genera alto volumen de gases de combustión lo que provoca pérdidas de calor con los humos. </li></ul>Control del suministro de aire al proceso de combustión Determinación de la composición de los gases de combustión Análisis Orsat y Analizadores de oxígeno tipo óxido de Circonio PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  61. 61. <ul><li>ESTEQUIOETRIA DE LA COMBUSTION </li></ul><ul><li>ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN </li></ul><ul><li>ANALIZADOR ORSAT </li></ul><ul><li>Principio de Operación </li></ul><ul><ul><li>Ley de volúmenes parciales </li></ul></ul><ul><ul><li>Absorción de cada componente de la mezcla a T y P constantes </li></ul></ul><ul><ul><li>Resultados en base seca </li></ul></ul><ul><li>ANALISIS DE LOS RESULTADOS DEL ORSAT </li></ul><ul><li>Combustión completa o incompleta </li></ul><ul><li>Exceso de aire en la reacción </li></ul><ul><li>Emisiones de combustible no quemado </li></ul><ul><li>Cantidad de agua en los gases de combustión </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  62. 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. 63. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  64. 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. 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. 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. 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. 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
  69. 69. <ul><li>Análisis de los productos de combustión </li></ul><ul><li>Volumen de Dióxido de carbono </li></ul><ul><ul><li>Volumen de CO 2 resultante de la combustión completa VCO 2 </li></ul></ul><ul><li>Volumen de vapor de agua total </li></ul><ul><ul><li>Volumen de H 2 O resultante de la combustión completa </li></ul></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  70. 70. <ul><li>ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION </li></ul><ul><li>Análisis de los productos de combustión </li></ul><ul><li>Analizadores de oxígeno tipo óxido de Circonio </li></ul><ul><li>Nueva tecnología en medición de oxígeno para facilitar el control de la combustión </li></ul><ul><li>Creación de voltaje como resultado de dos concentraciones de oxigeno diferentes, uno considerado de referencia. </li></ul><ul><li>Relación entre el voltaje creado y las presiones parciales. </li></ul><ul><li>Alta sensibilidad a bajas concentraciones de oxigeno </li></ul><ul><li>Gran estabilidad y exactitud. </li></ul><ul><li>Respuesta rápida lo que facilita un sistema de control automático. </li></ul><ul><li>Aplicación diversa </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  71. 71. <ul><li>ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION </li></ul><ul><li>RELACION AIRE COMBUSTIBLE </li></ul><ul><li>Variable que define la eficiencia del proceso de combustión. </li></ul><ul><li> C 3 H 8 + 5O 2  3C0 2 + 4H 2 O + Energía Calórica </li></ul><ul><li>Molar 1 mol + 5 moles  3 moles + 4 moles </li></ul><ul><li>Peso 44 + 160  132 + 72 </li></ul><ul><li>Relación Aire / Combustible: AF= Peso de Aire / Peso de Combustible </li></ul><ul><li>Moles de aire: Moles de O 2 * 4.76 </li></ul><ul><li>AF= N moles aire * PM aire/ N moles Combustible * PM Combustible </li></ul><ul><ul><ul><li>PM aire= 29 </li></ul></ul></ul><ul><li>PM combustible = para una mezcla de gases </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION QUIMICA DE LA COMBUSTION
  72. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
  79. 79. <ul><li>FENÓMENOS TERMODINÁMICOS EN LA COMBUSTIÓN </li></ul><ul><li>Comportamiento Físico-Químico: </li></ul><ul><li>Relación aire-combustible </li></ul><ul><li>Contenido Calórico </li></ul><ul><li>Composición de los gases de combustión </li></ul><ul><li>Comportamiento Cinético: </li></ul><ul><li>Proceso de mezcla </li></ul><ul><li>Geometría de la llama </li></ul><ul><li>Propagación y estabilidad. </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION TERMODINAMICA DE LA COMBUSTION
  80. 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. 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. 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. 83. PRINCIPIOS DE COMBUSTION TERMODINAMICA DE LA COMBUSTION ENTALPIA ABSOLUTA Determinación de entalpía absoluta: Gases: Líquidos sólidos:
  84. 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. 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. 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. 87. PODER CALORIFICO PRINCIPIOS DE COMBUSTION TERMODINAMICA DE LA COMBUSTION
  88. 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. 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. 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. 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. 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. 93. PRINCIPIOS DE COMBUSTION CONDICIONES PARA LA COMBUSTION
  94. 94. <ul><li>CONDICIONES PARA LA COMBUSTION </li></ul><ul><li>Inestabilidad de llama </li></ul><ul><li>Llama : La manifestación visible y calórica de la reacción de combustión </li></ul><ul><li>Tipos de llama en función de la mezcla aire - combustible </li></ul><ul><ul><li>Sin mezcla previa: Baja temperatura, gran longitud, color amarillo (gas) </li></ul></ul><ul><ul><li>Con mezcla previa: Alta temperatura, longitud corta, color azul (gas) </li></ul></ul><ul><li>Velocidad de propagación de la llama propiedad característica de cada combustible bajo una condición ideal de la mezcla </li></ul><ul><li>Velocidad de salida del combustible : Condición de presión de suministro de la mezcla aire - combustible o combustible (caso llama sin mezcla previa) </li></ul><ul><li>Estabilidad de la llama : Equilibrio entre las velocidades de propagación y salida del combustible </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION CONDICIONES PARA LA COMBUSTION
  95. 95. <ul><li>Causas de Inestabilidad de la llama </li></ul><ul><li>Aumento de presión de suministro de combustible: Desprendimiento de llama . </li></ul><ul><li>Baja presión de suministro de combustible : Retrollama o retroceso </li></ul><ul><li>Factores que determinan estabilidad de llama </li></ul><ul><li>Forma y dimensiones de los orificios de los quemadores </li></ul><ul><li>Naturaleza del combustible </li></ul><ul><li>Relación de pre-mezcla aire-combustible </li></ul><ul><li>Temperatura de la mezcla aire-combustible: incremento de la temperatura disminuye la tendencia al desprendimiento y aumenta la posibilidad de la retrollama. </li></ul><ul><li>Deficiencia de aire primario a la salida del quemador y aire secundario alrededor de la boquilla ocasiona puntas amarillas en la llama </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION CONDICIONES PARA LA COMBUSTION
  96. 96. <ul><li>ETAPAS EN EL PROCESO DE COMBUSTION </li></ul><ul><li>Etapa de Pre-combustión </li></ul><ul><li>Etapa de combustión propiamente dicha </li></ul><ul><li>Etapa de Post-combustión </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION
  97. 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
  98. 98. <ul><li>ETAPA DE COMBUSTION PROPIAMENTE DICHA </li></ul><ul><li>Etapa donde se realizan el conjunto de reacciones químicas de oxidación que desprenden energía química en forma de calor asociado a la formación de llama </li></ul><ul><li>Existencia de combustible-comburente-energía de activación </li></ul><ul><li>El quemador es el equipo principal en esta etapa de combustión: </li></ul><ul><ul><li>Facilita la mezcla aire-combustible </li></ul></ul><ul><ul><li>Garantiza estabilidad del proceso </li></ul></ul><ul><ul><li>Facilita la atomización de combustibles líquidos </li></ul></ul><ul><ul><li>Facilita la continua ignición de la mezcla </li></ul></ul><ul><ul><li>Disminuye los efectos negativos de contaminación atmosférica </li></ul></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION
  99. 99. <ul><li>ETAPA DE POST-COMBUSTION </li></ul><ul><li>Manejo que se da a los gases de combustión para cumplir los objetivos de transferencia de calor. </li></ul><ul><li>La etapa de post-combustión incluye: </li></ul><ul><li>Cámara de combustión: Acomodar llama y mantener temperatura y tiempo de residencia </li></ul><ul><li>Sección de convección : Area de intercambio de calor entre los gases de combustión y el proceso . </li></ul><ul><li>Chimenea: Salida a la atmósfera de los gases de combustión </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION
  100. 100. <ul><li>ETAPA DE POST-COMBUSTION </li></ul><ul><li>La etapa de post-combustión incluye: </li></ul><ul><li>Equipo de manejo de aire: Suministro e aire para la mezcla con el combustible </li></ul><ul><li>Tiro forzado  Tiro inducido  Tiro balanceado  Tiro Natural </li></ul><ul><li>Sistema de control: Instrumentación requerida para regular y controlar el proceso de combustión. </li></ul><ul><li>Corrosión y limpieza interna </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION
  101. 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. 102. PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION
  103. 103. <ul><li>Generalidades </li></ul><ul><ul><li>Requerido para el uso de combustibles líquidos </li></ul></ul><ul><ul><li>A menor tamaño de partículas menor tiempo para que ocurra la reacción </li></ul></ul><ul><ul><li>La atomización busca romper la masa de liquido en pequeñas gotas para facilitar el modelo de la combustión </li></ul></ul>Mecanismos del Proceso de Combustión - ATOMIZACION PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION
  104. 104. Mecanismos del Proceso de Combustión - ATOMIZACION <ul><li>Propiedades del combustible que inciden en la atomización </li></ul><ul><li>Viscosidad del líquido </li></ul><ul><li>A menor viscosidad mejor atomización </li></ul><ul><li>Cada quemador esta diseñado para una viscosidad del combustible determinado </li></ul><ul><li>La temperatura como variable operacional para lograr la viscosidad del combustible </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION
  105. 105. Mecanismos del Proceso de Combustión – ATOMIZACION Factores dependientes del equipo <ul><li>Tipos de Atomización </li></ul><ul><li>Atomización mecánica </li></ul><ul><li>Atomización fluido motriz </li></ul><ul><li>Variables operacionales en la atomización </li></ul><ul><li>Presión del combustible a la entrada del quemador: alta para atomización mecánica </li></ul><ul><li>Tipo de fluido motriz : calidad y cantidad </li></ul><ul><li>Diámetro de la boquilla </li></ul><ul><li>Angulo de dispersión </li></ul><ul><li>Relación fluido motriz - combustible </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION
  106. 106. <ul><li>Generalidades </li></ul><ul><li>- Todo combustible reacciona en estado gaseoso. </li></ul><ul><li>- La mezcla aire-combustible se realiza en estado gaseoso </li></ul><ul><li>Factores que afectan la velocidad de evaporación. </li></ul><ul><li>- Tamaño de partícula. </li></ul><ul><li>- Conductividad térmica del combustible. </li></ul><ul><li>- Temperatura de ebullición. </li></ul><ul><li>- Poder calorífico . </li></ul><ul><li>- Turbulencia en la cámara de combustión </li></ul><ul><li>Alta temperatura de la cámara </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION Mecanismos del Proceso de Combustión - VAPORIZACION
  107. 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
  108. 108. <ul><li>ETAPA DE IGNICIÓN E INFLAMABILIDAD </li></ul><ul><li>Para llegar al punto de ignición e inflamabilidad los vapores del combustible se someten a un post-calentamiento y mezcla con aire . </li></ul><ul><li>Todo combustible es una mezcla de componentes de diferentes puntos de ignición , por lo que la combustión se presenta como un modelo de diferentes secuencias de acuerdo a la naturaleza de los vapores. </li></ul><ul><li>ZONA DE REACCIÓN Y LLAMA </li></ul><ul><li>Serie de reacciones en cadena para obtener CO 2 , H 2 O, CO, NO X , etc. Las características de la llama depende del tipo de combustible, de las especificaciones del equipo de combustión </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION
  109. 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
  110. 110. <ul><li>Cálculo Temperatura Adiabática de Llama </li></ul><ul><li>Cálculo del contenido entálpico de los reactivos como energía química de reacción </li></ul><ul><li>Composición de los gases de combustión sobre la base de un volumen de combustible </li></ul><ul><li>Asumir una temperatura adiabática y confrontar calor liberado por la reacción y el contenido entálpico de los gases de combustión </li></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION CALCULO TEORICO DEL PROCESO DE COMBUSTION
  111. 111. <ul><li>Todo el calor entregado por la reacción de combustión no es aprovechado por el proceso lo que significa que parte de este calor se pierde al medio externo , de igual manera no siempre ocurre combustión completa </li></ul><ul><li>Eficiencia del proceso: Relaciona el calor absorbido por el proceso con el calor total entregado por el combustible </li></ul><ul><li>Factores que afectan la eficiencia </li></ul><ul><ul><li>Mezcla aire-combustible defectuosa </li></ul></ul><ul><ul><li>Tiempo insuficiente para que ocurra la reacción </li></ul></ul><ul><ul><li>Suministro inadecuado de reactivos </li></ul></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION EFICIENCIA DEL PROCESO DE COMBUSTION
  112. 112. Diagrama de Sankey PRINCIPIOS DE COMBUSTION EFICIENCIA DEL PROCESO DE COMBUSTION
  113. 113. <ul><li>Control de la reacción de combustión </li></ul><ul><li>El control de la reacción de combustión se constituye en uno de los principales parámetros a tener en cuenta en la búsqueda de la eficiencia de los equipos de combustión minimizando el consumo de combustible </li></ul><ul><ul><li>Medición directa de la regulación aire-combustible </li></ul></ul><ul><ul><li>Medición de la concentración de dióxido de carbón </li></ul></ul><ul><ul><li>Concentración de oxígeno en los gases de chimenea </li></ul></ul><ul><ul><li>Contenido de monóxido de carbón en los gases de combustión </li></ul></ul>PRINCIPIOS DE COMBUSTION CONTROL DE LA REACCION DE COMBUSTION
  114. 114. EQUIPOS DE COMBUSTION
  115. 115. <ul><li>CALDERAS </li></ul><ul><li>DEFINICION : Una caldera es un recipiente cerrado en el cual se calienta agua, se genera vapor, se sobrecalienta bajo presión o vacío mediante la aplicación de calor de combustibles </li></ul><ul><li>OBJETIVO : Generación de vapor o producción de agua caliente </li></ul><ul><li>USOS : Residencial - Comercial - Industrial – Generación Electrica </li></ul><ul><li>CONSIDERACIONES DE DISEÑO : Tipo de combustible – Capacidad de Generación mínima, normal y máxima </li></ul>EQUIPOS DE COMBUSTION EQUIPOS INDUSTRIALES
  116. 116. EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS Circulación Natural: Flujo de Agua y vapor por diferencia de densidad por efecto de la temperatura
  117. 117. EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS Circulación Forzada: Uso de bomba de agua para garantizar flujo en la caldera
  118. 118. <ul><li>Para entender la operación de una caldera es necesario observar lo que sucede con las corrientes que intervienen en el proceso </li></ul><ul><li>Ciclo de calor : combustible y gases de combustión </li></ul><ul><li>Ciclo de agua : Circulación y alimentación al sistema </li></ul><ul><li>Ciclo de vapor : Generación y sobrecalentamiento </li></ul><ul><li>Ciclo de condensado : Agua formada del vapor producido después de realizar su trabajo </li></ul>Componentes de las Calderas EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS
  119. 119. <ul><li>Hogar: Liberación de calor por reacción de combustión. Su diseño se basa en tiempo – turbulencia - temperatura </li></ul><ul><li>Sección de la Caldera o Convención: Área de intercambio de calor con los gases de combustión calientes </li></ul><ul><li>Sobrecalentador: Area de intercambio de calor con los gases de combustión para incrementar la temperatura del vapor. </li></ul><ul><ul><li>Radiante </li></ul></ul><ul><ul><li>Convección </li></ul></ul><ul><li>Calentadores de Aire: Incremento de eficiencia térmica </li></ul><ul><li>Chimenea: Punto de salida de los gases de combustión. </li></ul><ul><ul><li>Tiro Natural - Tiro Inducido </li></ul></ul><ul><ul><li>Tiro Balanceado - Tiro Forzado </li></ul></ul>Componentes de las Calderas EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS
  120. 120. <ul><li>Chimenea: Punto de salida de los gases de combustión </li></ul><ul><li>Tiro Teórico : Fuerza debida al diferencial de densidad entre aire atmosférico y los gases de combustión </li></ul><ul><li>Tiro Real: Diferencia de tiro teórico con las perdidas causados por fricción y velocidad de los gases </li></ul>Componentes de las Calderas EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS Pérdidas por velocidad =
  121. 121. Caldera Pirotubular – Tipo Horizontal EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS
  122. 122. <ul><li>Productos de combustión fluyen por el interior de los tubos. </li></ul><ul><li>Su costo es bajo comparado con una caldera acuatubular </li></ul><ul><li>La capacidad de las calderas pirotubulares es limitada. Máximo 30.000 libras por hora de vapor </li></ul><ul><li>La fluctuación de demanda de vapor ocasiona pequeños cambios operacionales por su capacidad de almacenamiento de agua. </li></ul><ul><li>Requieren mayor tiempo para su estabilización. </li></ul><ul><li>Capacidad de sobrecarga es limitada. </li></ul><ul><li>Requiere limpieza interna de los tubos, su frecuencia depende del tipo de combustible utilizado y la limpieza con que se realiza la combustión. </li></ul>Calderas Pirotubulares EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS
  123. 123. Caldera Pirotubular – Partes de la Caldera Horizontal EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS
  124. 124. Caldera Pirotubular – Caldera Horizontal a carbón EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS
  125. 125. Caldera Pirotubular – Tipo Económico tres pasos EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS
  126. 126. Caldera Pirotubular – Hogar interior de 4 pasos EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS
  127. 127. Caldera Pirotubular – Tipo Vertical EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS
  128. 128. <ul><li>Ventajas: </li></ul><ul><li>Compactas y manejables </li></ul><ul><li>Bajo costo inicial </li></ul><ul><li>Poca superficie por HP </li></ul><ul><li>Instalación rápida y sencilla </li></ul><ul><li>No requieren bases especiales </li></ul><ul><li>Desventajas: </li></ul><ul><li>Dificultad para limpieza interna </li></ul><ul><li>Baja capacidad de agua, afecta la operación a cambios de producción de vapor </li></ul><ul><li>Propensa a arrastres de humedad en el vapor </li></ul><ul><li>Baja eficiencia </li></ul>Calderas Pirotubulares Verticales EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS
  129. 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
  130. 130. <ul><li>Tipo Circulación Natural </li></ul><ul><li>Circulación de agua debida a la diferencia de densidad entre la columna descendente de agua y la ascendente de vapor y agua </li></ul><ul><li>Calderas de tubos rectos: Bajas presiones </li></ul><ul><li>Calderas de tubos curvos: Facilita dilatación, flexibilidad en la disposición </li></ul><ul><li>La mayoria de las calderas acuatubulares poseen diseños tipo A,D,O </li></ul>Calderas Acuatubulares EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS
  131. 131. Caldera Acuatubular de tubos rectos EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS
  132. 132. Caldera Acuatubular de tubos curvos EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS
  133. 133. Caldera Acuatubular compacte tipo D EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS
  134. 134. Caldera Acuatubular – Tipo A EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS
  135. 135. Caldera Acuatubular – Tipo D EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS
  136. 136. Caldera Acuatubular – Tipo O EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS
  137. 137. <ul><li>Calderas Acuatubulares de Circulación Forzada </li></ul><ul><li>Requeridas en producción de vapor a alta presión </li></ul><ul><li>Uso de bombas para facilitar circulación de agua </li></ul><ul><li>Operación a una condición de mínimo flujo de producción de vapor </li></ul><ul><li>Mínimo espacio para su instalación </li></ul><ul><li>La circulación forzada asegura una refrigeración a todos los tubos </li></ul><ul><li>Eliminan el uso de tambores acumuladores de agua </li></ul><ul><li>Utilizan tubos de menor diámetro respecto a los de flujo natural </li></ul><ul><li>Mínima área requerida para su instalación. </li></ul>Calderas Acuatubulares EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS
  138. 138. Caldera para Quemar Gas, fuel y Carbón Pulverizado EQUIPOS DE COMBUSTION CALDERAS
  139. 139. <ul><li>OBJETIVO : Aumentar temperatura a una corriente de proceso </li></ul><ul><li>USOS : Procesos de refinación – Secado – Petroquimica - Quimica </li></ul><ul><li>TIPO DE TRANSFERENCIA DE CALOR : Conducción – Radiacion y Conveccion. </li></ul><ul><li>CONSIDERACIONES DE DISEÑO : Capacidad Térmica </li></ul><ul><li>TIPOS DE HORNOS: </li></ul><ul><ul><li>Horizontales: Tipo Cabina, Tipo Cajón </li></ul></ul><ul><ul><li>Verticales: Cilíndricos </li></ul></ul>EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE PROCESO
  140. 140. EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE PROCESO
  141. 141. EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE PROCESO
  142. 142. EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE PROCESO
  143. 143. <ul><li>Características: </li></ul><ul><li>Operación por batch o continuos </li></ul><ul><li>La calidad del combustible influye en el producto a tratar </li></ul><ul><li>Operan a altos excesos de aire </li></ul><ul><li>Construcción metálica o mampostería </li></ul><ul><li>Hogar en ladrillo refractario </li></ul><ul><li>Usos: </li></ul><ul><li>Industria de la Cerámica </li></ul><ul><li>Secadores de Laminas </li></ul><ul><li>Secadores de Madera </li></ul>EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE FUEGO DIRECTO
  144. 144. Hornilla industria Cerámica y Ladrillera EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE FUEGO DIRECTO
  145. 145. <ul><li>Clasificación: </li></ul><ul><li>Secadoras: Flujo Continuo </li></ul><ul><li>Secadoras por batch </li></ul><ul><li>Silas secadoras </li></ul><ul><li>Secadoras de Flujo Continuo: </li></ul><ul><li>El producto a secar se alimenta en forma continua o intermitente pero con inventario permanente del producto en su interior </li></ul><ul><li>Operación de secado y enfriamiento se efectúan en forma simultanea y continua </li></ul><ul><li>Pueden operar a flujo vertical, mixto y cruzado </li></ul><ul><li>Secadoras de flujo en Contracorriente y Co-Corriente </li></ul>EQUIPOS DE COMBUSTION SECADORAS DE ALIMENTOS
  146. 146. Secadora de Flujo Continuo EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE FUEGO DIRECTO
  147. 147. Secadora de Parrillas EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE FUEGO DIRECTO
  148. 148. Secadora en Tres Etapas EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE FUEGO DIRECTO
  149. 149. Secadora por batch en dos ciclos EQUIPOS DE COMBUSTION HORNOS DE FUEGO DIRECTO
  150. 150. Equipos para uso con gas natural – Sector Residencial y Comercial USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL <ul><li>Clasificación de los Gasodomésticos </li></ul><ul><li>Naturaleza de los gases utilizados </li></ul><ul><li>Instalación y método de evacuación de los gases de combustión </li></ul><ul><li>Debido al uso de gasodomésticos </li></ul><ul><li>Naturaleza de los gases utilizados </li></ul><ul><li>Categoría I: Artefactos diseñados para utilizar gases de una sola familia </li></ul><ul><li>Categoría II: Artefactos diseñados para utilizar gases de dos familias: Gas y GLP </li></ul>
  151. 151. Equipos para uso con gas natural – Sector Residencial y Comercial USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL <ul><li>Clasificación de los Gasodomésticos - </li></ul><ul><li>Instalación y Evacuación de los Humos </li></ul><ul><li>Tipo A: No requieren ductos de evacuación: Cocinas, hornos y secadoras </li></ul><ul><li>Tipo B: Aparatos que requieren evacuación de humos al exterior. El aire de combustión se toma del recinto donde se encuentran instalados. Tipos B1 (tiro natural) B2 (forzado) </li></ul><ul><li>Tipo C: Evacuación de humos al exterior. En aire de combustión se toma del exterior del recinto donde se encuentra. </li></ul>
  152. 152. Equipos para uso con gas natural – Sector Residencial y Comercial USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL <ul><li>Clasificación de los Gasodomésticos - </li></ul><ul><li>Debido al uso del Gasodomésticos </li></ul><ul><li>Aparatos populares: Equipos pequeños y transportables </li></ul><ul><li>Aparatos de uso doméstico: Equipos a usar en el interior de las viviendas </li></ul><ul><li>Aparatos de uso comercial o colectivo: Aparatos ubicados en locales donde concurren personas diferentes al manejo del equipo </li></ul><ul><li>Aparatos de uso industrial: Aparatos que consumen altos volúmenes de gas. </li></ul>
  153. 153. Gasodomésticos USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL Aparatos Domésticos de Cocción Cocina o Estufa Horno
  154. 154. Gasodomésticos USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL Calentador Acumulador
  155. 155. Gasodomésticos USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL Calentador de Paso o Instantáneo
  156. 156. Gasodomésticos USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL Calentadores de Ambiente
  157. 157. Quemador atmosférico con llama de premezcla USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL <ul><li>Su mayor uso en los Gasodomésticos </li></ul><ul><li>Quemador Gas Inductor – Aire Inductor </li></ul><ul><li>Componentes del Sistema </li></ul><ul><li>Inyector: Punto de descarga del gas combustibles </li></ul><ul><li>Mezclador: Venturi de mezcla aire-gas </li></ul><ul><li>Cabeza o Boquilla: Punto donde se efectúa la combustión </li></ul><ul><li>Características del Quemador </li></ul><ul><li>Potencia Térmica </li></ul><ul><li>Rata de aireación primaria </li></ul><ul><li>Funcionamiento Optimo </li></ul><ul><li>Formación de CO en la combustión </li></ul>
  158. 158. Instalación de Gasodomésticos USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL <ul><li>El manejo incorrecto del gas y el uso inapropiado de los gasodomésticos ocasionan riesgos por lo que se requiere verificar su instalación y selección. </li></ul><ul><li>La instalación debe obedecer a las instrucciones de los fabricantes en lo referente a: </li></ul><ul><li>Fijación </li></ul><ul><li>Distancia mínima entre equipos deber ser 0.4 metros </li></ul><ul><li>Correcta ventilación en el área de instalación </li></ul><ul><li>Conexiones de los aparatos: Tubería rígida – Tuberia flexible </li></ul><ul><ul><li>Tubería Rígida: Equipos empotrados o fijos </li></ul></ul><ul><ul><li>Tubería Flexible: Equipos móviles </li></ul></ul>
  159. 159. Ventilación de Recintos Interiores USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL <ul><li>Localización del gasodomestico (Calentador de agua): Circulación libre y espontánea del aire de combustión, renovación y dilución. </li></ul><ul><li>Requerimientos adicionales de aire: Inyección de aire adicional cuando exista en el recinto limitación de aire </li></ul><ul><li>Método de ventilación en espacios confinados (NFPA-54) </li></ul>
  160. 160. Comprobación del Funcionamiento de los Gasodomésticos USO RESIDENCIAL Y COMERCIAL DEL GAS NATURAL <ul><li>Funcionamiento del Inyector </li></ul><ul><ul><li>Comprobar la correcta selección del inyector respecto al gas a utilizar </li></ul></ul><ul><ul><li>Comprobar el diámetro nominal </li></ul></ul><ul><ul><li>Fijación y soportes del tubo de conexión </li></ul></ul><ul><li>Aspecto de las llamas </li></ul><ul><li>Operación de válvula de entrada (Máximo y mínimo flujo): No extinción de la llama. </li></ul><ul><li>Dispositivos de seguridad </li></ul><ul><li>Correcto funcionamiento: Realizar pruebas mediante accionamiento manual </li></ul>
  161. 161. PARAMETROS PARA EL DE UN SISTEMA DE COMBUSTION DISEÑO
  162. 162. <ul><li>Potencia térmica requerida </li></ul><ul><li>Capacidad de relevo de calor </li></ul><ul><li>Eficiencia del equipo </li></ul><ul><li>Objetivo de proceso </li></ul><ul><li>Quemadores </li></ul><ul><li>Criterios de selección </li></ul><ul><li>Tipos de quemadores </li></ul><ul><li>Aspectos ambientales </li></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION <ul><li>Cámara de combustión </li></ul><ul><li>Tipo de combustible </li></ul><ul><li>Tiempo de residencia </li></ul><ul><li>Selección de materiales </li></ul><ul><li>Operación de Quemadores </li></ul><ul><li>Optimo mezclado </li></ul><ul><li>Exceso de aire </li></ul>
  163. 163. <ul><li>Flujo volumétrico o másico de combustible requerido </li></ul><ul><li>Ep = Energía requerida para el proceso </li></ul><ul><li>LHV = Poder calorífico inferior </li></ul><ul><li>= Eficiencia del equipo sobre la base LHV </li></ul><ul><li>Q = Flujo de combustible </li></ul>Potencia Térmica Requerida Dimensionamiento del sistema de suministros de combustibles PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  164. 164. <ul><li>Transforma energía química en calor útil </li></ul><ul><ul><li>Amplio rango de operación </li></ul></ul><ul><ul><li>Uniformidad en el suministro de calor </li></ul></ul><ul><ul><li>Reacción total del combustible </li></ul></ul><ul><ul><li>Impedir efectos contrarios al proceso </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Retorno de llama y Desprendimiento de llama </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Facilitar la rápida ignición del combustible </li></ul></ul><ul><ul><li>Operar a niveles de ruido aceptables </li></ul></ul>Quemadores Quemador: Representa el equipo básico del proceso de combustión y su diseño se basa en la aplicación y el tipo de combustible a utilizar PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  165. 165. <ul><li>Por presión de suministro </li></ul><ul><li>Quemadores de baja presión </li></ul><ul><li>Presión de suministro menor a 1.45 psig: Calentadores y cocinas </li></ul><ul><li>Quemadores de media presión </li></ul><ul><li>Presión de suministro mayor a 1.45 psig y menor a presión crítica (<14 psig) </li></ul><ul><li>Quemadores de alta presión </li></ul><ul><li>Presión de suministro superior a la crítica </li></ul>Quemadores a Gas Clasificación de los quemadores a gas PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  166. 166. <ul><li>Presión a la cual un flujo de gas en expansión alcanza la velocidad del sonido </li></ul><ul><li>Cada combustible posee su propia presión crítica </li></ul>Condición de presión crítica en el suministro de Gas PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION 0,741 Gas natural 0,752 Butano comercial 0,856 Propano comercial 0,876 Gas manufacturado Presión crítica relativa (bar) Gases
  167. 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
  168. 168. <ul><li>Según el suministro de aire </li></ul><ul><ul><li>Quemadores de aire forzado: Aire suministrado por un ventilador </li></ul></ul><ul><ul><li>Quemadores de aire de tiro natural </li></ul></ul><ul><ul><li>Quemadores de aire inducido: Aire arrastrado por el gas </li></ul></ul><ul><ul><li>Quemadores de aire inductor: Gas arrastrado por el aire </li></ul></ul><ul><li>Por presión de operación respecto a la atmosférica </li></ul><ul><ul><li>Quemadores atmosféricos </li></ul></ul><ul><ul><li>Zona de reacción a presión atmosférica; gasodomésticos </li></ul></ul><ul><ul><li>Quemadores no atmosféricos </li></ul></ul><ul><ul><li>Los quemadores operan en sitios cerrados donde la presión esta por encima o por debajo de la presión atmosférica </li></ul></ul>Quemadores – Clasificacion de los quemadores a gas La selección de un quemador en la práctica responde a una combinación de los diferentes tipos de quemador: Quemador no atmosférico, de alta presión, llama de premezcla y aire forzado PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  169. 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. 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. 171. Quemadores Industriales a Gas Quemador de tiro natural JZ para hornos de proceso PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  172. 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. 173. Quemadores Industriales a Gas Quemador de tiro forzado para hornos y secadores PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  174. 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. 175. PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  176. 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. 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.
  178. 178. <ul><li>Criterios generales relativos al quemador </li></ul><ul><ul><li>Temperatura a alcanzar: aireación, recirculación, precalentamiento, exceso de oxígeno </li></ul></ul><ul><ul><li>Naturaleza de los productos de combustión: norma ambiental (CO2, NOx) </li></ul></ul><ul><ul><li>Rango de operación : Mínima y máxima carga térmica a manejar </li></ul></ul><ul><ul><li>Rango de regulación : Operación correcta a diferentes ratas de aireación. </li></ul></ul><ul><ul><li>Ruido </li></ul></ul><ul><li>Criterios específicos relativos a la aplicación </li></ul><ul><ul><li>Características térmicas del proceso: Conductividad, coeficiente de absorción por radiación </li></ul></ul><ul><ul><li>Características térmicas del equipo: Aislamiento térmico, paredes térmicas y precalentamiento </li></ul></ul>Quemadores Industriales a Gas – Criterios de Selección PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  179. 179. <ul><li>Los combustibles líquidos se vaporizan o atomizan en la boquilla del quemador </li></ul><ul><li>La llama azul en la quema de un combustible líquido significa buena atomización y buena mezcla con aire </li></ul><ul><li>La llama amarilla indica presencia de partículas de carbón debido a la pirólisis del combustible por deficiente atomización o mezcla con aire. </li></ul><ul><li>Una cámara amplia facilita la quema posterior de los residuos menos volátiles. </li></ul>Quemadores para combustibles Líquidos PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  180. 180. Quemadores para Combustibles líquidos <ul><li>Criterios de Diseño </li></ul><ul><ul><li>Tiempo de residencia </li></ul></ul><ul><ul><li>Turbulencia </li></ul></ul><ul><ul><li>Temperatura </li></ul></ul><ul><li>Clasificación de quemadores de combustibles líquidos </li></ul><ul><ul><li>Quemadores de vaporización: El combustible líquido pasa a estado gaseoso antes de suministrarse a la boquilla del quemador por transferencia de calor: sopletes, lámparas, cocinas de queroseno o por cambio de presión en el combustible </li></ul></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Combustible Aire
  181. 181. <ul><li>Quemadores de atomización </li></ul><ul><li>De uso masivo </li></ul><ul><li>Baja viscosidad: 10 centistokes </li></ul><ul><li>El aire se mezcla con el combustible atomizado </li></ul><ul><li>Las velocidades del combustible deben evitar la acumulación interna de carbón endurecido. </li></ul><ul><li>Los índices de liberación de calor dependen de las propiedades del combustible, la concentración del aire en exceso, la mezcla aire – combustible y los niveles tolerables de humo. </li></ul><ul><li>Tipos de Atomización </li></ul><ul><li>Rotación </li></ul><ul><li>Mecánica por presión de aceite </li></ul><ul><li>Por Fluido matriz: Aire – Vapor – Gas Combustible </li></ul><ul><li>Atomización mixta </li></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Quemadores para Combustibles líquidos
  182. 182. Quemadores para Combustibles líquidos – Clasificación <ul><li>Quemadores de atomización </li></ul><ul><ul><li>Atomización por fluido motriz a baja presión </li></ul></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Aire secundario Combustible Aire primario Paletas primarias de remolino
  183. 183. Quemadores para Combustibles líquidos – Clasificación <ul><li>Quemadores de atomización </li></ul><ul><ul><li>Atomización por fluido motriz a alta presión </li></ul></ul><ul><ul><li>Consumo de vapor: 0,1 – 0,5 Kgr/ Kgr combustible </li></ul></ul><ul><ul><li>Consumo de aire: 0,2 – 0,8 Kgr / Kgr combustible </li></ul></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Vapor ó aire Combustible
  184. 184. Quemadores para Combustibles líquidos – Clasificación <ul><li>Quemadores de atomización </li></ul><ul><ul><li>Atomización mecánica </li></ul></ul><ul><ul><li>Suministro de combustible a alta presión de acuerdo a su viscosidad ( 8 – 20 cs ). Bajos excesos de aire </li></ul></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Retorno de aceite 30 º -90 º
  185. 185. Quemadores para Combustibles líquidos – Clasificación <ul><li>Quemadores de atomización </li></ul><ul><ul><li>Atomización rotatoria o centrifuga </li></ul></ul><ul><ul><li>Inyección de combustible a baja presión con una rotación alta (2500 – 7000 rpm) </li></ul></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Aceite Motor Bisagra de montaje Aire Bomba de aceite
  186. 186. Quemadores para Combustibles líquidos <ul><li>Quemadores de atomización mixta </li></ul><ul><ul><li>Combinación de atomización mecánica y con fluido motriz </li></ul></ul><ul><ul><li>Bajo consumo de fluido motriz: 0.05 Kgr / Kgr de combustible </li></ul></ul><ul><ul><li>Alta presión de suministro de combustible </li></ul></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Aire Fuelle Registros ajustables Deflectores de aire Aceite
  187. 187. PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Quemadores para Combustibles líquidos <ul><li>Utilizando grandes velocidades de aire e imprimiéndole circulaciones giratorias. </li></ul><ul><li>Provocando fuertes recirculaciones , forzadas o inducidas, de los gases quemados , con lo que se consigue aportar calor suplementario a la base de las llamas. </li></ul><ul><li>Utilizando aire precalentado. </li></ul><ul><li>Forzando turbulencias en la mezcla. </li></ul>En los quemadores de combustible líquido tiene importancia el control del desprendimiento de llama , lo que se logra principalmente
  188. 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. 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
  190. 190. <ul><li>Rango entre máxima y mínima mezcla de combustible-aire para una correcta operación del quemador </li></ul><ul><li>El punto máximo de operación de un quemador se limita cuando la velocidad de la mezcla excede la velocidad de llama (la llama se apaga) y por el tamaño físico del quemador (velocidad del combustible) </li></ul><ul><li>El punto mínimo de operación lo determina el efecto de retrollama y mínima velocidad de combustible </li></ul><ul><li>Alta relación de reducción se aplica en procesos batch </li></ul>Características de diseño de los quemadores Relación de reducción PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  191. 191. <ul><li>Relación de Reducción </li></ul><ul><li>Relación entre la máxima y la mínima mezcla de combustible y aire bajo la cual el quemador opera satisfactoriamente. </li></ul><ul><li>Estabilidad </li></ul><ul><ul><li>Velocidad de suministro en equilibrio con la velocidad de </li></ul></ul><ul><ul><li>propagación de llama (ignición) .Mantener la ignición respecto a la presión del combustible. </li></ul></ul>Características de diseño de los quemadores PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  192. 192. <ul><li>Diseño de la llama </li></ul><ul><ul><li>Manifestación visible y calórico de la reacción de combustión </li></ul></ul><ul><ul><li>Variación de presión de suministro y relación aire – combustible afectan la forma de la llama </li></ul></ul><ul><ul><li>Requerimientos exigidos por el proceso determinan la forma de llama </li></ul></ul><ul><li>Atomización </li></ul><ul><ul><li>La viscosidad del combustible se fija como variable de diseño de un quemador </li></ul></ul><ul><ul><li>Máxima temperatura del combustible determina selección de materiales </li></ul></ul>Características de diseño de los quemadores PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  193. 193. <ul><li>SISTEMA DE IGNICION - MANUAL </li></ul><ul><li>Uso de sistemas convencionales para proporcionar la chispa que permite la ignición del combustible </li></ul><ul><li>Iniciadores de llama viva </li></ul><ul><li>Iniciadores tipo chispa o bobina </li></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Operación de Quemadores Normas de seguridad: Se deben tener en cuenta en la ignición Manual.
  194. 194. <ul><li>SISTEMA DE IGNICION - AUTOMATICA </li></ul><ul><li>Control de envío de señal de entrada de combustible al piloto y encendido con un arco o una chispa dentro de un programa de operación automático del quemador. </li></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Operación de Quemadores
  195. 195. <ul><li>OPERACIÓN DEL SISTEMA </li></ul><ul><li>La operación de un quemador o conjunto de quemadores que se incluyen dentro de un equipo de combustión se puede realizar en forma manual o automática. </li></ul><ul><li>La operación del quemador es la parte fundamental del equipo de combustión; incide en la eficiencia del equipo </li></ul><ul><li>Variables operacionales: Color y longitud de llama, temperatura de chimenea, humos </li></ul><ul><li>Ajuste de variables: Relación aire – combustible, presión del combustible, compuerta de chimenea y rejillas de aire de combustion. </li></ul><ul><li>Todos los quemadores de un mismo equipo deben operar en similares condiciones. </li></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION Operación de Quemadores
  196. 196. OPERACIÓN DEL SISTEMA Control Electromecánico del quemador en calderas Pirotubulares PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  197. 197. <ul><li>OPERACIÓN DEL SISTEMA </li></ul><ul><li>Ajuste de las proporciones </li></ul><ul><li>aire – combustible </li></ul><ul><li>Control Electromecánico </li></ul><ul><li>Control Automático </li></ul>PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  198. 198. <ul><li>Espacio geométrico donde se acomoda la llama y se realiza la reacción de combustión </li></ul><ul><li>Variables que determinan el diseño de la cámara de combustión </li></ul><ul><ul><li>Tiempo de residencia para la ocurrencia de la reacción: depende del tipo de combustible gas, liquido o sólido </li></ul></ul><ul><ul><li>Diseño del quemador </li></ul></ul><ul><ul><li>Presión y velocidad de los combustibles </li></ul></ul><ul><ul><li>Aplicación de proceso (longitud de llama) </li></ul></ul><ul><ul><li>Humedad de los combustibles </li></ul></ul>Cámara de Combustión IV : Factor empírico de la cámara V : Volumen de la cámara (m 3 ,ft 3 ) W : Flujo masico del combustible (Kg/hr, lb/ft 3 ) LHV : Poder calorífico internos del combustible (BTU/ft 3 ) V = W * LHV / IV PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION
  199. 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. 200. ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE GAS NATURAL
  201. 201. <ul><li>Causas de sustitución </li></ul><ul><li>Disponibilidad </li></ul><ul><li>Costo </li></ul><ul><li>Normas Ambientales </li></ul><ul><li>Seguridad </li></ul><ul><li>Requerimientos del proceso </li></ul><ul><li>Aspectos a tener en cuenta en la sustitución de combustibles </li></ul><ul><li>Rata de suministro de combustible </li></ul><ul><li>Capacidad de manejo del combustible y los gases de combustión </li></ul><ul><li>Estabilidad de los quemadores </li></ul><ul><li>Modelo de transferencia de calor </li></ul><ul><li>Atmósfera interna del equipo de combustión </li></ul>Sustitución de Combustibles ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  202. 202. <ul><li>Intercambiabiliad gas – gas </li></ul><ul><li>Diferente composición implica diferente comportamiento como combustible </li></ul><ul><li>Gases diferentes pueden ser utilizados con idénticos resultados en el proceso. </li></ul><ul><li>Dos gases son perfectamente intercambiables si al reemplazar el uno por el otro las características de operación del quemador no se modifican </li></ul><ul><li>El índice de Wobbe se utiliza para determinar la intercambiabilidad de los gases </li></ul>Sustitución de Combustibles ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  203. 203. <ul><li>Efectos no deseables en la operación de un quemador </li></ul><ul><li>Disminución en su potencia térmica </li></ul><ul><li>Retrollama y desprendimiento de llama </li></ul><ul><li>Emisiones de CO y NOx por encima de los límites permitidos </li></ul><ul><li>Hollín y puntos amarillos en la llama </li></ul><ul><li>Exceso de nivel de ruido </li></ul><ul><li>Caso de intercambiabilidad de gases: Gas Natural y Aire Propanado (Mezcla 65% aire y 35% propano) </li></ul>Sustitución de Combustibles ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  204. 204. <ul><li>Sustitución Gas - Gas </li></ul><ul><li>Reemplazo de un gas por otro con modificación en el equipo de combustión para obtener el mismo resultado en el proceso </li></ul><ul><li>El principal caso de sustitución gas-gas es el uso de gas natural en reemplazo de GLP </li></ul><ul><li>En ciertos equipos solo se requiere cambios en las condiciones operacionales para usar GLP por gas natural o viceversa </li></ul><ul><li>En otros equipos se debe cambiar el diámetro de los orificios de la boquilla de entrada del combustible </li></ul><ul><li>Para los gasodomésticos se debe revisar el inyector. </li></ul>Sustitución de Combustibles ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  205. 205. <ul><li>Sustitución entre combustibles líquidos </li></ul><ul><li>Diferentes propiedades físicas y químicas entre los combustibles líquidos determinan un comportamiento diferente en el proceso de combustión </li></ul><ul><li>La variable viscosidad determina la condición de sustitución entre combustibles líquidos. </li></ul><ul><li>La presencia de contaminantes afecta la vida útil de los equipos de combustión. </li></ul><ul><li>Cambio de metalurgía en el quemador por manejo de combustibles a alta temperatura. </li></ul>Sustitución de Combustibles ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  206. 206. <ul><li>Sustitución gas-liquido </li></ul><ul><li>Un quemador se diseña para uso de combustibles en un estado determinado </li></ul><ul><li>Suministro dual (gas – liquido) es posible, facilitando alimentacion diferente </li></ul><ul><li>Cada suministro de combustible puede diseñarse para operar al 100% de la carga térmica del quemador </li></ul><ul><li>El relevo de calor es diferente entre combustibles líquidos y gaseosos (temperatura adiabática de llama) </li></ul><ul><li>El tiempo de residencia requerido para el proceso es mayor para liquido que para gases </li></ul><ul><li>La incidencia del combustible en el proceso de producción </li></ul>Sustitución de Combustibles ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  207. 207. Procedimiento para adaptar equipos al uso de Gas Natural ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  208. 208. <ul><li>Dimensionamiento del sistema de alimentación a Gas </li></ul><ul><li>Dimensionamiento línea de entrada de la red principal </li></ul><ul><li>Diseño y selección de equipos para estación de regulación y medición. </li></ul><ul><li>Dimensionamiento de la red de suministro interno </li></ul><ul><li>Suministro gas y aire al equipo de combustión </li></ul><ul><li>Revisión del quemador y del equipo de combustión. </li></ul>Procedimiento para adaptar equipos al uso de Gas Natural ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  209. 209. <ul><li>Dimensionamiento del sistema de alimentación de gas </li></ul><ul><li>Línea de entrega de la red principal </li></ul><ul><li>Determinar las condiciones de entrega y disponibilidad de gas </li></ul><ul><li>Levantamiento de ruteo de punto de conexión a estación de medición y regulación. </li></ul><ul><li>Cálculo del flujo de gas requerido por el equipo de combustión </li></ul><ul><li>Determinación de las condiciones de presión del gas en punto de conexión. </li></ul><ul><li>Utilizando las ecuaciones de flujo determinar el diámetro de la tubería a utilizar. </li></ul>Procedimiento para adoptar Equipos al Uso de Gas Natural ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  210. 210. <ul><li>UNA PLANTA DE ALIMENTOS DESEA CAMBIAR EL DIESEL POR GAS NATURAL EN </li></ul><ul><li>TRES EQUIPOS A SABER: CALDERA PIROTUBULAR, CONSUMO DE DISEÑO 160 GPH </li></ul><ul><li>UN HORNO DE SECADO DE 100 GPH Y UN HORNO DE ACEITE TERMICO DE 60 GPH. </li></ul><ul><li>LA DISTANCIA DEL PUNTO DE SUMINISTRO DE GAS ES DE 2 KM Y SE DISPONE </li></ul><ul><li>UNA PRESIÓN DE 250 PSIG. CALCULAR EL DIAMETRO DE LA TUBERIA A UTILIZAR </li></ul>Procedimiento para adoptar Equipos al Uso de Gas Natural ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N. 43.2 MPCH 21.6 MPCH 8.1 MPCH 400 ft 50 ft 300 ft HORNO ESTACION R&M HORNO CALDERA
  211. 211. Procedimiento para adoptar Equipos al Uso de Gas Natural <ul><li>DESARROLLO: </li></ul><ul><li>Determinar el volumen de gas a manejar: </li></ul><ul><li>1Galón de diesel = 135.000 BTU = 13 PC Gas </li></ul><ul><li>Consumo total diesel = 160+100+60 = 320 GPH = 43,200 PCH Gas = 1,036.8 Kpcd = Q </li></ul><ul><li>ECUACION DE WEYMOUTH </li></ul>ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  212. 212. <ul><li>Longitud de tubería L = 2000 m *3.28 = 6,560 pies. </li></ul><ul><li>Las condiciones base estipuladas por norma son: P b =14.65 psia y T b =60 O F </li></ul><ul><li>Presión atmosférica: 14.0 psia </li></ul><ul><li>Las propiedades del gas suministradas por el comercializador, según cromatografía </li></ul><ul><li>suministrada son: Gravedad Especifica G = 0.60 ; Factor Z = 0.9800 </li></ul><ul><li>La temperatura de suministro del gas es de 90 o F </li></ul><ul><li>Procedimiento I : Suponer una presión de recibo en la estación de entrega. </li></ul><ul><li>Procedimiento II : Suponer una velocidad de flujo dentro de los límites de diseño. (10 – 30 ft/sec) </li></ul><ul><li>Caso I </li></ul><ul><li>Presión de recibo en estación de entrega en planta: 200 psig </li></ul><ul><li>P 1 = 250 psig + 14.7 psia = 264.7 psia P 1 2 = 70,066.09 </li></ul><ul><li>P 2 = 200 psig + 14.7 psia = 214.7 psia P 2 2 = 46,096.09 </li></ul><ul><li>Factor GLTZ = 0.60 * 6,560ft * 500 o R * 0.980 = 1,928,640 </li></ul><ul><li>Factor (T b /P b ) = 520 o R/14.65 psia = 35.49 </li></ul><ul><li>Factor ((P 1 2 - P 2 2 ) / GLTZ) 1/2 = 0.11148 </li></ul><ul><li>Despejando D de la ecuacion de WEYMOUTH tenemos: D = 2.2” = 3” </li></ul><ul><li>Verificacion de velocidad: V = Q / 3600 A A= 3.14 * D 2 / 4 *144 = 0.049 ft 2 V = 43200 ft 3 /h/3600*0.049 </li></ul><ul><li>V = 245 ft/seg @ c.b. Factor corrección por presión = 214.7/14.65 = 14.65 V @C.O = 245/14.65 = 16.7 ft/seg </li></ul>Procedimiento para adoptar Equipos al Uso de Gas Natural ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  213. 213. <ul><li>Diseño y selección de equipos estación de Regulación y Medición. </li></ul><ul><li>La configuración de una estación puede variar, dependiendo de las circunstancias, la aplicación y los códigos y regulaciones que se apliquen. Pero en todos los casos, esta tendrá siempre una válvula de entrada, un regulador, una válvula de alivio, una válvula de cierre automático y un sistema de medición. </li></ul><ul><li>Condiciones de diseño : </li></ul><ul><li>Presión de entrada </li></ul><ul><li>Presión de salida </li></ul><ul><li>Máxima velocidad </li></ul><ul><li>Temperatura del gas </li></ul><ul><li>Composición del gas </li></ul><ul><li>Rata de flujo mínima, normal y máxima. </li></ul>Dimensionamiento del sistema de alimentación a Gas ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  214. 214. ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  215. 215. <ul><li>Tamaño de la Tubería </li></ul><ul><li>El tamaño de la tubería en una estación de regulación y medición es usualmente escogida para el límite de velocidad del gas, alrededor de los 65 pies/seg . La tubería de entrada es diseñada sobre la máxima tasa de flujo a la presión mínima de entrada. Para presiones de salida por debajo de (25mbar), la velocidad del gas es limitada a 30 pies/seg para evitar unas altas caídas de presión. </li></ul><ul><li>Los criterios para el dimensionamiento de las tuberías dentro de la estación son los mismos definidos para la línea de suministro del punto de conexión a la entrada de la industria. </li></ul><ul><li>Para el caso del ejemplo anterior se utiliza una tubería de 3” para la estación de regulación y medición. </li></ul>Dimensionamiento del sistema de alimentación a Gas Estación de Regulación y Medición ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  216. 216. <ul><li>Válvulas de Bloqueo </li></ul><ul><li>Las estaciones de regulación y medición están equipadas con válvulas de bola a la entrada y a la salida . El mejoramiento en las técnicas de producción ha hecho este tipo de válvulas cada vez más económicas y más rentables que las válvulas de tapón usadas anteriormente. </li></ul><ul><li>Las válvulas de bola de paso completo se requieren aguas arriba del medidor, con el fin de eliminar disturbios en el flujo, en la forma más efectiva que sea posible. </li></ul><ul><li>Las válvulas de entrada y salida para el caso del ejemplo serán de 3” diámetro. ANSI 150. Tipo bola. </li></ul>Estación de Regulación y Medición ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  217. 217. Válvula de Bola ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  218. 218. <ul><li>Sistema de Regulación </li></ul><ul><li>Suministran el gas a las condiciones de presión exigida por la red de distribución interna en la industria. </li></ul><ul><li>Condiciones de selección </li></ul><ul><ul><li>Máxima presión aguas arriba y aguas abajo </li></ul></ul><ul><ul><li>Mínima presión aguas arriba y aguas abajo </li></ul></ul><ul><ul><li>Capacidad de flujo </li></ul></ul><ul><li>Tipos de reguladores </li></ul><ul><ul><li>Reguladores cargados por resorte </li></ul></ul><ul><ul><li>Reguladores cargados por pilotos </li></ul></ul>Dimensionamiento del sistema de alimentación a Gas Estación de Regulación y Medición ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  219. 219. Regulador con resorte ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N. Regulador cargado con Resorte
  220. 220. Regulador cargado con Piloto ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  221. 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.
  222. 222. <ul><li>Sistema de Filtración </li></ul><ul><li>Los filtros protegen el equipo localizado aguas abajo de la estación. </li></ul><ul><li>Contribuye a una buena exactitud en la medición </li></ul><ul><li>Línea de bypass es requerida para facilitar su mantenimiento </li></ul><ul><li>Un diferencial de presión alto en el filtro avisa la necesidad de su limpieza </li></ul><ul><li>La capacidad del filtro depende de la presión de operación y el diferencial permitido </li></ul>Estación de Regulación y Medición ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  223. 223. Filtro de Gas ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N. Drenaje
  224. 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.
  225. 225. <ul><li>Válvulas de Escape o Alivio </li></ul><ul><li>Las válvulas de escape aseguran el control de presión en el sistema, es decir, previenen sobrepresiones ante la ocurrencia de fallas en el regulador. Una válvula de escape se resetea para abrir cuando la presión del sistema excede la presión de control o ajuste y debe poseer la capacidad de mantener la presión aguas abajo del sistema. La mayoría de estas válvulas están diseñadas para aliviar solamente el 10% de la máxima tasa de flujo de la estación. </li></ul>Estación de Regulación y Medición ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  226. 226. Válvula de Alivio ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  227. 227. <ul><li>Válvulas de Cierre por alta y baja presión </li></ul><ul><li>Las válvulas de cierre por alta, baja o una combinación de alta-baja presión se instalan para cortar el flujo en caso de que la presión de salida del regulador este en límites superior o inferior no especificados. </li></ul><ul><li>Previenen explosiones o incendios en el interior de los equipos de combustión </li></ul><ul><li>NFPA exige la instalación de dos válvulas en serie para garantizar la seguridad del sistema </li></ul><ul><li>En lo posible las dos válvulas deben ser de diseño diferente </li></ul>Estación de Regulación y Medición ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  228. 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)
  229. 229. <ul><li>MEDIDORES DE GAS </li></ul><ul><li>Determinar el volumen de gas consumido en el equipo de combustión </li></ul><ul><li>Selección adecuada del medidor </li></ul><ul><li>Instalación de acuerdo a la normatividad </li></ul>ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  230. 230. Medidores de Gas Estación de Regulación y Medición ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  231. 231. Medidores de Gas Estación de Regulación y Medición ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  232. 232. <ul><li>El arreglo del sistema de tubería de alimentación de gas a los equipos de combustión depende de las localizaciones dentro de la planta y los consumos de cada equipo. Un sistema de alimentación mal instalado puede ocasionar señales de presión falsas , un control de relación aire-combustible defectuoso , inestabilidad del quemador y temperatura no homogénea en la cámara del equipo de combustión. </li></ul><ul><li>Los criterios de diseño a aplicar para el dimensionamiento de la red interna son los mismos definidos en la línea de conexión a la red principal del comercializador. Existen normas en algunos países donde limitan las caídas de presión en sistemas internas de distribución. </li></ul>Dimensionamiento de la red de Suministro Interno ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  233. 233. <ul><li>Tramo 1 </li></ul><ul><li>Longitud de tubería L = 400 pies. Q max = 41.6 MPCSH </li></ul><ul><li>Presión de salida de estación de regulación y medición = </li></ul><ul><li>P 1 = 114.7psia P 1 2 = 13,156 </li></ul><ul><li>Factor GLTZ = 0.60 * 400ft * 500 o R * 0.980 = 117,600 </li></ul><ul><li>Factor (T b /P b ) = 520 o R/14.65 psia = 35.49 </li></ul><ul><li>Diamétro de tubería = 3” </li></ul><ul><li>Factor D 8/3 = 18.70 </li></ul><ul><li>Despejando P 2 de ecuación WEYMOUTH tenemos: P 2 = 113 psia </li></ul><ul><li>Diamétro de tubería = 2” </li></ul><ul><li>Factor D 8/3 = 6.34 </li></ul><ul><li>Despejando P 2 de ecuación WEYMOUTH tenemos: P 2 = 103 psia </li></ul>Dimensionamiento tubería de alimentación interna. ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.
  234. 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.
  235. 235. <ul><li>La evaluación del quemador durante el proceso de adaptación a gas natural parte de la base de reutilizar el quemador actual o disponer de un quemador nuevo, esta decisión se toma mediante el análisis en campo de las facilidades que posee el equipo de combustión. La posibilidad de usar el mismo quemador surge del tipo de quemador , pues existen equipos de combustión que disponen de quemadores que no facilitan la adaptación y la solución es su reemplazo por uno nuevo </li></ul>Quemadores y suministro de combustible ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.

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