ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE COMBUATION

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA Centro de Extensión Académica CESET GRUPO C & T DEL GAS DEPTO. DE ING. MECANICA MECANICA ESPECIALIZACION EN COMBUSTIBLES GASESOS: CONVENIO UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – ECOPETROL IMPRESO UNIVERSITARIO

ESTIMACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE COMBUSTIÓN DE COMBUSTIBLES GASEOSOS Presentado por: Ing. MSc.

Andrés A. Amell Arrieta

Miembro del Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía y  Profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica

Medellín, octubre de 2002

2

TABLA DE CONTENIDO

Páginas

Importancia y alcances de la combustión ………………………………..

3 9

1. ¿Qué es la combustión?……………………… combustión? ………………………………………………… ………………………… 2. Condiciones para que ocurra la combustión… combustión…………………………..

10

3. Propiedades de de combustión. combustión.……………………………………………

11

3.1 Introducción Introducción……………… ………………… ……………………………………………...

11

3.2 Supuestos para definirlas………………………………………… definirlas………………………………………… ……

12

3.3 Determi Determinación nación de propiedades para combustibles gaseosos pur os, os, relacionadas con el requerimiento de aire y productos de combustión……………………………………………………… combustión …………………………………………………………………... …………...

14

3.4 Determi Determinación nación de la cantidad estequiométrica de aire y productos de combustión combustión para una mezcla de combustibles gaseosos…… gaseosos ……… ……..

23

3.5 Propiedades relacionadas con las condiciones condiciones para que ocurra la combustión com bustión……………………………………… …………………………………………………………………... …………………………...

32

3.6 Estimaci Estimación ón de propiedades relacionadas con el contenido energético en ergético de un combustible combustible gaseoso…………………………………... gaseoso…………………………………...

39

3.7 Parámetros de un sistema de combustión…………………………... combustión …………………………...

60

3.8 Incidencia del exceso de aire sobre algunas propiedades de combustión…………………………………………………………………... combustión …………………………………………………………………...

62

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

3

4. Ejercicios propuestos……………………………………………………. propuestos…………………………………………………….

65

BIBLIOGRAFIA… BIBLIOGRAFIA ………………………………………………………………

72

IMPORTANCIA Y ALCANCES DE LA COMBUSTIÓN

Desde el descubrimiento del fuego hasta nuestros días la combustión ha  jugado un papel trascendental trascendental en el desarrollo de la cultura material y el confort de vida. Con el descubrimiento del fuego el hombre pudo disponer  del calor en un sitio determinado y en cualquier instante para la calefacción y atenuar las inclemencias del clima, para cocción de alimentos lo cual favorecerá la diversificación de su canasta alimenticia y su metabolismo, para la fusión de los metales que le permitió la fabricación de artefactos aplicables en múltiples actividades (agricultura, caza y defensa) y para ahuyentar los animales y salvaguardar salvaguardar su seguridad. El hombre descubre el fuego al observar cuando los rayos actuaban como fuente de ignición para encender los bosques, a diferencia de otros animales que ante la ocurrencia de este fenómeno huían, aprendió a dominarlo y utilizarlo. En principios los seres humanos o sus antepasados tuvieron que depender del rayo para encender el fuego, si este se apagaba, tenían que pedirlo a una tribu vecina o esperar que cayese otro rayo, tardaron miles de años en aprender a encenderlo, es decir, encontrar 

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

4

mecanismos de ignición para no depender del rayo, lo cual se logro utilizando el frotamiento de utensilios. Por un largo periodo la humanidad dependerá de la biomasa (madera y huesos de animales) como la fuente principal de combustible, la escasez de madera en Inglaterra en el siglo XVII inducirá la búsqueda en el subsuelo de un combustible sustituto, como lo fue el carbón. La inundación de las minas de carbón y la necesidad de drenar para extraer este energético hizo necesaria la invención de la bomba atmosférica, iniciándose con ella una serie de invenciones que finalmente darían origen a la máquina de vapor de Watt y con ella la revolución industrial. Establecido el carbón y la máquina de vapor a partir de finales del siglo XVIII como los principales soportes del paradigma energético vigente en esa época, la combustión seguirá siendo en el siglo XIX el fenómeno que garantiza la liberación en forma de calor de la energía primaria, para usarse directamente o transformarse a otras formas de energía. El advenimiento de la era del petróleo y con ello el establecimiento de un nuevo paradigma energético a finales del siglo XIX, el cual se consolida con la maduración tecnológica de los motores de combustión interna (diesel, otto y posteriormente la turbina a gas) y equipos térmicos de combustión y transferencia de calor, advertirá también que la combustión continuará siendo el mecanismo que garantice la liberación de energía primaria durante el siglo XX. Por razones tecnológicas, ambientales, económicas y geopolíticas, los expertos en prospectiva energética vaticinan para los primeros cuarenta años del siglo XXI una transición de una base energética soportada en el Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

5

petróleo hacia una basada en el gas natural inicialmente y posteriormente en el hidrógeno.  Aunque con la disponibilidad tecnológica de la celda de combustible (mecanismo que convierte la energía química almacenada en un combustible

en

energía

eléctrica

y

calor

mediante

fenómenos

electroquímicos), la combustión ya no será el único mecanismo para la liberación de la energía química de un combustible y su conversión a otras formas de energía, seguirá conservando su importancia, en particular en aquellos sistemas y procesos que requieren de grandes cantidades de energía. En resumen, cuando se analiza la evolución y prospectiva energética de la humanidad, se concluye que la combustión ha sido y será un fenómeno significativo para el desarrollo económico, social y científico. Como ilustración a continuación se presenta la evolución y prospectiva de la canasta energética mundial. Evolución y prospectiva de la canasta energética mundial.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

6

Fuente: Energy Future Gas. US Geological Survey  Por mucho tiempo la combustión tuvo interés científico y tecnológico por su incidencia en el diseño, optimización, eficiencia y economía de los sistemas de conversión energética (máquinas de combustión interna y equipos térmicos). Más recientemente debido a que los combustibles fósiles se constituyen en una de las mayores fuentes de contaminación ambiental, el estudio de la combustión para identificar los mecanismos físicos, químicos y térmicos de la formación y atenuación de los contaminantes, se constituye en otra dimensión de la importancia científica y tecnológica de este fenómeno. La combustión como disciplina científica es una conjunción de diversas áreas del conocimiento, que con base a sus interacciones y complementariedades en el examen de fenómenos de combustión, han Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

7

hecho posible la construcción de un cuerpo de conocimientos sólidos, coherentes y de gran alcance predictivo, estas áreas del conocimiento son:

• Termodinámica y la Termoquímica. El fenómeno de combustión se caracteriza por una serie de transformaciones energéticas y procesos de generación de entropía, los cuales se examinan a la luz de las leyes básicas de estas disciplinas.

• Cinética Química. Estudia los mecanismos de iniciación, propagación y terminación de las reacciones químicas intermedias y la formación de especies químicas, durante un proceso de combustión.

• Fenómenos de Transporte (momentum, masa y calor). Un proceso de combustión se caracteriza por la ocurrencia de flujo de fluido, transferencia de masa y transferencia calor al interior de la zona de combustión y desde esta hacia el exterior, por ello los fenómenos de transporte es una disciplina imprescindible para su examen.

• Aerodinámica. En un proceso de combustión los fenómenos aerodinámicos tienen que ver con las interacciones de los flujos de combustible y comburente, con la estructura y longitud de las llamas, con los mecanismos de estabilización de llama y con la formación de corrientes de recirculación en las cámaras de combustión.

De vital importancia para el desarrollo científico y tecnológico de la combustión han sido las técnicas experimentales para:

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

8

-

Determinar campos y gradientes de presión y temperatura en una zona de combustión.

-

Determinar concentraciones de especies químicas.

-

Determinar campos de velocidad.

-

Determinar flujo de energía térmica.

-

Determinar la composición química de productos de combustión.

En materia de técnicas experimentales para el estudio de la combustión se observa una tendencia desde técnicas intrusivas (contacto directo con los fenómenos) a no intrusivas en las que no ocurren interferencias de la medición con el fenómeno. En el desarrollo de las técnicas no intrusivas esta jugando un papel importante la instrumentación óptica, particularmente el láser. El advenimiento de las técnicas computacionales como la mecánica de fluidos computacionales, esta abriendo un nuevo campo de investigación y entregando nuevas herramientas para el estudio de la combustión, es por  ello que hoy y en los próximos años la simulación y modelización serán usuales en la investigación, diseño y optimización de sistemas de combustión.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

9

1. ¿Que es la Combustión? La combustión es una reacción de oxidación en la que los elementos combustibles (C, H y S) reaccionan con el Oxigeno, liberándose calor y formando productos de combustión. El calor liberado proviene de la energía química almacenada en las moléculas de los combustibles. El efecto luminoso que en algunos tipos de combustión se presenta es explicado por la excitación de átomos y moléculas debido a las altas temperaturas. El volumen de gases en el que ocurren las reacciones de oxidación con efecto luminoso se denomina llama. Conviene aclarar que no todas las combustiones en la naturaleza van acompañadas del fenómeno de llama, dependiendo de las temperaturas que se alcanzan en la zona de combustión puede no tenerse efecto lumínico, así por ejemplo, en la Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

10

combustión catalítica del gas natural no se presenta llama, pero si se presentan reacciones de oxidación. Como puede observarse, los dos actores de un proceso de combustión son el combustible y el comburente (Oxigeno O 2). En el desarrollo científico y tecnológico de la combustión la mayor  preocupación se ha centrado en la disponibilidad, calidad y tratamiento de los combustibles; en relación con el comburente se considera que está disponible en el aire. Sin embargo, la disponibilidad y calidad del Oxigeno para la combustión, incide en la ocurrencia óptima y segura de esta, algunos factores que afectan la disponibilidad y calidad del O 2 son:

• El aumento de altura sobre el nivel del mar disminuye la presión parcial del O2, reduciéndose su contenido másico, lo cual incide en la combustión incompleta del carbono, en la Tabla 1 se presenta el efecto de la altitud sobre el contenido másico de O 2.

• +Si se considera el aire seco, por cada mol de O 2 existen 4.76 moles de aire, con la presencia de otros compuestos que alteren esta composición, se presenta viciado del aire, lo que repercute en la calidad y estabilidad de la combustión. Una fuente frecuente de viciado del aire es la recirculación de productos de combustión (CO2 y N2).

Tabla 1. Efecto de la altitud sobre el contenido másico de oxigeno en el aire Altitud (m) Patm (bar) T (K) MO2 (Kg) % 1.013 293 0.2803 0 0 0.852 293 0.235 16.2 1500 0.752 293 0.2080 25.8 2600 Fuente: Cálculos del Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

11

2. Condiciones para que ocurra la combustión La presencia de un combustible y el comburente, no es condición suficiente para que la combustión se inicie, auto - sostenga y propague, se requieren de otras condiciones complementarias para su ocurrencia, las cuales están asociadas a propiedades físicas y químicas de la mezcla combustible y comburente. Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, la combustión de un combustible ocurre de manera sostenida cuando se den simultáneamente las siguientes condiciones:

• Que estén presente combustible y comburente en proporciones adecuadas, ello está relacionado con que la mezcla combustible – comburente debe encontrarse en su respectivo intervalo de inflamabilidad. Adicionalmente se requiere que se de un contacto óptimo entre las moléculas de combustible y comburente

• Que la mezcla combustible y comburente se energice hasta alcanzar su temperatura de ignición. Esta condición esta asociada a dos propiedades características de una mezcla combustible – comburentes como son: la energía y temperatura de ignición. Como puede observarse la ocurrencia y propagación de combustión, dependerá de sí se tienen condiciones coincidentes con tres propiedades de combustión: intervalos de inflamabilidad, energía de ignición y temperatura de ignición, los cuales se estudiaran más adelante.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

12

3. Propiedades de combustión

3.1 Introducción Para el manejo de los combustibles en sus aplicaciones energéticas, es frecuente conocer acerca de la disponibilidad energética por cantidad de combustible, de las condiciones para que ocurra la combustión, de los requerimientos de aire para tener una combustión completa, de la cantidad y composición de productos de combustión. Estos requerimientos pueden ser  fácilmente determinados cuando se conocen las propiedades de combustión de la mezcla combustible – comburente utilizada, de ahí la importancia de este tema en la ingeniería de combustión.

3.2 Supuestos para definirlas Para introducir las propiedades de combustión se establecen las siguientes consideraciones:

• La combustión del combustible y el comburente es estequiométrica. En una combustión estequiométrica los elementos combustibles se oxidan completamente y el Oxigeno suministrado es totalmente usado. Este tipo de combustión desde el punto de vista energético representa la condición óptima o ideal cuando se queme un combustible. Las reacciones estequiométricas de los elementos que pueden estar presentes en un Carbono :

C + O2

 Hidrogeno :

2 H  +

combustible son:

1 2

→ CO2 + calor  O2

→  H 2 O + calor 

1

→  H o2 O + calor   H 2 + O2parcial Prohibida la reproducción total sin autorización del autor 

2 Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia  Azufre :

S  + O

→ SO + calor 

13

La reacción estequiométrica de un hidrocarburo (CxHy) con Y átomos de Hidrógeno y X de Carbono, queda representado por:

C  x H  y

 y  y   +    + x O2 → xCO2 +  H 2 O + calor  2  4  

Toda reacción química de combustión cumple con el principio de conservación de la masa: “la materia no se crea ni se destruye”. En las reacciones de combustión los átomos y moléculas se combinan formando compuestos, cumpliéndose con la ecuación: Masa de reactivos = masa de productos.

• Si el Oxigeno se toma del aire atmosférico y este se considera seco, la presencia de vapor de agua altera su composición, en la Tabla 2 se presenta la composición del aire atmosférico en función de la temperatura de bulbo seco y la humedad relativa. La presencia del vapor agua en el aire tiene implicaciones física y química sobre el proceso de combustión, así por ejemplo, incide en el aumento de las emisiones de monóxido de carbono y reduce las emisiones de NO x, aumenta el calor específico de los gases de combustión. En países tropicales con la alta intensidad de radiación el aire atmosférico presenta húmedades relativas muy altas durante la mayor parte del día, por lo que la consideración de aire seco debe ser  tomada cuidadosamente. Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

14

Si consideramos el aire seco, su composición es de 21% O2 y 79% N2, con lo cual se establece las siguientes relaciones: η N 2 η O 2

=

V N 2 V O 2

= 3.76

∧

V O 2  = 0.21V aire  V aire  = 4.76V O 2 

Por cada mol o metro cúbico de Oxigeno se tienen 3.76 moles o metro cúbico de Nitrógeno.

• Si el combustible esta en fase gaseosa, este y el aire se consideran gases ideales.

Tabla 2. Composición del aire húmedo. Fuente: North American Handbook Combustión Volumen 1

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

15

3.3 Determinación de propiedades para combustibles gaseosos puros, relacionadas con el requerimiento de aire y productos de combustion  A continuación, a partir de la combustión estequiométrica del Metano se ilustra cómo se determinan propiedades de combustión relacionadas con el requerimiento de aire y la cantidad de productos de combustión, las cuales pueden ser expresadas en término molar, másico y volumétrico. Por mucho tiempo ha sido la usanza en la industria del gas expresar estas propiedades en términos volumétricos, pero recientes aplicaciones del gas natural en generación eléctrica y como combustible motor, hacen necesario también manejarlas en términos másicos. Para manejar estas propiedades de combustión en términos volumétricos, conviene recordar que debido a que un volumen de gas es función de la temperatura y presión al que se mide, se hace necesario establecer estado de referencia, en función del cual debe expresarse todo volumen considerado.

Los estados referencias utilizados en la industria del gas son:

Normal

Temperatura:

Tn = O ºC = 273 K

Presión:

Pn = 1013 mbar 

Este estado de referencia está vigente en los países europeos

Standard

Temperatura:

Tst = 15.6 ºC = 288.6 K

Presión:

Pst = 1013 mbar 

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

16

En Estados Unidos se trabaja con el estado standard, las regulaciones y normas técnicas colombianas para el manejo de los combustibles gaseosos también lo han acogido. Dependiendo de sí se considera el gas ideal o real, las expresiones para llevar  un volumen de gas a la temperatura y al volumen de referencia son:

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

17

 Para gas ideal :

V *

 T   P   = V  * ⋅    P * T  

 Para gas real :

V *

 T   P   Z  = V  * ⋅  *   T   P *    Z 

Donde: V*: volumen de gas en el estado de referencia, normal o estándar. P*: presión absoluta en el estado de referencia, normal o estándar. T*: temperatura absoluta en el estado de referencia, normal o estándar. Z*: factor de compresibilidad en estado de referencia, normal o estándar. V: volumen medido o considerado a condiciones de P y T. P: presión absoluta a la que se considera el volumen V. T: temperatura absoluta a la que se considera el volumen V. Z: factor de compresibilidad a condiciones de P y T En este texto cuando se denote por el subíndice asterisco ( *), se estará haciendo referencia al estado normal o estándar.

 Al plantearse la reacción estequiométrica del CH4, se establece:

CH  4 + 2O 2 + 7 . 52 N 2 → CO 2 + 2 H 2O  + 7 . 52 N 2

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

18

En términos volumétricos se tiene:

• Para quemar estequiométricamente un m3* de CH4 se requieren 9.52 m3* de aire.

• Al quemar estequiométricamente un m 3* de CH4 se obtienen: un m3* de CO2, 2m3* de H2O, 8.52 m3* de humos secos y 10.52 m3*de humos húmedos. Teniendo en cuenta los resultados anteriores se establecen las siguientes propiedades de combustión volumétricas para los combustibles gaseosos:

Volumen estequiométrico de aire (Va). Es el volumen normal o estándar de aire requerido para quemar estequiométricamente un m 3* de gas combustible, se expresa en m3* aire/m3* gas.

Volumen de dióxido de carbono (VCO2). Es el volumen de dióxido de carbono normal o estándar, producido por la combustión estequiométrica de un m 3* de gas combustible, se expresa en m3*CO2/m3* gas.

(Volumen de agua VH2O). Es el volumen de vapor de agua normal o estándar  producido por la combustión estequiométrica de un m 3* de gas combustible, se expresa en m3*H2O/m3* gas.

Volumen de humos secos o poder fumígeno seco (Vf ). Es el volumen de humos secos normal o estándar producido por la combustión estequiométrica de un m3* de gas combustible, se expresa en m3* humos secos/m3* gas

Volumen de humos húmedos o poder fumígeno húmedo (Vf´). Es el volumen de humos húmedos normal o estándar producido por la combustión Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

19

estequiométrica de un m 3* de gas combustible, se expresa en m 3*humos humedos/m3* gas.

Porcentaje máximo de CO2. Es la relación entre el volumen de CO 2 y el volumen de humos secos en porcentaje, en condiciones de combustión estequiométrica este valor es máximo.

De la reacción estequiométrica del Metano, se obtienen:

3

V a = 9.52

V   H 2O

=2

3

m* CH 4

V CO2

m*3CH 4

3

m* H 2O

3

m* aire

=1

m* CO2 m*3CH 4

3

V  f´  = 10.52

m* humoshum. 3

m* CH 4

3

V  f 

= 8.52

m* humossec. 3

m* CH 4

En la Tabla 3 se presentan las propiedades de combustión volumétricas para los combustibles gaseosos puros, los cuales se obtienen planteando sus respectivas reacciones estequiométricas.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

21

Tabla 3. Propiedades volumétricas de algunos combustibles

Componente

Formula

Va

Vf´

 m  (ST )aire    3   m  (St ) gas   

 m ( ST  )humos−hum.    3   m ( ST  ) gas  

3

3

Vf   m

3

( ST  )humos− sec .

  m

3

( ST  ) gas

  PCIVOLUMÉTRICO    Kwh       3   m  (sT )  

PCSVOLUMETRICO   Kwh     3   m  (sT )  

Metano

CH4

9.52

10.52

8.52

9.43

10.49

Etano

C2H6

16.66

18.16

15.16

16.95

18.55

Propano

C3H8

23.80

25.8

21.8

24.66

26.78

Butano Normal

C4H10

30.94

33.44

28.44

31.17

33.77

Isobutano

C4H10

30.94

33.44

28.44

31.06

33.66

Pentano Normal

C5H12

38.08

41.08

35.08

38.37

41.5

Isopentano

C5H12

38.08

41.08

35.08

38.29

41.41

Etileno

C2H4

14.28

15.28

13.28

15.63

16.69

Propileno

C3H6

21.42

22.92

19.92

23.06

24.68

Butileno

C4H8

28.56

30.56

26.56

29.75

31.87

 Acetileno

C2H2

11.90

12.4

11.4

14.75

15.28

Hidrogeno

H2

2.38

2.88

1.88

2.83

3.36

Monóxido de C

CO

2.38

2.88

2.88

3.31

3.31

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

22

Tomado de: Estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

23

 A partir de la reacción estequiométrica del CH 4, a continuación se ilustra cómo se obtienen las propiedades anteriores en términos másicos, para ello recordemos la relación entre masa (m), mol (n) y peso molecular (M):

m  = nM  La reacción del CH4 en términos másico es como sigue:

CH 4

↓

+

2O2

↓

16Kg  + 64Kg 

+

→ CO2 + 2 H 2 O + 7 .52 N 2 ↓ ↓ ↓ ↓ + 217.7Kg  → 44Kg + 36Kg  + 210.6Kg  7 .52 N 2

Masa estequiométrica de aire (ma). Es la masa de aire en Kg, necesaria para obtener una combustión estequiométrica de un Kg de combustible.

m a  =

Donde

n a M  a  m c 

na: numero de moles de aire Ma: peso molecular de aire mc: masa de combustible

Para el CH4:

m a  = 9.52 * 29

Kg 

= 17.3 aire  16 Kg CH  4

Masa de humos húmedos (mf´). Es la masa de productos de combustión húmedos que se produce por la combustión estequiométrica de un Kg de combustible Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

24

m f ´  =

mh´  mc

Donde: mh´: masa total de humus húmedos. mc: masa por mol de combustible  Kg humushumed o

Para el CH4: m f ´  = 290.6 16 = 18.16 

 Kg CH 4

Masa de humos secos (mf ). Es la masa de productos de combustión secos en Kg que se producen por la combustión estequiométrica de un Kg de combustible.

m f 

= mh  / mc

Donde: mh: masa total de humus secos.

Para el CH4: m f ´  =

254.6  16 

= 15.9

 Kg humus sec o  Kg CH 4

Con el procedimiento descrito se determinan las propiedades másicas para los combustibles gaseosos puros, en la Tabla 4 se presentan estas propiedades.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

25

Tabla 4. Propiedades másicas de algunos combustibles  

 

 Kg gas  

 

 

 

 

 

 

  Kg gas 

 

ma  Kg aire   mf´  Kg humus − hum .  mf  Kg humus − sec .  PCImasico   Kwh   PCSmasico   Kwh  

Componente

Formula

Metano

CH4

17.19095

18.16

15.9142

13.8917

15.4157

Etano

C2H6

15.05056

17.016

15.2187

13.1898

14.4094

Propano

C3H8

15.63567

16.6

14.9659

12.8756

13.9845

Butano Normal

C4H10

15.42103

16.385

14.8353

12.6981

13.7497

Isobutano

C4H10

15.42103

16.385

14.8353

12.6981

13.7497

Pentano Normal

C5H12

15.32191

16.25

14.7488

12.6238

13.6425

Isopentano

C5H12

15.32191

16.25

14.7488

12.6238

13.6425

Etileno

C2H4

14.74626

15.71

14.4257

13.0993

13.9709

Propileno

C3H6

14.74626

15.71

14.4257

12.7164

13.5879

Butileno

C4H8

14.7747

15.71

14.4232

12.8203

13.6935

C2H2

13.25935

14.2

13.5071

13.4144

13.8846

Hidrogeno

H2

34.2007

35.32

26.384

33.3196

39.3836

Monóxido de C

CO

2.461483

3.45

3.45

2.8063

2.8063

 Acetileno

Kg gas 

  Kg   

Tomado de: estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

  Kg   

26

3.4 Determinación de la cantidad estequiométrica de aire y productos de

combustion para una mezcla de combustibles gaseosos. Una mezcla de combustibles gaseosos (gas natural, GLP, gas manufacturado y biogas), esta generalmente constituido por los siguientes compuestos:

• Elementos combustibles: hidrocarburos (CxHy), monóxido de carbono (CO) e hidrogeno.

• Elementos no combustibles: gases inertes (CO 2 y N2) y O2 .

Existe la tendencia a obtener la composición química de una mezcla de combustibles gaseosos en mol o en volumen. Conocida esta composición, las propiedades de combustión volumétricas se determinan así:

Volumen estequiométrico de aire. Si la mezcla de combustible tiene Oxígeno se tiene:

V a

= ∑ yiV ai − 4.76  yO

2

Donde: yi: fracción molar de cada componente en la mezcla. Vai: volumen estequiométrico de aire de cada componente. YO2 : fracción de O2 en el combustible.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

27

Si la mezcla de combustibles gaseosos no contiene O 2:

V a  =

∑ y V 

i  ai 

Volumen de humus húmedos. Si la mezcla de combustibles contiene gases inertes como el N2 y CO2, entonces

V f ´ =

∑ y V 

i  f ´i 

+ XN 2 + XCO 2

Donde: Vf´i: volumen de humos húmedos de cada componente XN2: fracción de N2 en la mezcla de gases XCO2: fracción de CO2 en la mezcla de gases

Si la mezcla no contiene CO 2 y N2, el volumen de humos húmedos es

Vf  =

∑ y V 

i  f ´i 

Expresiones semejantes se obtienen para el volumen de humos secos, considerando ahora el volumen de humos secos de cada componente en la mezcla.

Porcentaje máximo de CO2. Se determina mediante la siguiente expresión

γ CO 2

= ∑ y i γ iCO 

2

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

28

γ iCO 2 : porcentaje máximo de cada componente en la mezcla ‘’’’’ Para la determinación de las propiedades másicas estudiadas para una mezcla de gases combustibles, se requiere conocer su composición en masa.

Dada la composición en volumen, la composición en masa se determina mediante la siguiente expresión:

y mi  = y i 

M i  M M 

Donde: ymi: fracción en masa del componente i yi: fracción en volumen del componente i Mi: peso molecular del componente i MM: peso molecular de la mezcla

Masa estequiométrica de la mezcla. (mam) Si la mezcla contiene Oxigeno, se determina así:

mam

= ∑ ymi mai − 4.76  ymO

2

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

29

Donde: mam: masa estequiométrica de la mezcla mai: masa estequiométrica del componente i ym02: fracción en masa del O2 en la mezcla Si la mezcla no contiene Oxigeno, la masa estequiométrica es:

m am  =

∑ y 

m ai 

mi 

Masa de humos húmedos de la mezcla. Si la mezcla contiene N 2 y CO2, se define como:

m´  fm =

∑ y

mi

m´  fi + X mCO2 + X m N 2

Donde: m´  fm :

masa de humos húmedos de la mezcla

m´  fi :

masa de humos húmedos del componente i

X m CO 2 : fracción en masa CO 2 en la mezcla X m N 2 : fracción en masa del N 2 en la mezcla

Considerando la masa de humos secos de cada componente, de manera similar  se determina la masa de humos secos de la mezcla. En las Tablas 5, 6.1, 6.2 y 7 se presentan la composición molar, las propiedades volumétricas y las másicas de los gases naturales colombianos respectivamente.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

30

Tabla 5. Composición de los yacimientos de gas natural en Colombia

CAMPO Composición (% molar)

Apiay

Payoa

El Centro

Huila

Guajira

Güepaje

Cusiana

Opón

Metano Etano

86.2

90.29

91.61

85.06

97.76

96.98

75.68

91.79

8.45

6.47

6.728

6.18

0.38

0.58

11.15

4.36

Propano

1.18

1.73

0.028

2.84

0.2

0.18

4.7

1.83

i- Butano

0.12

0.15

0.011

0.46

0

0.09

0.78

0.13

n- Butano

0.11

0.17

0.012

0.69

0

0.03

0.95

0.53

Otros pesados

0

0.09

0.02

0.43

0

0.1

0.63

1.04

Nitrógeno

0.77

0.35

0.85

1.13

1.29

1.98

0.91

0

CO2

3.17

0.75

0.739

3.21

0.37

0.06

5.2

0.32

Tomado de: Información suministrada por Ecopetrol

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

31

Tabla 6.1. Propiedades volumétricas de combustión de los gases naturales colombianos

NOMBRE DEL CAMPO

d

Va

Tll  (ºC)

P.C.S  P.C.I  3 (MJ/m n ) (MJ/m3(n) )

W  L.S.I (MJ/m3 n )

ns

L.I.I

ni  

Apiay

0.644 10.13 1846

41.73

37.63

52.0

15.0 0.56 4.82 1.95

Payoa

0.616 10.24 1899

42.74

38.55

54.47

14.71 0.57 4.69 1.98

El Centro

0.598 9.90 1889

41.26

37.17

53.37

14.94 0.58 4.85 1.98

Huila

0.665 10.36 1832

43.11

38.96

52.87

14.78 0.56 4.66 1.97

Guajira

0.567 9.44 1886

39.40

35.43

52.34

15.14 0.59 5.06 1.99

Güepajé

0.569 9.42 1877

39.47

35.51

52.34

15.15 0.59 5.05

Cusiana

0.734 11.04 1798

47.71

41.42

53.36

14.54 0.53 4.42 1.96

0.602 10.16 1896

43.44

39.26

55.97

14.52 0.58 4.56 2.06

Opón

Tomado de: estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

2.0

32

Tabla 6.2 Características de los humos de los gases naturales colombianos

NOMBRE DEL

Volumen de  Humos

CAMPO

VCO 2 

VH 2 O

VN 2 

V’fo

Vfo

 Apiay

11.147

9.11

1.108

2.037

8.00

Payoa

11.287

9.20

1.106

2.087

El Centro

10.918

8.881

1.06

Huila

11.406

9.341

Guajira

10.438

Güepajé 

CO 2 

Composición Volumétrica de los humos húmedos %CO2

%H2O

%N2  

12.17

9.94

18.27

71.79

8.09

12.02

9.8

18.49

71.71

2.036

7.83

11.94

9.71

18.65

71.64

1.144

2.065

8.20

12.25

10.03

18.10

71.87

8.463

0.995

1.975

7.47

11.76

9.53

18.92

71.55

10.416

8.446

0.993

1.971

7.46

11.75

9.53

18.92

71.55

Cusiana

12.122

9.99

1.252

2.132

8.73

12.53

10.33

17.59

72.08

Opón

11.210

9.132

1.095

2.078

8.03

11.99

9.77

18.54

71.69

Tomado de: estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

33

Tabla 7. Pr opiedades másicas de combustión de los gases natur ales colombianos

NOMBRE DEL CAMPO

d

ma

P.C.S 

P.C.I 

(MJ/Kg)

(MJ/Kg)

Masa de Humos mf' mf  

Apiay

0.644 15.49

50.85

46.04

16.37

14.41

Payoa

0.616 16.56

53.71

48.56

17.51

15.4

El Centro

0.598 16.49

53.62

48.44

17.43

15.32

Huila

0.665 15.36

50.46

45.75

16.25

14.32

Guajira

0.567 16.63

54.07

48.77

17.56

15.40

Güepajé

0.569 16.55

53.92

48.66

17.49

15.33

Cusiana

0.734 14.72

48.60

44.19

15.57

13.76

Opón

0.602 16.79

54.25

49.06

17.75

15.63

Tomado de: estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

34

Ejemplo. Un gas natural tiene la siguiente composición en volumen 85%CH 4, 10%C2H6, 4%CO2 y 1%O2, determinar las propiedades de combustión estudiadas.

V a  = 0.85V a CH 4 + 0.1V a C 2H 6 − 0.01 ∗ 4.76 m 3 st aire  V a  = 9.7104 3 m  st gas  V f ′ = 0.85V fCH 4 + 0.1V fC 2H 6 + 0.04 m 3 st hh  V f ′ = 10.7604 3 m  st gas  V f  = 0.85V f ´CH 4 + 0.10V f ´C 2H 6 + 0.04 m 3 st hs  V f  = 8.7604 3 m  st gas  V CO 2 = 0.85V CO 2 CH 4 + 0.1V CO 2 C 2 0H 6 + 0.04 γ CO 2

=

V CO 2

V f ´

* 100 = 12.44%

Para encontrar las propiedades másicas hay que determinar la composición equivalente en masa:

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

35

 M  M 

= 0.85( 16  ) + 0.10( 30 ) + 0.04( 44 ) + 0.01( 32 ) = 18.7239

 y mCH 4  y mCO2 ma

16    = 0.85    = 0.726   18.7239  44   = 0.04    = 0.094  18.7239 

 Kmol 

30   = 0.1    = 0.160  18.7239  32   = 0.01    = 0.017   18.7239 

 y mC 2 H 6  Y m O2

= 0.726 ( maCH   ) + 0.160( maC  H   ) − 0.017 ( 4.76  ) = 15.09 4

 Kg 

2

6 

 Kg aire  Kg  gas

 Kg hs m f ´ = 0.726 ( m fCH 4  ) + 0.160( m fC 2 H 6   ) + 0.094 = 15.96   Kg  gas m f 

= 0.741( m f ´ CH   ) + 0.164( m f ´ C  H   ) + 0.095 = 14.03 4

2

6 

 Kg hh

 Kg  gas

3.5 Propiedades relacionadas con las condiciones para que ocurra la combustion Limites de inflamabilidad. Corresponden a las proporciones de la mezcla combustible - oxidante (en porcentaje por volumen de gas en la mezcla) para las cuales la reacción de combustión puede iniciarse y auto - propague. Significa que una mezcla cuya composición no se halle dentro de los limites de inflamabilidad, no puede encenderse aunque esté expuesta a una chispa o a una llama. El intervalo explosivo de la mezcla está comprendido entre eI limite inferior de inflamabilidad (LII, LEL) y el límite superior de Inflamabilidad (LSI, UEL). Por ejemplo, el porcentaje estequiométrico de metano en una mezcla metano – aire es 9.5% en volumen, experimentalmente se halla que el Lll de la mezcla CH 4aire a 1 atm es aproximadamente de 5% de CH 4 y el LSI es alrededor de 15% de CH4. Por tanto, una mezcla de CH 4-aire que contiene entre 5% y 15% de CH4 puede considerarse un peligro de incendio o de explosión, mientras que una

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

36

mezcla que se halle por debajo del 5% de CH 4 o por encima del 15% se considera segura. Los límites de inflamabilidad dependen de la composición del combustible, presencia de inertes, temperatura y presión de la mezcla combustible – oxídante y de la geometría del recinto donde ocurre la combustión. Un aumento de la temperatura produce una disminución en el LII y una elevación en el LSI es decir  se amplia el Intervalo explosivo; el efecto del aumento de presión es similar al de temperatura; la presencia de inertes (CO2, N2) estrecha el intervalo explosivo debido al aumento del LII y disminución del LSI.

La Tabla 10 y la Tabla 6.1 presentan los límites de inflamabilidad para las mezclas de gas combustible puro y aire y de los gases Colombianos y aire a temperatura inferior de O°C y 1 atm. de presión. Cuando se trata de una mezcla de varios gases combustibles, los límites de inflamabilidad se calculan a partir de los valores para los respectivos componentes, aplicando la ley de Le Chatelier:

1 / ( LII )m = ∑ Xi / (LII)i

y

1 / (LSI)m = ∑ Xi / (LSI)i

(LII)m y (LSI)m: Son los límites

inferior y superior para la mezcla,

respectivamente. Xi es la fracción por volumen del componente i en la mezcla. (LII)i y (LSI)i son respectivamente los límites inferior y superior de inflamabilidad del gas i. Cuando la mezcla de gases combustibles contiene inertes (CO 2 , N 2) el cálculo de los límites de inflamabilidad se realiza aplicando la Ley de Le Chatelier y utilizando los límites de inflamabilidad para las mezclas binarias de la Figura 1; en ésta el eje de las ordenadas corresponde a la relación volumen de gas inerte / volumen Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

37

de gas combustible y el de las abscisas a los intervalos de inflamabilidad de la pareja combustible + inerte. El siguiente ejemplo ilustra el procedimiento de cálculo.

Ejemplo. Calcular los limites de inflamabilidad de en aire de una mezcla con 80% de CH4 y 20% ce CO. Con los valores del LSI y LII del CH 4 y del CO que aparecen en la Tabla 10 se obtiene para la mezcla.

1 / LSI = 0.80 /15.0 + 0.20 / 74.0;

LSI = 17.8%

1 / LII = 0. 0 .80 /5.0 + 0.20 / 12.5;

LII = 5.7%

Ejemplo Calcular los límites de inflamabilidad para un gas con un contenido de H2 = 45%

O2 = 0.8%

CO = 35%

CO2 = 5%

CH4 = 9.2%

N2 = 5%

El primer paso consiste en determinar el porcentaje de aire equivalente a oxígeno que entra con el gas así: %O2 = 0.21 (%aire) % Aire = % O2 / 0.21 = 0.8 / 0.21 = 3.8% El contenido de N2 residual es 5 – 0.79 x 3.8 = 2.0%. La composición equivalente del gas es: H2

45%

CO

35%

CO2 5.2%

CH4 9.5%

N2

2.1%

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

38

El porcentaje de cada componente en la mezcla libre de aire se determina multiplicando por 100 / (100 – 3 .8) = 1.04 así: H2

46.8%

CO

36.4%

CO2 5.2%

CH4 9.5%

N2

2.1%

Con los limites de inflamabilidad extraídos de la Tabla 10 y de la Figura 1 se obtiene la siguiente tabla:

Componente o mezcla binaria

XI

Inerte / Combustible

LII %

LS I %

4.0

75.0

H2

0.468

CH4 + N2

0.116

0.22

5.2

15.8

CO + CO2

0.416

0.14

14.8

72.0

 Aplicando la ley de le Chatellier:

1 0.468 0.116 0.416 = + + (LII ) gas  4.0 5.2 14.8

(LII) gas  = 6.0%

1 0.468 0.116 0.416 = + + (LSI ) gas  75.0 15.8 72.0

(LSI) gas  = 51.6%

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

39

Figura1. Límite de Inflamabilidad de mezclas binarias

Fuente: Association Technique de l’ Industrie du gaz en France. La combustion des gaz et les flames. Colection de techniques gazifiers

Mínima Energía de Ignición. Es la cantidad de energía que es necesario suministrar a una mezcla combustible – aire para que la combustión se inicie auto - sostenga y propague. En otras palabras, es la energía requerida para que la mezcla alcance su temperatura de ignición. Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

40

La ignición en un volumen puede ser causado por un calentamiento local, a través de un dispositivo caliente o una chispa eléctrica. La combustión se inicia localmente en el punto de ignición y progresivamente va propagándose y transformando la sustancia inicial en productos de combustión. La propagación de la combustión puede ocurrir por detonación o deflagración, mecanismos que se estudiarán mas adelante.

La energía de ignición depende de los siguientes factores:

• Composición del comburente, si es Oxigeno puro en proporción estequiométrica, la energía de ignición requerida es menor que la de una, mezcla estequiométrica con aire.

• La presión de la mezcla, a menor presión para una composición determinada de combustible en la mezcla, la energía de ignición requerida es mayor.

La energía de ignición para mezclas estequiométricas de propano, butano y gas natural usando como comburente aire son: 0.30 mj, 0.38 mj y 0.34 mj respectivamente. En la Figura 2 se presenta para el metano el comportamiento de la energía de ignición en función de la fracción de combustible en la mezcla, composición del comburente y presión de la mezcla.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

41

Figura 2. Incidencia sobre la energía de ignición de la proporción de metano en la mezcla, para diferentes composición del comburente y presión

Fuente: Principles of Turbelent Fired Heat. Institut Francais du Petrole Publications

Punto de inflamación, Tif. Es la temperatura mínima requerida para que se inicie la formación de especies químicas, denominadas “Transportadores de cadena" encargadas de propagar las reacciones que se dan desde los reactantes hasta llegar a los productos finales de la combustión. El punto de inflamación varía con la composición del combustible, con la proporción combustible a comburente y con las condiciones de operación. Se determina experimentalmente.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

42

Punto de ignición, Tig. Es la temperatura mínima que debe alcanzar la mezcla combustible - oxidante para que se inicie la combustión y se auto - propague. Esta temperatura depende de la composición de la mezcla combustible - oxidante, de la presión y de la presencia de sensibilizadores, sustancias que disminuyen el punto de ignición) o de inhibidores(sustancias que lo aumentan). Se determina experimentalmente. El punto de ignición de un gas puro es menor cuando reacciona con Oxígeno puro que cuando lo hace con aire, la Tabla 10 presenta los puntos de ignición, en aire, para diversos gases combustibles.

3.6 Estimación de propiedades relacionadas con el contenido energético de un combustible gaseoso. Poder calorífico. El poder calorífico es la propiedad de combustión que informa acerca de la energía disponible por cantidad de combustible, por lo que resulta de interés en las transacciones comerciales, en los sistemas de transporte y distribución y en la especificación de las tecnologías de conversión energética.

El poder calorífico se define como la cantidad de energía liberada por un combustible cuando se queme estequiométricamente y los productos de combustión salgan a igual condición (presión y temperatura) a la que entran los reactivos. Para hidrocarburos e Hidrógeno, debido a la formación de agua en la combustión de estos, es necesario diferenciar entre poder calorífico superior y poder calorífico inferior  Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

43

El poder calorífico superior se define como la cantidad de energía liberada durante la combustión estequiométrica de un combustible y el agua en los productos de combustión se encuentra en fase líquida.

El poder calorífico inferior se define como la cantidad de energía liberada durante la combustión estequiométrica

y el agua en los productos de

combustión se encuentra como vapor. La diferencia entre el poder calorífico superior e inferior es el calor latente de vaporización del agua.

El poder calorífico de un combustible gaseoso puede expresarse en diferentes formas:

 Poder  calorífico  Poder  calorífico  Poder  calorífico

 Kw .h  Kcal   BTU   ,  ,  ,  Kmol   Kmol   Kmol  lbmol   MJ   Kw .h  Kcal   BTU  másico :  ,  ,  ,  Kg   Kg   Kg   Kg  molar  :

volumetric

 MJ 

:

 MJ   Kw .h  BTU   ,  , . m *3 m *3  ft *3

El poder calorífico de un combustible puede ser determinado por métodos directos o indirectos. Por métodos directos se requiere de un calorímetro, la determinación indirecta se basa en estimaciones a partir de la composición química del combustible, para ello existen normas internacionales que establecen un procedimiento de cálculo como la ISO 6947 y la ASTM D4891-89(2001). . Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

44

La estimación del poder calorífico de un combustible gaseoso requiere considerar  conceptos termoquímicos como el de calor de formación y reacción de un compuesto. A continuación se realiza una rápida revisión de estos conceptos.

Termoquímica. Se fundamenta en la aplicación de las leyes de la Termodinámica a los procesos durante los cuales se producen transformaciones químicas, siendo posible evaluar los efectos térmicos de las reacciones químicas. Para estimar las propiedades termodinámicas de un sistema es necesario fijar un estado de referencia. En aquellos sistemas que no experimentan cambios en su composición química durante una transformación, este estado puede ser elegido arbitrariamente no teniéndose efecto sobre los resultados. En sistemas reactivos, donde las composiciones iniciales y finales no son las mismas, es necesario tener  un estado de referencia común para todas las sustancias. Para el estudio de sistemas reactivos la Termoquímica fija el siguiente estado de referencia: temperatura 25°C (298°K) y presión absoluta de una atmósfera.

Calor de formación (h º f  ) .Es el calor absorbido o liberado cuando un compuesto se forma a partir de sus elementos. Si la formación del compuesto se realiza cuando se tenga una reacción exotérmica el calor de reacción es negativo, si la reacción es endotérrmica es positivo. El calor de formación también se denomina entalpía de formación, la cual puede considerarse como la entalpía de una sustancia en un estado especificado debido a su composición química.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

45

En Tabla 8 se presentan las entalpías de formación para varios compuestos a una 1 atm y 25°C, las cuales son utilizadas en el estado de las reacciones de combustión para estimar poderes caloríficos. En el estado de referencia de la termoquímica (1 atm y 25ºC) para los elementos estables (como O2, N2, H2 y C) se les asigna una entalpía de formación nula.

~

Entalpía total de un compuesto h  . Si un compuesto se forma a partir de los elementos estables y se encuentra a una temperatura diferente de 25°C, la entalpía total del compuesto dependerá de la entalpía de formación y del cambio ~

de entalpía sensible ∆h  con respecto a 25°C, por lo tanto:

~ ~ ~ ~ ~ ~ h  = h f º + ∆h  = h f  º + h T  − h 298

Si los compuestos se consideran como gas ideal, entonces:

~ ∆h =

∫

T 

298

~ C  p (T )dT 

En la literatura se reportan para diferentes compuestos este cambio de entalpía en función de una determinada temperatura. Conviene aclarar que los elementos estables si bien su entalpía de formación es nula, a una temperatura distinta de 25°C su entalpía total es diferente de cero. Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

46

~ ~ ~ Tanto h t , ∆h  y h  se expresan en: MJ  , Kcal  , BTU  . Kmol  Kmol  lbmol 

~

Calor o entalpía de reacción h rp  . Es el cambio de entalpía en una reacción estequiométrica a condiciones de una 1 atm y 25°C.

~ h rp  = H p  − H R  ~ H p  = n i h f  i  ° productos  ~ H R  = n i h fi reactivos  ~ ~ h rp  = n i h f  i  ° prod  − n i h f  i reactivos 

∑ ∑ ∑

∑

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

47

Tabla 8. Entalpías de formación de algunos compuestos

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

48

Ejemplo. Determinar el calor o entalpía de reacción o combustión de CH 4. Para ello planteamos la reacción estequiométrica, teniendo como comburente O 2 puro, aunque si se considera aire el resultado no se afecta, debido a que a 25°C y 1atm las entalpías de N 2 y O2 son nulas.

hrp CH4 CO2

2O2 2H2Og 25ºC y 1 atm

25ºC y atm

Reacción estequiométrica: CH  ~ 1 h f º CO2

~

4

+ 2 O 2 → CO

~ hrp

=

~ hrp

= 1(− 393520 ) − 2(285830 ) − 1(− 74850 )

~ hrp

= −890330  KJ  Kmol 

2

+  H  2 O (l  )

~

+ 2 h f º  H  O − 1 h f º CH  2

4

 KJ 

CH 4

De está manera se obtiene el calor de combustión de un combustible gaseoso puro.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

49

Poder calorífico y calor de reacción. Conocido el calor de reacción de un combustible, el poder calorífico superior se define como:

~ PCS  = −h rp  → KJ  Kmol 

Para determinar el poder calorífico inferior se tienen las siguientes opciones:

•

~ PCS  = PCi  + n H 2O  h fg H 2 O  ~ PCi  = PCS  − n H 2O  h fg H 2 O  → KJ 

n H 2O  :

Kmol 

coeficiente estequiométrico del agua en los productos de combustión.

~ h fg :

Calor latente de vaporización molar del agua a 25ºC y 1 atm.

• Determinar el calor de combustión asumiendo el H 2O en los productos en fase gaseosa.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

50

Ejemplo Determinar el PCS  y PCi  del CH4 ~  PCS  = −h fp ,

⇔

 H 2 O(l)

 PCS  = −(− 890330 ) = 890330  KJ   Kmol CH 4

Para el PCI

• El calor latente de vaporización del H 20 a: ~ 25ºC  y 1 atm → h fg  = 43961.4 KJ  Kmol H 2 O   PCi = 890330 − 2(43961.4 )  KJ   Kmol  H 2O  PCi = 802310  KJ   Kmol CH 4

•

~ hrp ~ hrp ~ hrp

=

~ ~ 1 h f º CO2 +2h f º (  g  )

) − 1 h~ f º  ) ⇔ H  O CH 4

2

(  g  )

= 1(− 393520 ) + 2(− 241820 ) − 1(− 74850) = −802310  KJ  Kmol 

~  PCi = − hrp

CH 4

= 802310  KJ  Kmol 

CH 4

Determinación del poder calorífico másico. Se define como relación entre la energía contenida por unidad másica de combustible, se obtiene así:

PCS M  =

PCS  M 

∧

PCi M  =

PCi  M 

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

51

Donde: PCSM y PCIM: poderes caloríficos másicos superiores e inferiores respectivamente en KJ  , Kcal  , kw .h  , BTU  Kg  Kg 

Kg 

lb 

M: peso molecular del combustible en

Kg  . Kmol 

Ejemplo. Determinar el PCS M Y PCIM para el CH4

 PCS  M   PCi M 

= =

890330

⋅

 KJ   Kmol 

⋅

= 55496 .5 KJ  Kg 

 KJ   Kmol 

= 50009.9 KJ  Kg 

16 .043  Kmol   Kg  802310

⋅

⋅

16 .043  Kmol   Kg 

Determinación del poder calorífico volumétrico . Se define como la relación entre la energía contenida por unidad volumétrica de combustible.

PCS  =

PCS  V *

∧

PCi  =

PCi  V * 

PCS: poder calorífico superior volumétrico en MJ 3 , KJ 3 , Kw .3h  , BTU  . 3 m * m *

m *

ft *

PCI: poder calorífico inferior volumétrico en MJ 3 , KJ 3 , Kw .3h  , BTU  . 3 m * m *

m *

ft *

3 3 3 V * : volumen molar definido a condiciones normal o estándar  m  st  , m  n  , ft  st 

Kmol  Kmol  lbmol 

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

52

Ejemplo: Determinar el PCS y PCI normal y estándar para el metano

Volumen normal:

R n T n  0.08314bar .m 3 273º K  = ⋅ V n  = P n  1.013bar .Kmol .º K  m 3n  V n  = 22.4 Kmol 

0.08314 ⋅ 288.6 1.013 Volumen estándar: m 3st  V st  = 23.7 Kmol 

V st  =

 PCS  =

890330

⋅

22.4

 KJ 

 Kmol   KJ 

890330

= 39746 .9

 KJ  m3 n

 Kmol  = 37566 .7   KJ  m 3 st  m 3 st 

 PCS  =

= 39.75

 MJ 

= 37 .60

 MJ 

23.7   Kmol 

802310

= 35.8

 Kmol   KJ  802310  Kmol  = 33852.7   KJ  m 3 st  m 3 st  23.7   Kmol 

= 33.8

22.4

 PCi =

m 3 st 

 KJ 

 Kmol  = 35817 .4  KJ  3 3 m n m n

 PCi =

m3n

 MJ  m

3

n

 MJ  m 3 st 

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

53

Determinación del poder calorífico de una mezcla de gases combustibles. Si se conoce la composición molar o el volumen de una mezcla el poder calorífico molar y volumétrico pueden ser determinado mediante las siguientes expresiones:

∑ y  PCS  PCi  = ∑ y  PCi  PCS  = ∑ y  PCS  PCi  = ∑ y  PCi  PCS  =

i 

i 

i 

i 

i 

i 

i 

i 

Donde: yi: fracción molar o volumétrica del componente i en la mezcla PCS i  , PCi i  . Poderes caloríficos molares superior e inferior respectivamente del

componente i en la mezcla. PCS i , PCi i  .Poder calorífico volumétrico superior e inferior respectivamente del

componente i en la mezcla. Para determinar los poderes caloríficos másicos se tienen las siguientes opciones:

• Determinados los poderes caloríficos molares, se calcula el peso molecular  de la mezcla, siguiéndose el siguiente procedimiento.

M  =

∑ y  M 

PCS M  =

i 

i 

PCS  M 

∧

PCi M  =

PCi  M 

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

54

Donde: M: peso molecular de la mezcla PCSM y PCiM: poderes caloríficos másico superiores e inferiores respectivamente de la mezcla

• La composición en volumen o molar se puede transformar en composición en masa, entonces:

∑ y  PCS  = ∑ y  PCi 

PCS M  = PCi M 

mi 

mi 

Mi 

Mi 

ymi: fracción en masa del componente i en la mezcla

Ejemplo. Determinar  PCS , PCi , PCS st , PCi st , PCS M , PCi M  de una mezcla de gases que tiene la siguiente composición en volumen: 85%CH 4, 10%C2H6 y 5%C02  M  = 0.85(16 .043) + 0.10(30.07 ) + 0.05( 44.01 ) = 18.8445 Kg  /  Kmol   PCS  = 0.85(890330 ) + 0.10(1559849 ) = 912765.4 KJ/Kmol   PCi = 0.85(802310 ) + 0.10(1427819 ) = 824745.4 KJ  /  Kmol   PCS  st  = 0.85(37 .60 ) + 0.10(66 .77 ) = 38.7645 MJ  /  m 3 ST   PCi st  = 0.85(33.80 ) + 0.10(61.01) = 34.9415 MJ  /  m 3 ST 

= (0.7236 (55496.48 ) + 0.1595(51873.96 ) ) / 1000 = 48.43 MJ  /  Kg   PCi M  = ( 0.7236 (50009.48 ) + 0.1595 (47483.21) ) / 1000 = 43.76  MJ  /  Kg   PCS  M 

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

55

Indice de Wobbe. Es la relación entre el poder calorífico del gas y la raíz cuadrada de la densidad relativa de este. Para ello generalmente se toma el poder  calorífico superior, por tanto:

W  =

PCS  d 

donde: d: es la gravedad especifica del gas. La gravedad o densidad especifica se define como la relación entre la densidad del gas y la del aire, medidas ambos a igual presión y temperatura; esto es:

d  =

 ρ g )P ,T   ρ a )P ,T 

Si el gas es ideal puede demostrarse que:

d  =

P  / R g T  P  / R a T 

⇒ d  =

Mg  Ma 

Donde: Mg: peso molecular del gas Ma: peso molecular del aire Para una mezcla de gases la gravedad especifica se define así:

dm  = Σy i d i 

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

56

En la Tabla 9 se presenta la gravedad especifica para gases puros y en la Tabla

6.1 para los gases naturales de Colombia.

En la literatura inglesa es frecuente encontrar el poder calorífico usado para definir  el índice de Wobbe como un promedio entre los poderes caloríficos superior e inferior. Si se usa como referencia el poder calorífico inferior, se tendrá:

W  =

PCI  d 

Para una mezcla de gases combustibles con composición volumétrica conocida el índice Wobbe de la mezcla queda definido por:

W  =

ΣY i PCS i  ΣY i d i 

Tabla 9. Densidad relativa de los componentes puros

Componente

Formula

D

Metano

CH4

0.5538

Etano

C2H6

1.038

Propano

C3H8

1.5222

Butano Normal

C4H10

2.0064

Isobutano

C4H10

2.0064

Pentano Normal

C5H12

2.4853

Isopentano

C5H12

2.4853

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

57

Etileno

C2H4

0.9684

Propileno

C3H6

1.4526

Butileno

C4H8

1.933

 Acetileno

C2H2

0.8975

Hidrogeno

H2

0.0696

Monóxido de C

CO

0.9669

Tomado de: Estimaciones del grupo de C y T del Gas En la ingeniería de combustión el índice Wobbe es de gran utilidad en la siguientes situaciones: -

Cuando se requiere sustituir un gas combustibles por otro, para tener la misma rata calórica en el sistema de combustión, se debe garantizar que los índices de Wobbe de los gases sean iguales, es por ello que este índice es uno de los principales parámetros en la intercambiabilidad de los gases.

-

Cuando se requiere estimar la energía disponible en la unidad de tiempo en un gasoducto o red de distribución, esta magnitud es directamente proporcional al índice de Wobbe.

Ejemplo Determinar el Índice de Wobbe de una mezcla cuya composición en volumen es: 80% CH4, 10%C2H6 Y 10%CO2.

W  =

0.8PCS CH 4 + 0.1PCS C 2H 6 + 0.1PCS CO 2 0.8d CH 4 + 0.1d C 2H 6 + 0.1d CO 2

Donde W  = 44.11 MJ  / m 3 ST 

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

58

Temperatura de llama adiabática Es la máxima temperatura que alcanzan los productos de combustión cuando esta se realiza en condiciones estequiométrica y adiabática y no ocurren reacciones de disociación.

Si bien la temperatura adiabática nunca se alcanza en una combustión real, esta propiedad es de interés para propósitos comparativos e indicativos de ordenes de magnitud, como también en el estudio de fenómenos térmicos en la llama.

Para estimarla se considera que una mezcla, combustible – comburente entra a una cámara de combustión a 1 atm y 25°C, donde ocurre una reacción estequiométrica sin pérdida de calor a los alrededores, de tal forma que el calor  liberado calienta a los productos de combustión a una temperatura de salida, que es la temperatura de llama adiabática, entonces

CxHy

1

CO2 H2O N2

aire 25ºC

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

59

 Al aplicar la primera ley de la Termodinámica, considerando despreciable los cambios de energía cinética y potencial se tiene:

Q  / 0 = H p  − H R  ⇔ H p  = H R  ~ ~ ~ ⇒ n i  h f  + ∆h  prod  = n i  hf ºi  + ∆h  react 

∑ (

)

∑ (

)

Si el combustible y comburente entran a la cámara a 25°C, ∆h  = 0 en los reactivos, por lo tanto:

~ ~ ~ ~ ~ n CO 2 h f ºCO 2 + ∆h  + n H 2O  h f ºH 2O ( g ) + ∆h  +n N 2 ∆h  = h f ºC x H y 

~

∆h  = f (T ) , con iteraciones en la ecuación anterior se determina la temperatura que satisfaga la igualdad, la cual es la temperatura de llama adiabática del combustible considerado.

Si el comburente es O2 puro, entonces la ecuación de balance n N  ∆h  = 0 , lo cual 2

repercute que en estas condiciones se tiene una mayor temperatura de llama adiabática.

En la Tabla 10 se presentan las temperaturas de llama adiabática para diferentes combustibles teniendo como comburente aire.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

60

Tabla 10. Punto de ignición, temperatura de llama adiabática y limites de inflamabilidad para gases combustibles límites de

Temperatura

inflamabilidad % en

Punto de Ignición

De llama

volumen de gas en

(en aire)

Teórica

mezclas aire - gas

°C

( en aire) °C

inferior

superior  

METANO

632.0

1918.0

5.0

15.0

ETANO

472.0

1949.0

2.9

13.0

PROPANO

493.0

1967.0

2.0

9.5

BUTANO NORMAL

405.0

1973.0

1.8

8.5

ISOBUTANO

475.0

2240.0

1.5

9.0

PENTANO NORMAL

284.0

2232.0

1.4

8.3

ISOPENTANO

425.0

2235.0

1.3

8.0

ETILENO

490.0

2357.0

2.7

32.0

PROPILENO

557.0

2321.0

2.0

10.5

BUTILENO

443.0

2301.0

1.6

10.0

ACETILENO

305.0

2632.0

2.5

81.0

HIDROGENO

572.0

2045.0

4.0

75.0

MONOXIDO CARBONO

609.0

1950.0

12.5

74.0

OXIGENO

***

***

***

***

NITROGENO

***

***

***

***

DIOXIDO CARBONO

***

***

***

***

290.0

1815.0

4.3

45.5

***

***

***

***

NOMBRE

SULFURO HIDROGENO AIRE

Tomado de: Referencia bibliográficas 1, 3, 4, 7.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

61

Temperatura de rocío La combustión de hidrocarburos (CxHy) e Hidrógeno produce vapor, el cual se encuentra como vapor en los productos de combustión. La temperatura a la cual se inicia la condensación del vapor de agua en los productos de combustión se denomina temperatura de rocio. Cuando se conoce la combustión estequiométrica de un C xHy y el H2 y la presión a la cual ocurre, es posible determinar la temperatura de rocio.

Ejemplo: Determinar la temperatura de rocio del CH 4 a la presión estándar 

CH 4 + 2O 2 + 7.52N 2 → CO 2 + 2H 2O  + 7.52N 2 y H 2O  =

V H 2O  P H 2O    2   = ⇒ P H 2O  = 1013mbr  ⋅   Vf ´ P st   10.52 

P H 2O  = 192.6 mbr  es la presión parcial en la mezcla de gases de

combustión.

Con la P H  O  = 192.6 mbr  de las propiedades del vapor del H 20, le corresponde 2

una temperatura de saturación de 59.2°C que es la temperatura de rocio. Otra opción es considerar que entre –50°C y 150°C, la siguiente expresión es válida para expresar la temperatura de saturación en función de la presión parcial de agua:

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

62

T  R

=

− 3928.5 − 231.67     P  H  O    ln 140974     2

Donde: TR: temperatura de saturación o rocio en °C P H 2O  : presión parcial del vapor de H2O en bar 

Si la presión absoluta es menor que la estándar la temperatura de rocio se disminuye, un caso de interés es cuando la combustión se realiza en sitios a gran altura sobre el nivel, en Tabla 11 se presenta la temperatura de rocio a diferentes altitudes para el metano.

Tabla 11. Efecto de la altitud sobre la temperatura de rocio ALTITUD

P atm (bar)

TR (°C)

0

1.013

59.26

1500

0.852

55.57

2000

0.805

54.39

2600

0.752

52.97

Fuente: Cálculos del Grupo de C y T del Gas

Otro factor que afecta la temperatura de rocio es el exceso de aire, situación que será examinada mas adelante.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

63

En procesos industriales, comerciales y residenciales donde se utilizan combustibles gaseosos, la temperatura de rocio tiene la siguiente importancia:

• Cuando se requiere evitar la condensación en los conductos de evacuación de humos, para prevenir el deterioro de los materiales constitutivos de estos por causa de la humedad.

• Cuando

se

requiera

implementar

sistemas

de

combustión

con

condensación, donde se necesita provocar la condensación del vapor de agua al interior del aparato, para aprovechar el calor latente de vaporización y mejorar la eficiencia de combustión.

3.7 Parámetros de un sistema de combustion Por sistema de combustión entenderemos todo equipo o artefacto donde al suministrarse un combustible y aire ocurre una combustión y la energía térmica liberada puede usarse directamente o transformarse a otra forma, en este contexto estamos haciendo referencia a un quemador atmosférico, una caldera, un horno y una máquina térmica. Los parámetros básicos para el diseño y ajuste de todo sistema de combustión son:

• Potencia térmica. Es la cantidad de energía por unidad de tiempo que se suministra con el combustible, dependiendo de si se define en función del poder calorífico superior, del poder calorífico inferior, másico o volumétrico, se tienen las siguientes expresiones:

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

64

P T  = Q *PCS *

& PCS M  P T  = m  & PCi M  P T  = m 

P T  = Q *PCi *

• Factor de aireación. Es la relación entre las cantidades de aire y combustible usados en un proceso real de combustión comparadas con la relación estequiométrica. Dependiendo de si las relaciones se expresan en términos volumétricos o másico, se tienen las siguientes expresiones:

n= n=

Qa´  Q g *Va

 R

=

& a´  m & g (ma ) m

Va

=

 R M  ma

n: factor de aireación 3 m  * Qa*: caudal de aire usado, normal o estándar,

h 

3 m  * Qg*: caudal de gas combustible suministrado, normal o estándar,

m *3aire  Va: volumen estequiométrico de aire, 3 m * gas  & a ´ : flujo másico de aire usado Kg aire  m  & g : flujo másico de gas, Kg aire  m 

h 

h 

ma: masa estequiométrica de aire Kg aire 

Kg gas 

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

h 

65

Si la combustión es estequiométrica R  = V a  ⇒ n  = 1 Si la combustión es con exceso de aire R  > V a  ⇒ n  > 1 El porcentaje de exceso de aire: e % = 100(n  − 1) Si la combustión es con defecto de aire  R < V a ⇒ n < 1 El porcentaje de defecto de aire e% = 100( 1 − n ) En la industria automotriz se trabaja con el factor de equivalencia φ, que es el inverso del factor de aireación.

φ  = 1

n 

Si φ  = 1 ⇔ mezcla estequiométrica Si φ  > 1 ⇔ mezcla rica en combustible Si φ  < 1 ⇔ mezcla pobre

3.8 Incidencia del exceso de aire sobre algunas propiedades de combustion Incidencia sobre la cantidad de humos húmedos y secos. El exceso de aire incrementa la cantidad de humus húmedos, como puede concluirse de la siguiente expresión para una combustión completa con exceso de aire:

V h  = Vf ´+(n  − 1)V a  m h  = mf ´+(n  − 1)m a 

V hs  = Vf  + (n  − 1)V a  m hs  = mf  + (n  − 1)m a 

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

66

Obsérvese que si la combustión es estequiométrica, el volumen de humos húmedo es igual al poder fumígeno húmedo del combustible, igual ocurre con la masa de humo húmedo. Como consecuencia del aumento del volumen de humus secos, el porcentaje de CO2 disminuye, como puede observarse en la siguiente expresión;

γ CO 2

=

V CO 2 V humus  sec os 

Como ya se demostró, el máximo porcentaje de CO 2 en la combustión de un hidrocarburo se obtiene cuando esta es estequiométrica.

Temperatura de rocío. El exceso de aire disminuye la temperatura de rocio, debido a que la presión parcial del H 2O disminuye como consecuencia del incremento del volumen de gases húmedo, teniéndose ahora la siguiente expresión para la presión parcial del agua:

P H 2O  =

V H 2O  V f  '+(n  − 1)V a 

En la Tabla 12 se presenta el efecto del exceso del aire sobre la temperatura de rocio para varios gases combustibles puros y algunos gases naturales a una presión de 1013 mbr.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

67

Tabla 12. Temperatura de rocío como función del factor de aireación (ºC) Gas

n=1

n = 1.1

n = 1.4

n = 1.8

n = 2.5

CH4

59.3

57.4

52.8

47.98

41.7

C2H6

56.3

54.4

49.8

45.1

39.1

C3H8

54.3

53.1

48.5

43.8

37.8

H2

72.8

70.98

66.2

61.3

54.9

Guajira

59.09

57.2

52.6

47.8

41.8

Cusiana

57.9

56.1

51.5

46.7

40.7

Fuente: Cálculos del Grupo de Ciencia y Tecnología del gas.

Temperatura de llama. El exceso de aire disminuye la temperatura de llama, ello se explica porque ahora se tendrá mayor masa de productos a calentar.

Ejemplo. Encontrar la temperatura de llama para el CH 4, cuando se tengan factores de aireación de 1.5 y 2.5. Reacción para n = 1.5, suponiendo combustión completa y no disociación:

CH 4 + 1.5(2)O 2 + 11 .29N 2 → CO 2 + 2H 2O  + O 2 + 11 .29N 2

Reacción para n = 2, suponiendo combustión competa y no disociación:

CH 4 + 2(2)O 2 + 15.04N 2 → CO 2 + 2H 2O  + 2O 2 + 15.04N 2

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

68

 Al aplicar Hp = HR, debido a que el proceso es adiabático, se tiene

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ (1) h f CO 2 + ∆h CO 2 + 2 h f H 2O  + ∆h H 2O  + 22.56∆h N 2 + ∆h O 2 = 1 h f CH 4

[

] [

]

[

~ ~ ~ ~ ~ ~ (1) h f CH 4 + ∆h CO 2 + 2 h f H 2O  + ∆h H 2O  + 30.08N 2 + 2∆h O 2 = 1 h f CH 4

]

Los valores de temperatura que satisfacen estas dos ecuaciones cuando se realizan las iteraciones para los factores de aireación 1.5 y 2 son 1789.24 ºC y 1480.96 ºC respectivamente.

4. Ejercicios Propuestos 1. Para una mezcla 50% CH4 y 50% C3H8, cuando se quemen con factores de aireación de 1, 1.3 y 1.5. Encontrar: 1.1 La temperatura de llama adiabática, si el comburente es O2 puro. 1.2 La temperatura de llama adiabática, si el comburente es aire 1.3 La temperatura de rocío. 1.4 Analizar el efecto del exceso de aire sobre estas propiedades. 2. Aire a 80% de humedad relativa y temperatura de bulbo seco de 32ºC, se utiliza en un sistema de combustión del CH4, encontrar: 2.1 La ecuación estequiométrica de la reacción. 2.2 La temperatura de rocío de CH4 en estas condiciones. 2.3 Analizar la incidencia de la humedad en la temperatura de rocío. 3. Ubicar en el intervalo de inflamabilidad el valor de la mezcla estequiométrica para los siguientes gases: CH4, C2H6, C4H10, C3H8, CO y H2. Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

69

4. Si se supone que los parámetros de flujo (presión, temperatura) y los factores que afectan la restricción al flujo (viscosidad, rugosidad, longitud y diámetro de tubería) permanecen inalterables, analizar la disponibilidad energética en la unidad de tiempo, cuando en una red de distribución se sustituye gas de la Guajira por el de Cusiana. 5. Si se suponen que los parámetros de flujo (presión menor de 100 mbr y temperatura) y los factores que afectan la restricción del flujo (configuración geométrica y diámetro del inyector)

permanecen inalterables, comparar la

potencia térmica cuando en un quemador se sustituye gas natural de la Guajira por Propano comercial. (60% C3H8 y 40% C4H10) 6. Desde el punto de vista de la facilidad para iniciar la combustión en una mezcla de aire – gas, examinar la relación entre el intervalo de inflamabilidad y energía de ignición. 7. Un Diesel para caldera (Fuel Oil N. 2) tiene la siguiente composición en base seca, en porcentaje en masa: C = 85.6%, H = 12%, S = 2.2%, Impurezas = 0.2% 7.1 Encontrar la relación estequiométrica aire combustible en: m 3 st aire  Kg combustibl e 

Kg aire  Kg combustibl e 

m 3st aire  galón combustibl e 

7.2 Volumen y masa de humus húmedo en: m 3st humus  galón combustibl e 

Kg humus  Kg combustibl e 

7.3 Porcentaje máximo de CO2 en humus seco. Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

70

7.4 Temperatura de rocío. 7.5 Poderes caloríficos superiores e inferiores en: MJ  Kg 

MJ  lbm 

BTU  BTU  lbm  gal 

8. Para el gas natural de la Guajira determinar todas las propiedades de combustión estudiadas. Para los poderes caloríficos y temperatura de llama utilizar las entalpías de formación.

9. Una mezcla de gases está constituida por 70% CH4, 20% CO2 y 10% C3H8. (porcentajes en volumen). 9.1 Encontrar el intervalo de inflamabilidad de la mezcla. 9.2 Si por algún método físico – químico se retira el CO2, encontrar el intervalo de inflamabilidad. 10. En un sistema industrial, que puede trabajar con gas natural de la Guajira y un factor de aireación de 1.1, aire propanado sustituto del gas de Guajira con un factor de aireación de 1.1 y Fuel Oil No. 2 con un factor de aireación de 1.3, manteniendo siempre constante la potencia térmica, comparar.

• El consumo de aire de combustión. • El caudal de humos de combustión.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

71

11. En el manejo de los combustibles gaseosos discutir la importancia de las siguientes propiedades de combustión:

• Densidad relativa. • Indice Wobbe. • Temperatura de ignición. • Intervalos de inflamabilidad. • Temperatura de rocío. Tenga en cuenta los siguientes criterios: seguridad, potencia disponible, posibilidades de combustión y eficiencia.

12. Si se dispone de una corriente de gases de combustión del gas natural de Guajira con un flujo másico de 0.5038 Kg/s y una composición molar de O 2 de 18%. Para garantizar una combustión estequiométrica, suponiendo que las condiciones aerodinámicas de la cámara garantizan un correcto mezclado entre el gas natural y los productos de combustión. ¿Cuál será la potencia térmica obtenible en este sistema de poscombustión que utiliza como comburente el oxigeno obtenido en los gases de combustión?

13. Un biogas obtenido en un biodigestor tiene la siguiente composición en volumen: 35% CO2 y 65% CH4. determinar las siguientes propiedades de combustión: 13.1

Volumen standard y masa estequiométrica de aire.

13.2

Volumen standard y masa de humos húmedos.

13.3

Porcentaje máximo de CO2

13.4

PCSV, st , PCIV, st , PCSm , PCIm

13.5

Indice de Wobbe

13.6

Temperatura de rocío. Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor 

Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

72

14. A continuación se describe una situación, teniendo en cuenta sus implicaciones usted debe señalar las aseveraciones correctas. 14.1

Cuando se tiene una mezcla estequiométrica de aire y un

hidrocarburo gaseoso, se cumple que:

• La energía de ignición es mínima. • La temperatura de llama adiabática es máxima. • La relación entre el Vco2 y el Vhumos secos es máxima. • La temperatura de rocío es máxima. 14.2

Se tiene inicialmente una mezcla de CH4 + C3H8, si se adiciona

CO2, entonces:

• El poder calorífico superior volumétrico aumenta. • El poder calorífico inferior másico disminuye. • El límite superior de inflamabilidad aumenta. • El límite inferior de inflamabilidad disminuye • El volumen de humos húmedo disminuye 14.3

El intervalo de inflamabilidad del H2 es de 4 - 75, la temperatura de

ignición es de 572°C y el volumen estequiométrico es de 2.38, entonces:

•

Si en una mezcla H2 + aire la temperatura es de 572°C, y el porcentaje de H2 en volumen es de 80, ocurrirá combustión.

•

Si en una mezcla de H2 + aire, la temperatura es de 562° y el porcentaje de aire es 25%, no ocurrirá combustión

•

Si en una mezcla de H2 + aire, la temperatura es de 572°C, y el porcentaje de aire es de 50%, si ocurrirá combustión.

•

Cuando la composición de H2 + aire, corresponde al límite inferior de inflamabilidad el factor de aireación es mayor que uno. Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor 

Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

73

14.4

El gas de guajira tiene una temperatura de rocío de 59.69 °C cuando

la mezcla es con aire estequiométrica.

•

Si en una chimenea de un calentador de agua los productos de combustión se enfrían a 50°C, se presenta condensación.

•

Si se enfrían a 70°C no habrá condensación.

•

Si la mezcla se realiza con un exceso de aire y los gases se enfrían a 59.09, puede asegurarse que no habrá condensación.

14.5

El volumen estequiométrico del gas de guajira es de 9.44mt3st aire /

mt3stgas, entonces la cantidad de aire necesario para tener una combustión estequiométrica en Medellín es:

• • • 14.6

9.44 * 9.44 *

1013 852 852 1013

9.44

Cuando se comparan gases de la segunda y la tercera familia, se

encuentra:

•

Los gases de segunda familia tienen menor índice de Wobbe

•

El PCS y PCI de los gases de tercera familia son mayores.

•

Los gases de segunda familia son mas pesados.

•

Los gases de segunda familia requieren mayor volumen estequiométrico de aire.

•

Los gases de tercera familia son perfectamente intercambiables con los gases de segunda familia

14.7

La combustión estequiométrica del CH4, produce 1 mt3st de CO2 y

10.52 mt3st de humos húmedos. Si los productos de combustión se Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

74

descargan en un recinto, al monitorear el aire se encuentra 1% CO2, entonces:

• El contenido de O2, en el aire viciado es de 21% • El contenido de O2 en el aire viciado es de 1%. • El contenido de O2, en el aire viciado es de 18.78% 14.8

Si almacena gas natural de la guajira (PCS = 53.92 MJ/Kg, d =

0.567), en un cilindro de 2 mt3 a una presión de 200 bar y 30 °C, en iguales condiciones se almacena H2 (PCS = 39.4 Kwh/Kg , d = 0.069), entonces:

• El cilindro que contiene H2 tiene menos masa. • En el cilindro que contiene gas natural existirá mayor cantidad de energía.

• En el cilindro que contiene H2 existirá mayor cantidad de energía.  Ambos cilindros tienen igual cantidad de energía.

Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia

75

BIBLIOGRAFIA

1. Curso: Internacional

sobre

la

utilización domestica

de

los

combustibles gaseosos. Gas de France, Universidad de Antioquia, (Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas), Edición CESET. Medellín Agosto de 1993. 2. Andrés Amell, Elías Gómez y Lorenzo Barraza. “Tecnología de la Combustión de los Gases, Módulo 1, “CESET, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia”, Medellín 1994. 3. Association Technique de l’ Industrie du gaz en France. La combustion des gaz et les flames. Colection de techniques gazifiers, Paris, 1973. 4. Gaz de France, Combustibles gazaux et principles de la combustion, BT 104, Paris, 1992. 5. North American Combustion Handbook, V1. Third Edition, 1996. 6. William Bartlok and Adel F. Sarofin, “Fossil Fuel Combustion”. Jhon Wiley & Sons, Inc. 1991. 7. Brithis Gas. Combustion Engineering and gas utilisation, Third Edition, 1992. 8. Mannot G. Y otros. Principles of Turbelent Fired Heat. Institut Francais du Petrole Publications. Francia. 1985. 9. Grupo de Ciencia y tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía, Software para el cálculo de las propiedades de combustión, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, Medellín, 2000. 10. Amell Arrieta, Andrés. Gil B., Edison. Maya Rubén. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y URE. Revista Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia, noviembre, 1996. Prohibida la reproducción parcial o total sin autorización del autor  Andrés Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia