12 Ul Opu Bal Materia Procesos Clase Combustion

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UL UNIVERSIDAD DE LIMA FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIALCURSO: OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOSLECTURA COMPLEMENTARIA

PROCESO DE COMBUSTIÓN

INTRODUCCIÓNEl uso del calor generado por una reacción de combustión para producir corriente eléctrica enCentrales Termoeléctricas mediante un ciclo termodinámico es una de las mayoresaplicaciones del proceso de combustión. El análisis de los combustibles, de las reacciones yde los reactores de combustión ha sido una actividad importante que continúa en desarrollobuscando mejores tecnologías, de alto rendimiento en la conversión del calor -suministradopor el combustible-, en potencia eléctrica.En cuanto a los combustibles, existe una fuerte preocupación por la disponibilidad de ellos yaque los actuales combustibles utilizados en mayor cantidad son los combustibles fósiles,aquellos “no renovables”, término usado para referirse al petróleo, gas natural y carbón loscuales han requerido de cientos y cientos de años para que podamos contar con las actuales

reservas. Por tanto la preocupación hoy en día es la de identificar combustibles alternativos ydesarrollar la tecnología apropiada para su uso eficaz.

REACCIÓN DE COMBUSTIÓN:La combustión es una oxidación porque es la reacción entre el combustible y el oxígeno

COMBUSTIBLE + OXIGENO GASES DE COMBUSTIÓN + ENERGÍA CALORÍFICA

La combustión no es importante por los productos que se forman, si no por la energía que selibera durante estas reacciones EXOTÉRMICAS. La llama producida por la combustión es laque “lleva” toda la energía calorífica, la cual es transferida hacia otros sistemas para diversasaplicaciones como por ejemplo calentamiento (intercambio de calor), vaporización (generadorde vapor), otra reacción (endotérmica), etc.

1) Unidad de proceso y su representaciónLa unidad donde ocurre la combustión tiene como nombre genérico QUEMADOR aunquetambién se hace referencia a ella con los térmicos horno, convertidor, etc

Combustible

Aire O2

N2

Gases de combustión

Residuos

QUEMADOR

La llama que se observa enla figura son los gases decombustión a altatemperatura. Estos gasestransmiten calor a otro fluidoque fluye por los tubos. Es unintercambio de calor entre losgases de combustión y elfluido que va por los tubos



2) Materias primas y productos de la combustión

El reactivo principal se conoce como COMBUSTIBLE y contiene principalmente:Carbono (C)Hidrógeno (H)Pequeñas cantidades de oxígeno (O), azufre (S), nitrógeno ( N)Material inerte que no se oxida

Los combustibles son muy variados. Ejemplos de ellos:a) Sólidos: coque, leña, residuos de maderab) Líquidos: petróleo, gasolinac) Gaseosos: propano (C3 H8 ), gas natural (esencialmente CH4), hidrógen

o (H2)

El otro reactivo es el oxígeno que proviene del AIRE (fuente económica de oxígeno)El aire seco tiene una composición molar (o volumétrica) de 21% de O2 y 79% de N2.Esos serán los valores que utilizaremos aunque en la práctica éstos pudieran variar

por la presencia de otros gases como CO2, CO, etcLos productos de la combustión llamados gases de combustión o humos estáncompuestos generalmente por algunas o todas de las siguientes sustancias :

Dióxido de carbono CO2 . Cuando todo el carbono presente en el combustible seoxida a CO2, se dice que la combustión ha sido completa,

C + O2 CO2

Monóxido de carbono CO. Si hay presencia de CO en los gases de combustión sedice que la combustión ha sido incompleta.

C + ½ O2 CO

Agua H

2O. Esta sustancia se obtendrá si el combustible contiene hidrógenoH2 + 0.5 O2 H2O

Sin embargo, también saldrá agua en los gases de combustión si el aire está húmedoo si hay agua en el combustible

Nitrógeno N

2. La cantidad de nitrógeno que ingresa con el aire o eventualmente conel combustible, sale en los gases de combustión ya que este gas no reacciona enforma significativa con el oxígeno.

Oxígeno libre O

2. La cantidad de oxígeno libre está en función de la cantidad deoxígeno que se haya alimentado y la cantidad de carbono que en lugar de formarCO2, sólo se oxidó a CO, consumiendo menos oxígeno

Otros compuestos dependerán de la composición del combustible. Ej: SO2

Los residuosEstos se presentan generalmente cuando tenemos combustibles sólidos o líquidosque dejan residuos. Estos residuos contienen carbono , hidrógeno que no se¨quemaron¨ y otros compuestos que no participan de la reacción

3) Aire teórico y aire en excesoEl aire teórico y el alimentado se calculan en base al oxígeno teórico



El O2 teórico es la cantidad de oxígeno que se requiere para la combustión completadel carbono, hidrógeno, azufre

C + O2 CO2 H2 + 0.5 O2 H2OS + O2 SO2 N2 (con fines prácticos se considera que no hay reacción con el O2

El O2 en exceso es la cantidad en exceso de la requerida para la combustión completa

O2 exceso = (%exceso /100) O2 (teórico)

El O2 alimentado = O2(teórico) x (1 + %exceso/100)

El aire alimentado: O2(alimentado) x 100 / 21

Porcentaje de aire en exceso o Porcentaje de O2 en exceso

O2 en exceso O2 exceso% Aire en exceso = x 100 = x 100

O2 teórico O2 alimentado – O2 exceso

4) Análisis de gases de combustiónCon la finalidad de medir la eficiencia del quemador constantemente se suelen haceranálisis de los gases de combustión para determinar si hay mucha o poca presencia deCO. Si hay mucha presencia de CO nos está indicando que la combustión se aleja de sercompleta y por tanto la cantidad de calor que entrega el proceso es menor; se identifica lafalla y se busca corregirla.

Análisis Orsay: es un análisis de la composición molar (igual a la volumétrica) de lasgases de combustión sin incluir el agua

5) Presión parcial del vapor de agua en los humos (gases de combustión)

n V Pv=

n gases secos PT - PV

6) Balance de masa en procesos de combustión utilizando estequiometríaEjercicio 1

7) Balance de masa en procesos de combustión utilizando la técnica del balance porelemento

En esta forma de cálculo se utiliza nuevamente el concepto de contabilidad de masa;concretamente se utiliza la contabilidad de elementos y se aplica la igualdad siguiente

Cantidad de un elemento al entrar = cantidad del elemento al salir

El número de balances que puede realizarse es igual al número de elementos presentesen el proceso. El balance puede hacerse en moles o en masa

Ejemplo: Se quema un combustible que contiene 75% de Carbono y 25% de Hidrógeno(en masa). Por cada 100 kg de combustible se requiere una cantidad de aire tal que el



porcentaje en exceso de aire es del 25%. Determine las moles de cada sustancia en loshumos, si la combustión es completa

Base de cálculo: 100 kilogramos de combustible

Moles de carbono alimentadas = 75/12 = 6.25 kmolMoles de H2 = 25 / 2 = 12.5 kmolOxígeno teórico:

C + O2 CO2 6.25 kmol de O2

H2 + 0.5 O2 H2O 12.5 x 0.5 = 6.25 kmol de O2

O2 (teórico) = 6.25 + 6.25 = 12.5 kmol

O2 (aire) = 1.25 x 12.5 = 15.625 kmolN2 (aire) = 79 x 15.625 / 21 = 58.78 kmol

Para los gases de combustión:Moles de CO2 = moles de carbono en el combustible = 6.25 kmolMoles de H2O = moles de hidrógeno / 2 = 12.5 kmolMoles de N2 = moles de nitrógeno que entran(aire) = 58.78 kmol

Moles de O2 libre: (balance para el O2)moles de O2(aire) = moles O2 (en el CO2 y en H2O) + O2 (libre)

moles de O2(libre) = 15.625 – 6.25 – 6.25 = 3.125 kmol

X kg kmolC: 0.75 75 6.25

H: 0.25 25 25.

Total 100 31.25Q

Y kmol kgO2 0.21 15.625 500

N2 0.79 58.780 1 645.84

Total 74.405 2 145.84

kmol kg

CO2 6.25 275.

N2 58.78 1 645.84

H2O 12.5 225.

O2 3.125 100.

Total 80.655 2 245.84

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