mt.apuntes 2. combustión-combustible y emisiones

8/19/2019 MT.apunTES 2. Combustión-Combustible y Emisiones

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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO INGENIERIA MECANICA

ASIGNATURA MAQUINAS TERMICAS

APUNTES 2 DEL CURSO

Profesor: Ubaldo Zúñiga Q.

COMBUSTION, COMBUSTIBLES Y EMISIONES CONTAMINANTES

Un aspecto central en las máquinas térmicas, así como en general, en equipos e instalacionestérmicas, son los procesos de combustión que proveen la energía térmica necesaria para eldesarrollo de los diversos procesos que se llevan a cabo en ellos. El presente capítulo tiene porpropósito abordar precisamente esta importante temática en la que el combustible utilizado, lastecnologías empleadas, la calidad y cantidad de aire usado para la combustión y, comoconsecuencia las emisiones contaminantes y cantidad de gases emitidos son aspectos deespecial importancia en este análisis.

PROCESOS DE COMBUSTION

COMBUSTION: ES UNA REACCION QUIMICA ENTRE:COMBUSTIBLE Y AIRE (COMBURENTE)

RESULTADO: ALTO POTENCIAL DE CALOR (ENERGIA, Q) Y PRODUCTOS DE COMBUSTION

POR LO GENERAL EL PROCESO DE COMBUSTIÓN ES VISUALIZADO A TRAVES DE UNA LLAMA (OFLAMA).

Llama de un quemador diesel/gas en el hogar de una caldera


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Dpto. Ing. Mecánica MAQUINAS TERMICAS Prof. Ubaldo Zúñiga Q.

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COMBUSTION COMPLETA (teórica)STECHIOMETRICA Productos de combustión: CO2, H2O, N2

CON EXCESO DE AIRE Productos de combustión: CO2, H2O, N2, O2

COMBUSTION INCOMPLETAPOR DEFICIT DE AIRE Productos de combustión: CO2, CO,H20, N2

CON EXCESO DE AIRE Productos de combustión: CO2, CO, H2O, N2, O2

Los anteriores son los productos más elementales; en la práctica –combustión real- se agreganotros productos de combustión como son los óxidos nitrosos (NOx), hidrocarburos noquemados, material particulado (u hollín) y muchos otros, además, en combustibles quecontienen azufre, aparecen, óxidos de azufre, SOx (SO2/SO3), la mayoría de los cualesconstituyen emisiones contaminantes, al igual que el CO (además del CO2 y su efecto global).

COMBURENTE: PARA QUE OCURRA LA COMBUSTION DEL COMBUSTIBLE SE NECESITA UN“COMBURENTE” QUE EN LO COMUN ES AIRE ATMOSFÉRICO (MEZCLA DE OXIGENO Y NITROGENO, principalmente)..

AIRE SECO: 21% O2, 79% N2 ⇒⇒⇒⇒ 3.76 moles N2/O2

AL NITROGENO DEL AIRE SE le llama Nitrógeno atmosférico y se considera un gas inerte; esto es,que no reacciona químicamente.

TAMBIEN SE USAN COMO COMBURENTE:AIRE ENRIQUECIDO (con oxígeno), oOXIGENO PURO (oxicombustión)

DADA LA PARTICIPACION DEL OXIGENO, SE CONOCE TAMBIEN LA COMBUSTION OREACCION QUIMICA DEL COMBUSTIBLE COMO “OXIDACION” DEL COMBUSTIBLE

El CALOR (ENERGIA) generado en el proceso de combustión es, ciertamente el productobuscado; éste se presenta por medio de la llama y es transportado por los gases decombustión, los cuales, inevitablemente generan finalmente contaminación atmosférica.

COMBUSTIBLE:

LOS COMBUSTIBLES SON SUSTANCIAS ORGÁNICAS CAPACES DE LIBERAR ENERGÍA ENFORMA DE CALOR Y, EVENTUALMENTE LUZ, A TRAVÉS DE LO QUE SE DENOMINA UNPROCESO DE “COMBUSTIÓN” DEL COMBUSTIBLE.

PARA QUE ESTA COMBUSTIÓN SE PRODUZCA, DEBE EXISTIR UN ELEMENTOCOMBURENTE QUE PUEDE SER OXÍGENO PURO O AIRE.

SEGÚN SU FASE LOS COMBUSTIBLES PUEDEN ENCONTRARSE EN ESTADO SÓLIDO,LÍQUIDO O GASEOSO, PERO PARA COMBUSTIONARSE, CUALQUIERA SEA LA FASE EN QUESE ENCUENTREN, DEBEN ALCANZAR LA FASE GASEOSA.


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LO QUE SE BUSCA DE UNA COMBUSTION ES LA ENERGIA QUE LIBERA EL COMBUSTIBLE,EN FORMA DE CALOR; UNA CONSECUENCIA INEVITABLE, SIN EMBARGO, SON LOSGASES DE COMBUSTION QUE SON EMITIDOS A LA ATMOSFERA.

TIPOS DE COMBUSTIBLES:Una clasificación general de los combustibles (SOLIDOS; LIQUIDOS Y GASEOSOS), es la quesigue:

NATURALES: TURBA, CARBON, LEÑA Y DERIVADOS RESIDUOSAGRICOLAS

• SOLIDOSPRODUCIDOS (ARTIFICIALES): CARBON VEGETAL, COQUE,RESIDUOS URBANOS

• LIQUIDOS PRODUCIDOS: DERIVADOS DEL PETROLEO, OBTENIDOS PORBIOMASA (ALCOHOLES, BIOCOMBUSTIBLES), OBTENIDOS PORPROCESOS DE LICUEFACCION, OBTENIDOS POR SEPARACION DEESPECIES (HIDROGENO LIQUIDO)

NATURALES: GAS NATURAL• GASEOSOS

PRODUCIDOS: GASES PRODUCIDOS O MANUFACTURADOS,OBTENIDOS POR BIOMASA (BIOGAS), DERIVADOS DELPETROLEO (GLP), GAS NATURAL LICUADO (GNL)

(OBS.: NO SE CONSIDERAN COMBUSTIBLES NUCLEARES POR NOCORRESPONDER A PROCESOS DE COMBUSTION)

COMPOSICION DE LOS COMBUSTIBLES:Los elementos que contiene un combustible son de diversos tipos, los principales y necesariospara el proceso de reacción son carbono (C) e hidrógeno (H), pero además pueden contenernitrógeno, azufre y oxígeno. Como elementos adicionales contienen humedad (H2O) y materiamineral (MM, habitualmente conocida como “cenizas”). Según su composición se representancon una fórmula química que da cuenta de los elementos que participan en la reacción decombustión. Se pueden considerar los siguientes casos respecto de la composición y fórmulaquímica de los diversos combustibles:

• CASO GENERAL:

Elementos presentes: C, H, S, O, N, H2O y MM (CENIZAS)

FORMULA QUIMICA: CXHYOZNVSW (H2O y MM no se representan porque noparticipan de la reacción, lo que se indica como bssc).

• CASO PARTICULAR: Se tienen distintos casos

ALCOHOLES (metanol, etanol, otros): Fórmula química, CXHYOZ HIDROCARBUROS (derivados del petróleo): Fórmula química, CXHY COMBUSTIBLES SOLIDOS (carbón, leña): Fórmula química, CXHYOZNVSW COMBUSTIBLES GASEOSOS: Fórmula química: %s de distintos hidrocarburos (Ejp:

GLP: mezcla de propano (C3H8) y butano (C4H10).


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COMBUSTIBLES SOLIDOS:

CARBON: Lignito, Subbituminoso, Bituminoso, Antracita

LEÑA: Duras, Blandas.Contienen: Celulosa, Hemicelulosa y lignina (blandas más lignina)

ANALISIS INMEDIATOCOMPOSICION

ANALISIS ELEMENTAL

COMBUSTIBLES LIQUIDOS

1.- DERIVADOS DEL PETROLEO : El petróleo crudo es una mezcla de hidrocarburos(elementos de C e H) combustibles con contenidos menores de “impurezas” como azufre,materia mineral y otros. Según su procedencia pueden ser de base parafínica, aromática o

nafténica y mediante un llamado Proceso de Refinación, se obtienen distintos combustibles deuso común en diversos procesos de combustión (además de muchos otros productos) como:

Gasolinas,Kerosene (doméstico y de aviación),Petróleo DieselPetróleos combustibles pesados o industriales (5 y 6), entre otros.


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Como se señaló anteriormente, se usa para estos combustibles –llamados hidrocarburos- lafórmula química CxHy. Particularmente, sin embargo, los combustibles de menorrefinación como el petróleo diesel de uso en el sector transporte y en el sector industrial,así como, en menor medida en plantas termoeléctricas, y muy especialmente lospetróleos más pesados de uso industrial como el petróleo 5 y 6, contienen azufre,elemento altamente indeseable por sus efectos contaminantes. En menor medidacontienen también trazas de nitrógeno y, eventualmente oxígeno.

2.- ALCOHOLES: Pueden ser obtenidos de productos vegetales o minerales y en sucomposición contienen porcentajes de C, H y O. Entre éstos existen:

Metanol, Etanol, Isobutanol, Isopropanol

FORMULA QUIMICA : CxHyOz

3.- Biocombustibles; en particular, Biodiesel: El biodiésel es un biocombustible que seobtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin usoprevio, mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica enla preparación de sustitutos totales o parciales del petróleo diesel. Corresponde a una reacciónquímica entre esta grasa o aceite y un alcohol, siendo el metanol el más utilizado. De estareacción se obtienen dos productos: el biodiesel que es una“mezcla de esteres metílicos de ácidos grasos” y la glicerina cruda.De acuerdo con el balance de masa de la reacción, de unatonelada de aceite se obtiene del orden de un 90% biodiésel y 10%glicerina cruda. Los elementos que contienen son C, H y O.La estructura es del tipo que se muestra en la figura.

COMBUSTIBLES GASEOSOSExisten los distintos tipos de gases que se señalan a continuación:

GAS MANUFACTURADO (I Familia) : Es el gas de cañería o gas ciudad y lo compone unamezcla de hidrocarburos gaseosos además de otros gases productos de combustión. A saber:Metano CH4 (


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ECUACIONES (REACCIONES) QUIMICAS:

COMBUSTIBLE + AIRE = CALOR + PRODUCTOS DE COMBUSTION

COMBUSTIBLE + AIRE (COMBURENTE) : Se llaman REACTIVOS

PRODUCTOS DE COMBUSTION: Son llamados simplemente, PRODUCTOS

CALOR: CALOR DE REACCION DEBIDO A LA COMBUSTION (CALOR DE COMBUSTION)

Toda combustión (proceso de combustión), se expresa a través de una ecuación químicaque, específicamente, la representa. En ella:

1.- Debe hacerse el “balance” correspondiente en términos del número de molesde cada especie.

2.- Cuando la combustión es con aire, por cada mol de oxígeno (O2) hay 3.76moles de N2 (el N2 se considera gas inerte; esto es, que no reacciona).

3.- En una combustión “completa”, el C del combustible reacciona con el O2formando CO2 y el Hidrógeno forma H2O.

AIRE ESTEQUIOMETRICO (o AIRE TEORICO) PARA LA COMBUSTION: Se llama así a lacantidad mínima de aire que se necesita para “quemar” (oxidar) completamente alcombustible. En una combustión con aire estequiométrico, el combustible reacciona conel equivalente a un 100% de aire teórico.Que el combustible se queme completamente significa, como ya se señaló, que todo el Cdel combustible forma CO2 y todo el H del combustible forma H2O. Se habla en estecaso, de una combustión completa.

Ejp.: REACCION DE METANO (CH4) CON AIRE ESTEQUIOMETRICO.-

CH4 + (O2 + 3.76N2) ____ > CO2 + H20 + 3.76N2 Ec. no balanceada

CH4 + 2 (O2 + 3.76N2) ____ > CO2 + 2H20 + 2x 3.76N2 Ec. Balanceada

Nº DE MOLES DE O2 DE AIRE NECESARIOS PARA ESTA COMBUSTION = 2Nº DE MOLES DE N2 DE AIRE QUE ACOMPAÑAN LA COMBUSTION = 2X3.76

Nº TOTAL DE MOLES DE AIRE EN ESTA COMBUSTION:

naire = 2 + 2x3.76 = 9.52 moles de aire/mol de CH4

Masa de aire, m (n x M): maire = 2x32 + 2x3.76 x 28 = 274.56 Kgm de aire

O también: maire = 9.52 x 28.95 = 275.6 Kgm de aire

m de productos = ⅀⅀⅀⅀ n*M = 1*44 + 2*18 + 2*3.76*28 = 290.56 Kgm de gases

Relación aire-combustible, RAC.- Es la relación entre la masa (o moles) de aire y la masa (omoles) de combustible, así, para el caso del ejemplo:


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RACmolar =

= 9.52 moles aire/mol combustible

RACmasa =

= 18.16 Kgm aire/Kgm combustible

REACCIONES PARTICULARES:

1.- REACCION DE CARBONO CON OXIGENO:

C + O2 ⇋⇋⇋⇋ CO2Reactivos Producto

1 mol de C reacciona con 1 mol de Oxígeno para formar 1 mol de dióxido de carbono

2.-REACCION DE MONOXIDO DE CARBONO Y OXIGENO:

CO + ½ O2 ⇋⇋⇋⇋ CO2

1 mol de CO reacciona con ½ mol de oxígeno para formar 1 mol de CO2

CALOR LIBERADO EN UNA REACCION QUIMICALa energía térmica (calor) que se busca de las reacciones de combustión provienenprincipalmente de las reacciones exotérmicas (que liberan calor) del carbono y del hidrógeno(por ello los combustibles que más liberan calor son los que contienen mayor porcentaje deesos elementos). Las reacciones principales y el calor que liberan son:

C + O2 ⇒⇒⇒⇒ CO2 + 32.800 KJ/Kg de C

2H2 + O2 ⇒⇒⇒⇒ 2H2O + 121.000 KJ/Kg de H2

En los combustibles que contienen azufre, este elemento también libera calor en su reacción, locual es del tipo:

S + O2 ⇒⇒⇒⇒ SO2 + 9.260 KJ/Kg de S

EN UNA REACCION QUIMICA LA MASA TOTAL SE CONSERVA (ley de conservación demasa). LAS PROPORCIONES EN MASA SE OBTIENEN MULTIPLICANDO LOS MOLES DECADA COMPONENTE POR SU PESO MOLECULAR RESPECTIVO (m=n x M)

Ejp.- C + O2 ⇋⇋⇋⇋ CO2

12 Kgm C + 32Kgm O2 44 Kgm CO2


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OBS.: Sentido de las flechas en la ecuación de reacción. LAS FLECHAS DEBEN INDICAR ELSENTIDO DE LA REACCION. A “BAJAS” TEMPERATURAS (CASO MAS COMUN), LAREACCION VA DE IZQUIERDA A DERECHA LO QUE SE INDICA CON: ⇀⇀⇀⇀

A TEMPERATURAS ELEVADAS, EL SENTIDO SE INVIERTE, LO QUE SE INDICA: ↽↽↽↽ (CORRESPONDE A UNA SITUACION DE DISOCIACION DE COMPUESTOS OSUSTANCIAS, LO CUAL SIGNIFICA QUE UN COMPUESTO –POR EJEMPLO CO2- SE

DISOCIA [SE SEPARA] A C y O2. LA DISOCIACION DEL CO2 LLEGA A SERIMPORTANTE (SE PRESENTA) A TEMPERATURAS CERCANAS A LOS 1930ºC -UNOS3500ºF- Y LA DEL H20 LO ES SOBRE LOS 2480ºC -UNOS 4500ºF-).

El caso más general es que se presenten ambas situaciones por lo que, se utiliza doble flecha;

esto es: ⇋⇋⇋⇋ Así una reacción típica es: A + B ⇋⇋⇋⇋ C + D

AIRE EN EXCESO Y DEFICIENCIA (DEFICIT) DE AIRE:

Debido a que para quemar completamente un combustible debe disponerse siempre de unacantidad minima de aire (oxigeno) y los procesos de mezcla homogénea entre el combustible y

el aire no necesariamente permiten que cada elemento reactivo del combustible obtenga eseminimo requerido, se hace necesario suministrar una mayor cantidad de aire que la mínimarequerida de manera de asegurar la disponibilidad de oxigeno que pueda quemarcompletamente al combustible. A esta mayor cantidad de aire se le llama “exceso de aire” y seexpresa como porcentaje por sobre el 100% correspondiente al aire estequiométrico,apareciendo oxígenos libres en los productos.

Ejp: 10 % de exceso o 110% de aire en la combustión del metano:

CH4 + 2 (O2 + 3.76N2) ⇋⇋⇋⇋ CO2 + 2H20 + 2x 3.76N2 (Ecuación de 100%)

CON 110% DE AIRE:

CH4 + 2x1.1(O2 + 3.76N2) ⇋⇋⇋⇋ CO2 + 2H20 + 0.2x O2 + 2x1.1x 3.76N2

A PESAR DE HABER EXCESO DE AIRE, EN LOS PROCESOS REALES, DEBIDO ADIVERSOS FACTORES QUE TOMAN PARTE EN UN PROCESO DE COMBUSTION,IGUALMENTE NO SE LOGRA UNA COMBUSTION COMPLETA FORMANDOSEMONOXIDO DE CARBONO, CO. SE HABLA EN ESTE CASO DE UNA COMBUSTION“INCOMPLETA”.

Para obtener la ecuación química en una combustión incompleta con exceso de aire, serequerirá por lo general información adicional; por ejp., como la entregada por un analizador degases de combustión u otro antecedente.

Ejp. Consideremos el mismo caso anterior de la combustión de CH4 con exceso de aire perocon combustión incompleta. Asumiremos que el carbono del combustible se quema sólo en un95% (esto significa que el 95 % forma CO2 y el 5 % restante forma CO) Así se tendrá:

CH4 + 2 (O2 + 3.76N2) ⇋⇋⇋⇋ CO2 + 2H20 + 2x 3.76N2 (100%)


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CH4 + 2x1.1(O2 + 3.76N2) ⇋⇋⇋⇋ 0.95CO2 + 0.05CO + 1.225O2 + 2H20 + 2x1.1x3.76N2

Cuando en un proceso de combustión se suministra una cantidad de aire menor que el mínimonecesario, hablamos de una “deficiencia” (o “deficit”) de aire y en tal caso la combustión serálógicamente incompleta (aparece CO en los productos). Se expresa como porcentaje de aireteórico por debajo del 100% o como un porcentaje de déficit. ejp:

90 % DE AIRE TEORICO ó 10 % DE DEFICIT.

EN ESTE CASO LA EC QUIMICA PARA EL METANO SERA:

CH4 + 2 (O2 + 3.76N2) ____ > CO2 + 2H20 + 2x 3.76N2 (100%)

CON 10 % DE DEFICIT: CH4 + 2x0.9(O2 + 3.76N2) ____ > 0.6 CO2 + 0.4CO + 2H20 + 2x 3.76N2

Notas:1.- La proporción entre la cantidad de aire real y la estequiométrica necesaria se conoce como coeficiente

de exceso de aire Lambda (se designa con la letra griega "λ"). Si λ > 1 hay exceso de aire y si λ < 1 haydeficiencia o déficit de aire.2.- En el caso particular de motores de combustión interna se usa un término conocido como factorlambda, con el que se designa la proporción aire / combustible (en peso) en forma de mezcla que entra alcilindro de un motor de ciclo Otto, comparada con la proporción estequiométrica de la mezcla ideal, (quees de prácticamente 15 [14,7] partes de aire en peso por 1 parte de combustible en peso). Si Lambda esigual a 1, la mezcla es la teóricamente ideal. Si es menor, es una mezcla rica en gasolina (déficit de aire);si es mayor, es una mezcla pobre en gasolina (exceso de aire).

EN SUMA:1) EN UNA COMBUSTION COMPLETA CON EXCESO DE AIRE LOS PRODUCTOS DE

COMBUSTION SERAN:CO2, H20, O2 y N22) SI LA COMBUSTION ES INCOMPLETA CON EXCESO DE AIRE LOS PRODUCTOS SERAN:

CO2, CO, H20, O2 y N23) EN UNA COMBUSTION CON DEFICIT DE AIRE LA COMBUSTION ES INCOMPLETA Y LOSPRODUCTOS SERAN:

CO2, CO, H2O y N2

OBS. : EN CUALQUIER CIRCUNSTANCIA DEBE EVITARSE USAR UN GRAN EXCESO DEAIRE PORQUE EL OXIGENO Y NITROGENO ADICIONAL ABSORBEN ENERGIA DELSISTEMA CON LO QUE DISMINUYE LA TEMPERATURA DE LOS PRODUCTOS.

El exceso de aire puede representarse por la relación:

Mientras mayor es el exceso de aire, menor es la probabilidad de una combustión incompleta, perotambién disminuye la temperatura de la reacción y la eficiencia térmica del proceso. Por lo tanto, sedebe tratar de emplear el exceso de aire mínimo para que se queme la totalidad del combustible.


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Existen diversas recomendaciones, según la tecnología y tipo de combustible usado, para lacantidad de exceso de aire que debe emplearse de manera de lograr una máxima eficiencia. Enel cuadro que se muestra a continuación se entrega un ejemplo de lo indicado.

Fuente: Testo S.A.

Otros valores (Fuente: Metrogas):

Tipo de Aplicación% Exceso de

Aire(a)% CO (b) Observaciones

Calderas de Vapor: Igneotubulares,

Acuatubulares y de Agua Caliente10-30% La resonancia puede ser un problema.

Hornos muflas 5-25%


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Hornos para fundición de cobre, hierro y

sus aleaciones


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Las figuras siguientes muestran un “diagrama de combustión”, en el que se representan loscomponentes CO2, CO y O2, donde se pueden observar las correlaciones entre dichos gases,en función del exceso o déficit de aire (es decir, en función de λ).

Los gases de combustión, particularmente CO2, CO y O2,pueden medirse en la fuente emisora a través de algúninstrumento como el que se muestra en la figura lateral.

NOTA :

La medición del exceso de aire puede ser errónea si existe un ventilador de tiro inducido

no balanceado. Al haber presión negativa en la chimenea entrará aire que distorsionará

la medición.


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EFECTOS PRACTICOS REALES EN EQUIPOS POR VARIACIONES EN LOS EXCESOS DE AIRE

TEMPERATURA DE PUNTO DE ROCIORecordemos que la relación entre el número de moles del componente “i” de una mezcla degases y el número total de moles de la mezcla corresponde a la fracción en moles delcomponente i y que esta fracción molar, es igual a la fracción en volumen (considerados comogases ideales) así como también a la relación entre la presión parcial del componente y lapresión total de la mezcla. Esto es:

yi = ni / n = vi /v = pi / p Fracción molar del componente “i” de una mezcla


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Pi obtenido de Tablas de vapor a la Tsat

Por lo que, para obtener la Temperatura del punto de rocío, TPR, en los gases de combustión,bastará con determinar la presión parcial del agua en los productos.

Ejp.:En la combustión completa de CH4 con 10 % de exceso de aire, antes vista, obtener la T del punto de

rocío si la presión es 1.035 kg f /cm2.La ecuación de reacción es:

CH4 + 2x1.1(O2 + 3.76N2) ____ > CO2 + 2H20 + 0.2x O2 + 2x1.1x 3.76N2 El total de moles de productos (gases) de combustión es:

ngases = 1 + 2 + 0.2 + 8.272 = 11.472 El análisis molar de los productos es:

CO2 = 1/11.472 = 8.7 % (Esto corresponde al porcentaje de CO2 en los gases) H2O = 2/11.472 = 17.43 % (Porcentaje de H2O en los gases) O2 = 0.2/11.472 = 1.74 % (Porcentaje de O2 en los gases) N2 = 8.272/11.472 = 72.1 % (Porcentaje de N 2 en los gases)

100 % La PpH2O= 1.035 x 0.1743 = 0.1804 kg f /cm

2, Luego T = TPR = 58 ºC La temperatura de los gases de combustión siempre debe mantenerse por encima del punto de rocíohasta su descarga en la atmósfera.

RELACION AIRE-COMBUSTIBLE, RAC y EXCESO DE AIRE

Recordemos que el RAC puede expresarse en base molar o en base masaRAC = moles aire/moles combustible Base molarRAC = masa de aire/masa de combustible Base masa

Puede calcularse el porcentaje de aire usado en una combustión a través de la relación entre laRAC de la combustión real y la RAC de la combustión estequiométrica con:

% de aire en la combustión = RACreal/RACesteq

PRIMERA LEY DE LA TD APLICADA A LOS PROCESOS DE COMBUSTION:

1 era LEY: Q + W = ∆E; E = ET + EC + EP ; ET = E Térmica

EN UNA REACCION QUIMICA PUEDE OBTENERSE EL CALOR LIBERADO POR LACOMBUSTION APLICANDOSE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA, SI SE TIENEPRESENTE QUE OCURREN CAMBIOS EN LA COMPOSICION DURANTE EL PROCESO(Sólo se considera ET. ; EC = EP = 0).

PARA ELLO LA TECNICA ES SUPONER QUE LA ENTALPIA DE TODOS LOS ELEMENTOSES CERO EN UN ESTADO DE REFERENCIA QUE PARA TODOS LOS CASOS ES DE 25 ºC(77 ºF) Y 1 ATM DE PRESION.

EN EL CASO DE UN COMPUESTO, LA ENTALPIA DE FORMACION DE ESTE SERA SUENTALPIA EN ESE ESTADO DE REFERENCIA.


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PARA TODOS LOS CASOS A LA ENTALPIA EN EL ESTADO DE REFERENCIA SE LELLAMA “ENTALPIA DE FORMACION” Y SE DESIGNA COMO: Ћf

º

CUANDO LA TEMPERATURA ES MAYOR QUE LA DEL ESTADO DE REFERENCIA,ENTONCES LA ENTALPIA YA SEA DE UN COMPUESTO O DE UN ELEMENTO ES IGUAL ALA SUMA DE SU ENTALPIA DE FORMACION MAS EL CAMBIO DE LA ENTALPIA PORENCIMA DEL ESTADO DE REFERENCIA. Esto es:

Ћ = Ћf º + (ЋT - Ћf

º) = Ћf º + ∫cp dt

Y EL CALOR DE REACCION, EN UN PROCESO DE PRESION CONSTANTE SERA:(Calderas, Hornos, quemadores de gas y petróleo, cámaras de combustión isobáricas, etc.)

QR = Hp - HR

Donde, H = ∑ ni Ћi

Si el proceso de combustión ocurre a volumen constante, como en el caso de un motor de

combustión interna de ciclo OTTO, entonces: QR = Up - URDonde, U = H – PV = H - nRT

Up = Hp - nPRTp ; UR = HR - nRRTR

La tabla A22M, en el apéndice complementario, entrega valores para la entalpía de formaciónde distintas sustancias. Así también, valores del calor específico para algunas de ellas adistintas temperaturas.

PODER CALORIFICO DE UN COMBUSTIBLE.-

PODER CALORIFICO: CANTIDAD DE CALOR QUE ENTREGA UN KILOGRAMO O UN M3DE UN COMBUSTIBLE AL OXIDARSE COMPLETAMENTE, BAJO CONDICIONES DEREFERENCIA (25°C y 1 Atm.).

LA DETERMINACION ANALITICA DEL PODER CALORIFICO DE UN COMBUSTIBLESIGNIFICA OBTENER EL CALOR DE REACCION EN CONDICIONES DE REFERENCIA(USAMOS 25ºC Y 1 ATM), CON 100% AIRE TEORICO (CONDICIÓN ESTEQUIOMÉTRICA).EL PODER CALORIFICO SE REPRESENTA COMO HRP Y CORRESPONDE AL VALOR NEGATIVO DEL CALOR DE REACCION EN LAS CONDICIONES DE REFERENCIA; ESTO ES:

PC = - HRP = HR - HP (a pº y 25 ºC)PARA TODO COMPUESTO (CO, CO2, H2O, ETC), Ћf

º ≠ 0 PARA TODO ELEMENTO (O2, N2, H2, C, S, O, etc), Ћf

º = 0 0

0

Ћ = Ћf º + (ЋT - Ћf


H = ⅀n*Ћf º


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El valor del poder calorífico de un combustible tiene una variación dependiendo del estado(fase) del vapor de agua en los productos, siendo mayor si el agua aparece en estado líquido;ello, porque se adiciona el valor de la entalpía de cambio de fase del agua a la presiónatmosférica (542 Kcal/Kg). A este valor de poder calorífico se le conoce como Poder CaloríficoSuperior del combustible, PCS. Si el agua se encuentra en la fase de vapor, entonces se ledenomina Poder Calorífico Inferior (PCI) del combustible.

PCS VAPOR DE H20 CONDENSADO (H20 LÍQUIDA)PCI VAPOR DE AGUA NO CONDENSADO (H20 VAPOR)

Para efectos de cálculos se puede emplear cualquiera de estos valores, debiéndose solamenteindicarse respecto de que valor se está hablando.

A continuación se entregan algunos valores de referencia para distintos combustibles

PODER CALORIFICO DE COMBUSTIBLES LIQUIDOS

Combustible PCI PCS Combustible PCI PCS

kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg

Aceite de esquistos ------ 38830 Fuel-oil nº1 40600 42695

Alcohol comercial 23860 26750 Fuel-oil nº2 39765 41860

Alquitrán de hulla ------ 37025 Gasóleo 42275 43115

Alquitrán de madera 36420 ----- Gasolina 43950 46885

Etanol puro 26790 29720 Petróleo bruto 40895 47970

Metanol 19250 ----- Queroseno 43400 46500

1) Densidad a 15 ºC, 850 kg/m3 2) Densidad a 20 ºC , 730 kg/m3 3) Densidad a 15 ºC, 780 kg/m3 4) Densidad a 20 ºC, 790 kg/m3

PODER CALORIFICO DEL CARBÓN Y OTROS COMBUSTIBLES SOLIDOS

CombustibleDensidad

mediaPCI PCS Combustible PCI PCS

kg/m kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kgTurba 360 21300 22500 Aglomerados de

carbón31300 35600

Lignito 1050 28400 29600 Carbón de madera 31400 33700

Hulla 1350 30600 31400 Coque 29300 33700

Antracita 875 34300 34700 Coque de petróleo 34100 36500

PODER CALORIFICO DE COMBUSTIBLES GASEOSOS

CombustibleDensidad

kg/m3

PCIkJ/kg

PCSkJ/kg

Combustible Densidadkg/m

3 PCI

kJ/kgPCSkJ/kg

Gas natural (*) 39900 44000 Gas de agua 0´711 14000 16000Gas de hulla 0´50 46900 Gas ciudad 0´650 26000 28000

Gas de coquería 0´56 31400 35250 Gas de agua carburado 0´776 26400 27200

Gas de aire ---- 10000 12000 Propano506 (l)

1´85 (g)46350 50450

Hidrógeno 0’0899 120011 141853 Butano580 (l)2´4 (g)

45790 49675

(*) Varía según el país de procedencia (l), (g) Densidad a 20 0C en estado líquido y gaseoso, respectivamente. P.C. Medio del biogás = 5554 kcal/m3


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PODER CALORÍFICO DE MADERAS

COMBUSTIBLE PODER C. MEDIOkJ/kg

Madera seca 19000

Madera verde (*) 14400

Serrín húmedo 8400

Viruta seca 13400

Celulosa 16500

Bagazo húmedo 10500

Bagazo seco 19200

• (*) El poder calorífico de la madera verde disminuye según aumenta la humedad de la misma. En la tabla

3.1b se da el coeficiente por el que hay que multiplicar su poder calorífico para obtener el poder calorífico

real.

TABLA 3.1b: Coeficientes de la madera húmeda

MADERA COEF. MADERA COEF.

Alamo negro 0´55 Haya 0´62

Castaño 0´48 Olivo 0´88

Chopo 0´30 Pino marítimo 0´58

Encina 0´68 Pino silvestre 0´49

Enebro 0´50 Roble 0´68

Poder calorífico de algunos hidrocarburos combustibles:Metano CH4 13.256 Kcal/Kgm Etileno C2H4 12.014 Kcal/KgmExeno C6H12 11.451 Kcal/Kgm Propano C3H8 12.027 Kcal/KgmButano C4H10 11.829 Kcal/Kgm Octano C8H18 11.439 Kcal/KgmDecano C10H22 11.380 Kcal/Kgm Dodecano C12H26 11.339 Kcal/Kgm

Valores de Poder Calorífico usados en el Balance Nacional de Energía (CNE-Chile, 2010)


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QuemadoresLos quemadores son dispositivos que mezclan el combustible y el comburente de la forma máshomogénea posible, antes de que se produzca la llama. Existen quemadores paracombustibles sólidos, líquidos y gaseosos.En los quemadores para combustibles gaseosos, por ejemplo, la llama que se genera tiene doszonas: Una inmediatamente situada a la salida de la tobera, producto de la zona de mezcla delcombustible y el comburente y otra (que comprende o incorpora a la anterior) que corresponde

a la combustión propiamente tal. La longitud de esta zona equivale a la longitud de la llama.

En el caso de los quemadores para combustibles líquidos, lo principal es que exista una muybuena atomización del combustible para lograr una mezcla combustible-comburentehomogénea y adecuada. En este caso es especialmente importante generar un “torbellino” ozona de turbulencias, con el propósito precisamente de lograr una mezcla homogénea. Paraello la forma de entrada o alimentación del comburente es la que puede permitir alcanzar eseobjetivo de mejor manera. A diferencia del caso anterior de la combustión de combustiblesgaseosos, en el caso de los combustibles líquidos existe entonces una zona de formación delaerosol y una zona de evaporación (gasificación) de las partes más volátiles de la gotita delíquido. La llama que se produce en estos quemadores es, en general una llama larga.

En los quemadores para combustibles sólidos, el problema de lograr mezclas homogéneas esciertamente más complejo, particularmente cuando el combustible no tiene un tamaño regular nitampoco una calidad homogénea como ocurre en los casos de la leña o el carbón. De allí que,

por ejemplo, en el caso del carbón éste se rompe en pequeños trozos que entregan diferentestamaños (se denominan “mallas”), los cuales se depositan sobre cadenas de distribución através de las cuales se inyecta desde abajo el comburente (aire). Con el propósito de lograrmejores efectos de mezclado, también existen los sistemas llamados de “lecho fluidizado”, enlos cuales los pequeños trozos de combustibles sólidos (carbón o cualquier otro) se mantienensuspendidos en el aire por la inyección desde debajo de aire inyectado por sopladores apresión. Los quemadores para combustibles sólidos más efectivos sin embargo, son los queutilizan el combustible pulverizado, para lo cual deben ciertamente incorporar en el sistema dealimentación del combustible un elemento pulverizador que transforma el combustible sólido enfinas partículas de polvo antes de ser mezclado con el comburente.


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Condiciones para la Combustión Para que ocurra la combustión, el combustible debe alcanzar la denominada temperatura deignición. Cuando ello ocurre, el combustible comienza a arder y se forma la llama, una zonadonde ocurre una rápida oxidación del combustible, liberando gran cantidad de energía, y quese produce a altas temperaturas.También se requiere alcanzar el rango adecuado de inflamabilidad, que corresponde a lacantidad de combustible (en fase gaseosa) y comburente tales que permitan que se puedaproducir la combustión (mezcla adecuada). Se habla entonces de límites de inflamabilidad, locual significa la concentración mínima o máxima de gas o vapor combustible en el comburentepara que se produzca la combustión.Así se tienen:Límite inferior de inflamabilidad (LII): concentración de gas o vapor combustible en el aire pordebajo de la cual no se produce combustión.Límite de inflamabilidad superior (LIS): concentración de gas o vapor combustible en el aire porencima del cual no se produce combustión.Estos límites varían en función de la temperatura (y por tanto son también función de lapresión). A mayor temperatura el límite inferior desciende y el superior aumenta.Por ejemplo, para el caso de gas natural, los LI a presión atmosférica son 5% (LII) y 15%(LIS);a una presión de 7 bar los valores son 4,98% y 18% ; a 21 bar son 4,9% y 32% y finalmente a100 bar, son 4,6% y 50%.Comparado con otros gases, a condiciones atmosféricas, por ejemplo:

Propano LII 2,2% LIS 9,5%Butano 1,8% 9,5%Acetileno 2,5% 81%Hidrógeno 4,0% 75%

Líquidos: Gasolina 1,4% 7,6%Diesel 6% 13%

La presión de vapor Reid es una medida de la tendencia de los componentes más volátiles deun combustible a evaporarse.


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Tipos de Llama en combustibles gaseosos (Fuente: Metrogas)

1. Llama de Premezcla: Una llama se considera premezclada cuando la mezcla decombustible y comburente se realiza antes de la boquilla del quemador. La cantidad deaire usualmente es menor que la estequeométrica y el aire faltante proviene del ambienteque rodea la llama, denominado aire secundario.

2. Llama de Difusión: Una llama es de difusión cuando la mezcla del combustible y elcomburente se realiza en el exterior del quemador. El gas sale por la boquilla delquemador y el oxígeno para la combustión proviene del aire circundante. Esta llama esmás luminosa que la de premezcla y su luminosidad proviene de las partículas de hollínincandescentes.

Quemadores atmosféricos

Regulación de la potencia: Variando (obturación) dela sección de entrada. Por desplazamiento de la boquilla del inyector respecto al venturi.Aplicaciones:Potencias unitarias de 30 a 300 kW.

Cocinas domésticas o industriales.

Del uemador de remezcla


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Quemador Monobloc

El diseño del cabezal de combustión el que determina en granmedida la forma y dimensiones de la llama ( Forma convencional, tipo pluma, con mezcla axial y mezcla demoderada turbulencia aire/combustible; forma Puntiaguda,formado por dos circulaciones de aire concéntricas a la entrada de

combustible; tipo Bola, con turbulencia moderada dando lugar aradiaciones intensas en cámaras de calentamiento cúbicas; Cónica,con turbulencia circular formando un torbellino central; Plana, conalta turbulencia formando una llama circular y plana, dando lugar a paredes radiantes; Larga, luminosa, de media velocidad y radiante para calentamiento en grandes cámaras de combustión.)

Sistema automatizado de control de la combustión en la instalación de un quemador

Relación entre longitud y diámetro de llama según la potencia generada por unquemador de gas.


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Temperatura Teórica de Combustión. Temperatura de Flama (llama) adiabática. Es aquella que alcanzarían los productos de la combustión si todo el calor de la reacción fueseempleado en su calentamiento. Dado que siempre existen pérdidas de calor, en la práctica estatemperatura no se alcanza.Termodinámicamente, se considera un proceso adiabático, de manera que la temperaturaalcanzada por los productos de la combustión es la máxima posible de obtener para losreactivos dados. Cualquier transmisión de calor de las substancias en reacción y cualquiercombustión incompleta, tenderían a bajar la temperatura de los productos.Para un combustible dado y temperatura y presión dadas también para los reactivos, la máximatemperatura de flama adiabática que es posible lograr, es con una mezcla estequiométrica. Losexcesos de aire disminuirán el valor de esa temperatura. En otras palabras, la máximatemperatura posible de alcanzar, puede controlarse o regularse, mediante el exceso de aire quese use.El cálculo de esa temperatura puede obtenerse por métodos iterativos de manera de lograr que

HR = HPsabiendo que:

H = ∑ n Ћ donde Ћ = Ћf º + (ЋT - Ћf


La temperatura de los productos que permita que la entalpía total de éstos sea igual a laentalpía total de los reactivos, es la temperatura de flama adiabática, TFA.

Todo exceso de aire hace disminuir la temperatura de los productos. El gráfico siguientemuestra la disminución de la temperatura de los productos de combustión en función del excesode aire usado (Fuente: Metrogas)

Eficiencia o rendimiento de la Combustión

Se define como eficiencia de la combustión al cuociente entre el Calor Útil Entregado y el CalorTotal Entregado por el combustible, es decir:


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El rendimiento de la combustión describe la parte de la potencia total suministrada (energía porunidad de tiempo) que está disponible en la cámara de combustión para usarse después de lacombustión. Las pérdidas corresponden, casi completamente, al calor perdido en los gases de escape, elcual es proporcional a la temperatura y al volumen de dichos gases. A su vez este últimodepende del exceso de aire. Es decir, la eficiencia decrece al aumentar la temperatura de losgases de escape y al aumentar el exceso de aire como se muestra a continuación en el gráfico.

A modo de ejemplo, si consideramos un 200% de exceso de aire y 400 °C de temperatura decombustión se tiene una eficiencia de 50% (punto B), para la misma temperatura y considerando unexceso de aire del 40 % la eficiencia aumenta al 70% (punto A).

Niveles de Rendimiento En los gráficos siguientes, se presentan los niveles de rendimiento por tipo de combustible, paradiferentes niveles de exceso de aire (Fuente Metrogas):


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APENDICE - COMPLEMENTO


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COMBUSTIBLESDERIVADOS DEL PETRÓLEO. El petróleo crudo es una mezcla de un número casi infinito de compuestos hidrocarburados quevan desde gases ligeros con estructura atómica simple, hasta líquidos espesos con aspecto dealquitrán y cera de estructuras atómicas muy complejas. Con anterioridad al siglo xiv se conocíacomo un aceite (oil) que era obtenido en pequeñas cantidades de la tierra y era usadoprincipalmente como una medicina. a partir de ese siglo se le llamó aceite de roca, en latín:

“petraoleum”, derivando más tarde simplemente a “petróleo”.Se le dio este nombre para distinguirlo de otros aceites usados en la época ya sea para uso enperfumes, medicinas, pinturas, como base para alimentos, etc. y que eran obtenidos de fuentesorgánicas tales como semillas, granos, frutos de olivo u otros. Sin embargo, la palabra “aceite” –oil- llegó a ser con los años sinónimo de petróleo, usándose también para designar a esteelemento los nombres de: aceite mineral, aceite crudo, crudo de petróleo (o petróleo crudo),crudo, o simplemente, aceite (oil).El origen del petróleo, así como su subsecuente evolución en las formas líquidas y gaseosas enque se le encuentra en la tierra no es completamente conocido. Se sabe, sin embargo, que seencuentra en ciertas formaciones rocosas que hace miles y millones de años fueron piso de losocéanos. Se piensa que los materiales orgánicos marinos depositados en el fondo de esos

océanos, fueron envueltos por capas de rocas, siendo sometidos a altas presiones con laeventual descomposición y transformación a este tipo de aceite.La desaparición del oxígeno, elemento que en forma abundante debe haber contenido lamateria orgánica, es también desconocido habiendo teorías que señalan que ello ocurrió por laacción de las bacterias, en tanto otra, presupone exposiciones continuas a través de lasedades, a una ligera radiactividad proveniente de las formaciones rocosas circundantes.Actualmente, el petróleo se encuentra acumulado en rocas porosas, en arena o en piedra calizaen determinadas regiones del planeta.

COMPOSICIÓN APROXIMADA DE LOS CRUDOS DE PETRÓLEO (sin considerar agua nisales) ES DEL ORDEN DE:

C 83 - 87 %H 11 - 15 %S 0 - 6 %N 0 - 0.7 %O 0 - 0.5 %Metales 0 - 0.1 %

EL CARBONO Y EL HIDRÓGENO SE ENCUENTRAN NORMALMENTE COMBINADOSFORMANDO DIFERENTES “HIDRO-CARBUROS”, TODOS DISUELTOS ENTRE SÍ,FORMANDO UNA MEZCLA PASTOSA.

Existen miles de hidrocarburos y ello se debe a la propiedad única que tienen los átomos decarbono, los que a diferencia de muchos otros, pueden unirse en forma casi ilimitada y envarios arreglos o imágenes diferentes. Cada átomo de carbono que se una a otro -u otros- , ycada cambio en el arreglo da origen a un hidrocarburo distinto. teóricamente un hidrocarburoque contenga 12 átomos de carbono podría ser rearreglado para formar 354 hidrocarburos yuno con 25 átomos de carbono podría producir sobre 36 millones de hidrocarburos distintos.Aún cuando no es posible lograr en la realidad lo que señala la teoría, el número dehidrocarburos conocidos alcanza a varios miles.


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En cuanto al hidrógeno que contienen los hidrocarburos, aún cuando está presente en menorcantidad, tanto el número de átomos de hidrógeno como su posición o lugar de unión en laestructura atómica, dan también origen a hidrocarburos diferentes. La estructura molecularpuede apreciarse en la figura siguiente:

Los hidrocarburos más pequeños conforman el gas natural, los más largos los sólidos-asfaltos.Algunos tienen el tamaño apropiado como solventes y gasolinas, otros para kerosén, algunospara aceites combustibles y otros para aceites lubricantes. Algunos que son sólidos tienen laspropiedades para ceras, en tanto otros para asfaltos. Algunos del tamaño para gasolinasprovocan efectos de golpeteo en un motor mientras otros de tamaños similares lo previenen.

Algunos del tamaño de los aceites lubricantes son excelentes lubricantes mientras que otros delmismo tamaño no lo son. Sería extremadamente difícil analizar las características de los milesde hidrocarburos; sin embargo la situación se simplifica porque ellos pueden ser agrupados enseries o “familias” distintas con características químicas diferentes entre cada grupo pero concaracterísticas similares entre los de una misma familia. La mayoría de los compuestos delcrudo pertenecen principalmente a cuatro familias; tres de ellas existentes en forma natural enel crudo y una cuarta formada de manera artificial en la refinación (proceso de cracking):

FAMILIAS NATURALES:PARAFINAS, fórmula química: CnH2n+2 ; estructura en cadenaNAFTENOS, fórmula química: CnH2n ; estructura en anillo

AROMATICOS, fórmula química: CnH2n-6 ; estructura en anilloFAMILIA ARTIFICIAL:

OLEFINAS, fórmula química: CnH2n ; estructura en cadenaOtros grupos o familias son los asfálticos y las diolefinas

LOS CRUDOS DE PETRÓLEO PROVENIENTES DE DIFERENTES YACIMIENOS (POZOS)DIFIEREN ENTRE SÍ SEGÚN EL MAYOR O MENOR GRADO DE HIDROCARBUROSPERTENECIENTES A UNA DETERMINADA FAMILIA NATURAL.


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ASÍ SE DENOMINAN “DE BASE PARAFÍNICA” SI CONTIENEN UN MAYOR NÚMERO DEHIDROCARBUROS PERTENECIENTES A ESA FAMILIA RESPECTO DE LAS OTRAS;

O DE BASE NAFTÉNICA, O DE BASE AROMÁTICA.


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REFINACIÓN DEL PETRÓLEO.- Una primera refinación del petróleo ocurre en forma natural en la tierra; en efecto, esperfectamente posible que los compuestos hidrocarburados más livianos, en forma de gas, seseparen del líquido en que se encuentran disueltos, por procesos naturales que ocurren cuandoel petróleo está bajo la tierra. Ello permite encontrar gas de petróleo como “gas natural”, aún acierta distancia de cualquier pozo de petróleo. Además, una gran parte del gas asociado con elpetróleo se separa del líquido cuando el petróleo alcanza la superficie de la tierra.Los constituyentes sólidos que normalmente pueden estar disueltos o dispersos en el líquido,pueden también encontrarse separado de sus componentes líquidos. Si el petróleo alcanza lasuperficie produciéndose evaporación, deja los constituyentes sólidos atrás como asfalto

natural; también este asfalto puede formarse a través de una refinación natural o desgaste derocas que se presenta cuando el petróleo no está aislado impermeablemente por las rocas delsubsuelo, convirtiéndose el aceite en asfalto, nombre dado a una mezcla pesada, negra,semejante al alquitrán, de estructura atómica incierta y con una cantidad relativamente pequeñade hidrógeno.

En la permanente búsqueda de petróleo, se han encontrado muchos depósitos tanto de gasnatural como de asfalto (depósitos naturales de ciertos tipos de asfaltos duros que a veces sonconfundidos con depósitos de carbón).


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El petróleo obtenido de los pozos, emerge de éste como una mezcla de gases húmedos y delíquidos, no apta para ser usado directamente por lo que debe ser “refinado”. Los gaseshúmedos son separados de la parte líquida del crudo obteniéndose gases combustibles ypetróleo líquido. Este petróleo es entonces calentado obteniéndose gas natural, gasolina naturale hidrocarburos más pesados. Esta gasolina natural requiere de un cierto tratamiento previoantes de utilizarla.

El primer proceso a que se somete el petróleo es la destilación o separación de las fraccionesutilizables, en torres apropiadas. de esta destilación fraccionada se van desprendiendoproductos de diferente volatilidad. Así, la etapa preliminar es la de pasar el crudo caliente por elinterior de una torre fraccionadora. esta torre puede medir hasta 33 m de altura y contiene unaserie de bandejas ubicadas ± a 0.6m c/u. Las burbujas de los vapores calientes en la torrepasan a líquido condensado en las bandejas para ser extraídas a otros procesos. Loscomponentes con punto de ebullición superior, se condensan en bandejas inferiores y loscomponentes con bajo punto de ebullición, en las bandejas superiores. Dentro de los productosmás característicos obtenidos tenemos, por ejemplo:

Gas natural.- intervalo de ebullición < 30 ºc

Gasolina.- intervalo de ebullición 30 - 200 ºc.Se puede dividir en gasolina de avión (30 – 150 ºc),Gasolina de motor (40 – 180 ºc) yPetróleo para tractores (110 – 220 ºc).

Keroseno.- intervalo de ebullición 140 – 290 ºc.incluye la parafina doméstica (140 –250 ºc) yFracciones más pesadas de quemado lento.

Petróleos Incluye petróleo diesel, con temperatura de ebullición superior a 200 ºc ycombustibles.- petróleos pesados, con temperaturas superiores a 250 ºc. Estos últimos

cubren un rango de destilación casi similar a los diesel pero son demayores viscosidades.

Más abajo encontramos los aceites lubricantes y finalmenteasfaltos y residuos.

Además del uso de la destilación fraccionada se aplican otras operaciones, ya sea parafraccionar las porciones más pesadas del petróleo en otras más livianas (craking), o bien paraagrupar moléculas de hidrocarburos ligeros y preparar otras más grandes (polimerización).Estas operaciones pueden modificar la proporción de cada tipo de molécula, cambiando laspropiedades del combustible; entre ellos, los intervalos de ebullición, por lo que puedenobtenerse un mismo producto desde diferentes operaciones.

La tabla a continuación muestra diversas fracciones obtenidas por orden de volatilidad ylongitud de cadena de productos refinados.


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PROCESOS DE REFINACIONCRACKING.- Proceso de descomposición térmica de las moléculas y catálisis pirogénica. Estadesintegración pirogénica o cracking es un término empleado para denotar la descomposición degrandes moléculas de hidrocarburos en compuestos menos complejos, de punto de ebullición másbajo. Las variables fundamentales para este proceso son: temperatura, tiempo de exposición,presión y características de la materia prima.POLIMERIZACION.- Agrupación de moléculas livianas formando otras más pesadas.Hidrocarburos en estado gas, principalmente olefinas obtenidas del cracking con bajo pesomolecular (como etileno, propileno, butileno) son llevados a la presencia de un catalizador paraformar un hidrocarburo líquido de mayor punto de ebullición y mayor peso molecular.

ALKILACION.- Reunión de moléculas desiguales que en presencia de un catalizador formanmoléculas de estructura compleja.OLEFINAS > ISOPARAFINA ___ MAYOR PESOISOPARAFINAS SATURADA MOLECULAR (SATURADAS)

ISOMERIZACION.- Se verifica un arreglo de la estructura molecular para formar hidrocarburosdel tipo isómeros. En la operación común, tanto el butano como el pentano se pasan a través de unacámara catalizadora lográndose como arreglos preferidos isobutano, isoparafinas y aromàticos conestructura de anillo.


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REFORMADO.- Proceso de desintegración térmica para convertir gasolinas de baja calidad(naftas) en fracciones mejores de puntos de ebullición bajos y números octanos superioresHIDROGENIZACIÓN.- Significa adición de hidrógeno. Permite eliminar compuestos de azufre.Puede ser:

Destructiva: produce compuestos de bajo punto de ebullición y mejor número deoctanos, o

No-destructiva, produce hidrocarburos inestables, no- saturados (gasolinaspolimerizadas) que forman gomosidades para dar compuestos saturados.

Tratamientos de depuración (CASO DEL AZUFRE).Los tratamientos de depuración se llevan a cabo tanto sobre los productos intermedioscomo sobre los productos finales del refino. El principal objetivo de estos tratamientos esla eliminación de los compuestos sulfurados.

Los principales tratamientos de depuración pueden agruparse en refino físico y químico.Refino Físico: aplicado generalmente sobre fracciones pesadas como aceites pesados yresiduos de la destilación primaria. Los principales tratamientos son eldesparafinado, el desasfaltado, la extracción con disolventes, (sistemalíquidolíquido) y la decoloración.

Refino Químico: aplicado sobre todo en las fracciones lubricantes, que se tratan ya seacon ácido sulfúrico, o mediante lavado álcali.Dentro del refino químico, uno de los principales procesos es el “Hidrotratamiento” ,que consiste en una hidrogenación catalítica a presión.


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Los catalizadores más utilizados son generalmente mezclas de óxidos de molibdeno ycobalto, Mo2O3 y Co2O3 sobre óxido de aluminio, Al2O3, que luego reaccionan y formanCoMoO4. Este tratamiento tiende a aplicarse a varios tipos de gasóleos para reducircompuestos azufrados. En los casos en que el único propósito del hidrotratamiento es laeliminación del azufre, se denomina al tratamiento hidrodesulfuración.

Procesos de desulfuraciónEl proceso de desulfuración se considera parte de los procesos de purificación en elrefino del crudo. Esta operación tiene un objetivo doble, la eliminación de compuestossulfurados y purificar la fracción del crudo que sea posteriormente enviada a procesoscon catalizadores especialmente sensibles al azufre.

Existen dos posibilidades de desulfuración, sobre el crudo, a la entrada en la refinería,up-stream, (sobre los productos de la destilación), o down-stream.

Hoy en día este proceso se realiza habitualmente sobre las fracciones extraídas en elrefino.

La desulfuración distingue entre Tratamiento de desulfuración reductiva y Tratamiento dedesulfuración oxidativa.

La Hidrodesulfuración (HDS) es el tratamiento de desulfuración reductiva.

Los tratamientos de desulfuración oxidativa son los Lavados Cáusticos y los procesos deBiodesulfuración.

En la actualidad, sólo el proceso físico-químico conocido como Hidrodesulfuración (HDS)resulta económicamente viable para la desulfuración de las principales fraccionesdestiladas y por tanto, es el generalmente utilizado en las refinerías (Esta técnicaconsiste en el tratamiento del crudo con hidrógeno catalítico y altas presiones ytemperaturas).

Calidad del diesel en Chile Todo Chile dispone de Diesel Grado B, el de mejor calidad en Latinoamérica.

Viernes 8 de Enero del 2010 Fuente: Comunicaciones CONAMA

Se inició en regiones la distribución del Diesel Grado B de alta calidad, combustible conun contenido de azufre de sólo 50 partes por millón (ppm), en comparación a los3.000 ppm con que se entregaba el año 2004 y los 350 ppm distribuidos hasta elaño 2009, lo que se traduce en un aporte sustancial a la calidad de vida de las

personas y al medioambiente.De este modo, el contenido de azufre en el Diesel para el país es ahora similar al DieselCiudad Plus, que la Empresa Nacional del Petróleo (Enap) entrega en la RegiónMetropolitana desde julio de 2004. Este combustible es el de mejor calidad enAmérica Latina, sólo comparable con el combustible exigido en Europa y en elEstado de California en Estados Unidos.

En consideración a que la reducción del contenido de azufre afecta negativamente laspropiedades lubricantes del diesel, en el nuevo Diesel Grado B se introdujo (al


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igual como se hizo con el Diesel Ciudad Plus), la especificación del índice delubricidad de 460 micrones, que es el mismo valor exigido en la norma europea, ymejor que el exigido en Estados Unidos, que es 520 micrones.

Por lo tanto, el Diesel Grado B, así como el Diesel Ciudad Plus de Enap se encuentraentre los mejores diesel multipropósito del mundo. Entre las ventajas del nuevoDiesel Grado B que Enap produce en las Refinerías de Biobío y Aconcagua, secuentan la reducción en 85% de las emisiones de dióxido de azufre (SO2), tantode la industria como de los vehículos que utilizan este combustible; permite eldesplazamiento de los vehículos livianos a diesel con estándar Euro IV y similares,sin riesgos sobre sus sistemas de control de emisiones; facilita la posibilidad deque se incorpore un nuevo parque de vehículos con estándar Euro IV y similares,en regiones; que se incorporen sistemas de postratamiento de emisiones (filtrosDPF y similares) en los buses y camiones existentes y en los nuevos, reduciendolas emisiones de material particulado de menos de 10 micrones (MP10) en másdel 90% y las emisiones de material particulado 2,5 (las más dañinas para lasalud), en más del 99%, según CONAMA y el Ministerio de Transporte, y lafactibilidad para aplicar planes de descontaminación atmosférica de las regiones,en los que la calidad de los combustibles constituye uno de los pilaresfundamentales.

VALORES DE PODER CALORIFICO Y DENSIDADES DEL PETROLEO:Petróleo crudo

Poder calorífico inferior (PCI) 10000 kcal/kg

Poder calorífico superior (PCS) 10500 kcal/kg

Densidad 0,885 kg/lt

Petróleo Diesel (Diesel Oil)

Poder calorífico inferior (PCI) 10000 kcal/kgPoder calorífico superior (PCS) 10700 kcal/kg


Fuel Oil

Poder calorífico inferior (PCI) 9800 kcal/kg

Poder calorífico superior (PCS) 10500 kcal/kg


Gas Natural en Chile

El gas natural es el combustible fósil más limpio, de más rendimiento energético y con mejoresperspectivas de crecimiento. Procede de la descomposición de restos orgánicos, quecomenzaron a formar bolsas hace 250 millones de años. Se obtiene del subsuelo medianteperforaciones, donde se encuentra en cavidades formadas por rocas impermeables.


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Se trata de una mezcla de hidrocarburos en la que predomina el metano (normalmente superiora 80%), y en la que también se encuentran etano, propano, pentano y butano. Su denominaciónpone de manifiesto que no es sometido a transformaciones químicas para su uso. Su podercalorífico, o cantidad de calor que desprende en la combustión completa por unidad devolumen, es de 6600 a 12000 Kilocalorías por metro cúbico.Composición química

Metano 95.9-97.8%Etano 0.6-1.6%Propano 0-0.2%Butano 0%Pentano 0%Dióxido de carbono 0.4-1.2% Nitrógeno 0.8-1%

Poder calorífico

Poder calorífico inferior (PCI) 39900 kJ/kgPoder calorífico superior (PCS) 44000 kJ/kg

FINAL

mt.apuntes 2. combustión-combustible y emisiones

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