estimaciÓndelaspropiedadesdecombustiÓndecombustiblesgaseosos

8/7/2019 ESTIMACINDELASPROPIEDADESDECOMBUSTINDECOMBUSTIBLESGASEOSOS

1/73

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

FACULTAD DE INGENIERA

Centro de Extensin Acadmica CESETGRUPO C & T DEL GAS DEPTO. DE ING. MECANICA

ESPECIALIZACION EN COMBUSTIBLES GASESOS:

CONVENIO UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

ECOPETROL

IMPRESO UNIVERSITARIO

ESTIMACIN DE LAS PROPIEDADES DECOMBUSTIN DE COMBUSTIBLES

GASEOSOS

Presentado por:

Ing. MSc. Andrs A. Amell ArrietaMiembro del Grupo de Ciencia y Tecnologa del Gas y Uso Racional de la Energa y

Profesor del Departamento de Ingeniera Mecnica

Medelln, octubre de 2002


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Prohibida la reproduccin parcial o total sin autorizacin del autorAndrs Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnologa del Gas y Uso Racional de la Energa Universidad de Antioquia

2

TABLA DE CONTENIDO

Pginas

Importancia y alcances de la combustin..

1. Qu es la combustin?

3

9

2. Condiciones para que ocurra la combustin.. 10

3. Propiedades de combustin. 11

3.1 Introduccin... 113.2 Supuestos para definirlas 12

3.3 Determinacin de propiedades para combustibles gaseosos puros,

relacionadas con el requerimiento de aire y productos de

combustin... 14

3.4 Determinacin de la cantidad estequiomtrica de aire y productos de

combustin para una mezcla de combustibles gaseosos.. 23

3.5 Propiedades relacionadas con las condiciones para que ocurra la

combustin... 32

3.6 Estimacin de propiedades relacionadas con el contenido energtico de

un combustible gaseoso... 39

3.7 Parmetros de un sistema de combustin... 60

3.8 Incidencia del exceso de aire sobre algunas propiedades de

combustin... 62

4. Ejercicios propuestos. 65

BIBLIOGRAFIA 72


3/73


3

IMPORTANCIA Y ALCANCES DE LA COMBUSTIN

Desde el descubrimiento del fuego hasta nuestros das la combustin ha

jugado un papel 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 calefaccin

y atenuar las inclemencias del clima, para coccin de alimentos lo cual

favorecer la diversificacin de su canasta alimenticia y su metabolismo,

para la fusin de los metales que le permiti la fabricacin de artefactos

aplicables en mltiples actividades (agricultura, caza y defensa) y para

ahuyentar los animales y salvaguardar su seguridad.

El hombre descubre el fuego al observar cuando los rayos actuaban como

fuente de ignicin para encender los bosques, a diferencia de otros

animales que ante la ocurrencia de este fenmeno huan, aprendi 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,

tenan que pedirlo a una tribu vecina o esperar que cayese otro rayo,

tardaron miles de aos en aprender a encenderlo, es decir, encontrar

mecanismos de ignicin para no depender del rayo, lo cual se logro

utilizando el frotamiento de utensilios.

Por un largo periodo la humanidad depender de la biomasa (madera y

huesos de animales) como la fuente principal de combustible, la escasez de

madera en Inglaterra en el siglo XVII inducir la bsqueda en el subsuelo

de un combustible sustituto, como lo fue el carbn. La inundacin de las

minas de carbn y la necesidad de drenar para extraer este energtico hizo


4/73


4

necesaria la invencin de la bomba atmosfrica, inicindose con ella una

serie de invenciones que finalmente daran origen a la mquina de vapor de

Watt y con ella la revolucin industrial. Establecido el carbn y la mquinade vapor a partir de finales del siglo XVIII como los principales soportes del

paradigma energtico vigente en esa poca, la combustin seguir siendo

en el siglo XIX el fenmeno que garantiza la liberacin en forma de calor de

la energa primaria, para usarse directamente o transformarse a otras

formas de energa.

El advenimiento de la era del petrleo y con ello el establecimiento de un

nuevo paradigma energtico a finales del siglo XIX, el cual se consolida con

la maduracin tecnolgica de los motores de combustin interna (diesel,

otto y posteriormente la turbina a gas) y equipos trmicos de combustin y

transferencia de calor, advertir tambin que la combustin continuar

siendo el mecanismo que garantice la liberacin de energa primaria durante

el siglo XX.

Por razones tecnolgicas, ambientales, econmicas y geopolticas, los

expertos en prospectiva energtica vaticinan para los primeros cuarenta

aos del siglo XXI una transicin de una base energtica soportada en el

petrleo hacia una basada en el gas natural inicialmente y posteriormente

en el hidrgeno.

Aunque con la disponibilidad tecnolgica de la celda de combustible

(mecanismo que convierte la energa qumica almacenada en un

combustible en energa elctrica y calor mediante fenmenos

electroqumicos), la combustin ya no ser el nico mecanismo para la

liberacin de la energa qumica de un combustible y su conversin a otras


5/73


5

formas de energa, seguir conservando su importancia, en particular en

aquellos sistemas y procesos que requieren de grandes cantidades de

energa.

En resumen, cuando se analiza la evolucin y prospectiva energtica de la

humanidad, se concluye que la combustin ha sido y ser un fenmeno

significativo para el desarrollo econmico, social y cientfico. Como

ilustracin a continuacin se presenta la evolucin y prospectiva de la

canasta energtica mundial.

Evolucin y prospectiva de la canasta energtica mundial.

Fuente: Energy Future Gas. US Geological Survey


6/73


6

Por mucho tiempo la combustin tuvo inters cientfico y tecnolgico por su

incidencia en el diseo, optimizacin, eficiencia y economa de los sistemas

de conversin energtica (mquinas de combustin interna y equipostrmicos). Ms recientemente debido a que los combustibles fsiles se

constituyen en una de las mayores fuentes de contaminacin ambiental, el

estudio de la combustin para identificar los mecanismos fsicos, qumicos y

trmicos de la formacin y atenuacin de los contaminantes, se constituye

en otra dimensin de la importancia cientfica y tecnolgica de este

fenmeno.

La combustin como disciplina cientfica es una conjuncin de diversas

reas del conocimiento, que con base a sus interacciones y

complementariedades en el examen de fenmenos de combustin, han

hecho posible la construccin de un cuerpo de conocimientos slidos,

coherentes y de gran alcance predictivo, estas reas del conocimiento son:

Termodinmica y la Termoqumica. El fenmeno de combustin se

caracteriza por una serie de transformaciones energticas y procesos de

generacin de entropa, los cuales se examinan a la luz de las leyes

bsicas de estas disciplinas.

Cintica Qumica. Estudia los mecanismos de iniciacin, propagacin y

terminacin de las reacciones qumicas intermedias y la formacin de

especies qumicas, durante un proceso de combustin.

Fenmenos de Transporte (momentum, masa y calor). Un proceso de

combustin se caracteriza por la ocurrencia de flujo de fluido,

transferencia de masa y transferencia calor al interior de la zona de


7/73


7

combustin y desde esta hacia el exterior, por ello los fenmenos de

transporte es una disciplina imprescindible para su examen.

Aerodinmica. En un proceso de combustin los fenmenos

aerodinmicos 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 estabilizacin de llama y con la formacin de

corrientes de recirculacin en las cmaras de combustin.

De vital importancia para el desarrollo cientfico y tecnolgico de la

combustin han sido las tcnicas experimentales para:

- Determinar campos y gradientes de presin y temperatura en una zona

de combustin.

- Determinar concentraciones de especies qumicas.

- Determinar campos de velocidad.

- Determinar flujo de energa trmica.

- Determinar la composicin qumica de productos de combustin.

En materia de tcnicas experimentales para el estudio de la combustin se

observa una tendencia desde tcnicas intrusivas (contacto directo con los

fenmenos) a no intrusivas en las que no ocurren interferencias de la


8/73


8

medicin con el fenmeno. En el desarrollo de las tcnicas no intrusivas

esta jugando un papel importante la instrumentacin ptica, particularmente

el lser.

El advenimiento de las tcnicas computacionales como la mecnica de

fluidos computacionales, esta abriendo un nuevo campo de investigacin y

entregando nuevas herramientas para el estudio de la combustin, es por

ello que hoy y en los prximos aos la simulacin y modelizacin sern

usuales en la investigacin, diseo y optimizacin de sistemas de

combustin.


9/73


9

1. Que es la Combustin?

La combustin es una reaccin de oxidacin en la que los elementoscombustibles (C, H y S) reaccionan con el Oxigeno, liberndose calor y

formando productos de combustin. El calor liberado proviene de la energa

qumica almacenada en las molculas de los combustibles.

El efecto luminoso que en algunos tipos de combustin se presenta es

explicado por la excitacin de tomos y molculas debido a las altas

temperaturas. El volumen de gases en el que ocurren las reacciones de

oxidacin con efecto luminoso se denomina llama. Conviene aclarar que no

todas las combustiones en la naturaleza van acompaadas del fenmeno de

llama, dependiendo de las temperaturas que se alcanzan en la zona de

combustin puede no tenerse efecto lumnico, as por ejemplo, en la

combustin cataltica del gas natural no se presenta llama, pero si se

presentan reacciones de oxidacin.

Como puede observarse, los dos actores de un proceso de combustin son elcombustible y el comburente (Oxigeno O2).

En el desarrollo cientfico y tecnolgico de la combustin la mayor

preocupacin se ha centrado en la disponibilidad, calidad y tratamiento de los

combustibles; en relacin con el comburente se considera que est disponible

en el aire. Sin embargo, la disponibilidad y calidad del Oxigeno para la

combustin, incide en la ocurrencia ptima y segura de esta, algunos factores

que afectan la disponibilidad y calidad del O2 son:

El aumento de altura sobre el nivel del mar disminuye la presin parcial

del O2, reducindose su contenido msico, lo cual incide en la

combustin incompleta del carbono, en la Tabla 1 se presenta el efecto

de la altitud sobre el contenido msico de O2.


10/73


10

+Si se considera el aire seco, por cada mol de O2 existen 4.76 moles de

aire, con la presencia de otros compuestos que alteren esta

composicin, se presenta viciado del aire, lo que repercute en la calidady estabilidad de la combustin. Una fuente frecuente de viciado del aire

es la recirculacin de productos de combustin (CO2 y N2).

Tabla 1. Efecto de la altitud sobre el contenido msico de oxigeno

en el aire

Altitud (m) Patm (bar) T (K) MO2 (Kg) %0 1.013 293 0.2803 0

1500 0.852 293 0.235 16.22600 0.752 293 0.2080 25.8

Fuente: Clculos del Grupo de Ciencia y Tecnologa del Gas

2. Condiciones para que ocurra la combustin

La presencia de un combustible y el comburente, no es condicin suficiente para

que la combustin se inicie, auto - sostenga y propague, se requieren de otras

condiciones complementarias para su ocurrencia, las cuales estn asociadas a

propiedades fsicas y qumicas de la mezcla combustible y comburente.

Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, la combustin de un

combustible ocurre de manera sostenida cuando se den simultneamente las

siguientes condiciones:

Que estn presente combustible y comburente en proporciones adecuadas,

ello est relacionado con que la mezcla combustible comburente debe

encontrarse en su respectivo intervalo de inflamabilidad. Adicionalmente se


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11

requiere que se de un contacto ptimo entre las molculas de combustible y

comburente

Que la mezcla combustible y comburente se energice hasta alcanzar su

temperatura de ignicin. Esta condicin esta asociada a dos propiedades

caractersticas de una mezcla combustible comburentes como son: la

energa y temperatura de ignicin.

Como puede observarse la ocurrencia y propagacin de combustin,

depender de s se tienen condiciones coincidentes con tres propiedades de

combustin: intervalos de inflamabilidad, energa de ignicin y temperatura de

ignicin, los cuales se estudiaran ms adelante.

3. Propiedades de combustin

3.1 Introduccin

Para el manejo de los combustibles en sus aplicaciones energticas, es

frecuente conocer acerca de la disponibilidad energtica por cantidad de

combustible, de las condiciones para que ocurra la combustin, de los

requerimientos de aire para tener una combustin completa, de la cantidad y

composicin de productos de combustin. Estos requerimientos pueden ser

fcilmente determinados cuando se conocen las propiedades de combustin

de la mezcla combustible comburente utilizada, de ah la importancia de este

tema en la ingeniera de combustin.


12/73


12

3.2 Supuestos para definirlas

Para introducir las propiedades de combustin se establecen las siguientesconsideraciones:

La combustin del combustible y el comburente es estequiomtrica.

En una combustin estequiomtrica los elementos combustibles se oxidan

completamente y el Oxigeno suministrado es totalmente usado. Este tipo

de combustin desde el punto de vista energtico representa la condicin

ptima o ideal cuando se queme un combustible. Las reacciones

estequiomtricas de los elementos que pueden estar presentes en un

combustible son:

La reaccin estequiomtrica de un hidrocarburo (CxHy) con Y tomos de

Hidrgeno y X de Carbono, queda representado por:

calorSOOS:Azufre

calorOHO21H

calorOHO2

1H2:Hidrogeno

calorCOOC:Carbono

22

222

22

22

++

++

++

++

calorOH2

yxCOOx

4

yHC 222yx ++

++


13/73


13

Toda reaccin qumica de combustin cumple con el principio de

conservacin de la masa: la materia no se crea ni se destruye. En las

reacciones de combustin los tomos y molculas se combinanformando compuestos, cumplindose con la ecuacin:

Masa de reactivos = masa de productos.

Si el Oxigeno se toma del aire atmosfrico y este se considera seco, la

presencia de vapor de agua altera su composicin, en la Tabla 2 se

presenta la composicin del aire atmosfrico en funcin de la

temperatura de bulbo seco y la humedad relativa.

La presencia del vapor agua en el aire tiene implicaciones fsica y

qumica sobre el proceso de combustin, as por ejemplo, incide en el

aumento de las emisiones de monxido de carbono y reduce las

emisiones de NOx, aumenta el calor especfico de los gases de

combustin. En pases tropicales con la alta intensidad de radiacin el

aire atmosfrico presenta hmedades relativas muy altas durante lamayor parte del da, por lo que la consideracin de aire seco debe ser

tomada cuidadosamente.

Si consideramos el aire seco, su composicin es de 21% O2 y 79% N2,

con lo cual se establece las siguientes relaciones:

Por cada mol o metro cbico de Oxigeno se tienen 3.76 moles o metro

cbico de Nitrgeno.

4.76VV

0.21VVV

V

2

2

Oaire

aireO

O

N

O

N

=

=== 76.32

2

2

2


14/73


14

Si el combustible esta en fase gaseosa, este y el aire se consideran

gases ideales.

Tabla 2. Composicin del aire hmedo.

Fuente: North American Handbook Combustin Volumen 1

3.3 Determinacin de propiedades para combustibles gaseosos puros,

relacionadas con el requerimiento de aire y productos de combustion

A continuacin, a partir de la combustin estequiomtrica del Metano se ilustra

cmo se determinan propiedades de combustin relacionadas con el

requerimiento de aire y la cantidad de productos de combustin, las cuales

pueden ser expresadas en trmino molar, msico y volumtrico.


15/73


15

Por mucho tiempo ha sido la usanza en la industria del gas expresar estas

propiedades en trminos volumtricos, pero recientes aplicaciones del gas

natural en generacin elctrica y como combustible motor, hacen necesariotambin manejarlas en trminos msicos.

Para manejar estas propiedades de combustin en trminos volumtricos,

conviene recordar que debido a que un volumen de gas es funcin de la

temperatura y presin al que se mide, se hace necesario establecer estado de

referencia, en funcin del cual debe expresarse todo volumen considerado.

Los estados referencias utilizados en la industria del gas son:

Normal Temperatura: Tn = O C = 273 K

Presin: Pn = 1013 mbar

Este estado de referencia est vigente en los pases europeos

Standard Temperatura: Tst = 15.6 C = 288.6 K

Presin: Pst = 1013 mbar

En Estados Unidos se trabaja con el estado standard, las regulaciones y

normas tcnicas colombianas para el manejo de los combustibles gaseosos

tambin lo han acogido.

Dependiendo de s se considera el gas ideal o real, las expresiones para llevar

un volumen de gas a la temperatura y al volumen de referencia son:


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16

Donde:

V*: volumen de gas en el estado de referencia, normal o estndar.

P*: presin absoluta en el estado de referencia, normal o estndar.

T*: temperatura absoluta en el estado de referencia, normal o estndar.

Z*: factor de compresibilidad en estado de referencia, normal o estndar.

V: volumen medido o considerado a condiciones de P y T.

P: presin 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 subndice asterisco (*), se estarhaciendo referencia al estado normal o estndar.

Al plantearse la reaccin estequiomtrica del CH4, se establece:

Z

Z

P

P

T

TVV:realgasPara

T

P

P

T

VV:idealgasPara

*

*

*

*

*

*

*

=

=

222224 52.7252.72 NOHCONOCH ++++


17/73


17

En trminos volumtricos se tiene:

Para quemar estequiomtricamente un m3

* de CH4 se requieren 9.52m3* de aire.

Al quemar estequiomtricamente un m3* de CH4 se obtienen: un m3* de

CO2, 2m3* de H2O, 8.52 m

3* de humos secos y 10.52 m

3*de humos

hmedos.

Teniendo en cuenta los resultados anteriores se establecen las siguientes

propiedades de combustin volumtricas para los combustibles gaseosos:

Volumen estequiomtrico de aire (Va). Es el volumen normal o estndar de

aire requerido para quemar estequiomtricamente un m3* de gas combustible,

se expresa en m3* aire/m3* gas.

Volumen de dixido de carbono (VCO2). Es el volumen de dixido de carbono

normal o estndar, producido por la combustin estequiomtrica de un m3* degas combustible, se expresa en m3*CO2/m

3* gas.

(Volumen de agua VH2O). Es el volumen de vapor de agua normal o estndar

producido por la combustin estequiomtrica de un m3* de gas combustible, se

expresa en m3*H2O/m3* gas.

Volumen de humos secos o poder fumgeno seco (Vf). Es el volumen de

humos secos normal o estndar producido por la combustin estequiomtrica

de un m3* de gas combustible, se expresa en m3* humos secos/m

3* gas

Volumen de humos hmedos o poder fumgeno hmedo (V f). Es el

volumen de humos hmedos normal o estndar producido por la combustin


18/73


18

estequiomtrica de un m3* de gas combustible, se expresa en m3*humos

humedos/m3* gas.

Porcentaje mximo de CO2. Es la relacin entre el volumen de CO2 y el

volumen de humos secos en porcentaje, en condiciones de combustin

estequiomtrica este valor es mximo.

De la reaccin estequiomtrica del Metano, se obtienen:

CHm

sec.humosm8.52V

CHm

.humhumosm52.10V

CHm

OHm2V

CHm

COm1V

CHm

airem52.9V

4

3

*

3

*f

4

3

*

3

*f

4

3

*

2

3

*OH

4

3

*

2

3

*CO

4

3

*

3

*a

2

2

===

==

En la Tabla 3 se presentan las propiedades de combustin volumtricas para

los combustibles gaseosos puros, los cuales se obtienen planteando sus

respectivas reacciones estequiomtricas.


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Prohibida la reproduccin parcial o total sin autorizacin del autorAndrs Amell A. Grupo de Ciencia y Tecnologa del Gas y Uso Racional de la Energa Universidad de Antioqu

Tabla 3. Propiedades volumtricas de algunos combustib

Componente FormulaVa

gasSt

aireST

mm

)(3

)(

3

Vf

gas)ST(3

.humhumos)ST(

3

mm

Vf

gas)ST(

3

.sechumos)ST(3

m

m PCIVO

m

Metano CH4 9.52 10.52 8.52

Etano C2H6 16.66 18.16 15.16 1

Propano C3H8 23.80 25.8 21.8 2

Butano Normal C4H10 30.94 33.44 28.44 3

Isobutano C4H10 30.94 33.44 28.44 3

Pentano Normal C5H12 38.08 41.08 35.08 3

Isopentano C5H12 38.08 41.08 35.08 3

Etileno C2H4 14.28 15.28 13.28 1

Propileno C3H6 21.42 22.92 19.92 2

Butileno C4H8 28.56 30.56 26.56 2

Acetileno C2H2 11.90 12.4 11.4 1

Hidrogeno H2 2.38 2.88 1.88 Monxido de C CO 2.38 2.88 2.88

Tomado de: Estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnologa


20/73


20

A partir de la reaccin estequiomtrica del CH4, a continuacin se ilustra cmo

se obtienen las propiedades anteriores en trminos msicos, para ellorecordemos la relacin entre masa (m), mol (n) y peso molecular (M):

nMm =

La reaccin del CH4 en trminos msico es como sigue:

Masa estequiomtrica de aire (ma). Es la masa de aire en Kg, necesaria para

obtener una combustin estequiomtrica de un Kg de combustible.

c

aaa

m

Mnm =

Donde na: numero de moles de aire

Ma: peso molecular de aire

mc: masa de combustible

Para el CH4:4

3.1716

29*52.9CH

airea

Kg

Kgm ==

Masa de humos hmedos (mf). Es la masa de productos de combustin

hmedos que se produce por la combustin estequiomtrica de un Kg de

combustible

210.6Kg36Kg44Kg217.7Kg64Kg16Kg

N52.7OH2CON52.7O2CH 222224

++++

++++


21/73


21

c

h

f m

mm =

Donde:

mh: masa total de humus hmedos.

mc: masa por mol de combustible

Para el CH4:4CH

ohumushumed

f Kg

Kg16.18

166.290m ==

Masa de humos secos (mf). Es la masa de productos de combustin secos en Kg

que se producen por la combustin estequiomtrica de un Kg de combustible.

chf m/mm =

Donde:

mh: masa total de humus secos.

Para el CH4:4CH

osechumus

fKg

Kg9.15

16

6.254m ==

Con el procedimiento descrito se determinan las propiedades msicas para loscombustibles gaseosos puros, en la Tabla 4 se presentan estas propiedades.


22/73


Tabla 4. Propiedades msicas de algunos combustibles

Componente Formula ma

gas

aireKg

Kg

mf

gas

humhumusKg

Kg.

mf

gas

humusKg

Kg.sec PCIma

Metano CH4 17.19095 18.16 15.9142 13

Etano C2H6 15.05056 17.016 15.2187 13

Propano C3H8 15.63567 16.6 14.9659 12

Butano Normal C4H10 15.42103 16.385 14.8353 12

Isobutano C4H10 15.42103 16.385 14.8353 12

Pentano Normal C5H12 15.32191 16.25 14.7488 12Isopentano C5H12 15.32191 16.25 14.7488 12

Etileno C2H4 14.74626 15.71 14.4257 13

Propileno C3H6 14.74626 15.71 14.4257 12

Butileno C4H8 14.7747 15.71 14.4232 12

Acetileno C2H2 13.25935 14.2 13.5071 13

Hidrogeno H2 34.2007 35.32 26.384 33Monxido de C CO 2.461483 3.45 3.45 2

Tomado de: estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnologa


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23

3.4 Determinacin de la cantidad estequiomtrica 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), monxido de carbono

(CO) e hidrogeno.

Elementos no combustibles: gases inertes (CO2 y N2) y O2 .

Existe la tendencia a obtener la composicin qumica de una mezcla de

combustibles gaseosos en mol o en volumen. Conocida esta composicin, las

propiedades de combustin volumtricas se determinan as:

Volumen estequiomtrico de aire. Si la mezcla de combustible tiene Oxgeno se

tiene:

= 2Oaiia y76.4VyV

Donde:

yi: fraccin molar de cada componente en la mezcla.

Vai: volumen estequiomtrico de aire de cada componente.

YO2 : fraccin de O2 en el combustible.


24/73


24

Si la mezcla de combustibles gaseosos no contiene O2:

= aiia VyV

Volumen de humus hmedos. Si la mezcla de combustibles contiene gases

inertes como el N2 y CO2, entonces

++= 22 XCOXNVyV ifif

Donde:

Vfi: volumen de humos hmedos de cada componente

XN2: fraccin de N2 en la mezcla de gases

XCO2: fraccin de CO2 en la mezcla de gases

Si la mezcla no contiene CO2 y N2, el volumen de humos hmedos es

Expresiones semejantes se obtienen para el volumen de humos secos,

considerando ahora el volumen de humos secos de cada componente en la

mezcla.

Porcentaje mximo de CO2. Se determina mediante la siguiente expresin

= ifiVyVf

= 22 iCOiCO y


25/73


25

: porcentaje mximo de cada componente en la mezcla

Para la determinacin de las propiedades msicas estudiadas para una mezcla de

gases combustibles, se requiere conocer su composicin en masa.

Dada la composicin en volumen, la composicin en masa se determina mediante

la siguiente expresin:

Donde:

ymi: fraccin en masa del componente i

yi: fraccin en volumen del componente i

Mi: peso molecular del componente i

MM: peso molecular de la mezcla

Masa estequiomtrica de la mezcla. (mam) Si la mezcla contiene Oxigeno, se

determina as:

= 2mOaimiam y76.4mym

2iCO

M

iimiM

Myy =


26/73


26

Donde:

mam: masa estequiomtrica de la mezclamai: masa estequiomtrica del componente i

ym02: fraccin en masa del O2 en la mezcla

Si la mezcla no contiene Oxigeno, la masa estequiomtrica es:

= aimiam mym

Masa de humos hmedos de la mezcla. Si la mezcla contiene N2 y CO2, se

define como:

2m2mfimifm NXCOXmym ++= Donde:

fmm : masa de humos hmedos de la mezcla

fim : masa de humos hmedos del componente i

2COXm : fraccin en masa CO2 en la mezcla

2NXm : fraccin en masa del N2 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 composicin molar, las propiedades

volumtricas y las msicas de los gases naturales colombianos respectivamente.


27/73


Tabla 5. Composicin de los yacimientos de gas natural en C

C A M P OComposicin (% molar) Apiay Payoa El Centro Huila Guajira Ge

Metano 86.2 90.29 91.61 85.06 97.76 96.

Etano 8.45 6.47 6.728 6.18 0.38 0.5

Propano 1.18 1.73 0.028 2.84 0.2 0.

i- Butano 0.12 0.15 0.011 0.46 0 0.0

n- Butano 0.11 0.17 0.012 0.69 0 0.0Otros pesados 0 0.09 0.02 0.43 0 0.

Nitrgeno 0.77 0.35 0.85 1.13 1.29 1.9

CO2 3.17 0.75 0.739 3.21 0.37 0.0

Tomado de: Informacin suministrada por Ecopetrol


28/73


Tabla 6.1. Propiedades volumtricas de combustin de los gases natur

NOMBRE DELCAMPO

d Va Tll(C)

P.C.S(MJ/m3 n )

P.C.I(MJ/m3(n))

W(MJ/m3 n )

L.S

Apiay 0.644 10.13 1846 41.73 37.63 52.0 15

Payoa 0.616 10.24 1899 42.74 38.55 54.47 14.

El Centro 0.598 9.90 1889 41.26 37.17 53.37 14.

Huila 0.665 10.36 1832 43.11 38.96 52.87 14.

Guajira 0.567 9.44 1886 39.40 35.43 52.34 15.

Gepaj 0.569 9.42 1877 39.47 35.51 52.34 15.

Cusiana 0.734 11.04 1798 47.71 41.42 53.36 14.

Opn 0.602 10.16 1896 43.44 39.26 55.97 14.Tomado de: estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnologa


29/73


Tabla 6.2 Caractersticas de los humos de los gases naturales co

Volumen deHumos

Voh

NOMBRE DELCAMPO

Vfo Vfo

VCO2 VH2O VN2 CO2

%CO

Apiay 11.147 9.11 1.108 2.037 8.00 12.17 9.94

Payoa 11.287 9.20 1.106 2.087 8.09 12.02 9.8

El Centro 10.918 8.881 1.06 2.036 7.83 11.94 9.7

Huila 11.406 9.341 1.144 2.065 8.20 12.25 10.0

Guajira 10.438 8.463 0.995 1.975 7.47 11.76 9.5

Gepaj 10.416 8.446 0.993 1.971 7.46 11.75 9.5

Cusiana 12.122 9.99 1.252 2.132 8.73 12.53 10.3

Opn 11.210 9.132 1.095 2.078 8.03 11.99 9.7

Tomado de: estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnologa


30/73


31/73


31

Ejemplo.

Un gas natural tiene la siguiente composicin en volumen 85%CH4, 10%C2H6,

4%CO2 y 1%O2, determinar las propiedades de combustin estudiadas.

%44.12100*

04.01.085.0

7604.8

04.010.085.0

7604.10

04.01.085.0

7104.9

76.401.01.085.0

0

3

3

3

3

3

3

2

2

622422

624

624

624

==

++=

=

++=

=

++=

=

+=

f

COCO

HCCOCHCOCO

gasst

hsst

f

HCfCHff

gasst

hhst

f

HfCfCHf

gasst

airesta

HCaCHaa

VV

VVVm

mV

VVV

m

mV

VVV

mmV

VVV

Para encontrar las propiedades msicas hay que determinar la composicin

equivalente en masa:


32/73


32

gas

hhHCfCHff

gas

hs

HfCfCHf

gas

aire

HaCaCHa

OmmCO

HmCmCH

M

KgKg03.14095.0)m(164.0)m(741.0m

Kg

Kg96.15094.0)m(160.0)m(726.0m

Kg

Kg09.15)76.4(017.0)m(160.0)m(726.0m

017.07239.18

3201.0Y094.0

7239.18

4404.0y

160.07239.18

301.0y726.07239.18

1685.0y

Kmol

Kg7239.18)32(01.0)44(04.0)30(10.0)16(85.0M

624

624

624

22

624

=++=

=++=

=+=

=

==

=

=

==

=

=+++=

3.5 Propiedades relacionadas con las condiciones para que ocurra la

combustion

Limites de inflamabilidad. Corresponden a las proporciones de la mezclacombustible - oxidante (en porcentaje por volumen de gas en la mezcla) para las

cuales la reaccin de combustin puede iniciarse y auto - propague. Significa que

una mezcla cuya composicin no se halle dentro de los limites de inflamabilidad,

no puede encenderse aunque est expuesta a una chispa o a una llama.

El intervalo explosivo de la mezcla est comprendido entre eI limite inferior de

inflamabilidad (LII, LEL) y el lmite superior de Inflamabilidad (LSI, UEL).

Por ejemplo, el porcentaje estequiomtrico de metano en una mezcla metano aire es 9.5% en volumen, experimentalmente se halla que el Lll de la mezcla CH4-

aire a 1 atm es aproximadamente de 5% de CH4 y el LSI es alrededor de 15% de

CH4. Por tanto, una mezcla de CH4-aire que contiene entre 5% y 15% de CH4

puede considerarse un peligro de incendio o de explosin, mientras que una


33/73


33

mezcla que se halle por debajo del 5% de CH4 o por encima del 15% se considera

segura.

Los lmites de inflamabilidad dependen de la composicin del combustible,presencia de inertes, temperatura y presin de la mezcla combustible oxdante y

de la geometra del recinto donde ocurre la combustin. Un aumento de la

temperatura produce una disminucin en el LII y una elevacin en el LSI es decir

se amplia el Intervalo explosivo; el efecto del aumento de presin es similar al de

temperatura; la presencia de inertes (CO2, N2) estrecha el intervalo explosivo

debido al aumento del LII y disminucin del LSI.

La Tabla 10 y la Tabla 6.1 presentan los lmites de inflamabilidad para las

mezclas de gas combustible puro y aire y de los gases Colombianos y aire a

temperatura inferior de OC y 1 atm. de presin.

Cuando se trata de una mezcla de varios gases combustibles, los lmites 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 lmites inferior y superior para la mezcla,

respectivamente.

Xi es la fraccin por volumen del componente i en la mezcla.

(LII)i y (LSI)i son respectivamente los lmites inferior y superior de inflamabilidad

del gas i.

Cuando la mezcla de gases combustibles contiene inertes (CO2 , N2) el clculo de

los lmites de inflamabilidad se realiza aplicando la Ley de Le Chatelier y utilizando

los lmites de inflamabilidad para las mezclas binarias de la Figura 1; en sta el

eje de las ordenadas corresponde a la relacin volumen de gas inerte / volumen


34/73


34

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

clculo.

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 CH4 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 = 0.80 /5.0 + 0.20 / 12.5; LII = 5.7%

Ejemplo

Calcular los lmites 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 oxgeno

que entra con el gas as:

%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 composicin equivalentedel gas es:

H2 45%

CO 35% CO2 5.2%

CH4 9.5% N2 2.1%


35/73


35

El porcentaje de cada componente en la mezcla libre de aire se determina

multiplicando por 100 / (100 3 .8) = 1.04 as:

H2 46.8%

CO 36.4% CO2 5.2%

CH4 9.5% N2 2.1%

Con los limites de inflamabilidad extrados de la Tabla 10 y de la Figura 1 se

obtiene la siguiente tabla:

Componente o

mezcla binariaXI

Inerte /

CombustibleLII % LSI %

H2

CH4 + N2

CO + CO2

0.468

0.116

0.416

0.22

0.14

4.0

5.2

14.8

75.0

15.8

72.0

Aplicando la ley de le Chatellier:

%6.510.72

416.0

8.15

116.0

0.75

468.0

)(

1

%0.68.14

416.0

2.5

116.0

0.4

468.0

)(

1

=++=

=++=

gas

gas

gas

gas

(LSI)LSI

(LII)LII


36/73


36

Figura1. Lmite 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

Mnima Energa de Ignicin. Es la cantidad de energa que es necesario

suministrar a una mezcla combustible aire para que la combustin se inicie auto

- sostenga y propague. En otras palabras, es la energa requerida para que la

mezcla alcance su temperatura de ignicin.


37/73


37

La ignicin en un volumen puede ser causado por un calentamiento local, a travs

de un dispositivo caliente o una chispa elctrica. La combustin se inicialocalmente en el punto de ignicin y progresivamente va propagndose y

transformando la sustancia inicial en productos de combustin. La propagacin de

la combustin puede ocurrir por detonacin o deflagracin, mecanismos que se

estudiarn mas adelante.

La energa de ignicin depende de los siguientes factores:

Composicin del comburente, si es Oxigeno puro en proporcin

estequiomtrica, la energa de ignicin requerida es menor que la de

una, mezcla estequiomtrica con aire.

La presin de la mezcla, a menor presin para una composicin

determinada de combustible en la mezcla, la energa de ignicin

requerida es mayor.

La energa de ignicin para mezclas estequiomtricas 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 energa de ignicin en funcin de la fraccin de combustible en la mezcla,

composicin del comburente y presin de la mezcla.


38/73


38

Figura 2. Incidencia sobre la energa de ignicin de la proporcin de metano

en la mezcla, para diferentes composicin del comburente y presin

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

Punto de inflamacin, Tif. Es la temperatura mnima requerida para que se inicie

la formacin de especies qumicas, denominadas Transportadores de cadena"

encargadas de propagar las reacciones que se dan desde los reactantes hasta

llegar a los productos finales de la combustin.

El punto de inflamacin vara con la composicin del combustible, con la

proporcin combustible a comburente y con las condiciones de operacin. Se

determina experimentalmente.


39/73


39

Punto de ignicin, Tig.

Es la temperatura mnima que debe alcanzar la mezcla combustible - oxidante

para que se inicie la combustin y se auto - propague.

Esta temperatura depende de la composicin de la mezcla combustible - oxidante,

de la presin y de la presencia de sensibilizadores, sustancias que disminuyen el

punto de ignicin) o de inhibidores(sustancias que lo aumentan). Se determina

experimentalmente.

El punto de ignicin de un gas puro es menor cuando reacciona con Oxgeno puro

que cuando lo hace con aire, la Tabla 10 presenta los puntos de ignicin, en aire,para diversos gases combustibles.

3.6 Estimacin de propiedades relacionadas con el contenido energtico

de un combustible gaseoso.

Poder calorfico. El poder calorfico es la propiedad de combustin que

informa acerca de la energa disponible por cantidad de combustible, por lo que

resulta de inters en las transacciones comerciales, en los sistemas de

transporte y distribucin y en la especificacin de las tecnologas de conversin

energtica.

El poder calorfico se define como la cantidad de energa liberada por un

combustible cuando se queme estequiomtricamente y los productos decombustin salgan a igual condicin (presin y temperatura) a la que entran

los reactivos. Para hidrocarburos e Hidrgeno, debido a la formacin de agua

en la combustin de estos, es necesario diferenciar entre poder calorfico

superior y poder calorfico inferior


40/73


40

El poder calorfico superior se define como la cantidad de energa liberada

durante la combustin estequiomtrica de un combustible y el agua en losproductos de combustin se encuentra en fase lquida.

El poder calorfico inferior se define como la cantidad de energa liberada

durante la combustin estequiomtrica y el agua en los productos de

combustin se encuentra como vapor. La diferencia entre el poder calorfico

superior e inferior es el calor latente de vaporizacin del agua.

El poder calorfico de un combustible gaseoso puede expresarse en diferentes

formas:

.ft

BTU,

m

h.Kw,

m

MJ:volumetriccalorficoPoder

Kg

BTU,

Kg

Kcal,

Kg

h.Kw,

Kg

MJ:msicocalorficoPoder

lbmol

BTU,

Kmol

Kcal,

Kmol

h.Kw,

Kmol

MJ:molarcalorficoPoder

3

*

3

*

3

*

El poder calorfico de un combustible puede ser determinado por mtodos directos

o indirectos. Por mtodos directos se requiere de un calormetro, la determinacinindirecta se basa en estimaciones a partir de la composicin qumica del

combustible, para ello existen normas internacionales que establecen un

procedimiento de clculo como la ISO 6947 y la ASTM D4891-89(2001).

.


41/73


41

La estimacin del poder calorfico de un combustible gaseoso requiere considerar

conceptos termoqumicos como el de calor de formacin y reaccin de un

compuesto. A continuacin se realiza una rpida revisin de estos conceptos.

Termoqumica. Se fundamenta en la aplicacin de las leyes de la Termodinmica

a los procesos durante los cuales se producen transformaciones qumicas, siendo

posible evaluar los efectos trmicos de las reacciones qumicas.

Para estimar las propiedades termodinmicas de un sistema es necesario fijar un

estado de referencia. En aquellos sistemas que no experimentan cambios en su

composicin qumica durante una transformacin, este estado puede ser elegido

arbitrariamente no tenindose efecto sobre los resultados. En sistemas reactivos,

donde las composiciones iniciales y finales no son las mismas, es necesario tener

un estado de referencia comn para todas las sustancias.

Para el estudio de sistemas reactivos la Termoqumica fija el siguiente estado de

referencia: temperatura 25C (298K) y presin absoluta de una atmsfera.

Calor de formacin )fh .Es el calor absorbido o liberado cuando un compuestose forma a partir de sus elementos. Si la formacin del compuesto se realiza

cuando se tenga una reaccin exotrmica el calor de reaccin es negativo, si la

reaccin es endotrrmica es positivo.

El calor de formacin tambin se denomina entalpa de formacin, la cual puede

considerarse como la entalpa de una sustancia en un estado especificado debido

a su composicin qumica.


42/73


42

En Tabla 8 se presentan las entalpas de formacin para varios compuestos a una

1 atm y 25C, las cuales son utilizadas en el estado de las reacciones de

combustin para estimar poderes calorficos.

En el estado de referencia de la termoqumica (1 atm y 25C) para los elementos

estables (como O2, N2, H2 y C) se les asigna una entalpa de formacin nula.

Entalpa totalde un compuesto h~

. Si un compuesto se forma a partir de los

elementos estables y se encuentra a una temperatura diferente de 25C, laentalpa total del compuesto depender de la entalpa de formacin y del cambio

de entalpa sensible h~

con respecto a 25C, por lo tanto:

Si los compuestos se consideran como gas ideal, entonces:

En la literatura se reportan para diferentes compuestos este cambio de entalpa en

funcin de una determinada temperatura. Conviene aclarar que los elementos

estables si bien su entalpa de formacin es nula, a una temperatura distinta de

25C su entalpa total es diferente de cero.

298

~~~~~~hhhhhh Tff +=+=

( )=T

298p dTTC

~h

~


43/73


43

Tanto hth~

,~

y h~

se expresan en:lbmol

BTU

Kmol

Kcal

Kmol

MJ,, .

Calor o entalpa de reaccin rph~

. Es el cambio de entalpa en una reaccin

estequiomtrica a condiciones de una 1 atm y 25C.

=

=

=

=

reactivosifiprodifirp

reactivosfiiR

productosifip

Rprp

hnhnh

hnH

hnH

HHh

~~

~

~

~


44/73


44

Tabla 8. Entalpas de formacin de algunos compuestos


45/73


45

Ejemplo. Determinar el calor o entalpa de reaccin o combustin de CH4.

Para ello planteamos la reaccin estequiomtrica, teniendo como comburente O2

puro, aunque si se considera aire el resultado no se afecta, debido a que a 25C y

1atm las entalpas de N2 y O2 son nulas.

Reaccin estequiomtrica: ( )l2224 OHCOO2CH ++

( ) ( )

( ) ( ) ( )

4

422

CHrp

rp

CHOHCOrp

KmolKJ890330h

~

KJ74850128583023935201h~

fh~

1fh~

2fh~

1h~

=

=

+=

De est manera se obtiene el calor de combustin de un combustible gaseoso

puro.

2O2

CH4

CO2

2H2Og

25C y 1 atm 25C y atm

hrp


46/73


46

Poder calorfico y calor de reaccin. Conocido el calor de reaccin de un

combustible, el poder calorfico superior se define como:

KmolKJhPCS rp =

~

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

OHOH 2fghnPCiPCS~

2+=

KmolKJfghnPCSPCi OHOH 2 =

~2

OHn 2 : coeficiente estequiomtrico del agua en los productos de

combustin.

fgh~

: Calor latente de vaporizacin molar del agua a 25C y 1 atm.

Determinar el calor de combustin asumiendo el H2O en los productos en

fase gaseosa.


47/73


47

Ejemplo

Determinar el PCSy PCidel CH4

( )4CH

(l)2fp

KmolKJ890330890330PCS

OH,h~

PCS

==

=

Para el PCI

El calor latente de vaporizacin del H20 a:

OHfg

2Kmol

KJhatm1yC 4.43961~

25 =

( )

4

2

CH

OH

KmolKJ802310PCi

KmolKJ4.439612890330PCi

=

=

( ) ( )( ) ( ) ( )

4

4

42

CHrp

CHrp

rp

)g(2CH)g(COrp

KmolKJ802310h

~PCi

KmolKJ802310h

~

74850124182023935201h~

OHfh~

1fh~

2fh~

1h~

==

=

+=

+=

Determinacin del poder calorfico msico. Se define como relacin entre la

energa contenida por unidad msica de combustible, se obtiene as:

M

PCiPCi

M

PCSPCS MM ==


48/73


48

Donde: PCSM y PCIM: poderes calorficos msicos superiores e inferiores

respectivamente en lbBTUKghkwKgKcalKgKJ ,.,,

M: peso molecular del combustible enKmol

Kg .

Ejemplo. Determinar el PCSM Y PCIM para el CH4

KgKJ9.50009

Kg

Kmol

Kmol

KJ

043.16

802310PCi

KgKJ5.55496

Kg

Kmol

Kmol

KJ

043.16

890330PCS

M

M

==

==

Determinacin del poder calorfico volumtrico. Se define como la relacin

entre la energa contenida por unidad volumtrica de combustible.

*V

PCiPCi

V

PCSPCS ==

*

PCS: poder calorfico superior volumtrico en .,.

,,3

*

3

*

3

*

3

* ft

BTU

m

hKw

m

KJ

m

MJ

PCI: poder calorfico inferior volumtrico en .,.

,,3*

3*

3*

3* ft

BTU

m

hKw

m

KJ

m

MJ

*V : volumen molar definido a condiciones normal o estndarlbmol

ft

Kmol

m

Kmol

m stnst 333,,


49/73


49

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

Volumen normal:

Kmol

mV

K

KKmolbar

mbar

P

TRV

nn

n

nnn

3

3

4.22

273

..013.1

.08314.0

=

==

Volumen estndar:

KmolmV

V

stst

st

3

7.23

013.1

6.28808314.0

=

=

st

3

st

3

st

3

n3

n3

m

MJ60.37

m

KJ7.37566

Kmolm7.23

Kmol

KJ890330

PCS

m

MJ75.39

m

KJ9.39746

Kmol

KJ

4.22

890330PCS

===

===

st3

st3

st3

n3

n3

n3

mMJ8.33

mKJ7.33852

Kmol

m7.23

Kmol

KJ802310

PCi

m

MJ8.35

m

KJ4.35817

Kmol

m4.22

Kmol

KJ802310

PCi

===

===


50/73


50

Determinacin del poder calorfico de una mezcla de gases combustibles. Si

se conoce la composicin molar o el volumen de una mezcla el poder calorfico

molar y volumtrico pueden ser determinado mediante las siguientes expresiones:

=

=

=

=

ii

ii

ii

ii

PCiyPCi

PCSyPCS

PCiyPCi

PCSyPCS

Donde:

yi: fraccin molar o volumtrica del componente i en la mezcla

ii PCiPCS , . Poderes calorficos molares superior e inferior respectivamente del

componente i en la mezcla.

ii PCiPCS , .Poder calorfico volumtrico superior e inferior respectivamente del

componente i en la mezcla.

Para determinar los poderes calorficos msicos se tienen las siguientes opciones:

Determinados los poderes calorficos molares, se calcula el peso molecular

de la mezcla, siguindose el siguiente procedimiento.

M

PCiPCi

M

PCSPCS

MyM

MM

ii

==

=


51/73


51

Donde:

M: peso molecular de la mezcla

PCSM y PCiM: poderes calorficos msico superiores e inferiores

respectivamente de la mezcla

La composicin en volumen o molar se puede transformar en composicin

en masa, entonces:

MimiM

MimiM

PCiyPCi

PCSyPCS

=

=

ymi: fraccin en masa del componente i en la mezcla

Ejemplo. Determinar MMstst PCiPCSPCiPCSPCiPCS ,,,,, de una mezcla de gases

que tiene la siguiente composicin en volumen: 85%CH4, 10%C2H6 y 5%C02

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) Kg/MJ76.431000/)21.474831595.048.500097236.0(PCi

Kg/MJ43.481000/)96.518731595.055496.48(0.7236PCS

m/MJ9415.3401.6110.080.3385.0PCi

m/MJ7645.3877.6610.060.3785.0PCSKmol/KJ4.824745142781910.080231085.0PCi

KJ/Kmol4.912765155984910.089033085.0PCS

Kmol/Kg8445.18)01.44(05.007.3010.0043.1685.0M

M

M

ST3

st

ST3

st

=+=

=+=

=+=

=+==+=

=+=

=++=


52/73


52

Indice de Wobbe. Es la relacin entre el poder calorfico del gas y la raz

cuadrada de la densidad relativa de este. Para ello generalmente se toma el poder

calorfico superior, por tanto:

d

PCSW =

donde:

d: es la gravedad especifica del gas.

La gravedad o densidad especifica se define como la relacin entre la densidad

del gas y la del aire, medidas ambos a igual presin y temperatura; esto es:

TPa

TPgd,)

,)

=

Si el gas es ideal puede demostrarse que:

Ma

Mgd

TRP

TRPd

a

g ==/

/

Donde:

Mg: peso molecular del gas

Ma: peso molecular del aire

Para una mezcla de gases la gravedad especifica se define as:

iidydm =


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53

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 calorfico usado para definir

el ndice de Wobbe como un promedio entre los poderes calorficos superior e

inferior. Si se usa como referencia el poder calorfico inferior, se tendr:

d

PCIW =

Para una mezcla de gases combustibles con composicin volumtrica conocida el

ndice Wobbe de la mezcla queda definido por:

ii

ii

dY

PCSYW

=

Tabla 9. Densidad relativa de los componentes puros

Componente Formula DMetano CH4 0.5538

Etano C2H6 1.038

Propano C3H8 1.5222Butano Normal C4H10 2.0064

Isobutano C4H10 2.0064

Pentano Normal C5H12 2.4853

Isopentano C5H12 2.4853


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54

Etileno C2H4 0.9684

Propileno C3H6 1.4526

Butileno C4H8 1.933

Acetileno C2H2 0.8975

Hidrogeno H2 0.0696

Monxido de C CO 0.9669

Tomado de: Estimaciones del grupo de C y T del Gas

En la ingeniera de combustin el ndice Wobbe es de gran utilidad en la

siguientes situaciones:

- Cuando se requiere sustituir un gas combustibles por otro, para tener la misma

rata calrica en el sistema de combustin, se debe garantizar que los ndices

de Wobbe de los gases sean iguales, es por ello que este ndice es uno de los

principales parmetros en la intercambiabilidad de los gases.

- Cuando se requiere estimar la energa disponible en la unidad de tiempo en un

gasoducto o red de distribucin, esta magnitud es directamente proporcional al

ndice de Wobbe.

Ejemplo

Determinar el ndice de Wobbe de una mezcla cuya composicin en volumen

es:

80% CH4, 10%C2H6 Y 10%CO2.

ST

COHCCH

COHCCH

mMJWDonde

dddPCSPCSPCSW

3/11.44

1.01.08.01.01.08.0

2624

2624

=

++++=


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55

Temperatura de llama adiabtica Es la mxima temperatura que alcanzan los

productos de combustin cuando esta se realiza en condiciones estequiomtrica yadiabtica y no ocurren reacciones de disociacin.

Si bien la temperatura adiabtica nunca se alcanza en una combustin real, esta

propiedad es de inters para propsitos comparativos e indicativos de ordenes de

magnitud, como tambin en el estudio de fenmenos trmicos en la llama.

Para estimarla se considera que una mezcla, combustible comburente entra a

una cmara de combustin a 1 atm y 25C, donde ocurre una reaccin

estequiomtrica sin prdida de calor a los alrededores, de tal forma que el calor

liberado calienta a los productos de combustin a una temperatura de salida, que

es la temperatura de llama adiabtica, entonces

CO2H2ON21

25C

CxHy

aire


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57/73


57

Tabla 10. Punto de ignicin, temperatura de llama adiabtica y limites deinflamabilidad para gases combustibles

lmites de

inflamabilidad % en

volumen de gas en

mezclas aire - gasNOMBRE

Punto de

Ignicin

(en aire)

C

Temperatura

De llama

Terica

( 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 10.0ACETILENO 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 *** *** *** ***

SULFURO HIDROGENO 290.0 1815.0 4.3 45.5AIRE *** *** *** ***

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


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58

Temperatura de roco La combustin de hidrocarburos (CxHy) e Hidrgeno

produce vapor, el cual se encuentra como vapor en los productos de combustin.

La temperatura a la cual se inicia la condensacin del vapor de agua en losproductos de combustin se denomina temperatura de rocio.

Cuando se conoce la combustin estequiomtrica de un CxHy y el H2 y la presin a

la cual ocurre, es posible determinar la temperatura de rocio.

Ejemplo: Determinar la temperatura de rocio del CH4 a la presin estndar

===

++++

52.10

21013

52.7252.72

2

22

2

222224

mbrPP

P

Vf

Vy

NOHCONOCH

OH

st

OHOH

OH

mbrP OH 6.1922 = es la presin parcial en la mezcla de gases de

combustin.

Con la mbrP OH 6.1922 = de las propiedades del vapor del H20, le corresponde

una temperatura de saturacin de 59.2C que es la temperatura de rocio.

Otra opcin es considerar que entre 50C y 150C, la siguiente expresin es

vlida para expresar la temperatura de saturacin en funcin de la presin parcial

de agua:


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59

67.231

140974

Pln

5.3928T

OH

R

2

=

Donde:

TR: temperatura de saturacin o rocio en C

OHP 2 : presin parcial del vapor de H2O en bar

Si la presin absoluta es menor que la estndar la temperatura de rocio se

disminuye, un caso de inters es cuando la combustin 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: Clculos del Grupo de C y T del Gas

Otro factor que afecta la temperatura de rocio es el exceso de aire, situacin que

ser examinada mas adelante.


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60

En procesos industriales, comerciales y residenciales donde se utilizan

combustibles gaseosos, la temperatura de rocio tiene la siguiente importancia:

Cuando se requiere evitar la condensacin en los conductos de evacuacin

de humos, para prevenir el deterioro de los materiales constitutivos de estos

por causa de la humedad.

Cuando se requiera implementar sistemas de combustin con

condensacin, donde se necesita provocar la condensacin del vapor de

agua al interior del aparato, para aprovechar el calor latente de vaporizacin

y mejorar la eficiencia de combustin.

3.7 Parmetros de un sistema de combustion

Por sistema de combustin entenderemos todo equipo o artefacto donde al

suministrarse un combustible y aire ocurre una combustin y la energa trmica

liberada puede usarse directamente o transformarse a otra forma, en este contextoestamos haciendo referencia a un quemador atmosfrico, una caldera, un horno y

una mquina trmica.

Los parmetros bsicos para el diseo y ajuste de todo sistema de combustin

son:

Potencia trmica. Es la cantidad de energa por unidad de tiempo quese suministra con el combustible, dependiendo de si se define en

funcin del poder calorfico superior, del poder calorfico inferior, msico

o volumtrico, se tienen las siguientes expresiones:


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61

MTT

MTT

PCimPPCiQP

PCSmPPCSQP

&

&

==

==

**

**

Factor de aireacin. Es la relacin entre las cantidades de aire y

combustible usados en un proceso real de combustin comparadas con

la relacin estequiomtrica. Dependiendo de si las relaciones se

expresan en trminos volumtricos o msico, se tienen las siguientes

expresiones:

( ) aM

a

a

*g

a

m

R

mgm

mn

VaR

VaQQn

==

==

&

&

n: factor de aireacin

Qa*: caudal de aire usado, normal o estndar,

h

m3*

Qg*: caudal de gas combustible suministrado, normal o estndar, hm3*

Va: volumen estequiomtrico de aire,gas

aire

m

m3*

3*

am& : flujo msico de aire usadoh

Kgaire

gm& : flujo msico de gas,h

Kgaire

ma: masa estequiomtrica de airegas

aire

KgKg


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62

Si la combustin es estequiomtrica 1== nVR a

Si la combustin es con exceso de aire 1>> nVR a

El porcentaje de exceso de aire: )1(100% = ne

Si la combustin es con defecto de aire 1nVR a 1 mezcla rica en combustible

Si < 1 mezcla pobre

3.8 Incidencia del exceso de aire sobre algunas propiedades de combustion

Incidencia sobre la cantidad de humos hmedos y secos. El exceso de aire

incrementa la cantidad de humus hmedos, como puede concluirse de la siguiente

expresin para una combustin completa con exceso de aire:

ahsah

ahsah

mnmfmmnmfm

VnVfVVnVfV

)1()1(

)1()1(

+=+=

+=+=


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63

Obsrvese que si la combustin es estequiomtrica, el volumen de humos

hmedo es igual al poder fumgeno hmedo del combustible, igual ocurre con la

masa de humo hmedo.

Como consecuencia del aumento del volumen de humus secos, el porcentaje de

CO2 disminuye, como puede observarse en la siguiente expresin;

oshumus

CO

COV

V

sec

2

2=

Como ya se demostr, el mximo porcentaje de CO2 en la combustin de un

hidrocarburo se obtiene cuando esta es estequiomtrica.

Temperatura de roco. El exceso de aire disminuye la temperatura de rocio,

debido a que la presin parcial del H2O disminuye como consecuencia del

incremento del volumen de gases hmedo, tenindose ahora la siguiente

expresin para la presin parcial del agua:

af

OH

OHVnV

VP

)1('2

2 +=

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

presin de 1013 mbr.


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64

Tabla 12. Temperatura de roco como funcin del factor de aireacin (C)

Gas n = 1 n = 1.1 n = 1.4 n = 1.8 n = 2.5CH4 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: Clculos del Grupo de Ciencia y Tecnologa del gas.

Temperatura de llama. El exceso de aire disminuye la temperatura de llama,

ello se explica porque ahora se tendr mayor masa de productos a calentar.

Ejemplo. Encontrar la temperatura de llama para el CH4, cuando se tengan

factores de aireacin de 1.5 y 2.5.

Reaccin para n = 1.5, suponiendo combustin completa y no disociacin:

2222224 29.11229.11)2(5.1 NOOHCONOCH +++++

Reaccin para n = 2, suponiendo combustin competa y no disociacin:

2222224 04.152204.15)2(2 NOOHCONOCH +++++


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65

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

[ ] [ ] [ ]422224

4222222

~1

~208.30

~~2

~~)1(

~1

~~56.22

~~2

~~)1(

2 CHOOHOHCOCH

CHONOHOHCOCO

fhhNhfhhfh

fhhhhfhhfh

=+++++

=+++++

Los valores de temperatura que satisfacen estas dos ecuaciones cuando se

realizan las iteraciones para los factores de aireacin 1.5 y 2 son 1789.24 C y

1480.96 C respectivamente.

4. Ejercicios Propuestos

1. Para una mezcla 50% CH4 y 50% C3H8, cuando se quemen con factores de

aireacin de 1, 1.3 y 1.5. Encontrar:1.1 La temperatura de llama adiabtica, si el comburente es O2 puro.

1.2 La temperatura de llama adiabtica, si el comburente es aire

1.3 La temperatura de roco.

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 32C, se

utiliza en un sistema de combustin del CH4, encontrar:

2.1 La ecuacin estequiomtrica de la reaccin.

2.2 La temperatura de roco de CH4 en estas condiciones.

2.3 Analizar la incidencia de la humedad en la temperatura de roco.

3. Ubicar en el intervalo de inflamabilidad el valor de la mezcla estequiomtrica

para los siguientes gases: CH4, C2H6, C4H10, C3H8, CO y H2.


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4. Si se supone que los parmetros de flujo (presin, temperatura) y los factores

que afectan la restriccin al flujo (viscosidad, rugosidad, longitud y dimetro detubera) permanecen inalterables, analizar la disponibilidad energtica en la

unidad de tiempo, cuando en una red de distribucin se sustituye gas de la

Guajira por el de Cusiana.

5. Si se suponen que los parmetros de flujo (presin menor de 100 mbr y

temperatura) y los factores que afectan la restriccin del flujo (configuracin

geomtrica y dimetro del inyector) permanecen inalterables, comparar la

potencia trmica 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 combustin en una mezcla

de aire gas, examinar la relacin entre el intervalo de inflamabilidad y energa

de ignicin.

7. Un Diesel para caldera (Fuel Oil N. 2) tiene la siguiente composicin en baseseca, en porcentaje en masa:

C = 85.6%, H = 12%, S = 2.2%, Impurezas = 0.2%

7.1 Encontrar la relacin estequiomtrica aire combustible en:

7.2 Volumen y masa de humus hmedo en:

7.3 Porcentaje mximo de CO2 en humus seco.

ecombustibl

aire

Kg

Kg

ecombustibl

aire

Kg

stm3

ecombustibl

aire

galn

stm3

ecombustibl

humus

galn

stm3

ecombustibl

humus

Kg

Kg


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68/73


68

Densidad relativa.

Indice Wobbe.

Temperatura de ignicin. Intervalos de inflamabilidad.

Temperatura de roco.

Tenga en cuenta los siguientes criterios: seguridad, potencia disponible,

posibilidades de combustin y eficiencia.

12. Si se dispone de una corriente de gases de combustin del gas natural deGuajira con un flujo msico de 0.5038 Kg/s y una composicin molar de O2 de

18%. Para garantizar una combustin estequiomtrica, suponiendo que las

condiciones aerodinmicas de la cmara garantizan un correcto mezclado

entre el gas natural y los productos de combustin. Cul ser la potencia

trmica obtenible en este sistema de poscombustin que utiliza como

comburente el oxigeno obtenido en los gases de combustin?

13. Un biogas obtenido en un biodigestor tiene la siguiente composicin en

volumen: 35% CO2 y 65% CH4. determinar las siguientes propiedades de

combustin:

13.1 Volumen standard y masa estequiomtrica de aire.

13.2 Volumen standard y masa de humos hmedos.

13.3 Porcentaje mximo de CO2

13.4 PCSV, st , PCIV, st , PCSm , PCIm

13.5 Indice de Wobbe

13.6 Temperatura de roco.


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14. A continuacin se describe una situacin, teniendo en cuenta sus implicaciones

usted debe sealar las aseveraciones correctas.

14.1 Cuando se tiene una mezcla estequiomtrica de aire y un

hidrocarburo gaseoso, se cumple que:

La energa de ignicin es mnima.

La temperatura de llama adiabtica es mxima.

La relacin entre el Vco2 y el Vhumos secos es mxima.

La temperatura de roco es mxima.

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

CO2, entonces:

El poder calorfico superior volumtrico aumenta.

El poder calorfico inferior msico disminuye.

El lmite superior de inflamabilidad aumenta.

El lmite inferior de inflamabilidad disminuye

El volumen de humos hmedo disminuye

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

ignicin es de 572C y el volumen estequiomtrico es de 2.38, entonces:

Si en una mezcla H2 + aire la temperatura es de 572C, y el porcentaje

de H2 en volumen es de 80, ocurrir combustin.

Si en una mezcla de H2 + aire, la temperatura es de 562 y el

porcentaje de aire es 25%, no ocurrir combustin

Si en una mezcla de H2 + aire, la temperatura es de 572C, y elporcentaje de aire es de 50%, si ocurrir combustin.

Cuando la composicin de H2 + aire, corresponde al lmite inferior de

inflamabilidad el factor de aireacin es mayor que uno.


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70

14.4 El gas de guajira tiene una temperatura de roco de 59.69 C cuando

la mezcla es con aire estequiomtrica.

Si en una chimenea de un calentador de agua los productos decombustin se enfran a 50C, se presenta condensacin.

Si se enfran a 70C no habr condensacin.

Si la mezcla se realiza con un exceso de aire y los gases se enfran a

59.09, puede asegurarse que no habr condensacin.

14.5 El volumen estequiomtrico del gas de guajira es de 9.44mt3st aire /

mt3stgas, entonces la cantidad de aire necesario para tener una

combustin estequiomtrica en Medelln es:

8521013

*44.9

1013852

*44.9

44.9

14.6 Cuando se comparan gases de la segunda y la tercera familia, seencuentra:

Los gases de segunda familia tienen menor ndice 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 estequiomtrico

de aire.

Los gases de tercera familia son perfectamente intercambiables con los

gases de segunda familia

14.7 La combustin estequiomtrica del CH4, produce 1 mt3st de CO2 y

10.52 mt3st de humos hmedos. Si los productos de combustin se

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

entonces:


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71

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 presin 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 existir mayor cantidad de

energa.

En el cilindro que contiene H2 existir mayor cantidad de energa.

Ambos cilindros tienen igual cantidad de energa.


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72

BIBLIOGRAFIA

1. Curso: Internacional sobre la utilizacin domestica de los

combustibles gaseosos. Gas de France, Univer

estimaciÓndelaspropiedadesdecombustiÓndecombustiblesgaseosos

Documents