combustión industrial gas natural

7/22/2019 Combustin Industrial Gas Natural

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Combustin

Industrial de

GASNATURALIng. PERCY CASTILLO NEIRA


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LIBRO DE GAS NATURAL

Ing. Percy Castillo Neira

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COMBUSTIN INDUSTRIAL DE

GAS NATURAL

PRESENTACINEl mundo se ha desarrollado en base a la energa qumicaalmacenada por la naturaleza en los combustibles fsiles y

actualmente depende de su disponibilidad, comercializacin y

empleo. El Carbn mineral impulso la revolucin industrial y

suministr la energa que cambi el mundo en el Siglo XIX; en el

Siglo XX, el petrleo se convirti en el oro negro que domin la

civilizacin y determin el ritmo de la economa del planeta.

El desarrollo de la tecnologa y la evolucin de los precios del

petrleo han permitido la explotacin, transporte y distribucindel Gas Natural con todas sus ventajas y posibilidades tcnicas,

econmicas y ecolgicas, convirtindolo en el combustible del

Siglo XXI.

En este libro se proporciona la base terica fundamental para

conocer, entender y dominar la tecnologa de utilizacin del gas

natural como combustible econmico, eficiente y ecolgico, con

el criterio tcnico simple, claro y preciso que conviene a los

usuarios, prescindiendo de intereses comerciales.

Aunque esta nueva concepcin de la tecnologa se basa en

investigacin cientfica, aplicacin acadmica y experiencia de

planta, tales factores han sido utilizados para simplificarla y

ponerla al alcance y comprensin de todos los ingenieros y

tcnicos de plantas industriales.

INDICEEn un mundo totalmente dependiente de los combustiblesfsiles, el Gas Natural es un man del cielo para los pases quetienen la suerte de encontrarlo en su territorio y logranaprovecharlo para ipulsar su desarrollo ntegral.


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Captulo I Teora Inorgnica de la Combustin

1.1. Materia y Energa1.2. Combustin orgnica y combustin inorgnica1.3. Combustibles industriales y su relacin Carbono/Hidrgeno1.4. Calor de disociacin y poder calorfico de los combustibles.1.5. La partcula de carbn como ncleo bsico de la combustin industrial

Captulo II La Combustin como Reaccin Qumica

2.1. Mecanismo general de las reacciones de combustin2.2. Esquema bsico de la combustin industrial2.3. Tipos de combustin2.4. La combustin heterognea2.5. El reactor de combustin

Captulo III La Combustin como Proceso Fisicoqumico

3.1 La llama como manifestacin visible de la combustin

3.2 Definicin de las caractersticas de las partculas de carbn en la llama3.3 Gasodinmica de la combustin y control sobre la formacin de llama3.4 Emisividad de llama y transferencia de calor por radiacin3.5 Gases de combustin y transferencia de calor por conveccin

Captulo IV El Aire de Combustin

4.1 Aire, combustibles y combustin4.2 El aire como comburente universal

4.3 Mecnica de fluidos aplicada a la combustin industrial4.4 Combustin en altura y enriquecimiento del aire4.5 Precalentamiento del aire de combustin

Captulo V Caracterizacin del Gas Natural como Combustible

5.1 Origen y tratamiento del Gas Natural5.2 Caracterizacin de gases combustibles5.3 Caractersticas de combustin y llamas de gas natural5.4 Combustin del Gas Natural5.5 Anlisis Comparativo del Gas Natural con otros combustibles.


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Captulo VI Estaciones de Recepcin en Plantas Industriales

6.1 Ubicacin, caractersticas y Normas de instalacin6.2 Diseo y Montaje6.3. Operacin de Limpieza6.4 Regulacin de Presin6.5 Sistemas de Medicin de Flujos

Captulo VII Circuito Interno de Distribucin

7.1 Red Interior de Tuberas7.2 Caractersticas de tuberas7.3 Dimetro de tuberas7.4 Estaciones de Regulacin Secundaria7.5 Comprobacin, ensayos y puesta en servicio de la Instalacin.

Captulo VIII Gas Natural en Calderos Industriales

8.1 Calderos Industriales: Generalidades8.2 Uso del Gas natural en Calderos de Vapor8.3 Equipos para calderos industriales8.4 Conversin de Calderos Pirotubulares al Uso del Gas Natural8.5 Conversin de Calderos Acuotubulares al uso del Gas Natural

Captulo IX Aplicacin del Gas Natural en Procesos de Secado

9.1 Generalidades del Secado9.2 Generacin de gases calientes con gas natural9.3 Aplicaciones industriales del gas natural en secado directo9.4 Aplicaciones del gas natural en secado indirecto9.5 Aplicaciones del gas natural en Procesos de Calentamiento


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Captulo X Gas Natural en Hornos de Cal y Cemento

10.1 Calcinacin y Clinkerizacin10.2 El Gas Natural en Hornos De Cal10.3 El Gas Natural en el Horno Cementero10.4 El Gas Natural en Precalcinadores10.5 Quemadores mixtos sin Aire Primario

Captulo XI Gas Natural en Siderurgia

11.1 Reduccin directa del mineral11.2 Altos hornos11.3 Hornos de Arco elctrico11.4 Calentamiento de cucharas11.5 Hornos de calentamiento de palanquillas

Captulo XII Gas Natural en Metalurgia

12.1 Hornos de fusin12.2 Hornos de recalentamiento12.3 Hornos de tratamientos trmicos12.4 Gas natural en la metalurgia de metales no frricos12.5 Gas Natural para atmsferas controladas

Captulo XIII Gas Natural en la Industria del Vidrio y Cermica

13.1 Aplicacin del Gas Natural en Hornos de Balsa13.2 Aplicacin del Gas Natural en Hornos de Crisol13.3 Usos del Gas Natural en Operaciones Conexas a los Hornos de Vidrio13.4 Gas Natural en el secado de la industria cermica13.5 Gas Natural en la Climatizacin de Ambientes Industriales


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Captulo 14 El Uso del Gas Natural en Motores Endotrmicos

14.1 Mquinas trmicas y Motores Endotrmicos14.2 Gas Natural en Automotores: Ciclos Otto y Diesel14.3 Gas Natural en Turbinas de Gas : Ciclo Brayton14.4 Anlisis Termodinmico de la Conversin de Motores Endotrmicos al Gas

Natural14.5 Cogeneracin con Gas Natural

Captulo 15 Sistemas Alternativos al suministro por Gasoductos

15.1 Anlisis de la confiabilidad del suministro de Gas Natural por Gasoductos15.2 Gasoducto Virtual por GNC15.3 Gasoducto Virtual por GNL15.4 Anlisis comparativo de Gasoductos Virtuales

15.5 Sistemas de Gas Natural Alternativo para Emergencias (Back Up)

ANEXOS

Anexo 1 : Tabla de ConversinAnexo 2 : Glosario


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Captulo I

TEORA INORGNICA DELA COMBUSTIN

1.1 Un descubrimiento extraordinario

Para quienes trabajamos en proyectos de optimizacin energtica de procesos industriales,el primer principio termodinmico que establece que la materia y energa no se crean ni sedestruyen, nos proporciona como herramienta fundamental la elaboracin de balances demateria y energa.

Al comprobar que exista una diferencia de 21.500 Kcal/Kmol entre el poder calorfico delmetano calculado estequiomtricamente y el determinado en bomba calorimtrica,conscientes de que la materia y energa no se crean ni se destruyen, nos propusimosencontrarlas (Figura 1.1).Al encontrar en el Manual del Ingeniero Qumico de Perry que la energa de disociacin

del metano es de 21.500 Kcal/Kmol y hallar la misma coincidencia en cualquier otrohidrocarburo, descubrimos el hecho extraordinario de que todos los combustibles, mezclascarbono/hidrgeno con contenidos variables de impurezas, se disocian en suscomponentes antes de quemarse, lo que significa que la combustin siempre se produciren forma elemental y bsica, a travs de las reacciones :

C + O2 = CO2 y 2H2 + O2 = 2H2O

Todos los combustibles industriales, sin excepcin, siempre se quemarn en la mismaforma, no interesando para fines prcticos las mltiples posibilidades de reaccionesintermedias, lo cual simplifica totalmente la concepcin, anlisis, evaluacin y control dela combustin.


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La Qumica Orgnica se ocupa del estudio de los componentes que forma el carbono,aprovechando la extraordinaria capacidad de combinacin que le permite su tetravalencia;al demostrar que los combustibles se disocian en sus componentes antes de quemarse, lacombustin se producir por oxidacin del Hidrgeno y el Carbono, en el campoinorgnico, resultando el nombre ms adecuado para esta formidable simplificacintecnolgica:Teora Inorgnica de la Combustinpudiendo ser enunciada en la siguienteforma:.

Todos los combustibles industriales son combinaciones

carbono/hidrgeno y se disocian en sus componentes

antes de quemarse, producindose la combustin

siempre en forma bsica y elemental: C + O2 = CO2 y

2H2 + O2 = 2H2O

Figura 1.1

1.2 La partcula de carbn elemental como ncleo bsico de la combustinindustrial

Siendo los combustibles industriales combinaciones carbono/hidrgeno, con contenidos

variables de impurezas, y habiendo establecido que sus componentes siempre sedisocian y reaccionan en forma elemental, siempre existir una proporcin de carbn


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que reaccione como slido. La excepcin podra ser el propio Hidrgeno, pero noconstituye un combustible industrial.

Para sustentar esta hiptesis resultan determinantes los altos valores de los puntos defusin y sublimacin del carbono: 3600 y 4200 C respectivamente, temperaturas queno se alcanzan en procesos industriales, por lo cual siempre se producir la combustinde las partculas de carbn en forma heterognea.

La reaccin slido-gas, tpica de la combustin de la partcula de carbn, se efecta pordifusin de calor del medio hacia el interior de la partcula y difusin molecular del CO

producido (desorcin) para abandonar la partcula hacia el medio de reaccin, dondecompleta su reaccin con el oxgeno disponible, en una reaccin homognea gas-gas.

Figura 1.2LA PARTCULADE CARBONO,VERDADERO

NUCLEO DE LACOMBUSTIN

La condicin trmica inicial de la partcula depende del combustible original,influenciando su calentamiento hasta este punto, la desvolatilizacin de la partculaslida cuando se trata de carbn mineral, el craqueo y gasificacin de gotas en el casode combustibles lquidos, y el craqueo de gases combustibles.

El hidrgeno reacciona en forma homognea (gas-gas) en una combustin instantnea,aportando calor y vapor de agua. El carbn reacciona por difusin trmica y molecular enun proceso de combustin heterognea.

En la prctica, la combustin del carbn resulta mucho ms importante que la delhidrgeno por 2 razones fundamentales:

La proporcin del carbn respecto al hidrgeno en los combustibles es siempresensiblemente mayor.

El combustible ms liviano es el metano (CH4) con una relacin Carbono/Hidrgenoigual a 3 lo que significa que tiene un 75% en peso de carbono. La proporcin en pesodel carbono en todos los combustibles industriales vara entre 75 y 100%.

COMBUSTIN INORGNICA :COMBUSTIN INORGNICA :

REACCIN HETEROGNEAREACCIN HETEROGNEA


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La combustin del hidrgeno es prcticamente instantnea en cualquier condicin,mientras que el tiempo de reaccin de la partcula de carbn puede ser de variossegundos, efectundose en 2 etapas: combustin heterognea slido gas desprendiendoCO y la de ste con el O2 para completar el CO2. La velocidad de propagacin de la

llama de hidrgeno es 50 veces mayor que la del CO, siendo ambas medidas enmilsimas de segundo, mientras que la combustin de una partcula de carbn detamao promedio (30 micras), puede tomar varios segundos.

Siendo que todos los combustibles se disocian en hidrgeno como gas y partculas decarbn de diferentes caractersticas y tamao, la cintica de la reaccin de combustinresultar determinada por estas ltimas y solamente influencieada por la velocidad dereaccin del hidrgeno del hidrgeno; consecuentemente, el control sobre la llama resultacasi exclusivamente dependiente de la combustin de la partcula de carbono (carbn).

El tamao de la partcula de carbn resulta un factor fundamental en este sentido :

En el caso del gas natural, las partculas de carbn sern microscpicas(500 A), sucombustin muy rpida y la llama muy corta, poco luminosa y de baja emisividad; en elcaso del Combustleo, Petrleo residual o Fuel Oil, las partculas de carbn productodel craqueo en fase lquida sern de tamao considerable (10-100 micras), demorandoms su combustin, con llamas muy luminosas y emisivas; el tamao de partculas decarbn mineral se maneja y controla durante la molienda, en funcin de su contenido devoltiles (10-100 micras), influenciando as la velocidad de combustin con llamassiempre luminosas y emisivas (Figura 1.3).

Todos los dems combustibles industriales entrarn en uno de los campos de estos 3combustibles primarios, desarrollndose la combustin de la partcula elemental delcarbn siempre en forma heterognea.

Figura 1.3El tamao de lapartcula de

carbono sedetermina en lasoperaciones deprecombustin

1.3 El aire siempre resulta ms importante que el combustible en lacombustin

Molienda

de Carbn

Ventilador

Combustin

de VoltilesCoque

(30 - 40

AtomizacinCoque

(30 - 40Almacenamiento

de Combustleo

Bomba Calentador

Holln

(


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El control de la combustin yformacin de llama es unproblema de mecnica de fluidosen el cual el aire constituye el flujodominante.

La tecnologa de la combustin se define y maneja en 3 campos fundamentales de laIngeniera. Cintica Qumica, Mecnica de Fluidos y Transferencia de Calor.

La cintica qumica determina la forma en que se desarrolla la combustin comoreaccin qumica y la transferencia de calor establece las condiciones deaprovechamiento del calor generado, pero la forma y caractersticas de la llama, elmanejo y control sobre la combustin constituye fundamentalmente un problema demecnica de fluidos.

Al definir que todos los combustibles terminan quemando como partculas de carbono,

verdadero ncleo de la combustin, podemos establecer que las mismas se ponen adisposicin del aire como flujo dominante. El aire aporta la energa cintica para crearlas condiciones de turbulencia y mezcla requeridas, mantener las partculasquemndose en suspensin al interior de la llama y desplazar los gases de combustin

para mantener la disposicin de oxgeno y mantener estables las condiciones delproceso.

El diseo del quemador debe establecer estas condiciones, dependiendo la capacidad degeneracin de calor de la capacidad del ventilador para aportar el aire de combustin yla energa cintica requerida para desarrollar la combustin en la forma prevista paracada caso. Siendo tambin el gas combustible un fluido, tambin podra funcionar como

flujo dominante, pero al requerir la combustin como reaccin qumica alrededor dediez veces ms volmenes de aire que gas, tendra que manejarse a muy alta velocidadel gas para aportar el impulso requerido; este es el caso de los quemadores supersnicosde gas natural.

La condicin de fuente inagotable de oxgeno y su permanente disponibilidad encualquier condicin de tiempo y espacio, han determinado que se cometa el grave errorde minimizar la importancia del aire en el desarrollo de la tecnologa de la combustin.

La mayor incidencia econmica del combustible en el costo del aporte energtico queproduce la combustin resulta un factor decisivo en este sentido. Al desarrollarse elcampo de la conservacin de energa como respuesta a la crisis energtica y la elevacin


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de los precios del petrleo, se dedic mayor atencin a todos los aspectos vinculados alos combustibles, considerndolos componentes fundamentales de la combustin.

La teora inorgnica de la combustin no solamente reivindica el aire como comburente.Al considerar que el tomo de carbono es el ncleo de la combustin y que su reaccines siempre heterognea, establece como factor dinmico el componente fluido y comoelemento esttico la partcula slida de carbn. As, se puede afirmar que cuando sequema combustibles slidos y lquidos, la combustin se controla mediante laregulacin del flujo de aire. En el caso del gas natural y otros combustibles gaseosos,ambos fluidos pueden compartir tal preponderancia en lo referente a la formacin dellama, pero en el desarrollo de la combustin, el aire siempre resultar preponderante.

1.4 APLICACIONES DE LA TEORA INORGNICA DE LA COMBUSTIN.

1.4.1 En el campo cientfico

La dependencia mundial de los combustibles fsiles y la declinacin de sus reservasmundiales plantea un enorme reto a la comunidad cientfica. Al restringir el universo dela combustin al campo inorgnico y demostrar que siempre se realiza en formaelemental y heterognea, la Teora Inorgnica de la Combustin facilita esta tarea ydefine con claridad la necesidad de algunos campos especficos de investigacin pura yaplicada. Podemos mencionar algunos temas de verdadero inters y presumibleimportancia:


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Anlisis de los factores que influencian la disociacin trmica de compuestosorgnicos.

Formulacin de aditivos para mejorar el comportamiento antidetonante (Indice

de Octano) o la velocidad de ignicin (Indice de Cetano) de combustibles,estabilizando la estructura molecular de los compuestos formados.

Investigacin del efecto de procedimientos fsicos (campos elctricos,paramagnticos, microondas,etc.) sobre el comportamiento antidetonante(Indice de Octano) o la velocidad de ignicin (Indice de Cetano) decombustibles, estabilizando la estructura molecular de los compuestosformados.

Anlisis de los factores que influencian la reactividad del coque que producentodos los combustible al disociarse antes de la combustin.

Evaluacin de la capacidad de Transesterizacin de aceites vegetales y grasasanimales para produccin de BioDiesel.

1.4.2 En el campo acadmico

El desarrollo de la tecnologa de la combustin en el siglo XX ha resultado totalmentedistorsionada por investigacin cientfica y tecnolgica alejada de la realidad y sometidaa intereses comerciales, produciendo un monstruo gigantesco y complejo inaplicable enla enseanza escolar y casi inexistente en la formacin universitaria.

La combustin es el proceso fisicoqumico ms importante del planeta y tiene que vercon todas las formas de actividad humana, por lo cual debe incluirse en todas las etapasde formacin acadmica

Desde la educacin inicial y con una presentacin adecuada, los conceptos de la TeoraInorgnica de la Combustin permitiran introducir a los alumnos al conocimiento delas leyes de la naturaleza y los principios que determinan el principio y elmantenimiento del medio ambiente y de la vida.

La Teora Inorgnica de la Combustin debe ensearse en el nivel secundario,constituyendo un conocimiento bsico general indispensable.


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En la formacin profesional, debe formar parte de un Curso General de Combustinobligatorio y Cursos Electivos sobre su aplicacin en sectores especializados. Laimportancia de este campo justifica la creacin de la Ingeniera de la Combustin comouna profesin individual.

1.4.3 En la Actividad Industrial

La simplificacin de la Tecnologia de la Combustin pone al alcance de todos losingenieros y tcnicos de plantas industriales la posibilidad de conocer, entender ydominar los procesos de combustin que manejan, permitindoles optimizar los

procesos y operaciones unitarias vinculados con la utilizacin de esta fuenteenergtica.

En este campo, la Teora Inorgnica de la Combustin ya no es una novedad;durante los ltimos diez aos, hemos dictado decenas de cursos y dirigido cientosde proyectos de optimizacin de procesos de combustin en la mayora de los

pases latinoamericanos, en los cuales ya se ha difundido y aplicado.

En cada una de estas oportunidades hemos recibido valiosos aportes y confirmadola plena validez de sus postulados, consiguiendo importantes resultados.Trabajando en forma conjunta con el personal de plantas industriales hemossimplificado y mejorado el diseo de quemadores, implementado innovacionestecnolgicas en procesos, eliminado operaciones innecesarias, etc. consiguiendosiempre producciones ms limpias, eficientes y econmicas, atacando la raz del

problema en lugar de administras sus consecuencias (Figura 1.5).

Figura 1.5Modificacin del diseodel quemador en elHorno de INC-Paraguay.


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Existe un mundo de posibilidades de optimizacin de la combustin en plantasindustriales, manejando adecuadamente el factor ms importante: sus propiosrecursos humanos.

1.4.4 En el campo tecnolgico

La Teora Inorgnica de la Combustin abre inmensas posibilidades de innovacintecnolgica en el diseo de quemadores, reactores, operaciones y procesos unitarios,representando grandes posibilidades de optimizacin de costos de inversin, operaciny mantenimiento.

Su aplicacin en todos los sectores productivos representa una oportunidad deinvestigacin aplicada para conseguir mejores condiciones de competitividad,sustituyendo tecnologa innecesariamente complicada por el manejo prctico y efectivoque permite la concepcin simple, clara y precisa de la combustin inorgnica.

Al demostrar que todos los combustibles se queman en la misma forma, permiteconsiderar nuevas posibilidades de utilizacin de nuevos combustibles. Desarollandotecnologas apropiadas para cada caso especfico.

1.4.5 En el campo Ecolgico

La ineficiencia de combustin y consecuente presencia de inquemados en mediosurbanos y plantas industriales representa el factor contaminante ms grave en los pasesque no exigen el estricto cumplimiento de las normas de control ambiental.

La Teora Inorgnica de la Combustin demuestra que la combustin siempre puede ydebe completarse, por lo cual la emisin de inquemados resulta inaceptable.


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El demostrar que todos los combustibles son lo mismo para efectos de carcterenergtico, nos permitir priorizar la utilizacin de los que resulten menoscontaminantes y plantear nuevas alternativas de sustitucin de combustibles fsiles que

preserven el equilibrio ecolgico.

1.5 PROYECCIN DE LA TEORA INORGNICA DE LA COMBUSTIN

El problema energtico mundial consiste bsicamente en el almacenamiento de energay las reservas de hidrocarburos son almacenes de energa qumica irremplazables en lascondiciones que han sido procesadas por la naturaleza, pero reproducibles encondiciones ms controladas y utilizando insumos renovables.

Al demostrar la Teora Inorgnica de la Combustin que todos los combustibles sonbsicamente lo mismo y que todos se queman en la misma forma, facilita esta tarea,permitiendo plantear como alternativa energtica inmediata la misma energa qumicagenerada a partir de la energa del sol.

La fotosntesis resulta el procedimiento que permite hacer realidad este proyecto y ya seplantea como una alternativa viable la generacin de cultivos que permitan disponer decompuestos orgnicos que puedan convertirse en combustibles similares a los actuales.

La produccin de Etanol y Biodiesel para sustituir respectivamente a las gasolinas y alDiesel ya son una realidad, pero constituyen solamente el inicio de un campo deinvestigacin que marcar los aos venideros y podra cambiar la historia mundial.

Cualquier alternativa de suministro energtico que no utilice este maravilloso procesonatural estar condenado al fracaso por el costo que representa sustituirlo.

La Teora Inorgnica de la Combustin, al sealar que la disociacin moleculardetermina el comportamiento de los combustibles en cuanto a sus caractersticas deignicin, establece las pautas a seguir para conseguir las materias primas y los procesosms adecuados para convertirlas en combustibles apropiados para cada tipo de empleo.

La energa del Hidrgeno, considerada la alternativa del futuro, nos permite demostrarla utilidad de los conceptos de la Teora Inorgnica, al comparar las energas dedisociacin del agua y del metano, para explicar porque el desarrollo actual de lasclulas de hidrgeno considera su obtencin a partir del gas natural agotable y caro,comparado con lo que representara el agua como insumo para esta tecnologa.


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CAPITULO IILA COMBUSTIN COMOREACCIN QUMICA

2.1 Mecanismo general de las reacciones de combustin

Para efectos del presente libro, hemos definido que los combustibles industrialesson combinaciones variables de carbono e hidrgeno, con un contenido, tambinvariable, de impurezas.

El carbono e hidrgeno contenidos en cualquier combustible slido, lquido ogaseoso, sea cual fuere la forma qumica en que se encuentren combinados, sedisociarn a su forma elemental antes de reaccionar con el oxgeno disponible.

En el Cuadro 2.1se muestran las principales reacciones de combustin que sepresentan en la prctica industrial, mostrando los reactantes en la forma que seencuentran en la naturaleza y las cantidades de calor liberadas al transformarseen los nicos productos finales de combustin, esto es, CO2 y H2O.

Cuadro 2.1 Principales Reacciones de Combustin

CARBONO C + O2 -------- CO2 + 97600 Kcal por KmolCARBONO C + O2 ------ CO + 29400 KcalMONOXIDO DE CARBONO CO + O2 ---- CO2 + 68200 KcalHIDROGENO H2 + O2 ---- H2O + 58200 Kcal (vapor)

+ 69100 Kcal (liquido)AZUFRE S+ O2 --------- SO2 +138600 Kcal

METANO CH4 + 2O2 ---- CO2 + H2O + 192500 Kcal (vapor)+ 214300 Kcal (lquido)

ETANO C2H6+7/2 O2 ----------- 2CO2 + 3H20 + 342000 Kcal (vapor)+ 373600 Kcal

(lquido)

PROPANO C3 H8 + 5O2 ------------ 3C02 + 4H20 + 485100 Kcal (vapor)+ 528700 Kcal (lquido)

BUTANO C4H10 + 13/2 O2 -------- 4CO2 + 5H2O + 625700 Kcal(vapor)


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En realidad, las reacciones de combustin del carbono y del hidrgeno con eloxgeno, son siempre elementales y nicas :

C + O2 CO2H2 + O2 H20

Sea cual fuere el compuesto qumico que se encuentre en el combustible, sedisociar en C y H reaccionando en la forma elemental.

Esta concepcin simple y bsica, pero a la vez prctica y efectiva de lasreacciones de combustin, permite efectuar con rapidez y precisin los clculosestequiomtricos que facilitarn su adecuado manejo y control.

Sea un combustible que tenga una composicin por kg. de C Kg. de carbono y H2kg de hidrgeno.

Para la combustin de 12 kg. de carbono se necesitan 22,4 m3 de oxgeno; paraC kg. de carbono se necesitarn :

22,4 x (C/12) = 1,87 x C m3 de O2

Para la combustin de 2 kg. de hidrgeno, se necesitan 11,2m3 de oxgeno, luego

para H2 kg. de hidrgeno se necesitarn :

11,2 x (H2/2) = 5,6 x H2 m3 de O2

Por consiguiente, para la combustin de 1 kg. de combustible, el oxgeno mnimonecesario estequiomtrico, sera la suma del necesario para la combustin delcarbono y el hidrgeno, es decir:

O2m = 1,87C + 5,6 H2 m3 de oxgeno

Como la composicin en volumen del aire es aproximadamente del 21% deoxgeno y 79% de nitrgeno, se tiene que el aire mnimo necesario ser :

Am = 100 O2m = 4,76 O2m21

Por lo tanto el aire estequiomtrico necesario por kg. de combustible ser :

Am = 8,90 C + 26,67 H2 (m3 de aire)

Este volumen de aire est referido a condiciones normales (O C y 760 mm Hg.

de presin)


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Sea por ejemplo un combustible que tenga 88% de carbono y 12% de hidrgeno,es decir :

C = 0,88 y H = 0,12

El aire estequiomtrico requerido para la combustin ser :

Am = 8,90 (0,88) + 26,67 (0,12) = 11,03 m3 de aire.

En la Figu ra 2.1se presenta un nomograma que permite la directa determinacinde los poderes calorficos de cualquier combustible industrial, conociendo surelacin carbono/hidrgeno.

El conocimiento del calor de disociacin de cualquier combinacin de carbono eHidrgeno, permitir conocer directamente su poder calorfico, restndolo de lasuma de los calores de reaccin de los elementos disociados (carbono eHidrgeno) en forma individual.

Figura 2.1 Poder Calorfico Inferior en funcin de la relacin (carbono / Hidrgeno)

Analicemos como un ejemplo tpico el caso de la combustin del metano que semostr grficamente en la Figu ra 1.5y se desarrolla en la siguiente forma :

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O H = - 192.500 kcal/kmol

En la cmara de combustin el CH4 se disociar en 2H2 y C elemental. El H2reaccionar violentamente aportando importantes cantidades de calor y formandoH2O.

2 H2 + O2 2 H2O H = - 116.400 kcal/kmol

9000

10000

11000

12000

3 4 5 6 7 8

RELACION (C/H)

P.C.I.(kcal/kg)


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El carbn atmico producto de disociacin, en presencia de oxgeno, formarrpidamente CO y completar la reaccin de combustin en fase gaseosa,formando CO2 como producto final de combustin y aportando la cantidadcorrespondiente de calor.

C + O2 CO2 H = - 97.600 kcal/kmol

La cantidad total de calor liberada ser la suma de las aportadas por lacombustin de ambos en forma individual (214.000 kcal), menos la invertida paradisociar su composicin original, de acuerdo a la siguiente reaccin :

CH4 C + 2 H2 H = 20.900 kcal/mol

La diferencia (193.100 kcal/mol) resultar un valor muy aproximado al podercalorfico del metano (192.500kcal/mol) determinado en el laboratorio.

Cuadro 2.2 Poder Calorfico de combustibles en funcin de la relacin(Carbono/hidrgeno)

En el Cuadro 2.2se presentan los poderes calorficos que corresponden a cadacombustible en funcin de su relacin carbono/hidrgeno, sus calores dedisociacin y el poder calorfico real producto de la diferencia de ambos, para loscombustible ms conocidos y utilizados en la prctica industrial.

Combustible Relacin (C/H) P.C.I. (kcal/kg)

Metano 3 119714 11362

Propano 4,5 110944,8 109445 10851

Diesel 2 5,5 104766,5 100797,5 9706

Residual 8,1 9690


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2.2 Esquema bsico de la combustin industrial

Los procesos de combustin en instalaciones industriales siempre obedecen aun esquema bsico, cuyo conocimiento y comprensin resultan la llave maestrapara acceder a cualquier proceso de combustin que se desee conocer ymejorar.

En la Figura 2.2 se muestra el esquema bsico de la combustin industrial, en elcual se establece que una buena combustin requiere 3 puntos fundamentales:

Figura 2.2 Diagrama esquematico de la Combustin industrial


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a) Proporcin correcta aire - combustible

El diseo del quemador deber asegurar el suministro de las cantidadesadecuadas de aire y combustible en el sistema, estableciendo mrgenes de

regulacin para ambos.Para asegurar la combustin completa deber proporcionarse un exceso deaire, procurando que sea lo mnimo que resulte posible.

El anlisis de los gases de combustin permitir conocer el exceso de aire y laeficiencia de la combustin.

En funcin del anlisis de gases en forma manual o automatizada, se deberefectuar ajustes en las variables de operacin, controlando los resultados obte-nidos.

Manejando correctamente los puntos anteriores se lograr una combustincompleta.

b) Mezcla adecuada aire combustible

El diseo del quemador deber proporcionar las condiciones de mezcla aire-combustible ms adecuadas para cada caso.

La mezcla debe ser uniforme y permanente para cada punto de regulacindentro de los mrgenes de operacin.

El objetivo principal de la mezcla ser el lograr el mximo contacto superficialentre oxgeno y combustible.

El estado fsico del combustible determinar las condiciones operativas quepermitan preparar el combustible (pulverizacin, atomizacin, vaporizacin) enel caso de slidos y lquidos, y efectuar la mezcla en forma conveniente paracada caso.

Manejando correctamente los puntos anteriores se lograr una combustinptima.

c) Ignicin inicial y sostenida de la mezcla

El encendido o ignicin inicial de la mezcla requiere el aporte de calor de unafuente externa.

Resulta necesario aplicar mucho calor a un rea localizada para acelerar lareaccin.


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La mezcla se encender slo al alcanzar su temperatura mnima de ignicin,variable para cada combustible.

Al producir las reacciones de combustin ms calor del que se pierde a los

alrededores, se mantendr la combustin sin necesidad de la fuente externa.Manejando correctamente los puntos anteriores se lograr una combustinauto-sostenida y estable para las condiciones del proceso.

El cumplimiento de estos 3 requerimientos permitirn :

Lograr el mximo aprovechamiento del poder calorfico del combustibleutilizado.

Aportar el calor requerido por el sistema con el menor consumo decombustible y las condiciones operativas tcnica y econmicamente msadecuadas.

Esta condicin de mxima eficiencia, sin embargo, siempre resultar inestablepor depender de una serie de variables interdependientes entre s e influenciablespor factores externos, por lo cual el verdadero nivel de eficiencia del sistemadepender de la existencia de un sistema de control adecuado y efectivo,orientado a mantener niveles permanentes de eficiencia del proceso.

2.3 Tipos de combustin

El objetivo fundamental de la combustin es el de conseguir la oxidacin total delcarbono y del hidrgeno para formar dixido de carbono (CO2) y agua (H2O) conlo cual se produce la mxima energa en forma de calor y se evita efectoscontaminantes.

La combustin podemos clasificarla desde el punto de vista de la calidad de susproductos y por la forma en que se realiza.

2.3.1 En funcin de sus productos

Se puede considerar los siguientes tipos de combustin:

Combustin perfecta (estequiomtrica)Combustin completa (con exceso de aire)Combustin incompleta (con defecto de aire)Combustin imperfecta (pseudo combustin)


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a) Combustin Perfecta Estequiomtrica(Figu ra 2.3)

Este tipo de combustin se consigue mezclando y quemando las cantidadesexactamente requeridas de combustible y oxgeno, los cuales se queman enforma completa y perfecta.

Esta combustin completa est sin embargo, fuertemente limitada porcondiciones qumicas y fsicas, ya que slo en teora podemos hablar dereacciones perfectamente estequiomtricas.

Se plantean para realizar los clculos tericos de la combustin, etc. en funcinde la composicin del combustible y el comburente empleados.

Figura 2.3 Combustin perfecta estequiomtrica

b) Combustin completa con exceso de aire (Figura 2.4)

Para tener una combustin completa, es decir, sin presencia de monxido decarbono en los humos de chimenea, es necesario emplear una proporcin deoxgeno superior a la terica. Este exceso de aire conlleva especialmente 2efectos importantes en cuanto al proceso de la combustin:

Disminucin de la temperatura mxima posible al aumentar la cantidad degases en la combustin.

Variacin sensible en cuanto a la concentracin de los xidos formadosrespecto al nitrgeno, lo que se traduce en una disminucin de la eficiencia de

la combustin.


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El exceso de aire se expresa en porcentaje restndole el terico estequiomtrico,el cual corresponde al 100%; es decir, una cantidad de aire de combustin del120% respecto al estequiomtrico, se expresar como 20% de exceso de aire. Elndice de exceso de aire (n), tambin empleado en la prctica, ser en este caso:n = 1.2.

Figura 2.4 Combustin completa con exceso de aire

c) Combustin incompleta con defecto de aire (Figu ra 2.5)

Cuando el oxgeno presente en la combustin no alcanza el valor del tericonecesario para la formacin de CO2, H2O y SO2 la combustin es nece-sariamente incompleta, apareciendo en los gases de combustin el monxido decarbono, hidrgeno y partculas slidas de carbono, azufre o sulfuros.


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Figura 2.5 Combustin incompleta con defecto de aire

Considerando que estos componentes de los gases que se eliminan a laatmsfera contienen an apreciable contenido calorfico, las prdidas porcombustin incompleta son elevadas cuando se proporciona menos aire delnecesario. En la prctica, la presencia de inquemados resulta determinante delexceso de aire necesario.

La presencia de CO en los humos crea adems el riesgo de explosin, al llegar aatmsferas sbitamente oxidantes.

Un 1% de CO en los gases produce una prdida de aproximadamente un 4% delpoder calorfico del combustible.

d) Combustin imperfecta (Figu ra 2.6)

Se produce una combustin imperfecta o seudocombustin oxidante cuandopese a existir exceso de aire, no se completan las reacciones de combustin,

apareciendo en los humos de chimenea productos de combustin incompleta,tales como inquemados, residuos de combustibles sin oxidar, partculas slidas,etc.

Este tipo de combustin puede producirse debido a las siguientes causas:

La elevada carga trmica del hogar, es decir, la relacin entre la potenciacalorfica y el volumen del hogar, ya que existe poco tiempo de permanencia.

La escasa turbulencia, existiendo por tanto una mala mezcla aire-combustible,

lo que en muchos quemadores se produce por cantidad insuficiente de aire opor estar trabajando a una fraccin muy pequea de su potencia nominal.


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La falta de uniformidad de pulverizacin en los combustibles lquidos, ya quecuanto mayor sea el nmero de gotas de gran tamao, tanto ms fcil es quese produzcan inquemados, puesto que una gota de gran dimetro necesita un

tiempo mayor de permanencia para quemarse por completo.El enfriamiento de la llama, lo que puede ocurrir cuando la mezcla aire-combustible incide sobre superficies relativamente fras, como el frente de lacmara de combustin o las paredes de un tubo de llama y tambin cuando setrabaja con un gran exceso de aire.

El alto porcentaje de carbono en los combustibles.

En la prctica, este es el tipo de combustin ms generalizado por resultar msajustado a la realidad.

En la medida que se mejore la combustin imperfecta aproximndose a lascondiciones tericas de combustin completa con mnimo exceso de aire, selograr mejores rendimientos y se evitar efectos contaminantes.

Figura 2.6 Combustin imperfecta

2.3.2 Por la forma en que se realiza

Siendo siempre la reaccin elemental la que se produce en la prctica industrial,puede presentarse el combustible en estado slido, lquido o gaseoso, lo cualdetermina diferentes niveles de dificultad para que se produzca el contacto yreaccin con el comburente.


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El conocimiento prctico y estudio terico de las reacciones de combustin, nospermiten tambin simplificar en este campo, definiendo que existen nicamentedos tipos de combustin :

- Reaccin Homognea GAS-GAS; la que se produce entre el hidrgeno y COcon el oxgeno para dar lugar a H20 y CO2.

- Reaccin Heterognea SOLIDO-GAS; tpica del carbn en cualquiera de susformas, que se produce por difusin trmica y molecular en el entorno de lapartcula de carbono para formar primeramente CO y finalmente CO2.

a) Reaccin Homognea Gas-Gas

El mecanismo general de las reacciones de combustin que hemos definido parael mbito de la combustin industrial nos permite establecer que slo nos

interesan las reacciones que se producen entre el Hidrgeno y el CO delcombustible con el oxgeno del aire.

En la reaccin homognea que se produce entre estos elementos, resultardeterminante el nivel de contacto entre reactantes; tratndose de gases queincrementan su volumen y turbulencia a medida que elevan sus nivelestermodinmicos, resultar determinante para el control de la combustin el diseode la cmara de combustin que permita un adecuado flujo de los productos de lacombustin, manteniendo condiciones estables de la atmsfera en la que serealizan las reacciones de combustin.

Las llamas caractersticas de la combustin de gases tiene una aparienciaazulada, propiciada por la presencia de productos intermedios de combustin ono presentan coloracin alguna en el espectro visible.

b) Reaccin Heterognea slido gas

Es la que se produce en el entorno de la partcula de carbono para formacin deCO y subsecuente combustin con el oxgeno para formar CO2.

Los factores determinantes de la velocidad de reaccin en este caso dependerndel tamao de partcula y la disponibilidad de oxgeno en su entorno.

Debido a que la velocidad con que se efectan las reacciones homogneas de H 2y CO es muy alta, la velocidad con que se efecta la reaccin slido gas delcarbn resulta determinante del proceso en la gran mayora de casos que sepresentan en la combustin industrial, an tratndose de combustibles gaseosos.

En cierta forma, siempre se produce cierto nivel de coexistencia de ambos tiposde combustin, como se ver al efectuar un anlisis ms detallado cuando, setrate en forma individual la combustin de slidos, lquidos y gases.

2.4 Mecanismo de la reaccin heterognea


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Definida la reaccin heterognea como el punto de convergencia ineludible detodas las formas de combustin industrial y representando el factorfundamental de control del proceso, resultar de la mayor importancia conocerel mecanismo a travs del cual se produce la oxidacin de la partcula decarbn.

La reaccin se inicia en la superficie de la partcula al ponerse en contacto lostomos de carbono y las molculas de oxgeno, generalmente contenido en elaire, que acta como comburente y se alcanzan las condiciones mnimas paradesencadenar la reaccin.

A temperatura ambiente, el carbn en contacto con el aire ya se encuentrareaccionando y liberando calor, aunque en forma imperceptible debido a laescasa cintica de la reaccin. Para cumplir las exigencias de aporte de calor

en los procesos industriales, la reaccin tiene que ser violenta y para ello sedebe llegar a la ignicin, con la que la que se inicia la llama cuando se emitensuficientes gases de CO por reaccin superficial.

La oxidacin completa se produce en 2 etapas:Etapa 1:

La reaccin heterognea propiamente dicha:

C + O2 CO + 31,500 kcal/mol

Al reaccionar el C con O2 forma CO que se desprende como gas.

Etapa 2:

La reaccin entre el CO desprendido y el O2 disponible en el medio.

CO + O2 CO2 + 62,500 kcal/mol

La condicin trmica inicial de la partcula depende del combustible original,influenciando su calentamiento hasta este punto la desvolatilizacin de lapartcula slida, el craqueo y gasificacin de gotas, y el craqueo de gases.

Difusin trmica del calor desde el medio hacia el interior de la partculapara favorecer el calentamiento que acelere la cintica de la reaccinheterognea que se produce en la superficie de la partcula.

Difusin molecular del oxgeno hacia la pelcula que rodea la partcula y elinterior de los poros dejados por la slida de voltiles.

Difusin molecular del CO producido en la superficie hacia el medio dondecompleta su reaccin convirtindose en CO2 .


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En la Figur a 2.7 se muestra la forma en que se desarrolla la combustinheterognea, hasta completar la combustin cuando la partcula de carbn hadesaparecido.

Figura 2.7 Combustin HeterogneaLos parmetros que permiten caracterizar la partcula de carbn en cuanto a sucomportamiento durante el proceso de combustin son los siguientes:

a) Tamao de partcula: Expresado como dimetro promedio en micras,

resulta determinante de la velocidad de reaccin y liberacin de calor.Se planifica en la molienda de carbn pulverizado en funcin de la formacinde llama que se debe adecuar a la cmara de combustin y el proceso.

En el caso de combustibles lquidos resulta determinado por el tamao degotas atomizadas por el quemador y las condiciones de progresin trmica enel reactor. Si las gotas se craquean antes de vaporizarse, las partculasalcanzarn algunas decenas de micras; si se craquean como gases, el tamaode las partculas ser apenas de unas centenas de Angstrons.

En la combustin de gases, al producirse el craqueo en fase gaseosa, eltamao de partcula siempre ser inferior a 1 micra (400-500 A).

b) Porosidad: Influencia la velocidad de reaccin al incrementar la superficiede contacto para calentamiento y reaccin heterognea.

En los carbones minerales depende de su naturaleza y rango, marcado por sunivel de desgasificacin previo efectuado por la naturaleza o coquizacinartificial.

En los lquidos la volatilizacin y desgasificacin se produce simultneamente,

por lo cual la porosidad se presume en funcin de la naturaleza del combustibleatomizado.


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Cuando se trata de gas natural, el tamao microscpico de las partculas restaimportancia a su porosidad.

c) Contenido de voltiles: Al gasificarse y quemarse con relativa facilidad, losvoltiles influencian la velocidad de calentamiento de la partcula y por tanto lacintica de la reaccin heterognea, disminuyendo el tiempo de reaccin paraun mismo tamao de partcula.

d) Reactividad: Depende de las caractersticas superficiales de la partcula yde la presencia de centros activos de reaccin, caracterizados porirregularidades propiciadas por rugosidades, concentracin de combinacionesdel oxgeno, hidrgeno, azufre, etc.

Las caractersticas trmicas de la partcula, tales como su calor especfico,

conductividad trmica y su estabilidad de volumen (hinchamiento y crepitacin)al calentarse, influencian directamente su reactividad en presencia de oxgeno.

2.5 El reactor de combustin

La combustin en una atmsfera libre puede efectuarse con fines de iluminacin,aprovechando la energa luminosa de la llama de difusin, pero con fines de

aprovechamiento trmico representa niveles demasiado bajos deaprovechamiento energtico, aceptables solamente en el campo artesanal. Enactividades industriales, las exigencias de concentracin trmica y costosestablecen la necesidad de que las reacciones de combustin se efecten en elinterior de un reactor llamado comunmente hogar o cmara de combustin.

El diseo de reactores de combustin obedece principalmente a criteriosvinculados al proceso para el cual se genera calor y la forma de transferencia decalor requerida.

El diseo de un reactor ideal para asegurar combustin completa podra serdefinido en los siguientes trminos y/o condiciones:

Longitud : Debiendo alojar la llama y dependiendo sta del tiempo dereaccin de las partculas de carbn, en la medida que se acelere la cinticade la reaccin con temperatura y turbulencia, podr acortarse el tiempo dereaccin completa y la longitud de la llama y por tanto, el reactor.

Volumen til : Se podr acortar la longitud del reactor en la medida que seacorte la llama, pero al hacerlo podra abrirse en forma cnica determinandoque el ancho y la altura tengan que ampliarse para evitar el impacto de llama

sobre las paredes. En la medida que se logre formar una llama ms compacta


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se podr reducir el volmen til requerido de reactor. El impulso rotacional y eldifusor cumplen esta funcin.

Concentracin de calor: Un reactor ideal tendra que ser concebido

construdo con paredes de material refractario de la mayor reflectividad concapacidad para absorber calor y reflejarlo, mantenindose en equilibriotrmico. La forma del reactor tambin presentara el mejor comportamientocon un diseo cnico o cilndrico, permitiendo concentrar la mayor cantidad decalor en el centro de la llama.

Siendo desarrollado el proceso de la combustin en reactores que normalmentedependen del proceso, los casos ms frecuentes en los equipos ms difundidosen la industria : Hornos y Calderos. Analicemos las caractersticas de losreactores de combustin en los tipos ms frecuentes :

a) Hornos rotatorios : En estos reactores de forma cilndrica la llama se forma apartir de un chorro recto confinado. Este reactor presenta la facilidad de poderalargar la llama sin limitaciones de impacto con una pared posterior, peroigualmente tendr que disponer de suficiente impulso total para mantenerlacentrada y el diseo del quemador tendr que permitir la formacin de llamacnica hueca para evitar que se abra impactando con las paredes.

Los hornos rotatorios son circulares, por lo que presentan el volmen til msconveniente y ofrecen buenas condiciones de concentracin trmica.Las caractersticas del proceso influencian la concentracin de calor; as existeuna gran diferencia entre el comportamiento del material en procesos de hornos

de cal (reaccin endotrmica) y de clnker para cemento (reaccin exotrmica).En los secadores rotatorios tambin se presenta menor concentracin de calor ytemperaturas de llama por ser la vaporizacin fuertemente endotrmica.

b) Hornos de fundicin : En este tipo de hornos el reactor est muy lejos deconstituir un diseo ideal, debido a que el material a ser fundido se encuentra enel piso y se alojan llamas en un extremo del horno, calentando el material hastafusin por transferencia de calor por radiacin y en menor medida porconveccin.El nivel de concentracin trmica es alto debido a los niveles de temperatura,pero las prdidas por radiacin en las paredes y el techo tambin son altas. Una

mejora considerable de estos hornos como reactores de combustin se halogrado incorporando mayor nmero de quemadores en las paredes y en eltecho.


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Hornos de Fundicin

Los hornos de calentamiento presentan caractersticas semejantes comoreactores de combustin, pero con menores niveles trmicos.

c) Hornos verticales : En este tipo de hornos el volmen util para la reaccin

resulta muy limitado , estando por ello muy lejos de presentar condiciones idealescomo reactor de combustin. La utilizacin de combustibles muy fciles dequemar, precombustin en troneras auxiliares y diseo de hornos con planosinclinados que permitan alojar llamas han sido alternativas aplicadas con xito. Laincorporacin del combustible con el material en proceso convierte a todo elhorno en reactor, pero con eficiencia muy variada en cada etapa del proceso.

d) Calderos pirotubulares

En los calderos antiguos se utilizaban hogares de combustin de materialrefractario, orientando su diseo a losgrar combustin completa, aprovechando elcalor generado en varios pasos de tubos transfiriendo calor por conveccin.Las exigencias de optimizacin energtica y de diseo han orientado la tendenciaen calderos a ubicar la llama en cmaras de agua (fleur) y ubicar paredeshmedas, que reemplazan los altares de refractarios por conductos de agua querefrigeran y se calientan simultneamente. Esta tendencia obliga a optimizar lacombustin para asegurar combustin completa, cada vez ms difcil por lamenor concentracin de calor.


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e) Calderos acuotubulares

Las cmaras de combustin en estos calderos estn formadas por tubos de aguacada vez ms compactos, complicando su funcin como reactores decombustin. Esta tendencia ha obligado a desarrollar quemadores con capacidadpara formar llamas cada vez ms turbulentas y compactas, lo que se ha logradocreando una zona de menor presin en la zona central de la llama (llama cnicahueca).

Los calderos de alta capacidad con grandes cmaras de combustin y un grannmero de quemadores se orientan a aprovechar la mayor eficiencia detransferencia de calor por radiacin desde la llama a los tubos de agua queforman el reactor, resultando similar su concepto de funcionamiento yaprovechamiento trmico a los aplicados en los hornos de fundicin.


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CAPITULO IIILa combustin comoproceso fisicoqumico

Al producirse y manejarse la reaccin de combustin con el propsito deaprovechar el poder calorfico del combustible con fines industriales, adecuandosu desarrollo a los requerimientos de un determinado proceso trmico, seestablece condiciones que convierten a la combustin en el proceso fisicoqumicoque conocemos como llama.

La llama es la combustin misma, el espacio donde se desarrolla la combustin yla manifestacin visible de la combustin; todo al mismo tiempo.

Por ello resultar de la mayor importancia dominar los 3 campos de la tecnologaque resultan fundamentales en el desarrollo de la combustin y la determinacinde las caractersticas de la llama: Mecnica de Fludos, Cintica Qumica y

Transferencia de Calor.


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3.1 La llama como manifestacin visible de la combustin

En trminos tericos, la llama es el medio gaseoso en el que se desarrollan lasreacciones de combustin, produciendo radiaciones luminosas de origen tantotrmico como qumico, no necesariamente en el espectro visible, que constituyenmanifestaciones de las condiciones en que se efecta la generacin de calor.

En trminos prcticos, podramos definir a la llama como "el espacio donde serealiza la combustin", o tambin, como "la manifestacin visible de lacombustin", cuando se trata de combustibles slidos y lquidos.

La mezcla combustible-comburente es la fuente de la llama; el quemador es sucreador, vigilante y mantenedor.

La creacin y mantenimiento de una llama apropiada, es un requisito previo eimprescindible para el aprovechamiento racional de la energa contenida en elcombustible y que es capaz de arder en forma de calor.

Decir que una llama es apropiada, significa que tiene un conjunto de cualidades ycaractersticas de naturaleza geomtrica, fsica y qumica idneas y compatiblescon la aplicacin perseguida.

3.1.1 Condiciones Lmites para que se produzca una llama

a) Lmites de inflamabilidad

La relacin de combustible/oxgeno (aire) resulta crtica. Si esta relacin es muypequea el combustible ser muy pobre para quemarse, y si es demasiadogrande, ser demasiado rica para arder. Los lmites de la relacin combustible

aire, en ambos sentidos, se llaman "lmites superior e inferior de inflamabilidad del


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combustible". En el Cuadro 3.1se presentan valores para algunos gases yvapores conocidos.

Cuadro 3.1 Lmites de inflamabilidadb) Lmites de temperatura

Las Temperaturas mxima y mnima, a las que pueden encontrarse los gasesde combustin, coincidentes con los instantes final y de encendido de la llama,establecen igualmente lmites por sobre los cuales, no podr mantenerse unacombustin estable, por romperse el equilibrio entre la difusin trmica y la veloci-dad de produccin de calor.

c) Lmites de presin

Existen igualmente lmites de presin que establecen un intervalo de presiones,

dentro del cual puede existir una llama. Por debajo de 1 mbar absoluto las llamastienden a extinguirse. El lmite superior lo establece la peligrosidad de la mezclaa altas presiones, pudiendo estar por encima de 100 bar.

d) Lmites por el "efecto pared"

Los intercambios trmicos entre la llama y las paredes del recinto, establecen unlmite denominado "efecto pared". Incluye la propia boquilla de salida, lo cual

hace que en sus proximidades no se observe llama, y la presencia de "puntosfros" en el interior de la cmara de combustin.

3.1.2 Tipos de llamas y su clasificacin

a) Por la modalidad de la mezcla del combustible

Llamas de difusin: Cuando la mezcla del combustible y comburente serealiza en el instante de la combustin.

Llamas de premezcla: Cuando la mezcla de los fluidos se realiza parcial ototalmente antes de alcanzar la cmara de combustin.

b) Por la velocidad del flujo de los reactantes

Laminar: Cuando los fenmenos de la mezcla y transporte ocurren en fluidolaminar, es decir, estable, uniforme y a bajas velocidades (no excede 1m/seg).

Turbulenta: Cuando la velocidad de salida de los gases es importante, con

objeto de liberar un mximo de energa por unidad de tiempo, producto de

% Volumen en aireSustancia Lmite Inferior Lmite Superior

Monxido de carbono(CO)

12,5 74,0

Hidrgeno (H2) 4,1 74,0Metano (CH4) 5,3 14,0Etileno (C2H4) 3,0 29,0Etano (C2H6) 3,2 12,5

Propano (C3H8) 2,4 9,5

Butano (C4H10) 1,9 8,4Pentano (C5H12) 1,4 7,8Benceno (C6H6) 1,4 6,7

Gas Natural 4,8 13,5


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condiciones ms favorables para la mezcla combustible-oxgeno (velocidadunas 50 veces mayor que en fluido laminar).

c) Por su posicin respecto a la boca del quemador

Llamas explosivas libres: Cuando se desarrollan en la atmsfera a la salida deun orificio, sin contacto con paredes laterales.

Estacionarias: Cuando el combustible se quema poco a poco a medida quepasa a travs de una determinada zona del sistema, dando lugar a llamasalargadas y de combustin lenta.

d) Por el estado fsico del combustible

Combustibles gaseosos: Resultan ms simples por hallarse combustibles ycomburentes en una sola fase, pero difcilmente observables, y por tanto,difciles de regular y controlar.

Combustibles lquidos: El caso ms frecuente en la prctica, fuertementeatomizados o dispersos, presentan importante presencia de partculas quequeman en suspensin, emitiendo en el espectro visible cuando seencuentran en estado incandescente, facilitando su observacin, regulacin ycontrol.

Combustibles slidos: Pulverizados se asemejan a los lquidos; en lecho fijose complican por intervenir reacciones adicionales de pirlisis.

3.1.3 Temperaturas de la llama

Se denomina temperatura terica de combustin, temperatura adiabtica decombustin o temperatura de combustin calorfica, a la que se obtendra en unacombustin estequiomtrica, con mezcla perfectamente homognea y en untiempo brevsimo que no d tiempo a prdidas calorficas con el ambiente.

Para el clculo terico de la temperatura adiabtica de llamas se utiliza lasiguiente frmula :

Donde :

Ta : Temperatura adiabtica de llama

PCI : Poder Calorfico InferiorVg : Volumen de gases de combustin


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Cp : Calor Especfico de los gases de combustin

En el Cuadro 3.2se presenta la comparacin de algunas temperaturas dellamas. Es importante observar que las llamas mas calientes, no son las que en

teora corresponden a una mayor liberacin de energa, sino a aquellas cuyosproductos finales de la combustin son ms estables.

Cuadro 3.2 Temperatura de llamas de algunos combustibles

Las temperaturas reales en la llama, disminuirn en funcin de las condicionesreales de trabajo, dependientes de algunos de los siguientes factores:

a) Calor sensible del aire y el combustible.

b) Exceso de aire.c) Caractersticas de la transferencia de calor en la cmara de combustin.d) Difusin molecular de reactantes.e) Difusin trmica de productos.

En la Figu ra 3.1se puede observar la influencia de la temperatura del aire decombustin y del exceso de aire sobre la temperatura promedio de la llama.

COMBUSTIBLE COMBURENTE TEMP. INDICE TEORICA REAL

C EXCESO AIRE n C C

Acetileno Aire 15 1,00 2630 2320Monxido deCarbono

Aire 15 1,00 2470 2100

Hidrgeno O2 15 ---- 2974 ----Hidrgeno Aire 15 1,00 2210 2045

Gas Natural Aire 15 1,00 1961 1735Gas Natural Aire 15 1,00 1961 1880Metano Aire 15 1,00 1915 1880Etano Aire 15 1,00 a aPropano Aire 15 1,00 1980 1925Butano Aire 15 1,00Fuel oil pesado Aire 15 1,00 2015Fuel oil pesado Aire 15 1,30 1690Fuel oil pesado Aire 300 1,00 2120


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Aunque en el espectro de la llama se distinguen tanto bandas visibles, comoinfrarrojas y ultravioletas, moleculares y atmicas, e incluso, la mayor parte decalor se transfiere en la banda de infrarrojos, no visible al ojo humano, en laprctica resulta de indiscutible validez y gran utilidad el juzgar la temperatura de lallama por observacin visual de su coloracin.

Como ejemplo, en el Cuadro 3.3 se presentan las temperaturas que

corresponden a los colores observados en la llama de un horno rotatorio paracemento.

Cuadro 3.3. Temperaturas que corresponden a los colores de la llama

Cuadro 3.3Color y Temperaturas de llamas

COLOR F CRojo suave 875 475Rojo suave a rojo oscuro 875 -1200 475 - 650Rojo oscuro a rojo cereza 1200 - 1375 650 - 750Rojo cereza a rojo cereza 1375 - 1500 750 - 825brillante

Rojo cereza brillante a naranja 1500 - 1650 825 - 900Naranja a amarillo 1650 - 2000 900 - 1090

Amarillo a amarillo brillante 2000 - 2400 1090 - 1320Amarillo brillante a blanco 2400 - 2800 1320 - 1540

Figura 3.1Influencia de latemperatura delaire de combustin

y del exceso deaire sobre latemperatura dellama.


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3.2 FORMACIN DE LLAMA Y GASODINMICA DE LA COMBUSTIN

El desarrollo de un proceso de combustin y la conformacin de llama en el

interior de un reactor o cmara de combustin, constituyen en lo fundamentalun problema de mecnica de fludos que permite controlar a travs de laintensidad de mezcla la cintica de la reaccin de combustin, en la forma quepermita establecer las condiciones ms favorables y adecuadas detransferencia de calor.

La comprobacin prctica de que siempre se cumplen los postulados de lateora inorgnica de la combustin, nos conduce a una visin diferente, mssimple y objetiva, de la combustin industrial.

Se pueden establecer 4 etapas en el desarrollo del proceso de combustin:

Mezcla de combustible y comburenteIgnicin y encendido de la mezclaReaccin qumicaDifusin de los productos de la combustin.

La ignicin y la reaccin qumica son rapidsimas, prcticamente instantneas,mientras que la mezcla y difusin de gases resultan lentas, complicadas ydifciles.

En el interior de las cmaras de combustin se maneja la combustin como unasuspensin de partculas de carbn en el aire que al reaccionar producirn gasesde combustin y calor.

La forma de la llama resulta influenciada por las caractersticas de tamao,naturaleza y composicin de las partculas de coque procedentes de lamolienda de carbn mineral, craqueo en fase lquida o gaseosa decombustibles lquidos, o craqueo de gases, pero determinada finalmente porlas caractersticas de los impulsos de los flujos dominantes, aire primario o elpropio combustible cuando se trata de gas natural.


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En consecuencia, la mecnica de fluidos resulta fundamental para determinarla forma en que se efecta la reaccin de combustin y la definicin de lascaractersticas de la llama.

Para conocer los factores que afectan la formacin de llama en el campo de lamecnica de fluidos, analicemos la gasodinmica de la combustin :El flujo que emerge de una tobera forma un chorro que acta dinmicamentesobre el ambiente que lo rodea, perdiendo velocidad y succionando aire o gasde los alrededores. El chorro se proyecta en la direccin prevista, perdiendovelocidad y succionando gas de los alrededores. En un chorro libre la presinesttica es constante, mientras que en un chorro confinado la presin seincrementa con la distancia de la tobera ocasionando la formacin de una zonade recirculacin.

Figura 3.2 Esquema de chorro en espacio libre

Un chorro en un espacio libre se compone de las 4 partes que se muestran enla (Figu ra 3.2).

Corazn o ncleo del chorroZona de mezclaZona de transicinChorro completamente desarrollado

La regin del ncleo se caracteriza por velocidad constante y concentracinsimilar a la de la tobera. Fuera de esta zona se desarrolla una capa lmite en lacual momento y masa se transporta en forma perpendicular al flujo. La longituddel nucleo es 4 o 5 veces el dimetro de la tobera. La regin transitoria quepuede alcanzar unos 10 dimetros precede a la formacin del chorro final.


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La forma del chorro se caracteriza por el ngulo mitad , el cual se forma entre eleje del chorro y la lnea formada por los puntos en los cuales la velocidad es lamitad de la velocidad en el eje (Figu ra 3.3).

El chorro que fluye de la tobera en un horno tubular puede ser caracterizadocomo un chorro libre recto circular, habindose comprobado como valor prcticopara el ngulo mitad 4.85 , el cual no vara con la confinacin del chorro; sinembargo, el grado de turbulencia (S) puede incrementarlo en la siguiente forma:

NGULO MITAD = (4.85) (7S)

A partir del punto medio entre la tobera y la proyeccin del chorro que toca lapared del horno, el chorro puede considerarse y comportarse como un chorro

confinado, por lo cual se presenta la recirculacin de gases quemados.Al producirse la ignicin del combustible y convertirse el chorro en llama,delimitando el frente de llama, se incorporan al flujo los gases de combustinproducidos y la energa generada por la reaccin, los cuales influencian en formadistinta la cintica de la reaccin y por tanto la longitud de llama. Mientras que elcalor generado incrementa la velocidad de reaccin, la presencia de gases decombustin ya quemados e inertes disminuyen la disponibilidad de oxgeno parala reaccin y por lo tanto la demoran.

Figura 3.3 Forma del chorro, caracterizado por el ngulo mitad

El chorro de los quemadores unicanal puede ser considerado como un chorrorecto circular, como el que se muestra en la (Figu ra 3.4) El incremento depresin que ocasiona el chorro genera una recirculacin de gases quemadoshacia la zona exterior, tomando la llama una forma cnica. Siendo el ngulomitad de 4.85, aproximadamente a unos 3 dimetros del horno se debera

producir el impacto de la llama con las paredes del horno.


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Figura 3.4 Chorro recto circular

Si el quemador dispone de suficiente energa cintica para mantener formada lallama y la cintica de la reaccin es suficientemente rpida para completar lacombustin en este trayecto, al punto P impactaran gases quemados y la llamaformada resultar ideal. Si por el contrario, la combustin no se completa, sobreel punto P impacta llama provocando problemas; para evitarlo, se resta potencialal quemador, el chorro pierde velocidad y se igualan las velocidades con el airesecundario restante y los gases quemados, la llama se desarma antes deimpactar y la combustin se completar dentro de la masa uniforme de los gasescirculando a travs del tubo del horno sin ningn control, dando lugar apegaduras, anillamientos y la presencia de inquemados a la salida del horno,debido a que la posibilidad de combustin completa desaparece.

Al incorporar un tubo central convirtiendo el ducto en un espacio anular se creauna depresin en el centro que propicia que se produzca la recirculacininterior de gases quemados calientes que se utiliza en algunos casos paraestabilizacin de la llama. Este efecto se incrementa al incorporar una placacentral o proporcionar radialidad al flujo (Figur a 3.5).


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Figura 3.5 Perfil del flujo por efecto de la radialidad proporcionada.

Cuando se imprime rotacin a un fluido se consiguen los chorros giratorios quemodifican su perfil de velocidades por efecto de la rotacin, como se muestraen la (Figu ra 3.6). En (a) no existe rotacin; en (b) hay una rotacin ligera quehace aumentar la velocidad perifrica y deprime la central ; en (c) se alcanzael umbral crtico, anulndose la velocidad en el centro; en (d) el estado essupercrtico, con inversin de velocidades en el centro.

Para cuantificar este efecto se utiliza el concepto de Fuerza de Rotacin que esun nmero adimensional definido por la relacin del momento del impulsotangencial con el producto del radio del inyector por el impulso axial.

Figura 3.6 Perfil de velocidad por rotacin del fluido.

En los chorros giratorios se incrementa la masa arrastrada por el fluido inductoren la medida que aumente la fuerza de rotacin, como se puede observar en la

(Figur a 3.7) en la cual se grafica la relacin de masa total a masa inductorapara chorros con diferente fuerza de rotacin.

a b c d


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La divisin del flujo dominante, aire primario y/o gas natural, en componentesaxial y radial permite controlar la forma y tendencias de la llama en el interior de lacmara de combustin, lo que resulta de una importancia determinante para 3propsitos fundamentales:

Formar la llama que permita aprovechar al mximo el volumen til de lacmara de combustinDisponer de la mxima potencia calorficaImprimir la intensidad de mezcla que resulte adecuada para asegurarcombustin completa.

Podemos mencionar varios ejemplos de aplicacin que muestran la importanciade la aplicacin de estos conceptos en el desarrollo tecnolgico industrial:

En Calderos acuotubulares: La adecuacin de la forma de llama a lasgeometras rectangulares de los hogares de paredes de agua ha permitidoconseguir una reduccin formidable de sus dimensiones, consiguiendo unidades

cada vez ms grandes en capacidad de generacin de vapor pero mucho mscompactas, ahorrando espacio, materiales y energa, porque tambin resultanconsiderablemente ms eficientes.

En hornos cementeros: La formacin de llama cnica hueca ha resultado tanimportante para lograr las condiciones adecuadas de potencia trmica,transferencia de calor y estabilidad operativa que exige el proceso declinkerizacin que ya no se concibe un horno cementero que no opere con estetipo de llama y resulte competitivo.

En hornos cermicos : La formacin de llamas planas para evitar su impacto

sobre las piezas en proceso ha permitido conseguir excelentes condiciones detransferencia de calor y mejorar la calidad de acabados.

Figura 3.7Relacin demasa total amasainductora parachorros condiferentefuerza derotacin.


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3.3 Emisividad de llama y transferencia de calor por radiacin

La radiacin es la transferencia de calor mediante energa radiante que partede la superficie de la sustancia emisora en todas direcciones y que no necesita

de un soporte material. Cuando esta energa alcanza otro cuerpo, parte de ellapuede reflejarse, otra parte puede ser transmitida a travs del cuerpo receptor,cuando es diatrmico y finalmente el resto es absorbida. La radiacin trmicase asocia a una radiacin electromagntica con un intervalo de longitudes deonda entre 0,01 y 100 micras.

Para calcular el calor transmitido por radiacin se aplica la frmula:

en donde:

Qr : calor emitido por radiacin porm2 y hora (Kcal/h.m2)

C = constante de valor = 4,92 x 10-8 h.m20K4= emisividad del material, que depende de la naturaleza del cuerporadiante.

T1= Temperatura del cuerpo emisor0K (0C + 273)

T2= Temperatura del cuerpo receptor K (0C + 273)

Para efectos del trabajo de los hornos en la zona crtica, la transferencia decalor por radiacin desde la llama resulta un factor de lamayor importancia, debiendo destacarse que :

Resulta proporcional a la temperatura elevada a la cuarta potencia. Latemperatura de llama vara con el exceso de aire de combustin y latemperatura del aire secundario, en la forma que se mostr en la Figura3.1.Resulta proporcional a la emisividad de la llama, la cual a la vez depende dela permanencia de las partculas en estado incandescente. La emisividad de

llamas de carbn, petrleo y gas natural se puede observar en la Figura3.8. La baja emisividad de las llamas de gas natural debe procurar


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compensarse, demorando la disponibilidad de las partculas para que seproduzca el hollinamiento que favorezca la emisividad y transferencia decalor por radiacin.

Figura 3.8 Emisividad de llama

3.4 Difusin de gases de combustin y transferencia de calor por

conveccinLa transmisin de calor por conveccin se refiere generalmente a la transferenciade calor desde la superficie lmite de un slido a un fluido, debido a las diferenciasde densidad entre las zonas calientes y fras del mismo (conveccin natural),pudiendo favorecerse este movimiento por medios mecnicos (conveccinforzada).

Para calcular el calor transmitido por conveccin se aplica la frmula:

Donde:Qc : Calor transmitido al fluido desde la superficie de un slido por m

2(Kcal/h . m2).

hm : Coeficiente de transmisin desde la superficie al fluido sin incluir laenerga radiada (Kcal/h.m2. C)

ts : temperatura de la superficie del slido (0C)

tm : temperatura media del fluido (

0

C)R : resistencia trmica (C . h . m2 ) / kcal


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La transferencia de calor por conveccin:

aumenta cuando aumenta ts

aumenta cuando disminuye tmaumenta cuando aumenta el valor de hm

El valor de hm depende de muchos factores y en general no es fcil dedeterminar tericamente, por lo que se obtiene a partir de experimentos ycorrelaciones utilizando la teora de modelos y nmeros adimensionales.

Vara con:

Las propiedades fsicas del fluido (conductividad trmica, densidad, calorespecifico, viscosidad).

Dimensiones del aparatoVelocidad del fluidoExistencia de cambio de fasesincremento de temperaturas

En los hornos, calderos y procesos industriales se produce transferencia decalor por conveccin en todo el circuito de circulacin de los gases decombustin desde la llama hasta la chimenea de salida. El diseo de losprocesos, instalaciones y equipos industriales determinan los niveles deaprovechamiento del calor liberado en la combustin en funcin de lascondiciones que favorezcan la transferencia de calor por conveccin de losgases calientes al proceso y el revestimiento interno del horno (Figu ra 3.9).

3.5 Estabilidad de llama y las 7 tes de la combustin.

Figura 3.9 Horno de

cemento, un excelenteejemplo deaprovechamiento decalor por radiacin,utilizando materialesrefractarios paramejorar latransferencia de calor.


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La velocidad de una llama, puede variar entre unos pocos centmetros porsegundo (mezcla propano-aire) y varias decenas de metros por segundo (mezclaestequiomtrica vapor de kerosene-aire, con 40 m/s).

La superficie que limita la llama por su parte anterior se denomina frente de llamay su situacin est condicionada por un equilibrio entre la velocidad de circulacinde los gases y la velocidad de propagacin de la llama; expresado en trminosprcticos, para conseguir una llama estable se debe mantener un equilibrio entrela velocidad con la que ingresa la mezcla combustible y la velocidad con la que sequema (Figu ra 3.10).

El frente de llama puede resultar muy inestable, considerando los mltiplesfactores que intervienen en la cintica de la reaccin de combustin,determinando que se aproxime al quemador hasta introducirse en el mismo,producindose lo que se denomina "retroceso de llama" o se aleje del mismo,

llegando a producirse el "despegue de llama", en cuyo caso la misma se apaga.

En la literatura tcnica sobre la llama siempre se mencionan como factores decontrol operativo sobre la llama las 3 tes de la combustin, pero investigando eneste campo hemos encontrado que son siete las tes que influencian esteproceso.

Figura 3.10 Frente de llama, criterio bsico para determinar el equilibrio de las

velocidades.

Las dos primeras emanan de la teora inorgnica y se refieren al Tamao departcula y su Trayectoria axial o rotacional al inyectarse desde la boquilla delquemador.


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Para mantener el equilibrio entre la velocidad de los gases y la propagacin de lallama resultan de fundamental importancia las tres Te's clsicas de lacombustin, esto es, Tiempo, Turbulencia y Temperatura.La estabilidad del frente de llama permite condiciones iniciales favorables, peroen el desarrollo de la combustin intervienen otros parmetros que determinancondiciones que podran afectar la estabilidad inicial conseguida ycoincidentemente, tambin comienzan con la misma letra: Transferencia de calory Transporte de gases. Pero an tenemos ms Tes que influencian la llama y elproceso de combustin: el Tiro que crea las condiciones de circulacin de gasesy la Tensin (presin) en el interior de la cmara de combustin.Estos tres factores resultan de la mayor importancia para mantener en equilibriola reaccin de combustin, y por ende, las caractersticas de la llama.

El Tiempo determina la velocidad con la que se efecta la reaccin y resultafuertemente determinado por el Tamao de la partcula de carbn; si se eleva la

Temperatura de la llama, aumentar la velocidad de reaccin y con ella lageneracin de calor; asimismo aumentar el volumen de productos decombustin, incrementndose la Turbulencia en el entorno de la llama, tomandoen cuenta que las condiciones de mezcla tambin sern influenciadas por latrayectoria de la partcula de carbn, creada por su propio impulso y/o establecidapor los flujos dominantes. La Transferencia de calor desde la llama a su entornovariar la temperatura y por tanto la cintica de la reaccin. El Transporte de losgases de combustin impulsados por el Tiro tendrn que asegurar la presinmsconveniente en la cmara de combustin.


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Figura 3.11 Las siete Tes de la combustin

El aumento de la Turbulencia favorecer la cintica de la reaccin, disminuyendoel Tiempo de reaccin; la mayor generacin de calor producir un incremento deTemperatura.

Esta constante influenciada por estos tres factores, determinar las condicionesdel equilibrio de llama, y en consecuencia, la eficiencia de combustin.

La importancia que reviste la llama, por representar el espacio donde se realiza lacombustin y constituir en la mayora de casos una manifestacin visible de lacombustin, facilitando su adecuado manejo y control, determina la necesidad deanalizar las caractersticas de formacin de llama de slidos, lquidos y gases en

forma individual y detallada, utilizando la Ruleta de las Tes de la Combustin(Figu ra 3.11).


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CAPITULO IVEL AIRE DE COMBUSTIN

En el desarrollo de la tecnologa de la combustin del siglo XX

se cometieron muchos errores, pero sin duda alguna el principal

fue desconocer la importancia del aire.

Al establecer la Teora Inorgnica de la Combustin que la

formacin de llama y el control sobre el desarrollo de lacombustin constituyen principalmente un problema de

mecnica de fluidos, siendo el aire el flujo dominante para

determinar las condiciones de mezcla y turbulencia que definen

la calidad de la combustin, demuestra que el aire siempre

resulta ms importante que los combustibles en la combustin.


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4.1 Caracterizacin del Aire Atmosfrico

La naturaleza no se ha limitado a almacenarnos energa qumica durante millones deaos en los combustibles fsiles. Tambin nos proporciona en la atmsfera, el oxgeno

necesario para liberarla mediante la combustin.4.1.1 Formacin de la Atmsfera Terrestre

La atmsferaes la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra y comenz a

formarse hace unos 4600 millones de aos con el nacimiento del planeta.

La atmsfera de las primeras pocas de la historia de la Tierra estara formada

por vapor de agua, dixido de carbono (CO2) y nitrgeno, junto a muy

pequeas cantidades de hidrgeno y monxido de carbono, pero con ausencia

de oxgeno. Era una atmsfera ligeramente reductora hasta que la actividad

fotosinttica de los seres vivos introdujo oxgeno y ozono hace unos 2.500

millones de aos ; hace unos 1000 millones de aos. la atmsferalleg a tener

una composicin similar a la actual.

Tambin ahora los seres vivos siguen desempeando un papel fundamental en

el funcionamiento de la atmsfera. Las plantas y otros organismos

fotosintticos toman CO2 del aire y devuelven O2, mientras que la respiracin

de los animales y la quema de bosques o combustibles realiza el efecto

contrario: retira O2 y devuelve CO2 a la atmsfera.

Analicemos la forma en que se han producido tales transformaciones:

Su origen se produce por:

Prdida de la capa de gases de lanebulosaoriginal (HyHe).

Aumento de la masa de la Tierra:Gravedad.Enfriamiento de la Tierra.
http://es.wikipedia.org/wiki/Nebulosahttp://es.wikipedia.org/wiki/Nebulosahttp://es.wikipedia.org/wiki/Nebulosahttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Heliohttp://es.wikipedia.org/wiki/Heliohttp://es.wikipedia.org/wiki/Heliohttp://es.wikipedia.org/wiki/Gravedadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gravedadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gravedadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gravedadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Heliohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Nebulosa


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Desgasificacin de lacorteza terrestre

Formacin de una capa de gases: atmsfera primitiva con una composicinparecida a las emisiones volcnicas actuales, donde dominaran elN2,CO2,HClySO2.

Algunos gases y elH2Ode procedencia externa (Cometas).

En la etapa prebitica, antes de la vida, la atmsfera sufri algunos cambios:

Condensacin delvapor de agua: formacin de losocanosydisolucindegases en ellos (CO2, HCl y SO2).

Principal gas de la atmsfera: Nitrgeno (N2).

No haba oxgeno (O2).

Etapa microbiolgica, con la aparicin de las primeras bacterias anaerbicas que usanH y H2S y fotosintticas (bacterias del azufre y cianobacterias):

Comienza la produccin de Oxgeno del ocano.

El O2 producido se utiliza para oxidar las sustancias reducidas del ocano.Prueba de ello son la deposicin de las formaciones de hierro en bandas:Fe+3 + O2 Fe2O3

Una vez oxidadas las sustancias, empieza la produccin de O2 para la atmsfera.

El O2 liberado se gasta para oxidar sustancias reducidas de la corteza terrestre.Pruebas de ello son las formaciones de capas rojas de origen continental.

Etapa biolgica, con la aparicin de organismos eucariotas con fotosntesis mseficiente:

Aumento del O2 en la atmsfera hasta la concentracin actual (21%).

Formacin del escudo de Ozono (O3) para proteccin de la radiacin ultravioletadel Sol, permitiendo la colonizacin de las tierras emergidas.

4.1.2 Estructura de la AtmsferaAtendiendo a diferentes caractersticas, la atmsfera se divide en:

La troposfera, que abarca hasta un lmite superior llamado tropopausa que seencuentra a los 9 Km en los polos y los 18 km en el ecuador. En ella se

producen importantes movimientos verticales y horizontales de las masas de

aire (vientos) y hay relativa abundancia de agua, por su cercana a la

hidrosfera. Por todo esto es la zona de las nubes y los fenmenos climticos:
http://es.wikipedia.org/wiki/Corteza_terrestrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Corteza_terrestrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Corteza_terrestrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_clorh%C3%ADdricohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_clorh%C3%ADdricohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_clorh%C3%ADdricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_azufrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_azufrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_azufrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_azufrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Aguahttp://es.wikipedia.org/wik

combustión industrial gas natural

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