Universidad Central del EcuadorFacultad de Ingeniería Química

Ingeniería TermodinámicaSemestre: SextoFecha: 04/11/2015

1. Muchos sistemas en ingeniería química utilizan la combustión como fuente de energía para convertir la energía interna de los combustibles en trabajo útil. Considere un caldero el cual opera con fuel oil de la siguiente composición 86%C, 12%H, 1.95%O, O.05% inertes (cenizas). Asuma que la combustión se realiza con 20% de exceso de aire y que los gases de combustión calientan una tubería de agua para producir vapor.

Calcule la cantidad de combustible necesario si se ha cuantificado que el 5% de la energía producida en la combustión se pierde por las paredes del caldero. Datos:- El flujo de agua es 400 kg/s - El Cp de los inertes puede considerarse constante durante la

operación = 0.84kg/kJ K - El aire es precalentado en un intercambiador de calor a 1 atm de

presión. - Los gases de escape pueden ser asumidos como aire. - El poder calórico inferior del combustible es 40000kJ/kg y la

eficiencia del horno es 90%

2. Considere la siguiente ecuación de combustión del Metano. Calcule la eficiencia del quemador bajo las siguientes condiciones: Exceso de aire = 10% Condiciones de entrada de combustible y aire: T=25C y P=1atm Los gases de combustión dejan la unidad a 200 °C Pérdidas de calor = 2% del NCV o LHV El NCV es 50 MJ/kg.

Porqué no es importante el flujo del vapor? Note que la eficiencia = Calor útil / calor ingresado

En este ejercicio el flujo no es importante ya se proporciona el calor de neto de combustión (NCV) el cual no considera al agua por lo tanto su efecto en este sistema no es considerado

3. Consulte el efecto de la disociación de productos en la combustión y las formas de controlar este problema

La máxima temperatura que pueden alcanzar los productos de combustión se denomina temperatura adiabática de la llama, ya que es la

que se obtendría si todo el calor desarrollado por el proceso se utilizase íntegramente para calentar dichos productos. (Márquez, 2005)

Se comprende que su valor depende del exceso de aire, y crecerá a medida que tiende a cero dichos excesos. Y a su vez crecerá aún más si disminuye la proporción de compuestos inertes (N2), es decir, si para la combustión se emplea aire enriquecido con oxígeno, o incluso, se utiliza sólo oxígeno (sopletes). También se puede elevar si se utiliza aire y combustible precalentados. Las condiciones de los reactantes, excepto en el precalentamiento del aire, son 298,15 K y 1atm

Si la temperatura sobrepasa los 1500 °C, aparecen fenómenos de disociación, con producción de CO y H2 en reacciones endotérmicas, cuyo efecto térmico es la absorción de calor por unidad de combustible, El procedimiento de cálculo de la temperatura de llama adiabática, considerando los fenómenos de disociación, se lleva a cabo por iteración de la temperatura de los productos hasta que se cumpla la siguiente expresión:

H reactantes=H productos Ec. 3.1. – 1

En la ecuación (3.1. - 1) la H reactantes se refiere a la entalpía del combustible y del aire que hacen parte del proceso de combustión. Cuando toda esta energía es empleada para elevar la temperatura de los humos de combustión, sin pérdidas de calor hacia el medio, los productos alcanzarán una entalpía H productos igual a la de los reactantes, y por ende, obtendrán su máxima temperatura.La máxima temperatura ocurre para una condición de mezcla rica o defecto de aire del 3%. Aunque comúnmente se asocia la temperatura adiabática de llama a la condición estequiométrica o de cero exceso de aire, para la condición real de disociación de especies mayores (CO2, H2O, O2, N2) y formación de especies menores (CO, HO, NO, NO2, entre otras) la máxima temperatura adiabática ocurre en una mezcla ligeramente rica porque el calor específico de los productos se reduce permitiendo el incremento de la temperaturaPara evitar el fenómeno de disociación se debe considerar la influencia del precalentamiento del aire de combustión, ya que cuando este aire ingresa no a 25 °C sino a 50 °C, las temperaturas de llama se incrementan, lo que se expresa como mayor calor adicionado a la carga y a la reducción en los consumos energéticos del proceso. Además otro parámetro importante es el control del exceso de aire debido a que un incremento desmesurado de este ocasiona una caída drástica en las temperaturas de llama.

4. A que se refiere el límite de inflamabilidad y cómo puede afectar la combustión. Y consulte los valores aconsejables de relación aire/combustible para turbinas de gas

Cuando la combustión es posible porque la proporción entre gases combustibles y aire está comprendida entre unos valores específicos para cada combustible.

- Límite Inferior de Inflamabilidad: la mínima concentración necesaria para mantener la combustión.

- Limite Superior de Inflamabilidad: la concentración por encima de la cual no es posible la combustión (Martí, 2002).

La forma en que esto afecta a la combustión es debido a que no todas la proporciones de aire – combustible son adecuadas para la combustión. Para cada combustible existen unos límites de inflamabilidad, el inferior y el superior (mencionados anteriormente), fuera de los cuales la combustión no es posible, puesto que por debajo del límite inferior de inflamabilidad, la mezcla no es suficientemente rica en combustible para quemar; por encima del límite superior de inflamabilidad, la mezcla es pobre en comburente (Márquez, 2005).

La valores aconsejables para la relación aire-combustible de funcionamiento global para una turbina de gas es del orden de 60/1 para las condiciones de diseño, mientras que la estequiométrica es de aproximadamente, 15/1, es necesario que el aire suministrado por el compresor se introduzca progresivamente en la cámara de combustión (Borrás, 1987).

5. Como podría controlar la formación del flujo de NOX en los gases de combustión

Según sea el combustible utilizado, se usarán métodos diferentes para la reducción del NOx:

- Con gasóleo es necesario inyectar agua en cada una de las boquillas de los quemadores, de forma que se reduzca la temperatura de la llama y por consiguiente la formación de NOx. La cantidad de agua inyectada responde a una función del combustible inyectado, modificada por las variaciones de temperatura y humedad ambiente (Sabugal, 2015).

- Con gas natural, durante la ignición y hasta alcanzar la temperatura base, el combustible y el aire entran por conductos separados a los quemadores, uniéndose en la boquilla de difusión. En esta etapa inicial de la combustión, conocida como diffusion y que tiene lugar hasta una carga en la turbina de gas es aproximadamente el 50%, la formación de NOx es más elevada. La reducción de NOx se consigue mediante una premezcla de gas natural con aire que rodea en forma de torbellino la vena de gas natural antes de llegar al quemador – método premix - .(Sabugal, 2015)

- Basándose en el modelo cinético, si se quiere controlar la formación de NOx, sin disminuir la potencia del motor por el uso de mezclas pobres, se recomienda emplear técnicas de recirculación de gases para disminuir la temperatura y convertidores catalíticos para disminuir la cantidad de éstos que componentes que saldrían al ambiente (Matín, Araque, Fygueroa, 2001)

- El diseño encaminado a una producción mínima de NOx se basa en gran medida en factores empíricos. Una reducción de la generación de NOx de 0 a 30% es posible en la actualidad mediante el uso de

quemadores de diseño modificado en ciertos hornos. (Martín, Araque, Fygueroa, 2001)

BIBLIOGRAFÍA:

Márques, M. (2005). Combustión y Quemadores. España: Editorial Marcombo, S.A.

Martí, J. (2002). Medicina del Trabajo. Chile: Editorial MASSON, S.A. Borras, E. (1987). Gas Natural: Características, distribución y

aplicaciones industriales. Barcelona: Editores Técnicos Asociados, S.A.

Sabugal, Santiago. (2015). Centrales Térmica de Ciclo Combinado. España: Editorial Díaz de Santos, S.A.

Martín M.J. (2001). Estudio Teórico de la Formación de Oxidos de Nitrógeno en Motores de Gasolina. Información Tecnológica CIT Vol.12 N° 5, pp 127

http://www.academia.edu/6696121/ANALISIS_TE%C3%93RICO_DE_LA_COMBUSTI%C3%93N_EN_QUEMADORES_DE_GAS_NATURAL