Pemex Gas y Petroquímica Básica COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión Proyecto: PREPARACIÓN DE SEMILLEROS PARA OCUPAR PUESTOS DE CONFIANZA OPERACION Líder de proyecto: Ing. René Soltero Sáenz Especialista: Ing. Hugo Martínez de Santiago Ing. Marco Antonio Rendón Sosa Ing. Manuel Méndez Zúñiga Ing. Alberto Carrasco Rueda Ing. Carlos Arturo Medina Maldonado Ing. Tirso Miguel Policarpo Morales Lic. Erik Alberto Santos Pérez Copyright © 2011 INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión Contenido OBJETIVO INSTRUCCIONAL .......................................................................................................................7 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................9 1 EL PROCESO DE LA COMBUSTIÓN. ..................................................................................................11 1.1 REQUISITOS PARA LA COMBUSTIÓN. ................................................................................................... 11 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.2 EXCESO DE AIRE. ..................................................................................................................................... 15 1.2.1 1.2.2 1.2.3 2 Reacción química básica. ............................................................................................................................. 11 Etapas de la combustión. ............................................................................................................................. 13 Aire atmosférico para la combustión. ........................................................................................................... 14 Aire teórico o estequiométrico. ..................................................................................................................... 14 Aire práctico. ................................................................................................................................................. 15 Exceso de aire en función del monóxido de carbono. .................................................................................. 17 Exceso de aire y óxidos de nitrógeno. .......................................................................................................... 18 Calor disponible en función del exceso de aire. ........................................................................................... 18 COMBUSTIBLES. ..................................................................................................................................21 2.1 COMBUSTIBLES LÍQUIDOS. ..................................................................................................................... 21 2.2 COMBUSTIBLES GASEOSOS................................................................................................................... 22 2.3 COMBUSTIBLES SÓLIDOS. ...................................................................................................................... 23 2.4 CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES. ...................................................................................... 24 2.5 CONDICIONES DE SUMINISTRO. ............................................................................................................ 25 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.6 Combustibles gaseosos. .............................................................................................................................. 25 Combustibles líquidos. ................................................................................................................................. 25 Combustibles sólidos. ................................................................................................................................... 25 MEDIO ATOMIZANTE. ............................................................................................................................... 25 2.6.1 2.6.2 2.6.3 Atomización mecánica por presión. .............................................................................................................. 26 Atomización con fluido auxiliar ..................................................................................................................... 26 Atomización mecánica por copa rotatoria..................................................................................................... 26 3 LÍMITE DE INFLAMABILIDAD O EXPLOSIVIDAD. ..............................................................................27 4 INSTRUMENTOS DE SEGURIDAD. .....................................................................................................29 4.1 5 UTILIZACIÓN DE EXPLOSÍMETROS. ....................................................................................................... 29 CALOR DE COMBUSTIÓN. ..................................................................................................................31 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 3 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 6 PRINCIPIOS DE CONTROL DE COMBUSTION. ................................................................................. 33 7 ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN. .................................................................. 35 ANEXO ........................................................................................................................................................ 37 BIBLIOGRAFÍA. .......................................................................................................................................... 43 4 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión Figuras. Fig. 1-1. % De exceso de aire en función del % de O2 en los gases de combustión del gas natural. .......................... 16 Fig. 1-2. Incidencia del exceso de aire sobre el rendimiento y la seguridad en un CAFD. ........................................... 16 Fig. 1-3. % de aire en exceso en función del bióxido de carbono en los gases de combustión del gasóleo. ............... 17 Fig. 1-4. Relación entre el exceso de aire y la temperatura de la combustión.............................................................. 19 Fig. 2-1. Temperatura mínima de los gases de combustión en función del % de azufre. ............................................. 24 Fig. 4-1 explosímetro electrónico digital....................................................................................................................... 29 Tablas. Tabla 1-1. Componentes del aire para la combustión. ................................................................................................. 14 Tabla 1-2. Exceso de aire en la combustión. ................................................................................................................ 15 Tabla 2-1 Valores caloríficos de algunos gases. .......................................................................................................... 22 Tabla 3-1 Limites de explosividad de varios hidrocarburos. ......................................................................................... 28 Tabla 7-1 Calores de combustión ................................................................................................................................. 37 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 5 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión OBJETIVO INSTRUCCIONAL Identificar los procesos de la combustión así como los requisitos para que se lleve a cabo. Describir las reacciones de combustión, así como las propiedades de los combustibles utilizados, solido, líquido o gas. Los límites de inflamación o explosividad y los instrumentos de seguridad que se utilizan para medirlos. Analizar lo que es el calor de combustión, cuales son los principios de control de la combustión y el análisis que se hace de los productos de esta. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 7 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión INTRODUCCIÓN Se requiere suministrar grandes cantidades de energía a corrientes de proceso contenidas en serpentines tubulares a partir de la combustión de combustibles líquidos, sólidos y gaseosos, para elevar sus niveles de temperatura y modificar sus características químicas y físicas, para cumplir con las condiciones de proceso. En todas las operaciones donde se lleva a cabo la combustión es importante conocer cómo se efectúa el proceso, y cuáles son los requisitos que se necesitan para alcanzar una combustión completa, cuales son los principales combustibles utilizados en la industria del petróleo, en este manual también se toca el tema de los límites de explosividad o inflamabilidad y los instrumentos para medirlo. También hacemos mención de lo que es el calor de combustión y porque es tan importante conocerlo, analizamos también los principios del control de la combustión y por ultimo hacemos un descripción de porque es importante el análisis de los gases de la combustión. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 9 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 1 EL PROCESO DE LA COMBUSTIÓN. 1.1 REQUISITOS PARA LA COMBUSTIÓN. 1.1.1 Reacción química básica. La fuente de energía básica en todas las operaciones de las refinerías es la energía química que contienen los combustibles. Para que la energía de los combustibles sea utilizada, su energía química debe ser liberada en forma de energía calorífica. El proceso mediante el cual se libera la energía química de un combustible, en forma de calor, es llamado “combustión”. La combustión es una reacción química rápida en la cual un combustible se combina con oxígeno para liberar una gran cantidad de energía calorífica. Cuando un combustible, tal como el aceite, es quemado, el carbono y el hidrogeno de este se combinan con el oxígeno para liberar energía calorífica, CO2 y H2O. La mayor parte de los combustibles que se utilizan en las refinerías se componen de átomos de carbono y de hidrogeno. Una molécula consiste en dos o más átomos de estos elementos rígidamente unidos. La combustión es una reacción química entre un combustible y oxígeno que produce luz y calor (CONAE). La producción de calor el punto de interés. Para que la reacción pueda llevarse a cabo debe alcanzarse la mezcla adecuada de combustible aire y se debe mantener la temperatura mínima de ignición. Una vez iniciada la combustión, se propagará de una molécula a otra, generando por sí solo (en condiciones normales) la energía necesaria para elevar el resto de su masa a la temperatura de inflamación, sin la necesidad continuar con la fuente de ignición. Este proceso se mantendrá mientras el calor proveniente de la reacción sea mayor que el cedido al medio que lo rodea. La mayoría de los combustibles utilizados en la industria, están compuestos fundamentalmente por carbón, hidrógeno y pequeñas cantidades de azufre. Como resultado de la combustión de estos tres elementos básicos se obtienen lo siguiente: El oxígeno del aire usado como comburente. El carbono e hidrógeno del combustible. Otros elementos (azufre) e inertes (cenizas). Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 11 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión Reacciones del carbono: C O2 CO La reacción del hidrógeno es: H2 La reacción del azufre es: S O2 CO 9.188 MJ/kg 1 O2 2 1 O2 2 1 O2 2 Si el agua se condensa: H2 1 O2 2 C 32.780 MJ/kg CO2 CO2 10.111MJ/kg H2 O 188.680 MJ/kg H O 142.107 MJ/kg SO 2.957 MJ/kg 2 2 Cuando la combustión se realiza en laboratorio utilizando proporciones exactas de mezcla combustible/oxígeno, obtenemos como productos de la combustión solamente dióxido de carbono, vapor de agua y dióxido de azufre (si hay azufre presente). En este tipo de ensayo de laboratorio se obtiene lo que llamaremos: combustión perfecta o estequiométrica. La combustión completa o estequiométrica es cuando todo el carbono se oxida en CO2: C O2 H2 1 O2 2 S O2 CO HO SO 2 2 2 12 g de C, necesitan 22.4 l de O2 2 g de H2, necesitan 11.2 l de O2 32 g de S, necesitan 22.4 l de O2 La máxima temperatura de flama para un determinado combustible se obtiene mediante una combustión perfecta. Si utilizamos más oxígeno del requerido para una combustión perfecta, este exceso no reaccionará en la combustión, reduciendo por lo tanto la temperatura de flama, y en consecuencia este exceso aparecerá como producto final de la combustión. En cambio, si la combustión se realiza con menor porcentaje de oxígeno de lo necesario, aparecerán como productos de la combustión, sumados a los nombrados anteriormente: monóxido de carbono (CO), hidrógeno gaseoso (H2), compuestos hidrocarburos (CXHY), sulfhídrico (H2S) y carbón (C). Estos compuestos son el resultado de una combustión imperfecta e incompleta y producen contaminación ambiental. En una combustión rica, con suficiente aporte de oxígeno, el butano se combina con el oxígeno y se convierte en CO2 y H2O mediante la siguiente reacción. C4H10 12 13 O2 2 4CO2 5H2O 3012 BTU/PIE 3 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 1.1.2 Etapas de la combustión. La reacción de combustión se lleva a cabo en varias etapas, en las cuales se crean momentáneamente otras sustancias antes de que se forme el bióxido de carbono y el vapor de agua o el monóxido de carbono en el caso de las reacciones incompletas. La reacción de combustión del metano se lleva a cabo en las siguientes 6 etapas: 1°. Formación de alcohol. 2°. Formación de alcohol secundario. 3°. Conversión del alcohol secundario a formaldehído y agua. 4°. Reacción del formaldehído con más oxígeno para formar ácido fórmico. 5°. Descomposición del ácido fórmico a monóxido de carbono y agua. 6°. Oxidación del monóxido de carbono para formar el bióxido de carbono. La reacción de combustión completa del metano se da mediante la siguiente reacción: CH4 2O2 CO 2 2H2O 911 BTU/PIE 3 La reacción de combustión del metano (CH4) se desarrolla en las siguientes etapas: 1°. El oxígeno se disocia y reacciona con el metano formando un alcohol: CH4 2°. O2 El alcohol reacciona con el átomo de oxígeno formando un alcohol secundario: CH3 OH O 3°. CH2O H2O CHOOH El ácido fórmico se descompone a monóxido de carbono y agua: CHOOH 6°. CH2 (OH) 2 El formaldehído reacciona con más oxígeno y se convierte en ácido fórmico: CH2 O O 5°. El alcohol secundario se descompone generando formaldehído y agua: CH2 (OH)2 4°. CH3 OH O CO H2 O El monóxido de carbono se oxida formando el bióxido de carbono: CO O CO2 La descripción de las etapas de la combustión del metano (mecanismo de reacción) nos da una idea de cuándo una reacción de combustión es incompleta y porque en ocasiones solo se forma monóxido de carbono que físicamente es el que genera el humo de color negro. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 13 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 1.1.3 Aire atmosférico para la combustión. El oxígeno requerido para la combustión proviene del aire atmosférico que está compuesto por una mezcla de oxígeno, nitrógeno y pequeñas proporciones de dióxido de carbono, vapor de agua, argón y otros gases inertes, la composición típica es la siguiente: TABLA 1-1. COMPONENTES DEL AIRE PARA LA COMBUSTIÓN. Componente del aire % Volumen % Peso Nitrógeno (N2) 78.03 76.85 Oxígeno (O2) 20.99 23.15 Inertes (Ar, etc.) 0.98 Para proveer a la combustión de 1 kg de oxígeno, tendremos que suministrar 4.32 kg de aire seco de los cuales 3.32 kg corresponden al nitrógeno y gases inertes. El nitrógeno prácticamente no interviene en la reacción de combustión, pero influye en la eficiencia energética, debido a que parte del calor de la combustión lo absorbe este compuesto, y se escapa por la chimenea a la misma temperatura que el resto de los gases de combustión sin aporte energético alguno. Esto último genera menores temperaturas de flama, comparado con las temperaturas que se obtienen utilizando oxígeno puro. 1.1.4 Aire teórico o estequiométrico. Todo combustible, durante su combustión, requiere de una fuente primaria de oxigeno; empleándose aire en la mayoría de los casos. Sin embargo hay ocasiones en que se emplea oxígeno puro o mezclas aire-oxígeno. El aire teórico para la combustión es aquel que proporciona la cantidad exacta de oxígeno requerido por la combustión, de acuerdo con la reacción de combustión, expresada como una ecuación química balanceada (cada uno de los elementos químicos presentes en los reactivos, deben hallarse en la misma cantidad en los productos y variando solamente en la forma en la que se encuentran combinados entre ellos). Ejemplo: Para la combustión del metano (CH4), cada m3 requiere 2 m3 de oxígeno; pero a cada m3 de O2 del aire lo acompañan 3.76 m3 de N2, por lo que en total se introducen 7.52 m3 de N2, dando un total de 9.52 m3 de aire, de acuerdo con la reacción de combustión siguiente: CH4 2(O2 3.76 N2 ) Metano Aire 2CO 2 2(3.76 N2 ) Gases de combustión Determine la cantidad de aire teórico que se requiere para quemar 250 m3 de metano. R= 14 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 1.1.5 Aire práctico. En la práctica se requiere una cantidad de aire superior al aire teórico para asegurar una combustión completa y esto se debe a que los procesos de mezclado en los quemadores no son completamente eficientes. El aire práctico es la cantidad real de aire que se utiliza para la combustión de un combustible. 1.2 EXCESO DE AIRE. La combustión en equipos reales ocurre en tiempo y volúmenes limitados. Si se pretende que la combustión sea completa (combustión perfecta), hay que tener en cuenta que cada molécula de combustible se combina con su correspondiente de aire. Esto realmente no puede realizarse dentro de un equipo térmico. Pero si a las moléculas de combustible les expone a un excedente en aire, aumentaremos la probabilidad de que se combinen todas las moléculas de dicho combustible. También se hace evidente que este excedente de aire no formará parte de la reacción. A esta cantidad de aire por encima del teórico se denomina exceso de aire. Dependiendo del combustible y del quemador, será necesario un cierto exceso de aire para asegurar una combustión completa. Los excesos de aire requeridos típicamente son los siguientes: TABLA 1-2. EXCESO DE AIRE EN LA COMBUSTIÓN. Combustible % exceso de aire gas 10 – 20 líquido 20 – 30 El exceso de aire que sobrepase los valores mencionados ya no ayudará a tener una combustión más completa y originara un desperdicio de energía en los equipos de combustión, ya que el sobre exceso de aire absorbe la energía que está siendo liberada por el combustible y solo cede parte de esta energía en el equipo de combustión, llevándose al restante hacia la atmósfera por la chimenea. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 15 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión % DE AIRE EN EXCESO 100 - 80 % DE EXCESO DE AIRE 90 70 % DE OXÍGENO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 60 50 40 30 20 % DE AIRE EN EXCESO 0 4.5 9 14.6 22 30 39 49 59.5 70.5 85 100 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 % DE OXÍGENO FIG. 1-1. % DE EXCESO DE AIRE EN FUNCIÓN DEL % DE O2 EN LOS GASES DE COMBUSTIÓN DEL GAS NATURAL. A pesar de que el exceso de aire reduce el rendimiento del calentador, es de vital importancia para la seguridad de la operación, por lo que es indispensable aumentarlo durante los períodos transitorios debido a variaciones de la carga. En la Fig. 1-2, se ilustra la presencia de una mezcla peligrosa dentro del hogar si en algún momento se baja del 0% de exceso de aire. Ineficiente inseguro Ineficiente seguro Eficiente seguro Pérdidas de calor Pérdidas debido combustión incompleta 0% Pérdidas debido al exceso de aire 20% Exceso de aire FIG. 1-2. INCIDENCIA DEL EXCESO DE AIRE SOBRE EL RENDIMIENTO Y LA SEGURIDAD EN UN CAFD. 16 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión El exceso de aire empleado se deduce del contenido de CO2 en los humos y puede ser calculado por medio de una fórmula o gráficamente. La fórmula para calcular el % de exceso de aire es la siguiente: % Exceso de aire Aire suministrado - Aire estequiométrico Aire estequiométrico x 100 La gráfica de la Fig. 1-3 nos ayuda a determinar el % de aire en exceso en función del % de CO2 contenido en los gases de combustión del gasóleo. - 100 90 % DE AIRE EN EXCESO 80 70 % DE CO2 % DE AIRE EN EXCESO 60 8 9 10 11 12 13 14 15 16 100 77 59 43.5 33 23.6 15.2 6.8 0 50 40 30 20 10 0 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 % DE BIOXIDO DE CARBONO FIG. 1-3. % DE AIRE EN EXCESO EN FUNCIÓN DEL BIÓXIDO DE CARBONO EN LOS GASES DE COMBUSTIÓN DEL GASÓLEO. 1.2.1 Exceso de aire en función del monóxido de carbono. Debe limitarse al mínimo el exceso de aire, sin que aparezca monóxido de carbono (CO), indicando una combustión incompleta. Además del aspecto contaminante del CO, está la relación con el rendimiento de la combustión, pues el calor liberado por la reacción: 2C + O2 → 2CO, representa sólo la tercera parte del que se podría obtener si todo el carbono se hubiese convertido en CO2. Pero en la práctica no es técnicamente posible operar un quemador con 0% de CO en los gases de combustión. Por ejemplo, quemando gas natural, los niveles de CO pueden reducirse hasta alrededor de 0.004% en peso, dependiendo del exceso de aire, de la configuración del quemador y del tamaño del hogar, pero nunca llega a ser cero. Las relaciones pueden resumirse en dos: a) A menor exceso de aire, mayor producción de CO y viceversa. b) A mayor volumen de hogar (mayor distancia entre flama y tubos), menor producción de CO y viceversa. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 17 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión Los requisitos de bajo O2 (bajo exceso de aire) y bajo CO son objetivos contradictorios. Se puede tener uno o el otro, pero no ambos al mismo tiempo. 1.2.2 Exceso de aire y óxidos de nitrógeno. Con el objetivo de obtener los máximos rendimientos posibles de un calentador, se han hecho modificaciones en el diseño del hogar y quemadores, de tal manera que trabajaran con excesos de aire muy reducidos, logrando altas temperaturas de flama. Pero a estas temperaturas, el oxígeno excedente se combina con el nitrógeno proveniente del aire y/o del combustible dando lugar a la formación de monóxido de nitrógeno (NO). La oxidación del monóxido de nitrógeno (NO) a dióxido de nitrógeno (NO2), sólo representa al 10% del total de NOX producido y tiene lugar en la atmósfera debido a la influencia de la radiación solar. Ambos son considerados contaminantes ambientales. Las altas temperaturas de los gases cumplen el papel de catalizador de dicha reacción. La formación del NO tiene lugar a altas temperaturas y exceso de aire. Los métodos de reducción de NOX se basan fundamentalmente en controlar la combustión, de tal manera que estas dos condiciones no se presenten simultáneamente. Existen varios métodos para reducir los NO X, algunos involucran técnicas de quemado en etapas, nuevos diseños de conjunto hogar/quemadores, aumento en la superficie del hogar, etc. A continuación se describen dos de los métodos más utilizados: a) La formación del NOx puede reducirse por medio del pasaje de aire secundario al hogar, disminuyendo la temperatura de los gases a la salida del quemador. Esta solución, obviamente, trae consigo una disminución en el rendimiento del calentador, debido al calor que se lleva la masa de aire secundario. b) Otra forma de resolver dicho problema consiste en recircular gases de salida del calentador, mezclándolos con el aire a quemadores. Este método desde el punto de vista del rendimiento es notablemente mejor que el anterior, pero involucra mayor costo de equipamiento y control. 1.2.3 Calor disponible en función del exceso de aire. El fenómeno de la influencia del exceso de aire en la temperatura de los productos de la combustión nos introduce al concepto de energía disponible. La energía disponible se mide como el calor obtenido de la combustión perfecta de un combustible. Si mezclamos un combustible con la cantidad precisa de aire en una cámara cerrada donde recolectamos el calor obtenido y lo medimos, la cantidad de calor recolectado es la energía disponible y esta se relaciona con la temperatura de los productos de la combustión. Por ejemplo 1 pie3 de Metano quemado con la proporción perfecta de aire genera, 1,010 BTU (9.005 kcal) de energía, si los gases de combustión son enfriados hasta 60 ºF (15,6 ºC). Este mismo pie 3, genera 911 BTU (8.110 kcal) de energía, si enfriamos los gases de combustión hasta 220 ºF (105 ºC). El primer valor de energía se le conoce como poder calorífico superior, al segundo valor como poder calorífico inferior. 18 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión De lo anterior se deduce que mientras mejor aprovechemos la energía disponible de la combustión, menor será la cantidad de combustible necesario para obtenerla. De aquí que mientras más exceso de aire se introduzca (o menor la temperatura del mismo) menor será la energía que se podrá obtener. 2000 1800 TEMPERATURA (°C) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 % DE EXCESO DE AIRE FIG. 1-4. RELACIÓN ENTRE EL EXCESO DE AIRE Y LA TEMPERATURA DE LA COMBUSTIÓN. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 19 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 2 COMBUSTIBLES. Un combustible se define como una sustancia que se utiliza para producir calor. La combustión de la mayor parte de los combustibles requiere que estos se encuentren en estado gaseoso; esto no significa que todos los combustibles deban ser gaseosos pero sí que cualquier combustibles solido o liquido debe calentarse a una temperatura suficiente para vaporizarlo antes de ser quemado. Los combustibles se clasifican según su estado físico de la siguiente forma: a) Líquidos. b) Gaseosos. c) Sólidos. 2.1 Combustibles líquidos. Estos combustibles a temperatura ambiente se encuentran en estado líquidos y para poder quemarlos es necesario pasarlos a la fase gas o atomizarlos en pequeñas gotas en forma de niebla, para facilitar así el mezclado de éstos con el aire de combustión. El método más común de atomización es la utilización de un fluido atomizaste que por lo general es vapor de media presión o bien de aire comprimido. La temperatura más baja a la cual un combustible líquido produce suficientes vapores (o gas) para quemarse en forma continua se llama punto de combustión (FIRE POINT). Para mantener la combustión continua de estos combustibles líquidos deberán calentarse hasta su punto de combustión para producir el vapor requerido. Cuando en un combustible líquido se eleva su temperatura hasta un punto inferior a su temperatura de combustión de manera que solo se producen vapores que dan lugar a un flash momentáneo, se produce la ignición, pero no puede sostenerse la combustión en forma continua; a ese punto se le llama temperatura de ignición momentánea (FLASH POINT). Por lo tanto, para que un combustible líquido arda continuamente deberá ser calentada hasta su temperatura de combustión (FIRE POINT). Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 21 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión La ignición de un combustible que se calienta hasta su punto de inflamación momentánea causa un flash momentáneo. La ignición de un combustible que se calienta hasta su punto de combustión causa combustión continua. La combustión continua adiciona calor y hace que el líquido continúe vaporizando en forma rápida y suficiente. Los quemadores para este tipo de combustibles deben poseer un mecanismo para llevar a cabo internamente la atomización de dicho combustible. Además, el diseño del registro de aire de combustión y del quemador en general, debe ser tal que permita un mezclado lo más íntimo que sea posible entre el combustible atomizado y el aire de combustión. La cantidad de aire en exceso necesaria para una combustión completa para estos combustibles es superior a la que se requiere para los combustibles gaseosos. Ejemplos de este tipo de combustibles a nivel industrial son los siguientes: Gasolina Diesel. Combustóleo ligero. Combustóleo pesado. 2.2 Combustibles gaseosos. Los gases combustibles en las instalaciones de Pemex están compuestos de metano, etano, propano, butano, acido sulfhídrico, monóxido de carbono, hidrogeno y varios gases inertes e impurezas, todos ellos en proporciones variables. Los más importantes son el hidrogeno, el metano, etano, propano y el butano. Frecuentemente los dos últimos son removidos de las corrientes gaseosas para ser utilizados como gas domestico (LPG). El butano también se utiliza mezclado con la gasolina; el etano para la producción de plásticos en la industria petroquímica. Los cuatro hidrocarburos anteriores, en condiciones normales (de presión y temperatura) se encuentran en estado gaseoso. Cualquier otro hidrocarburo que tenga más de cuatro átomos de carbono por cada molecula, se encuentra, en condiciones normales en estado líquido o en estado sólido. Mientras mayor sea la proporción de carbono que tenga un combustible mayor será la cantidad de energía que libera al quemarse. Por ejemplo el etano liberará mayor cantidad de energía que el metano; el gas licuado de petróleo (LPG) compuesto de propano (C3H8) y butano (C4H10) liberará mayor cantidad de energía que el gas residual que consiste básicamente de metano (CH4). TABLA 2-1 VALORES CALORÍFICOS DE ALGUNOS GASES. 22 Gas Fórmula Valor calorífico (btu/pie3) Hidrogeno H2 325 Monóxido de carbono CO 322 Acido sulfhídrico H2S 647 Metano CH4 1013 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión Gas Fórmula Valor calorífico (btu/pie3) Etano C2H6 1792 Propano C3H8 2590 Butano C4H10 3348 Estos combustibles se emplean en estado gaseoso por su más fácil manejo, siendo los quemadores, para este tipo de combustibles, los más sencillos en su construcción y su operación. Dado que de estos combustibles se encuentran en el mismo estado de agregación que el aire, el mezclado entre ambos ingredientes para la combustión no resulta difícil y generalmente se requieren proporciones pequeñas de aire en exceso para lograr una combustión completa. Ejemplos de este tipo de combustibles son los siguientes: Gas natural. Gas de síntesis. Gas de refinería. 2.3 Combustibles sólidos. Los principales combustibles sólidos son el carbón mineral, la madera y el carbón vegetal. Para que un combustible sólido arda en forma continua debe ser calentado hasta su temperatura de encendido, a la cual se producirán los vapores o gases suficientes para mantener la combustión. La temperatura de encendido en los combustibles sólidos (kindling temperatura) es la equivalente a la temperatura de combustión en los combustibles líquidos (fire temperatura), ya que ambas temperaturas son las necesarias para producir suficientes vapores que mantengan la combustión en forma continua. Estos tipos de combustibles se encuentran en estado sólido a temperatura ambiente y pueden emplearse en este estado si son sometidos a un proceso de molienda, hasta obtener un polvo muy fino que, al ser quemado, se mantiene suspendido en el hogar durante el tiempo que sufre su combustión. Otra manera en que son empleados estos combustibles es mezclados en forma de polvo, con un combustible líquido. Los sistemas de combustión para este tipo de combustibles son los de diseño más sofisticado y de operación más complicada. Los excesos de aire requeridos para llevar a cabo una combustión completa para este tipo de combustibles son superiores a los que se requieren para combustibles líquidos y gaseosos. El combustible sólido más común es el carbón en sus diferentes formas, de acuerdo con la transformación que ha sufrido a lo largo del tiempo debido a las condiciones de presión y temperatura a las que ha sido expuesto. Algunas formas del carbón son las siguientes: Turba. Lignito. Carbón bituminoso. Antracita. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 23 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 2.4 Características de los combustibles. Los parámetros principales que caracterizan a un combustible son los siguientes: Peso Molecular Es el peso de una molécula y en los hidrocarburos aumentando a medida que la molécula tiene más átomos de carbón e hidrogeno; los de menor peso molecular son gaseosos: metano, etano, propano y butano. Los hidrocarburos líquidos se tienen con un amplio rango de pesos moleculares, desde las naftas de bajo peso molecular, hasta el combustóleo pesado. Poder Calorífico. La cantidad de calor neto generado, producto de una combustión completa para un combustible determinado se denomina poder calorífico (PC). Se determina en el laboratorio midiendo directamente el calor generado en un calorímetro, o se puede estimar matemáticamente mediante el análisis químico de la composición del combustible. Está expresado en kcal/kg para combustibles sólidos y líquidos o en kcal/m3 para combustibles gaseosos. Como se mencionó anteriormente, los productos de la combustión del hidrógeno son calor y vapor de agua. Este vapor de agua contiene un calor latente de vaporización, que se aprovechará sólo si puede ser intercambiado con el proceso antes de enviarse a la atmósfera. Para esto deberíamos enfriar los productos de la combustión prácticamente hasta la temperatura de condensación del vapor de agua a la presión atmosférica, con el fin de que este vapor se condense, devolviendo de esta forma su carga térmica al proceso. Al calor total de combustión que libera un combustible, teniendo en cuenta al calor latente de vaporización, se lo denomina poder calorífico superior (PCS). En realidad, los productos de la combustión nunca se enfrían hasta la temperatura de condensación del vapor de agua, sino por lo contrario, se procura evitar toda condensación debido a las propiedades corrosivas de la combinación del H2O, SO2 y SO3 productos de los gases de combustión, Fig. 2-1. Temp. °C Punto de roció de los gases de combustión 200 175 150 125 100 Temperatura mínima del metal para evitar la corrosión 75 50 0 1 2 3 4 % de Azufre en el combustible FIG. 2-1. TEMPERATURA MÍNIMA DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN EN FUNCIÓN DEL % DE AZUFRE. 24 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión Estos al combinarse forman ácido sulfúrico (H2SO4), que se deposita sobre las superficies de los equipos provocando la corrosión de éstos. A esta temperatura límite de condensación del vapor de agua la llamaremos temperatura de rocío. Al calor de combustión real que libera un combustible, sin tener en cuenta el calor latente de vaporización del agua, se denomina poder calorífico inferior (PCI). Por lo tanto, la diferencia entre PCS y PCI es igual al calor de condensación del vapor de agua resultante de la combustión del combustible. La relación PCI/PCS depende de la proporción de los elementos carbono e hidrogeno presentes en el gas combustible. Para los gases combustibles más usuales el valor de PCI/PCS oscila entre el valor de 0.9. Viscosidad. Es la resistencia que tienen los fluidos a desplazarse, es decir, es una medida de la fuerza que es necesaria aplicar para originar un movimiento interno en un fluido. Conforme la viscosidad aumenta, la fuerza que es necesaria aplicar es mayor y la fluidez del líquido es menor. Densidad. Es una medida del contenido de masa de una sustancia en una unidad de volumen. 2.5 Condiciones de suministro. 2.5.1 Combustibles gaseosos. Los combustibles gaseosos no requieren equipo complejo para su preparación antes de su quemado, normalmente solo se requiere de un sistema de tubería de distribución y válvulas que regulen el flujo y la presión de suministro para adecuarlos a las condiciones óptimas de operación de los quemadores especificadas por los proveedores. 2.5.2 Combustibles líquidos. Los combustibles líquidos requieren ser atomizados en el quemador y por esta razón tienen que ser sometidos a calentamiento hasta una temperatura a la cual su viscosidad sea lo suficientemente baja como para permitir una atomización eficiente en la parte del quemador diseñada para tal efecto; lo anterior aunado al hecho de que para la atomización se requiere vapor, hace que el manejo de combustibles líquidos sea considerablemente más complicado que el de combustibles gaseosos. 2.5.3 Combustibles sólidos. Los combustibles sólidos son los de manejo más complicado debido al proceso de molienda a que deben ser sometidos y a que deben transportares en sistemas de sólidos o fluidizados ya sea en aire o en suspensión, con un combustible líquido. Debido a la mayor dificultad para efectuar un mezclado íntimo entre estos combustibles y el aire de combustión, los quemadores para este tipo de combustibles son de diseño más complejo. 2.6 Medio atomizante. Los métodos de atomización de un combustible líquido para ser quemado son los siguientes: Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 25 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 2.6.1 Atomización mecánica por presión. Atomización mecánica por presión directa Atomización mecánica por presión con recirculación de fluido. Atomización con fluido auxiliar Atomización con vapor. Atomización con aire. Atomización mecánica por copa rotatoria. Atomización mecánica por presión. En este tipo de atomización, el combustible es forzado a pasar a presión a través de una boquilla de diseño especial, la cual provoca que el fluido se atomice. 2.6.2 Atomización con fluido auxiliar En este tipo de atomización se aprovecha la presión del fluido auxiliar para que al incidir sobre el combustible líquido en el atomizador, sea dividido en pequeñas gotas en suspensión con el fluido atomizaste y conducido hacia la boquilla del quemador por donde la suspensión es enviada al exterior en forma de niebla que se mezcla con el aire de combustión y pasa a la garganta del quemador donde se realiza la combustión. Los quemadores de atomización por vapor tienen la posibilidad de quemar cualquier combustible líquido a una temperatura tal que su viscosidad sea adecuada para el quemador. El vapor requerido es vapor seco de 75 a 150 psi con un consumo aproximado de 0.2 lb de vapor por Ib de combustible. 2.6.3 Atomización mecánica por copa rotatoria. Este tipo de atomización se realiza por la acción de una copa metálica de forma cónica que gira a alta velocidad y por cuya parte extrema el combustible líquido es lanzado por fuerza centrífuga hacia una corriente de aire de baja presión que fluye alrededor de la copa hacia el hogar del horno. La copa rotatoria usualmente se encuentra fija una extensión de la flecha del soplador centrífugo de baja presión y el aceite es conducido hacia la copa a baja presión a través de la flecha que es hueca. El motor, soplador, bomba y copa atomizador comúnmente se encuentran integrados en una unidad compacta. 26 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 3 LÍMITE DE INFLAMABILIDAD O EXPLOSIVIDAD. Se recuerda que para que tenga lugar la combustión se requieren la combinación de tres elementos esenciales: Combustible, oxígeno y calor suficiente. Son los elementos que permiten que el fuego se desarrolle una vez que el combustible alcanzó la temperatura adecuada Cuando un combustible está presente en concentraciones inferiores a su límite de explosividad, aun cuando exista suficiente cantidad de oxígeno y de calor, la explosión no ocurre. Cuando la concentración de un combustible gaseoso en el aire es demasiado pobre, se dice que el combustible está por debajo de límite inferior de explosividad y en estas condiciones no arderá aun cuando exista el calor suficiente para la combustión. La combustión de los combustibles gaseosos requieren una adecuada cantidad de oxígeno. Si esta cantidad no está presente, la combustión no tendrá lugar. Si el combustible tiene una alta concentración en el aire, de tal manera que requiere demasiado oxígeno para su combustión, se dice que la mezcla es más rica de lo necesario y rebasa su límite superior de explosividad. Cada combustible tiene un rango de explosividad que se extiende desde un límite inferior hasta un límite superior. A concentraciones debajo de límite inferior la mezcla es demasiado pobre para quemarse, es decir no hay suficiente combustible. A concentraciones arriba de su límite superior el combustible se encuentra demasiado concentrado, requiriendo, para quemarse mayor cantidad de oxigeno de la que existe. Límite inferior de inflamabilidad o explosividad (L.I.I. o L.I.E.) Se define como la concentración mínima de vapor o gas en mezcla con el aire, por debajo de la cual, no existe propagación de la llama al ponerse en contacto con una fuente de ignición. Se entiende que aunque un gas esté en concentración dentro de los dos límites de explosividad, si no hay punto de ignición o no se alcanzó la temperatura de auto-ignición no habrá inflamación. Los porcentajes no son rigurosamente exactos, pero si muy indicativos. Límite superior de inflamabilidad o explosividad (L.S.I. o L.S.E.) Se define como la concentración máxima de vapor o gas en aire, por encima de la cual, no tiene lugar la propagación de la llama, al entrar en contacto con una fuente de ignición. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 27 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión Por ejemplo el Límite Inferior de Explosividad (LIE) del vapor de nafta en el aire es aproximadamente 1,4% en volumen. Esto significa que en 100 volúmenes de mezcla vapor de combustible-aire hay 1,4 % de vapor de nafta y 100 - 1,4 = 98,6 % de aire. Recordemos que la reacción química tiene disponible como comburente el oxígeno que en condiciones normales es el 21% del volumen del aire. El Límite Superior de Explosividad (LSE) para el mismo combustible es de 7,6%. Quiere decir que si el vapor de combustible en relación con el volumen de aire es superior a ese porcentaje no habrá posibilidades de inflamabilidad o explosión. En los buques petroleros existe siempre el peligro de explosividad. Una de las técnicas para reducir el peligro es mantener la atmósfera de los tanques por debajo del Límite Inferior de Explosividad (L.I.E.) o por encima del Límite Superior de Explosividad (L.S.E.). A esta operatoria se la denomina inertización de gases. Esto se puede conseguir procurando en estos espacios confinados una atmósfera muy rica o muy pobre en gases explosivos, es decir, mantener la mezcla de gas y oxígeno fuera de los valores de explosividad. Si se encuentra por debajo del límite inferior de explosividad, la mezcla no es lo suficientemente densa como para provocar una explosión, mientras que si se halla por encima del límite superior es excesivamente rica y carece de oxígeno suficiente. Para reducir la concentración de oxígeno normalmente se sustituye parte del aire o todo él por nitrógeno. Otros gases o vapores empleados para la inertización son el CO2 y el vapor de agua con ciertas limitaciones. Cuando un buque tanque descarga combustible a medida que el volumen decrece es necesario que el gas que ingresa al tanque no contenga el oxígeno suficiente como para entrar dentro de los valores de explosividad. Un método económico es tomar los gases de combustión de las calderas que ya han consumido el O y contienen altos porcentajes de CO2 TABLA 3-1 LIMITES DE EXPLOSIVIDAD DE VARIOS HIDROCARBUROS. Hidrocarburos en estado gaseoso Límite inferior de explosividad Límite superior de explosividad. Hidrogeno 4.1 % 74.2 % Metano 5.3 % 14.0 % Etano 3.2 % 12.5 % Propano 2.1 % 9.4 % Butano 1.6 % 8.5 % Pentano 1.4 % 8.3 % Hexano 1.2 % 7.7 % Gasolina (motor) 1.3 % 6.0 % Puede observarse que el etano es explosivo en concentraciones entre 3.2 % y 12.5 %, esto indica que en concentraciones inferiores a 3.2 % o superiores a 12.5 %, no dará lugar a explosiones. 28 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 4 INSTRUMENTOS DE SEGURIDAD. 4.1 Utilización de explosímetros. El instrumento utilizado en las instalaciones petroleras para medir el grado de explosividad se llama explosímetro. Básicamente, el propósito del explosímetro es medir la concentración de gases de combustibles en el aire con objeto de determinar si existe o no seguridad para el personal que debe entrar al interior de un equipo a efectuar limpieza del mismo o en trabajos que requieran utilizar equipos de corte o soldadura. Con dicho aparato se analiza una muestra de aire del ambiente que se examina, pasándola a través de una cámara donde los gases combustibles contenidos en la muestra se queman al entrar en contacto con un alambre de platino caliente, dando lugar a que ocurran ciertos cambios eléctricos con el alambre, los cuales pueden leerse en un instrumento de medición. Entre más alta sea la lectura obtenida, mayor será la concentración de gases combustibles en la muestra de aire. El explosímetro da lecturas en porcentajes del límite inferior de explosividad del gas. Por ejemplo, si la concentración de metano en el aire que se muestrea fuera 5.3 % o mayor, la lectura será de 100 %. Si la concentración de metano fuera menor que su límite inferior de explosividad, por ejemplo de 2.6 % (aproximadamente la mitad del límite inferior), la lectura será del 50 %. FIG. 4-1 EXPLOSÍMETRO ELECTRÓNICO DIGITAL. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 29 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión La lectura de 100% significa que el peligro de explosión es mayor debido a que la concentración del gas es igual o mayor que el límite inferior de explosividad. Una lectura de 50% en el explosímetro significa que la concentración de gas combustible es de 50% de límite inferior de explosividad, esto es que la concentración es la mitad de la cantidad necesaria para que tenga lugar la explosión. Aun cuando la concentración de gas combustible abajo del límite inferior de explosividad no son suficientes para que se produzca la explosión, en muchos caso se sigue la práctica de considerar que el equipo en revisión presenta seguridad solamente si la lectura de explosímetro es “0” (cero), ya que esta lectura significa que la concentración de gas en el aire es demasiado débil para causar la explosión. 30 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 5 CALOR DE COMBUSTIÓN. La energía total que se libera al efectuarse la combustión de un combustible se denomina “calor total de combustión”. Este calor incluye: El calor liberado directamente por la combustión. El calor liberado por los productos de la combustión hasta enfriarse a la temperatura inicial del combustible. El calor latente liberado por la condensación del agua que se forma durante la combustión. El calor total de combustión de un combustible puede determinarse quemando una cantidad conocida del mismo en un aparato llamado “calorímetro”, el cual consiste de una cámara de combustión que se sumerge en un medio absorbedor de calor de volumen conocido, tal como el agua. Cuando el combustible se quema en la cámara de combustión todo el calor liberado será absorbido por el agua; de tal manera que es transferido a esta y puede ser calculado midiendo el incremento de temperatura del agua. El “calor neto de combustión” incluye el calor directamente liberado por la reacción y el calor liberado por el enfriamiento de todos los productos de la combustión, excepto el agua. La diferencia entre el calor total y el calor neto de combustión es el calor latente de condensación del agua, formada durante la reacción de combustión. Es usual referirse a este concepto del calor de la combustión, mediante los términos de poder calorífico superior y poder calorífico inferior definidos como: “Poder Calorífico Superior” de un combustible (PCS), es la cantidad de calor que se puede obtener quemando un determinado peso del mismo y enfriando los productos de combustión hasta la temperatura inicial del combustible; se expresa en Cal/kg o en BTU/lb de combustible. “Poder Calorífico Inferior” (PCI) es el poder calorífico superior disminuido del calor de vaporización del agua contenida o producida durante la combustión; se expresa en Cal/kg o en BTU/lb de combustible. PCI = PCS – rA r = Calor latente o calor de vaporización del agua; se expresa en Cal/kg o en BTU/lb de agua. A = agua resultante de la combustión del hidrogeno + humedad del combustible por unidad de peso del combustible; se expresa en kg o en lb de agua/kg o lb de combustible. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 31 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 6 PRINCIPIOS DE CONTROL DE COMBUSTION. La combustión nunca es 100% eficiente; pero las pérdidas de calor pueden mantenerse a un mínimo controlando las condiciones de la misma, la variable principal para llevar a cabo este control es la cantidad de exceso de aire. Existen cuatro formas en que puede perderse el calor durante la combustión de un combustible: Perdidas por combustión incompleta. Pérdidas originadas por exceso de aire, mayor que el necesario; lo cual da lugar a que se pierda demasiado calor por las chimeneas. Pérdidas por humedad. Pérdidas por radiación y otras inexplicables. La única forma que existe para determinar la eficiencia del quemado de un combustible es analizando los gases resultantes de la combustión, determinando la concentración de los diferentes productos que se forman. Si en ese análisis se encuentra oxígeno en un 2.5% a una 3.5% puede considerarse que el combustible se está quemando eficientemente y esto se debe al uso de un exceso de aire adecuado. Por lo contrario, si en los gases de combustión se detectan cantidades de oxigeno superiores a los porcentajes indicados, es señal que se está utilizando demasiado exceso de aire y la combustión es ineficiente. Una combustión incompleta puede detectarse si el análisis de gases resultan altos porcentajes de monóxido de carbono o bien bajos porcentajes de oxigeno (inferiores al 2.5%). En los gases que salen de los hogares de los calentadores, pueden realizarse análisis continuos para determinar el contenido de oxígeno y en esa forma el operador puede saber cómo se está realizando la combustión: 1. Si la concentración de oxigeno es muy alta, es indicativo de que hay que disminuir la cantidad de aire. 2. Si es demasiado baja, la combustión será incompleta y habrá que incrementar la cantidad de aire. Las pérdidas por humedad son resultado del calor absorbido por la humedad contenida tanto en el combustible como en el aire. Las perdidas inexplicables, son aquellas que no pueden ser controladas regulando la combustión. Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 33 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión 7 ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN. La combustión completa y perfecta de un hidrocarburo da lugar a dos productos: Bióxido de carbono y agua. Para ello se requiere una determinada cantidad de oxígeno. Teóricamente, la cantidad de oxigeno puede ser determinada de acuerdo con su ecuación de reacción. Por ejemplo, al quemar carbono puro el oxígeno reacciona con el carbono formando bióxido de carbono. La ecuación de reacción para la combustión completa del carbono es: C CO2 O2 Cuando se quema hidrogeno puro se forma agua. La ecuación de la reacción para la combustión completa del hidrogeno es: H2 1 O2 2 H 2O Los hidrocarburos son combinaciones de hidrogeno y carbono. Cuando un hidrocarburo se quema totalmente el carbono se combina con el oxígeno formando bióxido de carbono y el hidrogeno se combina con el oxigeno formando agua. Por ejemplo, la reacción de combustión del metano es: CH 4 2O2 CO2 2H 2 O Si el metano se hace reaccionar con una cantidad de oxigeno inferior a la necesaria para su combustión completa, en la cual se produce monóxido de carbono como a continuación se muestra: CH 4 3 O 2 2 CO 2H 2O Una ecuación de reacción expresa las proporciones relativas de las sustancias que intervienen y de los productos que se obtienen. En la ecuación de combustión completa del metano, se requieren dos moléculas de oxoigeno para reaccionar con una molécula de metano y obtener una molécula de bióxido de carbono y dos moléculas de agua. CH 4 1 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 2O2 CO2 2H 2 O + = + 2 1 2 35 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión En lugar de referirse a una molécula de metano, siendo su comportamiento similar a un gas ideal, se puede hacer referencia un pie3 o a cualquiera otra unidad de volumen y entonces se dirá que un pie3 de metano reacciona con dos pie3 de oxígeno para dar lugar a pie3 de bióxido de carbono y dos pie3 de agua. El oxígeno necesario para la combustión proviene del aire el cual lo contiene aproximadamente en 21% por volumen o en 23% en peso; esto es, 100 pie3 de aire contiene solamente 21 pie3 y 100 lb de aire contienen 23 lb de oxígeno. Así, la cantidad de aire requerida para la combustión de un pie3 de metano puede calcularse fácilmente. Si para quemar un pie3 de metano se requieren dos pie3 de oxígeno y este se encuentra contenido en el aire solamente en proporción de 21% en volumen, se requerirá de: 2 9.52 pie3 de aire 0.21 El oxígeno contenido en el aire se diluye en el nitrógeno que también contiene, solo que este último no interviene en la reacción de combustión pero bloquea parte de las moléculas de oxígeno al efectuarse esta; de tal manera que bajo condiciones normales se requiere una cierta cantidad de “Exceso de aire” para asegurar la combustión completa. Si la combustión se efectúa con una cantidad insuficiente de aire, el combustible no se quemará totalmente y dará lugar a que no se libere parte de la energía. 36 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión ANEXO TABLA 7-1 CALORES DE COMBUSTIÓN # compuesto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Nombre Methane Ethane Propane n-Butane n-Pentane n-Hexane n-Heptane n-Octane n-Nonane n-Decane n-Undecane n-Dodecane n-Tridecane n-Tetradecane n-Pentadecane n-Hexadecane n-Heptadecane n-Octadecane n-Nonadecane n-Eicosane Fórmula CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 C11H24 C12H26 C13H28 C14H30 C15H32 C16H34 C17H36 C18H38 C19H40 C20H42 Calor de combustión , -09 0.8026 1.4286 2.0431 2.6573 3.2449 3.8551 4.4647 5.0742 5.6846 6.2942 6.9036 7.5137 8.1229 8.7328 9.3424 9.9515 10.5618 11.1715 11.7812 12.3908 # compuesto Nombre Fórmula Calor de combustión , -09 2.6490 3.2395 3.8476 3.8492 4.4608 5.0688 5.0653 1.3230 1.9257 21 22 23 24 25 26 27 28 29 2-Methylpropane 2-Methylbutane 2,3-Dimethylbutane 2-Methylpentane 2,3-Dimethylpentane 2,3,3-Trimethylpentane 2,2,4-Trimethylpentane Ethylene Propylene C4H10 C5H12 C6H14 C6H14 C7H16 C8H18 C8H18 C2H4 C3H6 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 1-Butene cis-2-Butene trans-2-Butene 1-Pentene 1-Hexene 1-Heptene 1-Octene 1-Nonene 1-Decene 2-Methylpropene C4H8 C4H8 C4H8 C5H10 C6H12 C7H14 C8H16 C9H18 C10H20 C4H8 2.5408 2.5339 2.5303 3.1296 3.7394 4.3489 4.9606 5.5684 6.1781 2.5242 40 41 42 2-Methyl-1-butene 2-Methyl-2-butene 1,2-Butadiene C5H10 C5H10 C4H6 3.1159 3.1088 2.4617 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” 37 Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión # compuesto Nombre Fórmula Calor de combustión , -09 2.4090 2.9842 1.2570 1.8487 2.4189 3.0460 3.0510 43 44 45 46 47 48 49 1,3-Butadiene 2-Methyl-1,3-butadiene Acetylene Methylacetylene Dimethylacetylene 3-Methyl-1-butyne 1-Pentyne C4H6 C5H8 C2H2 C3H4 C4H6 C5H8 C5H8 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 2-Pentyne 1-Hexyne 2-Hexyne 3-Hexyne 1-Heptyne 1-Octyne Vinylacetylene Cyclopentane Methylcyclopentane Ethylcyclopentane C5H8 C6H10 C6H10 C6H10 C7H12 C8H14 C4H4 C5H10 C6H12 C7H14 3.0291 3.6610 3.6400 3.6400 4.2717 4.8815 2.3620 3.0709 3.6741 4.2839 60 61 62 Cyclohexane Methylcyclohexane 1,1Dimethylcyclohexane Ethylcyclohexane Cyclopentene C6H12 C7H14 C8H16 3.6560 4.2571 4.8639 C8H16 C5H8 4.8705 2.9393 63 64 38 # compuesto Nombre Fórmula Calor de combustión , -09 3.5340 3.5320 3.1360 3.7340 4.3330 65 66 67 68 69 1-Methylcyclopentene Cyclohexene Benzene Toluene o-Xylene C6H10 C6H10 C6H6 C7H8 C8H10 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 m-Xylene p-Xylene Ethylbenzene Propylbenzene 1,2,4-Trimethylbenzene Isopropylbenzene 1,3,5-Trimethylbenzene p-Isopropyltoluene Naphthalene Biphenyl C8H10 C8H10 C8H10 C9H12 C9H12 C9H12 C9H12 C10H14 C10H8 C12H10 4.3318 4.3330 4.3450 4.9542 4.9307 4.9510 4.9291 5.5498 4.9809 6.0317 80 81 82 83 84 85 86 Styrene m-Terphenyl Methanol Ethanol 1-Propanol 1-Butanol 2-Butanol C8H8 C18H14 CH4O C2H6O C3H8O C4H10O C4H10O 4.2190 9.0530 0.6382 1.2350 1.8438 2.4560 2.4408 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión # compuesto Nombre Fórmula Calor de combustión , -09 1.8300 2.4239 3.0605 87 88 89 2-Propanol 2-Methyl-2-propanol 1-Pentanol C3H8O C4H10O C5H12O 90 91 92 93 94 95 96 2-Methyl-1-butanol 3-Methyl-1-butanol 1-Hexanol 1-Heptanol Cyclohexanol Ethylene glycol 1,2-Propylene glycol C5H12O C5H12O C6H14O C7H16O C6H12O C2H6O2 C3H8O2 3.0620 3.0623 3.6766 4.2860 3.4639 1.0590 1.6476 97 98 99 Phenol o-Cresol m-Cresol C6H6O C7H8O C7H8O 2.9210 3.5280 3.5278 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 p-Cresol Dimethyl ether Methyl ethyl ether Methyl n-propyl ether Methyl isopropyl ether Methyl n-butyl ether Methyl isobutyl ether Methyl tert-butyl ether Diethyl ether Ethyl propyl ether C7H8O C2H6O C3H8O C4H10O C4H10O C5H12O C5H12O C5H12O C4H10O C5H12O 3.5226 1.3284 1.9314 2.5174 2.5311 3.1282 3.1220 3.1049 2.5035 3.1200 # compuesto Nombre Fórmula Calor de combustión , -09 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 Ethyl isopropyl ether Methyl phenyl ether Diphenyl ether Formaldehyde Acetaldehyde 1-Propanal 1-Butanal 1-Pentanal 1-Hexanal 1-Heptanal C5H12O C7H8O C12H10O CH2O C2H4O C3H6O C4H8O C5H10O C6H12O C7H14O 3.1030 3.6072 5.8939 0.5268 1.1045 1.6857 2.3035 2.9100 3.5200 4.1360 120 121 122 123 124 125 126 C8H16O C9H18O C10H20O C3H6O C4H8O C5H10O C5H10O 4.7400 5.3500 5.9590 1.6590 2.2680 2.8796 2.8770 127 128 129 1-Octanal 1-Nonanal 1-Decanal Acetone Methyl ethyl ketone 2-Pentanone Methyl isopropyl ketone 2-Hexanone Methyl isobutyl ketone 3-Methyl-2-pentanone C6H12O C6H12O C6H12O 3.4900 3.4900 3.4900 130 131 3-Pentanone Ethyl isopropyl ketone C5H10O C6H12O 2.8804 3.4860 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” 39 Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión # compuesto Nombre Fórmula Calor de combustión , -09 4.0950 3.2990 3.9730 0.2115 0.8146 1.3950 2.0077 2.0004 132 133 134 135 136 137 138 139 Diisopropyl ketone Cyclohexanone Methyl phenyl ketone Formic acid Acetic acid Propionic acid n-Butyric acid Isobutyric acid C7H14O C6H10O C8H8O CH2O2 C2H4O2 C3H6O2 C4H8O2 C4H8O2 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 Benzoic acid Acetic anhydride Methyl formate Methyl acetate Methyl propionate Methyl n-butyrate Ethyl formate Ethyl acetate Ethyl propionate Ethyl n-butyrate C7H6O2 C4H6O3 C2H4O2 C3H6O2 C4H8O2 C5H10O2 C3H6O2 C4H8O2 C5H10O2 C6H12O2 3.0951 1.6750 0.8924 1.4610 2.0780 2.6860 1.5070 2.0610 2.6740 3.2840 150 151 152 153 n-Propyl formate n-Propyl acetate n-Butyl acetate Methyl benzoate C4H8O2 C5H10O2 C6H12O2 C8H8O2 2.0410 2.6720 3.2800 3.7720 40 # compuesto Calor de combustión , -09 4.4100 1.9500 0.9751 1.6146 2.2449 1.5874 Nombre Fórmula 154 155 156 157 158 159 Ethyl benzoate Vinyl acetate Methylamine Dimethylamine Trimethylamine Ethylamine C9H10O2 C4H6O2 CH5N C2H7N C3H9N C2H7N 160 161 162 Diethylamine Triethylamine n-Propylamine C4H11N C6H15N C3H9N 2.8003 4.0405 2.1650 163 164 165 166 167 168 169 di-n-Propylamine Isopropylamine Diisopropylamine Aniline N-Methylaniline N,N-Dimethylaniline Ethylene oxide C6H15N C3H9N C6H15N C6H7N C7H9N C8H11N C2H4O 4.0189 2.1566 3.9900 3.2390 3.9000 4.5250 1.2180 170 171 172 173 174 175 Furan Thiophene Pyridine Formamide N,N-Dimethylformamide Acetamide C4H4O C4H4S C5H5N CH3NO C3H7NO C2H5NO 1.9959 2.4352 2.6721 0.5021 1.7887 1.0741 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión # compuesto Nombre Fórmula Calor de combustión , -09 1.7100 1.1904 1.8007 2.4148 176 177 178 179 N-Methylacetamide Acetonitrile Propionitrile n-Butyronitrile C3H7NO C2H3N C3H5N C4H7N 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 Benzonitrile Methyl mercaptan Ethyl mercaptan n-Propyl mercaptan n-Butyl mercaptan Isobutyl mercaptan sec-Butyl mercaptan Dimethyl sulfide Methyl ethyl sulfide Diethyl sulfide C7H5N CH4S C2H6S C3H8S C4H10S C4H10S C4H10S C2H6S C3H8S C4H10S 3.5224 1.1517 1.7366 2.3458 2.9554 2.9490 2.9490 1.7449 2.3531 2.9607 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 Fluoromethane Chloromethane Trichloromethane Tetrachloromethane Bromomethane Fluoroethane Chloroethane Bromoethane 1-Chloropropane 2-Chloropropane CH3F CH3Cl CHCl3 CCl4 CH3Br C2H5F C2H5Cl C2H5Br C3H7Cl C3H7Cl 0.5219 0.6754 0.3800 0.2653 0.7054 1.1270 1.2849 1.2850 1.8670 1.8630 # compuesto Nombre Fórmula C3H6Cl2 C3H6Cl2 C2H3Cl C6H5F C6H5Cl C6H5Br Calor de combustión , -09 200 201 202 203 204 205 206 207 1,1-Dichloropropane 1,2-Dichloropropane Vinyl chloride Fluorobenzene Chlorobenzene Bromobenzene Air Hydrogen 208 209 Helium-4 Neon H2 He Ne 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 Argon Fluorine Chlorine Bromine Oxygen Nitrogen Ammonia Hydrazine Nitrous oxide Nitric oxide Ar F2 Cl2 Br2 O2 N2 NH3 N2H4 N2O NO 0 0 0 0 0 0 0.3168 5.3420 0.0820 0.0902 220 221 Cyanogen Carbon monoxide C2N2 CO 1.0961 0.2830 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” 1.7200 1.7070 1.1780 2.8145 2.9760 3.0192 0 0.2418 0 0 41 Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión # compuesto Nombre Fórmula 222 223 224 225 226 227 Carbon dioxide Carbon disulfide Hydrogen fluoride Hydrogen chloride Hydrogen bromide Hydrogen cyanide CO2 CS2 HF HCl HBr HCN 228 229 230 231 Hydrogen sulfide Sulfur dioxide Sulfur trioxide Water H2S SO2 SO3 H2O 42 Calor de combustión , -09 0 1.0769 0.1524 0.0286 0.0690 0.6233 0.5180 0 0.0989 0 Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente” Pemex Gas y Petroquímica Básica Combustibles y Combustión BIBLIOGRAFÍA. Congreso de los Estados Unidos Mexicanos, “ley federal sobre metrología y normalización”, reforma publicada en el DOF el 19-05-1999. Secretaría de comercio y fomento industrial, “NOM-008-SCFI-1993 Sistema general de unidades de medida”, México, D. F. 1993. Reglamento de la ley federal sobre metrología y normalización, publicado en el DOF el 14 de enero de 1999. Instituto Mexicano del Petróleo, Manual de proceso Instituto Mexicano del Petróleo ® Derechos Reservados 2011 © 43 “En PGPB la más alta prioridad es la seguridad de nuestros trabajadores, nuestros clientes, nuestros vecinos y el medio ambiente”
