Calderos, combustion, gas natural

GAS NATURAL USO GAS NATURAL USO INDUSTRIALINDUSTRIAL

Diseño, Instalaciones, Diseño, Instalaciones, Conversión, operación, Conversión, operación,

MantenimientoMantenimientoCOMBUSTION-QUEMADORESCOMBUSTION-QUEMADORES

• Principios de combustión.• Equipos de combustión.• Parámetros para el diseño de un sistema de

medición. Control de combustión • Adaptación de equipos de combustión al uso de

gas natural.• Beneficios económicos del uso del gas natural.

CONTENIDO

PRINCIPIOS DE COMBUSTION

• Definición de Combustión• Tipos de Combustibles• Química de la Combustión• Termodinámica de la Combustión• Tipos de Combustión • Condiciones para la Combustión• Mecanismos del Proceso de Combustión• Cálculo teórico del proceso de Combustión• Eficiencia del proceso de Combustión• Control de la reacción de Combustión

PRINCIPIOS DE COMBUSTION

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONDEFINICION DE COMBUSTION

COMBUSTION: Reacción que se realiza rápidamente con la conversión de energía química a energía sensible. A una mayor área de contacto se obtiene una mayor velocidad de reacción.Reacción de oxidación y exotérmica con desprendimiento de llama

Combinación Química – Violenta – Desprendimiento de calor

El avance de la combustión ocurre por reacciones rápidas en cadena, que se sucede en etapas, las cuales dependen del tipo de combustible que se utilice, ya sea gas, líquido o sólido.


Es necesario que la temperatura en algún punto de la mezcla de oxígeno y combustible, adquiera un determinado valor.Reacción imperfecta oxidación en grado inferior o no oxidación.Combustibles formados por carbono e hidrógenoLa propagación de calor debe cesar para un valor finito de la velocidad de inflamación.(LII-LSI)La forma de producirse la combustión varía según el estado del combustible.El proceso de combustión es controlado por la concentración, temperatura y la mezcla de los reactivos.Cada combustible exige un diseño apropiado.


INGENIERIA DE LA COMBUSTION: Se refiere a la optimización de la reacción en cuanto a velocidad, eficiencia y control de emisiones atmosféricas mediante el uso adecuado de combustibles y equipos.

Para mejorar los diseños de un proceso de combustión es necesario entender la combustión desde el punto de vista científico y de ingeniería, para ello se debe utilizar la química, matemáticas, termodinámica, transferencia de calor y mecánica de fluidos. De igual manera debe aplicar en forma conjunta la ciencia, la experimentación y la experiencia para mejorar los procesos de combustión.


OBJETIVOS DE LA COMBUSTION:

- Generar calor a un proceso determinado, fundición.

- Incrementar la temperatura para facilitar la ocurrencia de un proceso, generación de vapor. - Crear una atmósfera con los productos de combustión, secado.

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONTIPOS DE COMBUSTIBLES

Combustible es aquel compuesto que almacena energía química en su estructura molecular, y en contacto con aire dicha energía es liberada a través de complejas reacciones químicas y expresadas por una llama.

Especificaciones básicas de los combustibles:

Alta densidad de energía: Contenido de calor. Alto calor de combustión: Potencial calor a liberar. Estabilidad térmica: Almacenamiento. Presión de vapor : Volatilidad. Contaminación atmosférica : Efecto impacto ambiental.

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONTIPO DE COMBUSTIBLES

Selección de combustibles: • Costo • Disponibilidad• Transporte • Reglamentación Ambiental

Tipos de combustibles• Sólidos• Líquidos • Gaseosos

Por Fase Por Aplicación

Producción Natural Producción Sintética Transferencia de Calor

Generación de Energía

SÓLIDOS Hornos de ProcesoUnidades de secadoGeneración de vapor

Combustión interna GeneradoresCogeneraciónTurbinas

Carbón Coque

Madera Carbón Vegetal

Vegetación Desechos orgánicos

Desechos inorgánicos

LÍQUIDOS

Crudo Destilado petróleo

Aceites biológicos Alcoholes

Combustibles vegetales

Combustibles coloidales

GASEOSOS

Gas Natural Hidrogeno

Biogás Metano

Gas metano Propano

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONCOMBUSTIBLES MAS USADOS

COMBUSTIBLES SÓLIDOS

La buena combustión depende de la facilidad de acceso del aire a las partículas del combustible

CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES SÓLIDOS Carbón mineral Carbón vegetal: Madera Biomasa: Bagazo Desechos sólidos: cauchos, polietileno, etc

FORMAS DE USO Pulverizado: Fluidizado y Banda Transportadora Emulsión Estado Natural



El proceso de combustión de un combustible sólido posee las siguientes fases: Secado del combustible: Humedad contenida en el combustible Destilación: Separación de los componentes volátiles contenidos en el combustible. Quema de los componentes menos volátiles debido al calor generado por la combustión de los volátiles. Residuo de cenizas en el proceso de combustión

El uso de combustibles sólidos requiere una mayor inversión para el almacenamiento, preparación, manejo y transporte del combustible, pero a su vez su costo es mucho más bajo que los combustibles líquidos y gaseosos.



CARACTERÍSTICAS Alto contenido de oxígeno, nitrógeno y azufre Poder calorífico Contenido material vólatil Contenido de cenizas Humedad Granulomatría Temperatura de fusión de las cenizas



EVALUACION COMO COMBUSTIBLES Mayor inversión para el almacenamiento, manejo, preparación y transporte Alta contaminación atmosférica Menor eficiencia Costos bajos respecto a combustibles líquidos y gaseosos

COMPOSICION DE COMBUSTIBLES SÓLIDOSCONSIDERACIONES DE SELECCION Disposición y tipo de cenizas Efectos de corrosión / abrasivos Mezcla con otros combustibles


COMBUSTIBLES LIQUIDOS

CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOS

Son mezclas de hidrocarburos derivados del petróleo por medio de procesos de refinación. En el petróleo se pueden distinguir diferentes compuestos, además de hidrocarburo, el petróleo contiene pequeñas cantidades de oxígeno, nitrógeno, azufre, vanadio, níquel, hierro, trazas de otros metales e impurezas tales como agua y sedimentos.



ESTRUCTURA MOLECULAR DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOSCrudo y Destilados

• Parafínicos Naftenicos• Aromáticos Olefinas

Residuales

COMPOSICION DE COMBUSTIBLES LIQUIDOS• Análisis Químico C, H, S, N, O • Contenido de C: 83 – 88%• Contenido de H: 7 – 12%



Origen del petróleo Naturales: Crudo Refinados: Nafta, Keroseno; Gas oil, Diesel, JetA Residuales: Fuel oil

Origen de combustibles sólidos A partir del carbón.

Subproductos industriales Licor negro


COMBUSTIBLES LÍQUIDOS

CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOSComposición química parecida, propiedad física diferente Gravedad especifica Viscosidad Poder calorífico Curva de destilación Punto de inflamación Contenido de carbón conradson Contenido de cenizas Contenido de sedimento y agua Contenido de azufre



CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOSGRAVEDAD ESPECIFICA: Relación de densidad con respecto al agua

ó

Variación con la temperatura: Un líquido se expande cuando se incrementa la temperatura y se contrae cuando se disminuye

5.131

5.141

APIO

32 2.62

ft

lbOH

gal

lb34.8

5.1315.141

APIO



CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS VISCOSIDADLa medida de la resistencia a fluir. Para un combustible líquido es la facilidad para ser bombeado y atomizado.Los combustibles líquidos se manejan a diferentes niveles de viscosidadComportamiento de la viscosidad con la temperaturaA mayor temperatura menor viscosidad (GPSA FIG 23.21)

PODER CALORIFICOEnergía liberada como calor en la combustiónRelación poder calorífico y gravedad específica



CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS DESTILACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Combustibles destilados: baja viscosidad, humedad y contenido de metalesCombustibles residuales: alto contenido de contaminantesLa destilación ayuda a determinar el comportamiento de los combustibles líquidos.

PUNTO DE CHISPATemperatura a la cual los vapores del combustible liquido produce combustión rápida en presencia de una llama.Propiedad que determina la seguridad en el manejo de los combustibles líquidos



CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS

RESIDUOS DE CARBÓNTendencia a formar hollín en el proceso de combustiónSe mide como carbón conradson y determina el potencial del combustible líquido a formar humos.

CONTENIDO DE CENIZAS Y METALESMaterial no inflamable presente en el combustible.Causan problemas en los equipos y en la eficiencia de la transferencia de calor




AGUA Y SEDIMENTOSArrastre de humedad y lodos en los procesos de destilación.Causan discontinuidad de la llama y obstrucción en los quemadores.Daños en los equipos de control.

CONTENIDO DE AZUFRE Y NITROGENOComponentes orgánicos que liberan óxidos de azufre y nitrógeno en la combustión.Causan corrosión y lluvia ácida.




PUNTO DE FLUIDEZTemperatura mas baja a la cual el combustible líquido fluye.Propiedad que determina inversiones para su manejo.

TEMPERATURA DE AUTO – IGNICIONLa temperatura mas baja para que ocurra combustión auto-sostenida en ausencia de llama o chispaEs una indicación de la facilidad de un combustible a combustirTemperatura auto-ignición de gasolina: 370 oC


COMBUSTIBLES GASEOSOS

Un combustible gaseoso es más fácil de manejar y su combustión es limpia y sin problemas de operación.

El gas es un combustible de fácil quemado, ya que para su combustión sólo requiere ser mezclado con determinada cantidad de aire a condiciones óptimas de temperatura.

CLASIFICACIÓN DE LOS GASES COMBUSTIBLES PRIMERA FAMILIA: Gases manufacturados SEGUNDA FAMILIA: Gas Natural TERCERA FAMILIA: GLP, Propano, Butano



COMPOSICION TÍPICA DEL GAS NATURAL

METANO: 70 – 96% ETANO: 1 – 14% PROPANO: 0 – 4% C+

4: 0 – 2%



Propiedad. UnidadesEspecificaciones de calidad.

Mínimo. Máximo.

Poder calorífico bruto. Kcal/sm3 8450 10300

Sulfuro Hidrógeno. (H2S) mg/sm3 3

Azufre Total. (S) mg/sm3 15

Vapor de agua mg/sm3 65 – 4 lb/MMPC

Dióxido carbono. (CO2). % Vol. 3.5

Gases Inertes (*). % Vol. 6

Temperatura. °C. 50

Material Sólido. Libre de polvos, gomas y de cualquier sólido que pueda ocasionar problemas en la tubería.

Líquidos. Libre de agua en estado líquido.


APLICACIONES DEL GAS NATURAL COMO COMBUSTIBLE

Utilización térmica clásica: gasodomésticos, calderas, hornos, turbogás. Utilización térmica especial: tratamientos térmicos (oxi-red). Utilización térmica particular: características químicas y termodinámicas tanto del gas como productos de combustión.



CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOS

Gravedad Específica: Relación de densidad con respecto al aire.

ó @ c.s

Composición del gas Poder calorífico: energía liberada en el proceso de combustión. Temperatura de Ignición: Temperatura mas baja a la que sucede la combustión auto-sometida. Limites de Inflamabilidad: Rango de concentración aire-combustible en el que sucede la combustión.

30763.0

ft

lbaire

3

225.1m

Kg


REACCION DE COMBUSTION

Combustible: Material que libera energía, cuyo principales componentes son C y H.

Oxidante: El aire cuya composición es 79% N2 y 21% O2.

Productos de combustión: Compuestos resultado de la reacción de combustión.

La ecuación de reacción presenta el resultado inicial y final, no indica el camino real de la reacción que involucra varias etapas.

OHCOOCH 2224 22

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONQUIMICA DE LA COMBUSTION

REACCION DE COMBUSTION

La ley de conservación de la masa

La ecuación de una reacción química es una expresión cualitativa y cuantitativa.

En la oxidación completa se produce el máximo rendimiento energético y los productos finales no son susceptibles de nueva combustión.


ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTION

ESTEQUIOMETRIA: Es el estudio de la cantidad de materia proporcional en la combinación para que ocurra una reacción.

La estequiometría es el punto de partida para el diseño de un equipo de combustión. Permite:

Cantidad de aire requerida para quemar una determinada cantidad de combustible. Cantidad y composición de los gases producto de la combustión. Determinar coeficientes de transferencia de calor



BALANCE ESTEQUIOMETRICO

Vi: Coeficiente estequiométrico, signo positivo para productos, signo negativo para reactivos.Ci: Compuestos que entran a la reacción.

k

iiCv

11 0



Los productos de la combustión se presentan en forma gaseosa, cuando existe baja temperatura es posible la condensación de agua.

Para los productos de combustión se aplica con bastante aproximación la ley de los gases ideales.

Si V1=1 Se aplica la ley de conservación de las especies químicas así:

Para C: 2 = V3

Para H: 6 = 2 V4 V4=3Para O: 2V2 = 2V3 + V4 Reemplazando V3 y V4 tenemos:

OHVCOVOVHCV 242322621


27

2 V

OHCOOHC 22262 3227

ESTEQUIMETRIA DE LA COMBUSTION

Determinación de Oxígeno y aire teóricoCantidad mínima para oxidar todo el combustible.

Cantidad de oxígeno: (n + m/4) / vol CnHm VO2= 0.21Va o Va=4.76VO2

Cantidad de aire: (4,76)(n + m /4) / vol CnHm

OHm

nCOOm

nHC mn 222 24


ESTEQUIMETRIA DE LA COMBUSTION

Para una mezcla de gas como combustible se tiene:

Donde:XO2: Fracción volumétrica de O2 en el combustibleVam: Volumen de aire teórico por volumen de gasXi: Fracción de componente i en la mezcla de gas.Vai: Volumen de aire teórico del componente i, por volumen del gas i

21

76.4 XoVXVn

naiiam



Ejemplo de cálculo teórico de aire para la combustión .

Determinar el volumen de aire teórico para quemar un metro cúbico del siguiente gas natural: CH4:85% C2H6:13% C3H8:2%

Contenido de oxígeno en el gas es cero, luego Xo2= 0

3

12

76.4)(i

Oaiiam XVXV



Ejemplo de cálculo teórico de aire para la combustión .

2)4

41(

4CHVo

2

7)

4

62(

62HCVo 5)

4

83(

83HCVo

52.976.4*24

CHVa 66.1676.4*2

762

HCVa 8.2376.4*583

HCVa

)8.23)(02.0()66.16)(13.0()52.9)(85.0( amV

gasmairemVam33 /73.10



EXCESO DE AIRE: Para obtener la combustión completa se requiere utilizar una cantidad adicional de aire a la teórica

En los productos de la combustión debe estar presente el aire no requerido en la reacción de combustión Los equipos de combustión se diseñan para trabajar con exceso de aire a fin de garantizar una combustión completa



EXCESO DE AIRE: La eficiencia del equipo esta relacionada directamente con los requerimientos de exceso de aire: mayor eficiencia menor exceso de aire.

El exceso de aire se relaciona con: Temperatura deseada de los gases Variaciones de la carga térmica del equipo Limitaciones de tipo metalúrgico



EXCESO DE AIRECálculo de exceso de aire a partir de medir el suministro de aire:

%aire exceso= [ ( aire utilizado - aire teórico ) / aire teórico] 100

Cálculo de exceso de aire a partir de la composición de los gases de combustión :

%aire exceso=donde: X: Es la fracción molar o volumétrico de los diferentes compuestos presentes en los gases de combustión.

100*)266.0

(23

2

ON

OX XX

XA

97.27% reexcesodeai



EXCESO DE AIRE

Cálculo de exceso de aire cuando en los gases de combustión esta presente combustible no quemado, hidrógeno y monóxido de carbón

)(5.0266.0

)(5.0

222

22

HCOON

HCOAX



EXCESO DE AIRE

Cálculo de exceso de aire si solo se conoce el contenido de dióxido de carbono en los gases de combustión

(CO2)t: Producción teórica de CO2 para el combustible dado(CO2) : Producción real de CO2 en los gases de combustión

t

tX COCO

COCOA

)(100

)(7900

22

22



Ejemplo: Los gases de combustión en base seca de una caldera , presentan la siguiente composición: 5% O2 y 9% CO2. Determinar el exceso de aire.

1222 ONCO XXX

100*05.0)76.3/86.0(/05.0% airedeexceso

86.02NX05.0

2OX 09.0

2COX


% exceso de aire = 27.97%


PRODUCTOS DE COMBUSTIONVolumen de productos de combustión, generados por la combustión completa de un volumen de gas a condiciones teóricas.

PRODUCTOS DE COMBUSTION HUMEDOSe tiene en cuenta el agua producto de la reacción de combustión.

V’fo= (n+m/2)CnHm+0.79Va

Donde: V’fo :Volumen de gases de combustión incluyendo el agua Va :Volumen teórico de aire



PRODUCTOS DE COMBUSTION SECONo se tiene en cuenta el agua producto de la reacción de combustión

Vfo = nCnHm + 0.79Va

Donde Vfo: Volumen de gas de combustión sin incluir el agua



PRODUCTOS DE COMBUSTION

Cálculo de volumen de gases de combustión para una mezcla de gases como combustible.

Donde:V’fo , Vfo : Poderes fumigeno húmedo y seco. : Fracción de N2 en la mezcla de gas combustible. : Fracción de CO2 en la mezcla de gas combustible.Vfo’m , Vfoi: Poderes fumigenos húmedos y secos para cada

componente i.

22

)'(' ' CONfoiimfo XXVXV

22

)(' CONfoiimfo XXVXV

2NX

2COX




Cálculo de volumen de gases de combustión incluyendo el exceso de aire.

).()'('22' amreexcesodeaiCONfoiimfo VXXXVXV

).()('22' amreexcesodeaiCONfoiimfo VXXXVXV



Ejercicio: Calcular el volumen de gases de combustión con base húmeda y seca

Para un gas cuya composición es: CH4 =85% C2H6=13% C3H8=2%

CH4 : V’fo = (1+4/2) + 0.79(4.76)(1+4/4) Va =(4.76)(n+m/4) V’fo =10.52

Vfo= (1)+0.79(4.76)(1+ 4/4) = 8.52

C2H6 : V’fo= (2+6/2) + 0.79(2+6/4)(0.76) = 18.16o = 15.16

C3H8: V’fo = (3+8/2) + 0.79(4.76)(3+8/4) = 25.8 = 21.8




= 0.85(10.52) + 0.13(16.16) + 0.02(21.8) + 0 + 0 = 11.82 m3 de gases de combustión/m3 de gas combustible

= 0.85(8.52) + 0.13(15.16) + 0.02(21.8) + 0 + 0 = 9.465 m3 de gases de combustión/m3 de gas combustible

22

)'(' CONfoiifom XXVXV

22

)( CONfoiifom XXVXV




Determine en volumen de gases de combustión con un 10% exceso de aire.

Exceso de aire = %exceso * Vam

= (0.1)(10.73) = 1.073

V’fo = 11.82 +1.073 = 12.893Vfo = 9.465 + 1.073= 10.538



HUMEDAD EN EL AIRE DE COMBUSTION

La cantidad de vapor de agua en el aire se puede calcular midiendo directamente la masa de vapor de agua presente en una masa unitaria de aire seco, lo que se denomina humedad absoluta o especifica (w):

a

vmw

a

o

a

v

P

Pmw 622.0




La saturación de aire con vapor de agua se logra cuando se inicia la condensación de la humedad, es decir se presenta una separación física del aire y el agua líquida.

La humedad relativa, , es la cantidad de vapor de agua contenida en el aire en relación con la cantidad máxima de humedad permitida a las condiciones de presión y temperatura.




Pg : Presión de saturación @ T

Donde: mv : masa de vapor

mg : máximo contenido de vapor en el aire a condición de saturación

Relacionando humedad absoluta con humedad relativa tenemos:

w : masa de agua / masa de aire seco

g

v

g

v

g

v

P

P

RTVP

RTVP

m

m

/

/

g

g

PP

Pw

622.0




Ejemplo: En 100 m3 de aire a 1 atmósfera de presión y 50ºC y una humedad relativa de 80%; determine la masa de vapor de agua existente y su volumen

Pg (1 atm y 50ºC) = 12.349 Kpa

Pv = Pg = 12.349 Kpa * 0.8 = 9.88 Kpa

PT = Pa + Pv

Pa = 101.92 – 9.88 = 91.44 Kpa R = 8.31434

a

v

aire

vapor

P

P

m

mw 622.0




maire = 0.9874 Kgr mvapor = 0.066 Kgr

0672.044.91

88.9*622.0 w

aaa

a MTR

VPm

)323)(31434.8(

)29)(1)(44.91( mma


PV = nRT


ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTION La presencia de CO y H2 en los gases de combustión causan ineficiencia en el equipo por menor energía y pérdida de combustible.Alto exceso de aire genera alto volumen de gases de combustión lo que provoca pérdidas de calor con los humos.

Control del suministro de aire al proceso de combustión

Determinación de la composición de los gases de combustión

Análisis Orsat y Analizadores de oxígeno tipo óxido de Circonio


ESTEQUIOETRIA DE LA COMBUSTION

ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN

ANALIZADOR ORSAT Principio de Operación

Ley de volúmenes parciales Absorción de cada componente de la mezcla a T y P constantes Resultados en base seca

ANALISIS DE LOS RESULTADOS DEL ORSAT Combustión completa o incompleta Exceso de aire en la reacción Emisiones de combustible no quemado Cantidad de agua en los gases de combustión



ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN

DETERMINACION DE LA RELACION CARBONO-HIDROGENO EN EL COMBUSTIBLE

EJERCICIO CON DATOS DE ANALIZADOR DE ORSAT

Un hidrocarburo reacciona con aire a 1 atmósfera de presión, 15 ºC y 60% de humedad relativa. El análisis en volumen Orsat de los humos es el siguiente: CO2: 10% ;O2: 2.37% y N2: 87.1%. Determinar la relación C / H en peso del combustible


ESTEQUEOMETRIA DE LA COMBUSTION

Cálculo de la cantidad de agua en los gases de combustiónCantidad de N2: 87.1 molesCantidad de O2: 87.1/3.76 =23.1 moles O2 totalO2 para formar agua= O2 total - O2 Gases de CombustiónO2 (H2O)= 23.1 - 12.635= 10.465 moles O2 para formar H2OH2 en el combustible: 2 * moles de O2 (H2O)H2 en el combustible: 2 * 10.465= 20.93 moles de H2

Cantidad de agua formada: 20.93 moles H2O por 100 moles de humos secos

Cálculo de Relación C / HMoles de C: 10.53 molesMoles de H2: 20.93 moles Relación C / H =

018.32*93.20

12*53.10



Análisis de los productos de combustión

DETERMINACION DE COMBUSTIBLE NO QUEMADO

EJERCICIO 2, CON DATOS DEL ANALIZADOR ORSAT.

Un combustible líquido posee C: 86% y H:14% en peso, y se quema con aire. El análisis de los gases de combustión es el siguiente:

CO2: 0.2% CO:3% O2: 3.5% N2: 83.3%

Encontrar la fracción de C no quemado.


Sustancia Moles Moles C Moles O2 Moles N2

CO2 10.2 10.2 10.2 0

CO 3.0 3.0 1.5 0

O2 3.5 0 3.5 0

N2 83.3 0 0 83.3

Totales 100 13.2 15.2 83.3


Desarrollo:Balance de la reacciónmC + nH + q(O2+3.76) 10.2CO2 + 3CO + 3.5O2 + 83.3N2 + pH2O



Cantidad de aire: q= 83.3/3.76 = 22.1 moles de aireCantidad de C: m= 13.2 molesCantidad de O2 total: 22.1 moles =q

O2 para formar agua: 22.1-15.2 = 6.9

Moles de H2O: 2*6.9 = 13.8 moles de agua = pMoles de H: 2*13.8 = 27.6 moles H = n

13.2C + 27.6H + 22.1(O2 + 3.76N2) 10.2CO2 + 3CO + 3.5O2 + 83.3N2 + 13.8H2O



Consumo de combustible: 13.2(12) + 27.6(1)=186 gramos

Composición del combustible: H:14% C:86%Moles de H: 27.6 Peso de H: 27.6*1 = 27.6

Relación másica combustible: 27.6/(x+186) = 0.14 x=11.1 gramos de hollín no quemado

Masa total de combustible: 186+11.1=197.1 gramos



• Volumen de Dióxido de carbono

– Volumen de CO2 resultante de la combustión completa VCO2

• Volumen de vapor de agua total

– Volumen de H2O resultante de la combustión completa

222xCOVxV

iCOiCO

o

COCO Vf

V2

2%

iOHiOH VxV

22

o

OHOH Vf

V

'% 2

2




Analizadores de oxígeno tipo óxido de Circonio

Nueva tecnología en medición de oxígeno para facilitar el control de la combustión Creación de voltaje como resultado de dos concentraciones de oxigeno diferentes, uno considerado de referencia. Relación entre el voltaje creado y las presiones parciales. Alta sensibilidad a bajas concentraciones de oxigeno Gran estabilidad y exactitud. Respuesta rápida lo que facilita un sistema de control automático. Aplicación diversa



RELACION AIRE COMBUSTIBLE Variable que define la eficiencia del proceso de combustión. C3H8 + 5O2 3C02 + 4H2O + Energía CalóricaMolar 1 mol + 5 moles 3 moles + 4 molesPeso 44 + 160 132 + 72

Relación Aire / Combustible: AF= Peso de Aire / Peso de Combustible Moles de aire: Moles de O2 * 4.76

AF= N moles aire * PM aire/ N moles Combustible * PM CombustiblePM aire= 29

PM combustible = para una mezcla de gases

n

iiiPMX

1



RELACIÓN AIRE COMBUSTIBLE

A° = maireteorico / mcombustible

1 mol de O2 4.76 moles de aire

CxHyOz + [O2+3.76N2] xCO2 + 1/2yH2O + 3.76 N2

)16()1()12(

3.1383.138)29)(76.4(

zyxMM combcomb

22

2 zy

x



Calculo para CH3OH (METANOL)

A0 =1.44 (8C+24H+3S-3O) donde: C,H,S,O son las fracciones másicas de carbono, hidrogeno, azufre y oxígeno, en el combustible

48.6)16(1)1(4)12(1

)2

3(3.138

2

3

2

12

4)1)(2(


RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE

Ejercicio: Determinar la relación aire combustible requerida para la combustión de 1 Kg de tolueno. ¿cuáles son los análisis molar y másico de los gases de combustión?

C6H5CH3 + 9[ O2 + 3.76N2] 7CO2 + 4H2O + 33.8N2

fM

3.138 9

2

414

2

02

8)7)(2(

comb

aire

lbs

lbs97.11

0)1(8)12(7

)9(3.138


Producto Moles Xi%

(molar)

Gramos Y1% (peso)

CO2 7 15.6 308 23.2

H2O 4 8.9 72 4.3

N2 33.8 75.5 946.4 72.5

Totales 44.8 100 1326.4 100


ANALISIS MOLAR Y MASICO




EXCESO DE AIRE

A° : Relación aire-combustible teóricaA : relación aire-combustible real

A= A°Donde: es el porcentaje de exceso o defecto de aire. > 1 : exceso < 1 : defecto



Ejercicio: Un carbón utilizado como combustible tiene la siguiente composición en peso: C: 80.7% ;H:4.9%;S:1.8% O:5.3% ; N:1.1% ; cenizas:10.97%. Cúal es la relación aire combustible real si se utiliza 20% de exceso

Desarrollo: Base de cálculo: 100 gr de carbón



Cálculo de aire teórico:

6.725 C + 6.725 O2 6.725 CO22.45 H2 + 1.225 O2 2.45 H2O0.0562 S + 0.0562 O2 0.0562 SO20.0393 N + 0.0393 O2 0.0393 NO2

O2 total = 8.0455O2 teórico = 8.0455 – 0.1656 = 7.8799 moles

A= A° A°= (138.3*7.8799)/100 = 10.89 A= 10.89*1.2 = 13.07=A

FENÓMENOS TERMODINÁMICOS EN LA COMBUSTIÓN

Comportamiento Físico-Químico:- Relación aire-combustible- Contenido Calórico- Composición de los gases de combustión

Comportamiento Cinético:- Proceso de mezcla- Geometría de la llama- Propagación y estabilidad.

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONTERMODINAMICA DE LA COMBUSTION

FUNDAMENTOS TERMODINAMICOS

Todo cuerpo posee energía manifestada en su estado, en su temperatura, en su estructura molecular y en su estructura atómica.Durante los procesos de combustión se presentan cambios en el contenido energético: estructura química por efecto de una reacción como resultado del rompimiento de enlaces La termodinámica trata los cambios de energía de un sistema durante un proceso y no en la energía de los estados particulares razón por la cual se establece el estado de referencia estándar.

H2O

Liq.

H2O Liq.

H2O Liq.

C.S 300C 800C

Energía


CALOR DE FORMACION

DEFINICION: Cambio de energía entálpica que acompaña la formación de un mol de sustancia a partir de sus elementos, o reactivos cuando la reacción ocurre a condiciones estándar (P0= 1atm T0= 250C). El calor de formación de sus reactivos en su estado estándar es cero. Ah0 H2= 0 Ah0H 0

La entalpía de una sustancia cualquiera en el estado de referencia es igual a su entalpía de formación h0

f= h (T0, P0)



ENTALPIA ABSOLUTA

Definición Contenido de energía de un compuesto a unas condiciones de T y P, la cual es la sumatoria de la energía de formación más la entalpía sensible

Entalpía absoluta de una compuesto consiste de la energía asociada a su formación, y otra relacionada con el cambio de las condiciones respecto a la estándar a composición constante

),(),( PThhPTh f


ENTALPIA ABSOLUTA

Determinación de entalpía absoluta:

Gases:

Líquidos sólidos:

PT

PT

dhPTh,

,

),(

)(),( TTCPTh


PODER CALORIFICO

Definición: Es la cantidad de energía liberada cuando un combustible se quema por completo en un proceso de flujo permanente, y los productos vuelven a las mismas condiciones de T y P que los reactivos.

Unidades de medición: BTU,Joule, Kwh, Kcalorías

Poder calorífico superior: El agua producto de la reacción de combustión permanece en forma líquida en los productos de combustión.

)(2)(2)(2)( 2)4/( lggg OH

mnCOOmnCnHm

)(2)(2)(2)( 2)4/( gggg OH

mnCOOmnCnHm


PODER CALORIFICO

Poder calorífico Inferior: El agua producto de la reacción permanece en forma gaseosa.

(PCS – PCI) : Calor requerido para vaporizar el agua producto de la combustión

iim PCXPC

iigas PCSXPCS

gasmkwhPCSgas3/532.12)3.28(02.0)6.19(13.0)08.11(85.0


Cálculo del poder calorífico:Mezcla de un combustible gaseoso:

Donde:PCm : Poder calorífico de la mezclaPCi : Poder calorífico del componente iXi : Fracción del componente i en la mezcla

Combustibles líquidos y sólidos: Método experimental mediante el uso de un calorímetro

Ejercicio: Calcular el PCS de una mezcla gaseosa de CH4: 85% ; C2H6: 13% ; C3H8: 2%

PODER CALORIFICO

PODER CALORIFICO


Introducción:Las condiciones de combustión están referidas por la relación aire-combustible en la reacción y proporción de aire (aire realmente usado/aire teórico).

Relación aire-combustible: R=Qa/Qg Donde: Qa: Flujo de aire, m3/h Qg: Flujo de gas, m3/h

Proporción de aire: n=Qa/(VaQg)=R/Va Donde: Va:Volúmen teórico de aire/m3gas

Combustión Estequiométrica o ideal:Es aquella reacción de combustión que utiliza la cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa. No hay presencia de oxígeno y combustible en los gases de combustión.

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONTIPOS DE COMBUSTION

COMBUSTION INCOMPLETA

Reacción donde los elementos que conforman el combustible no son completamente oxidados en el proceso de combustión. Los componentes que identifican una combustión completa en los gases de combustión son C, CO, H2, OH.

Las causas de una combustión incompleta :- Cantidad insuficiente de oxígeno- Mezcla combustible - aire deficiente - Tiempo de residencia inadecuado


COMBUSTION REAL

Es la practica común de combustión donde un exceso de aire garantiza la reacción con todo el combustible liberando la energía total contenido en dicho combustible. Exceso de aire superior al exigido en la combustión real causa ineficiencia en el proceso.

COMBUSTION ADIABATICA

Proceso donde todo el calor liberado en la combustión se usa exclusivamente a elevar la temperatura de los gases de combustión. No existe intercambio de calor con los alrededores.


CONDICIONES PARA LA COMBUSTION

La mezcla combustible - oxidante reaccionan generando una llama auto - sostenida cuando se cumplan ciertas condiciones termodinámicas y cinéticas que el proceso de combustión exige.

TEMPERATURA DE INFLAMABIIDAD

Temperatura a la cual lo vapores de combustible en presencia de aire y una fuente de calor reaccionan y se propaga poco a poco a toda la masa de combustible.

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONCONDICIONES PARA LA COMBUSTION


LIMITES DE INFLAMABILIDAD

Límites de concentración aire - combustible inferior y superior para que ocurra la reacción de combustión auto - sostenida en presencia de una fuente de calor. Los límites de concentración varían de acuerdo al tipo de combustible.

TEMPERATURA DE IGNICION

Es la temperatura mas baja a la cual la reacción de combustión se auto - sostiene. La temperatura de ignición depende de las condiciones cinéticas de la reacción del combustible y los equipos de combustión



Inestabilidad de llama

Llama: La manifestación visible y calórica de la reacción de combustión Tipos de llama en función de la mezcla aire - combustible

Sin mezcla previa: Baja temperatura, gran longitud, color amarillo (gas) Con mezcla previa: Alta temperatura, longitud corta, color azul (gas)

Velocidad de propagación de la llama propiedad característica de cada combustible bajo una condición ideal de la mezclaVelocidad de salida del combustible: Condición de presión de suministro de la mezcla aire - combustible o combustible (caso llama sin mezcla previa)Estabilidad de la llama: Equilibrio entre las velocidades de propagación y salida del combustible


Causas de Inestabilidad de la llama Aumento de presión de suministro de combustible:Desprendimiento de llama. Baja presión de suministro de combustible : Retrollama o retroceso

Factores que determinan estabilidad de llama Forma y dimensiones de los orificios de los quemadores Naturaleza del combustible Relación de pre-mezcla aire-combustible Temperatura de la mezcla aire-combustible: incremento de la temperatura disminuye la tendencia al desprendimiento y aumenta la posibilidad de la retrollama. Deficiencia de aire primario a la salida del quemador y aire secundario alrededor de la boquilla ocasiona puntas amarillas en la llama


ETAPAS EN EL PROCESO DE COMBUSTION

1. Etapa de Pre-combustión

2. Etapa de combustión propiamente dicha

3. Etapa de Post-combustión

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONMECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION

Recibo por Carrotanque

Tanque de almacenamiento

Tanque Diario

QuemadorPrecalentador

Filtracion

ETAPA DE PRE-COMBUSTION

- Actividades de manejo y suministro del combustible hasta los quemadores del equipo de combustión.

- La problemática de la pre-combustión esta referida al tipo de combustible y a las facilidades que se dispongan


ETAPA DE COMBUSTION PROPIAMENTE DICHA

Etapa donde se realizan el conjunto de reacciones químicas de oxidación que desprenden energía química en forma de calor asociado a la formación de llama

Existencia de combustible-comburente-energía de activación

El quemador es el equipo principal en esta etapa de combustión: Facilita la mezcla aire-combustible Garantiza estabilidad del proceso Facilita la atomización de combustibles líquidos Facilita la continua ignición de la mezcla Disminuye los efectos negativos de contaminación atmosférica


ETAPA DE POST-COMBUSTION

Manejo que se da a los gases de combustión para cumplir los objetivos de transferencia de calor.

La etapa de post-combustión incluye:

Cámara de combustión: Acomodar llama y mantener temperatura y tiempo de residencia

Sección de convección: Area de intercambio de calor entre los gases de combustión y el proceso .

Chimenea: Salida a la atmósfera de los gases de combustión


ETAPA DE POST-COMBUSTION

La etapa de post-combustión incluye:

Equipo de manejo de aire: Suministro e aire para la mezcla con el combustible

Tiro forzado Tiro inducido Tiro balanceado Tiro Natural

Sistema de control: Instrumentación requerida para regular y controlar el proceso de combustión.

Corrosión y limpieza interna


Mecanismos del Proceso de Combustión

Las variables que intervienen en el proceso de combustión están relacionadas con las propiedades de los combustibles; como aquellas propiedades externas del combustible como son los equipos de proceso, la turbulencia y el tiempo de residencia. Tanto los unos como los otros influyen en forma positiva o negativa en el logro de un correcto proceso de reacción definido claramente en el modelo de la combustión.


Mecanismos del Proceso de Combustión - ATOMIZACION

Generalidades

– Requerido para el uso de combustibles líquidos

– A menor tamaño de partículas menor tiempo para que ocurra la reacción

– La atomización busca romper la masa de liquido en pequeñas gotas para facilitar el modelo de la combustión


Mecanismos del Proceso de Combustión - ATOMIZACION

Propiedades del combustible que inciden en la atomizaciónViscosidad del líquido• A menor viscosidad mejor atomización• Cada quemador esta diseñado para una viscosidad del combustible

determinado• La temperatura como variable operacional para lograr la viscosidad

del combustible


Mecanismos del Proceso de Combustión – ATOMIZACIONFactores dependientes del equipo

Tipos de Atomización Atomización mecánica Atomización fluido motriz

Variables operacionales en la atomización Presión del combustible a la entrada del quemador: alta para

atomización mecánica Tipo de fluido motriz: calidad y cantidad Diámetro de la boquilla Angulo de dispersión Relación fluido motriz - combustible


Generalidades- Todo combustible reacciona en estado gaseoso.- La mezcla aire-combustible se realiza en estado gaseoso

Factores que afectan la velocidad de evaporación.- Tamaño de partícula.- Conductividad térmica del combustible.- Temperatura de ebullición.- Poder calorífico.- Turbulencia en la cámara de combustión- Alta temperatura de la cámara


Mecanismos del Proceso de Combustión - VAPORIZACION

SECADO DE LOS COMBUSTIBLES

Eliminación de la humedad contenida en el combustible lo que ocasiona una menor temperatura de cámara de combustión, pérdida de eficiencia y baja velocidad de reacción de combustión.


ETAPA DE IGNICIÓN E INFLAMABILIDAD Para llegar al punto de ignición e inflamabilidad los vapores del combustible se someten a un post-calentamiento y mezcla con aire.

Todo combustible es una mezcla de componentes de diferentes puntos de ignición, por lo que la combustión se presenta como un modelo de diferentes secuencias de acuerdo a la naturaleza de los vapores.

ZONA DE REACCIÓN Y LLAMA

Serie de reacciones en cadena para obtener CO2, H2O, CO, NOX, etc. Las características de la llama depende del tipo de combustible, de las especificaciones del equipo de combustión


IntroducciónEl cálculo teórico del proceso de combustión se basa en la combustión adiabática, es decir el calor desprendido por la reacción es absorbido por los gases de combustión

Temperatura Adiabática de LlamaTemperatura máxima de los gases de combustión cuando toda la energía química liberada en el proceso de combustión se usa para elevar su temperatura. No existe interacción con los alrededores ni cambios de energía cinética y potencial en la corriente del combustible- Reacción completamente aislada

Temperatura Adiabática Entalpia de productos = Entalpia de los reactivos

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONCALCULO TEORICO DEL PROCESO DE COMBUSTION

Cálculo Temperatura Adiabática de Llama

Cálculo del contenido entálpico de los reactivos como energía química de reacción

Composición de los gases de combustión sobre la base de un volumen de combustible

Asumir una temperatura adiabática y confrontar calor liberado por la reacción y el contenido entálpico de los gases de combustión

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONCALCULO TEORICO DEL PROCESO DE COMBUSTION

• Todo el calor entregado por la reacción de combustión no es aprovechado por el proceso lo que significa que parte de este calor se pierde al medio externo, de igual manera no siempre ocurre combustión completa

• Eficiencia del proceso: Relaciona el calor absorbido por el proceso con el calor total entregado por el combustible

• Factores que afectan la eficiencia– Mezcla aire-combustible defectuosa– Tiempo insuficiente para que ocurra la reacción– Suministro inadecuado de reactivos

100*TotalCalor

rocesoentregadopCalor

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONEFICIENCIA DEL PROCESO DE COMBUSTION

Diagrama de Sankey

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONEFICIENCIA DEL PROCESO DE COMBUSTION

Control de la reacción de combustión

• El control de la reacción de combustión se constituye en uno de los principales parámetros a tener en cuenta en la búsqueda de la eficiencia de los equipos de combustión minimizando el consumo de combustible– Medición directa de la regulación aire-combustible– Medición de la concentración de dióxido de carbón– Concentración de oxígeno en los gases de chimenea– Contenido de monóxido de carbón en los gases de

combustión

PRINCIPIOS DE COMBUSTIONCONTROL DE LA REACCION DE COMBUSTION

EQUIPOS DE COMBUSTION

CALDERAS

• DEFINICION: Una caldera es un recipiente cerrado en el cual se calienta agua, se genera vapor, se sobrecalienta bajo presión o vacío mediante la aplicación de calor de combustibles

• OBJETIVO: Generación de vapor o producción de agua caliente

• USOS: Residencial - Comercial - Industrial – Generación Electrica

• CONSIDERACIONES DE DISEÑO: Tipo de combustible – Capacidad de Generación mínima, normal y máxima

EQUIPOS DE COMBUSTIONEQUIPOS INDUSTRIALES

TUBO BAJANTE

AGUA

GA

SE

S C

AL

IEN

TE

S

TUBO ELEVAFOR

VAPORMEZCLA

VAPOR AGUA

EQUIPOS DE COMBUSTIONCALDERAS

Circulación Natural: Flujo de Agua y vapor por diferencia de densidad por efecto de la temperatura


Circulación Forzada: Uso de bomba de agua para garantizar flujo en la caldera

Para entender la operación de una caldera es necesario observar lo que sucede con las corrientes que intervienen en el proceso

• Ciclo de calor: combustible y gases de combustión• Ciclo de agua : Circulación y alimentación al sistema• Ciclo de vapor: Generación y sobrecalentamiento• Ciclo de condensado: Agua formada del vapor producido

después de realizar su trabajo

Componentes de las Calderas


• Hogar: Liberación de calor por reacción de combustión. Su diseño se basa en tiempo – turbulencia - temperatura

• Sección de la Caldera o Convención: Área de intercambio de calor con los gases de combustión calientes

• Sobrecalentador: Area de intercambio de calor con los gases de combustión para incrementar la temperatura del vapor.– Radiante– Convección

• Calentadores de Aire: Incremento de eficiencia térmica• Chimenea: Punto de salida de los gases de combustión.

- Tiro Natural - Tiro Inducido - Tiro Balanceado - Tiro Forzado



Chimenea: Punto de salida de los gases de combustiónChimenea: Punto de salida de los gases de combustión

• Tiro Teórico: Fuerza debida al diferencial de densidad entre aire atmosférico y los gases de combustión

• Tiro Real: Diferencia de tiro teórico con las perdidas causados por fricción y velocidad de los gases


1

11...256.0

TTPLpt

2.51

2

2g

f D

fL

g

up


Pérdidas por velocidad =

Caldera Pirotubular – Tipo Horizontal

EQUIPOS DE COMBUSTION TIPOS DE CALDERAS

http://www.cerney.es/fotosgra/cm5000.jpg

Productos de combustión fluyen por el interior de los tubos. Su costo es bajo comparado con una caldera acuatubular La capacidad de las calderas pirotubulares es limitada. Máximo

30.000 libras por hora de vapor La fluctuación de demanda de vapor ocasiona pequeños

cambios operacionales por su capacidad de almacenamiento de agua.

Requieren mayor tiempo para su estabilización. Capacidad de sobrecarga es limitada. Requiere limpieza interna de los tubos, su frecuencia depende

del tipo de combustible utilizado y la limpieza con que se realiza la combustión.

Calderas Pirotubulares


Caldera Pirotubular – Partes de la Caldera Horizontal

EQUIPOS DE COMBUSTIONTIPOS DE CALDERAS

Caldera Pirotubular – Caldera Horizontal a carbón


Caldera Pirotubular – Tipo Económico tres pasos


Caldera Pirotubular – Hogar interior de 4 pasos


Caldera Pirotubular – Tipo Vertical


http://aniversario.unet.edu.ve/mipv/imagenes/43.jpg

Ventajas:• Compactas y manejables• Bajo costo inicial• Poca superficie por HP• Instalación rápida y sencilla• No requieren bases especiales

Desventajas: • Dificultad para limpieza interna• Baja capacidad de agua, afecta la operación a cambios de

producción de vapor• Propensa a arrastres de humedad en el vapor• Baja eficiencia

Calderas Pirotubulares Verticales


Caldera Acuatubular

Principio Operacional:

El agua circula por el interior de los tubos expuestos a los gases de combustión.


Tipo Circulación Natural Circulación de agua debida a la diferencia de densidad entre la

columna descendente de agua y la ascendente de vapor y agua Calderas de tubos rectos: Bajas presiones Calderas de tubos curvos: Facilita dilatación, flexibilidad en la

disposición

La mayoria de las calderas acuatubulares poseen diseños tipo A,D,O

Calderas Acuatubulares


Caldera Acuatubular de tubos rectos


Caldera Acuatubular de tubos curvos


Caldera Acuatubular compacte tipo D


Caldera Acuatubular – Tipo A


Caldera Acuatubular – Tipo D


Caldera Acuatubular – Tipo O


Calderas Acuatubulares de Circulación Forzada

• Requeridas en producción de vapor a alta presión• Uso de bombas para facilitar circulación de agua• Operación a una condición de mínimo flujo de producción de

vapor• Mínimo espacio para su instalación• La circulación forzada asegura una refrigeración a todos los

tubos• Eliminan el uso de tambores acumuladores de agua• Utilizan tubos de menor diámetro respecto a los de flujo natural• Mínima área requerida para su instalación.

Calderas Acuatubulares


Caldera para Quemar Gas, fuel y Carbón Pulverizado


http://aniversario.unet.edu.ve/mipv/imagenes/51.jpg

OBJETIVO: Aumentar temperatura a una corriente de proceso

USOS: Procesos de refinación – Secado – Petroquimica - Quimica

TIPO DE TRANSFERENCIA DE CALOR: Conducción – Radiacion y Conveccion.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO: Capacidad Térmica

TIPOS DE HORNOS: – Horizontales: Tipo Cabina, Tipo Cajón– Verticales: Cilíndricos

EQUIPOS DE COMBUSTIONHORNOS DE PROCESO

EQUIPOS DE COMBUSTIONHORNOS DE PROCESO

Características:• Operación por batch o continuos• La calidad del combustible influye en el producto a tratar• Operan a altos excesos de aire• Construcción metálica o mampostería• Hogar en ladrillo refractario

Usos:• Industria de la Cerámica• Secadores de Laminas• Secadores de Madera

EQUIPOS DE COMBUSTIONHORNOS DE FUEGO DIRECTO

Hornilla industria Cerámica y Ladrillera


Clasificación:• Secadoras: Flujo Continuo• Secadoras por batch• Silas secadoras

Secadoras de Flujo Continuo:• El producto a secar se alimenta en forma continua o intermitente

pero con inventario permanente del producto en su interior• Operación de secado y enfriamiento se efectúan en forma

simultanea y continua• Pueden operar a flujo vertical, mixto y cruzado

Secadoras de flujo en Contracorriente y Co-Corriente

EQUIPOS DE COMBUSTIONSECADORAS DE ALIMENTOS

Secadora de Flujo Continuo


Secadora de Parrillas


Secadora en Tres Etapas


Secadora por batch en dos ciclos


Equipos para uso con gas natural – Sector Residencial y Comercial

USO RESIDENCIAL Y COMERCIALDEL GAS NATURAL

Clasificación de los Gasodomésticos Naturaleza de los gases utilizados Instalación y método de evacuación de los gases de

combustión Debido al uso de gasodomésticos

Naturaleza de los gases utilizados Categoría I: Artefactos diseñados para utilizar gases de

una sola familia Categoría II: Artefactos diseñados para utilizar gases de

dos familias: Gas y GLP



Clasificación de los Gasodomésticos - Instalación y Evacuación de los Humos

Tipo A: No requieren ductos de evacuación: Cocinas, hornos y secadoras

Tipo B: Aparatos que requieren evacuación de humos al exterior. El aire de combustión se toma del recinto donde se encuentran instalados. Tipos B1 (tiro natural) B2 (forzado)

Tipo C: Evacuación de humos al exterior. En aire de combustión se toma del exterior del recinto donde se encuentra.



Clasificación de los Gasodomésticos - Debido al uso del Gasodomésticos

Aparatos populares: Equipos pequeños y transportables Aparatos de uso doméstico: Equipos a usar en el interior

de las viviendas Aparatos de uso comercial o colectivo: Aparatos ubicados

en locales donde concurren personas diferentes al manejo del equipo

Aparatos de uso industrial: Aparatos que consumen altos volúmenes de gas.

Gasodomésticos


Aparatos Domésticos de Cocción

Cocina o Estufa Horno

Gratinador

Placa radiantedel gratinador

Quemador

Gasodomésticos


Calentador Acumulador

Aguacaliente

Energía

Aguafría

calor

Aguacaliente

Energía

Aguafría

Calentadorinstantáneo o

de paso continuo Calentadorpor acumulación

Cal

or

Aislamiento

Tanque de agua

CHIMENEA

ÁNODO DE MAGNESIO

ESPIRAL

TANQUE PORCELANIZADO

TUBO DE ENTRADADE AGUA FRÍA

AISLAMIENTO

TERMÓSTATO

PUERTA

QUEMADOR

DRENAJE

ENCENDIDO ELECTRÓNICO

VÁLVULA DE SEGURIDAD

Gasodomésticos


Calentador de Paso o Instantáneo

Aguacaliente

gas

Aguafría

4

7

3

2

9

10

5

6

8

1

7

Gasodomésticos


Calentadores de Ambiente

Quemador atmosférico con llama de premezcla


Su mayor uso en los Gasodomésticos Quemador Gas Inductor – Aire Inductor Componentes del Sistema Inyector: Punto de descarga del gas combustibles Mezclador: Venturi de mezcla aire-gas Cabeza o Boquilla: Punto donde se efectúa la combustión Características del Quemador Potencia Térmica Rata de aireación primaria Funcionamiento OptimoFormación de CO en la combustión

Instalación de Gasodomésticos


El manejo incorrecto del gas y el uso inapropiado de los gasodomésticos ocasionan riesgos por lo que se requiere verificar su instalación y selección.

La instalación debe obedecer a las instrucciones de los fabricantes en lo referente a:

Fijación Distancia mínima entre equipos deber ser 0.4 metros Correcta ventilación en el área de instalación Conexiones de los aparatos: Tubería rígida – Tuberia flexible

Tubería Rígida: Equipos empotrados o fijos Tubería Flexible: Equipos móviles

Ventilación de Recintos Interiores


Localización del gasodomestico (Calentador de agua): Circulación libre y espontánea del aire de combustión, renovación y dilución.

Requerimientos adicionales de aire: Inyección de aire adicional cuando exista en el recinto limitación de aire

Método de ventilación en espacios confinados (NFPA-54)

Comprobación del Funcionamiento de los Gasodomésticos


Funcionamiento del Inyector Comprobar la correcta selección del inyector respecto al

gas a utilizar Comprobar el diámetro nominal Fijación y soportes del tubo de conexión

Aspecto de las llamas Operación de válvula de entrada (Máximo y mínimo flujo): No

extinción de la llama. Dispositivos de seguridad Correcto funcionamiento: Realizar pruebas mediante

accionamiento manual

PARAMETROS PARA EL

DE UN SISTEMA DE COMBUSTION

DISEÑO

Potencia térmica requerida Capacidad de relevo de calor Eficiencia del equipo Objetivo de proceso

Quemadores Criterios de selección Tipos de quemadores Aspectos ambientales

PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMBUSTION

Cámara de combustión Tipo de combustible Tiempo de residencia Selección de materiales

Operación de Quemadores Optimo mezclado Exceso de aire

Flujo volumétrico o másico de combustible requerido

Ep = Energía requerida para el procesoLHV = Poder calorífico inferior = Eficiencia del equipo sobre la base LHVQ = Flujo de combustible

Potencia Térmica Requerida

Dimensionamiento del sistema de suministros de combustibles

*

LHVE

Q p


Transforma energía química en calor útil– Amplio rango de operación– Uniformidad en el suministro de calor– Reacción total del combustible– Impedir efectos contrarios al proceso

• Retorno de llama y Desprendimiento de llama– Facilitar la rápida ignición del combustible– Operar a niveles de ruido aceptables

Quemadores

Quemador: Representa el equipo básico del proceso de combustión y su diseño se basa en la aplicación y el tipo de combustible a utilizar


Por presión de suministro

Quemadores de baja presión• Presión de suministro menor a 1.45 psig: Calentadores y cocinas

Quemadores de media presión• Presión de suministro mayor a 1.45 psig y menor a presión crítica

(<14 psig)

Quemadores de alta presión• Presión de suministro superior a la crítica

Quemadores a Gas Clasificación de los quemadores a gas


• Presión a la cual un flujo de gas en expansión alcanza la velocidad del sonido

• Cada combustible posee su propia presión crítica

Condición de presión crítica en el suministro de Gas


Gases Presión crítica relativa (bar)

Gas manufacturado 0,876

Propano comercial 0,856

Butano comercial 0,752

Gas natural 0,741

Por punto de mezcla aire – combustible

Quemadores de premezclaGas y aire primario se mezclan previamente antes de llegar a la zona de combustión. El aire secundario se entrega en la zona de combustión.

Quemadores de premezcla a Presión. Diseño de premezcla total. Flexibilidad limitada, elevada intensidad de combustión y alta temperatura de llama

Quemadores sin mezcla previaGas y aire se suministra por separado a la zona de combustión

QuemadoresClasificación de los quemadores a gas


• Según el suministro de aire– Quemadores de aire forzado: Aire suministrado por un ventilador– Quemadores de aire de tiro natural– Quemadores de aire inducido: Aire arrastrado por el gas– Quemadores de aire inductor: Gas arrastrado por el aire

• Por presión de operación respecto a la atmosférica– Quemadores atmosféricos

Zona de reacción a presión atmosférica; gasodomésticos– Quemadores no atmosféricos

Los quemadores operan en sitios cerrados donde la presión esta por encima o por debajo de la presión atmosférica

Quemadores – Clasificacion de los quemadores a gas

La selección de un quemador en la práctica responde a una combinación de los diferentes tipos de quemador:

Quemador no atmosférico, de alta presión, llama de premezcla y aire forzado


Quemadores Industriales a Gas


La combustión de gas aparentemente es la más sencilla pero en realidad requiere de cuidados especiales más específicos que los otros combustibles. Una razón de lo anterior, es que la llama en muchos tipos de gas tiene poca luminosidad por lo que es difícil verla en el horno, otra es que la acumulación del gas sin quemarse por resultado de fugas dentro del horno, o pérdida de fuego dentro del horno, o por pérdida de fuego dentro de los quemadores, no lo hace visible y por tal motivo no será notado por los operadores dando por consecuencia una explosión

Quemadores a Gas – Abiertos de Tiro Natural


Presión negativa en la cámara de combustión que aspira aire del medio controlado por rejillas o obturadores ajustables. Difícil control aire – combustible. Tiro natural o tiro inducido

Quemadores Industriales a GasQuemador de tiro natural JZ para hornos de proceso


Quemadores a Gas – Sellados Mecánicos


Flujo de entrada de aire controlado por un ventilador de inyección (tiro forzado). Buena mezcla por la caída de presión y control de configuración de llama

Quemadores Industriales a GasQuemador de tiro forzado para hornos y secadores


Quemadores a Gas – Sistema de Quemador con Premezclado


Gas y aire se mezclan completamente corriente arriba de la tobera. Se utilizan en hornos de parrilla a baja temperatura. Ej. Tostado de alimentos. La mezcla aire–combustible puede ser tipo Inyector o tipo Aspirador.

Quemadores a Gas – Sistema de Mezcla en la punta del Quemador


Mezcla de aire – gas en la boquilla del quemador. Permiten usar una amplia variedad de relaciones aire – combustible y formas de llama.Se presentan varios tipos: Quemador de alta velocidad, Quemador de radiación de pared.

Quemadores a Gas – Controlados por Combustible


Suministro de combustible a alta presión utilizando dicha energía para controlar la estabilidad y la forma de llama usando fuentes de aire a baja presión.

Criterios generales relativos al quemador– Temperatura a alcanzar: aireación, recirculación, precalentamiento,

exceso de oxígeno– Naturaleza de los productos de combustión: norma ambiental (CO2,

NOx)– Rango de operación: Mínima y máxima carga térmica a manejar– Rango de regulación: Operación correcta a diferentes ratas de

aireación. – Ruido

Criterios específicos relativos a la aplicación– Características térmicas del proceso: Conductividad, coeficiente de

absorción por radiación– Características térmicas del equipo: Aislamiento térmico, paredes

térmicas y precalentamiento

Quemadores Industriales a Gas – Criterios de Selección


Los combustibles líquidos se vaporizan o atomizan en la boquilla del quemador

La llama azul en la quema de un combustible líquido significa buena atomización y buena mezcla con aire

La llama amarilla indica presencia de partículas de carbón debido a la pirólisis del combustible por deficiente atomización o mezcla con aire.

Una cámara amplia facilita la quema posterior de los residuos menos volátiles.

Quemadores para combustibles Líquidos


Quemadores para Combustibles líquidos

Criterios de Diseño– Tiempo de residencia– Turbulencia– Temperatura

Clasificación de quemadores de combustibles líquidos– Quemadores de vaporización: El combustible líquido pasa a estado

gaseoso antes de suministrarse a la boquilla del quemador por transferencia de calor: sopletes, lámparas, cocinas de queroseno o por cambio de presión en el combustible

Combustible

Aire


Quemadores de atomización De uso masivo Baja viscosidad: 10 centistokes El aire se mezcla con el combustible atomizado Las velocidades del combustible deben evitar la acumulación

interna de carbón endurecido. Los índices de liberación de calor dependen de las propiedades del

combustible, la concentración del aire en exceso, la mezcla aire – combustible y los niveles tolerables de humo.

Tipos de Atomización Rotación Mecánica por presión de aceite Por Fluido matriz: Aire – Vapor – Gas Combustible Atomización mixta



Aire secundario

Combustible

Aire primario

Paletas primarias de remolino

Quemadores para Combustibles líquidos – Clasificación

Quemadores de atomización– Atomización por fluido motriz a baja presión


Vapor ó aire

Combustible


Quemadores de atomización– Atomización por fluido motriz a alta presión

Consumo de vapor: 0,1 – 0,5 Kgr/ Kgr combustibleConsumo de aire: 0,2 – 0,8 Kgr / Kgr combustible


Retorno de aceite

30º-90º


Quemadores de atomización– Atomización mecánica

Suministro de combustible a alta presión de acuerdo a su viscosidad ( 8 – 20 cs ). Bajos excesos de aire


Aceite

Motor

Bisagra de montaje

Aire

Bomba de aceite


Quemadores de atomización– Atomización rotatoria o centrifuga

Inyección de combustible a baja presión con una rotación alta (2500 – 7000 rpm)


Aire Fuelle

Registros ajustables

Deflectores de aire

Aceite


Quemadores de atomización mixta– Combinación de atomización mecánica y con fluido motriz– Bajo consumo de fluido motriz: 0.05 Kgr / Kgr de

combustible– Alta presión de suministro de combustible




• Utilizando grandes velocidades de aire e imprimiéndole circulaciones giratorias.

• Provocando fuertes recirculaciones, forzadas o inducidas, de los gases quemados, con lo que se consigue aportar calor suplementario a la base de las llamas.

• Utilizando aire precalentado.

• Forzando turbulencias en la mezcla.

En los quemadores de combustible líquido tiene importancia el control del desprendimiento de llama, lo que se logra principalmente

Quemadores Especiales


Quemadores duales: gas – líquido. En general se basan en un quemador de líquido al que se le acopla un colector anular de gas que conduce éste a la vena de aire

Quemadores de aire precalentado. Si el aire no pasa de los 200º C no se requiere generalmente precauciones especiales; pero por encima de estas temperaturas deberá prestarse atención a los refractarios y partes internas del quemador

Quemadores con control de forma de llama. La forma de la llama se ajusta variando la velocidad de mezclado, pasando de llamas largas y estrechas a cortas y anchas. También puede lograrse el mismo efecto variando la posición de las aletas del aire

Quemadores Especiales


Quemadores de residuos líquidos. Generalmente es de tipo dual, alimentando el residuo por la boquilla del combustible líquido. Se ha de asegurar que el residuo sea combustible, que sea atomizable y que los productos no sean tóxicos ni corrosivos

Quemadores con enriquecimiento de oxígeno. En ellos el oxígeno se mezcla con el aire, nunca con el combustible. Esto aumenta la eficiencia de combustión y la temperatura de llama

Quemadores de baja emisión de NOx. Constituyen la última tecnología en diseños de quemadores. Grandes y ambiciosos programas son desarrollados actualmente en el mundo con el fin de disminuir las fuentes que contaminan nuestro medio ambiente

Rango entre máxima y mínima mezcla de combustible-aire para una correcta operación del quemador

El punto máximo de operación de un quemador se limita cuando la velocidad de la mezcla excede la velocidad de llama (la llama se apaga) y por el tamaño físico del quemador (velocidad del combustible)

El punto mínimo de operación lo determina el efecto de retrollama y mínima velocidad de combustible

Alta relación de reducción se aplica en procesos batch

Características de diseño de los quemadores

Relación de reducción


• Relación de ReducciónRelación entre la máxima y la mínima mezcla de combustible y aire bajo la cual el quemador opera satisfactoriamente.

• EstabilidadVelocidad de suministro en equilibrio con la velocidad depropagación de llama (ignición) .Mantener la ignición

respecto a la presión del combustible.



• Diseño de la llama– Manifestación visible y calórico de la reacción de

combustión – Variación de presión de suministro y relación aire –

combustible afectan la forma de la llama– Requerimientos exigidos por el proceso determinan la

forma de llama

• Atomización– La viscosidad del combustible se fija como variable de

diseño de un quemador– Máxima temperatura del combustible determina selección

de materiales



SISTEMA DE IGNICION - MANUAL

• Uso de sistemas convencionales para proporcionar la chispa que permite la ignición del combustible

• Iniciadores de llama viva

• Iniciadores tipo chispa o bobina


Operación de Quemadores

Normas de seguridad: Se deben tener en cuenta en la ignición Manual.

SISTEMA DE IGNICION - AUTOMATICA

• Control de envío de señal de entrada de combustible al piloto y encendido con un arco o una chispa dentro de un programa de operación automático del quemador.



OPERACIÓN DEL SISTEMA

• La operación de un quemador o conjunto de quemadores que se incluyen dentro de un equipo de combustión se puede realizar en forma manual o automática.

• La operación del quemador es la parte fundamental del equipo de combustión; incide en la eficiencia del equipo

• Variables operacionales: Color y longitud de llama, temperatura de chimenea, humos

• Ajuste de variables: Relación aire – combustible, presión del combustible, compuerta de chimenea y rejillas de aire de combustion.

• Todos los quemadores de un mismo equipo deben operar en similares condiciones.




Control Electromecánico del quemador en calderas Pirotubulares



Ajuste de las proporciones aire – combustible

• Control Electromecánico• Control Automático


Señal de demanda

Combustible

Aire

Unidad de control

Alquemador

Alquemador

• Espacio geométrico donde se acomoda la llama y se realiza la reacción de combustión

• Variables que determinan el diseño de la cámara de combustión – Tiempo de residencia para la ocurrencia de la reacción: depende del tipo

de combustible gas, liquido o sólido– Diseño del quemador– Presión y velocidad de los combustibles– Aplicación de proceso (longitud de llama)– Humedad de los combustibles

Cámara de Combustión

IV : Factor empírico de la cámaraV : Volumen de la cámara (m3,ft3)W : Flujo masico del combustible (Kg/hr, lb/ft3)LHV : Poder calorífico internos del combustible (BTU/ft3)

V = W * LHV / IV


COMBUSTIBLE IVBtu/hr-ft3 MW/m3

Combustible sólido en lechos 45000-55000 0.47-0.57

Líquidos livianos 100.000 1.03

Líquidos pesados 80.000 0.83

Líquidos a alta velocidad 100.000 1.03

Hogar de caldera 20.000-40.000 0.21-0.41

Gases 100.000 1.03

Leña 25.000 0.25

Cámara de Combustión

Valores de IV (Factores empíricos de cámara) para diferentes combustibles


ADAPTACION DE EQUIPOS DE

COMBUSTION AL USO DE GAS

NATURAL

Causas de sustitución Disponibilidad Costo Normas Ambientales Seguridad Requerimientos del proceso

Aspectos a tener en cuenta en la sustitución de combustibles Rata de suministro de combustible Capacidad de manejo del combustible y los gases de combustión Estabilidad de los quemadores Modelo de transferencia de calor Atmósfera interna del equipo de combustión

Sustitución de Combustibles

ADAPTACION DE EQUIPOS DE COMBUSTION AL USO DE G.N.

Intercambiabiliad gas – gas

Diferente composición implica diferente comportamiento como combustible

Gases diferentes pueden ser utilizados con idénticos resultados en el proceso.

Dos gases son perfectamente intercambiables si al reemplazar el uno por el otro las características de operación del quemador no se modifican

El índice de Wobbe se utiliza para determinar la intercambiabilidad de los gases



Efectos no deseables en la operación de un quemador

Disminución en su potencia térmica Retrollama y desprendimiento de llama Emisiones de CO y NOx por encima de los límites permitidos Hollín y puntos amarillos en la llama Exceso de nivel de ruido

Caso de intercambiabilidad de gases: Gas Natural y Aire Propanado (Mezcla 65% aire y 35% propano)



Sustitución Gas - Gas Reemplazo de un gas por otro con modificación en el

equipo de combustión para obtener el mismo resultado en el proceso

El principal caso de sustitución gas-gas es el uso de gas natural en reemplazo de GLP

En ciertos equipos solo se requiere cambios en las condiciones operacionales para usar GLP por gas natural o viceversa

En otros equipos se debe cambiar el diámetro de los orificios de la boquilla de entrada del combustible

Para los gasodomésticos se debe revisar el inyector.



Sustitución entre combustibles líquidos

Diferentes propiedades físicas y químicas entre los combustibles líquidos determinan un comportamiento diferente en el proceso de combustión

La variable viscosidad determina la condición de sustitución entre combustibles líquidos.

La presencia de contaminantes afecta la vida útil de los equipos de combustión.

Cambio de metalurgía en el quemador por manejo de combustibles a alta temperatura.



Sustitución gas-liquido

Un quemador se diseña para uso de combustibles en un estado determinado

Suministro dual (gas – liquido) es posible, facilitando alimentacion diferente

Cada suministro de combustible puede diseñarse para operar al 100% de la carga térmica del quemador

El relevo de calor es diferente entre combustibles líquidos y gaseosos (temperatura adiabática de llama)

El tiempo de residencia requerido para el proceso es mayor para liquido que para gases

La incidencia del combustible en el proceso de producción



Procedimiento para adaptar equipos al uso de Gas Natural


Dimensionamiento del sistema de alimentación a Gas - Dimensionamiento línea de entrada de la red principal- Diseño y selección de equipos para estación de regulación

y medición.

Dimensionamiento de la red de suministro interno

Suministro gas y aire al equipo de combustión

Revisión del quemador y del equipo de combustión.

Procedimiento para adaptar equipos al uso de Gas Natural


Dimensionamiento del sistema de alimentación de gas

Línea de entrega de la red principal

Determinar las condiciones de entrega y disponibilidad de gas Levantamiento de ruteo de punto de conexión a estación de medición y

regulación. Cálculo del flujo de gas requerido por el equipo de combustión Determinación de las condiciones de presión del gas en punto de conexión. Utilizando las ecuaciones de flujo determinar el diámetro de la tubería a utilizar.

3/8

2/122

213124.1 DGTLZ

PP

Pb

TbQ

Procedimiento para adoptar Equipos al Uso de Gas Natural


UNA PLANTA DE ALIMENTOS DESEA CAMBIAR EL DIESEL POR GAS NATURAL EN

TRES EQUIPOS A SABER: CALDERA PIROTUBULAR, CONSUMO DE DISEÑO 160 GPH

UN HORNO DE SECADO DE 100 GPH Y UN HORNO DE ACEITE TERMICO DE 60 GPH.

LA DISTANCIA DEL PUNTO DE SUMINISTRO DE GAS ES DE 2 KM Y SE DISPONE

UNA PRESIÓN DE 250 PSIG. CALCULAR EL DIAMETRO DE LA TUBERIA A UTILIZAR



43.2 MPCH 21.6 MPCH 8.1 MPCH

400 ft 50 ft 300 ft

HORNO

ESTACION R&MHORNO

CALDERA


DESARROLLO:

Determinar el volumen de gas a manejar:

1Galón de diesel = 135.000 BTU = 13 PC Gas

Consumo total diesel = 160+100+60 = 320 GPH = 43,200 PCH Gas = 1,036.8 Kpcd = Q

ECUACION DE WEYMOUTH


3/8

2/122

213124.1 DGTLZ

PP

Pb

TbQ

Longitud de tubería L = 2000 m *3.28 = 6,560 pies.

Las condiciones base estipuladas por norma son: Pb=14.65 psia y Tb=60 OFPresión atmosférica: 14.0 psiaLas propiedades del gas suministradas por el comercializador, según cromatografíasuministrada son: Gravedad Especifica G = 0.60 ; Factor Z = 0.9800La temperatura de suministro del gas es de 90oFProcedimiento I : Suponer una presión de recibo en la estación de entrega.Procedimiento II : Suponer una velocidad de flujo dentro de los límites de diseño. (10 – 30 ft/sec)Caso IPresión de recibo en estación de entrega en planta: 200 psig

P1= 250 psig + 14.7 psia = 264.7 psia P12 = 70,066.09

P2= 200 psig + 14.7 psia = 214.7 psia P22 = 46,096.09

Factor GLTZ = 0.60 * 6,560ft * 500oR * 0.980 = 1,928,640

Factor (Tb/Pb) = 520oR/14.65 psia = 35.49

Factor ((P12 - P2

2 ) / GLTZ)1/2 = 0.11148Despejando D de la ecuacion de WEYMOUTH tenemos: D = 2.2” = 3”Verificacion de velocidad: V = Q / 3600 A A= 3.14 * D2 / 4 *144 = 0.049 ft2 V = 43200 ft3/h/3600*0.049

V = 245 ft/seg @ c.b. Factor corrección por presión = 214.7/14.65 = 14.65 [email protected] = 245/14.65 = 16.7 ft/seg



mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Diseño y selección de equipos estación de Regulación y Medición.La configuración de una estación puede variar, dependiendo de las circunstancias, la aplicación y los códigos y regulaciones que se apliquen. Pero en todos los casos, esta tendrá siempre una válvula de entrada, un regulador, una válvula de alivio, una válvula de cierre automático y un sistema de medición.

Condiciones de diseño: - Presión de entrada - Presión de salida - Máxima velocidad - Temperatura del gas - Composición del gas- Rata de flujo mínima, normal y máxima.

Dimensionamiento del sistema de alimentación a Gas


Tamaño de la Tubería • El tamaño de la tubería en una estación de regulación y medición

es usualmente escogida para el límite de velocidad del gas, alrededor de los 65 pies/seg. La tubería de entrada es diseñada sobre la máxima tasa de flujo a la presión mínima de entrada. Para presiones de salida por debajo de (25mbar), la velocidad del gas es limitada a 30 pies/seg para evitar unas altas caídas de presión.

• Los criterios para el dimensionamiento de las tuberías dentro de la estación son los mismos definidos para la línea de suministro del punto de conexión a la entrada de la industria.

• Para el caso del ejemplo anterior se utiliza una tubería de 3” para la estación de regulación y medición.

Dimensionamiento del sistema de alimentación a GasEstación de Regulación y Medición


Válvulas de Bloqueo

• Las estaciones de regulación y medición están equipadas con válvulas de bola a la entrada y a la salida. El mejoramiento en las técnicas de producción ha hecho este tipo de válvulas cada vez más económicas y más rentables que las válvulas de tapón usadas anteriormente.

• Las válvulas de bola de paso completo se requieren aguas arriba del medidor, con el fin de eliminar disturbios en el flujo, en la forma más efectiva que sea posible.

• Las válvulas de entrada y salida para el caso del ejemplo serán de 3” diámetro. ANSI 150. Tipo bola.

Estación de Regulación y Medición


Válvula de Bola


Sistema de Regulación • Suministran el gas a las condiciones de presión exigida por la

red de distribución interna en la industria.

• Condiciones de selección– Máxima presión aguas arriba y aguas abajo– Mínima presión aguas arriba y aguas abajo– Capacidad de flujo

• Tipos de reguladores – Reguladores cargados por resorte– Reguladores cargados por pilotos

Dimensionamiento del sistema de alimentación a GasEstación de Regulación y Medición


Regulador con resorte


Regulador cargado con Resorte

Regulador cargado con Piloto


Dimensionamiento del sistema de alimentación a Gas

EjercicioQmax: 43,200 PCSHPresión Máxima de entrada: 214.7 psiaPresión de salida o regulada: 114.7 psiaCg: Coeficiente característico del regulador calculado mediante ecuación del fabricante Cg = f ( P1, P2, Q )

El regulador se selecciona con la mínima presión de entrada.

De acuerdo al Cg se va a los catálogos de reguladores del fabricante y se selecciona el diámetro del regulador.


Sistema de Filtración

• Los filtros protegen el equipo localizado aguas abajo de la estación.

• Contribuye a una buena exactitud en la medición

• Línea de bypass es requerida para facilitar su mantenimiento

• Un diferencial de presión alto en el filtro avisa la necesidad de su limpieza

• La capacidad del filtro depende de la presión de operación y el diferencial permitido



Drenaje

Filtro de Gas


Ejercicio

Selección del Sistema de Filtración Caso Anterior

Presión Mínima de operación: 214.7 psiaCaída Máxima de presión: 2 psiTamaño de partículas a remover: 3 micrasPorcentaje de retención: 99%Qmax: 43,200 PCSHANSI 150

Con la información anterior se selecciona en los catálogos de losfabricantes de filtros el diámetro de conexión del filtro.



Válvulas de Escape o Alivio

• Las válvulas de escape aseguran el control de presión en el sistema, es decir, previenen sobrepresiones ante la ocurrencia de fallas en el regulador. Una válvula de escape se resetea para abrir cuando la presión del sistema excede la presión de control o ajuste y debe poseer la capacidad de mantener la presión aguas abajo del sistema. La mayoría de estas válvulas están diseñadas para aliviar solamente el 10% de la máxima tasa de flujo de la estación.



Válvula de Alivio


Válvulas de Cierre por alta y baja presión

• Las válvulas de cierre por alta, baja o una combinación de alta-baja presión se instalan para cortar el flujo en caso de que la presión de salida del regulador este en límites superior o inferior no especificados.

• Previenen explosiones o incendios en el interior de los equipos de combustión

• NFPA exige la instalación de dos válvulas en serie para garantizar la seguridad del sistema

• En lo posible las dos válvulas deben ser de diseño diferente



Botón de presión(normalmente cerrado)

Válvula de Cierre Automático Alta y/o Baja Presión


MEDIDORES DE GAS

Determinar el volumen de gas consumido en el equipo de combustión

Selección adecuada del medidor Instalación de acuerdo a la normatividad


Medidores de Gas



• El arreglo del sistema de tubería de alimentación de gas a los equipos de combustión depende de las localizaciones dentro de la planta y los consumos de cada equipo. Un sistema de alimentación mal instalado puede ocasionar señales de presión falsas, un control de relación aire-combustible defectuoso, inestabilidad del quemador y temperatura no homogénea en la cámara del equipo de combustión.

• Los criterios de diseño a aplicar para el dimensionamiento de la red interna son los mismos definidos en la línea de conexión a la red principal del comercializador. Existen normas en algunos países donde limitan las caídas de presión en sistemas internas de distribución.

Dimensionamiento de la red de Suministro Interno


Tramo 1Longitud de tubería L = 400 pies. Qmax = 41.6 MPCSHPresión de salida de estación de regulación y medición = P1= 114.7psia P1

2 = 13,156Factor GLTZ = 0.60 * 400ft * 500oR * 0.980 = 117,600Factor (Tb/Pb) = 520oR/14.65 psia = 35.49Diamétro de tubería = 3” Factor D8/3 = 18.70Despejando P2 de ecuación WEYMOUTH tenemos: P2 = 113 psiaDiamétro de tubería = 2” Factor D8/3 = 6.34Despejando P2 de ecuación WEYMOUTH tenemos: P2 = 103 psia

Dimensionamiento tubería de alimentación interna.


Tramo 2 Longitud de tubería L = 50 pies. Qmax = 21.6 MPCSHP1= 103 psia P1

2 = 10,609Factor GLTZ = 0.60 * 50ft * 500oR * 0.980 = 14,700Diamétro de tubería = 1.5” Factor D8/3 = 2.95Despejando P2 ecuación WEYMOUTH tenemos: P2 = 100 psiaTramo 3Longitud de tubería L = 300 pies. Qmax = 8.1 MPCSHPresión de salida de estación de regulación y medición = Factor GLTZ= 88,200P1= 103 psia P1

2 = 10,609 D = 1“ Factor D8/3 = 1P2 = 98 psia

Dimensionamiento tubería de alimentación interna.


La evaluación del quemador durante el proceso de adaptación a gas natural parte de la base de reutilizar el

quemador actual o disponer de un quemador nuevo, esta decisión se toma mediante el análisis en campo de las facilidades que posee el equipo de combustión. La

posibilidad de usar el mismo quemador surge del tipo de quemador, pues existen equipos de combustión que

disponen de quemadores que no facilitan la adaptación y la solución es su reemplazo por uno nuevo

Quemadores y suministro de combustible


Quemador aceite Quemador aceite-gas



Quemador compactoQuemadores y suministro de combustible


Uso mínimo de accesorios en la instalación. El material a usar debe ser acero-carbón (no galvanizado) para

el combustible y otros tipos de material de acero para el sistema de aire.

Los escapes de gas o aire en los sistemas deben ser evitados Distribución simétrica de gas y aire cuando se alimentan varios

quemadores simultáneamente


El diseño del sistema debe garantizar el control combustible-aire, estabilidad del quemador, temperatura homogénea y señales correctas


El suministro de gas se adapta al tipo de Quemador a utilizar

Suministro de Gas y Aire a cada equipo de Combustión


Válvula de paso Manual Válvula de entrada de aire Quemadores y suministro de combustible


Sistema control entrada aire Válvula Reguladora



Válvula Control Proporc. gas-aire Válvula de Medición de flujo



Válvula de Cierre Automático Motorizada Válvula Solenoide On/Off



Instalación de Quemadores



Teniendo en cuenta los tipos de quemadores que se utilizan en la industria se describe la instalación de los siguientes quemadores:Quemadores de gas con mezcla en la boquillaQuemadores de aceiteQuemadores duales líquido-gas

Quemadores de Gas con mezcla en la boquilla

Este tipo de quemadores realiza la mezcla aire – combustible en la boquilla del quemador y facilita el control de la relacion de una manera exacta. El rango de aplicación es alto en el sector industrial; se adaptan al sistema dual.

Suministro de Gas y Aire a cada equipo de Combustión


Quemador con Mezcla en la BoquillaInstalación del sistema


PROCEDIMIENTO DE INSTALACION DE SISTEMA DE ALIMENTACION DE GAS – QUEMADOR CON MEZCLA EN LA BOQUILLA

1.Instalar una válvula limitadora de orificio entre el regulador y el quemador.

2. Si la presión mínima de gas en la entrada del regulador excede la presión máxima de aire por 2 ó más Osi, conecte el venteo del regulador a la línea principal de aire después de la válvula


PROCEDIMIENTO DE INSTALACION SISTEMA DE ALIMENTACION – QUEMADOR DE LIQUIDO

El propósito de un quemador de aceite es doble; primero, inyectar el aceite o cualquier otro combustible líquido al hogar en forma de una neblina fina (ATOMIZACION); el segundo, abastecer y mezclar el líquido con el aire, en la cantidad adecuada correcta para las mejores condiciones de combustión (MEZCLA)

El regulador aire / aceite hace que la presión de salida del aceite varíe en proporción a la presión de impulso del aire principal. Esto mantiene una relación constante entre el flujo de aceite y el flujo de aire en todo el rango de capacidad del quemador.


PROCEDIMIENTO DE INSTALACION SISTEMA DE ALIMENTACION – QUEMADOR DUAL GAS ACEITE

El uso alterno de combustibles por costo, disponibilidad y normas ambientales ha dado la oportunidad para el desarrollo de quemadores de alta eficiencia que utilizan combustibles líquidos y gaseosos. El mercado plantea diversos tipos teniendo en cuenta eficiencia, costo, mantenimiento y control de NOx.


Adaptación del Quemador Dual

La entrada de líquido en un quemador dual aceite – gas debe ser por la parte inferior, el gas y el piloto por la parte superior. La adaptacion de un quemador de aceite para uso de gas se realiza mediante un acople de cuerpo del quemador.


REVISION DE CAMARA DE COMBUSTION

1- Espacio ocupado por el combustible, productos intermedios y finales durante la reacción de combustión, determinando el tiempo de residencia para la realización de la reacción.

2- El volumen de la cámara debe evaluarse cuando se decide un cambio de combustible en el equipo de combustión, fijando de esta manera la velocidad de los gases de combustión y el perfil de temperatura de los mismos gases a lo largo del equipo.

3- El tiempo de residencia varia de acuerdo al tipo de combustible, gas, líquido o sólido, diseño del quemador, presión y velocidad de los combustibles y tipo de aplicación industrial.


Tubería de suministro y distribución Polietileno• Diámetro 1”: US$3.20/ metro• Diámetro 2”: US$4.50/ metro• Diámetro 3”: US$6.50/ metro• Diámetro 4”: US$7.50/ metro

Acero Carbón• Diámetro 1”: US$6.50/ metro• Diámetro 2”: US$7.50/ metro• Diámetro 3”: US$9.50/ metro• Diámetro 4”: US$12.50/ metro

Análisis de Costos de Inversión en la Conversión a Gas Natural


Ventajas y Desventajas del uso de Acero Carbón y Polietileno



Costo de Estación de Regulación y Medición (0-600 KPCD)



COSTO (U$D)

Filtro 1.700

Medidor de gas 4.450

Corrector de flujo 2.300

Regulador 2.100

Válvulas de bola (2) 750

Válvulas de corte (2) 2.100

Válvula de relevo de presión 1.200

Transmisores de presión y temperatura 980

Indicadores de presión y temperatura 150

Conexión y montaje 2.400

Costo total 18.130

Costo de Estación de Regulación y Medición (600-1000 KPCD)



COSTO (U$D)

Filtro 2.500

Medidor de gas 5.230

Corrector de flujo 2.300

Regulador 2.100

Válvulas de bola (2) 750

Válvulas de corte (2) 2.100

Válvula de relevo de presión 1.200

Transmisores de presión y temperatura 980

Indicadores de presión y temperatura 150

Conexión y montaje 2.400

Costo total 21.810

Costo de sistema de suministro de gas al quemador para el caso de adaptación del quemador



0-8 KPCD US$8.500

8-75 KPCD US$7.800

75-125 KPCD US$8.300

125-200 KPCD US$10.800

200-300 KPCD US$14.500

Costo de los equipos que conforman el suministro de gas al quemador y su conexión al tablero de control existente para el combustible original

Costo de adaptación del quemador al uso de gas natural



Costo para quemadores de calderas pirotubulares que usan aceite como combustible superiores a una capacidad de consumo de 25 KPCD: US$2.000.

El costo para quemadores de calderas acuatubulares varía de acuerdo a la complejidad y tamaño.

Otros quemadores de equipos que no facilitan la adaptación a combustible dual requieren su reemplazo.

BENEFICIOS ECONOMICOS DEL USO DEL GAS

NATURAL

CRITERIOS DE EVALUACIÓN Inversión Inicial referida a equipos Adquisición de área para su instalación Costos de operación (Servicios industriales y aditivos) Costo de Mantenimiento Costo por manejo de inventario de combustibles

líquidos Incidencia en la producción Costo ambiental Costo de prima para aseguramiento de instalaciones

BENEFICIOS ECONOMICOS DEL USO DEL GAS NATURAL

Beneficio Económico por las Propiedades del Gas Natural

BENEFICIO ECONOMICO POR COSTO

En el Perú el costo por unidad energética del gas natural es mas baja que los restantes combustibles.


PRECIOS DE LOS COMBUSTIBLES EN EL PERU


ESTUDIO DE COMPARACION

CALDERA PIROTUBULAR, CAPACIDAD 300 BHP, CONSUMO DE COMBUSTÓLEO 80.7 GPH; FACTOR DE SERVICIO:0.6 (100 HORAS DE OPERACIÓN SEMANAL); TIEMPO DE INVENTARIO DE COMBUSTIBLE:15 DIAS.



INVERSIÓN INICIAL REFERIDA A LOS EQUIPOS

Capacidad de tanque de almacenamiento: 18.000 gls Capacidad de suministro diario: 1.200 gls Equipo de bombeo requerido: 3 bombas de 1 HP Calentador eléctrico para el combustible 500 BTU/gl Equipo de filtración Equipo de agitación y mezcla del combustible.

COSTO DE LOS EQUIPOS US$ 38.000 Los costos evaluados reflejan gastos por uso de

combustoleo por encima del gas.



ADQUISICIÓN DE ÁREA PARA LA INSTALACIÓN

El gas natural por su facilidad de suministro no requiere área de almacenamiento, como si ocurre con los combustibles líquidos. El área requerida para la instalación de almacenamiento y manejo del combustóleo para una caldera de 300 BHP es aproximadamente de 600 m2 cumpliendo con las normas de seguridad existentes para tanques de almacenamiento.




COSTOS DE OPERACIÓN (SERVICIOS INDUSTRIALES Y ADITIVOS)

Costos de calentamiento del combustóleoQ calent = W C T

C: Coeficiente calórico del combustóleo = 0.53 BTU / lb ºKW: Cantidad másica de combustóleo por galón: 7.9 lbs / galónT: Diferencia de temperatura, ºKQf calent =7.9 lb/gal * 0.53 BTU/lb ºK * (353 -293)ºK

Q calent = 251 BTU / gal

Precio KW.H Industrial: US$ 0.12Costo: 251BTU /gal / 3413 BTU/KW * US$ 0.12 KW = U$ 0.0088/galónPara la caldera de 300 BHP y factor de servicio de 0.6 tenemos:Costo calentamiento = 80.7 gal/hr * 432 hr / mes * US$ 0.0088/ galCosto calentamiento = US$ 307 / mes



Costos de calentamiento para atomización del combustóleo

Por calentamiento del combustible:Q = W C T Rango de calentamiento : 80ºC a 100ºCQ = 7.9 lb/gal * 0.53 BTU / lbºK ( 373 - 353 )ºK Q = 83.7 BTU / galCosto/Galón =83.7 Btu/gal / 3413 BTU/KW *U$0.12 / KW.H = US$ 0.003/gal

Costo = 80.7 GPM * 432 hr/mes * US$ 0.003 / galCosto = US$ 105 / mes



Costos de energía de atomización del combustóleoCosto Atomización = 3 HP* 0.746 KW / HP * US$0.12 / KW.HCosto Atomización = US$ 0.27 / horaCosto por Mes = US$ 0.27 / hr * 432 hr / mesCosto por Mes = US$ 117 / mes

Costos por bombeo del combustóleoCosto Bombeo = 1 HP * 0.746 KW / HP * US$ 0.12 / KW.HCosto Bombeo = US$ 0.09 / horaCosto por Mes = US$ 0.09 / hr * 432 hr / mesCosto por Mes = US$ 39 / mes



Los aceites pesados y el combustóleo en oportunidades requiere aditivos mejoradores de combustión y homogenizadores para evitar su estratificación por temperatura y tiempo de almacenamiento, con ello se garantiza una combustión correcta. Dosificación del aditivo:1000 ppm (1 gal de aditivo por 1000 gal)Consumo de combustible: 80.7 gal/hrCosto promedio del galón de aditivo : US$ 28Costo aditivo por mes: 35 galones / mes * US$ 28 /galCosto aditivo por mes: US$ 980 / mes

Total costo operación del combustóleo US$ 1,548 por mes


COSTO DE MANTENIMIENTO


COSTO MANO DE OBRA POR MANTENIMIENTO

Para una caldera pirotubular de 300 BHP se tiene un mantenimiento programado cada 8 meses con una duración de cinco (5) días de inspección y mantenimiento, con una asignación de 2 mecánicos y un obrero laborando 9 horas / día.


COSTO DE MANTENIMIENTO

Costo mano de obra incluyendo factor laboral (1.8)= US$ 90 /díaDías requeridos mantenimiento: 10 días / año = 0.83 días / mesCosto de mantenimiento programado: US$ 75 / mes

Costo de repuestos y materialesEn este renglón se tiene en cuenta la historia que posee el equipo de combustión en cuanto a repuestos requeridos en los últimos 3 años.


COSTO POR MANEJO DE INVENTARIO DE COMBUSTIBLES LÍQUIDOS

Para una caldera de 300 BHP se debe mantener un inventario de 8 días de suministro cuando el punto de compra a entrega distan más de 300 Km y con alta posibilidad de contingencias.

Volumen del inventario 80.7 gph x 24 h/día x 0.6 x 8 días = 9300 galones

Costo del inventario 9300 galones x US$ 0.858 / gal = US$ 7.980

Interés por manejo de inventario US$ 7.980 x 1.0% (mensual) = US$ 79.8 / mes


INCIDENCIA EN LA PRODUCCIÓN El gas natural es un combustible de mayor eficiencia si se compara con un combustible líquido, de igual manera se caracteriza por su fácil control en los procesos de combustión que incide directamente en el nivel de producción. Para cuantificar los beneficios del uso del gas es necesario identificar la importancia que para el proceso mismo representa el uso del energético.


COSTO AMBIENTAL

El gas natural es un combustible limpio, amigable al medio ambiente y por lo tanto no requiere equipos de tratamiento de los gases de combustión que garanticen el cumplimiento de las normas colombianas sobre emisiones por fuentes fijas en proceso de combustión.

Las emisiones debidas al uso del combustóleo como combustible deben ser monitoreadas respecto a material particulado y componentes de azufre con una frecuencia de dos veces por año.Costo de monitoreo ambiental por mes: US$ 83


Durante el proceso de valoración de riesgos a instalaciones industriales, el almacenamiento de combustibles en áreas internas son un factor determinante en el incremento de las pólizas o formas de aseguramiento por el alto índice de accidentalidad con las que están calificadas.

La eliminación de áreas de almacenamiento debidas al uso del gas natural representa menores riesgos y a su vez costo, el cual es determinado por la tecnología, equipos y medidas de seguridad implementadas que cada industria posee

COSTO DE PRIMA PARA ASEGURAMIENTO DE INSTALACIONES

SOBRECOSTO POR EL CONSUMO DE COMBUSTOLEO RESPECTO AL GAS NATURAL

Costo total por uso del combustóleo: US$ 1,786 / MES



Determinación del Beneficio por uso del Gas Natural en razón a su precio

Consumo de fuel oil por mes: 34.862 gal/mesFactor de servicio de la caldera: 0.6

Precio del fuel oil: US$0.87/galFacturación Mensual de fuel oil: US$30.330/mes

Precio del gas natural: US$3.85/MMBTU

Consumo energético caldera por mes: 34.862 gal/mes * 143.150 BTU/gal fuel oil = 4.990 MMBTU/mes


Determinación del Beneficio por uso del Gas Natural en razón a su precio

Poder calorífico del gas: 1.0 MBTU/pie3Consumo equivalente de gas natural en la caldera: 4.99 MPC/mes

Facturación Mensual de gas natural: US$19.211/mes

Beneficio económico del uso del gas natural: US$30.330/mes - US$19.211/mes = US$ 11.119/mes Ahorro en la facturación mensual por uso de gas natural:

US$ 11.119/mes

NORMAS REFERIDAS A LA SEGURIDAD,

MANEJO DE COMBUSTIBLES E INSTALACIONES INDUSTRIALES

NORMATIVIDAD

• NORMA EUROPEA EN – 746 - 1 (1997)

Requisitos comunes de seguridad para equipos de tratamiento térmico Industrial

• NORMA EUROPEA EN – 742 – 2 (1997)

Requisitos de seguridad para la combustión y los sistemas de manutención de los combustibles

NORMATIVIDAD

Alcance: Fija los aspectos de seguridad para la operación de equipos de

combustión respecto a los peligros asociados a los equipos.

Contenido: Definición de equipos de combustión aplicables a la norma Requisitos de seguridad para la protección contra:

Peligros mecánicos Peligros eléctricos Peligros térmicos Ruido y vibración Radiación Térmica, óptica, ionizante y no ionizante. Daños por productos y sustancias peligrosas

NORMATIVIDAD

Requisitos de Seguridad, Medidas y Medios de Verificación:

Exigencias al fabricante del equipo para minimizar los riesgos Requisitos generales de diseño y construcción

AccesoMantenimiento y espacios de limpiezaMovimiento de material y maquinariaSeguridad en la operaciónHigiene y seguridad del puesto de trabajoProtección contra incendiosContaminación

NORMATIVIDAD

Medidas de Prevención para riesgos mecánicos:

Aplastamiento Corte Enredamiento Impacto Fluidos a presión – Fugas Expulsión de partes Implosión para equipos al vacío Estabilidad: Resistencia dinámica y estática

NORMATIVIDAD

Medidas de Prevención para riesgos eléctricos:

Análisis detallado de las instalaciones eléctricas Prevención al acceso a sistemas activos: protectores Electrostáticos: Toma a tierra Sobrecarga eléctrica: Sistemas de corte

Medidas de Prevención para riesgos por ruido:

Reducción del ruido en la fuente: Quemadores de bajo ruido Supresión del ruido por dispositivos: Cámaras acústicas Supresión de ruido: Uso de protectores para el personal

NORMATIVIDAD

Medidas de Prevención para riesgos térmicos:

Contacto con superficies calientes: Diseño, protección y señalamiento

Incendio / Explosión: Prevenir fugas de mezclas a alta temperatura y combustibles.

Eliminación de mezclas inflamables: Purgas Expulsión de partículas calientes: Overboil Estrés Térmico y otros aspectos fisiológicos: Temperatura

máxima para acceso del operador.

NORMATIVIDAD

Medidas de Prevención para riesgos por vibración:

Reducir la vibración a los valores mínimos en la fuente o instalación de pantallas antivibración.

Medidas de Prevención para riesgos por radiación:

Radiación no Ionizante: Infrarroja y ultravioleta Instalación de mirillas de inspección

Radiación Ionizante: Rayos X Protección y señalamientos en las áreas

NORMATIVIDAD

Medidas de Prevención para riesgos por Materiales y Sustancias

Sistemas de evacuación de compuestos nocivos a la salud: toxicidad y asfixia

Atmósferas explosivas: Sistemas de corte a combustibles, purgas y sistemas de detección.

Medidas de Prevención para riesgos por ruido:

Falla en el suministro de corriente y fluidos auxiliares: Sistemas de corte y alivio

Fallas en el montaje: Supervisión adecuada Fallas en los sistemas de control: Sistemas de corte y alivio,

dispositivos de información y advertencia (Alarmas)

NORMATIVIDAD

Alcance:

Aplicable a los equipos de combustión y al manejo de los combustibles.

Contenido:

Definiciones aplicables a la norma Manejo de combustibles gaseosos Manejo de combustibles líquidos Manejo de combustibles sólidos

EN – 746 - 2

NORMATIVIDAD

Alcance y Manipulación de los combustibles – Tipo de Combustible

Sistema de Distribución Tuberías Conexiones Tuberías no conexionadas Pares Galvanicos Tuberías flexibles Identificación del sistema

Pruebas y ensayos Purgas y venteos Equipos de retrollama Sistema de alivio de

presión Bypass

EN – 746 - 2

NORMATIVIDAD


Dispositivos Obligatorios Válvula de aislamiento manual Filtro Válvula de parada de seguridad Regulador de presión Detector de caudal de presión (aire y combustible) Sistema de encendido Válvula individual de parada para quemadores múltiples

EN – 746 - 2

NORMATIVIDAD


Aire de combustión y prepurga de cámara de combustión

Aire de combustión Prepurga de cámara de combustión Relación aire-combustible

EN – 746 - 2

NORMATIVIDAD

Alcance y Manipulación de los combustibles

Suministro de premezcla aire-combustible Tubería de mezcla Suministro de aire y combustible al circuito de mezcla

Quemadores Quemadores principales Arranque y encendido Control de la capacidad del quemador Piloto permanente

Aseguradores de llama Equipos de baja temperatura Equipos de alta temperatura Aseguramiento de llama para quemadores al aire-libre

EN – 746 - 2

Calderos, combustion, gas natural

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