Williams Gonzales M., PhD.

Octubre 2012Santa Cruz - BoliviaDIPLOMADO EN DISEO, OPERACIN Y MANTENIMIENTO DE CENTRALES DE GENERACION TRMICASISTEMAS DE COMBUSTIN Y EFICIENCIA EN CALDEROS

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Estudiar las caractersticas de combustin de combustibles lquidos y gaseosos.

Entender el principio de funcionamiento de las cmaras de combustin en los calderos y turbinas.

Estudiar sistemas de alimentacin de combustible gaseoso y lquido en CGT.

Evaluar calidad de quema de combustibles mediante evaluacin estequiometrca de reacciones qumicas de combustin completa e incompleta.

Aplicar conservacin de energa en la reaccin qumica de combustin en turbinas y evaluar eficiencia de combustin.

Evaluar niveles de emisiones de productos o humos contaminantes al medio ambiente.

Objetivos

W. Gonzales M.Combustibles Fsiles y Eficiencia de Combustin

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BIBLIOGRAFIAW.Gonzales M., Apuntes de Sistemas de Combustin, Universidad Privada Boliviana, 2005.

E. Brizuela, S. Romano, Curso de Combustin, Universidad de Buenos Aires, 2003.

Mekler, Ungar, Monograph for Combustion Calculation, Journal of Petroleum Refination, 1956.

GPSA, Engineering Data Book Vol.1 y 2, Gas Processors Suppliers Association, 2000.W. Gonzales M.

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Contenido de la MateriaCap. 1 : Introduccin a la combustin de lquidos y gasesCap. 2 : Caractersticas y propiedades de los combustiblesCap.3 : Estequiometra y Termoqumica de las reacciones de

combustin completa e incompletaCap. 4 : Sistemas de combustin en turbinas y calderos Cap.5 : Sistemas de alimentacin y control de calidad del combustible.Cap. 6 : Medicin de humos y calidad de combustinCap. 7 : Instrumentacin y Control en un Sistema de Combustin

W. Gonzales M.Combustibles Fsiles y Eficiencia de Combustin

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W. Gonzales M.Combustibles Lquidos y GaseososCombustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Combustibles LquidosLos combustibles al alcanzar su punto de fulgor se transforman en gases . Continuando el calentamiento, por fuente externa, alcanzan la temperatura de combustin, emitiendo gases inflamables en cantidad suficiente para sustentar la combustin y el mantenimiento de la llama.

Entre los combustibles lquidos ms comunes estn:

NaftaDiesel oilFuel oilJet fuel oilKeroseneAlcoholeSolventesGLPCombustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Contaminantes de los CombustiblesAzufre

Genera polucin atmosfrica.

Responsable por los problemas de corrosin en los componentes de la regin fra de los hornos (precalentadores, ventiladores, chimenea y chaperia) cuando estos son dotados de precalentadores de aire.

Este problema es crtico cuando se quema fuel oil, por la reduccin de la eficiencia trmica, pues para limitar la corrosin en valores aceptables, los gases de combustin no pueden ser resfriados a temperaturas inferiores de 140 170 oC, funcin de la concentracin de azufre del fuel oil.

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Composicin de los Hidrocarburos El petrleo crudo y el gas tienen orgen orgnico contienen componentes tpicos de materia vegetal y animal, la alteracin de estos se definen como HIDROCARBONATOS. COMPOSICION DE UN PETROLEO CRUDOTamao de MolculasGasolina (C4 C10)31%Kerosene (C11 C12)10 %Gasoil (C13 C20)15%Lubricante oil (C20-C40)20 %Residuo (C40+)24 %100 %Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Combustibles Lquidos COMPOSICION DE UN PETROLEO CRUDOTipo de Molculas:Parafinas30 %Naftenos49 %Aromticos15 %Asfaltos 6 %100 %Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Combustibles Lquidos COMPOSICION DE UN PETROLEO CRUDOPAISGravedad API Sulfuro% USA,Oklahoma 37,3 0,11(dulce)MEXICO, Poza Rica 30,7 1,67 (amargo) IRAK, Kirkuk 36,6 (ligero) 1,93 (amargo)VENEZUELA,La Rosa 25,3 (pesado) 1,76 (amargo)BOLIVIA, 55 (muy ligero) 0,4 (dulce)Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Fuel OilEl fuel oil puede ser definido como una mezcla de hidrocarburos residuales de refinera cuyo principal componente es el residuo de vaco (RV) o residuo asfltico (en el caso de refineras que posean el proceso de desasfaltizacin a propano).

A estos residuos son adicionados derivados mas livianos con la finalidad de especificar la viscosidad del fuel oil. Cada uno de estos tipos de fuel oil pueden ser del tipo A o B conforme la concentracin de azufre (1% < Tipo A < 5%, Tipo B < 1% )Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Fuel Oil

Una especificacin importante para el fuel oil es el punto de fluidez, siendo clasificados en APF(alto punto de fluidez, mayor que la temperatura ambiente) y BPF (bajo punto de fluidez, menor que la temperatura ambiente).

Los de alto punto de fluidez, producidos por petrleo con elevada concentracin de parafinas, son utilizadas apenas en instalaciones que disponen de condiciones de calentamiento para mantenerlo al fluido.Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Composicin de Gas NaturalCombustibles Lquidos y Gaseosos

Hoja1

Elementoyi(%)Tci(oF)Tci(oR)Pci(psia)Mi(kg/kg-mol)yi*Tci(oR)yi*Pci(psia)yi*Mi

Metano84.979-116.66343.0166716.043291.4864679566.8099313.63318097

Etano6.08290.07549.74707.830.0733.435186843.0483961.8288574

Propano3.339205.92665.5961544.09722.224050120.534851.47239883

I-Butano0.436274.41734.08527.958.1233.20058882.3016440.25341628

N-Butano1.081305.51765.18548.858.1238.27159585.9325280.62830963

I-Pentano0.257368.96828.63490.472.152.12957911.2603280.1854255

N-Pentano0.302385.7845.37488.172.152.55301741.4740620.217893

Hexano0.22451.8911.47439.586.1172.0052340.96690.1894574

Heptano+0.254510.9970.57397.4100.2042.46524781.0093960.25451816

Nitrgeno2.431-232.49227.18492.828.01345.522745811.9799680.681005754

Dioxido de Carbono0.61987.73547.41069.544.013.3884066.6202050.2724219

Tpc=376.6821195

Si P=500 psia y T=100 F+459.67

Tpr=T/Tpc=1.4857886027Ppc=661.938207

Ppr=P/Ppc=0.7553575163

Z=0.925De Figura 23-4Mpc=19.616884824

Densidad=(M*P)/(10.73*T*Z)G=0.6560207164

Densidad=1.7657392212(lb/ft3)

ViscosidadAp=0,011 cpViscosidadAp=0.01127cp

SumCO2=0.00005 cpVisc./Visc.Ap=1.07

SumN2=0.00022 cpViscosidad=0.012059cp

Viscosidad=0.012 cpDe Fig.23-23

Viscosidad=0.0115 cpDe Fig.23-23

Hoja2

Hoja3

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W. Gonzales M.Gases de RefineraCombustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Gas Combustible utilizado en RefineraCombustibles Lquidos y Gaseosos

H240.394C143.096C29.814C34.168i-C40.889n-C41.059i-C50.314n-C50.212C6+0.054

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W. Gonzales M.Propiedades de los Combustibles Las propiedades ms importantes que caracterizan a los combustibles son:Composicin.Relacin msica Hidrgeno/CarbonoPoder calorfico.Viscosidad.DensidadPunto de inflamabilidad o temperatura de ignicinTemperatura de combustinContenido de azufre.

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Propiedades de los Combustibles LquidosCombustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Propiedades de los CombustiblesComposicin La composicin de un combustible es fundamental para poder determinar los parmetros estequiomtricos caractersticos de la reaccin de combustin.

Establece si el combustible es apto o no para el uso que se requiere, en funcin de la presencia de componentes que puedan ser nocivos o contaminantes.La forma habitual de indicar la composicin de un gas es como porcentaje en volumen de cada uno de sus componentes, en condiciones normales de temperatura y presin. Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Composicin de los Combustibles Lquidos Si se trata de un combustible slido o lquido, lo ms usual es indicar la masa de los n componentes referida a un kilogramo de combustible. La Tabla muestra la composicin de dos combustibles lquidos.

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Relacin Msica de Hidrgeno y CarbonoTodo combustible es una sustancia que tiene como componentes importantes a molculas de Carbono e Hidrgeno.

El Carbono representa al grado de energa o poder calrifico que tiene el combustible, o sea todo combustible con mayor cantidad de carbono poseer mayor poder calrico.

El Hidrgeno representa un combustible que estimula la propagacin de la llama y aumenta la velocidad de la misma, por lo que influye en la calidad de la combustin y la transformacin de energa primaria en energa en forma de calor.

Un combustible que tiene mayor cantidad de hidrgeno alcanzar velocidades mayores de llama y facilita la combustin, pero dificulta su control.

Combustibles Lquidos y Gaseosos

CombustibleRCH40,330C2H60,250C3H80,222Gasolina0,195Carvn en polvo0,05Fuel oil0,11

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W. Gonzales M.

Gravedad Especfica y Densidad de un Lquido

donde, o es la gravedad especfica a 60o/60o Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Propiedades de PetrleoFactor de Caracterizacin del Petrleo (K)

Tb= Temperatura de ebullicin molar promedio, oR, a 1 atmG = Gravedad especfica del petrleo a 60 oF y 1 atm

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Propiedades de PetrleoViscosidad Dinmica ()

La viscosidad dinmica del petrleo, o, normalmente es obtenida experimentalmente y expresada en Segundos Saybolt Universales (tSUS), producto de la medicin de esta propiedad en un equipo Saybolt. Para clculos en ingeniera la viscosidad se expresa normalmente en centipoises, cp, su equivalencia con tSUS en segundos est dada por:

donde, esta en centipoises y Go es la gravedad especfica del petrleo a la temperatura de medicin.Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Viscosidad Dinmica ()Cap. 4 Propiedades de los Hidrocarburos

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W. Gonzales M.

Calor Especfico (cp)

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Entalpa Especfica (h)

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Poder Calorfico de Combustibles Lquidos

Combustibles Lquidos y GaseososContenido de Azufre en Combustibles Lquidos

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W. Gonzales M.

Especificaciones Tpicas en un Fuel Oil

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Comparacin de Composicin de Combustibles

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Propiedades de los Combustibles GaseososCombustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.Propiedades de los CombustiblesComposicin Los componentes ms habituales en un combustible gaseoso son: Hidrocarburos, de frmula genrica CnHm Dixido de carbono: CO2. Monxido de carbono: CO. Hidrgeno: H2. Oxgeno: O2. Nitrgeno: N2. Dixido de azufre: SO2. Sulfuro de hidrgeno: SH2. Vapor de agua: H2O.Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.DensidadEn el caso de combustibles se utilizan tanto la densidad absoluta (kg/m3) como la densidad relativa o gravedad especfica relativa al aire (adimensional) para los gases y relativa al agua para los lquidos.

La densidad relativa del gas natural presenta valores entre 0,5 a 0,8 y la densidad relativa del petrleo oscila entre 0,6 y 0,9.La densidad absoluta del aire, en condiciones normales (0C y 1atm), es de 1,287 kg/m3.

La densidad absoluta del agua, en condiciones normales (0C y 1atm), es de 1000 kg/m3.

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Ecuacin de Estado para un Gas Ideal

Donde,

P = Presin absolutaV= Volumenn=Nmero de molesR=Constante Universal de los GasesT=Temperatura absoluta

Ley de Boyle:

Ley de Charles:

Ley de Avogadro:

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Mezcla de Gases Ideales

Ley de Presiones Parciales de Dalton:

Establece que la presin total ejercida por una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones ejercidas por sus componentes. La presin ejercida por cada componente es conocida como su presin parcial en el sistema.

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Mezcla de Gases Ideales

Ley de Amagat de Volmenes Parciales:

Esta ley postula que el volumen total ocupado por una mezcla de gases es igual a la suma de los volmenes que podran ocupar las substancias puras a las mismas condiciones de presin y temperatura. Por esta razn esta ley es conocida como la Ley de los Volmenes Aditivos, y los volmenes ocupados por cada componente como volumen parcial.

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Peso Molecular Aparente de Mezcla de Gases

Siendo que una mezcla de gases est compuesta de molculas de varios tamaos, decir que la mezcla de gases tiene un peso molecular no es estrictamente correcto. Sin embargo, una mezcla de gases se comporta como si este tuviera un peso molecular definido. Este peso molecular es conocido como peso molecular aparente y est definido por:

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Gravedad Especfica de un Gas

La gravedad especfica de un gas es definida como la relacin de la densidad del gas y la densidad del aire seco, ambos medidos a las mismas condiciones de presin y temperatura.

Esto significa,

Donde, donde g es la gravedad especfica del gas Combustibles Lquidos y GaseososDonde, donde Mg es el peso molecular del gas

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W. Gonzales M.

Comportamiento de Gases Reales

Para estudiar el comportamiento termodinmico de los gases reales, en la actualidad existen cientos de ecuaciones de estado propuestas por investigadores, sin embargo la ecuacin de estado de compresibilidad es la mas utilizada en la industria petrolera. Esta ecuacin considera el desvo del comportamiento de los gases reales con respecto a los gases ideales mediante un factor de correccin en la ecuacin de estado de gases ideales. Esto resulta en,

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Factor Z de desvo o de Compresibilidad

Combustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Principio de Estados Correspondientes en Substancias Puras

Esta ley o principio establece que todas las substancias puras tienen el mismo factor de desvo Z a similares condiciones de presin y temperatura reducida. Este principio es resultado del anlisis de que las formas de las isotermas del factor de desvo para distintas substancias son muy similares, esto significa que el comportamiento cualitativo de las substancias son similares aunque cuantitativamente son distintos.

pr= p/pc = (Presin de la substancia / Presin crtica) = Presin reducida

Tr= T/Tc = (Temperatura de la substancia / Temperatura crtica) = Temperatura reducida

Vr= V/Vc = (Volumen de la substancia / Volumen crtico) = Volumen reducidoCombustibles Lquidos y Gaseosos

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W. Gonzales M.

Combustibles Lquidos y GaseososFactor Z para Substancias Puras (aire)

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