Poder Calorifico 2010 1

PODER CALORÍFICO

DE HIDROCARBUROS

LUZ ALEJANDRA AMAYA PRADAUniversidad Industrial de SantanderEscuela de Ingeniería de Petróleos

Bucaramanga, 2010.

Poder Calorífico de Hidrocarburos

Introducción

PODER CALORÍFICO

COSTO

ENERGIA ENTREGAD

A

COMBUSTIBLES


ObjetivosGeneral

Comprender los conceptos de poder calorífico y combustión, así como su importancia para la industria energética y la vida cotidiana.

Específicos •Identificar los conceptos básicos de Poder Calorífico superior e inferior y su estandarización.

•Conocer las formas y medios para la determinación del poder calorífico de combustibles gaseosos, líquidos y sólidos.

•Describir el Método de Prueba de la Norma ASTM D240 para la determinación del Calor de Combustión de hidrocarburos usando la bomba Calorimétrica.


CombustiónProceso de transformación de la materia.Inicia con un aporte de energía y en presencia de oxigeno; forma nuevas sustancias y libera energía en forma de calor y luz.

Se produce cuando convergen los siguientes factores:

Si alguno de estos tres factores se elimina, el fuego se extingue.


Tipos de Combustibles

Tipos de combustibles de acuerdo a su estado físico:

Combustibles Sólidos• Naturales• Artificiales

Combustibles Líquidos• Derivados del Petróleo • No Derivados del Petróleo

Combustibles Gaseosos• Gas Natural • Gas Manufacturado


Poder Calorífico

Cantidad de calor que entrega un kilogramo, o metro cúbico, de combustible al reaccionar con el oxigeno en forma completa. Es decir cuando el carbono pasa a anhídrido carbónico:

C + O2 CO2

Unidades [kcal/kg], [kcal/ m3], [BTU/lb], [BTU/ ft3].


Poder Calorífico Inferior O Neto

Poder calorífico cuando el vapor de agua originado en la combustión no condensa.

CH2

O2

N2

CO2 H2

O N2

Calor

Poder Calorífico Inferior

Calor de Oxidación del Combustible


Poder Calorífico Superior O Total Poder Calorífico que incluye el calor de condensación del

agua se desprende en la combustión.

CH2O2

N2

CO2 H2O N2

Calor

Calor

Poder Calorífico Inferior

Calor de Oxidación del Combustible

Calor de Condensación del Vapor de Agua

Poder Calorífico Superior


Formas de Poder CaloríficoLa diferencia entre ambos poderes caloríficos se calcula a partir del análisis fundamental del combustible. Para ello:

•Si se determina la cantidad de agua producto de la combustión del hidrogeno •Se calcula la energía que esta agua libera al condensarse en condiciones de referencia.


Determinación del Poder Calorífico

Existen dos procedimientos para determinar el poder calorífico de una sustancia:

• Procedimiento experimental.

• Procedimiento analítico.


Procedimiento ExperimentalEmplea los calorímetros. En ellos: •Se quema una cierta cantidad de combustible. •Se mide la cantidad de calor producida a través de la energía térmica ganada por una cantidad de líquido conocido (agua). Según el método, este líquido está contenido en un recipiente, o permanece en continua circulación.

En un proceso ideal se cumple:


Calorímetro


Tipos de Calorímetros

•Método Adiabático: aísla el sistema del exterior. Bomba de Mahler.Calorímetro de Fery.Calorímetro de Lewis- Thomson.

•Método Isotérmico: mantiene constante la temperatura del sistema.

Calorímetro de Parr.Calorímetro de Junkers. Calorímetro de Emerson.


Método Adiabático

Igualar T del recubrimiento a la

del calorímetro con una precisión

de 0.02 ºF y mantener durante

3 min.

Registrar la temperatura

inicial y encender la

carga.

Ajustar T del recubrimiento a la del calorímetro durante el

incremento, manteniéndolas lo más cercanas posibles y

ajustando dentro de 0.02ºF al aproximarse a la T de equilibrio

final.

Tomar las lecturas del calorímetro en intervalos

de 1 min hasta que no varíe la T en tres lecturas sucesivas. Esta se registra

como la T final.

Procedimiento

Temperatura: 2.0 a 2.5 ºF


Método Adiabático

Cálculo de la temperatura

af ttt

Donde: = Aumento de la temperatura corregido. = Temperatura a la cual la carga fue encendida, corregida

para el error del termómetro. = Temperatura final de equilibrio, corregida para el error

del termómetro.

att

ft


Método AdiabáticoCálculo calor de combustión

Donde: =Calor neto de combustión [MJ/Kg], [cal/g]. =Incremento de temperatura corregido. =Peso de la muestra [g]. =Energía equivalente del calorímetro [MJ/°C], [cal/°F] =Corrección para el calor de formación del =Corrección para el calor de formación del =Corrección para el calor de combustión de los alambres

gQ

3HNO

t

W

g

1e

2e

3e42SOH

geeeWtQg 1000/321


Método Isotérmico

Se ensambla el calorímetro en el recubrimiento y se enciende el

agitador.

Se agita por 5 min hasta alcanzar el

equilibrio, registrar T del calorímetro en intervalos de 1 min durante 5

min.

Al sexto min se enciende la carga y se registra T, luego agregar a esta T el 60% del

incremento esperado y registrar el tiempo en el

que se alcanza este porcentaje.

Después del incremento (4 a 5 min) se registra T en

intervalos de 1 min hasta encontrar lecturas de

temperatura constantes durante 5 min.

Procedimiento

Temperatura: 3.0 a 3.5 ºF


Método IsotérmicoCálculo de la temperatura

Donde: = Incremento de temperatura corregido. = Tiempo de combustión. = Tiempo en el cual el incremento alcanza el 60% del total. = Tiempo de inicio de temperatura constante. = Temperatura al momento de la combustión. = Temperatura al tiempo c, corregida = Tasa de ascenso de la temperatura 5 min antes de la combustión. = Tasa de ascenso de la temperatura 5 min después de la temperatura c; si desciende, r2 es negativa y la cantidad –r2 (c – b) es positiva.

t

bcrabrttt ac 21

abcatct

1r

2r


Norma ASTM D240

Equipo: Bomba de oxígeno, calorímetro, termómetros, camisa adiabática y pipeta.

Pesar la muestra (precisión 0.1 mg) .Si se conoce el calor de combustión de la muestra se puede calcular el peso requerido.

Adicionar 1 ml de agua en la bomba.

Cargar la bomba de oxígeno a 3.0 MPa (30 atm).


Norma ASTM D240

Ajustar la temperatura del agua desionizada del calorímetro (2000 g).

Introducir la bomba en el calorímetro, cerrar la tapa y encender el agitador.

Conectar los alambres de ignición y activarlos.

Se lee la temperatura registrada en el termómetro y se toma la temperatura final del agua del calorímetro.


Procedimiento AnalíticoConsiste en aplicar el principio de la conservación de la energía que dice:

“El poder calorífico de un cuerpo compuesto es igual a la suma de los poderes caloríficos de los elementos simples que lo forman, multiplicados por la cantidad centesimal en que intervienen, descontando de la cantidad de hidrógeno total del combustible la que se encuentra ya combinada con el oxigeno del mismo”.


Entalpías de FormaciónSe define como la cantidad de energía necesaria para formar un compuesto, a partir de sus elementos constitutivos ( ).


Cálculos Analíticos•A presión y volumen constantes:

•La entalpía se define por la relación:

•Para gases (ley de gases ideales) se cumple que:


Cálculos Analíticos.

•Para mezclas de hidrocarburos líquidos, Sherman y Kropff (API 60/60):

•Para combustibles obtenidos de hidrocarburos pesados por craqueo, Faragher, Morrell y Essex, plantean:


Poderes Caloríficos de Combustibles.

Tomado de: Kalipedia (en línea). Conservación y Degradación de la Energía – Poder Calorífico de Combustibles.

Combustible Poder calorífico (kcal/kg) Usos

Madera (según) composición) 2.500-4.000 Calefacción

Carbón (según) composición) 4.000-9.000 Calefacción

Alcohol de 95º 6.740 Transporte terrestre

Gasóleo 10.325 Transporte terrestre y marítimo, calefacción

Gasolina 95 10.400 Transporte terrestre Gasolina 98 10.550 Transporte terrestre Butano 10.900 Calefacción

Gasoil 10.200 Transporte terrestre

Fueloil 9.600 Transporte terrestre

GLP (gas licuado de petróleo) 11.000 Transporte

Gas natural 12.800 Calefacción, transporte Hidrógeno 28.700 Cohetes


ConclusionesPoder calorífico: Cantidad de energía liberada en forma de calor por unidad de masa o de volumen, cuando una sustancia se quema completamente. Razón por la cuál este es un índice importante en la comercialización del mismo.

Un mismo combustible puede presentar poderes caloríficos distintos de acuerdo al estado de humedad de los productos.

Entre mas componentes pesados tenga el crudo, el poder calorífico será menor y por lo tanto, también su valor comercial.

El método para obtener el poder calorífico de una muestra de combustible, se encuentra estandarizado bajo norma ASTM D 240.


Bibliografía.

SMITH, J.M. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. 5 edición, McGraw-Hill, México, 1995.

PERRY, J.H. Chemical Engineering Handbook. 7° Edición, McGraw-Hill, 1998.

GARCÍA SAN JOSÉ, Ricardo. Combustión y Combustibles. (En línea).

LUQUE SENDRA, Amalia. Determinación del Poder Calorífico Superior de una Sustancia con una Bomba Calorimétrica Adiabática. (En línea).

NORMA ASTM D240, Copyright © ASTM International, United States.


Bibliografía.

PALLARES HUICI, Enrique. Centrales Térmicas y Nucleares, cap-3 Combustibles y Combustión. Universidad Politécnica de Valencia (En línea).

TEXTOS CIENTÍFICOS. Química; Energías Alternativas; Tecnología de los combustibles. (En línea).

WIKIPEDIA. Enciclopedia; Calorímetro. (En línea).

NIETO-VILLAR, J.M.; Termodinámica. Dpto. Química- Física, Facultad de Química, Universidad de la Habana (En línea).


GRACIAS

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