Calderos, combustion, gas natural

GAS NATURAL USOGAS NATURAL USO
INDUSTRIALINDUSTRIAL
Diseño, Instalaciones,Diseño, Instalaciones,
Conversión, operación,Conversión, operación,
MantenimientoMantenimiento
COMBUSTION-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

• 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

DEFINICION 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 hidrógeno
La 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.

TIPOS 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.

TIPO 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 Proceso
Unidades de secado
Generación de vapor
Combustión interna
Generadores
Cogeneración
Turbinas
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
COMBUSTIBLES 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 SÓLIDOS
CONSIDERACIONES 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
LIQUIDOS
Crudo 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 LIQUIDOS
Composición 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 LÍQUIDOS
GRAVEDAD 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
γ
3
2 2.62
ft
lb
OH =
ρ
gal
lb
34.8
5.131
5.141
−=
γ
APIO

VISCOSIDAD
La 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
viscosidad
Comportamiento de la viscosidad con la temperatura
A mayor temperatura menor viscosidad (GPSA FIG 23.21)
PODER CALORIFICO
Energía liberada como calor en la combustión
Relación poder calorífico y gravedad específica

DESTILACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS
Combustibles destilados: baja viscosidad, humedad y contenido de
metales
Combustibles residuales: alto contenido de contaminantes
La destilación ayuda a determinar el comportamiento de los combustibles
líquidos.
PUNTO DE CHISPA
Temperatura 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

RESIDUOS DE CARBÓN
Tendencia a formar hollín en el proceso de combustión
Se mide como carbón conradson y determina el potencial del
combustible líquido a formar humos.
CONTENIDO DE CENIZAS Y METALES
Material no inflamable presente en el combustible.
Causan problemas en los equipos y en la eficiencia de la transferencia
de calor

AGUA Y SEDIMENTOS
Arrastre 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 NITROGENO
Componentes orgánicos que liberan óxidos de azufre y nitrógeno en la
combustión.
Causan corrosión y lluvia ácida.

PUNTO DE FLUIDEZ
Temperatura mas baja a la cual el combustible líquido fluye.
Propiedad que determina inversiones para su manejo.
TEMPERATURA DE AUTO – IGNICION
La temperatura mas baja para que ocurra combustión auto-sostenida
en ausencia de llama o chispa
Es una indicación de la facilidad de un combustible a combustir
Temperatura auto-ignición de gasolina: 370 o
C

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. Unidades
Especificaciones de calidad.
Mínimo. Máximo.
Poder calorífico bruto. Kcal/sm3
8450 10300
Sulfuro Hidrógeno. (H2
S) 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.
3
0763.0
ft
lb
aire=
ρ
3
225.1
m
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 +→+
QUIMICA 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
i
iCv
1
1 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=3
Para O: 2V2 = 2V3 + V4 Reemplazando V3 y V4 tenemos:
OHVCOVOVHCV 242322621 +→+
2
7
2 =V
OHCOOHC 22262 32
2
7 +→+

ESTEQUIMETRIA DE LA COMBUSTION
Determinación de Oxígeno y aire teórico
Cantidad 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
OH
m
nCOO
m
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 combustible
Vam: Volumen de aire teórico por volumen de gas
Xi: Fracción de componente i en la mezcla de gas.
Vai: Volumen de aire teórico del componente i, por volumen del
gas i
2
1
76.4 XoVXV
n
n
aiiam −





= ∑=

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
1
2
76.4)(
i
Oaiiam XVXV

Ejemplo de cálculo teórico de aire para la combustión .
2)
4
4
1(4
=+=CHVo
2
7
)
4
6
2(62
=+=HCVo 5)
4
8
3(83
=+=HCVo
52.976.4*24
==CHVa 66.1676.4*
2
7
62
==HCVa 8.2376.4*583
==HCVa
)8.23)(02.0()66.16)(13.0()52.9)(85.0( ++=amV
gasmairemVam
33
/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 AIRE
Cálculo 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
O
X
XX
X
A
−
=
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
HCO
AX
++−
+−
=

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
t
X
COCO
COCO
A
)(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
86.02
=NX05.02
=OX 09.02
=COX
% exceso de aire = 27.97%

PRODUCTOS DE COMBUSTION
Volumen de productos de combustión, generados por la
combustión completa de un volumen de gas a condiciones
teóricas.
PRODUCTOS DE COMBUSTION HUMEDO
Se 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 SECO
No 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

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
2
NX
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 = 12.893
Vfo = 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
vm
w
η
=
a
o
a
v
P
Pm
w 622.0==
η

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, φ, 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
===
/
/
φ
g
g
PP
P
w
φ
φ
−
=
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 = φPg
= 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
m
w 622.0==

maire
= 0.9874 Kgr mvapor
= 0.066 Kgr
0672.0
44.91
88.9
*622.0 ==w a
aa
a M
TR
VP
m =
)323)(31434.8(
)29)(1)(44.91( m
ma =
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 combustión
Cantidad de N2: 87.1 moles
Cantidad de O2: 87.1/3.76 =23.1 moles O2 total
O2 para formar agua= O2 total - O2 Gases de Combustión
O2 (H2O)= 23.1 - 12.635= 10.465 moles O2 para formar H2O
H2 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 / H
Moles de C: 10.53 moles
Moles de H2: 20.93 moles Relación C / H =
018.3
2*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 reacción
mC + 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 aire
Cantidad de C: m= 13.2 moles
Cantidad 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 = p
Moles 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
∑ += 222
xCOVxV iCOiCO
o
CO
CO
Vf
V 2
2
% =
∑ += iOHiOH VxV 22
o
OH
OH
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 Calórica
Molar 1 mol + 5 moles  3 moles + 4 moles
Peso 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 Combustible
PM aire= 29
PM combustible = para una mezcla de gases∑=
n
i
ii PMX
1

RELACIÓN AIRE COMBUSTIBLE
A° = maireteorico / mcombustible
1 mol de O2 → 4.76 moles de aire
CxHyOz + ε [O2+3.76N2] → xCO2 + 1/2yH2O + 3.76 ε N2
)16()1()12(
3.1383.138)29)(76.4(
zyxMM combcomb ++
===°∆
εεε
2
2
2 z
y
x −+
=ε

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
1
2
4
)1)(2(
=
++
=°∆
=
−+
=ε

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
ε3.138
=°∆ 9
2
414
2
0
2
8
)7)(2(
=
+
=
−+
=ε
comb
aire
lbs
lbs
97.11
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 teórica
A : relación aire-combustible real
A= A°α
Donde: α es el porcentaje de exceso o defecto de aire.
α > 1 : exceso α < 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 CO2
2.45 H2 + 1.225 O2 → 2.45 H2O
0.0562 S + 0.0562 O2 → 0.0562 SO2
0.0393 N + 0.0393 O2 → 0.0393 NO2
O2 total = 8.0455
O2 teórico = 8.0455 – 0.1656 = 7.8799 moles
A= A°α
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.
TERMODINAMICA 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 300
C 800
C
∆ 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
= 250
C). El calor de formación de sus reactivos
en su estado estándar es cero.
Ah0
H2= 0 Ah0
H≠ 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
m
nCOOmnCnHm +→++
)(2)(2)(2)(
2
)4/( gggg OH
m
nCOOmnCnHm +→++
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
gasmkwhPCSgas
3
/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 mezcla
PCi : Poder calorífico del componente i
Xi : 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/m3
gas
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.
TIPOS 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
TIPOS DE COMBUSTION

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.
TIPOS DE COMBUSTION

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.

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 mezcla
Velocidad 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
MECANISMOS DEL PROCESO DE COMBUSTION

Recibo por Carrotanque
Tanque de
almacenamiento
Tanque Diario
Quemador
Precalentador
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 atomización
Viscosidad 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 – ATOMIZACION
Factores 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

Introducción
El 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 Llama
Temperatura 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
CALCULO 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
CALCULO 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
=η
EFICIENCIA DEL PROCESO DE COMBUSTION

Diagrama de Sankey
EFICIENCIA 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
CONTROL DE LA REACCION 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 COMBUSTION
EQUIPOS INDUSTRIALES

TUBO BAJANTE
AGUA
GASESCALIENTES
TUBO ELEVAFOR
VAPOR
MEZCLA
VAPOR AGUA
CALDERAS
Circulación Natural: Flujo de Agua y vapor por diferencia de densidad
por efecto de la temperatura

CALDERAS
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
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
CALDERAS

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
TT
PLpt












+=∆
2.5
1
2
2
g
f
D
fL
g
u
p
ρ
CALDERAS
Pérdidas por velocidad =

Caldera Pirotubular – Tipo Horizontal
TIPOS DE CALDERAS

 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
CALDERAS

Caldera Pirotubular – Partes de la Caldera Horizontal
TIPOS DE CALDERAS

Caldera Pirotubular – Caldera Horizontal a carbón
TIPOS DE CALDERAS

Caldera Pirotubular – Tipo Económico tres pasos
TIPOS DE CALDERAS

Caldera Pirotubular – Hogar interior de 4 pasos
TIPOS DE CALDERAS

Caldera Pirotubular – Tipo Vertical
TIPOS DE CALDERAS

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
CALDERAS

Caldera Acuatubular
Principio Operacional:
El agua circula por el
interior de los tubos
expuestos a los
gases de combustión.
TIPOS DE CALDERAS

 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
CALDERAS

Caldera Acuatubular de tubos rectos
TIPOS DE CALDERAS

Caldera Acuatubular de tubos curvos
TIPOS DE CALDERAS

Caldera Acuatubular compacte tipo D
TIPOS DE CALDERAS

Caldera Acuatubular – Tipo A
CALDERAS

Caldera Acuatubular – Tipo D
CALDERAS

Caldera Acuatubular – Tipo O
CALDERAS

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
CALDERAS

Caldera para Quemar Gas,
fuel y Carbón Pulverizado
CALDERAS

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
HORNOS DE PROCESO

HORNOS 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
HORNOS 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
SECADORAS 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 COMERCIAL
DEL 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

DEL GAS NATURAL
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.

DEL GAS NATURAL
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
DEL GAS NATURAL
Aparatos Domésticos de Cocción
Cocina o Estufa Horno
Gratinador
Placa radiante
del gratinador
Quemador

Gasodomésticos
DEL GAS NATURAL
Calentador Acumulador
Agua
caliente
Agua
caliente
Energía
Agua
fría
Calentador
por acumulación
Calor
Aislamiento
Tanque de agua
CHIMENEA
ÁNODO DE MAGNESIO
ESPIRAL
TANQUE PORCELANIZADO
TUBO DE ENTRADA
DE AGUA FRÍA
AISLAMIENTO
TERMÓSTATO
PUERTA
QUEMADOR
DRENAJE
ENCENDIDO ELECTRÓNICO
VÁLVULA DE SEGURIDAD

Gasodomésticos
DEL GAS NATURAL
Calentador de Paso o Instantáneo
Agua
caliente
gas
Agua
fría
4
7
3
2
9
10
5
6
8
1
7

Gasodomésticos
DEL GAS NATURAL
Calentadores de Ambiente

Quemador atmosférico con llama de premezcla
DEL GAS NATURAL
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 Optimo
Formación de CO en la combustión

Instalación de Gasodomésticos
DEL GAS NATURAL
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
DEL GAS NATURAL
 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
DEL GAS NATURAL
 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 proceso
LHV = Poder calorífico inferior
η = Eficiencia del equipo sobre la base LHV
Q = Flujo de combustible
Potencia Térmica Requerida
Dimensionamiento del sistema de suministros de combustibles
η*





=
LHV
E
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 premezcla
Gas 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 previa
Gas y aire se suministra por separado a la zona de combustión
Quemadores
Clasificación 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
uemadores – 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

Quemador 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

Quemador 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
uemadores 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
uemadores para Combustibles líquidos – Clasificación
– Atomización por fluido motriz a baja presión

Vapor ó
aire
Combustible
– Atomización por fluido motriz a alta presión
Consumo de vapor: 0,1 – 0,5 Kgr/ Kgr combustible
Consumo de aire: 0,2 – 0,8 Kgr / Kgr combustible

Retorno de
aceite
30º
-90º
– 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
– 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 Reducción
Relación entre la máxima y la mínima mezcla de
combustible y aire bajo la cual el quemador opera
satisfactoriamente.
• Estabilidad
Velocidad de suministro en equilibrio con la velocidad de
propagación de llama (ignición) .Mantener la ignición
respecto a la presión del combustible.
Características de diseño de los quemadores

• 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
Características de diseño de los quemadores

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
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
Al
quemador
Al
quemador

• 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 cámara
V : 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 IV
Btu/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

ocedimiento para adaptar equipos al uso de Gas Natura

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.
ocedimiento para adaptar equipos al uso de Gas Natura

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
2/12
2
2
1
3124.1 D
GTLZ
PP
Pb
Tb
Q 




 −






=
rocedimiento 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&M
HORNO
CALDERA

Procedimiento para adoptar Equipos al Uso de Gas Natural
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
2/12
2
2
1
3124.1 D
GTLZ
PP
Pb
Tb
Q 




 −






=

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 O
F
Presión atmosférica: 14.0 psia
Las propiedades del gas suministradas por el comercializador, según cromatografía
suministrada son: Gravedad Especifica G = 0.60 ; Factor Z = 0.9800
La temperatura de suministro del gas es de 90o
F
Procedimiento 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 I
Presión de recibo en estación de entrega en planta: 200 psig
P1= 250 psig + 14.7 psia = 264.7 psia P1
2
= 70,066.09
P2= 200 psig + 14.7 psia = 214.7 psia P2
2
= 46,096.09
Factor GLTZ = 0.60 * 6,560ft * 500o
R * 0.980 = 1,928,640
Factor (Tb/Pb) = 520o
R/14.65 psia = 35.49
Factor ((P1
2 -
P2
2
) / GLTZ)1/2
= 0.11148
Despejando 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 V@C.O = 245/14.65 = 16.7 ft/seg

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.

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.
Estación 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.

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

Regulador con resorte
Regulador cargado con Resorte

Regulador cargado con Piloto

Ejercicio
Qmax: 43,200 PCSH
Presión Máxima de entrada: 214.7 psia
Presión de salida o regulada: 114.7 psia
Cg: 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 psia
Caída Máxima de presión: 2 psi
Tamaño de partículas a remover: 3 micras
Porcentaje de retención: 99%
Qmax: 43,200 PCSH
ANSI 150
Con la información anterior se selecciona en los catálogos de los
fabricantes 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.
imensionamiento de la red de Suministro Interno

Tramo 1
Longitud de tubería L = 400 pies. Qmax = 41.6 MPCSH
Presión de salida de estación de regulación y medición =
P1= 114.7psia P1
2
= 13,156
Factor GLTZ = 0.60 * 400ft * 500o
R * 0.980 = 117,600
Factor (Tb/Pb) = 520o
R/14.65 psia = 35.49
Diamétro de tubería = 3”
Factor D8/3
= 18.70
Despejando P2 de ecuación WEYMOUTH tenemos: P2 = 113 psia
Diamétro de tubería = 2”
Factor D8/3
= 6.34
Despejando P2 de ecuación WEYMOUTH tenemos: P2 = 103 psia
Dimensionamiento tubería de alimentación interna.

Tramo 2
P1= 103 psia P1
2
= 10,609
Factor GLTZ = 0.60 * 50ft * 500o
R * 0.980 = 14,700
Diamétro de tubería = 1.5”
Factor D8/3
= 2.95
Despejando P2 ecuación WEYMOUTH tenemos: P2 = 100 psia
Tramo 3
Presión de salida de estación de regulación y medición =
Factor GLTZ= 88,200
P1= 103 psia P1
2
= 10,609 D = 1“ Factor D8/3
= 1
P2 = 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 compacto

 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

uministro de Gas y Aire a cada equipo de Combustión

Válvula de paso Manual Válvula de entrada de aire

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 boquilla
Quemadores de aceite
Quemadores 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.
uministro de Gas y Aire a cada equipo de Combustión

Quemador con Mezcla en la Boquilla
Instalación 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

Calderos, combustion, gas natural

Calderos, combustion, gas natural

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