1. Combustión

Objetivos:

  • Investigar los tipos de combustibles: sólidos, líquidos y gaseosos
  • Clasificar el carbón de acuerdo a sus propiedades: composición y poder calorífico
  • Realizar balances de materia y energía de procesos de combustión en plantas químicas, principalmente hornos y calderas

Competencia a desarrollar:

  • Realizar balances de materia y energía de procesos de combustión en plantas químicas de forma adecuada para aplicarlos como ingeniero de procesos en operaciones de planta

Guía de Química Industrial II:

Quimica Industrial II Cap 1 y 2

Ejercicios de Combustión y Gasificación:

1. Una refinería usa carbón y gas de agua como combustible. El horno usa carbón con un poder calorífico superior a 65,5 °F de 12520 Btu/lb y con un análisis final de 78,76% C, 6,48% O, 6,18% ceniza, 1,30% N y 0,78% S. El análisis aproximado del carbón es 1,44% humedad, 34,61% VCM, 57,77% carbón fijo y 6,18 % ceniza. Se alimentan al horno 1200 lb/h de carbón. El rechazo contiene 4% VCM, 21% FC y 75% ceniza. La caldera usa gas combustible con la siguiente composición 9,2% CO2, 20,9% CO, 15,6% H2, 1,9% CH4, 0,4% C2H4 y 52% N2. Los gases de combustión de la caldera son CO2, O2 y N2, estos salen a 496 °F. El exceso de aire utilizado en la caldera es del 15%. El gas combustible alimentado posee una temperatura de 65 °F . La caldera y el horno son alimentados con aire a 65,5 °F con un porcentaje de saturación relativa del 65% y una presión de vapor de 0,41 psia. La presión barométrica es de 29,7 in Hg. El aire proviene del mismo soplador y se divide en dos corrientes una de alimentación a la caldera y la otra al horno. Los gases de combustión de la caldera y el horno son expulsados a través de la misma chimenea. La composición de los gases de combustión combinados es 15,2% CO2, 0,4% CO, 3,9% O2 y 80,4% N2.. La caldera produce vapor sobrecalentado a 600 psig.

Calcular:

a)    Análisis último del carbón

b)    Pies cúbicos estándar por día de gas combustible alimentado a la caldera

c)    ft3 de aire alimentado a la caldera/ ft3 de gas combustible alimentado a la caldera

d)    Balance de energía en la caldera, % de eficiencia de la caldera

e)    Vapor producido en la caldera en lb/h

2. Un productor de gas usa carbón como combustible. El poder calorífico superior del carbón a 65,5 °F es 12520 Btu/lb y contiene 69,4% C, 4,76% H, 9,18% O, 12,64% ceniza, 1,06% humedad, 1,48% N y 1,48% S. El análisis seco del gas producido es 7,23% CO2, 20,76% CO, 0,38% O2, 11,36% H2, 2,98% CH4, 0,58% C2H4 y 56,71% N2. Se alimentan al gasificador 866 lb/h de carbón. Se ha encontrado que el peso del alquitrán seco es el 3,9% del peso del carbón quemado. El residuo seco contiene 9,99% de C. La cantidad de vapor alimentado son 338 lb/h. La presión del vapor son 15 psig. Los gases salen a 1305 °F. La presión barométrica es 14,7 psi. La temperatura de bulbo húmedo del aire es 59,4 °F y la temperatura de bulbo seco de 65,5 °F, con estos datos se obtiene en una carta psicrometrica  que el % de humedad relativa es 70% y la presión de vapor de agua a 65,5 °F es de 0,22 psi.

Calcular:

a)       Producción de gas en ft3 estándar por hora

b)      % vapor descompuesto

c)       Volumen de aire a condiciones normales/lb de carbon quemado

d)      Balance de energía en el productor de gas, % de pérdidas en el proceso

3. Una caldera es alimentada con carbón con un poder calorífico superior  de 12470 Btu/lb. Contiene 3,89% humedad, 4,41% H, 5,47% O, 0,98% N, 0,78% S, 70,04% C, y 14,43% Ceniza. El rechazo no contiene materia combustible. El aire húmedo entra al horno a una temperatura de 65,5 F y una presión absoluta de 760 mmHg. 485 pies cúbicos de gas de chimenea húmedo a una temperatura de 800 F son producidos por libra de carbón quemado. El análisis Orsat del gas de salida es 10% CO2, 2,4% CO, 8,0% O2, y 79,6% N2. La presión parcial del vapor de agua en el gas de chimenea caliente es 60,5 mmHg. La presión barométrica es 760 mmHg. La caldera produce vapor sobrecalentado a 600 psig.

Calcular:

a) El porcentaje de hidrógeno neto en el carbón

b) Los moles de gas de chimenea seco por libra de carbón quemado

c) Los pies cúbicos de aire húmedo alimentado por libra de carbón quemado

d) Un balance de materia completo en la caldera

e) Un balance de energía completo en la caldera

4. Un Gasificador Lurgi usa carbón bituminoso como combustible. El poder calorífico del carbón es 14019 Btu/lb. Se alimenta 1 Ton por hora de carbón y se producen 80 lb de alquitrán/Ton de carbón, el alquitrán se produce con 10% H2O. Un análisis aproximado del carbón indica que el contenido de ceniza es del 6,6%. El alquitrán seco contiene 89% C y 11% H. El residuo seco contiene 32% C y 68% ceniza. La temperatura del oxigeno inyectado es de 60 F. Los gases salen a 1300°F. La presión barométrica es 755 mmHg. El vapor tiene una presión de 18 psig. El gas producido es enfriado en una caldera de producción de vapor a la que se alimenta agua de alimentación de caldera a 60 F. El vapor producido en la caldera es vapor sobrecalentado a 600 F y 600 psi. El gas combustible enfriado a 696 F es alimentado a una segunda caldera de producción de vapor saturado a 145 psi y se enfría hasta 250 F.

Calcular:

a)    Vapor usado por lb de carbón quemado

b)    % vapor descompuesto

c)    Balance de energía en el productor de gas, % de pérdidas en el proceso

d)    Vapor producido en cada una de las calderas en lb/h

Carbon

About the Author

Ingeniero Químico (Universidad de Los Andes - 2006). Profesor Asistente adscrito al Departamento de Química Industrial y Aplicada de la Escuela de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería en la Universidad de Los Andes, Mérida, Venezuela. Asociado al Laboratorio de Formulación Interfases Reología y Procesos (FIRP) de la Facultad de Ingeniería (ULA) como investigador desde el 2006.