Este documento proporciona información sobre la combustión de diferentes combustibles como carbón, gas natural y otros. Explica conceptos como la ecuación de combustión, la cantidad de aire necesaria, el volumen de gases de combustión, el análisis de los productos, el poder calorífico superior e inferior. Luego, presenta un ejemplo numérico donde se quema gas natural y se calcula la ecuación de combustión con déficit de aire, la cantidad de aire requerida, los volúmenes de aire y gases, y otros parámetros. Finalmente, analiza
1. FUEGO
CALOR
1. ECUACION DE COMBUSTION
COMBUSTIBLE + AIRE PRODUCTOS DE LA COMBUSTION
C
C2H5OH
C3H8
C8H18
C16H32
CARBON
% C
% H2
% S
% O2
% N2
% h
% Z
a) Ec. de combustión
1) ideal
2) con Exceso
3) con Déficit
b) A /C
c) Wg Y Wg/s
d) PCS Y PCI
e) Análisis Vol. Y Gravimétrico
f) PMg
g) Pp
h) Volumen del aire para la combustión
i) Volumen de los gases de combustión
FALTA
2. VOLUMENES
VA = A / C X RA X TA = m o´ ft aire
PA Kg comb Lb comb.
VA = volumen del aire
A = Kg o Lb aire
C Kg o Lb comb.
TA = Temperatura del aire en °K o °R
= °C + 273 = °K
= °F + 460 = °R
PA = Presión del aire
= Kg o Lb
m ft
RA = m o ft R de los gases
°K °R
3
3
2
2
3. R = P V = 1 X 22.4 = o.o82 lts. atm
n T 1 x 273 g mol °K
Condiciones estándar:
P = 1 atm presión
V = 22.4 lts. Volumen
T = 0 °C = 273 °K temperatura
GASTO VOLUMEN DEL AIRE
VA = V AIRE X Consumo de Combustible = m aire
m aire x Kg comb. hora
Kg comb. Hr.
3
3
GASTO
4. CONDICIONES ESTANDAR
P = 1 atm = 1.0333 Kg x 10 cm
cm 1 m
= 1.0333 x 10 Kg
m
V = 22. 4 m
T = 0 °C = 273 °K
R = P V = 1.0333 x 10 x 22.4
PM x T PM x 273
R = 850 = m
PM °K
2
2
4
2
4
2
4
3
5. R = 850
PMp (Peso molecular gas)
PARA EL AIRE
RA = 850 = 29.4 m
28.84 °k
EN EL SISTEMA INGLES
P = 1 atm = 14.7 Lb X ( 12 ) in
in 1 ft
P = 14.7 X 144 Lb = 2,116.8 Lb
ft ft
V = 359 ft
lb mol
T = 32 °F + 460 = 492 °R
R = 14.7 X 144 X 359
PMp X 492
R = 1545 = ft PARA EL AIRE RA = 1545 = 53.5 ft
PMp °R 28.84 °R
2
2
2
3
2
2
2
6. PARA CALCULAR EL VOLUMEN OCUPADO POR EL AIRE ( VA )
VA = WA X RA X TA
P
WA = A/C AIRE PRACTICO
RA = R del aire :. 29.4 m/ °K ; 53.5 ft / °R
TA = TEMPERATURA ABSOLUTA
P = PRESION
PARA CALCULAR EL VOLUMEN OCUPADO POR LOS GASES DE
COMBUSTION ( Vg )
Vg = Wg X Rg X Tg
P
Wg = Peso de los gases de combustión = Ap + ( 1 – z )
Tg = Temperatura de los gases de combustión
Rg = 850 / PM gases o 1545 / PM gases
=
=
m³ aire / kg comb.
ft³ gases / lb comb.
7. PRINCIPALES REACCIONES QUE TIENEN LUGAR EN LA
COMBUSTION Y CALOR DESPEDIDO POR KILOGRAMO DE
COMBUSTIBLE
C + ½ O2 = CO + 22OO
C + O2 = CO + 7960
CO + ½ O2 = CO2 + 2460
H2 + ½ O2 = H2O + 33800
S + O2 = SO2 + 2160
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2H2O + 13050
Acetileno = C2 H2 + 2 ½ O2 = 2 CO2 + H2O +12000
Etileno = C2 H4 + 3 O2 = 2 CO2 + 2 H2O + 11850
Etano = C2 H6 + 3 ½ O2 = 2 CO2 + 3 H2O + 12300
Bencina = C6 H6 + 7 ½ O2 = 6 CO2 + 3 H2O + 10200
Octano = C8 H18 + 12 ½ O2 = 8 CO2 + 9 H2O + 11400
H2S + 1 ½ O2 = H2O + SO2 + 3990
La tabla anterior nos permite calcular el poder calorífico de una mezcla de
gases de combustibles
8. El problema siguiente ilustra el procedimiento :
Calcular el poder calorífico del siguiente gas :
CO2 = 0.1 ; C2 H4 = 0.2 ; H2 = 1.0 ; CO = 0.3 ; C2 H6 = 23.7 ; O2 = 0.2 ;
N2 = 1.4; H2 S = 0.3; CH4 = 72.8
La suma es igual a 100 volúmenes.
gas MOLES PM Kgs(W=n*PM) P.C.S Kcal x Kgs
CO2 0.1 44 4.4 --------
C2H4 0.2 28 5.6 11850 66360
H2 1.0 2 2.0 33800 67600
CO 0.3 28 8.4 2460 20664
C2H6 23.7 30 711.0 12300 8´745,300
O2 0.2 32 6.4 ------- ----------
N2 1.4 28 39.2 ------ ----------
H2S 0.3 34 10.2 3990 40,698
CH4 72.8 16 1164.8 13050 15´200,640
100 1952 24´141,262
10. En un horno se quema gas natural cuya composición en por ciento
volumen es CO = 0.63%; C2H4 =0.85%; H2 = 2.76%; C2H6 = 21.5%;
O2% = 0.58%; N2 = 3.84%; H2S = 0.23%; CH4% = 69.61%
Calcular:
1. La ecuación de la combustión con 20% de faltante de aire,
considerando que en los productos de la combustión solo aparecerá
CO como combustible.
2. La cantidad de aire suministrada en Kg de aire / Kg de combustible
3. El peso de los gases de combustión en Kg de gases / Kg de
combustible
4. El volumen ocupado por el aire en m de aire / Kg de combustible. A
27.5°C y 620 mm Hg.
5. El volumen ocupado por los gases de combustión en m de gases / Kg
de combustible. A 325°C y 620 mm Hg.
6. El análisis volumétrico y gravimétrico de los productos de la
combustión.
7. El PCS y el PCI del combustible, si los poderes caloríficos son:
CH4 = 13050; CO = 2460; C2H4 = 11850; H2S = 3990; C2H6 = 12300
H2 = 33800 ; expresados en Kcal / Kg de combustibles
8. Las presiones parciales de los productos de la combustión.
3
3
11. Solución:
1.- Determinación de la ecuación de la combustión con 20% de faltante de aire.
0.63 CO + 0.85 C2H4 + 2.76 H2 + 21.5 C2H6 + 0.58 O2 + 3.84 N2 + 0.23 H2S + 69.61 CH4 +
a O2 + a x 3.76 N2 X CO2 + b H2O + Y SO2 + 3.84 + a x 3.76 N2
Balance monoatómico :
C ; 0.63 + 2 x 0.85 + 2 x 21.5 + 69.61 = X :. X = 114.94
H ; 4 x 0.85 + 2 x 2.76 + 6 x 21.5 + 2 x 0.23 + 4 x 69.61 = 2b :. b = 416.82 = 208.41
416.82 2
S ; 0.23 = Y
O; 0.63 + 0.58 x 2 + 2 a = 2x + b + 2Y
0.63 + o.58 x 2 + 2 a = 2 x 114.94 + 208.41 + 2 x 0.23 = 229.88 + 208.41 +
0.46 = 438.75
1.79 + 2 a = 438.75 a = 438.75 – 1.79 :. a = 218.48
2
12. Ecuación estequiometria
COMB + 218.48 O2 + 218.48 X 3.76 N2 114.94 CO2 + 208.41 H2O +
0.23 SO2 + 3.84 + 821.48 N2
Ecuación de la combustión con 20% de faltante de aire
COMB + 0.8 (218.48 O2) +0.8 ( 218.48 x 3.76)N2 X CO2 + Y CO + 208.41 H2O
+ 0.23 SO2 + 3.84 + 0.8 ( 218.48) (3.76) N2
COMB + 174.784 O2 + 657.18 N2 X CO2 + Y CO + 208.41 H2O + 0.23 SO2
+ 661.02 N2
Balance monoatómico del C y O para obtener las ecuaciones 1 y 2
C ; 114.94 = X + Y --------- (1)
O ; 0.63 + 0.58 x 2 + 174.78 x 2 = 2 X + Y + 208.41 + 0.23 x 2
351.35 = 2 X + Y + 208.87
351.35 – 208.87 = 2 X + Y
142.48 = 2 X + Y -------- ( 2 )
- 114.94 = X - Y -------- ( 1 )
27.54 = X :. Y = 114.94 – 27.54 = 87.40
13. Ecuación con 20% de faltante de aire
COMB + 174.78 O2 + 657.18 N2 27.54 CO2 + 87.40 CO + 208.41 H2O +
0.23 SO2 + 661.02 N2
2.- Cantidad del aire suministrado en Kg de aire / Kg de combustible
A / C = ( 174.78 + 657.188) 28.84
0.63 x28 + 0.85x28 + 2.76x 2 + 21.5x 30 + .58x 32 + 3.84x 28 + .2x 34 + 69.61x 16
1938.52
A/C = Ap = 23993.95 = 12.3774Kg aire / Kg combustible
1938.52
3.- Determinación del peso de los gases de combustión
Wg = Ap + ( 1- Z ) = 12.377 + ( 1 – 0 ) = 13.377 Kg gases / Kg comb.
4.- Determinación del volumen ocupado por el aire de combustión.
Va = Wa x Ra x Ta = 12.377 x 29.4 x 300.5 = 109,347.08 = 12.971 m aire
P 620 / 760 ( 10333 ) 8429.55 Kg comb
3
14. 5.- Determinación del volumen de los gases de combustión
Vg = Wg x Rg x Tg = 13.377 x x 598 = 25798.13 = 30.60
P 8429.55 8429.55
Vg = 30.60 m de gases / Kg comb.
PMg = 0.028x 44 + 0.0893x 28 + 0.212x 18 + .0003x 64 + 0.671x 28
= 26.35 Kg / Kg mol
Rg = 850 = 32.25 m / °K
26.35
3
32.25
15. 6.- Calculo del análisis volumétrico y gravimétrico de los
gases de combustión
Producto de la
combustión ηg
Fracción
mol
% mol PM Kg % peso
CO2 27.548 0.028 2.80 44 1212.112 4.67
CO 87.392 0.089 8.900 28 2446.97 9.435
H2O 208.41 0.212 21.20 18 3751.38 14.465
SO2 0.23 0.0003 0.03 64 14.72 0.057
N2 661.02 0.6713 67.13 28 18508.56 71.36
TOTAL 984.6
η
100 - - - 25,933.74 100
T
17. PCI = PCS – λ A = 11863.803 – 1160.448 = 10,688.87 Kcal / Kg
comb.
A = 208.41 x 18 = 1.934 Kg de agua / Kg comb
1939.62
λA = 600 x 1.934 = 1160.448 K cal
8.- Calculo de presiones parciales de los productos de la
combustión
Pp = 0.028x 620 = 17.36 mm Hg
Pp = 0.089x 620 = 55.18 mm Hg
Pp = 0.212 x 620 = 131.44 mm Hg
Pp = 0.00023 x 620 = 0.1426 mm Hg
CO2
CO
H2O
SO2
N2
= 620 mm Hg
18. En un horno se quema carbón cuya composición en por ciento peso es
C = 80.70% ; H2 = 4.17%; H2O = 3.51% ; O2 = 2.79 %; N2 = 1.26% ;
S = 0.94% ; z = 6.63%
Calcular :
1. La ecuación de la combustión con 20% de faltante de aire,
considerando que en los productos de la combustión solamente
aparecerá CO como combustible.
2. La cantidad de aire suministrada en Lb de aire / Lb de combustible
3. El peso de los gases de combustión en Lb de gases / Lb de
combustible.
4. El volumen ocupado por el aire en ft de aire / Lb de combustible-
a 77 °F y 620 mm Hg.
5. El volumen ocupado por los gases de combustión en ft de gases /
Lb de combustible. A 520 °F y 620 mm Hg.
6. El análisis volumétrico y gravimétrico de los productos de la
combustión.
7. El PCS PCI del combustible
8. Las presiones parciales de los productos de la combustión.
3
3
19. SOLUCION:
1.- Determinación de la ecuación de la combustión con 20% de faltante de aire
Componentes
del
combustible
%
peso
PM moles
C 80.70 12 6.725
H2 4.17 2 2.O85
H2O 3.51 18 0.195
O2 2.79 32 0.087
N2 1.26 28 0.045
S 0.94 32 0.029
Z 6.63 ------ ---------
TOTAL 100 ------ 9.166
20. 6.725 C + 2.085 H2 + 0.195 H2O + 0.087 O2 + 0.045 N2 + 0.O29 S + a O2 +
a * 3.76 N2 X CO2 + b H2O + Y SO2 + 0.045 + a * 3.76 N2
Balance monoatómico
C ; 6.725 = X
H ; 2.085 x 2 + 0.195 x 2 = 2b :. b = 4.56 / 2 = 2.28
O ; 0.195 + 0.087 x 2 + 2 a = 2X + b + 2Y
0.369 + 2 a = ( 2 x 6.725 + 2.28 + 2 x 0.029 ) = 15.788
2 a = 15.788 – 0.369 = 15.419 :. a = 15.419 / 2 = 7.7095
S ; 0.029 = Y
Ecuación estequiometria
COMB + 7.7095 O2 + 7.7095 * 3.76 N2 6.725 CO2 + 2.28 H20 +
0.029 SO2 + 0.045 + 28.9877 N2
COMB + 7.7095 O2 + 28.9877 N2 6.75 CO2 + 2.28 H2O +
0.029 SO2 + 0.045 + 28.977 N2
21. Ecuación de la combustión con 20% de faltante de aire
COMB + 0.8 (7.7095 ) O2 + 0.8 ( 28.9877 ) N2 XCO2 + YCO +
2.28 H2O + 0.029 SO2 + 0.045 + O.8 ( 28.9877 ) N2
COMB + 6.1676 O2 + 23.1901 N2 X CO2 + YCO + 2.28 H2O
+ 0.029 SO2 + 0.045 + 23.1901 N2
Balance monoatómico de C y O
C ; 6.725 = X + Y ------- EC (1 )
O ; 0.369 + 2 x 6.1676 = 2X + Y +2.28 + 0.029 x 2
0.369 + 12.3352 = 2X + Y + 2.338
12.7042 – 2.338 = 2X + Y
10.3662 = 2X + Y ----- EC (2)
- 6.725 = - X – Y ----- EC (1)
3.6412 = X
:. Y = 6.725 – 3.6412 = 3.0838
22. ECUACION DE LA COMBUSTION CON 20% DE FALTANTE DE AIRE
COMB + 6.1676 O2 + 23.1901 N2 3.6412 CO2 + 3.0838 CO +
2.28 H2O + 0.029 SO2 + 0.045 + 23.1901 N2
2.- Relación aire combustible
A / C = Ap = ( 6.2676 + 23.1901 ) 28.84 = 8.495
100
A / C = 8.495 Lb aire / Lb combustible
3.- El peso de los gases de combustión en Lb gases I Lb combustible
Wg = Ap + ( 1 – z ) = 8.495 + ( 1 – 0.0663 ) = 8.495 + 0.9337 = 9.428
23. 4.- El volumen ocupado por el aire en ft de aire / Lb combustible
VA = WA x RA x TA = 8.495 x 53.5 x 537 = 244057.10
P 1726.863 1726.863
VA = 141.32 ft de aire / Lb combustible
P = 620 / 760 x 14.7 x 144 = 1726.863 Lb / ft
5.- Calculo del volumen ocupado por los gases de combustión
Vg = Wg x Rg x Tg = 9.428 x 52.851 x 980 = 4488313.64
P 1726.863 1726.863
Vg = 282.774 ft gases de combustión / Lb de combustible
Rg = 1545 / 29.233 = 52.851 ft / °R
PM g = 0.1128 x 44 + 0.0955x 28 + 0.0766 x 18 + .0009x 64 + 0.7200 x 28
PMg = 29.233 Lb / Lb mol
2
3
3
3
3
24. 6.- Análisis volumétrico y gravimétrico de los gases de combustión
Productos
de la
combustion
moles % mol Fraccion
mol
PM PESO %
PESO
CO2 3.6412 11.284 O.1128 44 160.2128 17.043
CO 3.0838 9.556 0.0955 28 86.3464 9.186
H2O 2.28 7.066 0.0706 18 41.040 4.366
SO2 0.029 0.089 0.00089 64 1.8560 0.197
N2 23.2351 72.004 0.7200 28 650.5828 69.208
TOTAL 32.2691 100 ----- 940.038 100
25. 7.- Calculo del PCS y PCI del combustible
PCS = 14500C + 62000 ( H2 – O2 ) + 4000 S
8
PCS = 14500 ( .80) + 62000 ( (0.0417) – ( .0279) ) + 4000 ( 0.0094)
8
PCS = 13,993.6 Btu / Lb combustible
PCI = PCS – λA = 13993.6 – 443.232 = 13550.368 Btu / Lb comb.
A = 2.28 x 18 = 0.4104 lb de agua / Lb comb
100
λA = 1080 x 0.4104 = 443.232 Btu / Lb comb
26. 8.- Calculo de las presiones parciales
Pp = 0.11284 x 620 = 69.93 mm Hg
Pp = 0.955 x 620 = 59.21 mm Hg
Pp = 0.07066 x 620 = 43.77 mm Hg
Pp = 0.0009 x 620 = 0.558 mm Hg
Pp = .7200 x 620 = 446.4 mm Hg
co2
co
H2O
SO2
N2
27. PROBLEMA:
En el horno de un generador de vapor se emplea gas natural como combustible, la
composición volumétrica es la siguiente :
CO = 0.45%; H2 = 1.82%; CH4 = 93.33%; C2H4 = 0.25%; H2S = 0.18; O2 = 0.35%; CO2 = 0.22; N2 = 3.4
Se desea conocer lo siguiente:
1. La ecuación de la combustión cuando se emplea 15% de exceso de aire
2. La relación aire- combustible en Kg de aire / Kg de combustible
3. El peso de los gases de combustión en Kg de gases / Kg de combustible
4. El volumen ocupado por el aire a 27 °C y una presión de 0.825 K / cm
5. El volumen ocupado por los gases de combustión a 325 °C y una presión de 0.825 Kg /
cm
6. El análisis volumétrico y gravimétrico de los productos de la combustión húmedos y
secos
7. La presión parcial de cada uno delos productos de la combustión
8. El PCS y PCI del combustible CH4 = 13050 ; CO = 2460 ; C2H4 = 11850 ; H2S = 3990
H2 = 33800 expresado en Kcal / Kg de combustible
2
2
28. Problema :
En el horno de un generador de vapor se quema un gas cuya composición en
porciento volumen es : C3H8 = 32.5%; C2H6 = 7.6% ; O2 = 3.3% ; N2 = 8.5% ;
C4H10 = 39.5% ; CH4 = 8.6%
Calcular :
1. La ecuación de la combustión con 20% de faltante de aire, considerando que en
los productos de la combustión solamente aparecerá CO como combustible
2. la cantidad de aire suministrada en Kg de aire / Kg de combustible
3. El peso de los gases de combustión en Kg de gases / Kg de combustible
4. El volumen ocupado por el aire en m de aire / Kg de combustible. A 25 °C y 635
mm Hg
5. El volumen ocupado por los gases de combustión en m de gases / Kg de
combustible. A 310 °C y 635 mm Hg
6. El análisis volumétrico y gravimétrico de los productos de la combustión
7. El PCS y el PCI del combustible, si los poderes caloríficos son :
CH4 = 13050 ; C4H10 = 11856 ; C3H8 = 12821; C2H6 = 12300 ; H2 = 33800 todos
expresados en Kcal / Kg de combustible
8. Las presiones parciales de los productos de la combustión.
3
3
29. Problema :
En un horno se quema combustible cuya composición en porciento peso es:
C = 77% ; H2 = 6.5% ; O2 = 2.0%; N2 = 1.8% S = 1.0% ; H2O = 3.0% ; Z = 8.7%
Calcular :
1. La ecuación de la combustión con 10% de faltante de aire, considerando
que en los productos de la combustión solamente aparecerá CO como
combustible.
2. La cantidad de aire suministrada en Lb / Lb de combustible
3. El peso de los gases de combustión en Lb de gases / Lb de combustible
4. El volumen ocupado por el aire en ft de aire / Lb de combustible. A 69 °F y
585 mm Hg.
5. El volumen ocupado por los gases de combustión en ft de gases / Lb
combustible. A 480 °F y 585 mmHg
6. El análisis volumétrico y gravimétrico de los productos de la combustión
7. el PCS y el PCI
8. las presiones parciales de los productos de la combustión.
3
3
30. Problema :
En el horno de generador de vapor se quema carbón cuya composición en % peso
es C = 74.42 ; H2 = 4.69; O2 = 6.76 ; N2 = 1.39; S = 1.05 ; Z = 8.3 ; h = 3.39
CALCULAR:
1. La ecuación de la combustión con 10% de faltante de aire, considerando que en los
productos de la combustión solamente aparecerá CO como combustible.
2. la cantidad de aire suministrada en kg de aire / Kg combustible
3. El peso de los gases de combustión en Kg de gases / Kg de combustible
4. El volumen ocupado por el aire en m de aire / Kg de combustible . A 28 °C y
742 mm Hg.
5. El volumen ocupado por los gases de combustión en m de gases / Kg de
combustible a 278 °C y 742 mm Hg
6. El análisis volumétrico y gravimétrico de los productos de la combustión
7. El PCS y el PCI del combustible
8. Las presiones parciales de los productos de la combustión
3
3
31. Problema :
En un horno se quema gas natural cuya composición en por ciento volumen es:
CO = 0.63% ; C2H4 = 0.85% ; H2 = 2.76%; C2H6 = 21.5% ; 02 = 0.58%; N2 = 3.84% ;
H2S = 0.23%; CH4 = 69.61%
CALCULAR:
1. La ecuación de la combustión con 15% de faltante de aire, considerando que en
los productos de la combustión solamente aparecerá CO como combustible.
2. La cantidad de aire suministrada en Lb de aire / Lb de combustible
3. El peso de los gases de combustión en Lb de gases / Lb de combustible
4. El volumen ocupado por el aire en pie de aire / Lb de combustible. A 68 °F y 620
mm Hg.
5. El volumen ocupado por los gases de combustión en pie de gases / Lb de
combustible a 480 °F y 620 mm Hg
6. El análisis volumétrico y gravimétrico de los productos de la combustión
7. El PCS y el PCI del combustible, si los poderes caloríficos son:
CH4 = 13050 ; CO = 2460 ; C2H4 = 11850 ; H2S = 3990 ; C2H6 = 12300 ;
H2 = 33800, todos expresados en Kcal / Kg de combustible.
8. Las presiones parciales de los productos de la combustión.
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32. Problema :
En el horno de un generador de vapor se quema carbón cuya composición en
porcentaje peso es : C = 74.42% ; H2 = 4.69% ; O2 = 6.76 % , N2 = 1.39% ;
S = 1.95% ; h = 3.39% ; z = 7.4
Calcular :
1. La ecuación de la combustión con 20% de faltante de aire, considerando
que en los productos de la combustión solamente aparecerá CO como
combustible.
2. La cantidad de aire suministrada en Lb aire / Lb combustible
3. El peso de los gases de combustión en Lb de gases / Lb de combustible
4. El Volumen ocupado por el aire en ft de aire / Lb de combustible a 71.5
°F y 710 mm Hg.
5. El volumen ocupado por los gases de combustión en ft de gases / Lb de
combustible a 580 °F y 710 mm Hg.
6. El análisis volumétrico y peso de los productos de la combustión
húmedos y secos
7. EL PCS y PCI del combustible
8. Las presiones parciales de los productos de la combustión.
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