REFRACTARIOS Y HORNOS ///// Problemas de combustibles. Combustión -----------------// HOJA 1. P1.- Un combustible que contiene un 80 % de butano y un 20 % de propano, se quema con un 20 % de exceso del aire teórico necesario. Determinar el volumen de los humos producidos en la combustión de 1 kg de combustible sabiendo que salen a una temperatura de 300 ºC y a una presión de 742 mm de Hg. P2.- En un horno se quema un carbón con un 20 % de exceso del aire teórico necesario. La combustión solo se realiza en un 90 %, el aire lleva un 1 % de humedad y los gases de combustión salen a una temperatura de 30 ºC y a una presión de 700 mm de Hg. Un análisis de los gases de combustión pone de manifiesto que el 70 % del carbono se quema a CO2 y el 30 % restante a CO. La composición del carbón que se utiliza es: 70 % de C ,
1 % de H2O , 29 % de cenizas
Se sabe que la presión del vapor de agua a 30 ºC es de 15 mm de Hg. Calcular el volumen de los gases de combustión salientes por cada kilogramo de carbón entrante secos. P3.- Un horno quema un combustible que contiene 88.8 % de C y 11.2 de H , en peso. Un análisis de los humos secos producidos da: CO2 : 11.9 %, CO: 1.6 %, O2 : 4.1 % , N2 :82.4 % Calcular, por cada kg de combustible, los kg de aire utilizados y el volumen de los humos producidos sabiendo que salen a una temperatura de 250 ºC y a una presión de 730 mm de Hg. P4.- Un horno quema carbón cuya composición es: C = 87 %, H2 = 5 %, O2 = 1 %, S2 = 1 %, N2 = 1 %, Cenizas = 5 % El análisis de los humos secos producidos da: CO2 = 14.8 %, SO2 = 0.1 %, O2 = 4.1 % , N2 = 81 % Calcular el exceso de aire utilizado y el volumen de los humos producidos sabiendo que salen a una temperatura de 250 ºC y a una presión de 730 mm de Hg en la combustión de una tonelada de carbón. P5.- Un horno quema 200 kg/hora de coque cuya composición es: 88.6 % de C , 0.5 % de H2O , 10.9 % de cenizas El horno trabaja con una eficacia del 90 % y se introduce un 30 % de exceso del aire teórico necesario para quemar todo el carbono del coque. Calcular el volumen de los humos que salen y su composición sabiendo que el 97 % del carbono pasa a CO2 y el resto a CO. Los Los humos salen a una temperatura de 300 ºC y a una presión de 743 mm de Hg. Hallar el volumen de los humos que salen por minuto. P6.- Un quemador esta alimentado con un gas cuya composición es: CH4 = 7 %, CO 2 = 5 %, %, CO = 12 %, H2 = 2 % , N2 = 74 % Este gas se que con un 50 % de exceso del aire teórico necesario. Si el quemador consume 10 m3/minuto en condiciones normales, calcular el volumen de los humos producidos sabiendo que salen a una temperatura de 250 ºC y a una presión de 740 mm de Hg.
REFRACTARIOS Y HORNOS ///// Problemas de combustibles. Combustión -----------------/// HOJA 2. (EXAMEN JUNIO 2005) P7.- En un horno se pretende utilizar gas metano (CH4) puro como combustible utilizando un exceso de aire de combustión del 10 %. Se dispone de los siguientes datos: - Calores de formación ∆H 0 (J/mol): CO2(g)= -393520; H2O(g) = -241820; H2O(l) = -285830; CH4(g) = -74850 - Capacidades caloríficas a presión constante en kJ/kmol.K: C p(CO2) = 40.1, C p(O2) = 30.0, C p(N2) = 29.2, C p(H2O) = 30.9 - Temperatura ambiente TA = 15 °C. - Temperatura de humos a chimenea TCHIMENEA = 160º C - Calor específico de humos (promedio) c p
= 1.015 kJ/kg. K. 3
- Peso molecular del aire: 28.9 g/mol, Densidad del aire: 1.293 kg/m - Se desprecia la humedad del aire Se desea saber:
(i).- Poder calorífico superior e inferior del gas metano en kJ/kg (ii).- Temperatura máxima que alcanzarán los humos (Temperatura adiabática de llama) 3 (iii).- Consumo de combustible en kg/s y de aire en m /s para un aporte de calor de 104 kJ/s (iv).- Rendimiento calorífico de la instalación
P8.- En un proceso de combustión se quema gas acetileno con un exceso de aire del 30 %. Los gases entran al combustor a 25 °C y los humos salen a chimenea a 140 °C. Las pérdidas totales en el hogar (inquemados + otras) se estiman en 75 MJ/kmol C2H2. Determinar PCI y PCS del acetileno, temperatura de los gases de combustión y rendimiento de la instalación. DATOS: Considerar que el aire de combustión esta seco (despreciar humedad del aire) Calor específico de humos (promedio) c p
= 1.015 kJ/kg. K
P9.- Calcular la temperatura teórica de la llama producida al quemar metano con un 20 % de exceso de aire. S.- 1780 K P10.-Un gas combustible a una temperatura de 25 ºC cuya composición molar es: CH4 = 62.00 %, N2 = 38.00 %, se quema con la cantidad de aire requerida teóricamente que entra en el reactor a 25 ºC. Calcular la temperatura adiabática de llama (tener en cuenta la vaporización del agua). Datos:
∆ Hf º (CH4) = -74.81 kJ/mol , ∆ Hf º (H2O(l)) = -285.8 kJ/mol
∆ Hf º (O2) = 0 kJ/mol , ∆ Hf º (CO2) = -393.5 kJ/mol , ∆ Hvap (H2O) = 40.58 kJ/mol a 100ºC
Cp (N2) = 29.12·10-3 kJ/mol.K ,Cp (CO2) = 37.11·10-3 kJ/mol.K Cp (H2O (g)) = 33.57·10-3 kJ/mol.K Composición molar del aire : 20.00 % O2 , 80 % de N2
, Cp (H2O (l)) = 75.29·10-3 kJ/mol.K
REFRACTARIOS Y HORNOS ///// Problemas de combustibles. Combustión --------------- /// HOJA 3. P11.- Al usuario de combustibles se le presenta con frecuencia la conveniencia de proceder al cambio de un combustible por otro, sea por escasez o carencia de uno, sea por razones económicas (evolución de precios y tarifas). En las aplicaciones industriales, se dice que dos gases combustibles son intercambiables cuando ambos tienen el mismo índice de Wobbe
(W s ) : W s =
siendo
H s d
H s el poder calorífico superior y d la densidad relativa al aire.
En la práctica, uno de los gases de sustitución más empleado, sea como reserva o como aporte complementario en hora punta, es el constituido por mezcla de un hidrocarburo (gas natural, GLP), y aire. Esta mezcla se realiza en proporciones tales que su índice de Wobbe sea igual al del gas a sustituir. Se desea prepar ar con un propano comerc ial formado por 90 % de prop ano y 1 0 % de normal butano, un aire propanado intercambiable con gas natural de ENAGAS de tipo 1 (Indice de Wobbe igual 55.46). Determinar la proporción de propano y aire. Se supondrá que el poder calorifico de una mezcla de gases se calcula mediante:
Hm =
∑ xi H i i
siendo x i la fracción molar (volumétrica) del componente i de la mezcla y H i su poder calorifico MJ 3 m (n ) y en cuanto a la densidad:
dm =
∑ x i d i i
Tabla.- Valor es de la densidad r elativa, pod er cal orífi co superior e inferior, factor de compresibi lidad, Z y factor de cor recció n
b p a r a gases usuales, como gases ideales, según ISO-6976.
REFRACTARIOS Y HORNOS ///// Problemas de combustibles. Combustión -----------------/// HOJA 4. P12.- (i).- El contenido de humedad de un aire se suele expresar referido a base seca, y así se defin e la humedad absoluta por los kg de H2O por cada kg de aire seco, valor que se simboliza por x. Dadas una presión total p y una temperatura T, el aire no puede contener cualquier cantidad de vapor de agua, sino que, alcanzando un valor de saturación, los valores en exceso corresponderán a estados de niebla (agua líquida). Así, a la temperatura T, el agua tiene una tensión de vapor determinada. ps (T ) , que es el valor máximo de la presión parcial del vapor de agua en el aire. Probar que:
ps (T ) = p
x s
0.622 + x s
siendo x s la hume dad absoluta correspondiente al valor de saturación. (ii).- Si a una temperatura T el aire tiene un contenido de humedad
x ≤ x s ejercerá una presión parcial inferior a
ps (T ) que se pone igual a pva = ϕ ps (T ) , siendo ϕ la humedad relativa del aire. Probar que: ϕ =
p
x
ps (T ) 0.622 + x
(iii).- En un proceso de combustión se requiere la aportación de 1250 kg/h de aire. Se dispone de aire atmosférico a 20 ° y humedad relativa del 80 %. La presión barométrica es de 735 mmHg. Determinar el caudal volumétrico del aire a aspirar en el ventilador. P13.- Un gas combustible tiene por composición molar: H2 = 10 %, CO = 5 %, CH4 = 75 %, N2 = 10 % Calcular su poder calorífico inferior y su índice de Wobbe (referido al superior). Comparar el cálculo como caso ideal y como caso real. Gases naturales d i s t r i b u i d o s p o r l a r e d nacional de gasoductos. Las composiciones se refieren a valores medios, ya q u e p u e d e n t e n e r variaciones.
REFRACTARIOS Y HORNOS ///// Problemas de combustibles. Combustión --------------------/// HOJA 5. P14.- Un gas está formado por 90 % de metano, 8 % de etano y 2 % de nitrógeno. Se utilizan 10.5 m3.N de aire por m3.N de gas. Determinar el exceso de aire, el volumen de gases húmedos y secos producidos y el tanto por ciento de CO2 y de O2 en los gases secos.
P15.- Un aceite combustible tiene por análisis elemental el siguiente: 85 % de C,
14 % de H
y 1 % de S
Se quema con 15 m3.N de aire por kilogramo de combustible. Determinar el exceso de aire, el volumen de productos totales y secos producidos y el tanto por ciento de CO2 en estos últimos.
P16.- Calcular del punto de rocío de los productos de combustión del gas natural tipo, que utiliza un valor del coeficiente de exceso de aire α = 1.20, suponiendo que éste contiene una humedad de 0,01 kg de agua por kg de aire seco. Tabla.- Parámetros de la combustión de 1 m3 .N de gas natural de la composición media del gas distribuido en España de la clase L y de la clase H. Los valores específicos del aire y productos de la combustión se dan en m 3 .N y en kg para poder seleccionar el método de cálculo que se desee. Al pie de la tabla se han calculado los coeficientes que permiten calcular el coeficiente de exceso de aire en función del tanto po r ci en to de CO2 o de O2 en los humos.
REFRACTARIOS Y HORNOS ///// Problemas de combustibles. Combustión --------------------/// HOJA 6. P17.- (i).- En un horno que utiliza gas natural de 38,.8 MJ/m3 .N de poder calorífico inferior se miden un consumo de 200 m3 /h y una temperatura de los productos de la combustión de 800 °C. El análisis de los productos secos da un porcentaje de CO2 del 9.5 % en volumen. Determinar el ahorro de combustible que puede conseguirse si se regul a el exces o d e air e al 10 %. (ii).- Se propone, además de trabajar con un 10 % de exceso de aire, precalentar el aire a 400°C. Se desea calcular el ahorro conseguido con este precalentamiento.
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REFRACTARIOS Y HORNOS ///// Problemas de combustibles. Combustión --------------------/// HOJA 7. Tabla.- Presión del vapor de agua en función de la temperatura, en estado de saturación, a distintas temperaturas (°C).
Valores de la densidad relativa, poder calorífico superior e inferior, factor de compresibilidad y factor de corrección
b
para gases usuales, como gases ideales, según ISO-6976
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