POTENCIA CALORIFICA
ANA MARIA MONTEALEGRE MONTEALEGRE OROZCO OROZCO SAMUEL QUINTERO HERRERA ADALBER ELIECER ELIECER MEDINA ALVIS ALVIS
COD.2010191989 COD.2010191989 COD.20112106147 COD.2010296959 COD.2010296959
Ingeniera HAIDEE MORALES
UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA INGENIERIA DE PETROLEO ESTEQUIOMETRIA NEIVA HUILA 2012
__________________________________________________________Introducción En los distintos procesos llevados a cabo en la industria del petróleo se utilizan las diferentes propiedades que determinan los comportamientos dentro del yacimiento y fuera de él, saber interpretarlos correctamente nos proporciona la seguridad del pozo y del personal que allí labora, he aquí la importancia de saber determinar, interpretar y solucionar distintos tipos de problemas de intercambio de calor. Este informe busca ampliar los conocimientos que los ingenieros deben tener presente en el momento de analizar resultados, buscando conceptos claros a cerca del comportamiento calórico y la energía necesaria para que dichos procedimientos se lleven a cabo (poder calorífico). La construcción de este informe tiene como esquema tres pasos, el primero es una introducción al tema de poder calorífico describiendo brevemente lo que es, el segundo son los distintos métodos para determinar el poder calorífico, y el tercero deja ver más a fondo el poder calorífico respecto al tratamiento de carbonos.
______________________________________________________________Objetivo Complementar el tema de poder calorífico y métodos correspondientes.
________________________________________________________Generalidades El poder o potencia calórica o poder de combustión es la cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión (oxidación), referida a la unidad de masa de combustible. El poder calórico expresa la energía máxima que puede liberar la unión química entre un combustible y el comburente (sustancia que oxida al combustible), y es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos la energía utilizada en la formación de nuevas moléculas en las materias (generalmente gases) formada en la combustión. La potencia calorífica se mide cuando ocurre oxidación completa del combustible.
Las unidades comunes para medir la potencia calorífica son: (kcal/kg); (kcal/m3 ); (BTU/lb); (BTU/pie3 ) Es decir, que la potencia calorífica se puede expresar tanto en unidades másicas como volumétricas. La magnitud del poder calorífico puede variar según como se mida. Según la forma: expresión poder calorífico superior (PCS) y poder calorífico inferior (PCI). Existe tanto un valor calorífico inferior (neto) (LHV, lower heating value) como un valor calorífico superior (bruto) (HHV, higher heating value), dependiendo de si el agua en los productos de la combustión está en forma de vapor (para el LHV) o de líquido (para el HHV).
VALOR CALORÍFICO SUPERIOR (BRUTO) (HHV, HIGHER HEATING VALUE) Ocurre cuando la combustión en el proceso no es completa, combustión bruta, por lo que el agua producida se condensa y no hace parte de los gases de chimenea, generalmente la temperatura a la que se lleva el proceso es a 0°C lo que hace evidente que el agua en los productos este en fase líquida. El hecho de que la potencia calorífica sea superior en la combustión bruta se da debido a que la condensación del agua aporta calor adicional al proceso de combustión.
PODER CALORÍFICO INFERIOR (NETO) (LHV LOWER HEATING VALUE) Se presenta cuando el proceso de combustión es completo (combustión neta), esto hace que en los gases de chimenea se presente humedad, pues el agua producida estará en fase gaseosa, y no hay un aporte adicional de calor por causa de la condensación. Existen maneras de relacionar el poder calorífico superior e inferior; esto se logra conociendo la humedad del gas cuando se produce la combustión a altas temperaturas; además del poder calorífico propio del combustible. Dónde: LHV: Poder calorífico inferior en (Kcal/Kg) HHV: Poder calorífico superior (Kcal/kg) G= Porcentaje en peso del agua formada por la combustión más la humedad propia del combustible ( kg agua/ kg comb); G = 9H + H20 Siendo:
9: Los kilos de agua que se forman al oxidar un kilo de hidrógeno. H: Porcentaje de hidrógeno contenido en el combustible. H2O: Porcentaje de humedad del combustible. Por lo que la ecuación de relación entre poder calorífico superior e inferior queda dada como
_____________________________Métodos de determinación del poder calorífico El poder calorífico de un combustible se mide en un ensayo calorimétrico donde los productos de combustión deben enfriarse a condiciones atmosféricas normales, tomando el dato del calor total desprendido en el proceso de enfriamiento, el vapor de agua presente en los comburentes se condensa, desprendiendo su calor latente y resultando ser mayor el calor liberado, más que el d isponible cuando no ocurre la condensación, para la determinación de poder calorífico superior e inferior se tienen 2 métodos, uno analítico y uno práctico: Principio de Conservación de energía: "El poder calorífico de un cuerpo compuesto es igual a la suma de los poderes caloríficos de los elementos simples que lo forman, multiplicados por la cantidad centesimal en que intervienen, descontando de la cantidad de hidrógeno total del combustible la que se encuentra ya combinada con el oxígeno del mis mo”
METODO ANALITICO: Aplica el principio de conservación de la energía, efectuando un análisis previo elemental del combustible cuyo poder calorífico deseamos determinar, donde se hallan los poderes caloríficos de acuerdo a la sustancia: %C
= PODER CALORIFICO DEL CARBONO %H = PODER CALORIFICO DEL HIDROGENO %0 2 = PODER CALORIFICO DEL OXIGENO %S = PODER CALORIFICO DEL AZUFRE %Humedad = PODER CALORIFICO DEL
AGUA, NETA (PTENCIA CALORIFICA INFERIOR) O BRUTA (POTENCIA
CALORIFICA SUPERIOR)
PODER CALORIFICO DEL CARBONO ( %C ) Al combinar el carbono (C) con suficiente cantidad de oxígeno, quemándose totalmente forma anhídrido carbónico desprendiendo calor así: C + 0 2 CO 2 + 8.140
Si el oxígeno disponible para la combustión no es suficiente, el carbono se oxida formando monóxido de carbono con liberación menor liberación de calor así:
C + 0 2 CO + 2.440
PODER CALORIFICO DEL HIDROGENO ( %H ) Como el hidrogeno producirá agua, se debe tener en cuenta que el poder calorífico puede ser superior o inferior de acuerdo al agua producida, entonces se determina así:
1. PODER CALORIFICO SUPERIOR El Hidrógeno se combina con el oxígeno en forma total, dando como resultado agua con desprendimiento de calor.
H 2 + 0 2 H 2O + 34.400
Incluyendo el calor cedido por la condensación del vapor de agua formado en la combustión, por consiguiente, el poder calorífico superior del hidrógeno: PCS = 34.400
2.
PODER CALORIFICO INFERIOR
En el caso de que no se pueda aprovechar ese calor de condensación, al calor liberado en la oxidación del hidrógeno habrá que descontar descontarle el calor que pierde al no condensar el vapor de agua, con lo cual se obtendría el poder calorífico inferior del hidrógeno. PCI = PCS - 600 x ( 9H + H 20 ) Considerando: H20 = 0 por considerar que no existe humedad en el combustible H = 1 kg hidrógeno Resulta : PCI = 34.400 - 600 x 9 PCI = 34.400 - 5.400
PCI = 29.000 PODER CALORIFICO DEL AZUFRE (%S ) Dado que el azufre es un contaminante del combustible y su presencia es indeseable, también se oxida y libera calor: S + 0 2 SO 2 + 2.220
Distintas ecuaciones que nos ayudaran a encontrar los poderes caloríficos dependiendo de su humedad:
FORMULA DE DULONG El físico DULONG basado en el principio de conservación de la energía desarrollo la ecuación : PCS = 8.140 * C + 34.400 * (H - O/8) + 2.220 * S Donde: C : cantidad centesimal de carbono en peso por kilogramo combustible H : cantidad centesimal de hidrógeno total en peso por kilogramo de combustible O: cantidad centesimal de oxígeno en peso por kilogramo combustible S : cantidad centesimal de azufre en peso por kilogramo combustible O / 8 : cantidad centesimal de hidrógeno en peso que se encuentra combinado con el oxígeno del mismo combustible dando " agua de combinación" (H - O/8 ) : cantidad centesimal de "hidrógeno disponible", en peso realmente disponible para que se oxide con el oxígeno del aire, dando "agua de formación" Poder calorífico inferior de un combustible seco
PCI = 8.140 * C + 29.000 * (H - O/ 8 ) + 2.220 * S Poder calorífico inferior de un combustible húmedo
PCI = 8.140 *C + 29.000 * (H -O/8) + 2.220 *S – 600 *H2O FORMULA DE HUTTE PODER CALORIFICO INFERIOR DE UN COMBUSTIBLE HUMEDO
PCI = 8.100 * C + 29.000 * (H - O/ 8 ) + 2.500 * S - 600 *H2O
FORMULA DE LA ASOCIACION DE INGENIEROS ALEMANES PODER CALORIFICO INFERIOR DE UN COMBUSTIBLE HUMEDO
PCI = 8.080 *C + 29.000 * (H - O/ 8 ) + 2.500 * S - 600 * H2O
METODO PRÁCTICO: Para este método es recurrente el empleo de "Calorímetros" mediante los cuales se puede determinar en forma directa en el laboratorio el poder calorífico de los combustibles. Los métodos calorimétricos consisten en quemar una cantidad de combustible y medir la cantidad de calor producida a través de la energía térmica ganada por un líquido conocido (agua), el que de acuerdo al método a utilizar, puede estar contenida en un recipiente, o permanecer en continua circulación durante el proceso.
En un proceso ideal se cumplirá que: Calor liberado por el combustible = Calor ganado por el agua Qcomb = Qagua Qcomb = ma x cpa x (T final - T inicial )
CALORIMETRO DE MAHLER Y KROEKER PROCEDIMIENTO DE CALCULO El procedimiento de cálculo se basa en suponer que al no existir intercambio térmico con el medio, el calor generado dentro de la bomba calorimétrica (Q) es entonces absorbido por los elementos que rodean la misma que son: 1. 2. 3. 4.
El agua contenida en el calorímetro El agitador El termómetro La bomba y el recipiente calorimétrico
Q = Q agua + Q agitador agitador + Q + termómetro termómetro + Q + bomba + Q recipiente recipiente.
El calorímetro es el instrumento que mide la energía en procesos de intercambio de calor, teniendo en cuenta que los procesos más estudiados son los de combustión, pueden ser de 2 clases, Bombas adiabáticas a presión constante (para reacciones en que no intervienen gases), y Bombas adiabáticas a volumen constante (para reacciones en que algunas especies son gases)
BOMBA CALORIMÉTRICA A VOLUMEN CONSTANTE
1. Agitador 2. Conductores eléctricos para ignición 3. Termómetro 4. Envoltura aislante 5. Válvula de oxígeno 6. Cámara de reacción (acero) 7. Conectores a la resistencia 8. Crisol con muestra 9.-Baño de agua
Midiendo T del agua antes y después del calentamiento y conociendo la capacidad calorífica del calorímetro se calcula el calor involucrado en la reacción.
BOMBA CALORÍMETRRICA A PRESIÓN CONSTANTE Cuando no intervienen gases se usan calorímetros a P constante, se mide la variación de la entalpía, en lugar de la variación de la energía interna.
ΔH (-) se relaciona con la elevación de la
T de la masa conocida de solución y con la cantidad de calor que absorbe el calorímetro.
_________________________________________________________Conclusiones 1. El poder calorífico es una cantidad estequiometrica que mide la energía producida durante la combustión por unidad másica.
2. La potencia calorífica depende del tipo de combustión, si es neta, el poder calorífico es inferior pero 3. 4. 5. 6.
si es bruta, su valor es mayor debido a que se le adiciona el aporte del calor del proceso de condensación del agua. Existen maneras de relacionar el poder calorífico superior e inferior teniendo en cuenta la humedad del vapor y el calor que se produce en la condensación del agua. Existen métodos tanto prácticos como analíticos para poder determinar la potencia calorífica. En el método analítico se aplican conceptos como el principio de conservación de la energía pues la potencia total es igual a la sumatoria de las potencias que genera la combustión de cada componente. El método práctico se utiliza la calorimetría, pues se utilizan los calorímetros en laboratorios donde se puede medir directamente el poder calorífico, a través de las bombas calorimétricas, las hay a volumen constante y a presión constante
