julio 23, 2011

Los gases y su combustión

Los gases llamados combustibles son aquellos son capaces de reaccionar con el oxígeno del aire (del ambiente) de forma rápida y con desprendimiento de energía térmica, es decir calor, entre ellos tenemos a los gases butano, propano, gas natural, acetileno, entre otros. Así mismo tenemos a los denominados gases llamados comburentes, tales como el oxígeno, cloro y otros, que son necesarios para la combustión (1) de otros gases, pero por si mismos no son combustibles.

Por otro lado también tenemos a gases que no arden ni contribuye  a la combustión de otros, como el nitrógeno, anhídrido carbónico, los gases nobles, entre otros. Estos gases se les llaman también gases inertes.

Los gases combustibles son pues aquellos que combinados con el oxígeno del aire (comburente) producen energía en forma de calor, durante el proceso de combustión y siguen el siguiente esquena de reacción química:

Gas combustible + gas comburente (O2) = Calor (energía) + productos de la combustión

Propiedades de los gases con la combustión
Los gases combustibles tienen las siguientes propiedades:

Temperatura teórica de combustión
Se define como la máxima temperatura que teóricamente pueden alcanzar en la combustión perfecta del gas. La tabla es la siguiente:

Gas Combustible
Máx temperatura teórica de combustión (°C)
Gas natural
1950
Propano comercial
1980
Butano comercial
2005

Temperatura de inflamación
Esta temperatura nos indica cuando un gas combustible sin necesidad del concurso de ignición, llama o chispa, se inflama una mezcla del gas y aire. Los valores de temperatura de inflamación para los gases combustibles más empleados son:

Gas Combustible
Temperatura de inflamación (°C)
Gas natural
510
Propano comercial
468
Butano comercial
410

Límites de inflamabilidad
Un hecho importante es que no todas las mezclas de gas combustible con el aire son adecuadas para arder, puesto que para iniciar y propagar la combustión de una mezcla de gas-aire se precisa alcanzar una determinada “temperatura de inflamación” que garantice la continuidad de la combustión y ello no es posible cuando la mezcla es demasiado pobre  o demasiado rica.

Se denomina límite de inflamabilidad a la composición en porcentaje de la mezcla de gas-aire, a presión y temperatura ambiente, para que la mezcla se inflame.

Con porcentajes por debajo del límite inferior de inflamabilidad no es posible mantener la combustión, así  definimos el llamado dominio de inflamabilidad a aquellas composiciones comprendidas entre ambos límites. En la tabla mostrada se relacionan estos valores para los gases combustibles más corrientes.

Gas
Límite inferior de Inflamabilidad (%)
Límite superior de Inflamabilidad (%)
Propano
2.4
9.5
Butano
1.8
8.4
Gas Natural
4.7
13.7
Gas ciudad
5.8
45.6

Velocidad de propagación de la llama
Cuando la mezcla aire-gas está dentro de los límites de inflamabilidad, la combustión, se propaga con determinada velocidad. Este fenómeno se conoce como deflagración.

Este fenómeno tiene una gran importancia, pues la estabilidad de la llama de un quemador de gas depende de la velocidad de propagación de la llama y de la velocidad de salida de la mezcla gas-aire.

Si la velocidad de salida es menor a la de propagación, se produce un retroceso de la llama hacia el interior del quemador, y si es superior ocurre una separación de la misma que generalmente trae consigo su extinción.

Intercambiabilidad y clasificación de los gases
Es la posibilidad de cambiar, sustituir un gas por otro en un mismo equipo o de manera general, en un conjunto de aparatos o equipos, conservando condiciones correctas de funcionamiento.

Podemos decir que dos gases son intercambiables cuando en los equipos,  distribuidos bajo la misma presión y alimentando los mismos quemadores, producen equivalentes resultados de combustión, y permiten mantener a la vez:

·      Igual potencia calórica
·    La estabilidad de la llama, incluye el desprendimiento de llama en todos los quemadores y además, ausencia de retroceso de llama en los quemadores de premezcla.
·   La calidad de la combustión y manteniéndola por debajo de los umbrales máximos de emisiones (relación CO/CO2), ausencia de formación de hollín, etc.

Los investigaciones de los problemas de intercambiabilidad han conducido a agrupar a los gases de características próximas en familias, siendo los gases de cada familia intercambiables entre sí.

El método más utilizado para definir la intercambiabilidad es el método de Delbourg, que emplea dos parámetros: el índice de Wobbe y potencial de combustión. El índice de Wobbe se define como el cociente entre el poder calorífico de un gas y la raíz cuadrada de la densidad relativa de este con respecto al aire.

Según se utilice el PCS (2) (poder calorífico superior) o el PCI (poder calorífico inferior) se hablara de índice de Wobbe superior (Ws) o índice de Wobbe inferior (Wi). Por lo general el más empleado es el primero:

Al intercambiar dos gases entre sí alimentándolos a la misma presión, la condición para que no varíe el consumo calorífico del quemador es que el valor del índice de Wobbe sea el mismo en ambos gases.


Se dice por tanto que dos gases son intercambiables cuando tienen el mismo índice de Wobbe.

En función de valor de Ws, los gases se clasifican en tres familias:

·    La primera familia, esta constituida por gases manufacturaos, gas de coquería y mezclas hidrocarburos-aire (aire propanado y aire metanado) de bajo poder calorífico (entre.16.74 a 19.8 MJ/m3. En la actualidad este tipo de gases prácticamente ya no se usa. Su índice de Wobbe esta entre 19.13 a 27.64.

·    La segunda familia, esta conformada por los gases naturales, gas natural sintético y las mezclas de hidrocarburos-aire (aire propanado) de alto poder calorífico (entre 33.48 MJ/m3 a 50.4 MJ/m3). Su índice de Wobbe esta entre 39.1 a 54.7

·     La tercera familia, constituida por los gases licuados de petróleo (GLP): propano y butano, PCS entre 100.44 MJ/m3 a 29.6 MJ/m3. Su índice de Wobbe esta entre 72.9 a 87.3.

(1) La combustión es una reacción de oxidación. La llama o fuego es la fuente de calor de esta reacción. 
(2) El pcs es el calor verdaderamente producido en la reacción de combustión y poder calorífico inferior para el calor realmente aprovechable, el producido sin aprovechar la energía de la condensación del agua y otros procesos de pequeña importancia.

Fuentes: El gas natural Caminando al desarrollo - Cáceres Vergara Julio 2005 - Lima -Perú

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