Combustibles Industriales: Propiedades, Aplicaciones y Sistemas de Vaporización

Combustibles Industriales

Tipos de Combustibles

• Naturales: carbón, petróleo.
• Artificiales: derivados del petróleo.

Usos Principales según Estado Físico

1. Gaseosos: son los más utilizados en muchas aplicaciones por su limpieza y facilidad de control.
2. Líquidos: requieren oxígeno (O₂) y un sistema de carburación o pulverización para una combustión eficiente.
3. Sólidos: aunque energéticamente densos, pueden ser considerados menos convenientes en algunas aplicaciones debido al manejo de cenizas y emisiones.

Características Fundamentales de los Combustibles

1. Poder Calorífico: Es la cantidad de energía, usualmente medida en calorías o julios, que libera la combustión completa de una unidad de masa (ej. por kg) o volumen (ej. por m³) del combustible.
   • PCS (Poder Calorífico Superior): Considera el calor total liberado, incluyendo el calor latente recuperado por la condensación del vapor de agua formado durante la combustión, además del calor sensible de los productos de la combustión. El PCS representa la suma de todas estas energías.
   • PCN (Poder Calorífico Neto o Inferior): Excluye el calor latente de condensación del vapor de agua, asumiendo que este se evacúa con los gases de combustión. Por lo tanto, PCN = PCS – calor latente del vapor de agua contenido en los humos.
2. Temperatura de Combustión: Es la temperatura máxima que se alcanza durante el proceso de combustión adiabática del combustible.
3. Residuos de la Combustión: Son los materiales incombustibles que permanecen después de que el combustible se ha quemado completamente (por ejemplo, cenizas en el caso de combustibles sólidos).

Análisis de Combustibles

El análisis de combustibles es fundamental para determinar su calidad, composición, poder calorífico y comportamiento durante la combustión, lo que influye directamente en la eficiencia de los procesos industriales.

Determinación de la Humedad en Carbones

• Humedad libre (o superficial): Es el agua que se encuentra en la superficie del carbón y le confiere un aspecto mojado. Se elimina fácilmente por secado al aire.
• Humedad de equilibrio (o higroscópica): Es la capacidad del carbón para retener humedad cuando se encuentra en equilibrio con una atmósfera de humedad relativa específica (estándar: 97% a 30 °C).
• Humedad físicamente unida (o inherente): Es el agua que existe en el carbón en su estado natural, retenida en sus poros y capilares.
• Agua combinada (o de constitución): Es el agua que forma parte de la estructura química de las moléculas del carbón y solo se libera a temperaturas elevadas mediante descomposición térmica.
• Humedad total: Representa la suma de todas las formas de agua presentes en el combustible. Se determina usualmente mediante un proceso en dos etapas:
  1. Secado al aire para eliminar la humedad libre.
  2. Secado en estufa a temperatura controlada (ej. 105-110 °C) hasta peso constante para determinar la humedad restante.

Análisis Inmediato (o Próximo)

Este tipo de análisis proporciona información rápida sobre la composición general del combustible en base a diferentes fracciones.

• Humedad: Se determina por la pérdida de peso de la muestra de combustible cuando se calienta en una estufa a 105-110 °C hasta alcanzar un peso constante.
• Materia volátil: Son los productos gaseosos y líquidos (excluyendo la humedad) que se desprenden cuando el carbón (previamente secado) se somete a una temperatura elevada (generalmente alrededor de 850-950 °C) en ausencia de aire durante un tiempo específico. Se pesa la materia volátil desprendida por diferencia.
• Cenizas: Es el residuo inorgánico e incombustible que queda después de la combustión completa del carbón en un crisol, en presencia de aire y a una temperatura controlada (ej. 700-850 °C).
• Carbón fijo: Representa la fracción combustible sólida que queda después de la eliminación de la humedad y la materia volátil. Se calcula por diferencia: Carbón Fijo (%) = 100% - (% Humedad + % Materia Volátil + % Cenizas).

Análisis Elemental (o Último)

Este análisis es más complejo y determina la composición elemental del combustible, es decir, los porcentajes en peso de carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y azufre (S), además de la humedad y las cenizas.

• Humedad: Se determina de forma similar al análisis inmediato.
• Agua combinada: Su determinación puede requerir métodos específicos si se quiere diferenciar de la humedad total.
• Carbón fijo: En el contexto elemental, se refiere al carbono total presente en el combustible.
• Hidrógeno neto: Es el hidrógeno total presente en el combustible menos el hidrógeno que forma parte del agua (H₂O) de la humedad. Este hidrógeno neto es el que contribuye al poder calorífico.
• Cenizas: Se determina de forma similar al análisis inmediato.
• Azufre (S) y Nitrógeno (N): Se determinan sus porcentajes, ya que son importantes por su contribución a la corrosión y a la formación de contaminantes atmosféricos (SO_x, NO_x) si están presentes en proporciones elevadas.

Transporte y Eficiencia Energética

Un balance energético típico en una instalación industrial que utiliza combustibles puede mostrar las siguientes distribuciones aproximadas:

• Calor generado por el combustible: 100% (energía de entrada)
• Pérdidas energéticas:
  • Pérdidas en los humos (gases de escape): 15%
  • Pérdidas por condensaciones no deseadas: 8%
  • Pérdidas en conducciones y tuberías: 7%
  • Pérdidas en los equipos (aislamiento deficiente, etc.): 5%
• Calor útil (aprovechado en el proceso): 65%

Esquema de una Instalación de Vaporización con Acumulador de Vapor

A continuación, se describe el flujo general en una planta de generación y utilización de vapor, que puede incluir un acumulador para gestionar fluctuaciones en la demanda:

1. La caldera recibe calor, típicamente de la combustión de un combustible, y lo utiliza para transformar el agua de alimentación en vapor a alta presión y temperatura.
2. El vapor generado puede pasar a un intercambiador de calor (recalentador o sobrecalentador), que incrementa aún más su temperatura (vapor sobrecalentado) para mejorar la eficiencia y evitar condensaciones en etapas posteriores.
3. Al salir del sistema de caldera/recalentador, el vapor puede dirigirse:
   • A una turbina de vapor, donde se expande para generar trabajo mecánico, que usualmente se convierte en electricidad mediante un alternador.
   • Directamente a los puntos de consumo de calor en los procesos industriales (calentamiento, secado, etc.).
4. La turbina, si está presente, está acoplada a un alternador para la generación de energía eléctrica.
5. El vapor de escape de la turbina (a menor presión y temperatura) puede tener varios destinos:
   • Ser enviado a una salida B (por ejemplo, para procesos que requieren vapor de baja presión, o como agua caliente si se condensa).
   • Dirigirse a un intercambiador de calor (condensador), donde cede su calor latente a un fluido refrigerante (generalmente agua) y se condensa totalmente. Este calor puede ser aprovechado.
6. El agua condensada (del condensador y de otros puntos de retorno) es impulsada por una bomba de alimentación hacia un precalentador de agua de alimentación (economizador). Este equipo utiliza calor residual (ej. de los gases de escape de la caldera) para precalentar el agua antes de que ingrese nuevamente a la caldera, mejorando así la eficiencia global del ciclo. Un acumulador de vapor (no detallado en el flujo original pero mencionado en el título) se integraría para almacenar vapor cuando la producción excede la demanda y suministrarlo cuando la demanda es alta, estabilizando la presión del sistema.

Medios de Transmisión de Calor en la Industria Química

La selección del medio de transmisión de calor adecuado es crucial en la industria química para optimizar procesos, garantizar la seguridad y controlar los costes. Algunos medios comunes son:

Fuego Directo

• Rango de Temperatura: Generalmente para temperaturas superiores a 150 °C.
• Características: Es un método barato, sencillo en su concepción y cómodo de implementar para ciertos procesos.
• Desventajas: Alto riesgo de incendio, posibilidad de contaminación del producto si hay contacto directo o fugas, y control de la temperatura a menudo complicado y poco uniforme.

Fuego Indirecto

• Descripción: El calor de la combustión se transfiere al proceso a través de una superficie intermedia o un fluido portador confinado, sin contacto directo entre los gases de combustión y el producto.
• Ventajas: Se evita la impurificación del producto, coste operativo potencialmente bajo.
• Desventajas: La instalación inicial puede ser más costosa que el fuego directo, y persiste el riesgo de incendio asociado a la fuente de combustión.

Calentamiento por Gases de Combustión

• Descripción: Los gases calientes procedentes de una combustión inciden directamente sobre el elemento o material a calentar.
• Características: Coste de implementación moderado, permite un buen control de la temperatura si el diseño es adecuado.
• Desventajas: Riesgo de incendio inherente a la combustión, y posible impurificación del producto si los gases de combustión entran en contacto con él.

Aceite Térmico (Fluidos Térmicos Orgánicos)

• Rango de Temperatura Típico: 150 °C a 300 °C (algunas formulaciones especiales pueden alcanzar hasta 400 °C).
• Proceso: El aceite térmico circula en un circuito cerrado. Se calienta en un generador de calor y luego se bombea para transferir calor a diversos equipos de proceso (reactores encamisados, intercambiadores, etc.). El aceite, ya enfriado, retorna al generador.
• Ventajas: Permite una transmisión de calor uniforme y un excelente control de la temperatura a presiones relativamente bajas.
• Desventajas: Posibilidad de degradación térmica del aceite (carbonización o coquización) si se sobrepasan sus límites de temperatura, lo que reduce la eficiencia y puede causar obstrucciones; necesidad de reponer pérdidas de aceite; inflamabilidad del fluido.

Dowtherm™ y Fluidos Sintéticos Similares

• Rango de Temperatura Típico: 150 °C a 370 °C (algunas variantes como Dowtherm A pueden operar hasta 400 °C).
• Descripción: Son fluidos térmicos sintéticos, a menudo mezclas eutécticas (como difenilo y óxido de difenilo para Dowtherm A) u otros compuestos orgánicos diseñados para alta estabilidad térmica. Son productos elaborados en laboratorio.
• Ventajas: Excelente control de temperatura, capacidad para operar a altas temperaturas con bajas presiones de vapor.
• Desventajas: Coste del fluido generalmente moderado a alto, coste de la instalación puede ser elevado debido a materiales especiales y diseño.

Diarilmetanos

• Descripción: Son fluidos térmicos sintéticos, resultado de la condensación de un hidrocarburo aromático base (como tolueno o xileno) con formaldehído.
• Características: Ofrecen rangos de temperatura de trabajo similares a otros fluidos sintéticos, pueden ser más fáciles de obtener o procesar, ofrecen diversas posibilidades de uso y, en algunos casos, pueden ser más económicos que fluidos como Dowtherm.

Vapor de Mercurio

• Rango de Temperatura: Aproximadamente 300 °C a 650 °C.
• Ventajas: Permite un buen control de la temperatura y ofrece altas tasas de transferencia de calor debido a sus propiedades físicas (alta conductividad térmica del condensado).
• Desventajas: Coste muy elevado del mercurio, alta toxicidad (riesgos ambientales y de salud significativos en caso de fugas), eficiencia del ciclo puede ser moderada. Su uso es extremadamente raro hoy en día debido a estos inconvenientes.

HTS (High Temperature Salts - Sales Fundidas)

• Rango de Temperatura Típico: 150 °C a 500 °C (algunas mezclas específicas pueden operar hasta 600 °C o más).
• Descripción: Son mezclas de sales inorgánicas (ej. nitratos y nitritos de metales alcalinos) que se utilizan en estado líquido como medio de transferencia de calor.
• Ventajas: Buen control de la temperatura, excelente transferencia de calor, bajo coste del fluido, no inflamables, baja presión de vapor.
• Desventajas: Pueden solidificarse a temperaturas relativamente altas si no se mantiene el calentamiento (requieren traceado térmico en tuberías y equipos), y si la temperatura de operación excede los límites de estabilidad de la mezcla (>500-600 °C, según la composición), pueden producirse alteraciones en su estructura o descomposición, generando gases o cambiando sus propiedades.

Calentamiento Eléctrico

• Rango de Temperatura: Aplicable desde temperaturas moderadas (por encima de 150 °C, como se menciona) hasta temperaturas muy elevadas, limitadas solo por los materiales de los elementos calefactores y del equipo.
• Ventajas: Considerado uno de los mejores métodos en términos de limpieza (sin productos de combustión), facilidad de instalación y control de temperatura extremadamente preciso y rápido.
• Desventajas: El principal inconveniente es el mayor coste de funcionamiento debido al precio de la energía eléctrica en comparación con los combustibles fósiles.