Ficha Técnica - Imporex Oil & Combustion

Presentación Técnica
2011

Celdas Catalíticas Imporex
para Optimizar la Combustión

Introducción

La combustión es la reacción química de oxidación del combustible con
desprendimiento de calor y por su complejidad, en la práctica, una
combustión perfecta no es alcanzable.
Las reacciones de combustión son de gran utilidad en la industria, sin
embargo, su complejidad propicia ineficiencias que se incrementan con la
mala calidad del combustible y la tecnología empleada en el diseño de los
equipos.
La combustión incompleta representa para la industria un desperdicio de
combustible que ocasiona problemas de operación y graves daños al
medio ambiente.
Las Celdas Catalíticas permiten quemar bien todo el combustible con lo que
se elimina el desperdicio y se disminuye la emisión de gases contaminantes
a la atmósfera.

Los combustibles obtenidos de la destilación fraccionada del petróleo se
clasifican por su estado en gaseosos y líquidos y sus características
estructurales dependen del rango de temperatura al que destilan.
Los problemas de operación y contaminación ocasionados con el
quemado de los combustibles, son problemas derivados de sus
características estructurales.
Algunas características de los combustibles son: contenido de humedad,
densidad, viscosidad, poder calorífico, punto de inflamación, contenido de
azufre y cenizas.
La más importante de estas características es el poder calorífico, que es
la cantidad de energía calorífica que es capaz de entregar un combustible
al ser quemado.

Gas
Distribución por
estructura
CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES DE LAS
FRACCIONES DEL PETRÓLEO
Parafinas
Naftenos
C 5 C 7 C 10 C 14 C 20 C 40
Gasolina
Ligera
Gasolina
Primaria
70 - 160° C
Keroseno
160 - 240° C
Diesel
230 - 350° C
Destilados de Vacío
350 – 550° C
S 1 a 5%
N, Vanadio, etc.
Asfáltenos
Aromáticos
Nafteno-aromáticos
Residuo de Vacío

Los hidrocarburos contenidos en los combustibles se queman mediante
una compleja red de rutas de combustión en la que interviene una gran
cantidad de reacciones intermedias.
La complejidad de las reacciones propicia que la combustión no se
complete dando lugar a fracciones denominadas “inquemados”.
La cantidad de “inquemados” varía con el tipo y calidad del combustible,
el diseño y estado físico de los quemadores, las técnicas de atomización
y la tecnología empleada en el diseño y construcción de los hornos y
calderas.
Aunado a lo anterior e independientemente de esto, hay que señalar que
a pesar de los avances tecnológicos para mejorar la combustión, existe
todavía una cantidad de combustible que no se quema bien.
Los inquemados son hidrocarburos en estado gaseoso en diferentes etapas
de combustión, monóxido de carbono y partículas con alto contenido de
carbón.

Los inquemados además de representar un desperdicio de combustible,
causan problemas de contaminación ambiental y son los principales
responsables de los problemas de operación que limitan la disponibilidad
de los equipos.
Los hidrocarburos gaseosos en diferentes etapas de combustión, salen
mezclados con los gases de combustión y en la atmósfera son
precursores de la formación del ozono.
El monóxido de carbono y las partículas con alto contenido de carbón
salen por las chimeneas como “humo”.
La complejidad de las reacciones de combustión, se puede apreciar al
analizar la reacción del gas natural con el oxígeno del aire al formar
dióxido de carbono.

CH 4 + 2(O 2 + 3.76N 2)
CO 2 + 2H 20 +7.52N 2 + calor
La combustión del gas natural, el más ligero de los hidrocarburos, da
origen a más de 250 reacciones intermedias antes de la formación del
dióxido de carbono.
El gas natural considerado un combustible limpio y fácil de quemar
también produce inquemados tales como hidrocarburos en diferentes
etapas de combustión, monóxido de carbono y hollín.
El combustible que no se quema equivale al 2 - 3 % del total.

METANO
CH4
ETANO
ETILENO
C2H4
ACETILENO
C2H2
C2H 6
RUTAS DE COMBUSTIÓN DEL GAS NATURAL
CH3 O
CH3
C2H5
C2H3
C2H2 O
C2H
CH2 O
C2H4 O
CO
CH2
CH O CO
C2H3 O CO
CARBONO
OXÍGENO
HIDRÓGENO

El diagrama muestra la compleja red de rutas de combustión por medio
de la cual se queman los hidrocarburos y en la que interviene una gran
cantidad de reacciones elementales.
Este diagrama de flujo, relativamente sencillo, muestra las
transformaciones más importantes que tienen lugar en el curso global
del mecanismo de reacción de la combustión de los hidrocarburos más
pequeños, el metano y el etano componentes principales del gas
natural.
Se omiten en el diagrama los productos finales de la combustión CO 2 y
H 2O y las reacciones adicionales del acetileno y de los intermedios
hidrocarbonados, algunos de los cuales conducen a la formación de
hidrocarburos más largos y de partículas de residuos sólidos.

En el caso de los combustibles líquidos la combustión es más compleja y
por lo mismo la eficiencia disminuye. La complejidad de la combustión y
la cantidad de inquemados es mayor entre más pesado es el
combustible.
En México los combustibles con mayor uso en la industria, son el gas
natural, diesel y los que se elaboran a partir de los aceites residuales de
la refinación del petróleo.
Los combustibles industriales se elaboran a partir del combustóleo, que es
el residuo de la torre de destilación al vacío, adicionándole diferentes
cantidades de gasóleo o diesel para disminuir la viscosidad.
GAS NATURAL
El gas natural esta constituido por metano con proporciones variables
de etano, propano y butano.
El poder calorífico del gas natural es de 8,500 Kcal/m 3 . La cantidad
de combustible que no se quema equivale al 3 - 4%.

DIESEL
El diesel es la fracción de hidrocarburos de C 15 a C 23 que destila en
el rango de temperatura de 230 a 350° C y esta compuesto por
hidrocarburos parafínicos, nafténicos, nafteno aromáticos y aromáticos.
Los hidrocarburos parafínicos están compuestos por parafinas de
cadena lineal y ramificadas y constituyen aproximadamente el 30% del
combustible.
La fracción nafténica representa el 35% del combustible y esta
compuesta por ciclo alcanos y olefinas.
Los nafteno aromáticos son hidrocarburos cíclicos ramificados y
constituyen aproximadamente el 10% del combustible.
La fracción aromática representa el 25% del combustible y son
compuestos de uno y dos anillos bencénicos con ramificaciones saturadas
lineales principalmente.

ESPECIFICACIONES DEL DIESEL INDUSTRIAL
Peso Específico a 20/4° C
(g/cm 3 )
0.849
Densidad API a 60/60° F 34.4
Temperatura de inflamación
(° C)
Temperatura de congelación
(° C)
52 Min.
-10
Azufre (% en peso) 0.05 -0.5
Agua y Sedimentos (% en
volumen)
0.05 Máx.
Cenizas ( % en peso ) 0.01 Máx.
Índice de Cetano 55.0
Poder Calorífico (Kcal/Kg) 10,483
Destilación (° C)
TIE 249
10% destila a 264
50% destila a 295
90% destila a 330
TFE 350
Viscosidad Saybolt Universal
(seg.)

Las reacciones de combustión en el caso del diesel se hacen más
complejas que las del gas natural y la gasolina por la cantidad de
hidrocarburos aromáticos que contiene, que constituyen el 25% del
combustible.
El combustible que no se quema representa el 4 -8% del total y sale por
la chimenea como hidrocarburos gaseosos que solo pueden
cuantificarse con un cromatógrafo de gases o analizadores de gases de
combustión equipados con sensores que los detecten.
La emisión de humo y hollín al quemar diesel es importante y para
disimularla se emplean “excesos de aire” que afectan en forma negativa
la eficiencia térmica.
En el diagrama se ilustra desde el punto de vista físico como se desarrolla
la combustión del diesel.

COMBUSTIÓN DEL DIESEL
GASES DE COMBUSTIÓN
E HIDROCARBUROS
DIESEL
GOTAS
EVAPORACIÓN
VOLÁTILES
COMBUSTIÓN
VOLÁTILES
HOLLÍN

La reacción química de la combustión del diesel produce una gran
cantidad de compuestos.
C 21H 44.5+ 0.04 S + 39.48 (O 2 + 3.76N 2)
19.9 CO 2 + 0.015 CO + 0.26 C 4H 8 +
0.04 SO 2 + 0.005 NO + 0.02NO 2 +
8.89 O 2 + 148.6 N 2 + 21.3 H 2O +
0.015 C
Las emisiones de esta reacción representativa de la combustión del diesel
en una caldera se encuentran dentro de norma ya que el exceso de aire es
del 30%, y la emisión de monóxido de carbono es de 85 ppm.
En la reacción se estimo la cantidad de combustible no quemado
equivalente al 5% y que sale a la atmósfera mezclado con los gases de
combustión como hidrocarburos gaseosos

La fracción del combustible que no se quema es la de los hidrocarburos
aromáticos debido a que estos compuestos requieren para quemarse bien,
de una energía mayor de la que reciben en el horno o en la cámara de
combustión.
Los hidrocarburos gaseosos pasan desapercibidos porque se mezclan
con los gases producto de la combustión y su existencia solo se confirma
con con un cromatógrafo de gases o analizadores de gases de
combustión equipados con sensores que los detecten.
En la tabla mostrada a continuación se comparó la composición de los
gases de combustión de la reacción estimando diferentes cantidades de
combustible sin quemar y se puede observar que los analizadores de
gases convencionales no detectan los hidrocarburos sin quemar.
El porcentaje de dióxido de carbono reportado por los analizadores, es
prácticamente igual y por lo tanto la eficiencia térmica es siempre la
misma.

EXCESO
DE
OXÍGENO
%
CARACTERÍSTICAS
COMPOSICIÓN GASES DE COMBUSTIÓN
DE LA
REACCIÓN DEL DIESEL
COMB.
SIN
QUEMAR
%
MOLES
DE
AIRE
Kg AIRE
POR
Kg COMB.
DIÓXIDO
DE
CARBONO
%
G A S E S D E C O M B U S T I Ó N
MONÓXIDO
DE
CARBONO
ppm
HIDRO
CAR
BUROS
ppm
DIÓXIDO
DE
AZUFRE
ppm
ÓXIDOS
DE
NITRÓGENO
ppm
0 0 32.2 14.9 14.75 106 0 262 176
5.0 0 41.5 19.2 11.24 81 0 200 134
5.0 5.0 39.5 18.3 11.21 85 1,477 210 140
5.0 10.0 37.5 17.4 11.17 89 3,108 220 148
5.0 15.0 35.5 16.4 11.13 94 4,918 233 156
5.0 20.0 33.5 15.5 11.08 100 6,939 246 165

COMBUSTIBLES INDUSTRIALES
Los combustibles industriales se elaboran a partir del residuo de vacío de la
destilación del petróleo, al que se le adicionan diferentes cantidades de diesel
o gasóleos, para reducir la viscosidad y el contenido de azufre y se conocen
como Fuel Oil, Bunker o Combustóleo
El combustible industrial de mayor uso en México es el combustóleo que
puede encontrarse como combustóleo pesado y ligero y está compuesto por
cuatro fracciones de hidrocarburos: saturados, aromáticos, asfaltenos y
resinas .
La cantidad de combustible que no se quema bien representa el 5-12% del
total y son las fracciones de los asfaltenos y resinas que salen por la
chimenea como hidrocarburos gaseosos, que como ya se comentó, se
cuantifican con una cromatografía de gases o con analizadores de gases de
combustión equipados con sensores que los detecten.
La emisión de contaminantes a la atmósfera al quemar combustóleo o
combustibles industriales es considerable.

COMBUSTÓLEO
El combustóleo es un aceite residual y por lo tanto es una mezcla muy
compleja de hidrocarburos, identificándose entre ellos cuatro grandes
fracciones: saturados, aromáticos, asfáltenos y resinas.
La fracción saturada constituye aproximadamente el 30% del combustóleo y
está compuesta principalmente de parafinas de cadena lineal pero también
están presentes en menores concentraciones ciclo alcanos, olefinas y
parafinas ramificadas.
La fracción aromática constituye el 28% y contiene compuestos de uno y
dos anillos bencénicos con ramificaciones saturadas lineales
principalmente.
Los asfáltenos representan el 13 % del combustóleo y son principalmente
porfirinas y sistemas de anillos aromáticos poli nucleares condensados con
cadenas alquílicas.
Las resinas son compuestos que van de 250 a 500 unidades de masa o
mayores.

ESPECIFICACIONES DEL COMBUSTÓLEO
NOMBRE DE LA PROPIEDAD CARACTERÍSTICAS
AGUA POR DESTILACIÓN (%) 0.617
AGUA Y SEDIMENTO POR CENTRIFUGACIÓN (%) 0.55
AROMÁTICOS (% EN PESO) 28.336
ASFÁLTENOS (% EN PESO) 13.188
AZUFRE (% EN PESO) 3.405
CALCIO (ppm) 19.2
CARBÓN CONRADSON (% EN PESO) 14.073
CARBONO (% EN PESO) 84.866
CENIZAS (% EN PESO) 0.052
DENSIDAD 20/4° C (gr/ml) 0.983
FIERRO (ppm) 7.7
GRAVEDAD ESPECÍFICA (API) 12.122
HIDRÓGENO (% EN PESO) 10.899
MAGNESIO (ppm) 4.3
NIQUEL (ppm) 13.3
NITRÓGENO (% EN PESO) 0.409
PODER CALORÍFICO (Kcal/Kg) 10,130
POLAR POLI AROMÁTICOS (% EN PESO) 26.36
SATURADOS (% EN PESO) 30.682
SODIO (ppm) 30.6
TEMPERATURA DE INFLAMACIÓN (° C) 95
VANADIO (ppm) 184.0
VISCOSIDAD 50° C (SSF) 501.44
VISCOSIDAD 60° C (SSF) 223.70
VISCOSIDAD 82.2° C (SSF) 68.835

Los asfáltenos y las resinas son las fracciones más difíciles de quemar y
en conjunto contienen las dos terceras partes del total del azufre del
combustóleo.
La fracción asfalténica aporta la totalidad del vanadio y junto con las
resinas el total de nitrógeno.
Existe una estrecha relación entre el contenido de asfáltenos y el
residuo carbonoso obtenido de la pirólisis del combustóleo y una
relación igualmente estrecha guarda el contenido de asfáltenos y el
carbón Conradson.
Lo anterior quiere decir que a mayor contenido de asfáltenos se tiene
una fuerte propensión a la formación de inquemados y residuo
carbonoso.

RESIDUO (% EN PESO)
60
50
40
30
20
10
FORMACIÓN DE RESIDUO CARBONOSO
RESIDUO CARBONOSO EN LA PIRÓLISIS DEL COMBUSTÓLEO
20 40 60 80 100
CONTENIDO DE ASFÁLTENOS (% EN PESO)

Las reacciones de combustión en el caso del combustóleo, se hacen
mucho más complejas por la gran variedad de compuestos de alto peso
molecular que contiene.
La cantidad de combustible que no se quema es del 5 - 12% y sale por la
chimenea como hidrocarburos gaseosos que solo pueden cuantificarse
con una cromatografía de gases o con analizadores de gases de
combustión equipados con sensores que los detecten.
La emisión de humos y partículas al quemar combustóleo es ostensible
y para disimularla se emplean considerables “excesos de aire”, que
como ya se comentó, afectan en forma negativa la eficiencia térmica.
En el diagrama se ilustra desde el punto de vista físico como se
desarrolla la combustión del combustóleo.

LÍQUIDO NO VOLÁTIL
CRAQUEO
RESIDUO CARBONOSO
COMBUSTIÓN DEL RESIDUO
COQUE
COMBUSTIÓN DEL COMBUSTÓLEO
CENIZAS
COMBUSTÓLEO
GOTAS
EVAPORACIÓN
VOLÁTILES
GASES DE COMBUSTIÓN
E HIDROCARBUROS
VOLÁTILES
COMBUSTIÓN VOLÁTILES
HOLLÍN

La reacción química de la combustión del combustóleo produce una gran
cantidad de compuestos.
C45H69.1+0.68 S + 0.09 N2 + 76.22 (O2 + 3.76N2 )
42.65 CO2 + 0.03 CO + 0.56 C4H 8 +
0.67 SO2 + 0.01 SO3 + 0.01 NO +
0.06 NO2 + 16.65 O2 + 286.53 N2 +
32.3 H2O + 0.06 C
Esta reacción típica de combustóleo en una caldera esta dentro de
norma ya que el exceso de aire es del 30%, el monóxido de carbono
son 100 ppm y la emisión de partículas es de 300 mg/m 3 .
La emisión de trióxido de azufre es de 15 ppm y los NO x 200 ppm. La
cantidad de combustible que se estimó no se quema es del 5% y sale a
la atmósfera mezclado con los gases de combustión como
hidrocarburos gaseosos.

En ésta reacción la fracción del combustible que no se quema es la de los
hidrocarburos de alto peso molecular, compuestos muy estables que
requieren para quemarse de una energía mayor de la que reciben en el
horno o en la cámara de combustión.
Los hidrocarburos gaseosos pasan desapercibidos porque se mezclan con
los gases producto de la combustión y su existencia solo se confirma con
una cromatografía de gases o con analizadores de gases de combustión
equipados con sensores que los detecten.
En la tabla que sigue se comparó la composición de los gases de
combustión de la reacción estimando diferentes cantidades de combustible
sin quemar, y en ella se puede apreciar que los analizadores de gases
convencionales no detectan los hidrocarburos.
El porcentaje de dióxido de carbono reportado por los analizadores es
prácticamente igual y por lo tanto la eficiencia térmica es siempre la misma.

CARACTERÍSTICAS
COMPOSICIÓN GASES DE COMBUSTIÓN
DE LA
REACCIÓN DE COMBUSTÓLEO
EXCESO
DE
OXÍGENO
%
COMB.
SIN
QUEMAR
%
MOLES
DE
AIRE
Kg AIRE
POR
Kg COMB.
DIÓXIDO
DE
CARBONO
%
G A S E S D E C O M B U S T I Ó N
MONÓXIDO
DE
CARBONO
ppm
HIDRO
CAR
BUROS
ppm
ÓXIDOS
DE
AZUFRE
ppm
ÓXIDOS
DE
NITRÓGENO
ppm
0 0 62.94 13.63 15.91 125 0 2,403 249
5.0 0 81.47 17.64 12.12 95 0 1,831 190
5.0 5.0 77.15 16.71 12.13 100 1,600 1,930 200
5.0 10.0 72.83 15.77 12.14 106 3,381 2,038 212
5.0 15.0 68.51 14.84 12.16 112 5,377 2,161 225
5.0 20.0 64.19 13.90 12.17 119 7,628 2,299 239

Problemática por el uso de
Combustibles Industriales

La combustión del combustóleo y de los combustibles industriales en
general, es muy complicada por la gran variedad de compuestos de alto
peso molecular que contiene y por la viscosidad del mismo.
Es necesario agregar diluyentes para reducir la viscosidad y atomizarlo,
pero aún así la cantidad de combustible que no se quema y sale como
inquemados es equivalente al 5 - 12 %.
Los inquemados causan problemas de contaminación ambiental y son
los principales responsables de los problemas de operación que limitan
la disponibilidad de los equipos.
Problemas de contaminación ambiental:
Los hidrocarburos gaseosos sin quemar salen por la chimenea
radicalizados y en la atmósfera son precursores del ozono.
Las partículas salen como humo y producen compuestos tóxicos que
afectan las vías respiratorias de los humanos.

La combustión de los combustibles industriales también causa
contaminación por lluvia ácida provocada por la combustión del azufre.
Problemas de operación:
Una parte del dióxido de azufre formado en la combustión reacciona a
trióxido por la acción del pentóxido de vanadio. El ácido sulfúrico formado
con la humedad de los gases de combustión es el responsable de los
problemas de corrosión.
El pentóxido de vanadio formado al reaccionar el vanadio del combustóleo
es el causante de la corrosión en caliente. Para elevar el punto de fusión
del pentóxido de vanadio se utilizan aditivos, pero una mala calidad de los
mismos ensucia los equipos.
El carbón Conradson no se quema bien y produce un residuo carbonoso
en forma de amalgama resinosa que se adhiere a los tubos de los
equipos ensuciándolos. El residuo se acumula en forma progresiva
dificultando la transferencia de calor.

• Contaminación ambiental
• El equipo se ensucia y
disminuye la eficiencia
térmica

• Decremento de la Producción
por ensuciamiento y por paros para
limpieza de equipo.
• El proceso de ensuciamiento ocasiona
paros extraordinarios
para limpieza de equipo.
Producción
Meses

• Para disminuir la
corrosión en caliente se
usan aditivos que elevan el
punto de fusión del
pentóxido de vanadio.
• Una mala calidad de los
aditivos ensucia los
equipos.

Solución

La solución de los problemas ocasionados por una mala combustión son las
Celdas Catalíticas Imporex.
Las Celdas Catalíticas Imporex sirven para optimizar la combustión de
todos los combustibles.
Las Celdas Catalíticas Imporex proporcionan al combustible y al
oxigeno del aire de combustión, una energía de activación que modifica
los niveles energéticos de los enlaces haciéndolos más reactivos.
Con las Celdas Catalíticas Imporex se queman bien todos los
hidrocarburos y se elimina el desperdicio.
La acción de las Celdas Catalíticas Imporex permite quemar el 99% del
combustible y los hidrocarburos reaccionan con el oxígeno del aire para
formar directamente dióxido de carbono y agua

La combustión del 99% del combustible elimina los inquemados y abate
drásticamente los problemas de operación y contaminación causados por
una mala combustión.
La optimización de la combustión reduce de manera considerable e
inmediata la emisión de humos, hidrocarburos gaseosos y partículas.
La combustión del 99% del combustible elimina en el caso del diesel la
formación de hollín y en el caso de los combustibles industriales los
hidrocarburos de alto peso molecular, se queman sin formar residuo
carbonoso.
La eliminación del hollín y del residuo carbonoso mantiene los equipos
limpios.
La optimización de la combustión y la limpieza del equipo que incrementa
la eficiencia térmica, disminuyen el consumo de combustible: en el caso
del gas natural se reduce en promedio el 3 %, en el diesel el 4 % y en los
combustibles industriales el 5 %.

Reducción de
emisiones a la
atmósfera
Limpieza de equipo

Celdas Catalíticas Imporex para optimizar la combustión
Las Celdas Catalíticas Imporex para activar el combustible son tubos que
contienen en su interior diversos catalizadores de gran actividad química
que al reaccionar entre si generan un campo magnético.
El combustible al estar en contacto indirecto con el campo magnético
recibe una energía de activación que modifica los niveles energéticos de
los enlaces de los hidrocarburos.
La activación del combustible provoca que la reacción con el oxígeno
del aire de combustión, también activado, sea rápida y directa
produciéndose bióxido de carbono y agua sin pasar por las etapas de
formación de los productos intermedios.
Las Celdas Catalíticas Imporex se instalan en la línea de llenado de
los Tanques de almacenamiento de combustible.

Las Celdas Catalíticas
Imporex para el combustible
se instalan en la línea de
alimentación de los tanques
de día.

Las Celdas Catalíticas
Imporex para el
combustible se
instalan en la línea de
alimentación de los
tanques de día.

El oxígeno del aire de combustión
se activa con Celdas Catalíticas
Imporex que se instalan en las
entradas del aire de combustión.

El oxígeno del aire de
combustión se activa con
Celdas Catalíticas que se
instalan en las entradas
del aire de combustión.

El oxígeno del aire de
combustión se activa con Celdas
Catalíticas Imporex que se
instalan en las entradas de aire
de combustión de los
quemadores.

Beneficios

BENEFICIOS DEL USO DE LAS CELDAS CATALÍTICAS IMPOREX
AL QUEMAR
BIEN EL
COMBUSTIBLE
DISMINUCIÓN
EMISIONES A LA
ATMÓSFERA
DISMINUCIÓN
CONSUMO DE
COMBUSTIBLE
LIMPIEZA DE
EQUIPO
DISMINUCIÓN
DE
MANTENIMIENTO
MAYOR
DISPONIBILIDAD
DE EQUIPO