UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA

VALPARASO CHILE

ESTUDIO TCNICO-ECONOMICO PARA

IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE
COMBUSTIN OXGENO-GAS EN HORNO DE
REFINO DE LA FUNDICIN DE COBRE
CODELCO - CHUQUICAMATA
YERKO LUPPI POBLETE
MEMORIA DE TITULACIN PARA OPTAR AL TTULO DE:
INGENIERO CIVIL MECNICO.

PROFESOR GUA: DR. ING. CARLOS ROSALES HUERTA.

PROFESOR CORREFERENTE: DR. ING. MARIO TOLEDO TORRES.

Septiembre 2013

1. AGRADECIMIENTOS.

A mis colegas de la empresa Autoterm S.A, por la colaboracin prestada en la

recopilacin de informacin y antecedentes para el desarrollo de este trabajo de ttulo,
especialmente a:

Alfredo Gonzlez.

Erwin Ciesla.

Rodrigo Miranda.
A mi familia, en especial a mi madre, por ser el pilar fundamental en mi formacin

tanto en lo acadmico como en lo valrico, por todo ese esfuerzo realizado y perfectamente
mantenido a travs de los aos que hoy comienza a rendir sus frutos.
A mi polola Darinka y su familia, por hacerme sentir como uno ms de la familia, por
su apoyo incondicional y esas palabras de aliento precisas en los momentos de flaqueza.
A mis amigos, no slo a aquellos que participaron en este proceso, sino a todos
aquellos que conoc en el camino, y que estuvieron conmigo a lo largo de todos estos aos en
las buenas y las malas.
Y finalmente, a todas aquellas personas que hicieron esto posible, ofreciendo su
ayuda sincera en distintos momentos de mi vida.

2. RESUMEN.
La mejora continua de los procesos de fundicin de cobre, as como la bsqueda de la
minimizacin de los costos de produccin y su impacto ambiental, han llevado a la aplicacin
de nuevas tecnologas de combustin en algunas fundiciones del mundo. Dentro de esas
tecnologas, destaca la utilizacin de Aire Enriquecido con Oxgeno en los Hornos de Refino,
cuyos primeros estudios fueron realizados en el ao 1988 en la fundicin Kennecott Utah
Copper.
Para la implementacin de este tipo de tecnologas en los Hornos de Refino, es necesario
realizar un estudio termodinmico y de transferencia de calor del proceso que indique la
cantidad de energa requerida, analizar las condiciones de combustin y su impacto, disear y
seleccionar los equipos del sistema de control para el manejo del Oxgeno segn las normas
apropiadas y, finalmente, realizar un estudio de factibilidad econmica para la
implementacin de esta tecnologa.
En el presente trabajo se desarrollar el estudio tcnico-econmico para la
implementacin de un sistema de combustin Oxgeno-Gas en un Horno de Refino de la
Fundicin CODELCO Chuquicamata.

ii

3. ABSTRACT.
The continuous improvement of the copper smelting process, as well as the search for
minimizing production costs and environmental impact, have led to the application of new
combustion technologies in some smelters in the world. Among these technologies,
highlights the use of Oxygen Enriched Air in Refining Furnaces, whose initial studies were
performed in 1988 in the Kennecott Utah Copper smelter.
For the implementation of this kind of technology in the refining furnaces, is
necessary to perform a thermodynamic and heat transfer study of the process to indicate the
amount of energy required, analyze the combustion conditions and their impact, design and
the equipment of the control system for the management of oxygen according to the
appropriate standards and, finally, perform an economic feasibility study for the
implementation of this technology.
The present work will develop the technical and economic study for the
implementation of an Oxygen-Gas combustion system in a Refining Furnace of the
CODELCO Chuquicamata Smelter.

iii

4. NDICE.
1.

AGRADECIMIENTOS. ................................................................................................. i

2.

RESUMEN. .....................................................................................................................ii

3.

ABSTRACT. ..................................................................................................................iii

4.

NDICE........................................................................................................................... iv

5.

NDICE DE FIGURAS. ...............................................................................................vii

6.

INDICE DE TABLAS. ................................................................................................... x

7.

INTRODUCCIN. ......................................................................................................... 1

8.

CODELCO CHUQUICAMATA. ................................................................................. 2

9.

8.1

Fundicin CODELCO Chuquicamata. ...................................................................... 2

8.2

Equipos y Proceso de Fundicin de Concentrado. .................................................... 4

8.2.1

Preparacin de Carga de Concentrado. ............................................................. 4

8.2.2

Secado de Concentrados.................................................................................... 4

8.2.3

Horno Flash. .................................................................................................. 5

8.2.4

Convertidor Teniente......................................................................................... 5

8.2.5

Convertidores Pierce-Smith. ............................................................................. 6

8.2.6

Horno de Tratamiento de Escorias. ................................................................... 7

8.2.7

Horno Elctrico de Tratamiento de Escorias. .................................................... 7

8.2.8

Refinacin del Cobre Blster. ............................................................................ 8

8.2.9

Otras Unidades. ................................................................................................. 9

HORNO DE REFINO. ................................................................................................. 11

10. COMBUSTIN CON AIRE ENRIQUECIDO CON OXGENO. .......................... 16

10.1

Anlisis de la combustin con Aire Enriquecido. ................................................... 18

10.1.1

iv

Anlisis elemental del combustible. ................................................................ 19

10.1.2

Determinacin de Flujos de Oxidante. ............................................................ 20

10.1.3

Composicin Gases de Escape. ....................................................................... 21

10.1.4

Obtencin de las entalpas sensibles molares.................................................. 22

10.2

Resultados Preliminares. ......................................................................................... 23

11. BALANCE DE ENERGA HORNO DE REFINO. .................................................. 27

11.1

Clculo de Prdidas de Energa. ............................................................................. 29

11.1.1

Marco terico de la transferencia de calor. ..................................................... 29

11.1.2

Estudio de la Transferencia de Calor. ............................................................. 37

11.1.5

Determinacin de la temperatura de Gases de Escape. ................................... 57

11.1.6

Programacin del problema: Filosofa de funcionamiento. ............................ 60

11.2

Anlisis de Resultados. ........................................................................................... 63

11.2.1

Resultados Modelo Situacin Actual. ............................................................. 63

11.2.2

Resultados Modelacin Conversin a Gas Natural. ........................................ 69

11.2.3

Resultados Modelacin Gas Natural con Aire Enriquecido............................ 74

12. EVALUACIN DE COSTOS OPERACIONALES PRELIMINAR. ..................... 82

13. CRITERIOS DE DISEO: TRENES DE VLVULAS DE SEGURIDAD Y
CONTROL. ........................................................................................................................... 84
13.1

NFPA 86 2012 Edition............................................................................................ 86

13.2

EIGA IGC Doc13/12/E Oxygen Pipeline And Piping Systems. ......................... 91

13.2.1

Impacto ........................................................................................................... 94

13.2.2

Presin de Exencin. ....................................................................................... 94

13.2.3

Velocidad de Impacto ..................................................................................... 95

14. SELECCIN DE EQUIPOS. ...................................................................................... 97

14.1

Quemador. ............................................................................................................... 97

14.2

Tren de Vlvulas, seguridad y control Gas Natural. ............................................. 101

14.2.1

Vlvula de Control. ....................................................................................... 101

14.3

Tren de vlvulas, seguridad y control Oxgeno. .................................................... 107

14.3.1

Especificacin de Tuberas............................................................................ 107

14.3.2

Vlvula Reguladora de Presin. .................................................................... 109

14.3.3

Vlvula de Control. ....................................................................................... 113

14.3.4

Vlvulas Shut-Off. ..................................................................................... 115

15. P&ID. ........................................................................................................................... 124

16. ANLISIS ECONMICO DEL PROYECTO. ...................................................... 125
17. CONCLUSIONES. ..................................................................................................... 130
18. REFERENCIAS. ........................................................................................................ 132
19. ANEXOS. .................................................................................................................... 134

vi

19.1

Programacin del Problema. ................................................................................. 134

19.2

Plano P&ID ........................................................................................................... 135

5. NDICE DE FIGURAS.
Figura 8-1: Fundicin CODELCO Chuquicamata. Google Earth. ........................................... 2
Figura 8-2: Fundicin Chuquicamata. ...................................................................................... 3
Figura 8-3: Rueda de Moldeo. Fundicin Chuquicamata. ........................................................ 9
Figura 9-1: Horno Refino. Fundicin Chuquicamata. ............................................................ 11
Figura 9-2: Modelo 3D. Horno Refino. .................................................................................. 12
Figura 9-3: Detalle cotas composicin manto. Horno Refino................................................. 13
Figura 9-4: Detalle nivel de llenado. Horno Refino. ............................................................... 14
Figura 9-5: Detalle cotas, largo. Horno Refino ....................................................................... 14
Figura 9-6: Detalle cota boca de carga. Horno Refino............................................................ 15
Figura 9-7: Detalle cotas, escape. Horno Refino. ................................................................... 15
Figura 10-1: Grficos ilustrativos de la composicin media del Aire..................................... 16
Figura 10-2: Volumen de control. Anlisis de Combustin con Aire enriquecido. ................ 18
Figura 10-3: Grfico mximo ahorro potencial de combustible. Anlisis Preliminar. ........... 25
Figura 11-1: Volumen de control. Balance energa Horno Refino. ........................................ 27
Figura 11-2: Ilustracin de fenmeno de transferencia de calor por Conduccin en pared
plana. ....................................................................................................................................... 29
Figura 11-3: Ilustracin de fenmeno de transferencia de calor por Conveccin.(3) ............. 31
Figura 11-4: Ilustracin del Clculo de Factores de Forma.(4) .............................................. 35
Figura 11-5: Zonas de Intercambio Radiativo. Horno Refino. ............................................... 37
Figura 11-6: Zonas sumergidas por el bao. Horno Refino. ................................................... 38
Figura 11-7: Detalle construccin manto. Horno Refino. ....................................................... 40
Figura 11-8: Analoga Elctrica para el Intercambio Radiativo. ............................................ 42
Figura 11-9: Catlogo de Factores de Forma. John R. Howell(5). ......................................... 43
Figura 11-10: Obtencin del Factor de Forma. ....................................................................... 44
Figura 11-11: Superficies 5 y 1. Horno Refino. ...................................................................... 45
Figura 11-12: Superficies 1 y 6. Horno Refino. ...................................................................... 46
Figura 11-13: Superficies 1 y 4. Horno Refino. ...................................................................... 47
Figura 11-14: Factor de Forma entre segmentos circulares opuestos. John R. Howell(5)...... 48
Figura 11-15: Obtencin Factor de Forma F2-3 y F3-2. ............................................................. 48
Figura 11-16: Superficies 2, 3 y 5. Horno Refino. .................................................................. 49

vii

Figura 11-17: Malla Auxiliar para Clculo Factor de Forma. ................................................. 49

Figura 11-18: Superficies 2, 3 y 6. Horno Refino. .................................................................. 51
Figura 11-19: Curvas de Hottel. Emisividad de CO2.(6) ........................................................ 54
Figura 11-20: Curvas de Hottel. Emisividad de H2O.(6) ........................................................ 54
Figura 11-21: Curvas de Hottel. Correccin Traslape de Bandas.(6) ..................................... 54
Figura 11-22: Emisividad total para el CO2 segn Hottel (Lneas slidas) y Leckner (Lneas
segmentadas).(4) ..................................................................................................................... 56
Figura 11-23: Emisividad total para H2O segn Hottel (lneas slidas) y Leckner (lneas
segmentadas).(4) ..................................................................................................................... 57
Figura 11-24: Esquema de Funcionamiento del Cdigo desarrollado para el problema......... 62
Figura 11-25: Potencia de Gases de escape por especie qumica. Situacin Actual. .............. 67
Figura 11-26: Prdidas de Calor por Superficie. Situacin Actual. ........................................ 68
Figura 11-27: Potencia Gases de Escape por especie qumica. Conversin a Gas Natural. ... 73
Figura 11-28: Resultados consumos de Combustible, Combustin con Aire Enriquecido..... 76
Figura 11-29: Resultados flujos de energa en gases de escape, combustin con Aire
Enriquecido. ............................................................................................................................ 77
Figura 11-30: Resultados prdidas de Calor, Combustin con Aire Enriquecido. ................. 78
Figura 11-31: Grfico Ahorro de Combustible en funcin del Oxgeno inyectado. ............... 79
Figura 11-32: Consumo de Oxgeno segn porcentaje de Enriquecimiento. .......................... 80
Figura 12-1: Grfico de Costos Operacionales del Horno. Preliminar. .................................. 83
Figura 13-1: Tipo de Vlvula Shut-Off segn potencia de trabajo(12)................................... 89
Figura 13-2: Esquema tpico de instalacin de vlvulas Shut-Off en un tren de Vlvulas(12).
................................................................................................................................................. 90
Figura 13-3: Tringulo de Fuego para Oxgeno. ..................................................................... 92
Figura 13-4: Velocidad de Impacto en funcin de la presin de servicio.(13) ....................... 96
Figura 14-1: Grfico de Presin de suministro de Oxgeno en Funcin del Caudal de Oxgeno
Requerido. Maxon Corp. ......................................................................................................... 99
Figura 14-2: Tren de vlvulas de seguridad. Horno Refino Fundicin Chuquicamata. ........ 101
Figura 14-3: Caracterstica de Flujo segn tipo de apertura. Vlvula de Control. (14) ........ 103
Figura 14-4: Memoria de Clculo Vlvula de Control Gas Natural. .................................... 105
Figura 14-5: Vlvula de Control Masoneilan Camflex II. .................................................... 106
Figura 14-6: Velocidad de Impacto para presin de servicio de 0,4 [MPa]. ......................... 107
Figura 14-7: Vlvula reguladora de Presin Fisher. Boletn Tcnico. .................................. 111

viii

Figura 14-8: Memoria de Clculo Vlvula de Control para Oxgeno. Programa ValSpeQ. . 114
Figura 14-9: Detalles constructivos. Vlvula Shut-Off Maxon. ........................................ 116
Figura 14-10: Vlvula Shut-Off Maxon Serie 8000. ............................................................ 117
Figura 14-11: Memoria de Clculo prdidas de carga. Vlvula Shut-Off Oxgeno. ......... 122
Figura 16-1: Sensibilidad de Alternativas en funcin del precio del Gas Natural. ............... 128
Figura 16-2: Sensibilidad de Alternativas segn el precio del Oxgeno. .............................. 129

ix

6. INDICE DE TABLAS.
Tabla 9-1: Consumo Fuel Oil #6 Horno Refino, Fundicin Chuquicamata. ....................... 12
Tabla 10-1: Composicin Media Gas Natural. ........................................................................ 19
Tabla 10-2: Calores Especficos molares como funcin de la temperatura.(2) ....................... 22
Tabla 10-3: Composicin Molar de Gases Escape por kilogramo de combustible quemado, en
funcin del Oxgeno presente en la combustin. .................................................................... 23
Tabla 10-4: Potencia contenida en gases segn especie qumica. ........................................... 24
Tabla 10-5: Resultados Balance Energa 1. Anlisis Preliminar. ............................................ 24
Tabla 10-6: Resultados Balance de Energa 2. Anlisis Preliminar. ....................................... 25
Tabla 10-7: Resultados Balance de Energa 3. Anlisis Preliminar. ....................................... 25
Tabla 11-1: Tabla de Valores Tpicos para Conveccin Natural.(3)....................................... 32
Tabla 11-2: Tamao de superficies zona de combustin. Horno Refino. ............................... 37
Tabla 11-3: Tamao Superficies sumergidas por el bao. Horno Refino. .............................. 38
Tabla 11-4: Propiedades Trmicas Materiales Horno Refino. ................................................ 39
Tabla 11-5: Tabla resumen Factores de Forma 1. ................................................................... 52
Tabla 11-6: Tabla resumen Factores de Forma 2. ................................................................... 52
Tabla 11-7: Parmetros de Funciones de Leckner.(4) ............................................................. 56
Tabla 11-8: Temperatura de Gases Determinada, Modelo A. ................................................. 63
Tabla 11-9: Resultados modelacin situacin actual, Modelo A. ........................................... 64
Tabla 11-10: Resultados Temperaturas Paredes Internas, Situacin actual Modelo A. .......... 64
Tabla 11-11: Resultados Temperaturas Paredes Externas, Situacin Actual, Modelo A........ 64
Tabla 11-12: Temperatura de Gases Ingresadas, Situacin Actual, Modelo B. ...................... 65
Tabla 11-13: Resultados Modelacin Fuel Oil #6, Situacin Actual, Modelo B. ................... 65
Tabla 11-14: Temperaturas de Paredes Internas Calculadas. Situacin Actual. Modelo B. ... 65
Tabla 11-15: Temperatura de Paredes Externas Calculadas. Situacin Actual.

Modelo B. 65

Tabla 11-16: Resultados de Termografas. CONAMET/SAM 2004(11). .............................. 66

Tabla 11-17: Prdidas de Calor Calculadas. Situacin Actual. ............................................... 67
Tabla 11-18: Temperatura de Gases Determinadas. Modelo A. ............................................. 69
Tabla 11-19: Resultados modelacin conversin a Gas Natural, Modelo A. ......................... 69
Tabla 11-20: Temperaturas de Paredes internas calculadas, Conversin a Gas Natural,
Modelo A. ............................................................................................................................... 70

Tabla 11-21: Temperatura de paredes externas calculadas, Conversin a Gas Natural, Modelo
A.............................................................................................................................................. 70
Tabla 11-22: Temperaturas de gases ingresadas, Conversin a Gas Natural, Modelo B........ 70
Tabla 11-23: Resultados Modelo Conversin a Gas Natural, Modelo B. ............................... 71
Tabla 11-24: Temperaturas de Paredes Internas Calculadas. Conversin a Gas Natural. ...... 71
Tabla 11-25: Temperaturas de Paredes Externas Calculadas. Conversin a Gas Natural. ..... 71
Tabla 11-26: Comparacin Fuel Oil #6 y Gas Natural. Composicin Elemental. .................. 72
Tabla 11-27: Flujo de oxidante estequiomtrico requerido por cada kilogramo de
combustible. ............................................................................................................................ 72
Tabla 11-28: Moles de especies qumicas producidas por cada kilogramo de combustible
quemado. ................................................................................................................................. 72
Tabla 11-29: Determinacin de Temperaturas de Gases, Combustin con Aire Enriquecido,
Modelo A. ............................................................................................................................... 74
Tabla 11-30: Resultados Modelacin Combustin con Aire Enriquecido, Modelo A. .......... 75
Tabla 11-31: Resultados Balance de Energa, segn oxgeno presente en la combustin,
Modelo A. ............................................................................................................................... 75
Tabla 11-32: Resultados Modelacin. Combustin con Aire Enriquecido, Modelo B........... 75
Tabla 11-33: Resultados Balance de Energa segn oxgeno presente en la combustin,
Modelo B. ............................................................................................................................... 76
Tabla 11-34: Consumo de Gas Natural y Oxgeno segn enriquecimiento. ........................... 79
Tabla 11-35: Resultados Modelo Gas Natural Oxgeno Tcnico, 50% desgaste de cubierta
refractaria. ............................................................................................................................... 80
Tabla 11-36: Flujos de diseo. Suministros de Gas Natural y Oxgeno. ................................ 81
Tabla 11-37: Flujos de operacin promedio estimados. Suministros de Gas Natural y
Oxgeno. .................................................................................................................................. 81
Tabla 12-1: Obtencin de Costos de Operacin. .................................................................... 83
Tabla 13-1: Tipos de mecanismos de Ignicin en equipos para servicio en lneas de
Oxgeno.(13) ........................................................................................................................... 93
Tabla 13-2: Tabla de Presiones de Exencin y espesores mnimos. EIGA IGC
Doc13/12/E.(13)...................................................................................................................... 95
Tabla 14-1: Informacin Tpica del Quemador. Maxon Corp. ............................................... 98
Tabla 14-2: Gua para la Designacin del Quemador. Maxon Corp..................................... 100
Tabla 14-3: Tipos de Flujo en Vlvulas de control recomendados segn aplicacin (14). .. 103

xi

Tabla 14-4: Dimensiones Nominales de Caeras. Detalle NPS 3. ....................................... 108

Tabla 14-5: Gua para la seleccin de vlvula regulador Fisher, segn presin de trabajo y
aplicacin. Catlogo Fisher. .................................................................................................. 110
Tabla 14-6: Capacidades de Flujo. Vlvula Reguladora. ...................................................... 112
Tabla 14-7: Seleccin de Resorte Adecuado. ........................................................................ 113
Tabla 14-8: Materiales Sugeridos en funcin del fluido de servicio. .................................... 118
Tabla 14-9: Gua para la Designacin y Materiales. Vlvula Shut-Off. ............................ 119
Tabla 14-10: Detalle Materiales Constructivos. Vlvula Shut-Off. .................................. 120
Tabla 14-11: Tamaos de Vlvulas Shut-Off y Caractersticas......................................... 121
Tabla 14-12: Clases, Grupos y Divisiones de reas Peligrosas. NEC. ................................. 123
Tabla 16-1: Servicios Considerados en el Costo del Proyecto. ............................................. 125
Tabla 16-2: Costo total Anual en funcin del Tipo de Operacin. ....................................... 126
Tabla 16-3: Costos Operacionales Anuales........................................................................... 127
Tabla 16-4: Valor Presente de Alternativas. ......................................................................... 127
Tabla 16-5: Costo Anual Equivalente Alternativas. .............................................................. 127

xii

7. INTRODUCCIN.
La utilizacin de Aire Enriquecido con oxgeno en los procesos de combustin,
tericamente, reporta beneficios desde el punto de vista energtico y ambiental. Dado que el
nitrgeno es un elemento que no participa en la combustin, la reduccin de este elemento en
el comburente contribuye de manera significativa en la reduccin del consumo de energa
traducido en un potencial ahorro de combustible.
De la experiencia obtenida por Kennecott Utah Copper, la implementacin de
quemadores Oxy-Fuel en los hornos de refino andico arroj resultados positivos
alcanzando un ahorro de combustible cercano al 50%, adems de una reduccin importante
en las emisiones de NOx.
Este trabajo desarrolla el estudio de estas premisas, enfocado en emular la
experiencia de Kennecott Utah Copper en los Hornos de Refino de la Fundicin de
Concentrado CODELCO Chuquicamata, intentando optimizar la eficiencia energtica del
procesos utilizando Gas Natural como combustible y el oxgeno excedente de las Plantas de
Oxgeno.

8. CODELCO CHUQUICAMATA.
El complejo minero de Chuquicamata est ubicado a 1.650 kilmetros al norte de
Santiago y a 2.870 metros sobre el nivel del mar. Administrada por la empresa estatal
CODELCO, cuenta con dos minas donde el tipo de explotacin es a rajo abierto,
"Chuquicamata" y "Mina Sur". Chuquicamata entr en operaciones en 1910, aunque sus
propiedades mineras tambin eran conocidas desde hace siglos por culturas prehispnicas.
La produccin de Chuquicamata es de alrededor de 528.377 toneladas de ctodos electrorefinados y electro-obtenidos con una pureza de 99,99% de cobre. Tambin produce unas
10.760 toneladas mtricas de contenido fino de molibdeno, adems de obtener otros
subproductos, como barros andicos y cido sulfrico

8.1

Fundicin CODELCO Chuquicamata.

La fundicin CODELCO Chuquicamata se emplaza dentro de las dependencias de la

Mina, especficamente al Sur-Este de las operaciones de extraccin.

Figura 8-1: Fundicin CODELCO Chuquicamata. Google Earth.

La fundicin de concentrado de la divisin Chuquicamata de CODELCO Chile tiene

por propsito el procesamiento del concentrado y la generacin de otros subproductos. El
principal abastecimiento de la planta proviene desde la Subgerencia de Concentrados. Sin
embargo, a partir del ao 2003, la fundicin recibe tambin concentrados provenientes de
otras faenas mineras.

Figura 8-2: Fundicin Chuquicamata.

Aproximadamente el 90% del cobre es extrado de minerales sulfurados. Estos
minerales, por ser difciles de tratar por medio de la hidrometalurgia, se deben tratar en su
mayora por medio del mtodo piro-metalrgico a partir de concentrados.
A principios de la dcada del 2000 se desarroll el proyecto de conversin a Gas
Natural de la fundicin Chuquicamata, combustible muy atractivo dado su fcil manejo
(suministro a travs de gaseoducto), su bajo costo, y sus mltiples beneficios
medioambientales respecto al uso del Fuel Oil #6. La ingeniera de conversin fue
realizada por la empresa Red Cettec para la empresa de distribucin de gas natural
DISTRINOR, perteneciente al grupo GDF Suez.
Lamentablemente, en el ao 2005, la suspensin paulatina y luego total indefinida del
suministro de Gas Natural por parte de Argentina, provoc que la fundicin debiese volver a
realizar sus operaciones utilizando Fuel Oil #6 como combustible. Es as, que gran parte de
las instalaciones de Gas Natural (Racks, EMRs) quedaron abandonadas a su suerte dentro de
las instalaciones de la divisin Chuquicamata.

La construccin de grandes instalaciones para la regasificacin de Gas Natural y las

nuevas polticas de importacin de este combustible, por va martima desde diversos puntos
del planeta, posibilitaron el volver a utilizar Gas Natural en parte de los procesos de
fundicin. Adems, las futuras y severas normas de restriccin de emisiones de arsnico y
azufre para las fundiciones de cobre, obliga a buscar alternativas al Fuel Oil 6#, ms
limpias y libres de azufre, por lo que el Gas Natural vuelve a ser una opcin atractiva y
viable.
Es as que en el ao 2012, se le encomend a la empresa Autoterm S.A. realizar las
labores de reparacin y rehabilitacin de los trenes de Gas Natural de los Hornos de Refino,
que en el ao 2010 haban resultado seriamente daados luego de un incendio causado por el
derrame de material fundido.

8.2

Equipos y Proceso de Fundicin de Concentrado.

8.2.1 Preparacin de Carga de Concentrado.

En la etapa de preparacin de carga el concentrado proveniente de la Planta
Concentradora de Chuquicamata se almacena en canchas con capacidad de 50.000 toneladas
desde donde se obtienen muestras que son sometidas a anlisis de laboratorio para determinar
los contenidos de cobre, hierro, azufre, slice y agua. Esta informacin que es fundamental
para iniciar el proceso de fusin.
De acuerdo con los resultados de los contenidos de cobre, el material se clasifica y
almacena en silos, desde donde se despacha a los hornos de fusin, de acuerdo a las mezclas
que se determinen.

8.2.2 Secado de Concentrados.

Para la etapa de secado es muy importante alcanzar la humedad requerida por los
reactores que, en el caso del convertidor Flash Outokumpu y Convertidor Teniente,
precisan un grado de humedad en el concentrado de un ndice menor al 0,2% para poder
operar correctamente.

Para este proceso la fundicin posee 2 Secadores Rotatorios, los que trabajan con
flujos paralelos, con una temperatura de salida de materiales de 100C, los que son enviados
por medio de un sistema de transporte neumtico hacia las unidades de fusin.

8.2.3 Horno Flash.

Corresponde a un horno de tecnologa finlandesa Outokumpu de fusin instantnea,
en donde el concentrado se funde mientras est suspendido en el gas que provee el oxgeno
necesario para que se produzcan las reacciones qumicas.
El horno flash, es un reactor de fusin continua con una capacidad actual de 2.800
toneladas por da de concentrado, con dimensiones de 7,6 metros por 21 metros de solera.
En este horno, el concentrado se comporta como combustible debido a su pequea
granulometra (correspondiente a un 80% bajo las 200 mallas) y la naturaleza exotrmica de
las reacciones de oxidacin del fierro y el azufre.
El producto obtenido en el horno flash es denominado Eje, con un contenido de cobre
que oscila entre el 58 y 64 % aproximadamente, con escorias que bordean del 2 a 3% en
contenido de cobre, obtenindose recuperaciones metalrgicas del 92 a 94%.

8.2.4 Convertidor Teniente.

El Convertidor Teniente es un horno de tecnologa Bath Smelting, o fusin en
bao. El concentrado se inyecta a un bao fundido impulsado por aire, mientras que aire de
proceso se inyecta separadamente por toberas, reaccionando con el eje fundido y con el
concentrado ingresado.
El convertidor Teniente es un horno basculante de capacidad de 2.200 toneladas por
da, formado por un cilindro metlico de dimensiones de 5 metros de dimetro y 22 metros de
largo, dispuesto en posicin horizontal y revestido por ladrillos refractarios en su interior. Se
caracteriza por realizar la fusin y la conversin en una sola operacin.
La salida del producto rico en cobre (metal blanco) se realiza por medio de ollas con
capacidad de 50 toneladas en las cuales el producto es trasladado a los Convertidores PierceSmith. El metal blanco posee de un 72% a 75% de cobre aproximadamente y, adems,

produce escorias con 6% a 9% de cobre, las que son enviadas al Horno Elctrico Demg
(Tratamiento de Escorias). Este horno posee una capacidad de 2.500 toneladas por da para el
tratamiento de escorias, recuperando el 90% del cobre ingresado.
Dentro del Convertidor Teniente se forman tres capas inmiscibles en la fase de metal
lquido: la escoria, la inter-fase y el metal blanco. Para lograr esta separacin, el metal debe
ser fundido a una temperatura de 1250C. La separacin de las fases es posible debido a la
diferencia de densidad entre los productos obtenidos, en donde el metal blanco se deposita al
fondo del reactor mientras que la escoria flota sobre l. La separacin se logra retirando la
capa superior del lquido (correspondiente a la escoria) la cual se evaca por un costado del
convertidor teniente. Por el otro costado, y a un nivel inferior, se ubica otra salida por la cual
se retira el metal blanco.
Por la parte superior del convertidor teniente se retiran los gases los cuales son
conectados a la lnea de gases metalrgicos ricos en arsnico y azufre, los que se dirigen
hacia la planta de cido para su tratamiento y posterior produccin de cido sulfrico.

8.2.5 Convertidores Pierce-Smith.

Estos convertidores son reactores basculantes que operan en forma batch. Cada
convertidor tiene una capacidad aproximada de 250 toneladas. Actualmente la planta est
equipada con cuatro de estos convertidores.
Los Convertidores Pierce-Smith (CPS) consisten en reactores cilndricos de 4,5
metros de dimetro por 11 metros de largo, donde se procesan cargas provenientes del Horno
Flash, Convertidores Teniente, Hornos de Tratamiento de Escorias y Horno Elctrico de
Tratamiento de Escorias.
El proceso de conversin se divide en dos etapas: etapa de soplado a escoria y etapa
de soplado a cobre.
En la etapa de soplado a escoria se oxida el sulfuro de fierro, el que se retira en la
escoria. La segunda etapa de soplado a cobre corresponde en oxidar el azufre que viene
asociado al cobre. El producto final obtenido se denomina cobre Blster.

A las cargas realizadas en los Convertidores se les adiciona Slice para disminuir el
punto de fusin de la magnetita y formar un complejo en la escoria denominado Fayalita.
En los CPS tambin se reciben cargas fras, que corresponden a derrames, material
solidificado de las paredes de las ollas, restos de nodos, botes de limpieza, rechazos, adems
de cal o caliza para disminuir el arsnico en el cobre blster.
El producto de los CPS, cobre blster con un 98 % de cobre, es transportado en ollas
de 50 toneladas a los Hornos de Refino, mientras que la escoria producida (8% de cobre) es
llevada a los hornos de tratamiento de escorias

8.2.6 Horno de Tratamiento de Escorias.

Existen dos hornos basculantes para el tratamiento de escorias provenientes de los
Convertidores Pierce Smith, estos hornos tienen la finalidad de recuperar el cobre atrapado en
las escorias, el que se encuentra atrapado principalmente en forma fsica.
Para recuperar el cobre se necesita reducir la magnetita, la que es la principal
causante de las prdidas de cobre en las escorias ya que aumenta la viscosidad de stas
impidiendo que las gotas de cobre atrapado sedimenten a la fase rica en cobre. La reduccin
se realiza mediante la inyeccin de una mezcla no estequiomtrica de aire-petrleo con
exceso de combustible, la cual produce CO y H2. Estos elementos, sumados a un tiempo de
sedimentacin, permiten la reduccin de la magnetita y la recuperacin del cobre.
Los hornos de tratamiento de escorias tienen una capacidad de 150 toneladas, poseen
dos toberas para la inyeccin del aire-combustible y adems cuentan con una boca para la
carga de escorias. Las composiciones de entrada dependen de donde provengan las escorias,
variando entre 3 y 10% y el eje recuperado tiene entre 45 y 55% de cobre.

8.2.7 Horno Elctrico de Tratamiento de Escorias.

El Horno Elctrico de tratamiento de escorias es un horno de forma cilndrica
horizontal que permite tratar escorias con leyes entre 8% y 9% de cobre, obteniendo un metal
blanco de aproximadamente 73% el que es enviado a los Convertidores Pierce Smith y una
escoria con una ley menor al 1% la que es enviada a una planta de granalla.

El Horno Elctrico de Tratamiento de Escorias est integrado a la lnea de proceso de

recuperacin de cobre donde se realiza la limpieza de la escoria, la cual es sangrada en forma
continua desde el Convertidor Teniente.
La reduccin de la magnetita y el xido de cobre contenido en la escoria, se realiza
mediante el uso de carbn coque y la accin de electrodos sumergidos. La reduccin de estos
productos, junto con las caractersticas fsicas de la escoria (principalmente la viscosidad)
facilitan e incrementan la tasa de sedimentacin logrando desplazar las partculas sulfuradas a
travs de la capa de escoria hasta llegar a la zona metlica, esto debido a la diferencia de
densidades especficas del cobre y la escoria.
A consecuencia de las reacciones de este proceso, se forma monxido de carbono y
otras sustancias voltiles como dixido de azufre, hidrgeno y metales gaseosos.

8.2.8 Refinacin del Cobre Blster.

La ltima etapa para obtener el Cobre Andico, de 99,6% de pureza, es la refinacin
del cobre. sta se realiza en Hornos de Refino Andico, similares a los Pierce Smith pero con
un nmero de toberas reducido y un quemador de culata.
La finalidad de la Refinacin es disminuir las impurezas remanentes en el cobre
blster, que corresponden principalmente a arsnico, azufre, oxgeno y antimonio. Las
impurezas en el cobre blster dependen de cada fundicin e incluso varan de acuerdo a las
composiciones de los concentrados debido a la explotacin de distintos bancos en la mina.
La disminucin de estas impurezas se realiza mediante dos etapas: La reduccin y la
oxidacin.
El primer proceso consiste en la eliminacin del azufre disuelto en el cobre blster
mediante el proceso de oxidacin. Este proceso se realiza mediante la inyeccin de aire a alta
presin, el cual, se inyecta por medio de toberas sumergidas en el bao de cobre lquido. La
inyeccin del aire permite la absorcin del azufre disuelto en el bao mediante la asociacin
de ste con el oxgeno contenido en el aire. Adems de lo anterior, se incorporan al bao una
serie de fundentes alcalinos que permiten acomplejar impurezas como el antimonio, arsnico
y bismuto, las que emigran a la fase escoria siendo eliminadas.

La etapa siguiente consiste en reducir el oxgeno disuelto en el bao. Para esto, el

horno es girado dejando nuevamente las toberas sumergidas bajo el bao. Posteriormente, y a
travs de ellas, se inyecta una mezcla aire-combustible en relacin 1:1 consumiendo el
oxgeno disuelto en el bao hasta los niveles esperados.
Actualmente se cuenta con dos hornos de 350 toneladas de capacidad y cuatro con
250 toneladas, asociados a tres ruedas de moldeo. Cada uno de los hornos cuentan con una
boca de carga, una boca para el escape de los gases y una boca de sangrado para el moldeo.

Figura 8-3: Rueda de Moldeo. Fundicin Chuquicamata.

La figura 8-3 muestra un horno de refino en la etapa de moldeo. En la imagen se
aprecia que el cobre es extrado del horno de refino por medio de un agujero de descarga,
desde donde es conducido hasta las cucharas de moldeo mediante el uso de canalas.
Finalmente el cobre es depositado en los moldes formando nodos de 420 kilogramos los que
pasan por un tnel de enfriamiento en donde se logra disminuir la temperatura lo suficiente
para alcanzar la fase slida. Posteriormente, los nodos se retiran de la rueda de moldeo
mediante el uso de pinzas las que sumergen las piezas en agua para lograr disminuir la
temperatura an ms. Finalmente los nodos son retirados del agua y trasladados a la
Refinera Electroltica mediante ferrocarril.

8.2.9 Otras Unidades.

La subgerencia fundicin cuenta adems de las unidades descritas con Plantas de
cido Sulfrico, Caldera recuperadora de calor, Termoelctrica y Plantas de Oxgeno.
Los gases que se emiten en los hornos de fusin, convertidores y la planta de
tostacin de molibdeno perteneciente a la Gerencia Concentracin pasan por precipitadores

electrostticos y enfriadores radiantes, para luego entrar a las Plantas de cido. En stas
plantas reciben un tratamiento de enfriamiento y lavado, permitiendo obtener un gas rico en
SO2 el que pasa al rea de conversin donde termina finalmente como cido sulfrico al 96%.
Los gases producidos en el Horno Flash van a una Caldera recuperadora de calor, la
que utiliza ste para evaporar agua la que es enviada a la Termoelctrica.
Debido a que algunas unidades deben contar con aire enriquecido se cuenta con tres
Plantas de Oxgeno, cada una con capacidad de 400 toneladas por da, las que utilizan aire
atmosfrico como materia prima.

10

9. HORNO DE REFINO.
Los hornos de refinacin, tal como se explic previamente, componen el ltimo
proceso piro-metalrgico justo antes de traspasar su carga a la rueda de moldeo. Este proceso
de refino consta de dos partes fundamentales: La Oxidacin (eliminacin del contenido de
azufre) y la Reduccin (eliminacin del contenido de Oxgeno), alcanzando el 99,6% de
pureza.

Figura 9-1: Horno Refino. Fundicin Chuquicamata.

Los hornos de refinacin instalados en la Fundicin Chuquicamata, corresponden al
tipo Basculante, y tienen una capacidad de llenado de alrededor de 250 toneladas de cobre
fundido. Estn dotados de un quemador dual (Fuel Oil #6 / Gas Natural) instalado en la
culata el cual aporta la energa necesaria para mantener la temperatura del bao de cobre a
1230C aproximadamente. Adems, poseen 2 toberas sumergidas por las cuales se inyecta
combustible y aire, en relacin 1:1, para el proceso de eliminacin del contenido de oxgeno
y alcanzar el nivel de pureza ptimo para la fase posterior de moldeo de nodos.
Actualmente, el quemador de culata de estos hornos opera de manera manual y con
Fuel Oil #6 (ENAP 6) como combustible.
Los quemadores de culata de estos hornos poseen un consumo de 5,5 [lt/min] de
Fuel Oil # 6, lo que se traduce en una potencia estimada de 3800 [kW] con un consumo
anual estimado de 2000 [m3/ao].

11

Tabla 9-1: Consumo Fuel Oil #6 Horno Refino, Fundicin Chuquicamata.

Consumo Histrico 2012 Horno Refino

Fecha

HA1 Enap6
Toberas [lt]

HA1 Enap6
Quemador [lt]

Total [lt]

Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Total

37.233,0
58.912,4
30.741,3
16.082,9
61.536,2
55.610,5
32.947,3
34.884,2
40.528,9
47.407,4
45.182,9
28.902,9
489.970,0

207.034,9
207.673,6
148.969,3
63.047,3
182.262,4
179.509,3
180.092,3
176.434,1
177.994,2
185.383,9
193.855,5
180.619,5
2.082.876,1

244.267,9
266.586,0
179.710,6
79.130,2
243.798,6
235.119,8
213.039,6
211.318,3
218.523,1
232.791,3
239.038,4
209.522,4
2.572.846,1

Las cotas generales de los hornos fueron obtenidas a partir de los planos facilitados
por el personal de mantenimiento de la fundicin y fueron verificadas con un levantamiento
en terreno. Dado que los planos obedecen a secreto industrial, se imposibilit la reproduccin
en detalle de estos. No obstante, con las cotas generales fue posible construir un modelo
simplificado en 3D lo que resulta suficiente para el estudio.

Figura 9-2: Modelo 3D. Horno Refino.

12

Estructuralmente, los hornos estn construidos en base a un entramado de acero. En

su interior, estn recubiertos por una gruesa capa de ladrillo y mezcla refractaria que protege
al horno de las altas temperaturas. Se utiliza tambin una delgada capa de asbesto, la cual
ayuda a mejorar la aislacin trmica del horno, para finalmente instalar la cubierta exterior de
acero de 2 pulgadas de espesor.
Composicin Manto:

Dimetro Interior:

3122[mm]

Ladrillo refractario:

381[mm]

Asbesto:

13[mm]

Acero:

51[mm]

Composicin Culatas:

Ladrillo Refractario:

610[mm]

Asbesto:

13[mm]

Acero:

51[mm]

Figura 9-3: Detalle cotas composicin manto. Horno Refino.

13

El nivel de carga del horno andico tambin se encuentra detallado en la informacin

procedente del personal de mantencin de la fundicin. ste, indica que la capacidad mxima
de carga es de 520[mm] por sobre el eje del horno.

Figura 9-4: Detalle nivel de llenado. Horno Refino.

La longitud del horno, as como tambin las cotas de la boca del horno y el escape, se
encuentran detalladas en las siguientes figuras.

Figura 9-5: Detalle cotas, largo. Horno Refino

14

Figura 9-6: Detalle cota boca de carga. Horno Refino.

Figura 9-7: Detalle cotas, escape. Horno Refino.

15

10.
COMBUSTIN CON AIRE
ENRIQUECIDO CON OXGENO.
La combustin es una reaccin qumica de oxidacin, en la cual se desprende una
gran cantidad de energa, en forma de calor y luz, manifestndose visualmente como fuego.
En toda combustin existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la
combustin (comburente), comnmente oxgeno en forma de O2 gaseoso.
Generalmente, los sistemas de combustin utilizan el contenido de oxgeno del Aire
como comburente, esto debido a su abundancia y a su bajo costo de manipulacin versus
otras opciones como el oxgeno puro. Sin embargo, el aire contiene otros gases que no
participan en el proceso de combustin tales como el Nitrgeno, Argn, Dixido de Carbono
y vapor de agua entre otros.

Figura 10-1: Grficos ilustrativos de la composicin media del Aire.

16

El Enriquecimiento con Oxgeno es una tcnica de apoyo de la combustin y otros

procesos que utilizan aire como fuente de oxgeno, consistente en la dilucin de oxgeno puro
en la corriente principal de aire, de forma que se consigue un aire resultante con un
porcentaje de oxgeno superior.
Se suele llamar nivel de enriquecimiento al porcentaje de exceso de oxgeno con
respecto al aire que tiene el gas resultante una vez enriquecido.
El enriquecimiento, aplicado en la combustin, disminuye parte del nitrgeno que
participa en la misma, y cuyo nico resultado son prdidas de calor en gases de escape y
temperaturas de trabajo reducidas. Al eliminar parte de este gas inerte que no tiene mayor
funcin en las reacciones de combustin, se obtienen diferentes beneficios:

Ahorros de Combustible.

Incremento de la temperatura de trabajo

Incremento de las capacidades productivas.

El enriquecimiento se utiliza en un nmero importante de procesos en los que el sistema

de combustin habitual es un quemador de aire. As, se utiliza para reducir los consumos
energticos e incrementar las producciones en:

Hornos de reverbero, rotativos o de torre para aluminio

Hornos de balsa o rotativos para fusin de esmaltes y fritas

Diferentes tipos de hornos para fusin de metales no frricos

Hornos de fabricacin de cemento, lana mineral, vidrio, cermicas.

Hornos de tostacin de diferentes minerales de productos metlicos

Teniendo en cuenta esto, se realiz un pequeo estudio terico para cuantificar y

comprender el efecto que produce la combustin con aire enriquecido en la composicin de
los gases de combustin, en la energa desechada por los gases y en las temperaturas de
trabajo.

17

10.1 Anlisis de la combustin con Aire Enriquecido.

Para cuantificar las diferencias entre los procesos con enriquecimiento y sin
enriquecimiento de oxgeno, se calcul un pequeo balance de energa. En este balance de
energa se hizo variar algunos parmetros como la temperatura de gases de escape, el calor
disponible y el enriquecimiento de oxgeno.

Figura 10-2: Volumen de control. Anlisis de Combustin con Aire enriquecido.

Balance energtico:

(10-1)

Flujo de Gas Natural en [kg/s].

:
:
:

Poder calorfico Inferior del Gas Natural en [kJ/kg].

Flujo de Oxidante en [kg/s].
Entalpa del Oxidante en [kJ/kg].
Flujo de Calor Extrado [kW].

Energa de Gases de Escape en [kW].

Los Gases de Escape son el producto de la combustin. En general estos gases se

componen de Vapor de Agua (H2O), Dixido de Carbono (CO2), Nitrgeno (N2) y Oxgeno
(O2). Dependiendo de la naturaleza del combustible, los parmetros de combustin y la
temperatura de los gases, existen otros componentes relevantes como el Dixido de Azufre
(SO2), Monxido de Carbono (CO) y diversos xidos de Nitrgeno (NOx). Estos dos ltimos
componentes escapan a los objetivos del estudio y no sern contemplados.

18

Para resolver este balance de energa y realizar un anlisis de la combustin, se debi

realizar algunos pasos previos, los que sern detallados a continuacin.

10.1.1 Anlisis elemental del combustible.

El Gas Natural se compone en su mayora de metano (CH4) junto con cantidades
menores de etano, propano y butano. La siguiente tabla, indica la composicin media del Gas
Natural.
Tabla 10-1: Composicin Media Gas Natural.
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
C6H14
N2
CO2
Hsup kJ/Nm3
Densidad Relativa

92,21%
3,55%
1,02%
0,45%
0,13%
0,05%
0,97%
1,61%
39020
0,61

Para determinar la cantidad de oxidante necesaria para la combustin

estequiomtrica, adems de los productos de combustin, fue necesario realizar un anlisis
elemental del combustible, es decir la composicin msica por cada elemento del
combustible.
Contenido en masa de Carbono:
(

)
(10-2)

Contenido en masa de Hidrgeno:

(

)
(10-3)

19

Contenido en masa de Oxgeno:

(

(10-4)

Contenido en masa de Nitrgeno:

(

(10-5)

Masa total de Combustible en un kilo-mol:

(10-6)
Finalmente, la composicin elemental masa se obtuvo de:
(10-7)
(10-8)
(10-9)
(10-10)

10.1.2 Determinacin de Flujos de Oxidante.

Suponiendo un modelo de combustin completa, es posible deducir un sistema de
ecuaciones para las fracciones molares de las especies qumicas presentes en los gases de
escape a partir de un balance de masa de las reacciones globales.
(10-11)
(10-12)
(10-13)
A partir de las relaciones 10-11, 10-12 y 10-13 se determina que:
(

20

(10-14)

Donde

corresponde al volumen de oxidante estequiomtrico necesario para

realizar la combustin.

corresponde a la fraccin volumtrica de Oxgeno presente en el

oxidante. Al utilizar Aire como oxidante,

corresponde a 0,21.

10.1.3 Composicin Gases de Escape.

De la misma manera, se pueden establecer relaciones para determinar la composicin
qumica de los gases de escapes.

(10-15)

(10-16)

(10-17)

]
[

donde

(10-18)
]

(10-19)

coresponde a la razon de oxidante utilizado respecto al flujo de oxidante

estequiomtrico (

= 1,1 se traduce en un 10% de exceso de oxidante con respecto al valor

estequiomtrico).
Estas fracciones molares obtenidas, pueden ser transformadas fcilmente en
fracciones volumtricas.
(10-20)
(10-21)
(10-22)
(10-23)
(10-24)

21

10.1.4 Obtencin de las entalpas sensibles molares.

Para la determinacin de la energa diluida en los gases de escape fue imprescindible
contar con las entalpas sensibles de cada una de las especies presentes.
Las entalpas de las especies qumicas de inters, fueron obtenidas a partir de los
calores especficos molares obtenidos desde el apndice del libro Thermodynamics: An
Engineering Approach de engel.
Tabla 10-2: Calores Especficos molares como funcin de la temperatura.(2)

Al integrar estas expresiones en funcin de la temperatura, tal que a cero Kelvin la

entalpa sensible sea igual a cero, se obtienen las expresiones que describen la entalpa de las
especies qumicas en funcin de la temperatura. Es as que:
(10-25)
(10-26)

(10-27)

22

(10-28)

(10-29)

10.2 Resultados Preliminares.

Con los datos obtenidos anteriormente, se program un pequeo modelo en el software
Wolfram Mathematica para as comprender, a priori, el efecto que produce el
enriquecimiento por oxgeno en la combustin.
El modelo consider la combustin de 0,1 [kg/s] de Fuel Oil #6, con un 10% de exceso
de oxidante.
Se propuso analizar la combustin con:

Aire (21% Oxgeno)

Aire enriquecido al 30% (30% Oxgeno)

Uso de Oxgeno Tcnico (95% Oxgeno.

Calor Extrado del Proceso: 2883,7 [kW]

Adems, se supuso escenarios con temperaturas 700C, 900C y 1100C en los gases de
escape.
En primer lugar, se analiz el grado de alteracin que sufren los productos de la
combustin a medida que se enriquece el oxidante. En la siguiente Tabla se pueden observar
los resultados obtenidos del modelo terico.
Tabla 10-3: Composicin Molar de Gases Escape por kilogramo de combustible
quemado, en funcin del Oxgeno presente en la combustin.
% Oxgeno
21%
30%
95%

nCO2
[kmol]
0,07136
0,07136
0,07136

nH2O
[kmol]
0,05208
0,05208
0,05208

nSO2
[kmol]
0,00087
0,00087
0,00087

nO2
[kmol]
0,00980
0,00980
0,00980

nN2
[kmol]
0,40553
0,25155
0,00557

Moles Totales
[kmol]
0,53964
0,38566
0,13968

De los resultados obtenidos se observa que para un flujo de combustible constante, el

enriquecimiento con oxgeno disminuye significativamente la fraccin de nitrgeno presente

23

en los gases de escape, lo que se traduce en una reduccin del flujo msico de gases
generados en la combustin.
Adems, result interesante determinar la cantidad de potencia disipada en los gases
de escape. Utilizando el modelo desarrollado, se calcul el flujo de energa de los gases a
700C.
Tabla 10-4: Potencia contenida en gases segn especie qumica.
% Oxgeno
21%
30%
95%

Potencia
CO2 [kW]
227,6
227,6
227,6

Potencia
H2O [kW]
129,9
129,9
129,9

Potencia
SO2 [kW]
2,9
2,9
2,9

Potencia
O2 [kW]
21,4
21,4
21,4

Potencia
N2 [kW]
835,6
518,3
11,8

Total
[kW]
1217,5
900,2
393,6

Los resultados indican una gran reduccin en el flujo de energa desechada en los
gases de escape como resultado del enriquecimiento del comburente con oxgeno. Esto se
debe netamente a la drstica reduccin en el flujo msico de gases generados producto de la
combustin.
Finalmente, interes conocer el efecto que produce la temperatura de gases de escape
en los potenciales ahorros de combustible. Para esto, se desarroll el balance de energa del
modelo considerando distintos niveles de enriquecimiento y variaciones en la temperatura de
gases de escape.
Tabla 10-5: Resultados Balance Energa 1. Anlisis Preliminar.
Consumo de Energa, Gases a 700C, Calor til 2883,74 [kW]
Potencia
Calor
Potencia
% Ahorro
%Oxgeno
Gases
til
Ingresada
Combustible
21%
1217,5
2883,7
4101,2
0%
30%
810,9
2883,7
3694,7
10%
95%
306,1
2883,7
3189,9
22%

24

Tabla 10-6: Resultados Balance de Energa 2. Anlisis Preliminar.

Consumo de Energa, Gases a 900C, Calor til 2883,74 [kW]
Potencia
Calor
Potencia
% Ahorro
%Oxgeno
Gases
til
Ingresada
Combustible
21%
1874,0
2883,7
4757,7
0%
30%
1188,0
2883,7
4071,7
14%
95%
426,0
2883,7
3309,8
30%

Tabla 10-7: Resultados Balance de Energa 3. Anlisis Preliminar.

Consumo de Energa, Gases a 1100C, Calor til 2883,74 [kW]
Potencia
Calor
Potencia
% Ahorro
%Oxgeno
Gases
til
Ingresada
Combustible
21%
2818,9
2883,7
5702,6
0%
30%
1669,2
2883,7
4552,9
20%
95%
560,5
2883,7
3444,3
40%

Ahorro de Combustible

Mximo Ahorro Potencial de

Combustible
40%
30%
20%

Ahorro
combustible

10%
0%

700C

900C

1000C

Temperatura Gases de Escape

Figura 10-3: Grfico mximo ahorro potencial de combustible. Anlisis

Preliminar.
Los resultados obtenidos indican que el enriquecimiento del comburente con oxgeno
produce mejores resultados en aquellos procesos en los que se cuenta con mayores

25

temperaturas de gases de escape (procesos de alta temperatura), lo que resulta obvio al

considerar que la entalpa del nitrgeno es proporcional a la temperatura que poseen los
gases.
Segn esto, el proceso de mantencin de temperatura del bao de cobre al interior de
un horno de refino resulta ideal dada las altas temperaturas de trabajo del sistema, por lo que
la tcnica de enriquecimiento podra proporcionar grandes ahorros de energa en este proceso.

26

11.
BALANCE DE ENERGA HORNO DE
REFINO.
Las modificaciones propuestas requieren realizar un estudio termodinmico del
proceso de manera que sea posible cuantificar la cantidad de energa que se debe aportar al
sistema para lograr mantener el bao de cobre a la temperatura de 1230C.
Para esto, se realiz el balance de energa del horno teniendo en cuenta sus
condiciones operacionales y las condiciones del ambiente. El volumen de control
considerado, se representa en el siguiente esquema:

Figura 11-1: Volumen de control. Balance energa Horno Refino.

Para este proyecto se consider el uso de Gas Natural, el cual es transportado hacia
las operaciones de la Fundicin Chuquicamata mediante el uso de un gaseoducto desde la
planta GNL Mejillones, propiedad de la empresa E-CL del grupo GDF Suez.
El uso de Gas Natural representa un potencial beneficio desde el punto de vista
operacional ya que no requiere acondicionamientos previos para su uso (el Fuel-Oil #6
debe ser calentado para disminuir su viscosidad y facilitar su atomizacin para la
combustin) y adems representa un beneficio ambiental al no contener trazas de azufre,
disminuyendo las emisiones totales de SO2. Esto ltimo resultar en extremo importante una
vez que se ponga en marcha el nuevo marco legal respecto a las emisiones mximas
permitidas de azufre y arsnico en las fundiciones de cobre que operan en Chile.

27

El oxidante corresponde a Aire enriquecido con Oxgeno. Comnmente, las

aplicaciones similares utilizan esta mezcla con un 30% de enriquecimiento (30% de
Oxgeno). El estudio realizado contempl dos mezclas posibles, desde un 30% de
enriquecimiento a un 95% (oxgeno tcnico), con la finalidad de obtener una mezcla ptima
desde el punto de vista econmico.
Debido a que las paredes externas del horno (Manto y Culata) poseen temperaturas
relevantes, se debi considerar la transferencia de calor mediante conveccin natural adems
de la radiacin trmica hacia el ambiente de la nave.
Finalmente, la ecuacin que describe el balance de energa del volumen de control,
corresponde a:

(11-1)

Donde:

Flujo de Gas Natural en [kg/s].

:
:

Poder calorfico Inferior del Gas Natural en [kJ/kg].

Flujo de Oxidante en [kg/s].

Entalpa del Oxidante en [kJ/kg].

Energa de Gases de Escape en [kW].

Prdidas de Energa en [kW].

Para resolver el balance de energa fue necesario calcular primeramente las prdidas de

energa en el proceso. Para ello, fue necesario desarrollar un estudio de transferencia de calor
en donde se debi:

Considerar la temperatura de gases de escape como un parmetro conocido mediante

el uso de alguna relacin emprica o supuestos.

Realizar un anlisis de transferencia de calor determinando las temperaturas de

paredes internas y externas del horno para determinar las prdidas de calor.

28

11.1 Clculo de Prdidas de Energa.

11.1.1 Marco terico de la transferencia de calor.
Las elevadas diferencias de temperatura que se producen entre el interior del horno y la
temperatura ambiente producen prdidas de calor de forma inevitable. Estas prdidas de
calor, a travs de las paredes y cavidades del horno, se manifiestan de tres maneras posibles:
Conduccin, Conveccin y Radiacin.

11.1.1.1

Conduccin Trmica.

La Conduccin es la transferencia de energa desde las partculas con ms energa a

otras adyacentes con menos energa como resultado de las interacciones entre ellas. La
Conduccin puede ocurrir en slidos, lquidos o gases. En gases y lquidos, la conduccin se
debe a la colisin y difusin de las molculas durante su movimiento aleatorio. En los
slidos, se debe a las colisiones y difusin de las molculas en una red y el transporte de
energa por los electrones libres.
La cantidad de calor conducido a travs de un medio depende de la geometra del
medio, su espesor, el material del medio, como tambin la diferencia de temperatura a travs
del medio.

Figura 11-2: Ilustracin de fenmeno de transferencia de calor por Conduccin en

pared plana.

29

Consideremos un flujo de calor conducido constante a travs de una pared larga y

plana con espesor

y rea

, como se muestra en la figura 11-2. La diferencia de

temperatura a travs de la pared es

Los experimentos han demostrado que la cantidad de calor conducido a travs de la

pared

es proporcional a la diferencia de temperatura

inversamente proporcional al espesor de la pared

donde

a travs de la pared, pero

. De lo anterior se deduce que:

(11-2)

corresponde a la conductividad trmica del material, lo que puede ser

comprendido como la habilidad del material para conducir el calor.

Otra interpretacin de la ecuacin 11-2, es

(11-3)
(11-4)

donde

es interpretado como la resistencia trmica del material, es decir su capacidad

de oponerse al flujo de calor.

11.1.1.2

Conveccin.

La Conveccin es el modo de transferencia de energa entre una superficie slida y

fluido adyacente que se encuentra en movimiento, involucra los efectos combinados de la
conduccin y el movimiento de fluidos. Mientras ms rpido sea el movimiento del fluido,
ms grande ser la transferencia de calor por conveccin. En ausencia de cualquier
movimiento en el fluido, la transferencia de calor entre la superficie slida y el fluido
adyacente es conduccin pura. La presencia de movimiento en el fluido mejora la
transferencia de calor entre la superficie slida y el fluido, pero tambin complica la
determinacin de la cantidad de calor transferido.

30

Figura 11-3: Ilustracin de fenmeno de transferencia de calor por Conveccin.(3)

Considrese el enfriamiento de un bloque caliente mediante el soplado de aire fro
sobre la superficie superior (figura 11-3). La energa es transferida primeramente a la capa de
aire adyacente al bloque mediante conduccin. Luego, esta energa es llevada desde la
superficie por conveccin, es decir, por el efecto combinado de la conduccin dentro del aire
debido al movimiento aleatorio de las molculas y al movimiento macroscpico del aire, que
remueve el aire calentado cerca de la superficie y lo reemplaza por aire fro.
La conveccin recibe el nombre de Conveccin Forzada si el fluido es forzado a fluir
sobre la superficie mediante el uso de agentes externos, como un ventilador o el mismo
viento. En contraste, recibe el nombre de Conveccin Natural si el movimiento del fluido es
causado por las fuerzas de flotacin inducidas por las diferencias de densidad debido a las
variaciones de temperatura en el fluido.
A pesar de la complejidad de la conveccin, se observa que la cantidad de calor
transferido por conveccin es proporcional a la diferencia de temperatura, y se expresa
convenientemente por la ley de Newton de enfriamiento como:

donde

(11-5)

es el coeficiente de transferencia de calor por conveccin en [

la superficie donde la conveccin tiene lugar,

],

es el rea de

es la temperatura de la superficie y

es la

temperatura del fluido lo suficientemente lejos de la superficie.

El coeficiente de transferencia de calor por conveccin

no es una propiedad del

fluido. Se trata de un parmetro determinado experimentalmente cuyo valor depende de todas

las variables que influyen en la conveccin, como la geometra de la superficie, la naturaleza

31

del movimiento del fluido, las propiedades del fluido, y la velocidad del fluido. Los valores
tpicos de

se expresan en la tabla 11-1.

Tabla 11-1: Tabla de Valores Tpicos para Conveccin Natural.(3)

11.1.1.3

Radiacin Trmica.

La radiacin es la energa emitida por la materia en la forma de ondas

electromagnticas (o fotones) como resultado de los cambios en las configuraciones
electrnicas de los tomos o molculas. A diferencia de la conduccin y la conveccin, la
transferencia de energa por radiacin no requiere de la presencia de un medio intermedio. De
hecho, la transferencia de energa por radiacin es ms rpida y no sufre atenuaciones en
vaco.
En los estudios de transferencia de calor interesa la radiacin trmica,
correspondiente a la forma de radiacin emitida por los cuerpos a raz de su temperatura.
Difiere de otras formas de radiacin electromagntica tales como rayos X, rayos gamma,
microondas, ondas de radio y televisin ya que no estn relacionadas con la temperatura.
Todos los cuerpos a temperatura sobre el cero absoluto emiten radiacin trmica.
La radiacin es un fenmeno volumtrico, y todos los slidos, lquidos y gases
emiten, absorben o transmiten radiacin en grados diferentes. Sin embargo, la radiacin es
generalmente considerada como un fenmeno de superficie de los slidos que son opacos a la
radiacin trmica, tal como metales, maderas o rocas ya que la radiacin emitida por las
regiones interiores de dichos materiales nunca pueden alcanzar la superficie, y la radiacin

32

incidente sobre tales cuerpos se absorbe generalmente dentro de unas pocas micras de
superficie.
La mxima cantidad de radiacin que puede ser emitida por una superficie a una
temperatura absoluta Ts (en K) es dada por la ley de Stefan-Boltzmann como

donde

[ ]

(11-6)

] es la constante de Stefan-Boltzmann. La superficie

idealizada que emite esa cantidad mxima de radiacin se denomina como cuerpo negro, y su
radiacin emitida recibe el nombre de radiacin de cuerpo negro. La radiacin emitida por
todas las superficies reales es menor que la radiacin emitida por un cuerpo negro a la misma
temperatura, y se expresa como

donde

[ ]

(11-7)

corresponde a la emisividad de la superficie. La emisividad de un cuerpo, cuyo valor

se encuentra en el rango

, es una medida de que tanto se aproxima una superficie a

un cuerpo negro para el cual

Otra propiedad importante de la radiacin de una superficie es su capacidad de

absorcin, que corresponde a la fraccin de la energa incidente sobre una superficie que es
absorbida por la superficie. Como la emisividad, su valor est en el rango 0

1. Un

cuerpo negro absorbe toda la radiacin incidente sobre el mismo. Es decir, un cuerpo negro
es un absorbente perfecto as como un emisor perfecto.
En general, tanto

de una superficie depende de la temperatura y la longitud de

onda de la radiacin. La ley de Kirchhoff de la radiacin establece que la emisividad y la

absorcin de una superficie a una temperatura y longitud de onda determinada son iguales.
En muchas aplicaciones prcticas, la temperatura de la superficie y la temperatura de la
fuente de radiacin incidental son del mismo orden de magnitud, y la absorcin promedio de
una superficie se toma para ser igual a su emisividad media. La tasa a la que una superficie
absorbe la radiacin se determina a partir de

[ ]

(11-8)

33

donde

es la radiacin incidente sobre la superficie y

es la absortividad de la

superficie. Para superficies opacas (no transparentes), la porcin de la radiacin incidental no

absorbida por la superficie es nuevamente reflejada.
La diferencia entre las tasas de radiacin emitida por la superficie y la radiacin
absorbida es la transferencia neta de calor por radiacin. Si la tasa de absorcin por radiacin
es mayor que la tasa de emisin por radiacin, se dice que la superficie est ganando energa
por radiacin. De lo contrario, se dice que la superficie est perdiendo energa por radiacin.
En general, la determinacin de la tasa neta de transferencia de calor por radiacin entre dos
superficies es un asunto complicado ya que depende de las propiedades de las superficies, su
orientacin con relacin a otra y la interaccin del medio entre las superficies con radiacin.
11.1.1.3.1

Factores de Forma.

Para hacer un balance de energa sobre una superficie, el flujo de radiacin entrante
debe ser evaluado. En un recinto general, la radiacin tiene contribuciones de todas las partes
de la superficie del recinto. Por lo tanto, hay que determinar qu parte de la energa que sale
de cualquier superficie de la carcasa se desplaza hacia la superficie bajo consideracin. Las
relaciones geomtricas que regulan este proceso para superficies difusas (que absorben y
emiten de forma difusa, y tambin reflejan la energa radiante difusa) se conocen como
factores de forma. Otros nombres utilizados en la literatura son el factor de configuracin, el
factor de ngulo, y el factor de vista. El factor de forma entre dos superficies

define como:

(11-9)

34

se

Figura 11-4: Ilustracin del Clculo de Factores de Forma.(4)

donde la palabra "directamente" se pretende dar a entender "en un camino recto, sin
intervenir reflexiones."
Los factores de forma pueden ser determinados por una variedad de mtodos, tales
como la integracin directa (integracin analtica o numrica), evaluacin estadstica a travs
de estadstica de muestreo utilizando un mtodo de Monte Carlo(4).
Matemticamente, factores de forma se pueden expresar en trminos de una integral
doble superficie, es decir

(11-10)

Donde:
: Elemento diferencial de la superficie

: Elemento diferencial de la superficie

: ngulo entre el vector normal del elemento de superficie

y el vector .

: ngulo entre el vector normal del elemento de superficie

y el vector .

: Distancia entre

35

11.1.1.3.2

lgebra de Factores de Forma.

Las matemticas de los factores de forma siguen ciertas reglas, que pueden ser
explotadas para simplificar su evaluacin. Las dos ms importantes son la regla de adicin
para configuraciones cerradas de N superficies que establece que la suma de las fracciones
deben sumar la unidad, y la regla de reprocidad.

(11-11)
(11-12)

Muchos factores de forma para configuraciones bastante complejas se pueden

calcular sin ningn tipo de integracin, simplemente usando las reglas de reciprocidad, suma
y, tal vez, el factor de vista conocida para una geometra ms bsica.

36

11.1.2 Estudio de la Transferencia de Calor.

Iniciando el estudio de transferencia de calor en el horno, se hizo necesario acotar las
regiones en donde se realizarn los clculos. Para esto, el horno fue separado en dos regiones
claramente establecidas.

La regin sumergida en el bao.

La regin que alberga la zona de combustin.

La regin que alberga la zona de combustin, hace referencia a las superficies interiores
del horno donde ocurre la combustin y la transferencia de calor entre los gases y las paredes
del horno, tal como se muestra a continuacin.

Figura 11-5: Zonas de Intercambio Radiativo. Horno Refino.

Las superficies interiores enumeradas corresponden a:
Tabla 11-2: Tamao de superficies zona de combustin. Horno Refino.
N

Superficie

rea [m2]

1
2
3
4
5
6

Bao de Cobre
Culata Norte
Culata Sur
Manto
Boca de Carga
Escape

31,1376
2,2328
2,2328
36,9515
3,0000
1,5000

37

La regin sumergida en el bao, como su nombre lo indica, hace referencia a aquellas

superficies del horno que se encuentran en contacto directo con el bao de cobre.

Figura 11-6: Zonas sumergidas por el bao. Horno Refino.

Las superficies interiores enumeradas corresponden a:
Tabla 11-3: Tamao Superficies sumergidas por el bao. Horno Refino.
N

Superficie

rea [m2]

7
8
9

Culata Inferior Norte

Manto Inferior
Culata Inferior Sur

5,4223
62,0523
5,4223

En la zona superior, se supuso que la transferencia de energa ocurre

fundamentalmente por el intercambio radiativo entre las superficies, para luego ser
transferida hacia el exterior por conduccin trmica a travs de las paredes. En la zona
inferior, se supuso que la transferencia de energa ocurre netamente por conduccin trmica
entre el bao de cobre y las paredes del horno.
Como se mencion anteriormente, las paredes de los hornos estn compuestas por
ladrillos refractarios, asbesto y acero. Las propiedades de estos materiales se encuentran en la
tabla siguiente:

38

Tabla 11-4: Propiedades Trmicas Materiales Horno Refino.

Material

Conductividad [

Acero
Asbesto
Ladrillo Refractario

] Emisividad [-]

50
0,3
2,6

0,9
0,13
0,94

El calor que fluye a travs del manto, se determin mediante:

donde
y

( )

( )

( )

corresponden a la temperatura interior y exterior del manto respectivamente,

corresponde al largo interior del horno.

Para las relaciones que se vern ms adelante, conviene utilizar el flujo de calor por

unidad de rea, resultando:

( )

( )

( )

Adems el denominador puede ser interpretado como la resistencia trmica del manto

donde

( )

( )

( )

corresponde al rea exterior del manto.

Finalmente, se tiene que

39

Figura 11-7: Detalle construccin manto. Horno Refino.

En el caso de las culatas del horno, el problema es similar.

donde ,

corresponden a la longitud de la capa de ladrillo refractario, asbesto y acero

respectivamente.
De la misma manera, el denominador se interpret como la resistencia trmica de las
culatas, quedando:
(

40

Se supondr que en el exterior del horno existen condiciones de transferencia de calor

por conveccin natural y radiacin trmica. Es evidente que, al realizar un balance energtico
en las superficies del horno, el calor que fluye por las paredes por conduccin debe ser igual
a la suma del calor disipado por conveccin natural y radiacin.
Por lo tanto, en el manto se cumple que:

)
(

Para el caso de las culatas sucede que:

Donde

)
(

corresponden a las temperaturas de pared exterior y la temperatura

ambiente respectivamente.
En las ecuaciones descritas,
el

puede ser determinado en cada una de las paredes si

correspondiente es conocido.
En el caso de la regin sumergida en el bao, se supuso que

es igual a la

temperatura del bao de cobre (1230C) y por tanto es idntico para todas las superficies
sumergidas. Siendo as, fue posible determinar

de cada superficie sumergida y con ello

las prdidas de calor asociadas.

Por el contrario, en la regin que alberga la zona de combustin,

no es conocido

para ninguna de las superficies ni puede ser supuesto arbitrariamente. En este caso, fue
necesario realizar un anlisis ms profundo considerando el intercambio radiativo entre las
superficies internas del horno, los gases producto de la combustin y el bao de cobre.

41

11.1.2.1

Intercambio radiativo entre las superficies.

Tradicionalmente, para el modelado de intercambio radiativo entre superficies, se recurre

a la analoga elctrica tal como lo ensea la figura a continuacin.

Figura 11-8: Analoga Elctrica para el Intercambio Radiativo.

En este caso, se utilizar un sistema de ecuaciones que incluyen la participacin del
medio (Medio no-transparente).
El modelo de intercambio radiativo, con su extensin para N superficies, corresponde
a:

donde:
:

Flujo de Calor por unidad de rea en la superficie j-sima.

Emisividad de la superficie j-sima.

:

42

Factor de Forma de la superficie k-sima con relacin a la superficie j-sima.

Transmisividad del medio.

:

Radiacin de cuerpo negro emitida por la superficie j-sima.

Emisividad del medio.

Radiacin de cuerpo negro emitida por el medio.

11.1.2.2

Determinacin de los factores de forma.

Como se mencion con anterioridad, para efectos del clculo de intercambio radiativo
entre superficies, es imprescindible contar con los factores de forma de stas.
Los factores de forma de algunas superficies conocidas, o de problemas cotidianos, se
encuentran resueltas y tabuladas en la literatura. En este caso, algunos de los factores de
forma fueron hallados en A Catalog of Radiation heat Transfer Configuration Factors, 2nd
edition de John R. Howell, mientras que otros factores de forma debieron ser calculados
utilizando la definicin.
11.1.2.2.1

Factor de forma entre la superficie del bao y Culatas. F1-2 y F1-3.

En la seccin C-36 del catlogo, Factores de forma desde reas finitas a reas finitas,
se hall la configuracin que representa el factor de forma entre la superficie del bao y
culatas.

Figura 11-9: Catlogo de Factores de Forma. John R. Howell(5).

43

De las cotas conocidas, se obtuvo que

y que

. Dada la

baja resolucin del grfico, y en un esfuerzo por obtener un valor representativo, se

agregaron escalas y lneas secundarias en ambos ejes del grfico.

Figura 11-10: Obtencin del Factor de Forma.

De esta forma, se obtuvo que los factores de forma

44

aproximadamente.

11.1.2.2.2

Factor de forma entre la superficie del bao y Boca de Carga. F1-5.

Para este caso, no se encontr ninguna expresin en el catlogo de Howell, por lo que se
decidi calcular el factor de forma utilizando el software Wolfram Mathematica.
La mecnica del clculo consisti en dividir las superficies en pequeas partes (

) para posteriormente aproximar la integral por sumas, es decir:

Figura 11-11: Superficies 5 y 1. Horno Refino.

Los parmetros introducidos en el cdigo desarrollado son los siguientes:

El resultado obtenido, fue

45

11.1.2.2.3

Factor de forma entre la superficie del bao y Escape. F1-6.

El factor de forma entre la superficie del bao y el Escape, se determin de la misma

manera.

Figura 11-12: Superficies 1 y 6. Horno Refino.

El resultado obtenido fue,

46

11.1.2.2.4

Factor de forma entre la superficie del bao y Manto. F1-4.

Utilizando las propiedades de los factores de forma para superficies cerradas, fue
posible determinar el factor de forma entre el bao de cobre y el manto (

) simplemente

como:

Figura 11-13: Superficies 1 y 4. Horno Refino.

47

11.1.2.2.5

Factor de forma entre Culata Norte y Culata Sur. F2-3 y F3-2.

En la seccin C-46 del catlogo, Factores de forma desde reas finitas a reas finitas,
se hall la configuracin que representa el factor de forma entre las culatas.

Figura 11-14: Factor de Forma entre segmentos circulares opuestos. John R. Howell(5).
Nuevamente se realizaron modificaciones en el grfico aadiendo escalas en ambos
ejes, en busca de obtener el valor ms representativo posible de la situacin.
De las cotas conocidas, se obtuvo que

y que

Figura 11-15: Obtencin Factor de Forma F2-3 y F3-2.

Finalmente, se desprende que:

48

11.1.2.2.6

Factor de forma entre Culata Norte y boca de Carga. F2-5 y F3-5.

Utilizando la misma mecnica de dividir las superficies en partes pequeas, se

determin el factor de forma entre las Culatas y la boca de carga.

Figura 11-16: Superficies 2, 3 y 5. Horno Refino.

Utilizando una grilla como ayuda, se dividi la superficie de las culatas en pequeas
partes cuadradas.

Figura 11-17: Malla Auxiliar para Clculo Factor de Forma.

Posteriormente, se ingresaron los parmetros al cdigo desarrollado en Wolfram
Mathematica.

49

Y los resultados obtenidos de los factores de forma:

50

11.1.2.2.7

Factor de forma entre Culatas y Escape. F2-6 y F3-6.

El clculo de estos factores de forma se realiz anlogamente al anterior, dividiendo

las superficies de las culatas en pequeas superficies cuadradas. Los parmetros de
programacin de estas superficies estn dados por:

Figura 11-18: Superficies 2, 3 y 6. Horno Refino.

51

11.1.3 Tabla de Factores de Forma.

Finalmente, realizando clculos en base a los resultados anteriores y aplicando las
propiedades algebraicas de los factores de forma, se pudo determinar todos los factores de
forma de las superficies interiores del horno.
Tabla 11-5: Tabla resumen Factores de Forma 1.
F11

0,000000

F21

0,418358

F31

0,418358

F12

0,030000

F22

0,000000

F32

0,150000

F13

0,030000

F23

0,150000

F33

0,000000

F14

0,892480

F24

0,427649

F34

0,346622

F15

0,021056

F25

0,003613

F35

0,003613

F16

0,026464

F26

0,000380

F36

0,081408

Tabla 11-6: Tabla resumen Factores de Forma 2.

52

F41

0,695586

F51

0,437085

F61

0,549350

F42

0,024000

F52

0,005378

F62

0,000566

F43

0,024000

F53

0,005378

F63

0,121180

F44

0,223383

F54

0,551513

F64

0,328257

F45

0,020707

F55

0,000000

F65

0,000647

F46

0,012325

F56

0,000647

F66

0,000000

11.1.4 Clculo de la Emisividad de los Gases de Escape.

En la prctica, los gases de combustin tambin participan en el intercambio de calor
por radiacin. Esto, debido a que los gases diluidos de Dixido de Carbono y Vapor de Agua
no son transparentes y poseen coeficientes de emisividad relevantes.
La emisividad de los gases de escape depender, entonces, de las fracciones
volumtricas presentes de Dixido de Carbono y Vapor de Agua presentes, de la temperatura
de los gases de escape y de la presin de stos.
Existen dos mtodos bastante conocidos para la estimacin de la emisividad de los
gases de escape a distintas temperaturas: Las Curvas de Hottel y Las Funciones de Leckner.
Las curvas de Hottel corresponden a grficos con resultados experimentales, desde
donde es posible obtener una estimacin de la emisividad total de los gases de escape. Para
ello, se utilizan las relaciones
(

Donde

) (

) (

: Temperatura Gases de Escape

: Presin Parcial CO2.
: Presin Parcial H2O.
: Longitud Media del Haz.
: Correccin por Presin para CO2.
: Correccin por Presin para H2O.

53

Figura 11-19: Curvas de Hottel. Emisividad de CO2.(6)

Figura 11-20: Curvas de Hottel. Emisividad de H2O.(6)

Figura 11-21: Curvas de Hottel. Correccin Traslape de Bandas.(6)

54

Si bien estos grficos resultan bastante efectivos para la estimacin de la emisividad

de los gases de escape, imposibilitan la opcin de integrarlos en algn tipo de cdigo para
automatizar el clculo.
Otra forma de obtener una estimacin de la emisividad de los gases de escape, es
mediante las funciones de Leckner.
Leckner ofrece expresiones empricas para la emisividad total de los gases de escape.
Esto, derivado de las expresiones que describen la conducta del Vapor de Agua y Dixido de
carbono en el ancho de banda corta sumada sobre el espectro. En estas correlaciones, la
presin se encuentra en bares y la longitud media del haz en centmetros.
y

se calculan como:
(

)(

( ) (

)
)

)]

] }]

Donde los coeficientes estn dados por la tabla siguiente:

55

Tabla 11-7: Parmetros de Funciones de Leckner.(4)

Los resultados obtenidos mediante las expresiones de Leckner son muy similares a
los resultados experimentales obtenidos por Hottel. Las diferencias entre ambos mtodos son
ilustradas a continuacin.

Figura 11-22: Emisividad total para el CO2 segn Hottel (Lneas slidas) y
Leckner (Lneas segmentadas).(4)

56

Figura 11-23: Emisividad total para H2O segn Hottel (lneas slidas) y Leckner
(lneas segmentadas).(4)
Finalmente, las expresiones de Leckner fueron ingresadas al software Wolfram
Mathematica para su posterior uso.

11.1.5 Determinacin de la temperatura de Gases de Escape.

La determinacin de la temperatura de gases de escape es un punto fundamental dentro
de la programacin del problema, ya que influye significativamente en los resultados del
balance de energa.
La utilizacin de una temperatura de gases excesivamente baja, producir una estimacin
del consumo de combustible muy por debajo de lo real. Por el contrario, una temperatura de
gases excesiva sobreestimar el consumo de combustible.
Se consult al personal de Mantencin de la Fundicin Chuquicamata por la existencia
de datos histricos acerca de la temperatura de gases de escape de alguno de los hornos de
refino. La respuesta obtenida fue que no existe un monitoreo de las temperaturas en ese
punto, por lo que esos datos sencillamente no existen.

57

Dada la naturaleza del proceso, sera de esperar que las temperaturas bordearan los
1200C. Algunas firmas de ingeniera, relacionadas con la recuperacin de calor desde estos
gases, sealan que las temperaturas oscilan entre los 1100C y los 1200C (7).
Marks(8) define algunas relaciones empricas para la determinacin de la temperatura de
los gases de escape dependiendo del tipo de cmara de combustin.
El manual sugiere dos posibilidades aplicables a este modelo:

Suponer que los gases de la cmara de combustin estn totalmente agitados, lo que
produce que la temperatura de gases de escape sea igual a la temperatura de los gases
al interior de la cmara.
(

Suponer que la diferencia entre la temperatura de los gases al interior de la cmara y

la temperatura de los gases de escape se encuentra normalizada respecto a la
temperatura estimada de la llama.
(

Donde:
: Temperatura de los gases al interior de la cmara de combustin.
: Temperatura de los gases de escape, a la salida del horno.
: Temperatura de llama estimada.
: Delta de temperatura normalizado.
En la prctica, se supondra que la temperatura de los gases al interior de la cmara es
mayor que la temperatura de los gases de salida (debido a la transferencia de calor), por lo
que la relacin 11-34 es poco realista. Adems, esta relacin conduce a minimizar el valor de
en el balance trmico, ya que, gran cantidad de la energa se disipa en los gases de escape
producto de la sobreestimacin de la temperatura.

58

La segunda relacin 11-35 supone ser ms realista respecto a lo observado en la

prctica, aunque requiere de un esfuerzo adicional al incluir dos parmetros ms. Ante la
ausencia de informacin Marks sugiere utilizar

, mientras que

debi ser

determinado utilizando informacin adicional.

Wagner(9) expone una relacin emprica para la determinacin de la mxima
temperatura estimada de la llama en base a:
(

Donde:
:

Factor de reduccin.

Temperatura de llama estimada.

:

Temperatura de llama adiabtica.

Adems, Wagner menciona que

depende de la naturaleza del combustible y define

que:
Para Fuel Oils:
Para Gas Natural:
Por otra parte, Baukal(10) describe la temperatura de llama adiabtica de algunos
combustibles

Temp. de llama adiabtica Fuel Oil Aire:

2012C

Temp. de llama adiabtica Gas Natural Aire:

1960C

Temp. de llama adiabtica Gas Natural Aire enriquecido al 30%:

2226C

Temp. de llama adiabtica Gas Natural Oxgeno:

2770C

Con la informacin recopilada se procedi a elaborar la filosofa de funcionamiento del

programa, en donde se abordaron los dos mtodos descritos por Marks con el fin de verificar
las diferencias en los resultados y la influencia de los parmetros supuestos.

59

11.1.6 Programacin del problema: Filosofa de funcionamiento.

La forma de abordar este problema, se bas considerar la temperatura de los gases de
escape como un parmetro conocido, variable, el cual afectara directamente el intercambio
radiativo. Para esto, se abordaron dos estrategias:
a) Suponer que la diferencia entre la temperatura de los gases al interior de la
cmara y la temperatura de los gases de escape se encuentra normalizada
respecto a la temperatura estimada de la llama. Se realiz la iteracin de la
temperatura de gases al interior de la cmara de combustin de manera que la
temperatura de las paredes internas del horno sea similar a la temperatura del
bao de cobre (1230C).
b) Suponer que los gases en la cmara estn perfectamente agitados, tal que la
temperatura de gases al interior de la cmara es igual a la temperatura de
gases de escape. Se fij una temperatura de Gases de escape de 1230C para
todos los casos.
La solucin del problema pas necesariamente por iterar el clculo, corrigiendo cada
vez las temperaturas de pared internas tal que, al realizar el clculo de intercambio radiativo,
el calor por unidad de rea que recibe cada una de las paredes debe ser igual al calor que
transfiere por conduccin y que luego se disipa hacia el exterior por medio de la conveccin
y radiacin trmica.
Para facilitar el clculo, se desarroll un cdigo en Wolfram Mathematica en cual se
resuelve el balance de energa para cada una de las paredes del horno.
La filosofa del cdigo desarrollado, se basa principalmente en las siguientes etapas:
1. Ingreso de Parmetros
a. Datos del Combustible: Anlisis elemental, Poder Calorfico Inferior.
b. Parmetros

de

combustin:

Exceso

de

oxidante,

porcentaje

de

enriquecimiento, temperatura de gases en cmara y escape.

c. Parmetros del Horno: reas del horno, conductividades y emisividades de
los materiales.
2. Clculo de Productos de combustin.
a. Clculo de los productos de combustin en fracciones molares.

60

b. Clculo de la entalpia de los productos de combustin.

c. Clculo de la Emisividad de los gases de combustin.
3. Clculo de Transferencia de Calor.
a. Clculo de resistencias trmicas.
b. Factores de Forma entre las superficies.
c. Clculo de Intercambio radiativo entre superficies.
d. Correccin de la temperatura interna de las paredes.
e. Flujos de Calor por paredes y cavidades.
f.

Determinacin de Prdidas de Energa.

4. Balance de Energa.
a. Determinacin del flujo de combustible.
b. Determinacin de los flujos de oxidantes (Aire y Oxgeno)

61

Ingresar
Parmetros

Determinacin de
los productos de
Combustin.

Clculo de la
Emisividad de los
Gases de
Combustin.

Clculo del
Intercambio
Radiativo
Recalcula
Temperaturas de
de Superficies
Internas
Satisface el Balance de Energa?
Radiacin = Conduccin = Conveccin + Radiacin?

NO

SI
Clculo de las
Prdidas de Calor
del Sistema

Calculo del Flujo

de Combustible

Imprimir
Resultados

Figura 11-24: Esquema de Funcionamiento del Cdigo desarrollado para el problema.

62

11.2 Anlisis de Resultados.

11.2.1 Resultados Modelo Situacin Actual.
Las primeras aproximaciones al programa se realizaron tratando de llegar a los
parmetros de funcionamiento actuales (combustin sin enriquecimiento), a modo de
verificar la aproximacin del modelo a la realidad.
Las condiciones de borde ingresadas al programa fueron:

Combustible:

Fuel Oil #6

Temperatura de llama adiabtica:

2012 C

Exceso de Oxidante (lambda):

1,1

Enriquecimiento con Oxgeno:

0%

Contenido de Oxgeno en el Aire a 2500 msnm

20,5%

Se calcul el delta normalizado entre las temperaturas de cmara y escape, para

posteriormente realizar la iteracin de la temperatura de los gases al interior de la cmara, tal
que la temperatura interna de las paredes fuese cercana a los 1230C.
Los resultados obtenidos mediante el modelo matemtico fueron alentadores, ya que no
distan demasiado de la realidad
Tabla 11-8: Temperatura de Gases Determinada, Modelo A.
Combustible
Temperatura Gases en Cmara
Temperatura Gases de Salida

Fuel Oil#6
1305C
1181C

63

Tabla 11-9: Resultados modelacin situacin actual, Modelo A.

Temperatura Gases Escape 1181C, 0% Enriquecimiento,
FO#6
Flujo de Combustible
5,56 [lt/min]
Potencia Ingresada
3801,9 [kW]
Prdidas de Calor Totales
1722,0 [kW]
Calor Gases Escape
2079,9 [kW]
Potencia N2
1427,1 [kW]
Potencia O2
35,5 [kW]
Potencia CO2
390,7 [kW]
Potencia H2O
221,7 [kW]
Potencia SO2
4,8 [kW]

Tabla 11-10: Resultados Temperaturas Paredes Internas, Situacin actual

Modelo A.
Temperaturas Paredes Internas.
Temperatura Bao Cobre
Temperatura Interior Culata
Norte
Temperatura Interior Culata Sur
Temperatura Interior Manto

%Error
1230C
1230,9C

Condicin
0,0099669%

1229,0C
1223,4C

0,0087951%
0,0099129%

Tabla 11-11: Resultados Temperaturas Paredes Externas, Situacin

Actual, Modelo A.
Temperatura Paredes Externas
Culata Norte (Superior)
Culata Norte (Inferior)
Culata Sur (Superior)
Culata Sur (Inferior)
Manto (Hemisferio Superior)
Manto (Hemisferio Inferior)

240,4C
240,2C
240,1C
240,2C
388,4C
388,6C

Posteriormente, se realizaron los clculos suponiendo una cmara de combustin con

gases perfectamente agitados, fijando la temperatura de gases de escape en 1230C.

64

Tabla 11-12: Temperatura de Gases Ingresadas, Situacin

Actual, Modelo B.
Combustible
Temperatura Gases en Cmara
Temperatura Gases de Salida

Fuel Oil#6
1230C
1230C

Tabla 11-13: Resultados Modelacin Fuel Oil #6, Situacin Actual,

Modelo B.
Temperatura Gases Escape 1230C, 0% Enriquecimiento, FO#6
Flujo de Combustible
Potencia Ingresada
Prdidas de Calor Totales
Calor Gases Escape
Potencia N2
Potencia CO2
Potencia H2O
Potencia SO2
Potencia O2

5,55 [lt/min]
3790,3 [kW]
1619,0 [kW]
2171,3 [kW]
1488,9 [kW]
408,4 [kW]
232,0 [kW]
5,0 [kW]
37,0 [kW]

Tabla 11-14: Temperaturas de Paredes Internas Calculadas. Situacin Actual.

Modelo B.
Temperatura Paredes Internas. Gases Escape 1230 C, FO#6
Temperatura Bao Cobre
Temperatura Interior Culata Norte
Temperatura Interior Culata Sur
Temperatura Interior Manto

Error %
Condicin
0,00895 %
0,00931 %
0,00990 %

1200 C
1173,28 C
1171,73 C
1166,62 C

Tabla 11-15: Temperatura de Paredes Externas Calculadas. Situacin Actual.

Modelo B.
Temperatura Paredes Externas. Gases Escape 1230 C, FO#6
Culata Norte (superior)
Culata Norte (inferior)
Culata Sur (Superior)
Culata Sur (Inferior)

232 C
240 C
232 C
240 C

65

Manto (Hemisferio Superior)

Manto (Hemisferio Inferior)

376 C
389 C

Los resultados obtenidos por ambos mtodos son bastante similares entre s,
indicando un consumo de combustible cercano a 5,5 [lt/min], es decir, muy cerca de los
valores de consumo facilitados por CODELCO. Estos resultados aportan validez al modelo
matemtico desarrollado, con el que posteriormente se obtuvieron an ms resultados.
Los valores de temperatura de pared externa son razonables, y adems resultan
similares a las termografas obtenidas en estudios similares. (11)
Tabla 11-16: Resultados de Termografas. CONAMET/SAM 2004(11).

De estos resultados, se desprende que la energa neta necesaria para mantener el bao
a 1230C, en estas condiciones actuales de operacin, es de aproximadamente de 1720 [kW].
Esto corresponde a las prdidas de energa del horno por conveccin y radiacin trmica para
estas condiciones de combustin.
En ambos resultados, la potencia disipada en los gases de escape corresponde a
alrededor de un 55% de la potencia total entregada al sistema. En ese sentido, gran parte de la
potencia disipada corresponde al nitrgeno presente en el aire de combustin, concretamente
un 68,6 % del total de la potencia disipada en los gases de escape.

66

Potencia Gases de Escape

2500,0
37,0

35,5
2000,0
Potencia {kW]

O2
1500,0

N2

1488,9

1427,1

SO2
H2O

1000,0

500,0

4,8
221,8

5,0
232,0

390,8

408,4

Modelo A

Modelo B

CO2

0,0

Figura 11-25: Potencia de Gases de escape por especie qumica. Situacin Actual.
Dados estos resultados, probablemente, si se logra disminuir la presencia de
nitrgeno presente en el aire de combustin, el consumo de combustible disminuira
notablemente.
Respecto a las prdidas de calor, estas fueron graficadas para cada una de las
superficies estudiadas. Los resultados obtenidos en ambos modelos fueron los esperados
desde el punto de vista de eficiencia energtica, pues un 32% de las prdidas de calor se
deben netamente a la boca del horno.
Tabla 11-17: Prdidas de Calor Calculadas. Situacin Actual.
Modelo
Modelo A
Modelo B

Culata
Norte
[kW]
36,8
36,2

Culata Sur
[kW]

Manto
[kW]

36,8
36,2

1177,1
1145,7

Boca de
Carga
[kW]
418,0
358,5

Escape
[kW]

Total [kW]

53,3
42,4

1722,0
1619,0

67

Prdidas de Calor
1800

53,3

42,4

1600
418,0

358,5

Prdidas de Calor [kW]

1400
1200

Escape

1000

Boca de Carga

800

Manto
1177,1

1145,7

600

Culata Sur
Culata Norte

400
200
0
Modelo A

Modelo B
Modelo

Figura 11-26: Prdidas de Calor por Superficie. Situacin Actual.

68

11.2.2 Resultados Modelacin Conversin a Gas Natural.

Dado los resultados obtenidos en la modelacin anterior, caus inters conocer cmo
cambian los resultados anteriores al utilizar gas natural como combustible.
Modificando algunas entradas del programa, tales como la composicin elemental del
combustible y el poder calorfico, fue posible obtener los resultados de ambos modelos
aplicados a la combustin del gas natural.
Las condiciones de borde ingresadas al programa fueron:

Combustible:

Gas Natural

Temperatura de Llama Adiabtica:

1960 C

Exceso de Oxidante (lambda):

1,1

Enriquecimiento con Oxgeno:

0%

Contenido de Oxgeno en el Aire a 2500 msnm

20,5%

Los resultados obtenidos del primer modelo son:

Tabla 11-18: Temperatura de Gases Determinadas. Modelo A.
Combustible
Temperatura Gases en Cmara
Temperatura Gases de Salida

Gas Natural
1295C
1169C

Tabla 11-19: Resultados modelacin conversin a Gas Natural, Modelo A.

Temperatura Gases Escape 1169C, 0% Enriquecimiento,
Gas Natural.
Flujo de Combustible
598,9 [Nm3/h]
Potencia Ingresada
5496,4 [kW]
Prdidas de Calor Totales
1732,6 [kW]
Calor Gases Escape
3763,8 [kW]
Potencia N2
2500,2 [kW]
Potencia O2
62,1 [kW]
Potencia CO2
485,4 [kW]
Potencia H2O
716,1 [kW]
Potencia SO2
0 [kW]

69

Tabla 11-20: Temperaturas de Paredes internas calculadas, Conversin a

Gas Natural, Modelo A.
Temperaturas Paredes Internas.
Temperatura Bao Cobre
Temperatura Interior Culata Norte
Temperatura Interior Culata Sur
Temperatura Interior Manto

%Error
1230,0C
1231,1C
1228,8C
1223,5C

Condicin
0,0091421%
0,0093667%
0,0098857%

Tabla 11-21: Temperatura de paredes externas calculadas, Conversin a

Gas Natural, Modelo A.
Temperatura Paredes Externas
Culata Norte (Superior)
Culata Norte (Inferior)
Culata Sur (Superior)
Culata Sur (Inferior)
Manto (Hemisferio Superior)
Manto (Hemisferio Inferior)

241C
240C
240C
240C
388C
389C

Posteriormente, se realizaron los clculos suponiendo una cmara de combustin con

gases perfectamente agitados, fijando la temperatura de gases de escape en 1230C.
Tabla 11-22: Temperaturas de gases ingresadas, Conversin a Gas
Natural, Modelo B.
Combustible
Temperatura Gases en Cmara
Temperatura Gases de Salida

70

Gas Natural
1230C
1230C

Tabla 11-23: Resultados Modelo Conversin a Gas Natural, Modelo B.

Temperatura Gases Escape 1230C, 0% Enriquecimiento, Gas Natural
649,0 [Nm3/h]
5956,2 [kW]
1636,9 [kW]
4319,3 [kW]
2866,4 [kW]
557,8 [kW]
823,9 [kW]
0 [kW]
71,1 [kW]

Flujo de Combustible
Potencia Ingresada
Prdidas de Calor Totales
Calor Gases Escape
Potencia N2
Potencia CO2
Potencia H2O
Potencia SO2
Potencia O2

Tabla 11-24: Temperaturas de Paredes Internas Calculadas. Conversin a Gas Natural.

Temperatura Paredes Internas. Gases Escape 1200 C, Gas Natural.
Temperatura Bao Cobre
Temperatura Interior Culata Norte
Temperatura Interior Culata Sur
Temperatura Interior Manto

Error %
Condicin
0,00963 %
0,00984 %
0,00997 %

1230 C
1179,5 C
1177,6 C
1172,6 C

Tabla 11-25: Temperaturas de Paredes Externas Calculadas. Conversin a Gas

Natural.
Temperatura Paredes Externas. Gases Escape 1200 C, Gas Natural.
Culata Norte (superior)
Culata Norte (inferior)
Culata Sur (Superior)
Culata Sur (Inferior)
Manto (Hemisferio Superior)
Manto (Hemisferio Inferior)

233,0 C
240,3 C
232,7 C
240,3 C
377,6 C
388,6 C

Ambos modelos resultaron coherentes entre s, aunque sealaron una leve diferencia
en cuanto al consumo de combustible. Esta diferencia radica en que el modelo B sobreestima
la temperatura de gases de escape, y por tanto, sobreestima el flujo de energa diluido en los
gases de escape, requiriendo ms combustible para completar el balance.

71

Los resultados obtenidos causaron sorpresa dado que, para la operacin con Gas
Natural, ambos modelos predicen un incremento de potencia requerida cercano al 50%
respecto a las mismas condiciones de operacin con Fuel Oil #6.
Este aumento inesperado de potencia requerida fue atribuido al aumento de oxidante
requerido para realizar la combustin del gas natural, produciendo un aumento en el flujo de
gases de escape lo que, a su vez, se traduce en un aumento de la energa diluida en stos.
Tabla 11-26: Comparacin Fuel Oil #6 y Gas Natural. Composicin Elemental.
Combustible

yC

yH

yO

yN

yS

Fuel Oil 6#
Gas Natural

85,70%
72,47%

10,50%
23,08%

0,90%
2,91%

0,10%
1,54%

2,80%
0,00%

Hinf
[kJ/kg]
41011,00
39900,00

Tabla 11-27: Flujo de oxidante estequiomtrico requerido por cada kilogramo

de combustible.
Flujo de Oxidante Requerido [Nm3/kg]
Fuel Oil #6
Gas Natural

10,7
12,7

Tabla 11-28: Moles de especies qumicas producidas por cada kilogramo de

combustible quemado.
Combustible

nCO2
[kmol]

nH2O
[kmol]

nSO2
[kmol]

nO2
[kmol]

nN2
[kmol]

Moles totales
[kmol]

Fuel Oil 6#
Gas Natural

0,07136
0,06034

0,05208
0,11450

0,00087
0,00000

0,01960
0,02334

0,45605
0,54354

0,6000
0,7417

En la tabla anterior se ilustran las diferencias en la cantidad de moles generados de

las especies qumicas presentes en los gases de escape (moles por cada kilogramo de
combustible quemado) registrando un aumento considerable al utilizar Gas Natural. Esto
reafirma la suposicin de un aumento de flujo de gases al utilizar el gas como combustible.
De acuerdo a estos resultados, se podra afirmar que el uso de Gas Natural resulta
energticamente menos eficiente respecto al uso del Fuel Oil #6. En la prctica, esta
ineficiencia es compensada gracias al bajo costo de manipulacin y al bajo valor comercial
del Gas Natural respecto al Fuel Oil.

72

En general, ambos modelos indicaron que los gases de escape diluyen

aproximadamente un 69% de la energa total ingresada al sistema. Este valor no es menor si
se considera que esta energa no es reutilizada, si no que se desecha directamente al ambiente.
De ese 69%, alrededor de un 67% corresponden a energa netamente transferida al nitrgeno
presente en el aire de combustin.
El primer modelo indica que la potencia total ingresada es equivalente a un consumo
de 599 [Nm3/h], mientras que el segundo modelo indica una potencia total equivalente a un
consumo de 643,9 [Nm3/h], lo cual es muy cercano a los 650 [Nm3/h] contemplados en la
ingeniera bsica del proyecto de conversin, lo que a su vez aporta validez a los resultados
obtenidos mediante la modelacin.

Potencia Gases de Escape

4500,0
4000,0

71,1
62,1

Potencia {kW]

3500,0

O2

3000,0
2500,0

2866,4
2500,2

N2
SO2

2000,0

H2O

1500,0

CO2

1000,0

716,1

823,9

500,0

485,5

557,8

Modelo A

Modelo B

0,0

Figura 11-27: Potencia Gases de Escape por especie qumica. Conversin a Gas Natural.
El siguiente paso consisti en modelar el efecto que produce la incorporacin de
oxgeno en la combustin, buscando cuantificar los potenciales ahorros de energa, los
efectos que pueda producir sobre la combustin y las prdidas de energa en el horno.

73

11.2.3 Resultados Modelacin Gas Natural con Aire Enriquecido.

El paso siguiente, consisti en modelar el comportamiento de la combustin
enriqueciendo el comburente con oxgeno. Para ello se analiz una serie de mezclas de
oxidante posibles, en un intento de comprender cmo cambian las composiciones de gases de
escape, la emisividad de la atmsfera al interior del horno, las prdidas de calor y el consumo
de combustible.
Las grandes firmas como Maxon, Hauck y Fives North American ofrecen diseos de
quemadores segn el tipo de comburente a utilizar, es decir, Aire u Oxgeno. En el caso de
los quemadores que usan aire como comburente, estos pueden ser utilizados con aire
enriquecido hasta el 30%. Ms all de este porcentaje existe el riesgo de daar el quemador,
dado que los flujos disminuyen demasiado y la refrigeracin de la boquilla (punta) del
quemador no puede ser asegurada.
Con estos antecedentes, se realiz el estudio analizando tres mezclas posibles de
comburente.

Uso de Aire (20,5% Oxgeno, a 2500 msnm).

Uso de Aire Enriquecido (30% Oxgeno).

Uso de Oxgeno Tcnico (95% Oxgeno).

Las condiciones de borde ingresadas al programa fueron:

Combustible:

Gas Natural

Lambda:

1.1

Los resultados obtenidos del primer modelo son los siguientes:

Tabla 11-29: Determinacin de Temperaturas de Gases, Combustin con
Aire Enriquecido, Modelo A.
Temperatura
Llama
Adiabtica C
GN 30% Oxgeno
GN 95% Oxgeno

74

2226
2770

Temperatura Temperatura Temperatura

Llama
Gases en
Gases de
Estimada C Cmara C
Escape C
1781
2216

1285
1265

1142
1088

Tabla 11-30: Resultados Modelacin Combustin con Aire Enriquecido,

Modelo A.

% Oxgeno
20,50%
30,00%
95,00%

Consumo
Ahorro
Combustible Combustible
[Nm3/h]
[Nm3/h]
598,9
0,0
374,0
224,9
250,9
348,1

%Ahorro
0,0%
37,6%
58,1%

Tabla 11-31: Resultados Balance de Energa, segn oxgeno presente en

la combustin, Modelo A.
Potencia
Perdidas Potencia Potencia
%
Potencia
Potencia Potencia
Entrada
de Calor
CO2
H2O
Oxgeno
GE [kW]
N2 [kW] 02 [kW]
[kW]
[kW]
[kW]
[kW]
20,50%
30,00%
95,00%

5496
3432
2302

3764
1683
500

1733
1749
1802

485
295
187

716
435
275

2500
916
14

62
38
24

Posteriormente, fijando las temperaturas de la cmara de gases y los gases de escape en

1230C, se obtuvieron los resultados del segundo modelo.
Tabla 11-32: Resultados Modelacin. Combustin con Aire Enriquecido, Modelo B.

% Oxgeno
20,50%
30,00%
95,00%

Consumo
Ahorro
Combustible Combustible
[Nm3/h]
[Nm3/h]
649
388
251

0
261
398

%Ahorro
0%
40%
61%

75

Tabla 11-33: Resultados Balance de Energa segn oxgeno presente en la

combustin, Modelo B.
Potencia
Prdidas Potencia Potencia
%
Potencia
Potencia Potencia
Entrada
de Calor
CO2
H2O
Oxgeno
GE [kW]
N2 [kW] 02 [kW]
[kW]
[kW]
[kW]
[kW]
20,50%
30,00%
95,00%

5956
3558
2300

4319
1899
577

1637
1659
1723

558
333
215

824
492
318

2866
1031
16

71
42
27

Para visualizar de mejor manera los resultados de ambos modelos, se graficaron los
consumos de combustibles, las potencias de los gases de escape y las prdidas de calor del
Horno.

Consumo Gas Natural [Nm3/h]

Consumo de Gas Natural

700
600

649

500
400

599

300

374

Modelo A

388

200

251

251

Modelo B

100
0

20,5%

30,0%

95,0%

% de Oxgeno en Comburente

Figura 11-28: Resultados consumos de Combustible, Combustin con Aire

Enriquecido.
Los resultados entregados por ambos modelos fueron coherentes y consistentes,
mostrando ligeras diferencias en cuanto al consumo de Gas Natural para los distintos niveles
de enriquecimiento. Cuando la combustin se produce con oxgeno tcnico (95% de pureza)
tanto el modelo A como el modelo B predicen un consumo de 251 [Nm3/h].

76

Potencia [kW]

Flujo de Energa en Gases de Escape

4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0

4319
3764

1899

Modelo A

1683

Modelo B
500 577

20,5%

30,0%

95,0%

% de Oxgeno en Comburente

Figura 11-29: Resultados flujos de energa en gases de escape, combustin

con Aire Enriquecido.
Los flujos de energa en los gases de escape, son consistentes en relacin a la
formulacin de cada uno de los modelos. El modelo B utiliza una temperatura de gases
constante en 1230C, mientras que el modelo A utiliza relaciones empricas en base a las
temperaturas de gases al interior de la cmara de combustin y la temperatura de gases de
escape. En este caso, las temperaturas de gases de escape del modelo A nunca alcanzaron los
valores establecidos en el modelo B, por lo que los flujos de energas resultaron ser mayores
en el modelo B.

77

Prdidas de Calor
Potencia [kW]

1850

1802

1800
1750
1700

1733
1637

1749

1723

1659

Modelo A

1650

Modelo B

1600
1550
20,5%

30,0%

95,0%

% de Oxgeno en Comburente

Figura 11-30: Resultados prdidas de Calor, Combustin con Aire

Enriquecido.
Las prdidas de calor calculadas mostraron diferencias sustanciales consistentes con
la formulacin de los modelos empleados. El modelo B, al utilizar una temperatura de gases
constante, predice una menor transferencia de calor al interior del horno al tiempo que
aumenta los flujos de energa diluidos en los gases de escape.
Por otro lado el modelo A, al utilizar distintas temperaturas de gases, predice una
mayor transferencia de calor al interior del horno y disminuye los flujos de calor diluidos en
los gases de escape.
Ambos modelos apuntan a un aumento de las prdidas de calor del horno a medida
que se aumenta el porcentaje de oxgeno presente en el comburente, lo cual es coherente con
los aumentos de temperatura y emisividad de gases esperados.
A pesar de que al llegar al 95% de enriquecimiento ambos modelos apuntan a un
consumo de 251 [Nm3/h], es probable que los resultados entregados por el modelo A sean los
ms representativos de la realidad del proceso, debido a la formulacin del modelo.
En conjunto con los resultados de consumo de combustible, se obtuvo los consumos
de oxidantes para cada una de las situaciones descritas.

78

Tabla 11-34: Consumo de Gas Natural y Oxgeno segn enriquecimiento.

% Oxgeno Gas Natural [Nm3/h] Oxgeno [Nm3/h]
20,5%
649,0
0,0
30,0%
387,7
377,6
95,0%
250,9
627,8

Con estos datos, se grafic la curva que describe el consumo de oxgeno en funcin
del ahorro de combustible deseado. Como era de esperar, la relacin result lineal.

Ahorro GN [Nm3/h]

Ahorro Consumo GN/Consumo Oxgeno

450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0

100

200

300

400

500

600

700

Consumo Oxgeno [Nm3/h]

Figura 11-31: Grfico Ahorro de Combustible en funcin del Oxgeno inyectado.

Dada la necesidad de cuantificar la cantidad de oxgeno a utilizar en cada uno de los
casos, se determin y grafic el consumo de oxgeno en funcin del porcentaje de
enriquecimiento (porcentaje de oxgeno disuelto en el comburente).

79

Consumo Oxgeno [Nm3/hr]

Consumo de Oxgeno
700
600
500
400

300
200
100
0
0%

20%

40%

60%

80%

100%

% Oxgeno en Comburente

Figura 11-32: Consumo de Oxgeno segn porcentaje de Enriquecimiento.

Los resultados obtenidos mediante la modelacin son similares a los datos obtenidos
de terreno, arrojando un porcentaje de ahorro de combustible de alrededor de un 58%, lo
cual probablemente slo pueda alcanzarse en condiciones ideales inexistentes en terreno.
Adems, se debe considerar que los clculos fueron realizados con las cotas de
fabricacin del horno, es decir, sin considerar el desgaste natural del material refractario en el
tiempo. Como es de suponer, el desgaste del material refractario producir efectos indeseados
en el horno aumentando la conductividad trmica de las paredes y, por tanto, aumentando las
prdidas de calor a travs de ellas. El sistema de combustin a disear debe contemplar este
tipo de situaciones y por tanto debe ser sobredimensionado.
Tabla 11-35: Resultados Modelo Gas Natural Oxgeno Tcnico, 50% desgaste de
cubierta refractaria.
Temperatura Gases Escape 1230C, Oxgeno Tcnico, Gas Natural
Flujo de Combustible
Potencia Ingresada
Prdidas de Calor Totales
Calor Gases Escape
Consumo Oxgeno

80

334,3 [Nm3/h]
3068,1 [kW]
2401,5 [kW]
666,5 [kW]
837,4 [Nm3/h]

Para efectos del desarrollo de ingeniera y seleccin de equipos, se considerar

sobredimensionar el consumo de Gas Natural y Oxgeno en un 50% respecto a los consumos
calculados.
Tabla 11-36: Flujos de diseo. Suministros de Gas Natural y
Oxgeno.
% Oxgeno
20,5%
30,0%
95,0%

Gas Natural Oxgeno

[Nm3/h]
[Nm3/h]
973,6
0,0
581,6
566,5
376,3
941,7

Para efectos de la evaluacin econmica, se considerar sobreestimar el consumo de

Gas Natural y Oxgeno en un 20%. Segn esto, las potencias estimadas y el consumo de gas
natural asociado seran.
Tabla 11-37: Flujos de operacin promedio estimados.
Suministros de Gas Natural y Oxgeno.
% Oxgeno Gas Natural Oxgeno
[Nm3/h]
[Nm3/h]
20,5%
778,8
0,0
30,0%
465,2
453,2
95,0%
301,1
753,4

81

12.
EVALUACIN DE COSTOS
OPERACIONALES PRELIMINAR.
El siguiente paso consisti en realizar una evaluacin econmica preliminar, con el
fin de discriminar cul de las opciones reporta mayores beneficios econmicos respecto al
ahorro de combustible.
A simple vista, surge la impresin de que la opcin ms conveniente es la de utilizar
ntegramente oxgeno tcnico dado el bajo consumo de combustible que ello produce. Sin
embargo, es necesario incluir el costo del suministro del oxgeno para realizar una evaluacin
de costos preliminar.
A pesar de que las instalaciones de Chuquicamata cuentan con tres plantas
generadoras de oxgeno, CODELCO utiliza un modelo de control basado en centros de
costos, lo que se traduce en que la fundicin de cobre debe pagar los suministros utilizados a
otras gerencias pertenecientes a CODELCO.
En el caso del oxgeno, este tiene un valor establecido de 65 USD por tonelada. Dada
la gran cantidad de energa necesaria para la obtencin del oxgeno, este valor de venta es
altamente sensible a las alteraciones en el precio comercial de la energa elctrica, por lo que
debe ser revisado peridicamente.
En el caso del Gas Natural, CODELCO tiene un contrato de suministro con la
empresa DISTRINOR S.A., perteneciente a E-CL de grupo GDF Suez. E-CL realiza
importaciones de gas natural desde todo el mundo y adems posee una planta de
regasificacin en mejillones con la cual abastecen de gas a sus plantas trmicas generadoras
de energa elctrica. Junto con esto, E-CL bajo su firma DISTRINOR es duea del
gaseoducto que alimenta a todo el complejo CODELCO Chuquicamata y Radomiro Tomic.
Contrario a lo que sucede en el sector residencial, el valor de gas natural es transado
en base a la energa consumida. Es as que el contrato actual fija un valor de 18 USD por 1
[MBTU] de gas consumido.

82

Con los valores de estos suministros, se elabor un cuadro resumen con los costos
asociados de operacin para cada uno de los escenarios estudiados con el fin de discriminar
cul de estos reporta mayores beneficios econmicos.
Tabla 12-1: Obtencin de Costos de Operacin.

% Oxgeno

Consumo
Combustible
[Nm3/h]

Consumo
Oxgeno
[Nm3/h]

Costo
Energa
[USD/h]

Costo
Oxgeno
[USD/h]

Costo total
[USD/h]

20,50%
30,00%
95,00%

778,8
465,2
301,1

0,00
453,16
753,36

USD 439
USD 262
USD 170

USD 0
USD 42
USD 70

USD 439
USD 304
USD 240

Costo Operacinal [USD/hr]

Costo Operacional
USD 500
USD 450

USD 400
USD 350

USD 300
USD 250

USD 200
0%

20%

40%

60%

80%

100%

% Oxgeno

Figura 12-1: Grfico de Costos Operacionales del Horno. Preliminar.

Los resultados obtenidos indicaron que, para estas condiciones, es econmicamente
conveniente utilizar ntegramente oxgeno tcnico ya que contribuye a disminuir el costo de
operacin del horno. Esta conclusin es vlida aun cuando no se han incluido los costos de
implementacin del manejo del oxgeno, ya que la diferencia en el costo del equipamiento
entre enriquecer el aire en un 1% o utilizar slo oxgeno tcnico es marginal.
Con estos resultados, se decidi enfocar el estudio en la implementacin de una
solucin trmica utilizando 100% Oxgeno Tcnico, desechando la idea de utilizar mezclas
de aire enriquecido.

83

13.
CRITERIOS DE DISEO: TRENES DE
VLVULAS DE SEGURIDAD Y CONTROL.
Dentro de los alcances del estudio, se estipul el diseo de los racks de seguridad y
control para los suministros de Gas Natural y Oxgeno.
Recientemente, la empresa Autoterm S.A. realiz la rehabilitacin de los trenes de
gas de los Hornos de refino andico en la nave de la fundicin Chuquicamata. Los trenes,
fueron reconstruidos en su totalidad montando equipos e instrumentacin nueva lo cual
permite la utilizacin del Gas Natural tanto en las toberas como en el quemador de culata.
Dado que estos trenes fueron reconstruidos en base a la ingeniera desarrollada por
Red Cettec a principios del 2000, se realiz una revisin en cuanto al cumplimiento de las
normas actuales y, segn eso, se consideraron modificaciones al sistema.
Por otra parte, no existen instalaciones asociadas a la seguridad y control del oxgeno
en la zona de Refino y Moldeo, por lo que el tren de oxgeno debi disearse completamente.
Para realizar la revisin y el diseo de estos sistemas, se debi revisar el marco legal,
en donde la normativa vigente dicta los estndares mnimos de seguridad que deben cumplir
este tipo de instalaciones.
Para este tipo de materias, Chile dispone del Decreto Supremo 66 del ao 2007, el
que aprueba el Reglamento de instalaciones Interiores y medidores de Gas. Este
reglamento establece los requisitos mnimos de seguridad que debern cumplir las
instalaciones interiores de gas, sean individuales o colectivas, abastecidas a travs de una red
-gas de red- o de envases a presin -cilindros- como asimismo sus medidores de gas, que sean
parte integrante de edificios colectivos o casas, de uso residencial, comercial, industrial o
pblico.
Dentro de las disposiciones generales del decreto, se expresa que la Superintendencia
de Electricidad y Combustibles es el organismo encargado de fiscalizar y supervigilar el
correcto y oportuno cumplimento del reglamento. Se estipula adems que toda nueva
instalacin o modificacin de instalaciones existentes debern ser declaradas ante el

84

organismo y, adems, stas deben ser proyectadas y ejecutadas por un instalador de Gas
autorizado por la superintendencia.
Si bien el decreto no expresa los criterios mnimos de seguridad a considerar en el
diseo de un rack de vlvulas, expresa claramente en el artculo 7 que:
En caso de uso de tecnologas diferentes a las usadas en el presente
reglamento, la Superintendencia podr aceptar la inscripcin de proyectos
que las incorporen, siempre que se mantenga el nivel mnimo de seguridad
de ste, como asimismo de instrumentacin distinta a la sealada en el
presente reglamento, siempre que presente caractersticas tcnicas similares
o superiores.
Con el propsito de avalar la seguridad de dichos proyectos, los mismos
debern estar tcnicamente respaldados en normas extranjeras pertinentes,
internacionalmente reconocidas, entre otras, AGA, ANSI, API, ASME,
ASTM, AWS, AWWA, BS, CGA, DIN, EN, ISO, JIS, NF, NFPA, UL,
UNE, UNI o por estudios especficos o tcnicos.
Es as, que para el diseo de los racks de vlvulas se utiliz la norma norteamericana
NFPA 86.

85

13.1 NFPA 86 2012 Edition.

La NFPA (National Fire Protection Association) es una organizacin creada en Estados
Unidos, encargada de crear y mantener las normas y requisitos mnimos para la prevencin
contra incendios, capacitacin, instalacin y uso de medios de proteccin contra incendios,
utilizados tanto por bomberos, como por el personal encargado de la seguridad.
Sus estndares, conocidos como National Fire Codes, recomiendan las prcticas
seguras desarrolladas por personal experto en el control de explosiones e incendios. Dado que
la tecnologa y los sistemas evolucionan con el tiempo, los cdigos son revisados y
publicados cada 3 aos, manteniendo al da los criterios de seguridad para las instalaciones.
Dentro de los cdigos, el n86 Standard for ovens and furnaces, aplica a hornos,
secadores, cmaras de post-combustin, adems de cualquier otro recinto cerrado a alta
temperatura usado para el procesamiento de materiales, junto con sus equipos asociados.
La norma, clasifica los hornos segn clase. stas son:

Clase A: Horno que cuenta con equipos para la utilizacin de calor, en donde existe
un potencial peligro de explosin o incendio que puede ser ocasionado por la
presencia de vapores inflamables o materiales combustibles procesados o calentados
en el horno.

Clase B: Horno que cuenta con equipos para la utilizacin de calor, en donde el
material calentado no corresponde a material combustible o vapores inflamables.

Clase C: Horno que cuenta con peligros potenciales debido al uso de atmsferas
especiales o inflamables para el tratamiento de materiales en proceso.

Clase D: Horno que es un recipiente a presin que opera bajo vaco durante parte o
todo el ciclo de proceso.

Bajo esta subdivisin, el horno de refino andico corresponde a un Horno Clase B.

En el captulo 6 del documento, se describen los lineamientos generales para los sistemas
de calentamiento de hornos. En resumen, el captulo especifica que:

86

El Sistema de Calentamiento de Horno incluye la fuente de calentamiento, las

tuberas asociadas, sistemas auxiliares, generadores de atmsfera y sistemas de
control.

Todos los componentes del sistema de calentamiento del horno y del sistema de
control debern estar conectados a tierra.

El captulo debe aplicarse a los sistemas de calentamiento de hornos con

combustibles gaseosos distribuidos de forma comercial tales como Gas Natural,
Gas Manufacturado, LPG en fase gaseosas y mezclas LPG/Aire. Tambin aplica
a sistemas de Quemadores duales y mixtos.

Los quemadores, las tuberas, vlvulas, elementos de control y seguridad, adems

de todos los otros componentes auxiliares debern ser seleccionados para la
aplicacin en particular, el tipo y presin de los gases combustibles a utilizar a la
temperatura de trabajo.

El diseo del sistema de combustin deber proveer aire de combustin limpio y

en la cantidad prescrita por el diseo del horno o el fabricante del quemador, para
todo el rango de operacin del quemador.

Los productos de combustin no debern ser mezclados con el aire de

combustin.

En el caso de que el aire de combustin sea suministrado de manera mecnica

(tuberas, soplador), el flujo o la presin de ste deber ser chequeado y
enclavado con las vlvulas de seguridad shut-off de manera que el paso de gas
est impedido previo al chequeo de la presencia de aire de combustin de tal
manera que si existe una falla en el aire de combustin, el suministro de gas ser
detenido.

Respecto a las vlvulas indica que:

Se deber instalar una vlvula de corte individual para aislar cada equipo del
suministro de gas.

Las

vlvulas

shut-off

manuales

debern

poseer

un

indicador

visual,

permanentemente puesto, que indique la posicin de la vlvula.

87

Las vlvulas de un cuarto de giro con manillas removibles, debern impedir la

instalacin de las manillas de manera perpendicular a la tubera cuando la vlvula se
encuentre abierta.

Las manillas debern permanecer puestas en las vlvulas, y debern estar orientadas
respecto a la vlvula de manera que:
-Vlvula Abierta cuando la manilla se encuentra paralela a la tubera.
-Vlvula Cerrada cuando la manilla se encuentra perpendicular a la tubera.

Tuberas y conexiones.

Los materiales de las tuberas de suministro de gas debern seleccionarse de acuerdo

a NFPA 54 National Fuel Gas Code.

Las tuberas debern ser dimensionadas de acuerdo al flujo y presiones requeridas de

manera que la llama permanezca estable en todo el rango de trabajo del quemador.
El cdigo exige las condiciones mnimas que deben reunir los equipos para la

operacin segura de los sistemas de combustin. Es as, que el cdigo exige los siguientes
equipos:
Tren de Vlvulas Gas Natural:

Una vlvula de corte manual para la aislacin del sistema. Esta vlvula debe ser
ubicada de tal forma, que su acceso no sea impedido en caso de fuego o explosin.

Una trampa para sedimentacin aguas abajo de la vlvula de corte manual para la
aislacin y aguas arriba del resto de los equipos.

Un filtro de Gas, aguas abajo de la trampa de sedimentacin y aguas arriba del resto
de los equipos del tren.

Una vlvula reguladora de presin, para asegurar la presin de suministro constante y

dentro del rango de operacin del quemador.

Dos vlvulas Shut-off automticas en serie, con indicacin visual de posicin para
potencias mayores a 44 [kW]. Adems, para potencias mayores a 117 [kW] al menos
una de ellas debe incorporar un switch proof-of-closure o valve proving system
que confirme elctricamente el cierre de la vlvula.

88

Las vlvulas de control de flujo estn permitidas.

Figura 13-1: Tipo de Vlvula Shut-Off segn potencia de trabajo(12).

El cdigo tambin especifica las consideraciones bsicas de diseo para las lneas de
oxgeno. Estas son:

El diseo, materiales de construccin, instalacin y pruebas de las caeras de

suministro de oxgeno debern realizarse conforme a las secciones aplicables del
cdigo ASME B31.3 Process Piping.

Se debe considerar una vlvula de corte manual para la aislacin del tren, de manera
que permita detener el suministro de oxgeno en caso de emergencia. Esta vlvula
debe ser ubicada de tal forma, que su acceso no sea impedido en caso de fuego o
explosin.

El oxgeno no debe mezclarse con ningn tipo de combustible, an en las lneas de

venteo.

El diseo debe evitar las posibles mezclas que puedan ocurrir entre oxgeno y
combustible debido a fugas en vlvulas, conexionado de lneas, o fallas de sistema.

La norma indica tambin los equipos para cumplir con las condiciones mnimas de
seguridad establecidas en el manejo del oxgeno, estos son:
Tren de vlvulas Oxgeno.

Filtro de malla fina para Oxgeno.

Doble vlvula Shut-off automtica en serie con indicador visual de posicin para
potencias mayores a 44 [kW].

Presstato de alta presin, instalado aguas abajo del ltimo regulador de presin,
conectado al circuito de seguridad del sistema.

Presstato de baja presin, conectado al circuito de seguridad del sistema.

Las vlvulas de control de flujo estn permitidas.

89

En el caso de los quemadores, stos deben cumplir requerimientos especficos para reunir
las condiciones mnimas de seguridad exigidas.
Quemadores:

Los quemadores debern mantener la estabilidad de la llama, sin episodios de

retroceso de llama (flashback), para todo el rango de trabajo del quemador.

Los quemadores debern ser utilizados slo para el combustible para el cual fueron
diseados.

Todas las presiones requeridas para la operacin de los sistemas de combustin

debern ser mantenidas dentro de los rangos establecidos.

Los quemadores debern poseer una fuente de ignicin dimensionada y localizada en

una posicin que asegure la ignicin del piloto o llama principal dentro del tiempo de
encendido programado.

Los pilotos deben ser considerados como quemadores, y por tanto, todas las
precauciones del captulo 6 deben ser tomadas.

Para cmaras de combustin con temperaturas menores a 760C, se debe

implementar un sistema de supervisin de llama.

Figura 13-2: Esquema tpico de instalacin de vlvulas Shut-Off en un tren de

Vlvulas(12).

90

13.2 EIGA IGC Doc13/12/E Oxygen Pipeline And

Piping Systems.
EIGA (European Industrial Gases Association) es una organizacin de seguridad y
orientacin tcnica que representa una gran cantidad de empresas europeas y no europeas que
producen y distribuyen gases para servicios industriales, mdicos y de alimentacin.
Las empresas miembros cooperan estrechamente en materia de seguridad y tcnicas
relativas a la produccin, transporte, almacenamiento y manejo para lograr el ms alto nivel
de seguridad y cuidado del medio ambiente en el manejo de los gases. EIGA tambin inicia el
desarrollo de normas adecuadas y proporciona medios de normalizacin con experticia
tecnolgica.
EIGA coopera plenamente con todas las Asociaciones Nacionales de Gas y las
Asociaciones regionales de gas industriales de todo el mundo, como AIGA (Singapur),
ANZIGA (Australia / Nueva Zelanda), CGA (EE.UU.), JIMGA (Japn), SACGA
(Sudfrica), que a su vez son todos los miembros asociados a EIGA.
En el documento IGC (International Gas Code) Doc 13/12/E, se establecen las normas
para el diseo y construccin de lneas y sistemas de distribucin de Oxgeno.
El alcance de este documento es para las tuberas metlicas de oxgeno, sistemas de
tuberas de distribucin y tuberas de oxgeno gaseoso en una planta de separacin de aire
exterior a la caja fra. Est limitado al oxgeno gaseoso con un rango de temperatura de entre
-30C y 200C, presiones de hasta 21 [MPa] y un punto de roco de -30C o menores
dependiendo de las condiciones locales.
El diseo de un sistema de tuberas depende de varios factores que pueden influir entre s.
El documento detalla los riesgos asociados con los sistemas de oxgeno y la manera en cual
stos pueden reducirse al mnimo mediante un buen diseo de ingeniera.
Los riesgos y peligros inherentes a la manipulacin del oxgeno se pueden ilustrar con
eficacia a travs del tringulo de fuego, cual muestra los tres elementos principales para que
ocurra un incendio: Un oxidante, un combustible y una fuente de ignicin.

91

Figura 13-3: Tringulo de Fuego para Oxgeno.

En un sistema de oxgeno, el oxgeno en s es el oxidante y el peligro de incendio del
sistema aumenta con el incremento de la concentracin, la presin, temperatura y caudal. Los
combustibles corresponden a los materiales de construccin (metales y no-metales) o
contaminantes potenciales como partculas, aceites o grasas. Las fuentes de ignicin comunes
a los sistemas de oxgeno incluyen el impacto de partculas, calefaccin, compresin,
calentamiento por friccin, y algunos ms que se detallarn ms adelante.
Dado que cada etapa del tringulo de fuego est presente en un sistema de oxgeno a
un cierto grado en todo momento, un diseo compatible con oxgeno es generalmente aquel
que minimiza la gravedad de cada lado del tringulo de fuego a un nivel tolerable. Por
ejemplo, minimizar los riesgos de incendio podra incluir la reduccin de la presin de
oxgeno, temperatura o concentracin segn sea factible. Reducir al mnimo los riesgos
asociados a los combustibles podra incluir asegurar aleaciones resistentes al fuego que se
utilizan en lugares donde existen mecanismos de ignicin activos.
Reducir al mnimo la severidad de los mecanismos de ignicin podra incluir el
servicio de limpieza qumica para reducir el impacto de las partculas junto con el peligro de
combustin que conlleva la presencia de aceites y grasas, la eliminacin de la compresin
adiabtica, y otros mecanismos.
El documento destaca los principales potenciales mecanismos de ignicin.

92

Tabla 13-1: Tipos de mecanismos de Ignicin en equipos para servicio en lneas de

Oxgeno.(13)
Mecanismos de
Ignicin

Impacto de
Partculas

Compresin
Adiabtica

Condiciones

Friccin
Mecnica

Impacto
Mecnico

Ignicin
Trmica

Arco Elctrico

Factores Contribuyentes

Presencia de Partculas.
Altas Velocidades.
Puntos de Impacto.

Presurizacin a alta
velocidad.
2 o ms superficies en
contacto.
Movimiento relativo.
Carga Mecnica.
Superficies agripadas.
Impactos de cargas
repetitivas.
Impacto entre metales y
no metales.

Densidad, cantidad y
composicin de partculas
presentes.
Punto de impacto en el
patrn de flujo
Alta cada de presin.
Vlvulas de Apertura
rpida.
Volumen de gas
Presurizado.
Alta velocidad y/o carga en
superficies rugosas.
Altas velocidades
rotacionales, vibraciones.

Fuente de calor.
Temperatura de ignicin
de material contaminante.

Materiales Porosos.
Vlvulas de cierre rpido.
Vlvulas check o de
alivio.
Flama Abierta.
Humo.
Chispas.
Fuente de Calor.

Fuente de poder elctrica.

Circuitos sin tierra

Corto-circuito.

Las medidas de control para prevenir los mecanismos de ignicin, adems de los
descritos en el cuadro, son:

Limpieza qumica del sistema de tuberas y equipos.

Uso de metales resistentes al fuego.

Uso de no-metales compatibles.

La temperatura de trabajo para el servicio de oxgeno se encuentra limitada. La norma

estipula que las temperaturas mximas son funcin del material del sistema de tuberas:

150C para tuberas de acero carbono.

200C para tuberas de acero inoxidable.

93

Adems, para el dimensionamiento del sistema y la seleccin de materiales, se introduce

el concepto de Impacto y los criterios de Presin de Exencin y Velocidad de Impacto, los
cuales se encuentran detallados en el documento.

13.2.1 Impacto
El choque o impacto se produce cuando la corriente del flujo cambia de direccin
bruscamente o cuando la presencia de remolinos conduce al impacto de las partculas con las
paredes del sistema. Los sitios de impacto de tubera incluyen:

Ts.

Derivaciones

tales

como

ramales

fabricados,

weldolets,

sockolets

threadolets.

Difusores de perforaciones mltiples y en el cuerpo circundante.

Codos de radio corto (Radio de curvatura < 1,5 D).

Reducciones roscadas y de soquete.

Reducciones (excntricas y concntricas) con relaciones mayores a 3/1 en

entrada/salida.

Codos inglete (ngulo de corte de inglete de ms de 20).

Tuberas aguas abajo de una vlvula de reductora de presin, hasta una longitud de 8
dimetros de tubera.

Vlvulas.

Filtros cnicos y tipo Y.

Platos orificios.

Silenciadores.

Vainas.

13.2.2 Presin de Exencin.

La presin de exencin es la presin mxima a la que un material no est sujeto a
limitaciones de velocidad en atmsferas ricas en oxgeno donde puede ocurrir un choque de
partculas. A presiones por debajo de la presin de exencin, la posibilidad de que se
produzca la ignicin y propagacin del fuego se considera poco probable sobre la base de
mecanismos de ignicin enumerados antes. Las presiones de exencin de las aleaciones

94

enumeradas se basan en la experiencia de la industria y en las condiciones utilizadas para la

prueba de ignicin de combustin segn ASTM G124: Mtodo de prueba para determinar el
comportamiento de la combustin de los materiales de ingeniera en atmsferas con oxgeno
enriquecido.
Tabla 13-2: Tabla de Presiones de Exencin y espesores mnimos. EIGA IGC
Doc13/12/E.(13)

13.2.3 Velocidad de Impacto

La curva de velocidad de impacto se utiliza para el diseo y seleccin de materiales
de nuevas tuberas, vlvulas, equipos y sistemas de tuberas conexos que puedan existir sitios
de impacto. El diseador debe elegir los metales de acuerdo con la curva de velocidad de
choque y sus presiones de exencin. Por debajo de su presin de exencin, cualquier metal
puede ser utilizado sin limitacin de velocidad. Para presiones de trabajo por encima de la

95

presin de exencin, el diseador debe comprobar que la velocidad se mantiene por debajo de
la curva de velocidad de impacto.
Para velocidades por debajo de la curva de velocidad de impacto, es posible utilizar
acero al carbono, acero inoxidable y otros materiales apropiados. Por encima de la curva de
velocidad de impacto, slo se podrn utilizar materiales exentos o se debern tomar medidas
alternativas para mitigar el riesgo.
Los sistemas de tuberas son generalmente hechas de acero al carbono y por lo tanto
es necesario limitar la velocidad del gas a un valor por debajo de la curva de velocidad de
choque. Otras consideraciones tambin pueden dictar velocidades inferiores, tales como cada
de presin, efecto tampn gaseoso, reduccin de ruido, vibraciones, y la necesidad de limitar
la energa cintica.

Figura 13-4: Velocidad de Impacto en funcin de la presin de servicio.(13)

96

14.

SELECCIN DE EQUIPOS.

14.1 Quemador.
La especificacin del quemador es el punto de partida para el dimensionamiento del
sistema y seleccin de los equipos que compondrn los trenes de suministro. Las curvas
caractersticas del quemador y la potencia deseada, condicionarn las presiones necesarias de
los suministros a la salida de cada uno de los racks de suministros.
Con los parmetros de combustin ya definidos, tales como el tipo de combustible, la
potencia, el tipo de oxidante y su flujo, fue posible especificar un quemador acorde a las
necesidades del proyecto.
Parmetros de Combustin Establecidos.

Combustible: Gas Natural

Potencia: 3000 [kW] ~10,2 [MBTU]

Comburente: Oxgeno tcnico.

Flujo Oxidante: 980 [Nm3/h]

El quemador especificado pertenece a la marca Maxon Corp. una empresa Honeywell

que data de 1916. Maxon posee soluciones integrales para quemadores industriales y equipos
de combustin que incluyen quemadores de Gas, quemadores de Petrleo, Vlvulas Shut-off
y Vlvulas de control de flujo.
Oxy-Therm LE Natural Gas Burner, Series 1200.

Potencia: 1465 a 4400 [kW]; 5 15 [MBTU]

Turndown: 5:1

97

Tabla 14-1: Informacin Tpica del Quemador. Maxon Corp.

Segn las especificaciones tcnicas, para la potencia requerida, la llama tendra un

dimetro aproximado de 920 [mm] y un largo terico de entre 4896 [mm] y 7632 [mm]. El
largo de esta llama (alrededor de un 60% del largo total del horno) resulta adecuado bajo el
criterio de distribuir de mejor manera la radiacin de la llama, evitando focos que pudiesen
producir aumentos de temperatura localizados y daos en la cubierta refractaria.
Dentro de las especificaciones del quemador, se encuentran las curvas caractersticas
del quemador. Desde estos grficos es posible determinar las presiones de los suministros
para la potencia requerida.
En este caso, la presin de suministro de oxgeno requerida para 980 [Nm3/h]
corresponde a 30 [mbar].

98

Figura 14-1: Grfico de Presin de suministro de Oxgeno en Funcin del Caudal de

Oxgeno Requerido. Maxon Corp.

La presin de suministro del Gas Natural oscila entre 34 y 552 [mbar] dependiendo
de la potencia deseada. Para esta aplicacin, la presin de suministro de Gas Natural es de
alrededor de 350 [mbar] ~ 5 [psi.g].

99

Tabla 14-2: Gua para la Designacin del Quemador. Maxon Corp.

La especificacin del quemador se realiz siguiendo las instrucciones del catlogo.

Segn esto:

La serie del quemador corresponde a 1200.

Tamao 00: Slo para Gas Natural.
Combustible: Gas Natural.
Block: Almina
Piloto: No.

Dado lo anterior, la designacin del quemador resulta en: OTLE1200-NAO.

100

14.2 Tren de Vlvulas, seguridad y control Gas Natural.

Dado que el tren de gas natural existe, es nuevo, y se encuentra totalmente operativo, se
decidi realizar ligeras modificaciones que permitiesen su uso para las nuevas condiciones de
operacin. Adems, la conservacin del tren de gas natural aporta flexibilidad al sistema de
combustin del horno, ya que en caso de existir problemas con el suministro de oxgeno u
otro problema de fuerza mayor, bastara solamente con revertir los cambios propuestos para
volver a posibilitar el uso de un quemador convencional (aire-gas).

Figura 14-2: Tren de vlvulas de seguridad. Horno Refino Fundicin

Chuquicamata.

14.2.1 Vlvula de Control.

El rack de gas natural est diseado para un flujo nominal del 650 [Nm3/h] de gas
natural, con una presin de suministro de 75 [psi.g] a la entrada del rack, una vlvula
reguladora de presin intermedia que reduce la presin a 30 [psi.g] para luego obtener una
presin de 8 [psi.g] a la salida de la vlvula de control.
Dado que el nuevo quemador requiere una presin de 5[psi.g] y un flujo de
combustible mucho menor, fue necesario especificar una nueva vlvula de control para estas
condiciones que fuese compatible con el sistema de tuberas instalado.

101

14.2.2 Criterio de seleccin general de vlvulas de control.

Por lo general, las vlvulas de control se especifican de acuerdo a los siguientes aspectos:

Los valores normales y lmites de presin que soporta el cuerpo de la vlvula.

Dimensionamiento y capacidad de flujo.

Caracterstica del flujo y rango.

Lmites de temperatura.

Cada de presin.

Requerimientos de las conexiones de la vlvula al sistema de tuberas.

Compatibilidad del material con la aplicacin y durabilidad.

Costo y Vida til.

Generalmente los proveedores suministran al usuario tablas para la seleccin de vlvulas

en funcin de la aplicacin requerida. En el caso del proveedor Masoneilan, ste entrega un
software con el cual es posible dimensionar la vlvula requerida.

14.2.3 Caractersticas de Flujo.

Un criterio importante en la seleccin de las vlvulas es la caracterstica de flujo que
define la relacin caudal-apertura de la vlvula de control cuando la cada de presin a travs
del equipo se mantiene constante. En forma equivalente, la caracterstica de flujo inherente es
la relacin entre el coeficiente de Flujo CV y la apertura.
Las caractersticas de flujo tpicas son: Lineal, Igual porcentaje, Parablica y apertura
rpida.
La eleccin de la caracterstica de flujo tiene influencia en la estabilidad y capacidad
de control debido a la influencia de la ganancia del cuerpo de la vlvula en la ganancia global
del sistema de control, es decir una pequea variacin en el sistema de control puede producir
grandes variaciones en el flujo o variaciones casi imperceptibles dependiendo de la
caracterstica de flujo de la vlvula. La siguiente figura muestra las distintas caractersticas de
flujo de las vlvulas comerciales.

102

Figura 14-3: Caracterstica de Flujo segn tipo de apertura. Vlvula de Control. (14)

En la tabla siguiente se describen algunas recomendaciones para la seleccin de la

caracterstica de flujo inherente de acuerdo a la variable que se desea controlar y al fluido.

Tabla 14-3: Tipos de Flujo en Vlvulas de control recomendados segn aplicacin (14).
Procesos de Control
de Flujo

Mejor Caracterstica Inherente

Ubicacin de la vlvula
de control en relacin
a la medicin de flujo

Amplio Rango de Flujo

Proporcional al Flujo

En serie.
En paralelo

Lineal
Lineal

Igual Porcentaje
Igual Porcentaje

Proporcional al
cuadrado del Flujo

En serie.
En paralelo.

Lineal
Igual Porcentaje

Igual Porcentaje
Igual Porcentaje

Seal de Medicin
de Flujo

Bajo rango de flujo,

Amplio P

103

14.2.4 Dimensionamiento de vlvulas de control.

Una vez seleccionado el tipo de vlvula teniendo en cuenta los aspectos anteriores se
debe realizar el dimensionamiento.
La ecuacin general de flujo de una vlvula de control se obtuvo mediante la
ecuacin de Bernoulli con correcciones experimentales.

Donde:
= Caudal
=Coeficiente de dimensionamiento de la vlvula.
= Cada de presin (Presin aguas arriba menos Presin aguas abajo).
= Densidad relativa.
Dimensionar una vlvula significa determinar el dimetro del orificio de manera que
cuando deba circular el caudal normal mnimo y el normal mximo las aperturas se
encuentren en el tramo intermedio de su carrera (entre el 30% y el 70%). La capacidad de
apertura ser del 100% para el caudal mximo. Con estas condiciones de clculo se aseguran
la capacidad de regulacin y rangos adecuados.
Para fijar el salto de presin requerido en la vlvula de control, existen dos situaciones:
a) La vlvula se instalar en una lnea de presin existente. Utilizando el teorema de
Bernoulli se puede conocer la distribucin de presiones en la lnea donde se montar
la vlvula. Se deben considerar las prdidas en equipos y accesorios.
b) La vlvula se especificar para una lnea nueva, en la que se deben especificar
todos los sistemas. Un criterio heurstico propone que se establezca el 50% de la
cada de presin en la lnea sin vlvula.
En este caso, para especificar una nueva vlvula de control, se utiliz el software
ValSpeQ de Masoneilan. La metodologa de trabajo consiste en especificar una vlvula

104

candidata e introducir los parmetros de trabajo. Posteriormente se realiza el clculo y se

revisa que los parmetros se encuentren dentro de lo permisivo.

Fluido:

Gas Natural.

Flujo Mnimo:

200 [Nm3/h]

Flujo Nominal:

390 [Nm3/h]

Flujo Mximo

500 [Nm3/h]

Presin de entrada:

30 [psi.g]

Presin de salida:

5 [psi.g]

La vlvula candidata ingresada al sistema, corresponde a una Masoneilan Camflex II, de

1,5 de dimetro con CV=13,2. Los resultados entregados por el software se muestran a
continuacin.

Figura 14-4: Memoria de Clculo Vlvula de Control Gas Natural.

105

De acuerdo a los resultados entregados por el software, la vlvula candidata es

apropiada para las nuevas condiciones de trabajo. Para los flujos ingresados, el porcentaje de
apertura vara de entre 37,46% a 84,47%, es decir, dentro de los rangos recomendados.

Figura 14-5: Vlvula de Control Masoneilan Camflex II.

Finalmente, la especificacin de la vlvula corresponde a:
Marca:

Masoneilan

Serie:

35002 Camflex II

Tipo:

Rotary Control Valve, Linear.

Dimetro:

1 , Unin por flanges ANSI Clase 150 (260 Psi max. @93C)

Material:

Acero Carbono

Material asiento:

Metlico

Dimetro Orificio:

19,1 [mm]

CV Nominal:

13,2

Denominacin:

35-35212

106

14.3 Tren de vlvulas, seguridad y control Oxgeno.

El dimensionamiento del tren de seguridad y control para el suministro del oxgeno,
comenz definiendo el dimetro y material de las tuberas a utilizar.

14.3.1 Especificacin de Tuberas.

Econmicamente, el uso de tuberas de acero carbono es ideal dado el bajo costo de
stas en comparacin con las aleaciones de acero inoxidable. Sin embargo, la posibilidad de
utilizar tuberas de acero carbono pasa necesariamente por utilizar el criterio de Velocidad de
Impacto y, de esa forma, determinar el dimetro adecuado.
El flujo de oxgeno nominal es de 970 [Nm3/h], con una presin de suministro de 1,8
[bar] como mnimo y una temperatura media de 20C. Con estos datos se determin el flujo
real de oxgeno:
[

La presin mxima del suministro de oxgeno antes de llegar al tren de vlvulas es de

3,2 [bar], lo que se traduce a una presin absoluta de 0,421 [MPa]. Con ese valor se revis el
grfico de Velocidad de Impacto para obtener la velocidad mxima de diseo.

Figura 14-6: Velocidad de Impacto para presin de servicio de 0,4 [MPa].

107

Del grfico se obtuvo una velocidad mxima de 30 [m/s].

Posteriormente, se iter en busca del dimetro de tubera de acero carbono que
cumpliese con el criterio de velocidad establecido.
Tabla 14-4: Dimensiones Nominales de Caeras. Detalle NPS 3.

[ ]
(

Segn esto, el dimetro correcto para la utilizacin de Acero Carbono corresponde a

3 Schedule 40.
El paso siguiente, fue especificar los equipos ms importantes que componen el rack de
seguridad y control de oxgeno, tales como:

Reguladores de Presin

Vlvulas Shut-Off

Vlvula de control.

La instrumentacin asociada tales como presstatos, medidores de flujo, sensores y

transmisores de presin, sensores y transmisores de temperatura y PLC no forman parte del
alcance de este estudio y por tanto no sern especificados.

108

14.3.2 Vlvula Reguladora de Presin.

Es conocido que el suministro de oxgeno, proveniente desde la planta generadora,
sufre algunas oscilaciones respecto a la presin nominal de trabajo. Esto se debe en gran
medida a los distintos puntos de consumo dentro de la fundicin.
Las presiones de trabajo conocidas son:

Presin mnima: 1,8 [bar.g] ~ 25 [psi.g]

Presin Nominal: 2,2 [bar.g] ~ 30 [psi.g]

Presin Mxima: 3,2 [bar.g] ~ 45 [psi.g]

Como se determin anteriormente, el quemador propuesto requiere una presin de 30

[mbar.g] (~ 0,5 [psi.g]) en la alimentacin del oxgeno para alcanzar el flujo requerido.
Este requerimiento, fija la presin requerida a la salida del rack de control, mientras que
las presiones de suministro fijan las condiciones a la entrada.
Dada la cada de presin requerida en el rack (44,5 [psi.g] como mximo) fue
necesario especificar una vlvula reguladora de presin que elimine las oscilaciones de
presin en el rack y con ello los efectos indeseados que puedan suceder sobre el control
del flujo.
El proveedor seleccionado para este tipo de vlvulas, corresponde a las vlvulas
Fisher de Emerson Process Management. Emerson, posee un catlogo en lnea desde el
cual es posible elegir un modelo de vlvula que cumpla con las especificaciones bsicas
deseadas, tales como fluido de servicio y presin de salida. En este caso, la exigencia ms
relevante fue la de especificar una vlvula compatible con el servicio de oxgeno.

109

Tabla 14-5: Gua para la seleccin de vlvula regulador Fisher, segn presin de
trabajo y aplicacin. Catlogo Fisher.

Del catlogo se desprendi que la vlvula adecuada para la operacin, corresponde a

la serie 1098-EGR.

110

Figura 14-7: Vlvula reguladora de Presin Fisher. Boletn Tcnico.

La vlvula serie 1098-EGR puede ser suministrada en acero inoxidable para servicio de
oxgeno, tolera una presin mxima de servicio de 400 [psi.g] a la entrada y, adems, puede
regular la presin de salida en un rango que oscila entre 14 de columna de agua y 300
[psi.g].
La especificacin de la vlvula reguladora se basa en 3 aspectos fundamentales:

Material constructivo.

Especificacin del resorte para la regulacin de presin.

Seleccin del dimetro adecuado en funcin del caudal requerido.

La seleccin del dimetro adecuado pudo hacerse consultando el documento de

especificaciones tcnicas de la vlvula. El documento entrega los valores de caudales para
Gas Natural en miles de SCHF (Pies cbicos estndar por hora) o miles de [Nm3/h]. Dado
que existe la posibilidad de utilizar la vlvula para el servicio en otro tipo de fluido, el

111

documento explica la forma de transformar los valores de la tabla en funcin del fluido
deseado.
La metodologa para transformar los valores al servicio con oxgeno, se trata de
multiplicar los valores de la tabla por 0,775 y dividirlos por el cuadrado de la gravedad
especfica del fluido deseado.

Gravedad especfica del Oxgeno: 1,1095

Para ingresar a la tabla, se utiliz la presin de oxgeno mnima con el fin de satisfacer el
caudal nominal de oxgeno en la condicin ms desfavorable.
Tabla 14-6: Capacidades de Flujo. Vlvula Reguladora.

Al realizar la conversin se obtuvo:

[

Por tanto, la vlvula reguladora de presin en 2 satisface el caudal nominal de

oxgeno requerido.

112

La seleccin del resorte adecuado se realiz en funcin de la presin de salida

deseada. La presin fue fijada en 15 [psi.g] de manera de cumplir con los criterios heursticos
para la posterior seleccin de la vlvula de control.
Tabla 14-7: Seleccin de Resorte Adecuado.

La seleccin del diafragma est ligada directamente a la temperatura de operacin de

la vlvula. En este caso se seleccion Nitrilo (NBR) el cual tiene una capacidad de operacin
de entre -29C a 82C.
Finalmente, tanto el cuerpo de la vlvula como el asiento y el plug fueron
seleccionados de acero inoxidable debido la atmsfera corrosiva que genera la operacin con
oxgeno.

14.3.3 Vlvula de Control.

La especificacin de la vlvula de control para el servicio de oxgeno es similar a lo
realizado anteriormente con la vlvula de control del tren de Gas Natural.
Los requerimientos para esta vlvula de control son:

Flujo Mnimo: 500 [Nm3/h].

Flujo Nominal: 980 [Nm3/h].

Flujo Mximo: 1250 [Nm3/h].

Presin entrada: 15 [psi.g].

Presin de salida: 0,5 [psi.g]

Adems, la vlvula debe ser resistente para el ambiente corrosivo que conlleva el servicio
de oxgeno por lo que se preferir la construccin del plug y asiento en acero inoxidable.
Para la especificacin, se utiliz el software Masoneilan ValSpeQ y se utiliz como
candidata una vlvula de la serie 35002 Camflex II.

113

Figura 14-8: Memoria de Clculo Vlvula de Control para Oxgeno.

Programa ValSpeQ.
Los resultados arrojados por el software, indican que una vlvula de la serie 35002,
con cuerpo de acero Inoxidable 316L, dimetro de 3 y con CV nominal 81, es apropiada
para el servicio.
Segn lo anterior, la especificacin de la vlvula es:
Marca:

Masoneilan

Serie:

35002 Camflex II

Tipo:

Rotary Control Valve, Linear.

Dimetro:

3, Unin por flanges ANSI Clase 150 (260 Psi max. @93C)

Material:

Acero Inoxidable (316L)

Material asiento:

Acero Inoxidable (316L)

Dimetro Orificio:

47,6 [mm]

CV Nominal:

81

Denominacin:

35-35212

114

14.3.4 Vlvulas Shut-Off.

Finalmente, se especificaron las vlvulas shut-off necesarias para el servicio de
oxgeno.
Las vlvulas Shut-off corresponden a vlvulas de cierre de seguridad automticas
de emergencia, son de carcter normal cerradas de activacin por solenoide y diseadas para
asegurar el corte total del suministro del fluido en caso de emergencia o de fallas en el
sistema. En caso de cierre, la apertura de la vlvula puede realizarse de forma manual
(palanca), electro-mecnica (solenoide) o electro-neumtica (solenoide y actuador)
dependiendo del diseo de la vlvula.
En el caso de disparo de las vlvulas con apertura manual, un solenoide libera
rpidamente el resorte que cierra la vlvula por medio del vstago, el flujo se detiene
rpidamente y un indicador visual (y/o switch) advierte al operador que el circuito elctrico
se ha abierto por un fallo en algn lugar del sistema. Cuando el fallo del sistema se ha
corregido de manera que el circuito se cierra de nuevo, es posible abrir la vlvula por medio
de la accin de la palanca de mano. Sin embargo, si el fallo del sistema no ha sido corregido
satisfactoriamente, el circuito permanecer abierto y la vlvula permanecer cerrada an
incluso despus de mover la palanca, debido a que el vstago de la vlvula permanece
desacoplado de la palanca.

115

Figura 14-9: Detalles constructivos. Vlvula Shut-Off Maxon.

En el caso de las vlvulas electro-mecnicas, el mecanismo de disparo es idntico al
de las vlvulas con apertura manual. La diferencia radica en que la apertura de la vlvula se
realiza por medio del solenoide, es decir, electro-mecnicamente.
Las vlvulas Shut-off electro-neumticas se diferencian en la fuente de energa que
mantiene el resorte comprimido, y por tanto, la vlvula abierta. En ellas, una pequea electrovlvula piloto utiliza la presin del Aire de Instrumentacin para mantener el resorte
comprimido por medio de un actuador neumtico. En caso de falla, la electrovlvula piloto
detiene el suministro de aire y la vlvula cierra.
Una vlvula Shut-Off de debe ser a prueba de fallos y debe cerrar caso de que se
detecte cualquier tipo de falla o parmetro anormal en algn elemento del sistema de control.
Segn la norma NFPA 86 las vlvulas shut-off de oxgeno, para potencias superiores
a 44 [kW], deben estar dotadas de una indicacin visual acerca de su estado.

116

La serie 8000 de Maxon, corresponde a vlvulas Shut-Off electro-neumticas, con

hasta 100.000 ciclos de trabajo antes de la primera falla. Las vlvulas Shut-off Maxon son
reconocidas en la industria por sus asientos metal-metal de bajo desgaste que proveen un
cierre hermtico.

Figura 14-10: Vlvula Shut-Off Maxon Serie 8000.

La serie 8000 es compatible con el servicio de oxgeno, y dentro de las
especificaciones tcnicas se incluye la tabla siguiente con los materiales recomendados para
el servicio.

117

Tabla 14-8: Materiales Sugeridos en funcin del fluido de servicio.

118

Los cdigos de opciones para materiales corresponden a la imagen siguiente:

Tabla 14-9: Gua para la Designacin y Materiales. Vlvula Shut-Off.

119

Tabla 14-10: Detalle Materiales Constructivos. Vlvula Shut-Off.

El tamao de la vlvula se selecciona de acuerdo a las prdidas de carga que genera y

al sistema de caeras especificado. Un criterio heurstico para la seleccin del dimetro, es
que la cada de presin en la vlvula shut-off no sea mayor al 10% de la presin de entrada.
Adems, en este caso, se requiere que la vlvula sea conectada por medio de flanges norma
ANSI Clase 150.
El coeficiente de flujo inherente de la vlvula, las opciones de conexin, los
materiales de construccin y la presin mxima de operacin, vienen dados por la tabla a
continuacin.

120

Tabla 14-11: Tamaos de Vlvulas Shut-Off y Caractersticas.

Utilizando el software ValSpeQ, se determin que una vlvula de dimetro nominal 3

[in] para el servicio de oxgeno requerido, con caudales entre [500 Nm3/h] y 1250 [Nm3/h],
con CV nominal de 423, genera prdidas de presin de 0,1 [psi.g] como mximo, resultando
ideal para las condiciones de diseo.

121

Figura 14-11: Memoria de Clculo prdidas de carga. Vlvula Shut-Off

Oxgeno.
Adems, se debi especificar el tipo de proteccin elctrica y contra explosin
requerido.

14.3.4.1

reas Peligrosas (Hazardous Areas).

El Cdigo Elctrico Nacional de EE.UU. (NEC) define zonas peligrosas como las
reas donde el fuego o explosin pueden existir debido a los gases o vapores inflamables,
lquidos inflamables, polvo combustible o fibras inflamables o partculas.
Una parte sustancial de la NEC est dedicado a la discusin de los lugares peligrosos.
Eso es porque el equipo elctrico puede convertirse en una fuente de ignicin en estas zonas
inestables. Los autores de la NEC desarrollaron un mtodo abreviado para la descripcin de
lugares considerados peligrosos. Los lugares peligrosos se clasifican en tres formas: tipo,
condicin, y la naturaleza.
La siguiente tabla resume las diferentes ubicaciones peligrosas (clasificadas).

122

Tabla 14-12: Clases, Grupos y Divisiones de reas Peligrosas. NEC.

En este caso, el rea de trabajo de la vlvula corresponde a la Clase I (Combustibles)

Divisin 2.
Finalmente, el cdigo de denominacin de las vlvulas Shut-off requeridas para el
servicio corresponde a:
300C8012-BC25-G0B52.

123

15.

P&ID.

Un diagrama de tuberas e instrumentacin (DTI), ms conocido por su nombre en ingls

piping and instrumentation diagram (P&ID) es un diagrama que muestra el flujo de proceso
en las tuberas y equipos instalados.
Un P&ID est definido como:

Un diagrama que muestra la interconexin de los equipos del proceso e

instrumentos utilizados para controlar el proceso. Generalmente, los smbolos
estn basados en la norma ISA S5.1 de la International Society of
Automation.

El principal esquema utilizado para la instalacin de un proceso de control del

sistema.

El P&ID desempea un papel relevante en el entendimiento y modificacin de los

procesos que describen. Es fundamental para representar la secuencia fsica de los equipos as
como su sistema de interconexin.
En el desarrollo, el esquema propone la base del diseo del sistema de control, lo que
permite realizar un estudio detallado de los peligros en la operacin.
Debido a los alcances de este trabajo, el P&ID estar mayormente enfocado a la
disposicin fsica de los equipos principales de control, de acuerdo a los criterios de las
normas anteriormente expuestas.
El P&ID del sistema se encuentra en el Anexo B de este documento.

124

16.
ANLISIS ECONMICO DEL
PROYECTO.
Dentro de los alcances de este trabajo, se incluy tambin el anlisis econmico del
proyecto.
Dado que CODELCO Divisin Chuquicamata suele subcontratar este tipo de proyectos,
el costo de Inversin inherente a este proyecto no corresponde solamente al costo de los
equipos, sino que tambin debi considerarse el costo de los servicios de ingeniera bsica y
de detalles, la fabricacin de los trenes de vlvulas de los suministros, los servicios asociados
al montaje de los sistemas, la configuracin y puesta en marcha de los equipos, y finalmente
la capacitacin a nivel de operadores.
Debido a que los valores econmicos de venta de equipos, ingeniera y servicios
corresponden a informacin de carcter sensible, se procedi a realizar los clculos con un
costo global estimado, procedente de proyectos con alcances similares ejecutados en la
fundicin Chuquicamata.
Tabla 16-1: Servicios Considerados en el Costo del Proyecto.
Item
1
2
3
4
5
6

Descripcin
Suministro de Equipos e Instrumentos
Suministro Quemador Oxi-Gas
HH Ingeniera de Detalles
Fabricacin Pipe Racks
HH Asesora de Montaje, Puesta en Marcha y Capacitacin
Montaje de Sistemas (Por Terceros)
Costo Total:

USD 430.000

El siguiente paso consisti en el clculo de los indicadores econmicos adecuados,

que permitiesen comparar econmicamente la implementacin del proyecto respecto a la
operacin convencional.
Dado que no existen ingresos econmicos reales en este proyecto, es posible realizar
un anlisis detallando los egresos de cada una de las opciones, seguido de un anlisis del
Costo Anual Equivalente.

125

Los parmetros relevantes para el estudio, corresponden al precio de los combustibles

(Fuel Oil #6, Gas Natural), el precio del Oxgeno, y el porcentaje de uso anual del quemador
de culata del horno.

Precio Gas Natural:

18 [USD/MBTU]

Precio Oxgeno:

65 [USD/Ton]

Precio Fuel Oil 6#:

687 [USD/m3]

En este caso, se consider que los precios de los suministros (combustibles y oxidantes)
se mantendrn sin variacin durante el horizonte de evaluacin del proyecto (5 aos).
Para obtener el porcentaje de uso anual del quemador de culata, se procedi a calcular las
horas de trabajo respecto al consumo nominal y el consumo total de Fuel Oil # 6 del ao
2012.

Consumo ao 2012:

2.082.876.1 [l]

Consumo Nominal:

360 [l/h]

Horas de funcionamiento estimadas:

5785,77

Porcentaje de uso anual:

66%

Ha trascendido que, para algunos proyectos, CODELCO utiliza una tasa de descuento del
8%. Para el caso de este proyecto, se exigi una tasa de descuento del 10%.
Con toda esta informacin, se procedi a realizar los clculos de costos de operacin en
cada uno de los escenarios posibles, esto es: Operacin convencional con Fuel Oil #6,
Operacin convencional con Gas Natural y Operacin con Oxgeno-Gas Natural.
Tabla 16-2: Costo total Anual en funcin del Tipo de Operacin.
Tipo de
Operacin
FO#6/Aire
GN/Aire
GN/Oxgeno

126

Costo Anual
Combustible
[USD]
$ 1.430.936
$ 2.538.048
$
981.068

Costo Anual
Oxgeno [USD]
$
$
$

404.209

Costo total
Anual [USD]
$ 1.430.936
$ 2.538.048
$ 1.385.277

Las inversiones necesarias para la implementacin de los sistemas corresponden a los

siguientes valores:

Fuel Oil #6 / Aire:

USD

Gas Natural / Aire:

USD 50.000 (Reposicin de accesorios y conexiones

0 (Sistema en funcionamiento)

flexibles)

Gas Natural / Oxgeno: USD

430.000

Tabla 16-3: Costos Operacionales Anuales.

Tipo de
Operacin
FO#6/Aire
GN/Aire
GN/Oxgeno

Ao 0

Ao 1

Ao 2

Ao 3

Ao 4

Ao 5

$
-$ 50.000
-$ 430.000

-$ 1.430.936
-$ 2.538.048
-$ 1.385.277

-$ 1.430.936
-$ 2.538.048
-$ 1.385.277

-$ 1.430.936
-$ 2.538.048
-$ 1.385.277

-$ 1.430.936
-$ 2.538.048
-$ 1.385.277

-$ 1.430.936
-$ 2.538.048
-$ 1.385.277

Luego de actualizar los valores segn la tasa de descuento de 10%, se obtuvo el

Costo Anual Uniforme Equivalente (CAUE) para cada una de las alternativas.
Tabla 16-4: Valor Presente de Alternativas.
Valor Presente Alternativas
(Tasa descuento 10%)
FO#6/Aire
-$ 5.424.372
GN/Aire
-$ 9.672.297
GN/Oxgeno
-$ 5.681.289

Tabla 16-5: Costo Anual Equivalente Alternativas.

CAUE Alternativas
(Tasa descuento 10%)
FO#6/Aire
-$ 1.430.936
GN/Aire
-$ 2.551.237
GN/Oxgeno
-$ 1.498.710
Los resultados obtenidos sealan que la forma ms econmica de operar un Horno de
Refino Andico es mediante el uso de Fuel Oil #6 y Aire, es decir, tal cual como lo hacen
actualmente.

127

Debido a la contingencia medioambiental y la consiguiente necesidad de reducir las

emisiones de azufre, es altamente probable que la gerencia de la fundicin decida utilizar Gas
Natural como combustible. En ese caso, el anlisis econmico realizado indica que resulta
ms conveniente integrar la tecnologa Oxi-Gas para disminuir los costos de operacin con
los precios de suministros que hoy se manejan.
Un anlisis ms detallado indic que la conveniencia econmica de la
implementacin de la tecnologa Oxi-Gas, frente a la operacin convencional, es altamente
robusta frente a la variacin de los precios de los suministros.
En el siguiente grfico se observa el comportamiento analizado del costo anual de
operacin en funcin del precio de compra del Gas Natural, para un precio de Oxgeno fijo.

Costo Operacin Anual [USD]

Sensibilidad de Alternativas
$ 2.500.000
$ 2.000.000
$ 1.500.000
GN/Oxgeno

$ 1.000.000

GN/Aire
$ 500.000
$0

10

15

20

Valor GN [USD/MBTU]

Figura 16-1: Sensibilidad de Alternativas en funcin del precio del Gas

Natural.
Del grfico se desprendi que, para un precio de Oxgeno fijado en 65 [USD/ton], el
uso de la tecnologa Oxi-Gas es siempre atractivo mientras el valor del Gas Natural se
encuentre por sobre los 4 [USD/MBTU].
Al analizar la situacin inversa, congelando el precio de suministro de Gas Natural en
18 [USD/MTBU], la tecnologa Oxi-Gas es conveniente siempre y cuando el precio por
tonelada de Oxgeno utilizada sea menor a USD 250. La probabilidad de ocurrencia de este

128

escenario es muy baja, dado que implicara cuadruplicar el costo actual del suministro de
Oxgeno.

Costo Operacin Anual [USD]

Sensibilidad de Alternativas
$ 3.000.000
$ 2.500.000
$ 2.000.000
GN/Oxgeno

$ 1.500.000

GN/Aire
$ 1.000.000
$ 500.000
0

50

100

150

200

250

300

Valor Oxgeno [USD/ton]

Figura 16-2: Sensibilidad de Alternativas segn el precio del Oxgeno.

129

17.

CONCLUSIONES.

Los resultados obtenidos luego del anlisis termodinmico en el funcionamiento de un

Horno de Refino de la Fundicin CODELCO Chuquicamata, sugieren que la implementacin
de la tecnologa de combustin Oxgeno-Gas representa grandes oportunidades en el ahorro
de combustible y en la reduccin de las emisiones contaminantes, como el dixido de azufre,
y gases de efecto invernadero tal como el dixido de carbono.
Adems, el balance de energa sugiere que an existen grandes posibilidades de aumentar
la eficiencia trmica del proceso con solamente realizar algunas modificaciones en los
Hornos de Refino Andico. Por ejemplo, la inclusin de una tapa en la boca de carga podra
disminuir, en gran parte, las prdidas de calor (del orden de un 30%) que all se producen.
Esta modificacin, adems de beneficiar la eficiencia trmica del proceso, representa una
mejora en los estndares de seguridad para la operacin de este tipo de hornos evitando la
proyeccin de material incandescente.
Si bien, la idea de utilizar tecnologa Oxgeno-Gas para la combustin de estos hornos no
es nueva y se encuentra probada, existen temores respecto al posible impacto que pudiese
ocasionar sobre la campaa de la cubierta interior de ladrillos refractarios. En este aspecto,
los modelos desarrollados slo pronostican una leve alza en las temperaturas de paredes
internas y en la temperatura de los gases al interior de la cmara, lo cual no representa
cambios significativos respecto a la operacin actual. No obstante, a la hora de instalar el
nuevo quemador Oxgeno-Gas, es importante cuidar al mximo la orientacin de ste junto,
de manera que se eviten los posibles focos de alta temperatura y el desgaste prematuro de la
cubierta refractaria al interior de la cmara.
Las normas aplicadas a este proyecto, NFPA 86 y EIGA IGC Doc13/12/E, son de
carcter normativo y sus aplicaciones resultan esenciales al momento de realizar el diseo y
dimensionamiento de los sistemas sobre una base segura y probada.
El anlisis econmico indica que la incorporacin de la tecnologa Oxgeno-Gas es
econmicamente ms atractivo al reportar menores costos de operacin respecto a la
operacin convencional Aire-Gas Natural. Con los precios actuales, la tecnologa OxgenoGas reporta alrededor de un 41% de ahorro frente a la operacin convencional Aire-Gas en

130

un horizonte de 5 aos. Estos resultados indican que el proyecto es de bajo riesgo econmico
y su rentabilidad est en gran parte asegurada a pesar de las posibles variaciones de los
precios de los suministros, tanto del Gas Natural como del Oxgeno al interior del complejo
CODELCO Chuquicamata.

131

18.

REFERENCIAS.

1. ENGEL, Yunus A. y BOLES, Michael A. Thermodynamics: An Engineering Approach.

7th Edition. Boston : McGraw-Hill, 2010. pg. 2010.
2. ENGEL, Yunus A., CIMBALA, John M. y TURNER, Robert H. Fundamentals of
Thermal-Fluid Sciences. 4ta Edicin. Boston : McGraw-Hill, 2012. pg. 1083.
3. MODEST, Michael F. Radiative Heat Transfer. 2nd Edition. Boston : Academic Press,
2013. 822.
4. HOWELL, John R. A Catalog for Radiation Heat Transfer Configuration Factors. [En
lnea] 2013. [Citado el: 10 de Julio de 2013.] http://www.engr.uky.edu/rtl/Catalog/.
5. HOTTEL, H. C. y SAROFIM, A. F. Radiative Transfer. New York : McGraw-Hill, 1967.
pg. 520.
6. SAFE, Paykan. Smelter Off-Gas Heat Recovery. Expomin. [En lnea] Abril de 2010.
[Citado el: 13 de Marzo de 2013.]
<http://www.m2r2.expomin.cl/material_presentaciones/Workshop%20M2R2_Expomin%202
010/2_Presentaciones_Presentations/15%20Abril/Panel%20III_Technologies/Paykan%20Saf
e_Worley%20Parsons.pdf>.
7. MARKS, Lionel S. Manual del Ingeniero Mecnico. 9na Edicin. Mxico : McGraw-Hill,
1995. Vol. 1.
8. WAGNER, Walter. Heat Transfer Practice with Organic Media. 2da Edicin. Oxford :
Begell House Publishers, 1997. p. 664.
9. BAUKAL, Charles E. Oxygen-Enhanced Combustion. 1era Edicin. Florida : CRC Press,
1998. pg. 356.
10. CONGRESO Binacional de Metalurgia y Materiales. Estudio de la correlacin entre las
termografas y espesor de revestimientos refractarios en Hornos y Convertidores de Cobre de
la Fundicin y Refinera Enami-Ventanas.. La Serena : s.n., 2004. pg. 6.

132

11. NATIONAL Fire Protection Association. NFPA 86 Standard for Ovens and Furnaces.
2012. pg. 146.
12. IEGA. Oxygen Pipeline and Piping Systems. Bruselas : s.n., 2012.
13. VIGNONI, Jose Roberto. [En lnea] 2005. [Citado el: 21 de Mayo de 2013.]
<http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Valvulas_de_control.pdf>.

133

19.

ANEXOS.

19.1 Programacin del Problema.

134

19.2 Plano P&ID

135