Comportamiento de los Gases
1. C ompo omporr tamiento tamiento de los gase g asess estequi estequiom omet etrr i cos 1.
Representantes de la industria afirman que los valores máximos permitidos de SO 2 en emisiones industriales especificados en los NAAQS son tan restrictivos que con solo encender un cerillo de madera en un cuarto de un tamaño aproximado de 51 m3 es suficiente para exceder la norma. Demuestre si esta afirmación es real o no. Información importante: Revisar los estándares NAAQS La cabeza de un cerillo contiene aproximadamente 2.5 mg de azufre (S) El SO2 se forma de acuerdo a la siguiente reacción química:
→
S + 0 2 → SO2 1 mol 1 mol 1 mol 32 g 32 g 64 g 2,5 mg ?
× × 5×10− ,5×10 64 22 × 10 × 24,4 × 10 51 − 2 ×64 2 37, 3 774 37,3774 2 ?
Comparando con la norma: 75 ppb SO 2 > 37,3774 ppb SO 2
2.
No sobrepasa la norma
El estándar NAAQS para PM10 (promedio anual) es de 25 µg/m 3. Cada vez que usted respira, aproximadamente un litro de aire entra en sus pulmones. a) Asumiendo que el aire contiene 25 µg/m3 de PM10, ¿cuantos gramos de PM10 entran en sus pulmones durante una respiración? b) Suponiendo que los partículas del PM10 son esferas de 1 µm de diámetro, ¿cuántas partículas entran en sus pulmones durante una respiración? Información importante: 3 Densidad promedio de las partículas en el PM10: 2 g/cm Densidad de un objeto esférico:
a) b)
×× × × × 1 × 2, 5 ×10− 10 = ××××,×=,× 1 /í 2, 5 ×10− 1100 × 2 × 10 1,25×10−10
3.
4.
− 1, 2 5×10 10 ° 5,24×10− 23855 10
Un automóvil usa 1 galón de combustible por 15 millas. Si la densidad del combustible es 6 lb/gal, y el estándar de emisión de hidrocarburos (HC) para vehículos es de 0.25 g/milla y el vehículo en mención cumple con este estándar, ¿que fracción del combustible no se quema en el motor?
× 453,1 6 0,0014 0,0,205014014 × 100% ×100%151 0,14%4×%16
Calcule el volumen que ocupa una mol de aire seco en cada una de las siguientes condiciones: a) 273K y 1 atm b) 298K y 1 atm c) 315K y 1.05 atm
a) b) c) 5.
×× ×273× 22,4 1×0, 0 82 ×× ×298× 24,4 1×0, 0 82 1×0,082 ×× ×315× , 24,6
Convierta las siguientes concentraciones volumétricas a unidades de μg/m3: a) 80 ppm SO2 b) 80 ppb O3 c) 1 ppm Benceno
a) b) c)
6.
× × × , × × 2, 1 × 8010 2 × 80 33 × × ×, 6 ×10 × × 1, 110 × × , × × 3, 2 ×
Asumiendo una concentración promedio de SO2 en el aire de 80 µg/m3, calcule la cantidad de SO2 que entra en sus pulmones durante un año. Información importante: Cantidad de aire aproximada que entra en los pulmones en una respiración: 1 litro En promedio una persona respira 20 veces por minuto
× × × × × × ñ × 0,84 ñ
7.
La cantidad precisa de aire requerida para la combustión completa de un hidrocarburo puede ser calculada considerando la conversión estequiometrica del hidrocarburo a CO2 y H2O. Determine el radio de Aire/Combustible estequiometrico para la combustión de ciclohexano, cicloh exeno y benceno
28, 8 9 29 2 9 × 792184 242, 9 × 1235, 5 1 841 612 1 C6H12× 84 84 612 612 1235,84 5 14,71 28, 8 8,5 28,5×792182 240, 5 × 1166, 4 1 821 610 1 C6H10× 82 82 610 610 1166,82 4 14,2 7921 2 28, 8 7,1028, 5 6 27, 5 × 2 45, 71 7 1 × 1 781 66 78 1 C6H6× 78 78 66 66 1028,78 6 13,2 a) C6H12 + 9 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
b) C6H10 + 8,5 O 2 → 6 CO2 + 5 H2O
c) C6H6 + 7,5 O 2 → 6 CO2 + 3 H2O
8.
Se quema metanol en aire seco con un Radio de Equivalencia de 0.75. a) Determine el radio de Combustible/Aire. Determine la composición de los productos de combustión (Moles de cada especie presente en los productos CH3OH + 1.5 O2 → CO2 + 2 H2O a)
×, ,∗,× 6, 4 3 ×
6, 4 3 8,57 ∅ 0, 7 5 0,117 8, 5 7 08,57×7×32 274, 2 4 4 274, 274 , 2 4 4 × 8, 5 7 32 28,557×0, 28, 7×0,2711, 96,878 b)
Gases de Salida Espécie CO2 H2O O2 N2 9.
Moles 1 2 1,8-1,5=0,3 6,78
Convierta los siguiente valores de concentración de contaminantes atmosféricos a µg/m3: a) 50 ppb O3 b) 12.5 ppm de benzaldehído c) 1.89 x 10-7 lb/ft3 de fenantreno d) 2.09 ppb de NO2 e) 200 ppm de PM2.5 a) b) c) d) e)
50 3 × × × × , × 98,4 12,5 ℎ, × × × × , × 5, 4−×10 ,× 1,89×10 ×, ×, 3027, 5 × × 3, 9 × 2,20009 2 × × , 2.5 No hay como hacer, porque o PM 2.5 tiene varios composteos
las siguientes concentraciones a unidades de µg/m 3: 80 ppm de óxido nitroso 130 ppb de ozono 1 ppm de o-xileno 250 ppm de PM10
10. Convierta
a) b) c) d) a) b) c) d)
× × 1, 4 ×10 × × 80 2 × , × 130 3 × × ×× , × 255 1 × × × , × 4, 3 × 10250 10 No hay como hacer, porque o PM 10 tiene varios composteos
11. Representantes
de la industria afirman que los valores máximos permitidos de SO 2 en emisiones industriales especificados en los NAAQS son tan restrictivos que con solo encender un cerillo de madera en un cuarto de un tamaño aproximado de 30 m3 es suficiente para exceder la norma. Demuestre si esta afirmación es cierta o no. Información importante:
Estándar NAAQS para el SO 2: 75 ppb La cabeza de un cerillo contiene aproximadamente 30.5 mg de azufre (S) El SO2 se forma de acuerdo a la siguiente reacción química:
S + 02 → SO2 1 mol 1 mol 1 mol 32g 32g 64g 30,5 mg x
2 30,50,06132×64 × 2 1 102 1 0, 06124,24 10 2 30 × 64 2 × 10 × 1 × 775,2 Sí, es suficiente.
estándar NAAQS para PM10 es de 150 µg/m 3. Cada vez que usted respira, aproximadamente 1,5 litros de aire entran en sus pulmones, y en un minuto respira en promedio unas 20 veces. a) Asumiendo que el aire que respira cumple con el NAAQS para PM10, ¿cuantos gramos de PM10 entran en sus pulmones en una hora? b) Suponiendo que las partículas del PM10 son esferas, ¿cuántas partículas entran en sus pulmones en una hora? Información importante: 3 Densidad promedio de las partículas en el PM10: 2,5 g/cm Densidad de un objeto esférico:
12. El
a) b)
×× , × × 2, 7 ×10− × × − × − 2, 7 ×10 ,×1, 0 8×10
13. Calcule
a) b) c) d) e) a) b) c) d)
e)
el volumen que ocupa una mol de aire seco en cada una de las siguientes condiciones: 273K y 1 atm 298K y 1 atm 315K y 2.05 atm 115˚F y 22 psi
557R y 21 inH2O
×× ×273× 22,4 1×0, 0 82 ×× ×298× 24,4 1×0, 0 82 ×× ×315× , 10,92 1×0, 0 82 −, 273,1× 5319,26 1 14,7 1×0, 0 82 ×319, 2 6× × 17, 4 9 × 22 1 557309,×44 19 2 492 1×0,082 × ×309,44× 21 12 × 407,1
14.
Convierta las siguientes concentraciones a unidades de µg/m 3: a) 0,08 ppmv de óxido nitroso b) 130 ppbm de ozono c) 1 ppmv de o-xileno d) 250 ppmm de PM10 e) 2,5 x 10-3 ppmv de octano a) b)
0,130 08 32 , × × , × 1,58×10 × × × 8, 6 1×10 1 250 10 250 ,× × × × 1,76×10 No es posible hacer porque es un gas
c) d)
No es posible hacer, porque o PM 10 tiene varios composteos
e)
15. Identifique 3
a) lb/ft :
que propiedad de la materia corresponde a las siguientes unidades de medida: _________________________________________________
b) ppm:
_________________________________________________
b) moles/L:
_________________________________________________
c) eq-g/L:
_________________________________________________
d) in Hg:
_________________________________________________
e) atm.L:
_________________________________________________
f) µg/m3:
_________________________________________________
g) kW:
_________________________________________________
h) nm:
_________________________________________________
i) BTU:
_________________________________________________
a) b) c) d) e) f) g) h)
Densidad, concentración Concentración Molaridad Presión Calor, trabajo Densidad, concentración Potencia Longitud
i) Presión 16. Realice
a) b) c) d) e) a) b)
las siguientes conversiones de unidades de medida:
75 µg/m3 a ppm 15 in H2O a kPa H3PO4 0,68N a M 250 ppb a µg/m 3 95 kW a BTU/s
75152× × 7,5 ×103,−74 7, 5 ×10− , 0,638 0,23 250, ×× × × 2, 5 ×10 95× 90,04
c) H3PO4↔ 3H+ + PO4-3
d) e) 17. Para
una sustancia que se comporte como un gas ideal calcule: a) El volumen que ocupan 0,085 moles de esta sustancia a una temperatura de 35˚F y una presión de 100 kPa. b) La cantidad de sustancia en moles almacenada en un tanque cilíndrico de 1,85 m de altura y un diámetro de 45 cm, a una temperatura de 45˚C y una presión de 1,85 torr.
a)
b)
× × × 0,274,987 8 1,94 0,0085×0, 0 82 × ×1, 8 50, 2 942 × 294,2 2,,43×10 − ×294, 2 0,082 × × ×318 0,0274
18. Determine
la cantidad, en mg/s, de CO2, que se produce al quemar un flujo constante de hexano de 0,045 g/s, a condiciones estequiométricas. C6H14 + 9,5 O2 → 6 CO2 + 7 H2O 86 g/mol 0,045 g
6*44 g/mol x
0,045×6×44 86 0,138 0,138 × 101 138,14
Formatted: Font: Cambria, Not Italic
19. Con
base en el ejemplo anterior, determine la cantidad de oxígeno, en moles/s, requeridas para quemar el mismo flujo constante de hexano a condiciones estequiométricas.
C6H14 + 9,5 O 2 → 6 CO2 + 7 H2O 86g 9,5*32g 0,045g x
0,045× 8619,5×32 0,159 0,159 × 32 4,97×10−
2. Analise de la combustión 20. La
tabla a continuación muestra las composiciones en peso de carbón antracita y de madera de abeto. Elemento C H O N S Cenizas
Porcentaje en peso Carbón antracita Madera de abeto 82,1 52,3 2,3 6,3 2,0 40,5 0.8 0,1 0,6 0,0 12,2 0,8
Un tren a vapor utiliza como combustible carbón antracita, el cual se quema con un exceso de aire del 20% y una humedad de 0,03 moles de agua por mol de aire seco. a) Si en estas condiciones el tren se desplaza a una velocidad de 11 m/s y en un segundo de combustión del carbón se generan 34,21 moles de CO2, ¿Cuántas toneladas de carbón antracita se gastarán para cubrir un trayecto de 650 km? b) Después de haber cubierto buena parte del trayecto, los operarios notan que solo cargaron 20 toneladas de carbón, y desafortunadamente no hay un lugar en la vía donde puedan parar a abastecerse de más combustible. Solo hay bosques de abetos a lado y lado de la ferrovía. Cuando se quema ésta madera en las mismas condiciones y a la misma rata másica (g/s) con que se quema el carbón, se genera la energía suficiente para desplazar el tren solo un 42,18% de la longitud que avanzaría si el combustible fuera carbón antracita. ¿Con cuántas toneladas de madera de abeto deberían abastecerse para alcanzar su destino? a) b)
21. En
34,29,2515 ó × ×650 × × × × ,ó × ó29, 5 5 ó20 ó9, 5 5 ó 100 9,55 ó× 42,18 ó 22,64
una planta termoeléctrica se utiliza carbón bituminoso como combustible para la caldera. Sustancia
Porcentaje en peso (en base seca)
C
75,8
H O N S Ceniza
5,0 7,4 1,5 1,6 8,7
En operación normal el carbón se quema con un exceso de air e del 20% cuya humedad es de 0,030 moles de H2O / moles de aire seco. Como parte de un experimento de combustión, se almacenaron los gases producidos durante una hora de reacción; para lo que se requirió de un tanque esférico de 13,6346 metros de diámetro, a una presión de 10 atmósferas y una temperatura de 60°C. Si de los gases contenidos en el tanque, el 14,036% molar corresponde a CO2, y el poder calorífico del carbón bituminoso es de 13600 BTU/lb, determine la cantidad de calor, en calorías por segundo, que se puede generar en operación normal en la planta.
× 4]× 10 13, 6 346 10 ×[ 2× ×3333 1 486035,22 ℎ 0,082 × ℎ 486035,22 ℎ×0,21403668219, 9 × 112 818638,84ℎ 68219,9 ℎ × 110012ó 1 ℎ ó ó818638, 8 4 × × 300 ℎ 75, 8 3600 ó 1 252 ó 300 ×13600 × 453,6 × 1 2266666,67
22. Una
planta termoeléctrica basa su proceso en la quema de carbón lignito a una rata de 1,5 kg/s, con un exceso de aire del 20%, y humedad de 0,010 moles de H 2O por mol de aire seco.
El valor calorífico para cualquier carbón se puede determinar por medio de la siguiente ecuación empírica:
ValorCalor ífico 14544C 62028 H
O
4050S (BTU/lb)
8
Siendo C, H, O y S, las fracciones en peso de carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre en el carbón, respectivamente (por ejemplo: Para el carbono sería 0.55). A la caldera de la planta entran los gases de combustión a una presión total de 105,06 kPa, y le ceden energía en forma de calor a una corriente de agua de flujo 5 L/s que entra a 25°C. De la caldera salen los gases de combustión a su temperatura de rocío, mientras el agua sale como vapor saturado en su punto de ebullición. a) Determine la eficiencia del proceso de intercambio de calor en la planta como:
qGAS qCARBÓN
100%
Donde qGAS es el calor perdido por la corriente de gases de combustión, y qCARBÓN es el calor generable por la quema del carbón en estudio.
b) Calcule la temperatura, en grados centígrados, a la cuál los gases de combustión entran al proceso de intercambio de calor en la caldera. Datos adicionales: Composición porcentual del carbón lignito Componente % en peso
C H O N S Cenizas Capacidad calorífica del agua: Capacidad calorífica de los gases de combustión: Calor de vaporización del agua:
55,0 4,4 13,0 1,0 1,7 24,9 Cpagua liq= 0,45 cal / g.°C Cpgas = 6,95 cal / mol.K ∆Hvaporización H2O = 500 cal/g
2875000 q × × 1 ℃ × 10025 10025 ℃500 q0,13 q 1,5×10 1 ó [14544×0, 5 5620280, 0 44 4050×0, 0 17] × × 8 453, 6 252 ×1 8157773,2875000 5 41,ó88℃×100% 8157772,5 ×100%35,24% ××∆ 484,5732 ×6,95 × × ∆ 2875000 834,3℃ a)
b)
Un carbón mineral se quema en la caldera de una planta termoeléctrica con un exceso de aire del 18%, y humedad de 0,030 moles de agua/mol de aire seco. Mediante el análisis de los productos de combustión se determinó un flujo molar total de gases de 112,97 moles/s. A su vez, la temperatura de rocío de los gases emitidos en este proceso fue de 321,36K; medida a una presión total de 1 atm. Será posible, con la información provista, determinar el tipo de carbón que se está usando en este proceso? De ser posible, seleccione el tipo de carbón que mejor se ajusta, de la lista suministrada en la siguiente tabla: Componente C H O N S Ceniza
Composición en % en peso Turba Lignito Bituminoso Antracítico 57,0 55,0 75,8 82,1 5,5 4,4 5,0 2,3 31,0 13,0 7,4 2,0 1,5 1,0 1,5 0,8 0,2 1,7 1,6 0,6 4,8 24,9 8,7 12,2
log 1750,286 log 8,10765 48,36235 85, 2 6 85, 2 6 760 0,112
Si es possible, el mejor tipo de carbón que se ajusta es el Carbón Turba
24. La
composición química del carbón “lignito” se muestra en la tabla anterior. El calor generado por este
carbón al quemarse (Valor Calorífico) se puede calcular mediante la ecuación: O BTU 62028 H 14544C 4050 S 8 lbm Donde C, H , O y S: Fracciones en peso de cada elemento. Suponga que el lignito se quema con un exceso de aire del 30%, cuya humedad es de 0,015 ( moles H2O / moles Aire seco). El nitrógeno presente en el combustible sale en la corriente gaseosa como N2. Los gases de combustión transportan el calor producido al quemar el carbón, por lo tanto se encuentran a altas temperaturas, lo que hace necesario enfriarlos hasta una temperatura no menor a la de rocío antes de ser emitidos. Para cumplir con este propósito, la corriente de gases de combustión se debe hacer pasar inicialmente por una etapa de intercambio de calor (aprovechando la energía preferiblemente). En el caso en cuestión, los gases pasan por un intercambiador que usa agua como refrigerante para producir vapor, el cual cual puede ser usado después después en múltiples aplicaciones. La presión a la cual salen los gases del quemador qu emador es de 104 kPa. Determine: A. Cantidad requerida de carbón “lignito” (en g/s) que se debe quemar para calentar 226,695 g/s de agua de 28°C a 118°C, si en el intercambiador los gases solo pierden el 45% del calor producido ValorCalor ífico
por la quema del carbón “lignito ”.
B. Temperatura de rocío de los gases de combustión. C. Temperatura de los gases de combustión a la salida del horno (antes de entrar al intercambiador).
I nformaci nformaci ón adi adi cional:
ΔHvH2O = 500 cal/g CpGases = 6,95 cal/mol.K CpH2O(liq) = 1,0 cal/g.°C CpH2O(vap) = 0,45 cal/g.°C Constantes de la ecuación de Antoine para el agua: A = 8,10765, B = 1750,286, C = 235 A.
q 226,695 × [1 ℃ ×10028℃500 0,45 ℃ × 118100℃] 131505, 7 7 100 q 131505,77 × 45 292233,3 0,13 ó ó [14544×0,55620280,044 8 4050×0,017] × 453,1 6 × 2521 5438,5
292233, 3 qó 5438,5 53,73 79,419141,53℃×6,95 ×∆131505,77 × 279,78℃ × B. C.
25.
Una central termoeléctrica lo contrata para que se encargue del aspecto ambiental de la planta. El primer problema a resolver es el siguiente: Hay disponibilidad de utilizar como combustible para la caldera carbón bituminoso, carbón lignito, turba ó carbón antracítico, que difieren en su composición como se muestra a continuación: Componente C
Composición en % en peso Turba
Lignito
Bituminoso
Antracítico
57,0
55,0
75,8
82,1
H
5,5
4,4
5,0
2,3
O
31,0
13,0
7,4
2,0
N
1,5
1,0
1,5
0,8
S
0,2
1,7
1,6
0,6
Ceniza
4,8
24,9
8,7
12,2
La cámara de combustión de la caldera está diseñada para quemar el combustible sólido a una rata de 500 g/s, con un exceso de aire del 25% y una humedad de 0,0116 moles de agua/mol de aire seco. Sin importar que combustible se utilice, los diseñadores previeron que los gases de combustión salgan de la cámara de combustión de la caldera a una presión de 1 atmósfera y una temperatura de 300°C. 300°C. Para controlar las emisiones de contaminantes producidas por la caldera se instalará un sistema de control que produce una caída de presión en la línea de 15 kPa, y que cuenta con un ventilador de eficiencia 88%. Si en el caso en cuestión prima el aspecto económico, determine la mejor opción de combustible sólido de acuerdo a la ganancia que produce el proceso según la ecuación: Ganancia del proceso = $Carbón - $Ventilador - $Gas Donde: $Carbón: Calor generado por la quema de carbón [kcal/s] x $2.000= $Ventilador: Potencia requerida por el ventilador [kW] x $20.000= $Gas: Calor requerido para enfriar la corriente de gases residuales desde la temperatura de salida de la cámara
de combustión hasta su temperatura de rocío [Kcal/s] x $7.000= Información adicional
Pesos atómicos: Elemento C H O N S
Peso atómico(g/mol) 12 1 16 14 32
Cpgas = 6,95 cal / mol.K
A = 8,10765; B = 1750,286; C = 235 (Para el agua)
ValorCalor ífico 14544C 62028 H
O
4050S en [BTU/lb] C, H, O y S se introducen a la
8
ecuación como fracciones en peso (% en peso/100)
2521 × 500 2585038,9 qó 9306,14 mol ×es453,1 6 ×× 167,4147 ×0,082 ×673× 1 Turba:
s 1 × 10 9,24 Q nRTP 9, 2 4 ×∆ 0,×15000 157500 8 8 6,95 × ×167,4147 ×30044,63297131,21 2585 ×$2000157, 5 ×$20000297, 1 3 ×$7000 $59950 2521 × 500 2719,26 qó 9789,33 mol ×es453,1 6 ×× 1 168, 1 872 ×0, 0 82 ×673× nRT s × 10 Q P 9, 2 8 1 ×∆ 9,28 0,×15000 158, 2 1 8 8 6,95 × ×168,1872 ×30040,89302,87 2719,26 ×$2000158,21 ×$20000302,87 ×$7000$154230 Lignito
Bituminoso
qó 13616,79 mol e×s 453,1 6 × × 2521 × 500 13782, 4 4
Q nRTP 230,0279 s ×0, 0821 × ×673× 10 12,69 ×∆ 12,69 0,×15000 216, 3 8 8 8 6,95 ××230,0279 ×30038,01418,84 3782,44 ×$2000216,38 ×$20000418,84 ×$7000$305400
qó 13236,50 mol e×s 453,1 6 × × 2521 × 500 13676, 8 Antracito
Q nRTP 225,3078 s ×0, 0821 × ×673× 10 12,43 ×∆ 12,43 0,×15000 211, 9 4 8 8 6,95 ××225,3078 ×30027,78426,26 3676,8 ×$2000211,94 ×$20000426,26 ×$7000$130980 La mejor opción es el carbón bituminoso.
26.
Un horno utiliza como combustible metano, a un flujo másico de 2,8 kg/h. Este combustible se quema con un exceso de aire del 32,5% de humedad 0,0391 moles de agua/mol de aire seco. En estas condiciones de operación, el 45% del oxígeno sobrante reacciona con el nitrógeno del aire para formar óxido nítrico, según la reacción química:
∆ →2
a) Si la temperatura de salida de los gases del horno corresponde al 25% de la temperatura adiabática de llama del metano, y la corriente de gases de combustión debe enfriarse hasta la temperatura de rocío del vapor de agua en esta mezcla, determine el flujo de agua, en L/s, que debe utilizarse para este proceso de intercambio de calor, si esta entra a 298K y sale como vapor saturado. b) Para operar sobre la línea de gases de combustión un sistema de control atmosférico que causa una caída de presión de 50kPa, se cuenta con un ventilador de eficiencia del 70%. Si los gases de combustión se encuentran a una presión de 795 mmHg antes de entrar al ventilador, cuál es el requerimiento de potencia, en vatios (W), para el ventilador? Datos adicionales: Capacidad calorífica del agua en estado líquido: C p(L)H2O = 1,0 cal/g.°C Capacidad calorífica del agua en estado gaseoso: Cp (G)H2O = 0,45 cal/g.°C Capacidad calorífica de los gases de combustión: Cp Gases de combustión = 6,95 cal/mol.K Calor de vaporización del agua: ΔH vap H2O = 500 cal/g Constantes de la ecuación de Antoine para el agua: A = 8,10765, B = 1750,286, C = 235 (P en mmHg, T en °C)
21→ 2980803,456∆ℎ1 ∆ 394,0882×242, 7474, ∆ℎ2∆ℎ22∆ℎ2 ∆ℎ2∫44,32910,0073 2∫ 32,47660,0086 32563, 109, 01225 14541087,849 33650,27230, 994109, 2 7230, 0 1225 ∆ℎ1∆ℎ20
8034560,01225 109,272322650,9940
Antes: Especie CO2 O2 H2O N2 NO Total
0,01225109, 109,22723±230, 723837106, 994 1 27 2×0,01225 ′ 4932, "13853, 8053 0,25×4928, →2151232,04 Después:
Moles/s 1 0,65 2,493 9,97
y 0,071 0,046 0,177 0,706
14,11
1
Especie CO2 O2 H2O N2 NO Total
Moles/s 1 0,3548 2,493 9,6775 0,585 14,11
y 0,071 0.025 0,177 0,686 0,041 1
1 77 140, 4 6 795 ×0, 1750, 2 86 log 140,468,10765 235 331,674 1 ℎ 10 1 4 2, 8 ℎ × 3600 × × 0, 0 486 1 16 4 0,0486 14×14,11 0,6857 331,671232,044290,83 q0,q6857 ×6,95 × 4290,83 ×1 ℃1 ×10025℃500 7,46 × 1 × 10 7,×46×10− , ×, ××,× a)
m_H2O
Q × 0,0178 0, 0 178 ×∆ 0,×50000 70 1273,42 b)
27. Como
ingeniero ambiental, el jefe de una planta termoeléctrica le asigna la tarea de escoger la mejor alternativa de combustible entre carbón bituminoso y carbón turba, en términos de cumplimiento de los estándares de calidad de aire. La caldera donde ocurre la combustión está diseñada para operar con un flujo másico de carbón de 1260 kg/h, exceso de aire del 17,2% y una humedad de 0,0091 moles de H2O/mol de aire seco. Asumiendo el peor escenario, debe realizar sus cálculos suponiendo que todo el oxígeno sobrante reacciona con el nitrógeno a altas temperaturas dentro de la cámara de combustión, para formar óxido nítrico, según la reacción química:
2
Suponiendo que los gases de combustión se diluyen 10000 veces en el aire ambiente en las condiciones atmosféricas del lugar donde se encuentra la planta, y que debe cumplir con los estándares de calidad del aire de 100 ppb para el NO, y 75 ppb para el SO 2, haga la mejor selección y sustente su respuesta con cálculos. Especie Carbón turba (% Carbón bituminoso (% Peso) Peso) C H O N S Ceniza
57,0 5,5 31,0 1,5 0,2 4,8
75,8 5,0 7,4 1,5 1,6 8,7
1260 × 101 × 36001 ℎ 350
Inicio: Moles/s CO2 H2O N2 O2 SO2
Turba 16,62 10,54 76,74 30,11 0,02
Bituminoso 22,11 10,06 114,15 4,45 0,17
2 2→ 2 2 2→ 2 Turba:
3,11 moles
6,22 moles
Bituminoso: 4,45 moles CO2 H2O N2 SO2 NO Total
8,9 moles Turba 16,62 10,54 76,74 0,02 6,22 110,14
Y 0,15 0,09 0,70 0,00018 0,05
Bituminoso 22,11 10,06 109,17 0,17 8,9 150,94
Turba1,8×10− molmoleessSO2SO2 × 1011 × 1010 18 2 Bituminoso0,011 × 10 × 110 2 Turba0,05 molesmolNOe×s NO101 × 101 10 5000 Bituminoso0,06 × 10 × 6000 SO2:
NO:
Y 0,14 0,06 0,73 0,0011 0,06
La mejor selección es el carbón Turba pues cumplí con los estándares de calidad del aire en relaciona SO2.
28. Una
empresa energética acude a usted como ingeniero ambiental para asesorar el proceso de selección del tipo de carbón más amigable con el medio ambiente, requerido para operar la caldera de una planta termoeléctrica, entre carbón antracítico y carbón lignito. La caldera está diseñada para operar con un flujo másico de carbón de 10,8 ton/h, un exceso de aire del 25%, y una humedad de 0,095 moles de agua por mol de aire seco. Aunque se hizo un esfuerzo grande en la etapa de diseño de la caldera para evitar la formación de NO, pruebas piloto confirmaron que el 2% del oxígeno sobrante reacciona con el N2 del aire para formar NO, según la reacción química: . Los gases de combustión salen de la caldera a una presión de 790 mmHg sin importar el tipo de carbón que se utilice. Cuando se usa como combustible carbón antracítico, los gases de combustión salen a una temperatura de 1000°C; y cuando se usa como combustible carbón lignito, los gases de combustión salen a una temperatura de 850°C. Una vez los gases de combustión salen de la chimenea y se mezclan con el aire, se diluyen diez mil veces (10000); es decir, la concentración de cada gas una vez se mezcla con el aire en la atmosfera, es 10000 veces menor que la concentración del mismo gas dentro de la caldera. Previendo que algunos de los contaminantes emitidos en ese proceso no van a cumplir con las normas de calidad del aire, se considera diseñar y poner en marcha un sistema de control, razón por la cual será necesario añadir un ventilador a la línea de gases. Como es bien sabido por todo ingeniero ambiental, para minimizar el requerimiento de potencia de este ventilador es necesari o enfriar los gases hasta una temperatura no menor a la temperatura de rocío del agua contenida en la corriente de gases de combustión. El sistema de intercambio de calor con el que se cuenta está diseñado para enfriar los gases de combustión hasta la temperatura de rocío mencionada anteriormente, por medio de una corriente de agua de enfriamiento que entra al sistema a una temperatura de 18°C y sale como vapor sobrecalentado a una temperatura de 125°C.
→2
a) El estándar de calidad de aire para períodos de una hora para el SO2 es de 75 ppb, y para el NO es de 100 ppb. Teniendo en cuenta estos valores límite, y el gasto de agua de enfriamiento requerido en cada proceso, seleccione el tipo de carbón más amigable con el medio ambiente, sustentando su respuesta con cálculos completos y detallados. b) Se espera que el sistema de control cause una caída de presión máxima de 0,2467 atm en la línea de flujo de gases de combustión. Si se cuenta con un ventilador de eficiencia del 70%. Complemente su respuesta para el numeral a) con base en el requerimiento de potencia para los dos tipos de carbón propuestos. Información adicional
Especie C H O N S Cenizas Cp Gases de combustión = 6,95 J/mol.K
% en peso en base seca Carbón Carbón Antracítico Lignito 82,1 55,0 2,3 4,4 2,0 13,0 0,8 1,0 0,6 1,7 12,2 24,9
Cp H2O liq = 1,00 cal/g.°C Cp H2O vap = 0,45 cal/g.°C ΔHvap H2O = 500 cal/g a)
, × × 3000
Antes: Especie CO2 H2O N2 O2 SO2
Antracito
Lignito
205,25 159,58 1040,96 55,30 0,56
137,5 156,42 753,01 39,98 1,59
2 2→ 2 2 2→ 2 Antracito:
1,106 moles
2,21 moles
Liginito:
0,8 moles
Después: Especie CO2 H2O N2 SO2 NO O2
1,6 moles
Antracito 205,25 159,58 1039,85 0,56 2,21 54,194
Y 0,14 0,11 0,71 0,00038 0,00015 0,04
Lignito 137,5 156,42 752,21 1,59 1,6 39,18
Y 0,13 0,14 0,69 0,0015 0,0015 0,04
Antracito3,8×10−molmoleseSO2sSO2 ×1101 10× 10 38 2 Lignito1,5×10− × 10 × 150 2 Antracito1,5×10−molmoleseNOs NO ×1101 ×1010 150 Liginito1,5×10 − × 10 × 150 ×1461,65 × 100048,5999664,8 6,95 × SO2:
NO:
El carbón Antracito es el más amigable con el medio ambiente. b) Antracito:
× 1 1461, 6 5 ×0, 0 82 ×1000× 790 ×× 1760 10 115,3 ×0,2467× 101325 115, 3 0,70 1 4117,34 ×1088,5 × 85054,1886020,4 6,95× × 1 1088, 5 ×0, 0 82 ×850× 790 ×× 1760 10 72,99 ×0,2467× 101325 72, 9 9 1824,4 0,70 1 1824, Liginito:
29.
Una planta termoeléctrica utiliza como combustible para su caldera carbón mineral con contenidos en peso de 0,8% de nitrógeno y 0,6% de azufre; este es quemado con un exceso de aire del 19% con humedad humedad de 0,095 moles de agua por mol de aire seco. Según acordado con la autoridad ambiental, se realizó un muestreo isocinético de la chimenea de la caldera, encontrando que las emisiones de NO superan 6,746882 veces el valor máximo permisible para NOx según la Resolución 0909 de 2008 para actividades industriales existentes; por otro lado, las emisiones de SO 2 superan 1,926505 veces el valor máximo permisible para esta especie química.
1) Si el flujo volumétrico promedio de gases medido durante el muestreo fue de 7,47467 m 3/s a condiciones normales, calcule el flujo másico de carbón (en g/s) que se está quemando en la caldera.
∆ →2
2) Si el 5% del O 2 sobrante reacciona para formar NO, según la reacción: cantidades de O2 y N2 (en moles/s) presentes en la corriente de gases de salida. Tomado de la Resolución 909 de 2008
, determine las
2550 ×7,47467 ×1,926505× 1 7,922 550 ×7,47467 ×6,746882× 27, 7 4 10 10 4× 7467 × 1 305,89 1 ×7, 0, 0 82 ×298 × 7,922 2 × 2→ 2 32 3, 9 61 64 2 100 3,961 × 0,6 660, 1 7 660,17 × 0,8 × 1 × 12,227 2 660, 1 7 × × × 0, 1 9 2 100 14 2 2 2→ 2 1)
2)
0.1135 moles Gases de Salida N2 O2 30.
0,227 moles Moles/s 0,19-0,1135=0,0765 2,27-0,1135=2,1565
Una planta termoeléctrica utiliza como combustible para su caldera carbón mineral con contenidos en peso de 0,8% de nitrógeno y 0,6% de azufre; este es quemado con un exceso de aire del 19% con humedad de 0,095 moles de agua por mol de aire seco. Según acordado con la autoridad ambiental, se realizó un muestreo isocinético de la chimenea de la caldera, encontrando que las emisiones de NO superan 6,746882 veces el valor máximo permisible para NOx; por otro lado, las emisiones de SO 2 superan 1,926505 veces el valor máximo permisible para esta especie química, según la Resolución 0909 de 2008 para actividades industriales existentes.
∆ →2
1) Si el 5% del O 2 sobrante reacciona para formar NO, según la reacción: , determine las cantidades de O2 y N2 (en moles/s) presentes en la corriente de gases de salida. 2) Si el flujo volumétrico promedio de gases medido durante el muestreo fue de 1974,59892 gal/s a condiciones normales, calcule el flujo másico de carbón (en kg/h) que se está quemando en la caldera. Tomado de la Resolución 909 de 2008
11 1 1 2 660, 1 7 × × × 2, 2 7 2 100 16 2 0, 8 1 1 2 660, 1 7 × × × 0, 1 9 2 100 14 2 2 2→ 2 1)
0.1135 moles Gases de Salida N2 O2
0,227 moles Moles/s 0,19-0,1135=0,0765 2,27-0,1135=2,1565
2)
× , × × ×1,926057,92 1974, 5 9892 2 → 2 3264 3,96 7,92 1002× 3,96 × 0,6 × 101 × 36001 ℎ 2376 ℎ 1 mol 32 g X
1 mol 64 g 7,92 g
31.
Parte de los gases de combustión producidos por la quema de un carbón durante una hora se almacenan en un tanque cilíndrico de altura 2 metros y diámetro 1,2 metros, a una presión total de 0,7558 atm y una temperatura de 25°C. La caracterización de los productos de combustión almacenados en el tanque arrojó los siguientes datos de forma incompleta: Especie CO NO2 SO2 PM2.5
PM10
Estado Gas Gas Gas Mezcla sólido – líquido Mezcla sólido – líquido Total
Masa (g) 1946,7178 ? 20,0235 ?
3,6982 1978,0139
Si las sustancias contenidas en el tanque se liberaran a la at mosfera, se van a diluir 15.000 veces con aire, lo que significa que su concentración va a disminuir 15.000 veces. 1) Complete la tabla anterior con las cantidades de NO 2 y PM2.5 que deberían estar contenidas en el tanque. 2) Teniendo en cuenta la información proporcionada, y los estándares de calidad del aire resumidos en la tabla a continuación, especifique para cuáles especies se estaría sobrepasando estos estándares, justificando sus respuestas con los cálculos que requiera. Especie
CO NO2 SO2 PM2.5 PM10
1)
2)
Estándar de calidad del aire (NAAQS) 35 ppm 100 ppb 75 ppb 35 μg/m3 150 μg/m3
× 2261,95 ℎ20, 6 ×2261, 9 5 0,0,7055882 × × ×298 69,962 1946,7178×1128 2 69,525 20,0235 × 64 0,313 2 46 2 .69, 9 6269, 5 250, 3 150, 1 24 2× 5, 7 04 2 1 1978,01393,698220,02351946,71785,7041,8704 × × 66,25 ,,, 298,25 × × , [SO2]=
× 150001 × 10 118,16 2 69,0,916224 2.5 1,2,827046 × 150001 × 101 55,17 10 3,2,629826 × 150001 × 101 109,1 Estaria sobrepasando los estandares:CO,SO2, NO2 e PM2.5 32. Una
planta de producción cuenta con una caldera que utiliza carbón como combustible para producir vapor de agua. La corriente de gases de combustión debe ser tratada en un sistema de control de emisión de SO2 debido a que la concentración de este contaminante en esta corriente sobrepasa el valor estándar máximo para fuentes fijas de 350 ppm de SO2, en un 24,996%. Antes de entrar al sistema de control, los gases de combustión deben enfriarse para minimizar el requerimiento de potencia del ventilador que los impulsará a través de este sistema. En este caso en particular, los gases de combustión salen de la caldera a una temperatur a de 750˚C y se enfrían hasta una temperatura de 60˚C, por medio de una corriente de agua de enfriamiento con flujo de 2742,108 L/min, que entra al intercambiador de calor a 20˚C y sale como vapor saturado.
1) Si el azufre (S) corresponde a un porcentaje en peso del 0,6% de la composición en base seca del carbón utilizado como combustible para la caldera, y basado en la información suministrada, calcule el flujo de carbón mineral, en kg/h, que se quema en operación normal. 2) Si la temperatura de rocío del agua contenida en los gases de combustión es de 39,34˚C y los gases de combustión salen a una presión total de 770 mmHg de la caldera, determine el flujo molar (moles/s) de agua en esta corriente. 3) Si el oxígeno sobrante corresponde al 2,58% molar de la corriente de gases de combustión, y el carbón se quema con un exceso de aire del 15%, determine el flujo molar de oxígeno teórico o estequiométrico (moles/s) requerido para la combustión del carbón a las condiciones específicas de la caldera. 4) La corriente de gases de combustión contiene un 15,96% molar de CO 2. Determine el porcentaje en peso correspondiente al carbono (C) en la composición en base seca del carbón mineral utilizado como combustible. Información adicional: Cp gases de combustión = 6,95 J/mol.K Cp H2O liq = 1,00 cal/g.˚C Cp H2O vap = 0,45 cal/g.˚C ∆H vap H2O = 500 cal/g
2742,108 ×101 × 11 × 160 [1 ℃ ×10020℃500 ] 26507 ×6,95 × × 7506026507000 1)
5527, 482→ 2 437,2350 2 4996437, 4 86 2 486 22×10, − 2 × 4 86×10 437, 10 437,486×10− 2 5527, 4 8 2 1 32 1 3600 2,418 × 1 2 × 1 × 1000,6 × × 10 1 ℎ ℎ 46, 4 3×10 ×, × × ,× 1, 8 1 ×, × 2 5527,48 ×0,0258142, 6 1 2 2 2 2 142,61 2 1 100 2 142,61 22 2 1 0,10015 2 142,61 0,2152 2 950, 73 2 → 2 2 × 112 × 112 10579,6 5527,48 × 10015,96 10579,064 ×10082,03% % 12897, 2) 3)
4)
33. Una
central termoeléctrica lo contrata para que se encargue de los problemas ambientales ocasionados por la quema de carbón en las calderas utilizadas para generar electricidad. El primer problema que debe resolver es el siguiente: Componente C H O N S Ceniza
Composición en % en peso Turba Lignito Bituminoso Antracítico 57,0 55,0 75,8 82,1 5,5 4,4 5,0 2,3 31,0 13,0 7,4 2,0 1,5 1,0 1,5 0,8 0,2 1,7 1,6 0,6 4,8 24,9 8,7 12,2
a) Teniendo en cuenta que se tienen disponibles los tipos de carbón mostrados en la anterior tabla, escoja el mejor, o mejores tipos de carbón a utilizar de manera que se cumpla con la normatividad de emisión de SO 2 en calderas, cuyo valor es de 450 ppm en una hora (definido como moles de SO 2 por cada Megamol (10 6 moles) de gases de combustión). La caldera está diseñada para operar con un exceso de aire del 25%, con humedad de 0,0216 moles de agua por mol de aire seco, y tiene la capacidad de quemar 800 g/s de carbón. Sustente su respuesta. b) Indiferente del tipo de carbón, los gases de combustión siempre van a salir de la caldera a una temperatura promedio de 450°C y una presión de 1 atm, y se deben enfriar hasta su temperatura de rocío antes de emitirse a la atmósfera. Este enfriamiento se realiza por medio de intercambio de calor con una corriente de agua que entra a 22°C, y sale como vapor saturado. Con el fin de hacer el proceso energéticamente eficiente, el vapor saturado se utiliza en otro proceso de calentamiento en la planta. Este proceso requiere un f lujo mínimo de vapor saturado de agua de 79 kg/min. Teniendo en cuenta los criterios energético, y el ambiental determinado en el numeral a), qué tipo de carbón recomendaría al gerente de la planta? Sustente su respuesta. Datos adicionales
Cpgas = 6,95 cal / mol.K (Corriente de gases de combustión) CpH2O (liq) = 1,00 cal / g.°C ΔHvap H2O = 500 cal/g Constantes de la ecuación de Antoine: A = 8,10765; B = 1750,286; C = 235 (Para el agua)
a) TURBA:
LIGNITO:
BITUMINOSO:
20,05 2 270, 3 219 2 185 2 2 270,0,302195 × 10 20,4250 2 271, 6 377 2 1564,58 2 2 271,0,6437725 × 10 20,40 2 2371,5615 1076,54 2 2 371,0,56154 × 10
20,15 2 364, 0 034 2 0, 1 5 412,08 2 2 364,0034 × 10 46,29℃ 760 1× ×0, 1 0176, 7 6 1 319,29723758465 270,3219 ×6,95 × ×[1,0 ℃ ×10022℃500 ]758465 1 60 1312,22 × 10 × 1 78,73 42,93℃ 271,6377 ×6,95 × 315,93723768500,13 ×[1,0 ℃ × 10022 ℃500 ]768500, 1 3 1 60 1329,58 × 10 × 1 79,77 40,37℃ 371,5615 ×6,95 × 313,377231057809,02 ×[1,0 ℃ ×10022℃500 ]1057809, 0 2 1 60 1830,12 × 10 × 1 109,81 31,69℃ 364,0034 ×6,95 × 304,697231058250,52 ANTRACITO:
b) TURBA:
LIGNITO:
BITUMINOSO:
ANTRACITO:
×[1,0 ℃ ×10022℃500 ]1058250, 5 2 1 60 1830,88 × 10 × 1 109,85 SO2 185 ppm 1564,6 ppm 1076,54 ppm 412,1 ppm
TURBA LIGNITO BITUMINOSO ANTRACITO
mH2O 78,73 Kg/min 78,77 Kg/min 109,81 Kg/min 109,85 Kg/min
Antracito tienes SO2 menor que 450 ppm y mH2O mayor que 79 Kg/min.
34. Un
proceso de generación de energía termoeléctrica utiliza como combustible carbón bituminoso, cuya composición química en peso se muestra a continuación: Elemento C H O N S Cenizas % en Peso 75,8 5,0 7,4 1,5 1,6 8,7 El carbón se quema a una rata de 500 g/s con un exceso de aire del 18% y una humedad de 0,038 moles de agua por mol de aire seco. El O2 sobrante de la combustión reacciona con el N2 disponible en el aire para formar monóxido de nitrógeno, según la reacción química:
2
Calcule la fracción molar de monóxido de nitrógeno (NO) en la corriente de gases de combustión. ESPECIE CO2 H2O SO2 N2 O2
Moles/s 31,58 20,38 0,25 164,19 6,65
2 2→ 2 6,65 moles/s CO2 H2O SO2 N2 NO
13,3 moles/s Moles/s 31,58 20,38 0,25 157,54 13,3
Y 0,14 0,09 0,0011 0,71 0,06
YNO=0,06 35. El
horno rotatorio de una planta productora de cemento se alimenta de gas propano (C 3H8) como combustible, a una rata de 500 g/s; la combustión ocurre con aire de humedad 0,0115 moles H2O/moles de aire seco y en exceso del 30%. Si los gases de combustión salen del horno a 700˚C y 1,25 atm, y su
energía es utilizada para generar vapor de agua como se muestra en la figura, determine el máximo flujo másico de vapor de agua que se puede generar en este intercambio de energía.
38 1 38 500 × 11, 3 6 38 44 38 5 2 → 3 2 4 20 ESPECIE CO2 H2Ocomb H2Ohum N2 O2 Total
Moles/s 3 4 0,35 24,45 1,5 33,3
ESPECIE CO2 H2Ocomb H2Ohum N2 O2 Total
Moles/s 34,08 45,44 4,04 277,78 17,04 378,38
1,25 × 7601 ×0,11750, 31124, 4 5 log124,458,10765 235286
56,10℃ 56, 378,38 ×6,95 × 1 07001693289, 3 1 ℃ 10020℃500 0,45 ℃ 2180100℃1693289,3 2748,85
Cualquiera de los tipos de carbón incluidos en la tabla mostrada a continuación se quema a un flujo másico de 345 g/s en una caldera de una planta termoeléctrica con un exceso de aire del 18%, y humedad de 0,030 moles de agua/mol de aire seco. Componente C H O N S Ceniza
a) b) c) d)
Composición en % en peso Turba Lignito Bituminoso Antracítico 57,0 55,0 75,8 82,1 5,5 4,4 5,0 2,3 31,0 13,0 7,4 2,0 1,5 1,0 1,5 0,8 0,2 1,7 1,6 0,6 4,8 24,9 8,7 12,2
¿Qué tipo de carbón produce la mayor cantidad de vapor de agua? ¿Qué tipo de carbón produce la mayor cantidad de dióxido de azufre? ¿Qué tipo de carbón produce la mayor cantidad de oxígeno sobrante? ¿Qué tipo de carbón produce la mayor cantidad de moles totales de gases de salida?
ESPECIE TURBA LIGNITO BITUMINOSO ANTRACITO CO2 16,39 15,81 21,79 23,60 H2Ocomb 9,49 7,59 8,62 3,97 H2Oaire 3,00 3,10 4,28 4,29 0,18 SO2 0,02 0,17 0,06 N2 79,25 81,75 113,29 113,01 O2 3,21 3,31 4,58 4,59 152,76 TOTAL 111,36 111,75 149,52 a) mayor cantidad de vapor de agua: BITUMINOSO b) mayor cantidad de dióxido de azufre: LIGNITO c) mayor cantidad de oxígeno sobrante: BITUMINOSO d) mayor cantidad de moles totales de gases de salida: BITUMINOSO 37. En
una planta termoeléctrica se utiliza carbón bituminoso como combustible para la caldera. En operación normal el carbón se quema con un exceso de aire del 18% cuya humedad es de 0,00942 moles de H2O / moles de aire seco. Como parte de un experimento de combustión, se almacenaron los gases producidos durante un segundo de reacción; para lo que se requirió de un tanque cilíndrico de 81,66 centímetros de diámetro y una altura de 1,5 metros, a una presión de 2 atmósferas y una temperatura de 80°C. Si de los gases contenidos en el tanque, el 0,11514% molar corresponde a SO2, determine el flujo másico de carbón bituminoso, en gramos por segundo, que se está quemando en operación normal en la planta.
38. Una
0, 8 166 10 42 ×785, ×1,5×6 1 785,6 0,082 × × ×353 54,28 11001514 2 0,0625 2 58,28 × 0,2→2 321 2 0, 0 625 × 2 × 100 1,6 125
caldera de generación de vapor de agua usa como combustible carbón mineral, el cuál se quema a una rata de 1440 kg/h, con un exceso de aire del 25% y una humedad de 0,02 moles de agua/mol de aire seco. Del análisis de los gases de combustión se obtuvo como resultado un contenido d e agua total (como producto de combustión y como humedad en el aire) de 876,096 kg/h, una temperatura de rocío correspondiente al agua en esta corriente de gases de 40,74°C, y una presión total de los gases de 105325 Pa. Los gases provenientes de la caldera se enfrían hasta la temperatura de rocío, utilizando agua como refrigerante, la cual entra al sistema de intercambio de calor a una temperatura de 25°C, y sale como vapor saturado. El flujo de agua que entra al intercambiador es de 102,1416 L/min. Una vez los gases se han enfriado hasta la temperatura de rocío, su presión total se reduce a 1 atm.
Con base en esta información, responda las siguientes preguntas: 1. ¿A qué temperatura (en grados centígrados) entran los gases de combustión al sistema de enfriamiento? 2. Con el fin de transportar la corriente de gases hacia un sistema de control atmosférico que causa una caída de presión en la línea de 30 kPa, se cuenta con un ventilador con una eficiencia del 85%. Determine la potencia requerida (en kW) para operar este equipo. Datos importantes Constantes de la Ecuación de Antoine (para el agua): A = 8,10765 B = 1750,286 C = 235,0 CpH2O liq = 1,0 cal/g.°C CpH2O vap = 0,45 cal/g.°C λvap H2O = 500 cal/g CpGases comb. = 6,95 cal/mol.K
102,1416 ×101 × 11 × 160 ×[1,0 ℃ ×10025℃500 ] 978857 1750,74235 286 log 8, 57,10765 40, 55
790 105325 ×57,5760101325 0, 0 73 7905 2 1 ℎ 10 1 2 2
876,096 ℎ ×3600 2 × 1 1× 18 213, 52 13,52 × × 0,073×∆185,2
313, 978857 185, 2 ×6, 9 5 7 4 × 1074,23801,23℃
39. Determine
la temperatura adiabática de llama que se alcanzaría al quemar 0,8 ton/día del carbón de su preferencia, con un exceso de aire del 12% y una humedad de 0,0967 moles de H 2O/mol de aire seco. Escoja el tipo de carbón de la siguiente tabla: Componente C H O N S Ceniza
Turba: Liginito: Bituminoso: Antracito:
Composición en % en peso Turba Lignito Bituminoso Antracítico 57,0 55,0 75,8 82,1 5,5 4,4 5,0 2,3 31,0 13,0 7,4 2,0 1,5 1,0 1,5 0,8 0,2 1,7 1,6 0,6 4,8 24,9 8,7 12,2
F0, 8 tdiona × 101 × 124ℎ × 36001 ℎ 9,26 T 6520,67℃ T 6340,29℃ T 6207,54℃ T 5811,90℃
40. Una
planta termoeléctrica de baja capacidad utiliza carbón turba como combustible para generar, por medio de intercambio de calor, el vapor de agua que impulsa las turbinas de la planta. La eficiencia del proceso es de 548,10 megavatios producidos por cada kilogramo de vapor de agua que entra a las turbinas en un segundo.
El proceso de intercambio de calor se realiza entre la corriente de gases de combustión, la cual se enfría hasta su temperatura de rocío, y una corriente de agua líquida que entra a temperatura ambiente (27°C) y sale como vapor de agua a 105°C.
La composición química de la turba se muestra en la siguiente tabla: Sustancia
Porcentaje en peso (Base seca)
C H O N S Cenizas
57,0 5,5 31,0 1,5 0,2 4,8
El valor calorífico o calor máximo generable por la combustión de la turba, en unidades de BTU/lb, se puede calcular por medio de la siguiente ecuación:
Donde:C : Fracción en peso de carbono H : Fracción en peso de hidrógeno O: Fracción en peso de oxígeno S: Fracción en peso de azufre 1) Si del calor total generable por la combustión de carbón turba solo el 60% es transferible durante el proceso de intercambio de calor con el agua, calcule la cantidad de turba en g/s, requerida para generar 700 MW en un segundo. 2) Determine la temperatura de rocío de la corriente de gases de combustión. El combustible se quema con un exceso de aire del 15%, cuya humedad es de 0,022 moles de agua por mol de aire seco, y los gases de combustión se mantienen a una presión constante de 795 mmHg.
Datos adicionales:
CpH2Ogas= 0,45 cal/g.°C; CpH2Oliq= 1,00 cal/g°C; Cpgas = 6,95 cal / mol.K; ∆Hvaporización H2O = 500 cal/g A = 8,10765; B = 1750,286; C = 235 (Para el agua)
1)
9789,33 × , × 438,52 700 ×1 2 1, 2 8 548 10 1,28 × 1 ×[1,0 ℃ ×10027℃500 0,45 ℃ 105100℃] 736320 736320× 10060 1227200 548 KW - 1 Kg/s 700 KW - x
2)
1227200 5438,52 225,65
45,04℃
41. Como
ingeniero ambiental, el jefe de una planta termoeléctrica le asigna la tarea de escoger la mejor alternativa de combustible entre carbón bituminoso y carbón turba, en términos de cumplimiento de los estándares de calidad de aire. La caldera donde ocurre la combustión está diseñada para operar con un flujo másico de carbón de 1260 kg/h, exceso de aire del 17,2% y una humedad de 0,0091 moles de H2O/mol de aire seco. Asumiendo el peor escenario, debe realizar sus cálculos suponiendo que todo el oxígeno sobrante reacciona con el nitrógeno a altas temperaturas dentro de la cámara de combustión, para formar óxido nítrico, según la reacción química:
→2
De manera tal que los productos de combustión van a incluir: Especie Flujo molar (moles/s) CO2 H2O N2 NO SO2
Fracción molar
1) Completar la tabla para cada uno de los tipos de carbón. 2) Determinar la temperatura de rocío del agua para cada uno de los tipos de carbón.
1)
Especie
Carbón turba (% Peso)
Carbón bituminoso (% Peso)
C H O N S Ceniza
57,0 5,5 31,0 1,5 0,2 4,8
75,8 5,0 7,4 1,5 1,6 8,7
1260 × × 350
Especie CO2 H2O N2 O2 SO2
TURBA 16,62 10,54 79,85 3,11 0,02
2 2 → 2 Turba:
3,11 moles
6,22 moles
BITUMINOSO 22,11 10,06 114,15 4,45 0,17
Especie CO2 H2O N2 NO SO2
Flujo molar (moles/s) 16,62 10,54 76,74 6,22 0,02
Fracción molar 0,15 0,09 0,69 0,06 0,00018
Flujo molar (moles/s) 22,11 10,06 109,7 8,9 0,17
Fracción molar 0,15 0,07 0,73 0,06 0,0011
2 2 → 2 Bituminoso: 4,45 moles
8,9 moles Especie CO2 H2O N2 NO SO2
2)
45,23℃ 38,36℃ Turba:
Bituminoso:
42. Una
planta termoeléctrica utiliza carbón como combustible para la caldera. Esta caldera está diseñada para operar con un flujo de carbón de máximo 0,915 kg/s, con un exceso de aire del 23% y una humedad de 0,082 moles de agua por mol de aire seco. Hay disponibles cuatro tipos de carbón (referirse a la tabla), para los cuales debe determinar: a) Composición de los gases de combustión b) Flujo molar total de los gases de combustión c) Concentración de SO2 en ppb d) La nueva composición de los gases de combustión, si el 74% del oxígeno sobrante reacciona con el nitrógeno disponible para formar óxido nitroso, según la reacción:
∆ →2
Componente C H O N S Ceniza
Turba 57,0 5,5 31,0 1,5 0,2 4,8
Composición en % en peso Lignito Bituminoso Antracítico 55,0 75,8 82,1 4,4 5,0 2,3 13,0 7,4 2,0 1,0 1,5 0 ,8 1,7 1,6 0,6 24,9 8,7 12,2
915 10 0,915 × 1
a) ESPECIE CO2 H2O N2 O2 SO2
TURBA FLUXO Y 43,46 0,14 47,85 0,15 219,06 0,68 10,86 0,03 0,06 0,0002
LIGNITO FLUXO Y 41,94 0,13 43,55 0,13 226 0,70 11,22 0,03 0,49 0,0015
BITUMINOSO FLUXO Y 57,80 0,13 55,33 0,125 313,18 0,71 15,54 0,035 0,46 0,001
ANTRACITO FLUXO Y 62,60 0,14 42,92 0,10 312,42 0,72 15,52 0,036 0,17 0,0004
b) TOTAL
TURBA 321,30
LIGNITO 323,19
BITUMINOSO 442,31
ANTRACITO 433,63
c)
, × 200000 2 ,, × 1500000 2 0,0004 2× 10 1000000 2 × 1 400000 2 10, 86 ×0, →748,202 11, 2 2 ×0, 7 48, 3 0 → 2 15, 5 4 ×0, 7 411, 5 0 → 2 15, 5 2 ×0, 7 411, 4 8 → 2 d) Turba:
8,02 moles Lignito:
16,04 moles
8,30 moles Bituminoso:
16,60 moles
11,50 moles Antracito:
11,48 moles ESPECIE CO2 H2O N2 O2 NO SO2 Total
23,0 moles
22,96 moles TURBA LIGNITO FLUXO Y FLUXO Y 43,46 0,135 41,94 0,13 47,85 0,149 43,55 0,135 211,04 0,657 217,7 0,673 2,82 0,00878 2,92 0,00913 16,04 0,05 16,6 0,051 0,06 0,00019 0,49 0,00152 321,30 323,19
BITUMINOSO FLUXO Y 57,80 0,131 55,33 0,125 301,68 0,682 4,04 0,00913 23,0 0,052 0,46 0,00104 442,31
ANTRACITO FLUXO Y 62,60 0,144 42,92 0,10 300,94 0,694 4,04 0,00932 22,96 0,053 0,17 0,000392 433,63
La caldera de una planta de elaboración de harinas para concentrados de animales utiliza carbón bituminoso como combustible. Esta caldera fue diseñada para operar con un flujo de combustible de 9 ton/h, el cual se quema con un exceso de aire del 14%, y una humedad de 0,089 moles de H 2O/mol de aire seco. Los gases de combustión salen a una presión de 105,058 kPa y a una temperatura considerablemente alta, por lo cual es recomendado enfriar esta corriente antes de pasar a un sistema de control de emisión de contaminantes atmosféricos. Como fluido frío se dispone de una corriente de agua con un flujo de 170,856 L/min a 20°C, que después del proceso de intercambio de calor, sale como vapor saturado. a) Si en estas condiciones la corriente de gases se puede enfriar hasta una temperatura de 70°C, determine la temperatura de los gases de combustión directamente en la salida de la caldera. b) Para vencer una caída de presión de 43,5 kPa causada por el sistema de control de emisión de contaminantes atmosféricos se cuenta con un ventilador de 2,65 MW de potencia que estaba almacenado en la bodega de la fábrica. ¿Cuál es la eficiencia mínima requerida para operar este ventilador para que cumpla con su propósito?
43.
Composición en base seca del carbón bituminoso
Sustancia
Porcentaje en peso (en base seca)
C H O N S Ceniza
75,8 5,0 7,4 1,5 1,6 8,7
Cp H2O(L) = 1,00 cal/g.°C Cp H2O(G) = 0,45 cal/g.°C ΔHvap H2O = 500 cal/g Cp Gases de combustión = 6,95 J/mol.K
a)
9 × × 25001 10 1 170,856 × 60 × 1 × 1 ×[1,0 ℃ × 10020℃500 ] 1651608 1651608 1129,81280, 824 32℃×6,95 × 701
b)
× 1 1129, 8 824 ×0, 0 82 ×343× 788 ×× 1760 10 30,65
×43500 30, 6 5 2,65×10 0,5031 44. El
carbón “antracita” presenta el siguiente análisis último en base seca: Sustancia
Porcentaje en Peso
C 82,1 H 2,3 O 2,0 N 0,8 S 0,6 Ceniza 12,2 El calor generado por este carbón al quemarse (Valor Calorí fico) se puede calcular mediante la ecuación: O BTU 62028 H 14544C 4050S 8 lbm
ValorCalor ífico
Donde C, H , O y S: Fracciones en peso de cada elemento Suponga que la antracita se quema con un exceso de aire del 25%, cuya humedad es de 0,030 (moles H2O / moles Aire seco) y que las reacciones de combustión que ocurren son:
El nitrógeno presente en el combustible sale en la corriente gaseosa como N 2. Los gases de combustión transportan el calor producido al quemar el carbón, por lo tanto se encuentran a altas temperaturas. Para que la corriente de gases sea tratada por medio de un sistema de control de material particulado debe impulsarse primero a través de un ventilador; si los gases entran muy calientes a este equipo la potencia requerida para que funcione correctamente será muy grande, por lo que es necesario enfriarlos antes hasta una temperatura no menor a la de rocío. Para cumplir con este propósito, la corriente de gases de combustión se debe hacer pasar inicialmente por una etapa de intercambio de calor (aprovechando la energía preferiblemente). En el caso en cuestión, los gases pasan por un intercambiador en el cual se usa agua como refrigerante para producir vapor, el cual puede ser usado después en múltiples aplicaciones. La presión a la cual salen los gases del quemador es de 106 kPa. Determine: A. Cantidad requerida de carbón “antracita” (en g/s) que se debe quemar para calentar 1030,320 g/s de agua de 20°C a 100°C, si en el intercambiador los gases solo pierden el 50% del calor producido por la quema del carbón “antracita”.
B. Temperatura de rocío de los gases de combustión. C. Temperatura de los gases de combustión a la salida del horno (antes de entrar al intercambiador). Información adicional: ; A = 8,10765, B = 1750,286, C = 235 ∆Hvaporización del agua = 500 cal/g; C p agua = 0,45 cal/g.°C; C p Gases = 0,236 cal/g.°C
2 BTU = 252 cal; 1 lb = 453 g; 760 mmHg = 101,325 kPa
]82425,6 1030,32 ×[1,0 ℃ ×10020℃500 13236, 50100 × 453,1 6 ×2521 7353,61 82425,6 × 50 164851, 2 164851, 2 22, 4 2 7353, 6 1 35,× 24℃ ×∆ 10,2838 ×6,95 × 35,240 82425, 6 1188,49℃ a)
b) c)
45. La
turba es un tipo de carbón utilizado ampliamente en procesos de generación de calor debido a su alto poder calorífico. El análisis último en base seca para la turba presenta los siguientes datos: Sustancia
Porcentaje en Peso
C H O N S Ceniza
57,0 5,5 31,0 1,5 0,2 4,8
El calor generado por este carbón se puede calcular mediante la ecuación:
Donde:
C : Fracción en peso de carbono H : Fracción en peso de hidrógeno O: Fracción en peso de oxígeno S: Fracción en peso de azufre
Suponga que se queman 100 g/s de turba con un exceso de aire del 25% cuya humedad es de 0,035 (lb H2O / lb Aire seco) y que las reacciones de combustión que ocurren son:
El nitrógeno sale en la corriente gaseosa como N 2. Después de salir del quemador, los gases se deben enfriar notablemente antes de entrar a un ventilador que los impulsa a través de un sistema de control de PM. Una vez sale del ventilador, la corriente gases se encuentra a una presión total de 105 kPa. Determine: 1. Temperatura de rocío de los gases, o temperatura máxima a la cual se deben enfriar.
2. Temperatura de los gases a la salida del horno. 3. Flujo másico de agua necesario para enfriar los gases hasta la temperatura de rocío, si ésta entra líquida a 25°C y sale como vapor a 100°C. Información adicional:
Para el Agua:
; A = 8,10765, B = 1750,286, C = 235 ∆Hvaporización = 500 cal/g; C p = 0,45 cal/g.°C Para la corriente de gases:
C p = 6,95 cal/mol.K
49,01℃ 9306,14 100 ×453,1 6 × 2521 5170,08 5170,08 × 517007, 7 8 517007,78 34,2020 ×6,95 × 49,01 2224,02℃ 517007,78 ×[1,0 ℃ ×10025℃500 ] 899,14 a) b)
c)
3. Sistema de Control Atmosféri co 46.
El horno rotatorio de una planta productora de cemento se alimenta de gas propano (C 3H8) como combustible, a una rata de 500 g/s; la combustión ocurre con aire de humedad 0,0115 moles H 2O/moles de aire seco y un exceso del 30%. Los gases de chimenea se encuentran a una presión de 1,25 atmósferas y una temperatura de 120˚C y transportan material particulado de tres tamaños con una concentración de 0,02562 kg PM/m3 de gas, distribuidos como se muestra en la t abla:
Diámetro de partícula (μ)
1 5 15
Porcentaje en peso 30 30 40
Para controlar la emisión de PM a la atmósfera se cuenta con los siguientes equipos:
a) Un ciclón de diseño convencional, de ancho a la entrada, wi = 1 ft y número de vueltas dentro del ciclón, N = 5.
b) Un ciclón de diseño convencional, de ancho a la entrada, wi = 0,5 ft y número de vueltas dentro del ciclón, N = 5. c) Un precipitador electrostático (ESP) de intensidad de campo, E = 500 kV/m, longitud del área de captación, L = 5 m, y altura del área de captación, h = 3 m. 1.1 Si se tiene la posibilidad de arreglar los equipos de cualquier forma según su criterio, es decir, en serie, paralelo, operarlos individualmente, etc. ¿Cuál será la mayor eficiencia de captación alcanzable?
1.2 Si los gases de combustión salen del horno a 700˚C y su energía es utilizada para generar vapor de agua como se muestra en la figura:
H2O(g) t2 = 180˚C
Gas T1 = 700˚C
Gas T2 = Trocío
H2O(l) T1 = 40˚C
Determine el máximo flujo másico de vapor de agua que puede generar la quema de 500 g/s de propano. Datos adicionales
Densidad de partícula, ρ p = 2000 kg/m3 Viscosidad del aire, μf = 1,8 x 10-5 kg/m.s Constante dieléctrica de partícula, ε = 6 Permitividad del espacio libre, ε0 = 8,85 x 10-12 C/V.m 1 ft = 0,3048 m 1 lb = 453 g 1 min = 60 s ΔHvH2O = 500 cal/g CpGas = 6,95 cal/mol.K CpH2O = 0,45 cal/g.°C v
log 10 P
A
B T C
;
Donde pv : Presión de vapor parcial del agua (mmHg) T = Temperatura de rocío (°C) A = 8,10765, B = 1750,286, C = 235
Q sensibl e m C p T fina l T inicial .
(Calor sensible)
.
Qlatente 1.1.
m H
vaporización
(Calor latente)
La mejor manera de de arreglar los equipos es en serie.
47. Un proceso de generación de energía termoeléctrica
utiliza como combustible carbón bituminoso, cuya composición química en peso se muestra a continuación: Elemento % en Peso
C 75,8
H 5,0
O 7,4
N 1,5
S 1,6
Cenizas 8,7
El carbón se quema a una rata de 500 g/s con un exceso de aire del 18% y una humedad de 0,038 moles de agua por mol de aire seco. Los gases de combustión del carbón salen del proceso a una presión total de 1,093 atm y se enfrían hasta su punto de rocío. El O2 sobrante de la combustión, reacciona con el N 2 disponible en el aire para formar monóxido de nitrógeno, según la reacción química:
→2
1) Calcule la fracción molar de monóxido de nitrógeno (NO) en la corriente de gases de combustión. 2) Con el fin de minimizar las emisiones de partículas a la atmósfera por el proceso en cuestión, se piensa instalar un dispositivo de control. Las alternativas son un separador ciclónico, o un ESP (Precipitador electrostático). Las caídas de presión generadas por estos dispositivos son: 15,8 kPa para el ciclón, y 10,5 kPa para el ESP. Si cuenta con un ventilador de eficiencia 80%, calcule el requerimiento de potencia, en kW, para cada caso (ciclón ó ESP). 3) El material particulado generado en este proceso de combustión corresponde a las cenizas o material inerte presente en la composición química del carbón. Un análisis de granulometría de las partículas presentes en la corriente de gases arrojó lo s siguientes resultados: Tamaño (µ) 1,8 5,2 20,4
% en Peso 25,0 40,5 34,5
Las dimensiones y condiciones de operación del ciclón son: N = 5 (Número de vueltas que da la corriente de gases dentro d el ciclón) Vc = 60 ft/s (Velocidad tangencial de la corriente de gases dentro del ciclón) wi = 15 cm (Ancho de la entrada del ciclón) Las dimensiones y condiciones de operación del ESP son: A/Q = 6 s/m (Relación entre área de captación del ESP y flujo volumétrico de gases) ε=6 (Resistividad eléctrica de las partículas) E = 200 kV/m (Intensidad de campo eléctrico) La densidad promedio de las partículas es de 1500 kg/m 3 y la viscosidad del aire 1,8 x 10-5 kg/m.s. Utilizando como criterio de diseño que el flujo es mezclado para cualquiera de los casos, determine cuántas etapas iguales en serie se requieren de cada equipo por separado para lograr una eficiencia total de captación de material particulado superior al 70%. 1) Especie CO2 H2O SO2 N2
Flujo 6,3167 4,0770 0,05 32,8378
Y 0,1416 0,0914 0,0011 0,7361
O2 Total
1,3294 44,6108
0,0298 1
→2
1,33 moles 2,66 moles Especie CO2 H2O SO2 N2 NO Total
Flujo 6,3167 4,0770 0,05 31,51 2,66 44,6108
Y 0,1416 0,0914 0,0011 0,7062 0,0596 1
0,0596
×, × ××,+× , 1, 0 68 ,
2)
Ciclón:
ESP:
3)
×1,068 15, 8 ×10 0,8 21,094 ×1,068 10, 5 ×10 0,8 14,017
60 × 0,31048 18,288
Ciclón:
ciclón
1 e
N . .V c . D p2 . p 9. wi . f
× ×, × −[ ] ×, ×, × 0,71e 8,247×10−8,25 0, 70, 1e2− 0 6 − ×62 ×8, 8 5×10 ×200000 0,20 1,8×10−
ESP:
13,56
48. Se
quiere diseñar un sis tema de control de material particulado por etapas utilizando la misma unidad (es decir, la eficiencia de colección para cada tamaño de partícula es la misma en todas las unidades). La corriente de gases contiene principalmente tres tipos de material particulado, y la unidad de control presenta las siguientes características: Tamaño Pequeño Mediano Grande TOTAL Eficiencia de la etapa
m0 (g/s) Penetración 62,50000 0,35000 75,00000 0,15000 112,50000 0,05000 250,00000
m1 (g/s) 21,87500 11,25000 5,62500 38,75000 84,50%
Donde m0 es el flujo másico de material particulado que entra a la etapa 1, y m1 es el flujo másico de material particulado que sale de la etapa 1. Calcule el número de unidades que se requieren para lograr un sistema de control cuya penetración total sea 2 x 10-5.
49. En
− 3, 2 ×10− ñ0,352×10 62,3,5 2 ×10− 14,24
un horno crematorio se están haciendo pruebas para determinar la efectividad de un sistema de control de dos etapas para material particulado como se muestra en la figura. El combustible utilizado en el horno es propano (C 3H8) alimentado con un flujo de 100 g/s. Los gases de combustión (sólo aquellos producidos por la combustión del propano; los producidos por la cremación del cuerpo humano se desprecian) son conducidos por un ducto hasta un intercambiador de calor donde se enfrían hasta su temperatura de rocío. El líquido refrigerante es agua, que entra a 28ºC y sale como vapor a 120ºC a una rata de 2000 g/s.
m Agua 120C
mG T1
mG TRocío
m Agua 28C
Caída de Presión = 12 kPa
65% Grande 35% Pequeño
Presión = 115 kPa
pg1 = 0,05 pg2 = 040
pg2 = 0,06
2/3 n
pp2 = 0,20
Horno
1/3 n
100 g C3H8 / s
Una vez la corriente gaseosa sale del intercambiador de calor es impulsada por un ventilador a través del sistema de control; después de salir de esta etapa, 2/3 de la corriente se emite por la chimenea mientras el 1/3 restante es recirculado al horno con el propósito de recuperar la máxima cantidad de combustible. 1) Para el primer ciclo, es decir, sin incluir aún el gas de recirculación determine: a) Flujo molar (n) b) Peso molecular promedio del gas (M) c) Temperatura de rocío del gas d) Temperatura de los gases a la salida del horno
I nformación adicional:
Presión de los gases a la salida del horno = 115 kPa Se supone combustión completa del propano. La combustión se da con un exceso de aire del 20%, cuya humedad es de 0,010 moles de H2O / moles de aire seco Pesos atómicos: C = 12 g/mol; H = 1 g/mol; O = 16 g/mol; N = 14 g/mol Cpagua= 0,45 cal / g.°C; Cpgas = 6,95 cal / mol.K: ∆Hvaporización H2O = 500 cal/g
P H 2O
log 10 P H 2O
P total y H 2O
A
.
B T rocío
C
C p T final T inicial
Q sensible
Qlatente m H vaporización
m
A = 8,10765; B = 1750,286; C = 235 (Para el agua) (Calor sensible)
.
(Calor latente)
2) El material particulado se genera por la incineración de cuerpos humanos. En un tiempo de un segundo, el flujo másico (g/s) de material particulado corresponde al 0,25% de la masa de cuerpos
humanos cargada en el horno. El sistema de control de material particulado consta de dos etapas, como se muestra en la figura. El material particulado se encuentra repartido básicamente en dos tamaños: Grande (g) y pequeño (p). La primera etapa tiene una penetración para PM grande de 0,05 y para PM pequeño de 0,40; la segunda etapa tiene una penetración para PM grande de 0,06 y para PM pequeño de 0,20. Si se carga el horno con un cuerpo de 80 kg de peso y a la entrada del sistema de control hay un 65% de PM grande y un 35% de PM pequeño: a) Complete la siguiente tabla b) Determine la eficiencia total, y las eficiencias de las etapas 1 y 2 Tamaño Entrada a etapa 1 Penetració (g/s) n Grande Pequeñ o TOTAL
Salida de etapa 1 Entrada a etapa 2 (g/s)
Penetració n
0,05 0,40
Salida de etapa 2 (g/s)
0,06 0,20
3) Como se observa en la figura, la corriente de gases se divide en dos. Dos tercios de la corriente se lleva a la chimenea, mientras un tercio se recircula al horno. Esto quiere decir que en cada ciclo se .
aumenta el flujo molar en 1/3 con respecto al del anterior.
n ciclo1
1 n ciclo n ciclo . Para impulsar 3 .
.
0
0
los gases a través del sistema de control se hacen por pasar por un ventilador cuya eficiencia es del 85%. La caída de presión causada por el sistema de control es de 12 kPa. En caso de superar la potencia del ventilador simplemente se cierra la válvula de gas de recirculación y se envía toda la corriente hacia la chimenea. Si se cuenta con una potencia del ventilador de 35 MW, después de cuántos ciclos se debe cerrar la válvula de gas de recirculación?
I nformación adicional: .
n RT
Flujo volumétrico (m3/s)
Q
R = 8314 Pa.m3 / mol.K
Potencia
P
Q P
1.
∆P : Caída de presión (Pa o N/m 2) ŋ : Eficiencia
100 × 2,273 38 Especie CO2 N2 O2 H2O Total
Flujo 3 22,57 1 4,286 30,856
a) Fluxo molar = 70,136 moles/s
Flujo 2 6,819 51,302 2,273 9,742 70,136
Y 0,097 0,731 0,032 0,139 1
115 × , 7 286 862,51750, 862,352℃7×0,139 8,10765 235 log55, 2000 ×1 ℃ ×10028℃500 0,45 ℃ 120100℃ 1162000 ×6,95 × × 55,32 116200070, 1 36 2439,18℃ 80 ×0, 2 520 20 ×0, 6 513 ñ20 ×0, 3 57
b) Peso molecular = (44×0,097)+(28×0,731)+(32×0,032)+(18×0,139)=28,262 g/mol c)
d)
2.
a)
Tamaño Entrada a etapa 1 Penetració (g/s) n Grande 13×103 Pequeñ 7×103 o TOTAL 20×103
0,05 0,40
Salida de etapa 1 Entrada a etapa 2 (g/s) 650 2800 3450
Penetració n
Salida de etapa 2 (g/s)
0,06 0,20
39 560 599
b) N1=82,75% N2=82,64% Ntotal=97%
3.
×0, 8 5 2479,17 35×10 12×10 2479,× 17 ×115000 8314 ×328,32 104,45 × 70,136 1 70,136 70,136 1 × 393,515 93,515 93,515 × 3124,68 >104,45
Despues de 2 ciclos debe cerrar la valvula. 50. Una
termoeléctrica que utiliza calderas a carbón cuenta con varios precipitadores electrostáticos (ESP) de características y diseño iguales que pueden operar en serie. El material particulado generado por la combustión del carbón se reparte en tres tamaños de partícula, tal y como se observa en la siguiente tabla: Tamaño de partícula (μ)
2 5 15
Porcentaje en peso 30 40 30
La relación entre el flujo volumétrico y el área de colección de cada uno de los ESP (Q/A) tiene un valor de 0,195764 m/s, y para cenizas de carbón de tamaño de partícula 2μ, el valor típico de la velocidad de deriva (w) es de 0,33 ft/s. Teniendo en cuenta que para cualquier ESP se cumple:
2 0 E 2
D w
F
1 e
Aw Q
Siendo: w: Velocidad de deriva (m/s) D: Diámetro de partícula (m) ε: Constante dieléctrica ε0: Permitividad en el espacio libre: 8,85 x 10 -12 C/(V.m) E: Intensidad de campo (V/m) μF: Viscosidad del aire: 1,80 x 10 -5 kg/m.s η: Eficiencia del ESP
Determine el número de unidades de ESP que se deben operar en serie para lograr una eficiencia global del sistema mayor o igual al 95%.
2 0,433 × 0,31048 0, 100 − 428,85×10− .× 2×10 1,8×10− . 0,100 390566, 7 3 , − 1 , 0,6 4 − 42 − . ×390566,73 5×10 8, 8 5×10 0,25 1,8×10− .
Para D=2µm:
Para D=5µm:
1−,, 0,72 4 − 42 − . ×390566,73 15×10 8, 8 5×10 0, 7 5 − 1,8×10− ,. 1 , 0,978
Para D=15µm:
Es necesario n>0,95, entonces: Salida 1: (30×0,4)+ (40×0,28)+ (30×0,022)=23,86 n1=1- (23,86/100)=0,7614 Salida 2: (30×0,4 2)+ (40×0,28 2)+ (30×0,022 2)=7,95 n1=1- (7,95/100)=0,9205 Salida 2: (30×0,4 3)+ (40×0,28 3)+ (30×0,022 3)=2,798 n1=1- (2,798/100)=0,97 Es necesario 3 unidades de ESP en paralelo. 51. En
una planta termoeléctrica se utiliza carbón bituminoso como combustible para la caldera. Sustancia
Porcentaje en peso (en base seca)
C H O N S Ceniza
75,8 5,0 7,4 1,5 1,6 8,7
En operación normal el carbón se quema con un exceso de aire del 20% cuya humedad es de 0,030 moles de H2O / moles de aire seco. Como parte de un experimento de combustión, se almacenaron los gases producidos durante una hora de reacción; para lo que se requirió de un tanque esférico de 13,6346 metros de diámetro, a una presión de 10 atmósferas y una temperatura de 60°C. a) Si de los gases contenidos en el tanque, el 14,036% molar corresponde a CO 2, y el poder calorífico del carbón bituminoso es de 13600 BTU/lb, determine la cantidad de calor, en calorías por segundo, que se puede generar en operación normal en la planta.
b) La caldera produce vapor de agua a 120°C a partir de agua líquida a 40°C, por medio de contacto indirecto con los gases de combustión del carbón bituminoso. En operación normal, ¿Cual será la máxima masa de vapor, en gramos, que se puede generar en un segundo? a)
1327,17 43 ×13,6346 2
× 1 ℎ ×10 10 ×1327, 1 7 ℎ 3600 1 0,082 × 135, 0 1 × ×333 × 453,1 6 × 2521 7555,5 13600 ×6,95 × × 609532838,75 135, 0 1 32838,75 ×[1 ℃ ×10040℃×500 ×0,45 ℃ ×120100℃] 57,715
b)
52. Se
construyeron las curvas de Log Velocidad Terminal de Sedimentación Vs. Log Diámetro de Partícula para partículas de densidades de 1500, 3000 y 3500 kg/m 3, como se muestra en la figura: l a ni mr r
et d
Curva 1
a di c
Curva 2
lo e V g
Curva 3
o L
Log Vt1
Log Vt2 Log Vt3
Log Diámetro Mínimo 1, 2 y 3
Log Diámetro de partícula
Log Diámetro Máximo 1
Log Diámetro Máximo 2
Log Diámetro Máximo 3
a) Identifique las curvas 1, 2 y 3 con cada densidad de partícula. b) Basado en los datos de la curva mostrados en la tabla, determine el diámetro de partícula mínimo para las curvas 1, 2 y 3.
Dato
Valor
Log Vt1 Log Vt2 Log Vt3
-3,1795 -3,2465 -3,5477
Fórmulas y datos: Ley de los gases ideales PV Volumen de una esfera V
nRT donde
D
R = 0,082 atm.L/K.mol
3
6
m C T .
Calor sensible Q sensib le
p
fin al
T inicial
.
Calor latente Qlatente m H vaporización Cpagua= 0,45 cal / g.°C; ∆H vaporización H2O = 500 cal/g Pesos atómicos: C = 12 g/mol; H = 1 g/mol; O = 16 g/mol; N = 14 g/mol; S = 32 g/mol Velocidad Terminal según la Ley de Stokes Vt Donde: g = 9,81 m/s2 D p = Diámetro de partícula en metros Ρ p = Densidad de partícula en kg/m 3 μG = Viscosidad del aire, 1,8 x 10-5 kg/m.s
gD p2 p
18 G
a) Curva 1: 2500 kg/m3 Curva 1: 3000 kg/m3 Curva 1: 1500 kg/m3 b)
l16, og13, 1 795 − 6 145×10 l25, og23, 2 465 − 6 689×10 l2,og33, 5 477 8333×10− , 8 1 × ×3500 6,6145×10− 9 18×1,8×10− .m 2, 5, 8×101 −× ×3000 8×10− m 5,6689×10− 9 18×1, 2, 5, 8×101 −× ×1500. 8×10− m 2,8333×10− 9 18×1, 2, 5 ×10− .
Diametro=2,5µm
53. La tabla a continuación muestra las composiciones en peso de carbón antracita y de madera
de abeto. Elemento C H O N S Cenizas
Porcentaje en peso Carbón antracita Madera de abeto 82,1 52,3 2,3 6,3 2,0 40,5 0.8 0,1 0,6 0,0 12,2 0,8
Un tren a vapor utiliza como combustible carbón antracita, el cual se quema con un exceso de aire del 20% y una humedad de 0,03 moles de agua por mol de aire seco.
1) Si en estas condiciones el tren se desplaza a una velocidad de 11 m/s y en un segundo de combustión del carbón se generan 34,21 moles de CO2, ¿Cuántas toneladas de carbón antracita se gastarán para cubrir un trayecto de 650 km? 2) Después de haber cubierto buena parte del trayecto, los operarios notan que solo cargaron 20 toneladas de carbón, y desafortunadamente no hay un lugar en la vía donde puedan parar a abastecerse de más combustible. Solo hay bosques de abetos a lado y lado de la ferrovía. Cuando se quema ésta madera en las mismas condiciones y a la misma rata másica (g/s) con que se quema el carbón, se genera la energía suficiente para desplazar el tren solo un 42,18% de la longitud que avanzaría si el combustible fuera carbón antracita. ¿Con cuántas toneladas de madera de abeto deberían abastecerse para alcanzar su destino? 3) El valor calorífico para casi cualquier combustible sólido se puede determinar mediante la siguiente relación: O BTU 62028 H 14544C 4050 S 8 lbm
ValorCalor ífico
Donde C, H, O y son las fracciones en peso de cada elemento respectivamente. Para que las emisiones producidas por la locomotora estuvieran dentro de los límites permisibles, se instaló un sistema de control de partículas, que como cualquier sistema de control atmosférico, cuenta con un ventilador. Con el fin de minimizar el requerimiento de potencia para este equipo, los gases de combustión deben enfriarse hasta alcanzar su temperatura de rocío antes de entrar a él. Del calor total generado por la quema de carbón antracita a la misma rata másica calculada en los numerales anteriores, el 8,673% equivale al valor de calor perdido por los gases de combustión cuando se enfrían hasta su temperatura de rocío, siempre y cuando se utilice como refrigerante agua. Los gases de combustión salen a una presión de 106 kPa. a) Si el agua entra al intercambio de calor a una temperatura de 30°C y sale a 100°C como vapor saturado o en equilibrio, determine la cantidad de vapor de agua, en g/s, que se generará en este proceso. b) Si se utiliza la misma rata másica de madera de abeto calculada anteriormente y el proceso de intercambio de calor sucede exactamente a las mismas condiciones del refrigerante calculadas en el numeral a), ¿En qué caso (cuando se quema madera o cuando se quema carbón) salen más fríos los gases de la cámara de combustión (entran al intercambio de calor)? Justifique su respuesta determinando las temperaturas iniciales de los gases de combustión para cada caso. 4) Si el ventilador del sistema de control tiene una eficiencia del 90% y el sistema de control opera con una caída de presión de 11 kPa, ¿En qué caso (cuando se quema madera o cuando se quema carbón) sería menor el requerimiento de potencia del equipo? 5) El sistema de control instalado en la locomotora consta de dos etapas. a) Asumiendo que el combustible utilizado es carbón antracita a la misma rata másica de los numerales anteriores y que el material particulado generado corresponde a las cenizas contenidas en el carbón, complete la siguiente tabla:
Tamaño Porcenta Masa de
Penetraci Masa de Penetraci Masa de Porcenta
de
je en
entrada
ón etapa
entrada
ón etapa
salida de
je en
partícula
peso
a etapa
1
a etapa
2
etapa 2
peso
(μ)
(a la
1
(g/s)
(a la
entrada)
(g/s)
2 (g/s)
salida)
Pequeño
20
x
X
1,95
Mediano
40
y
Y
0,98
Grande
40
z
Z
0,06
b) Determine las penetraciones x, y, z, la eficiencia total del sistema, y las eficiencias totales de las etapas 1 y 2.
I nformación útil
Cpagua= 0,45 cal / g.°C; Cpgas = 6,95 cal / mol.K: ∆H vaporización H2O = 500 cal/g
P H 2O
P total y H 2O ; log 10 P H 2O
A
B T rocío
C
A = 8,10765; B = 1750,286; C =
235 (Presión en mmHg, Temperatura en °C) .
T
Q sensibl e m C p
Qlatente m H vaporización
final
T inicial
(Calor sensible)
.
1) 2)
3)
(Calor latente)
34,29,5251 ó × ×650 × × × × ,ó × ó29, 5 5 ó20 ó 9,55 ó 9,55 ó× 100 22,64 42,18 ó 106 × , 795 35, 5 8℃ 1 13236,5 × 453,6 × 2521 7353,61 7353,6 ×29,8,6573%5×10 217,3×10 217,3×10 × 100% 188,46 ×10 a)
] 188,46 ×10 ×[1 ℃ ×10030℃500 33,064×10 52,129℃ 8374,11 × 453,6 × 2521 4652,28 × 35,58 217,3×10 13020011,42365, 286 8×6,1℃95 × ×22,64×10 105,33×10 4652, 2 8 ×32,29 105,33×10 6863767,42260, 524 2×6,7℃95 × × 1 13020011, 4 286 ×0, 0 82 × 308, 5 8 × 795 × × 1760 10 314948,4359 ×11000 314948, 4 359 3849,4 0,9 × 1 6863767, 4 524 ×0, 0 82 ×325, 2 9× 795 ×× 10 175022, 3 8 1 760 ×11000 175022, 3 8 0, 9 2139,16 3605100 b)
Antracito:
Madera de Abeto:
4)
Antracito:
Madera de Abeto:
Cuando se quema madera el requerimiento de potencia es menor.
5)
a)
Tamaño Porcenta Masa de
Penetraci Masa de Penetraci Masa de Porcenta
de
je en
entrada
ón etapa
entrada
ón etapa
salida de
je en
partícula
peso
a etapa
1
a etapa
2
etapa 2
peso
(μ)
1
2
(g/s)
(a la
(g/s)
(g/s)
(a la
entrada)
Pequeño Mediano Grande
20 40 40
salida)
721020
1,64×10-3
1442040
-4
1442040
1182,47
1,64×10 -3
1,95
65
8,24×10 1188,24
8,24×10
-4
0,98
33
2,04×10
-4
0,06
2
2,04×10
3605100
b)
54. Una
-4
294,17 2664,88
2,99
9 9 36051002664, 36051002, 0, 9 999 3605100 8 8 2664, 0, 9 992 3605100 2664,882,88 99 0,9988
empresa del sector energético contrató un ingeniero ambiental para que diseñara un sistema de control de emisiones de material p articulado para tratar los gases producidos en una planta termoeléctrica (flujo volumétrico = 15000 ft3/min). Después del análisis exhaustivo de un asesor experto se llegó a la conclusión de que el diseño realizado por el ingeniero contratado, a pesar de ser eficiente, demandaba un gasto considerable de energía para operar. Por esta razón la empresa quiere contratarlo a usted para que se encargue de lo siguiente: Con la información proporcionada en la tabla, y asumiendo que las partículas en la corriente de gases de combustión se comportan de acuerdo a la Ley de Stokes, identifique cada uno de los equipos (es decir, cuál equipo corresponde a la etapa número 1, cuál a la etapa número 2 y cuál a la etapa número 3), según el diseño preliminar de su colega, teniendo que estos equipos tienen las características e xplicadas a continuación. Si cambia el orden de ubicación de los equipos, ¿es posible incrementar la eficiencia del sistema? Justifique su respuesta: Una cámara de sedimentación de dimensiones: L = 12 m, H = 2,5 m y W = 3,5 m Un ciclón de diseño convencional de dimensiones: wi = 0,5 m y N = 5 Un precipitador electrostático de dimensiones: L = 8 m, h = 4 m y E = 600 kV/m Diámetro m0 p1 m1 p2 m2 p3 m3 de partícula (μ) 5 70 61,0190 60,4759 3,0117 15 70 20,3490 0,0037 25 60 1,9380 1,5482 0,0001 200 83,306 80,792 NOTA: Utilice las ecuaciones de eficiencia en flujo mezclado de cada uno de los equipos para realizar los cálculos.
15000 × 3,28081 × 160 7,08
Camara de Sedimentacion:
12×2,5×3, 5 105 7, 0 8 ×,×(× 0, 0 89 3, 5 ×2, 5 ) × × 0,00894 n5μ1e−−,×,×,××, ) × ×(× , ×, ××, n15μ 1e −×,×(××)× 0,0776 n25μ1e ,×,××,× 0,201 7, 0 8 20,5 14,16 )× ×,×,×(× − ×,× 0,1283 n5μ 1e −×,×(× ) × ×, ×, × n15μ1e−×,×(×)× 0,7093 n25μ1e ×,×,× 0,9677 6 − 62 − . ×600000 5×10 8, 8 5×10 5μ 0, 6 6 − 1,8×10−,×× . , 0,95 5μ 1 6 − 62 − . ×600000 15×10 8, 8 5×10 15μ 1,99125 − . 1,8×10−,×× 5μ 1 , 0,9998 6 − 62 − . ×600000 8, 25×10 8 5×10 25μ − . 1, 8 ×10 33,1875 −,×× 25μ1 , 0,9999
Ciclon:
ESP:
Diámetro de partícula (μ)
m0
p1
m1
p2
m2
p3
m3
5 15 25
70 70 60 200
0,8717 61,0190 0,9911 60,4759 0,05 3,0117 0,2907 20,3490 0,9223 18,7679 0,000197 0,0037 0,0323 1,9380 0,7989 1,5482 0,0000155 0,0001 0,41653 83,306 0,9698 80,792 0,0373 3,0155
El primero equipo es en Ciclón, en segundo es la cámara y en tercero está el ESP. 55. Responda
las siguientes preguntas con base en la gráfica adjunta que ilustra las curvas de eficiencia en flujo mezclado en función del diámetro de partícula para una cámara de sedimentación, un ciclón convencional y un precipitador electrostático: a) Si las partículas dentro del ciclón se mueven a una velocidad tangencial de 60 ft/s y el flujo alcanza a dar 5 vueltas dentro del equipo, ¿Cuál es el diámetro externo del ciclón (D0) si fue construido con base en el diseño convencional? b) Si la cámara de sedimentación tiene una altura de 2 m y la velocidad promedio de las partículas dentro de ella es de 1 m/s, ¿Cuál será su longitud aproximada en metros? c) Si el ESP maneja una intensidad de campo eléctrico de 500 kV/m y la constante dieléctrica de las partículas es de 6, determine su relación Q/A aproximada, en m/s.
Datos adicionales:
Densidad de partícula, ρ p = 2000 kg/m3 Viscosidad del aire, μf = 1,8 x 10-5 kg/m.s Constante dieléctrica de partícula, ε = 6 Permitividad del espacio libre, ε0 = 8,85 x 10-12 C/V.m Aceleración de la gravedad, g = 9,81 m/s2 V prom = 1 m/s (Velocidad promedio del gas en la cámara de sedimentación) Vc = 60 ft/s (Velocidad tangencial del gas en el ciclón) 1 ft = 0,3048 m; 1 lb = 453 g; 1 min = 60 s N.m = C.V N = kg.m/s2
60 × 0,31048 18,288 − ×2000 5×18, 2 88 ×10×10 wi 9×0, 7 ×1, 8 ×10− 0,5066 4×0,50662,026 − 0, 1 ×2×1 ×18×1, 8 ×10 9,81 ×26×10− ×2000 4,886 6 − 62 − . ×500000 2×10 8, 8 5×10 0, 1 843 1,8×100,1−843. 0,6 0,3073
a)
b)
c)
56. Una
empresa del sector energético contrató un ingeniero ambiental para que diseñara un sistema de control de emisiones de material particulado para tratar los gases producidos en una planta termoeléctrica (Flujo volumétrico = 15000 ft3/min). Después del análisis exhaustivo de un asesor experto se llegó a la conclusión de que el diseño realizado por el ingeniero contratado, a pesar de ser eficiente, demandaba un gasto considerable de energía para operar. Por esta razón la empresa quiere contratarlo a usted para que se encargue de lo siguiente:
1.1 Con la información proporcionada en la tabla, identifique cada uno de los equipos (es decir, cuál será el número 1, cuál el número 2 y cuál el número 3), según el diseño preliminar de su colega, teniendo que éstos equipos tienen las siguientes características: (Justifique su respuesta) Un cámara de sedimentación de dimensiones: L = 12 m, H = 2,5 m y W = 3,5 m Un ciclón de diseño convencional de dimensiones: wi = 0,5 y N = 5 Un precipitador electrostático de dimensiones: L = 8 m, h = 4 m y E = 600 kV/m Diámetro de partícula (μ) 5 15 25
m0
70 70 60 200
p1
m1
61,0190 20,3490 1,9380 83,306
p2
m2
60,4759 1,5482 80,792
p3
m3
3,0117 0,0037 0,0001
1.2 Según su criterio, ¿el orden en que se encuentran es el más apropiado? Explique su respuesta.
1.3 Si la eficiencia de captación requerida es del 98% o más, sugiera una alternativa más económica, ya sea usando los 3 equipos en serie o paralelo, 2 de ellos o uno solo. NOTA: Utilice las ecuaciones de eficiencia en flujo mezclado de cada uno de los equipos para realizar los cálculos.
Datos adicionales:
Densidad de partícula, ρ p = 2000 kg/m3 Viscosidad del aire, μf = 1,8 x 10-5 kg/m.s Constante dieléctrica de partícula, ε = 6 Permitividad del espacio libre, ε0 = 8,85 x 10-12 C/V.m Aceleración de la gravedad, g = 9,81 m/s2 1 ft = 0,3048 m; 1 lb = 453 g; 1 min = 60 s
E fi ciencias de los equipos en flujo mezclado
cámara
ciclón
1 e
1 e
ESP 1 e 1.1.
N . .V c . D p2 . p 9. wi . f
2 D p . 0 . E . 2 . Ac f .Q
15000 × 3,28081 × 160 7,08 12×2,5×3, 5 105 7, 0 8 ×, 3,5×(× 0, 0 89 ×2, 5 ) × × 0,00894 n5μ1e−−,×,×,××, ) × ×(× ××,× 0,0776 n15μ1e −×,,×,×(× ) × , ×, ××, × 0,201 n25μ1e
Camara de Sedimentacion:
Ciclon:
L. g . D p2 . p H .V pr om.18. f
7, 0 8 20,5 14,16 )× ×,×,×(× − ×,× 0,1283 n5μ1e−×,×(× ) × ×, ×, × n15μ1e−×,×(×)× 0,7093 n25μ1e ×,×,× 0,9677 6 − 62 − . ×600000 5×10 8, 8 5×10 5μ 0,66 . 1,8×10−,−×× , 0,95 5μ1 6 − 62 − . ×600000 15×10 8, 8 5×10 15μ 1,99125 − . 1,8×10−,×× 5μ1 , 0,9998 6 − 62 − . ×600000 25×10 8, 8 5×10 25μ 33, 1 875 1,8×10−−,.×× 25μ1 , 0,9999
ESP:
Diámetro de partícula (μ) 5 15 25
m0
70 70 60 200
p1
m1
p2
m2
p3
m3
0,8717 61,0190 0,9911 60,4759 0,05 3,0117 0,2907 20,3490 0,9223 18,7679 0,000197 0,0037 0,0323 1,9380 0,7989 1,5482 0,0000155 0,0001 0,41653 83,306 0,9698 80,792 0,0373 3,0155
El primero equipo es en Ciclón, en segundo es la cámara y en tercero está el ESP. 1.2.No, es má apropriado poner en orden de menos eficiente a más eficiente. Camara de sedimentación-Ciclón-ESP 1.3.Para una eficiencia de 98% o más es necesario poner 3 equipos en serie y de preferencia dos de cada para que l a eficiencia aumente.
57. Una
planta termoeléctrica pequeña usa un filtro de mangas como sistema de control de emisión de material particulado. El filtro está dividido en 5 compartimentos, y cada uno contiene 200 mangas de 5 metros de altura y 25 centímetros de diámetro. El flujo de gases que entra al equipo es de 45 m 3/s y la concentración de material particulado en el gas es de 3,5 x 10 -2 kg/m3.
a) Determine el tiempo de operación que debe transcurrir para que se alcance a formar una torta de 2,207 milímetros de espesor, si la quinta parte de la torta corresponde a espacios vacíos y la eficiencia de captación del equipo es del 98%. b) Si la permeabilidad de la torta, k = 0,71 x 10-13 m 2, y la constante α = 5 x 107 m -1 para el material filtrante, calcule las caídas de presión ocasionadas por la torta y por el medio filtrante cuando la torta tiene el mismo espesor especificado en el numeral a). Datos adicionales
Densidad de partícula, ρ p = 2000 kg/m3 Viscosidad del aire, μf = 1,8 x 10-5 kg/m.s Pa = kg/m.s2
Fórmulas
x torta
C PM .V s . .t torta
P 1 P 2 k P P 1 2 3 x torta M . F . f f
v s a)
b)
45 4×200×5 ×0, 25 × 0, 0143 ×0,0143 ×0, 9 8× 2,207×10− 3,5×10− 2000 9000 − 0, 7 1×10 0,0143 1,812 × 2,207×10− − . ×10 128001 1 0,0143 1,823 × 5×10 − − . ×10 2312,87
58. Una
planta termoeléctrica pequeña usa un filtro de mangas como sistema de control de emisión de material particulado. El filtro está dividido en 6 compartimentos, y cada uno contiene 180 mangas de 4 metros de altura y 25 centímetros de diámetro. El flujo de gases que entra al equipo es de 40 m 3/s y la concentración de material particulado en el gas es de 2,8 x 10 -2 kg/m3.
a) Determine el espesor de la torta después de transcurridas 3 horas de operación, si la cuarta parte de la torta corresponde a espacios vacíos y la eficiencia de captación del equipo es del 99%. b) Si la permeabilidad de la torta, k = 0,71 x 10-13 m 2, y la constante α = 5 x 107 m -1 para el material filtrante, calcule las caídas de presión ocasionadas por la torta y por el medio filtrante cuando la torta tiene el mismo espesor especificado en el numeral a). Datos adicionales
Densidad de partícula, ρ p = 2000 kg/m3 Viscosidad del aire, μf = 1,8 x 10-5 kg/m.s Pa = kg/m.s2
Fórmulas
x torta
C PM .V s . .t torta
a)
b)
P P k 1 P P f x torta f M F
v s
1
2
2
40 ×0,25 × 0,0141 5×180×4 − ×0,0141 ×0,98×3 ℎ× 3600 3, 5 ×10 1 ℎ ∆ 2000 ∆ 2,132 − 12 0, 7 1×10 0,0141 1,8×10− . × 2,132×10− 127620, 8 1 0,0141 1,823 × − 5×10 − ×10 2312,.69
3
.
.
59. Una
planta termoeléctrica utiliza carbón antracítico como combustible de caldera, el cual se quema a una rata de 1100 g/s, con un exceso de aire del 25%, y una humedad de 0,0547 moles de agua por mol de aire seco. Con el fin de minimizar el requerimiento de potencia del ventilador, la corriente de gases se enfría hasta una temperatura no menor a 5,5 veces la temperatura de rocío; a esta temperatura y condiciones de chimenea los gases se encuentran a una presión total de 778 mmHg. Esta corriente de gases transporta en promedio una carga de material particulado suspendido total correspondiente al 17% del carbón alimentado a la caldera, el cual se distribuye por tamaños de la siguiente forma: Diámetro de partícula (μm)
3 7 15 22 48 66 123
Distribución por peso con respecto al total de partículas (%) 3,8 5,3 11,4 12,7 16,9 20,2 29,7
A. Diseñe un sistema de control, de máximo 4 etapas, de manera que remueva al menos el 98% de las partículas suspendidas totales. Puede usar cámaras de sedimentación, separadores ciclónicos o ESP, en las combinaciones que desee, con las dimensiones que considere convenientes, pero teniendo en cuenta el flujo real de gases de combustión. Asuma que todas las partículas sedimentan de acuerdo a la Ley de Stokes. B. La caída de presión que causan los separadores ciclónicos es en general mayor a la causada por los ESP, y esta a su vez es mayor a la causada por las cámaras de sedimentación. En términos económicos, es decir, teniendo en cuenta inversión inicial, costos de operación, mantenimiento, etc., ¿es recomendable su propuesta, o le cambiaría algo? Sustente su respuesta. A.
1100 ×0,17187
Considerando 2 ciclones, supondo dimensiones: wi=0,5 ft, Vc=60 ft/s y N=5. Y Considerando 1 ESP, con dimensiones: ε=6, E=600 kV y A/Q= 3 s/m
Diámetr Distribució o de n por peso partícula con (μm) respecto al total de partículas (%) 3 3,8 7 5,3
m1
P (ciclon)
m2
P (ciclon)
m3
P (ESP)
m4
7,1060 9,11
0,811 0,6803
5,7637 6,7225
0,811 0,6803
4,67 4,59
0,3030 0,0620
1,4165 0,2844
15
11,4
22
12,7
48
16,9
66
20,2
123
29,7
21,318
0,0053
0,1130
0,0053
0,00059 2,22×10 1,53×10 -3 -6 9 23,749 1,25×10 3,04×10 1,25×10 3,89×10 1,54×10 5,99×10 -5
-4
-5
-9
-4
-13
31,603 5,18×10 1,64×10 5,18×10 8,47×10 4,81×10 4,08×10 -24 -22 -24 -46 -9 -54 0 37,774 9,46×10 3,57×10 9,46×10 3,38×10 3, ×10 1,24×10 -45 -43 -45 -87 12 -103 0 66 55,539 0 0 0 4,85×10 0 -22 0 187 12,6191 9,2606 1,709
B. Manteleria, o cambiaria para solo ESP. 60. Una
planta de producción de cemento utiliza como medio de control de emisión de partículas un filtro de mangas con las siguientes especificaciones en op eración normal: α = 5 x 107 m-1
Q/A = 0,02 m/s Δx = 0,13 mm κ = 0,71 x 10-13 m2 ρtorta = 1000 kg/m3 ΔP = 69 kgf/m2 Eficiencia de colección = 99% a) ¿Qué fracción de la caída de presión se debe a la fibra textil de las mangas y cuál a la torta formada por las partículas acumuladas? b) En algún momento al inicio de la operación las caídas de presión son iguales. ¿Cuál es el grosor de la torta, en mm, en ese momento? c) Si se supone que la concentración de partículas que se maneja en la cementera es de 0,01 kg/m3 y la velocidad superficial a través de la fibra textil es de 0,02 m/s ¿Cuánto tiempo, en segundos, transcurre para alcanzarse el punto descrito en el numeral b), si se parte de una manga totalmente limpia? d) Determine la caída de presión total, 30 minutos después de iniciada la operación, suponiendo que el flujo volumétrico de gases se mantiene constante. e) ¿Cuántos ft2 de superficie del filtro se requieren si el flujo de gas de chimenea que se maneja es de 1,5 millones de acfm? f) Si el filtro opera con mangas cilíndricas de 40 ft de longitud y 1 ft de diámetro, ¿Cuántas mangas se requieren?
DATOS ADICI ONALES
1 kgf = 9,81 N 1 N = 1 kg.m/s2 acfm = Actual Cubic Feet per Minute
a)
∆69 × , × × 676,89 .
Mangas:
− 0,02 1,8×10∆− . ×0,0,711×10 − 3×10 ∆659,15 . % 659,676,1859 .. 0,974 0,02 1,8×10∆− . ×5×101 − ∆18 . % 676,1889.. 0,026 − 0,133 676, 8 9 . ∆ 1,8×10− . ×0,71×10 0,02 − ×1000 0, 1 33×10 0,01 × 0,02 671,72 60 0, 0 1 ××30 × 1 − 0,13×10 1000 − 7, 2 2×10 − ×1, 8 ×10− . − 7, 2 2×10 ×0, 1 3×10 ∆ 238 0,71×10− 0,02 × , × 3,9 37 1,3,5×10 381000 937 38100040 ×0,5× Particulas:
b)
c)
d)
e)
f)
6063,8
61. Como
ingeniero ambiental, el jefe de una planta termoeléctrica le asigna la tarea de escoger la mejor alternativa de combustible entre carbón bituminoso y carbón turba, en términos de cumplimiento de los estándares de calidad de aire. La caldera donde ocurre la combustión está diseñada para operar con un flujo másico de carbón de 1260 kg/h, exceso de aire del 17,2% y una humedad de 0,0091 moles de H2O/mol de aire seco. Asumiendo el peor escenario, debe realizar sus cálculos suponiendo que todo el oxígeno sobrante reacciona con el nitrógeno a altas temperaturas dentro de la cámara de combustión, para formar óxido nítrico, según la reacción química:
2
a) Suponiendo que los gases de combustión se diluyen 10000 veces en el aire ambiente en las condiciones atmosféricas del lugar donde se encuentra la planta, y que debe cumplir con los estándares de calidad del aire de 100 ppb para el NO, y 75 ppb para el SO2, haga la mejor selección y sustente su respuesta con cálculos. b) Con el propósito de controlar las emisiones de contaminantes a la atmósfera, se diseña un sistema de control que aporta una caída de presión de 0,6415 atm. Para impulsar la corriente de gases a través del sistema de control se cuenta con un ventilador de eficiencia 75%. Si la corriente de gases entra al ventilador a una temperatura de 80°C y una presión de 1,114 atm, determine la potencia requerida en el ventilador para cada tipo de carbón.
a)
Especie
Carbón turba (% Peso)
Carbón bituminoso (% Peso)
C H O N S Ceniza
57,0 5,5 31,0 1,5 0,2 4,8
75,8 5,0 7,4 1,5 1,6 8,7
1260 × × 350
Inicio: Moles/s CO2 H2O N2 O2 SO2
Turba 16,62 10,54 76,74 30,11 0,02
2 2→ 2 2 2→ 2 Turba:
3,11 moles
Bituminoso:
6,22 moles
Bituminoso 22,11 10,06 114,15 4,45 0,17
4,45 moles CO2 H2O N2 SO2 NO Total
8,9 moles Turba 16,62 10,54 76,74 0,02 6,22 110,14
Y 0,15 0,09 0,70 0,00018 0,05
Bituminoso 22,11 10,06 109,17 0,17 8,9 150,94
Y 0,14 0,06 0,73 0,0011 0,06
Turba1,8×10− molmoleessSO2SO2 × 1011 × 1010 18 2 Bituminoso0,011 × 10 × 110 2 Turba0,05 molesmolNOe×s NO101 × 101 10 5000 Bituminoso0,06 × 10 × 6000 SO2:
NO:
La mejor selección es el carbón Turba pues cumplí con los estándares de calidad del aire en relaciona SO2.
b) Turba:
Bituminoso:
62. Una
× 1 110, 1 4 ×0, 0 82 ×353× 10 1,114× 2, 8 6 101325 2,86 ×0,64150,7× 5 1 247866,62 × 1 150, 9 4 ×0, 0 82 ×353× 10 1,114× 3, 9 22 101325 3,922 ×0,64150,7× 5 1 339906,7
planta termoeléctrica utiliza como combustible para su caldera carbón bituminoso, el cual es quemado con un exceso de aire del 12,66%, y una humedad de 0,156 moles de agua por mol de aire seco. La corriente de gases de combustión sale de la caldera a una presión total de 781 mmHg, y una temperatura de 984°C. Los resultados de un muestreo isocinético de la chimenea de la caldera mostraron que se superaba la norma de emisión de material particulado, por lo que fue necesario instalar un sistema de control de este contaminante. Con el fin de reducir el requerimiento de potencia del ventilador utilizado para i mpulsar los gases a través del sistema de
control, la corriente se enfría hasta una temperatura de 60°C, por medio del intercambio de calor con una corriente de agua que entra al intercambiador a 22°C y sale como vapor saturado. 1) De los resultados del muestreo isocinético también se pudo determinar que de la chimenea sale un flujo de 8454,732 kg/h de CO2. Con base en la información suministrada, determine el flujo de carbón, en g/s, que se está quemando en la caldera. 2) Calcule el flujo de agua de enfriamiento, en L/min, requerido para enfriar los gases de combustión hasta la temperatura deseada. 3) El sistema de control instalado a la salida de la caldera consiste en tres ciclones exactamente iguales que operan en serie. La eficiencia total del sistema es del 79,1009%. Si la concentración de material particulado antes de entrar a la primera etapa del sistema es 0,1 g/m3, y con base en la información suministrada, complete la siguiente tabla: Diametro de partícula (μm)
2 10 20
Porcentaje en peso a la entrada 12,0000 58,5000 29,5000
p1
.
m
0
(g/s)
p2
.
m
1
(g/s)
p3
.
m
2
(g/s)
.
m
3
(g/s)
Porcentaje en peso a la salida 49,8956 50,1043 0,0001
4) Con la información obtenida en el numeral anterior y recordando que los ciclones usados en las tres etapas son iguales y fueron diseñados convencionalmente, determine el ancho de la entrada w i y el diámetro externo D 0 de estos separadores ciclónicos. La velocidad tangencial de los gases dentro del ciclón es 21,2124 m/s y cabe anotar que la eficiencia calculada asumiendo flujo mezclado es mucho mas cercana a la realidad. 5) Con base en los resultados obtenidos hasta ahora, determine la eficiencia que tendría cada uno de estos ciclones para remover material particulado de diámetros 2,5 y 5 μm. 1)
2)
8454,7322ℎ × 3600112ℎ ×101 2348,54 2348,54 × 44100 2 ó 640,511 640,511 × 75,8 845 ×609842568720 400 ×6,95 × 2568720 ×[1 ℃ ×10022℃500 ]
3)
Diametro de partícula
4444,15 × 160 × 11 × 101 266,65 / × 1 400 ×0, 0 82 ×333× 10 1,× 10, 6 2 0 28 10,62 ×0,1 1,062
Porcentaje en peso a la entrada
(μm)
2 10 20
.
m0
(g/s)
p1
p2
.
m
1
(g/s)
p3
.
m
2
(g/s)
.
m
3
(g/s)
12,0000 58,5000 29,5000 4)
Porcentaje en peso a la salida 49,8956 50,1043 0,0001
)× ×,× ×(× − n2μ1e ×,× 0,04573
52 407 4×0,0,35231, )× ×,×, ×(, × − n2,5μ1e ×,× 0,0704 )× ×,×,×(× − n5μ1e ×,× 0,2533
5) Para Diametro=2,5 µm:
Para Diametro=5 µm:
63. Una
empresa generadora de energía eléctrica utiliza como combustible para la caldera de una de sus plantas termoeléctricas carbón antracítico. La caldera opera con un flujo de carbón de 7,2 ton/h, el cual es quemado con un exceso de aire del 20% y una humedad de 0,156 moles de agua por mol de aire seco. Los gases de combustión salen de la caldera a una presión de 1,0592 atm, y a una temperatura de 937°C. La combustión del carbón genera, además de contaminantes gaseosos, una cantidad importante de partículas de densidad promedio 2,845 g/cm3, y cuyos diámetros aerodinámicos varían entre 0,2 y 100 μm, Para controlar la emisión de estas partículas se cuenta con dos sistemas de control. Una etapa preliminar, que consiste en una cámara de sedimentación de 4,5 m de alto y 3 m de ancho; y una etapa secundaria que consiste en un ciclón de diseño convencional; la gráfica adjunta muestra las curvas de eficiencia en flujo mezclado para los equipos mencionados. Con base en esta información, en la gráfica adjunta, y mostrando los cálculos que fundamenten su respuesta, responder las siguientes preguntas:
1) Determine el rango de diámetros aerodinámicos de p artícula para los cuáles aplica la Ley de Stokes para determinar la velocidad terminal de sedimentación por acción de la gravedad. 2) Teniendo en cuenta que la velocidad promedio de la corriente de gases depende del flujo volumétrico de la misma y el área transversal de la cámara, ¿Cuál es longitud de la cámara de sedimentación? 3) Teniendo en cuenta que la velocidad tangencial de la corriente de gases depende del flujo volumétrico de los mismos y el área transversal de la entrada tangencial al ciclón, ¿Cuál es el diámetro externo del ciclón? 4) La corriente de gases debe enfriarse hasta la temperatura de rocío del agua que viene con los gases de combustión. Para este fin se cuenta con una corriente de agua que entra al sistema a una temperatura de 20°C, y a las condiciones de operación, sale como vapor saturado. Determine el flujo de agua (en L/min) requerido para llevar a cabo este enfriamiento. 5) Para transportar los gases de combustión a través del sistema de control, se cuenta con un ventilador con una eficiencia del 60%, y los dos sistemas de control crean una caída de presión de 0,93758 atm en la línea. Calcule el requerimiento de potencia (en kW) para operar este ventilador a las condiciones descritas. Información adicional: Cp Gases de combustión = 6,95 J/mol.K Cp H20 liq = 1,00 cal/g.°C Cp H20 vap = 0,45 cal/g.°C ΔHvap H2O = 500 cal/g
Composición química del carbón antracítico Especie C H O N S Ceniza
Porcentaje en peso (en base seca) 82,10 2,30 2,00 0,80 0,60 12,20
1,0
0,8 ) n ói c c
0,6 a r F ( ai c n
0,4 ei ci f E
0,2
0,0 0
20
40
60
80
Diámetro de partícula ( m) Cámara de Sedimentación Separador ciclónico 1)
ℎ × 36001 ℎ × 101 2000 7, 2 × 1 987, 3 89 ×0, 0 82 ×326, 3 5 × × 10 24,946 1,0592
Por cálculos no Excel determino diámetros mayores que 2,4 µm y menores que 90 µm. 2) Para 60 µm – n=0,28
)× ×,,×(× − 0, 7 21e ×××,×
0,629
100
3)
4)
5)
64. Una
24, 9 46 4,5 ×0,629 8,813 60 × 0,31048 18,288 2 24,2946 18,2880, 826 303 4×0,8263, ×56,359375316159 987,389 ×6,95 × ] 5316159 60×[1 ℃1 ×10020℃500 9165,79 × 1 × 1 × 101 549,95 × 1 987, 3 89 ×0, 0 82 ×326, 3 5 × 10 1,0592× 24, 9 46 24,946 0,×95000 6 3,982
planta termoeléctrica usa como combustible carbón bituminoso, el cual se gasta a una rata másica de 50,1 kg/min, a condiciones de combustión de 22% de exceso de aire con una humedad de 0,045 moles de agua por mol de aire seco. La corriente de gases de combustión se enfría hasta su temperatura de rocío y está a presión atmosférica antes de entrar a un sistema de control de emisión de partículas. Este sistema cuenta con una etapa de pre-tratamiento, que consiste en una cámara de sedimentación de dimensiones 2,5 m x 4,5 m x 8 m. De un análisis de distribución de tamaños de partículas se concluyó que los diámetros de las partículas emitidas por la caldera varían entre 0,01 – 80 µm, y la densidad promedio de las partículas es de 2180 kg/m3. 1) Determine que rango de diámetros de partículas requiere corrección para la velocidad de sedimentación de acuerdo al factor de Cunningham (partículas muy pequeñas para la Ley de Stokes). 2) Determine que rango de diámetros de partículas requiere corrección para la velocidad de sedimentación de acuerdo al coeficiente de arrastre CD (partículas muy grandes para la Ley de Stokes).
3) Asumiendo que el flujo de la corriente de gas contaminado es mezclado, determine el diámetro de partícula para el cual la eficiencia de colección de la cámara de sedimentación es del 50%. Componente C H O N S Ceniza
1)
65. Una
Composición en % en peso Turba Lignito Bituminoso Antracítico 57,0 55,0 75,8 82,1 5,5 4,4 5,0 2,3 31,0 13,0 7,4 2,0 1,5 1,0 1,5 0,8 0,2 1,7 1,6 0,6 4,8 24,9 8,7 12,2
50,1 × × 835
corriente gaseosa de desecho contiene además de gases de combustión a presión constante de 250 KPa, material particulado de tres tamaños: Grande, mediano y pequeño. Con el fin de eliminar el material particulado, la corriente se hace pasar por un sistema de control de tres etapas, tal y como se ilustra en el diagrama:
X% PM Grande Q0, c0
X% PM Grande Q1, c1 Y% PM Mediano
Y% PM Mediano T0 = 138°c
Z% PM Pequeño
X% PM Grande Q2, c2
T1 = 132°c
Z% PM Pequeño
Q3= 500m3/s
Y% PM Mediano T2 = 120°c
Z% PM Pequeño
c3= 0,0457 g/m3 T3 = 112°c
Gases + PM P = 250 KPa T = T3 = 112°c
1
2
3
Antes de entrar al sistema de control se determinó que del total de material particulado presente en la corriente de desecho, el 6% es PM grande, el 76% PM mediano y el 18% PM pequeño (todos porcentajes en peso); a la salida de la chimenea, los porcentajes cambiaron a 0,026% de PM grande, 21,268% de PM mediano y 78,706% de PM pequeño (todos porcentajes en peso). La eficiencia total del sistema es del 97,14% y la penetración por tamaño de partícula en cada etapa se mantiene constante. Los valores X , Y y Z en la figura hacen referencia al porcentaje de remoción por cada tamaño de partícula en las tres etapas. Con la información suministrada, complete la siguiente t abla: Tamaño de Entrada a Penetració Salida Penetració Salida Penetració Salida partícula 1 n de 1 n de 2 n de 3 (g/s) 1 Entrada 2 Entrada 3 (g/s) a2 a3 (g/s) (g/s) GRANDE (1-X)/100 157,365 (1-X)/100 (1-X)/100 39,353 314,6850
MEDIAN O
1328,670 0
PEQUEÑO Total
6
(1-Y)/100 265,772 6
(1-Z)/100 104,8950 1748,250 0
78,6944
(1-Y)/100
10,634 0
53,1622
(1-Z)/100 5,2298 428,368 0
0
(1-Y)/100 (1-Z)/100 0,2607 132,117 3
0,0130
50
Adicionalmente, calcule los valores de X , Y y Z , las eficiencias de cada etapa ŋ1, ŋ2 y ŋ3, los flujos volumétricos Q0, Q1 y Q2, y las concentraciones de contaminante c0, c1 y c2.
Supondo ƿ=0,1 g/m3
66. Un
500 0,9714 5000,0286 17482,5 1748,25 / 0, 1 ×17482, 5 0,0,0,66791621555 19 49 4 0,245 17482,5 4283,21 0,3048 4283,21 1320,92 1748, 2 5 17482,5 0,1
buque de carga es impulsado con turbinas a vapor; éste vapor es generado por una caldera cuyo combustible es carbón antracítico de composición: Sustancia
Porcentaje en peso (Base seca)
C H O N S
55,0 4,4 13,0 1,0 1,7
Ceniza
24,9
El combustible se quema a una rata de 100 g/s con un exceso de aire del 25% y una humedad de 0,015 moles H2O/moles de aire seco. La combustión del carbón produce, además de gases de combustión, material particulado, originado por la calcinación de las cenizas, o material inerte presente dentro de su composición química. Para controlar la emisión de material particulado se pasa la corriente de gases por un sistema de control de tres etapas, como se observa en la figura: Etapa 1
Etapa 2
η1
(2µ) (5µ) η1 (12µ)
Etapa 3
η2
= 0,90 η1(2µ) = 0,90 η1(5µ) η2 = 0,90 η1(12µ)
η1
η3
= 0,90 η2(2µ) = 0,90 η2(5µ) η3 = 0,90 η2(12µ)
η2
Vapor de agua
η3
Intercambiador de calor
Sistema de control
Carbón antracítico
Turbinas
CALDERA
El material a la entrada del sistema de control se distribuye principalmente en tres tamaños de partícula: 2µ, 5µ y 12µ, de acuerdo a la tabla: Tamaño (µ)
Porcentaje en peso
2 5 12
40 35 25
La eficiencia de captación para material particulado grande en la etapa 2 del sistema de control, es igual al 90% de la eficiencia de captación para material particulado grande en la etapa 1. La eficiencia de captación para material particulado grande en la etapa 3 del sistema de control, es igual al 90% de la eficiencia de captación para material particulado grande en la etapa 2. Así mismo, se cumple para el material particulado mediano y pequeño. Si la eficiencia total del sistema es de 98,6%, complete la siguiente tabla: Tamaño (µ)
Entrada a etapa 1 (g/s)
p1
Salida de 1Entrada a etapa 2
p2
Salida de 2 p3 - Entrada a etapa 3 (g/s)
Salida de etapa 3 (g/s)
(g/s)
2 5 12 TOTAL
0,02 0,10 0,30
La corriente de gases de combustión se encuentra a una temperatura de 400°C y se pone en contacto con agua a 30°C para producir vapor de agua a 110°C, el cual se usará para impulsar las turbinas que mueven el buque. Los gases salen de la caldera a su temperatura de rocío, y una presión constante de 105 kPa. Si el carbón se almacena en cargas de 5 toneladas dentro del barco, y éste se moviliza a una rata de 0,05 km/kg de vapor de agua que entra a las turbinas, ¿Cuántas cargas de carbón se requieren para atravesar los 12000 kilómetros que separan el puerto de Buenaventura del puerto de Yokohama?
Datos adicionales:
Pesos atómicos: C = 12 g/mol; H = 1 g/mol; O = 16 g/mol; N = 14 g/mol Cpagua= 0,45 cal / g.°C; Cpgas = 6,95 cal / mol.K: ∆Hvaporización H2O = 500 cal/g
P H 2O
P total y H 2O
log 10 P H 2O
A
.
Q sensible
m
B T rocío
C
A = 8,10765; B = 1750,286; C = 235 (Para el agua)
C p T final T inicial
(Calor sensible)
.
Qlatente m H vaporización
(Calor latente)
Tamaño (µ)
Entrada a etapa 1 (g/s)
p1
Salida de 1Entrada a etapa 2 (g/s)
p2
Salida de 2 - Entrada a etapa 3 (g/s)
p3
Salida de etapa 3 (g/s)
2 5 12 TOTAL
9,96 8,715 6,225 24,9
0,02 0,10 0,30
0,1992 0,8715 1,8675 2,9382
0,118 0,19 0,37
0,0235 0,1656 0,691 0,8801
0,2062 0,271 0,433
0,0048 0,0448 0,2992 0,3486
×42,29400838893,67 33,7453 ×6,95 × 838893,67 0,45 ℃ ×110100℃] ×[1 ℃ ×10030℃500 146,03 × 101 ×0,05 0,0073
67. Una
12000 ×100 0,0073 164350898 × 101 164,35 164,535 33
planta termoeléctrica de baja capacidad utiliza carbón turba como combustible para generar, por medio de intercambio de calor, el vapor de agua que impulsa las turbinas de la planta. La eficiencia del proceso es de 548,10 megavatios producidos por cada kilogramo de vapor de agua que entra a las turbinas en un segundo.
El proceso de intercambio de calor se realiza entre la corriente de gases de combustión, la cual se enfría hasta su temperatura de rocío, y una corriente de agua líquida que entra a temperatura ambiente (27°C) y sale como vapor de agua a 105°C. La composición química de la turba se muestra en la siguiente tabla: Sustancia
Porcentaje en peso (Base seca)
C H O N S Cenizas
57,0 5,5 31,0 1,5 0,2 4,8
El valor calorífico o calor máximo generable por la combustión de la turba, en unidades de BTU/lb, se puede calcular por medio de la siguiente ecuación: O BTU 62028 H 14544C 4050S 8 lbm
PoderCalor ífico
Donde:C : Fracción en peso de carbono H : Fracción en peso de hidrógeno O: Fracción en peso de oxígeno S: Fracción en peso de azufre 1) Si del calor total generable por la combustión de carbón turba solo el 60% es transferible durante el proceso de intercambio de calor con el agua, calcule la cantidad de turba en g/s, requerida para generar 700 MW en un segundo. 2) Determine la temperatura de rocío de la corriente de gases de combustión. El combustible se quema con un exceso de aire del 15%, cuya humedad es de 0,022 moles de agua por mol de aire seco, y los gases de combustión se mantienen a una presión constante de 795 mmHg. La combustión del carbón produce, además de gases de c ombustión, material particulado, originado solamente por la calcinación de las cenizas, o material inerte presente en su c omposición química.
Para controlar la emisión de material particulado se hace pasar la corriente de gases por un sistema de control de dos etapas diferentes; el material a la entrada del sistema de control se distribuye principalmente en tres tamaños de partícula: pequeño, mediano y grande, de acuerdo a la tabla: Tamaño
Porcentaje en peso
Pequeño Mediano Grande
25 15 60
La penetración para material particulado pequeño en la etapa 1 del sistema de control, se denota como x1; la penetración para material particulado mediano en la etapa 1 se denota como y1 y la penetración para material particulado grande en la etapa 1 se denota como z1. 3) Basado en esta información, complete la siguiente tabla: Tamaño (µ)
Entrada a etapa 1 (g/s)
Pequeño Mediano Grande TOTAL
p1
Salida de 1Entrada a etapa 2 (g/s)
x1 y1 z1
p2
Salida de 2 (g/s)
(x1)/2 (y1)/2 (z1)/2
0,0641 0,0114 0,0013 0,0768
10,60
Datos adicionales:
Pesos atómicos: C = 12 g/mol; H = 1 g/mol; O = 16 g/mol; N = 14 g/mol Cpagua= 0,45 cal / g.°C; Cpgas = 6,95 cal / mol.K: ∆Hvaporización H2O = 500 cal/g
P H 2O
P total y H 2O
log 10 P H 2O
A
.
Q sensible
m
B T rocío
C
A = 8,10765; B = 1750,286; C = 235 (Para el agua)
C p T final T inicial
(Calor sensible)
.
Qlatente m H vaporización 1)
(Calor latente)
9789,33 × , × 438,52 700 ×1 548 1,28 2 548 KW - 1 Kg/s 700 KW - x
2)
3)
1,28 × 101 ×[1,0 ℃×10027℃500 0,45 ℃ 105100℃] 736320 100 736320× 60 1227200 1227200 225, 6 5 5438, 5 2 45,04℃ Tamaño (µ)
Entrada a etapa 1 (g/s)
p1
Salida de 1Entrada a etapa 2 (g/s)
p2
Salida de 2 (g/s)
Pequeño Mediano Grande TOTAL
2,65 1,59 6,36 10,60
0,22 0,12 0,02
0,583 0,1908 0,1272 0,901
0,11 0,06 0,01
0,0641 0,0114 0,0013 0,0768
68. Una corriente de gases de chimenea proveniente de una caldera Diesel tiene la composición molar
mostrada en la tabla, y se encuentra a una presión constante de 130 kPa: Sustancia % Molar CO2 28,85 CO 6,93 H2O 59,30 NO 4,92 La corriente pasa posteriormente por un condensador, de donde se pudo determinar un flujo de agua líquida de 399,006 cm3/s. A su vez, se determinó que el material particulado producido por el combustible Diesel se encuentra distribuído de la siguiente manera: Tamaño de Tamaño de % en Peso partícula partícula (µm) Grande (G) 10,00 38,30 Mediana (M) 3,00 33,50 Pequeña (P) 0,02 28,20
Se ha construido un sistema para controlar la emisión de material particulado a la atmósfera como se muestra en el esquema: Q0 C0 = 0,609 g/m3 T0 = 70ºC
ŋG =
99% 70% ŋP = 28%
Q1 C1 T1 = 68ºC
ŋM =
ŋG =
97,5% 75% ŋP = 35%
ŋM =
Q2 C2 T2 = 66,5ºC
ŋG =
95% 66% ŋP = 42,5% ŋM =
Q3 C3 T3 = 65ºC
1) Con los datos suministrados y asumiendo que el flujo volumétrico depende de la temperatura determine: Q0, Q1, Q2, Q3, C1, C2, C3, ŋ1, ŋ2, ŋ3, ŋTotal y llene la siguiente tabla: Tamaño PM (µm)
Cantida d IN (g/s)
Penetració n p1
Cantida d OUT (g/s)
Penetració n p2
Cantida d OUT (g/s)
Penetració Cantidad n OUT P3 (g/s)
10,00 3,00 0,02 TOTAL 2) Determine la temperatura de rocío del gas de salida 3) Para que la corriente de gases sea tratada en el sistema de control de material particulado, debe impulsarse por medio de un ventilador; si los gases entran muy calientes al equipo, la potencia requerida para que funcione correctamente será muy grande; por esta razón, es necesario enfriar los gases antes hasta una temperatura no menor a la de rocío. Para cumplir con este propósito, la corriente de gases de combustión se pasa por un de intercambiador de calor. En este caso, los gases pasan por un intercambiador de tubos en el cual se usa agua como refrigerante, la cual sale como vapor a la temperatura de ebullición. Calcule la cantidad máxima de vapor de agua, en g/s, que se puede producir si la temperatura inicial de los gases es de 450°C, la final 70°C y la temperatura de entrada del agua es de 25°C.
Pesos atómicos: C = 12 g/mol; H = 1 g/mol; O = 16 g/mol; N = 14 g/mol Cpagua= 0,45 cal / g.°C; Cpgas = 6,95 cal / mol.K: ∆Hvaporización H2O = 500 cal/g
P H 2O
log 10 P H 2O
Q sensible
Qlatente m H vaporización
P total y H 2O
A
.
m
B T rocío
C
A = 8,10765; B = 1750,286; C = 235 (Para el agua)
C p T final T inicial
(Calor sensible)
.
1)
(Calor latente)
Tamaño PM (µm) 10,00 3,00 0,02 TOTAL
Cantidad IN (g/s)
0, 3 99006 ×1, 2 83 0,082 × × ×365,14 0,01708 2 2 100 0,01708 × × 0, 0 2881 59, 3 1 ×343 × 0,000631 10 0,02881 ×,01,82283× 0,000631 ×0,609 3,84×10− Penetración p1
Cantidad OUT (g/s)
Penetración p2
Cantidad OUT (g/s)
Penetración P3
Cantidad OUT (g/s)
0,000147
0,0100
0,000001
0,0250
0,0000000
0,0500
0,00000000
0,000129
0,3000
0,000039
0,2500
0,0000096
0,3400
0,00000328
0,000108
0,7200
0,000078
0,6500
0,0000507 0,0000604
0,5750
0,00002914
0,000384
0,3074
0,000118
0,5114
0,0442
0,00000267
× 1 0, 0 2881 ×, 0 82 ×341 × 10 1,283× 0, 0 00628 × 1 0, 0 2881 ×, 0 82 ×339, 5 × 10 1,283× 0, 0 00625 × 1 ×338 × 0,000622 10 0,02881 ×,01,82283× 00118 0,188 0,0,0000628 0, 0 00064 0,000625 0,1024 0, 0 0000267 0,000622 0,0043 1 0,0,0000118 00384 0,693
2)
3)
000604 10,0,0,0000000267 0,488 00118 1 0,0,000000267 0,956 000604 1 0,000384 0,993 0,593×1,283 × 578,22 2 86 log578,228,10765 1750, 285 92,43℃ ×7045076,092 0,02881 ×6,95× ] 76,092 ×[1 ℃ ×10025℃500 0,13233
69. Una
planta termoeléctrica utiliza cierto tipo de carbón mineral como combustible; su capacidad máxima de generación de energía es de 150 MW (Megavatios), de los cuales solo el 0,2% está disponible para operar un sistema de control de material particulado de tres etapas, tal y como se muestra en la figura.
ΔP1
= 5 kPa
1
P1 = 0,98 atm T1 = 115ºC
ΔP2
= ΔP1
2
ΔP3
= ΔP2
3
P3 = 1,30 atm T3 = 107ºC C3 = 0,10 g/m 3
Caldera
1) Si se utiliza un ventilador de una eficiencia del 90% y las caídas de presión para cada etapa son iguales entre sí (con un valor de 5 kPa), determine la composición en porcentaje en peso del
carbón mineral, siendo sus principales constituyentes Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Azufre y un 8,7% de cenizas inertes. El carbón se quema con un exceso de aire del 20%, cuya humedad es de 0,015 moles agua/moles de aire seco. Los gases de combustión salen de la caldera a una presión de 0,98 atm y una temperatura de 115ºC y su composición molar se muestra en la tabla: Sustancia CO2 SO2 H2Ocombustión N2carbón N2aire
Porcentaje molar 14,23 0,11 0,06 0,12 75,14
2) De acuerdo a la información suministrada, determine el flujo másico (g/s) de carbón mineral que se quema en la caldera. 3) Si la eficiencia total del sistema de control es del 98,77%, la presión y temperatura de los gases de combustión a la salida del sistema son 1,30 atm y 107ºC respectivamente y la concentración de material particulado es 0,1 g/m3, complete la siguiente tabla: Tamaño del material particulado Pequeño Mediano Grande 1)
Porcentaje en peso a la entrada 12,0 58,5 29,5
2)
p2
.
m
0
1
(g/s)
(g/s) x y z
p3
.
m
2
(g/s) x y z
.
m
3
(g/s) x y z
× 300000 5000 0, 9 54 10 × ×0,×38898 1633,31 540,082××
Sustancia C H O N S Cenizas Total
p1
.
m
Porcentaje peso 54,96 0,039 34,08 1,08 1,13 8,7
Flujo masico 2789,04 1,96 1729,5 54,88 57,504 441,47 5074,35
Porcentaje en peso a la salida 61,94 38,06 0,00
× 1 1633, 3 1 ×0, 0 82 ×380 × 10 1,30× 39, 1 5 39,15 ×0,1 3,915
3) . . . . Tamaño Porcentaje p1 p2 p3 Porcentaje m m m m del en peso en peso 0 3 2 1 material a la a la salida (g/s) (g/s) (g/s) (g/s) particulado entrada Pequeño 12,0 0,47 0,3989 0,1874 0,3989 0,0748 0,3989 0,0298 61,94 Mediano 58,5 2,29 0,2 0,4581 0,2 0,0916 0,2 0,0183 38,06 Grande 29,5 1,155 0 0 0 0 0 0 0,00 3,915 0,1664 0,0482 70. Una
planta termoeléctrica trabaja con carbón antracita. La quema de este combustible produce una cantidad considerable de material particulado, el cual se controla con un sistema de dos etapas.
La siguiente tabla resume gran parte de la información concerniente a la eficiencia del sistema. Tamaño (µ)
% Peso Entrada
5 40 115
28,500 45,900 25,600
p1
.
m
p2
.
m
0
1
(g/s)
(g/s)
.
m
2
(g/s)
0,30 0,05 0,01
% Peso Salida
95,586 4,276 0,138 6,548
1. Las etapas 1 y 2 tienen diferentes eficiencias, tanto por tamaño como total. Si la etapa 1 tiene una eficiencia total del 77,542%, calcule los valores que faltan en la tabla. .
2. Asumiendo que el flujo másico de entrada ( m ) de material particulado calculado en el numeral anterior corresponde solamente al contenido de cenizas del carbón antracita, y que el total de nitrógeno gaseoso (n N2 = N 2 contenido en el aire + N 2 proveniente del carbón) reacciona con el oxígeno gaseoso sobrante (nO2sobrante) para formar óxido nitroso (NO) según la reacción: 0
N 2
O2 2 NO .
Calcule el flujo molar total de gases a la salida de la caldera ( n ). La combustión del carbón se hace con un exceso de aire del 25%, con humedad de 0,013 moles de H2O/mol de Aire Seco.
NOTA: No pase por alto que en la reacción anterior va a haber un reactivo límite. Composición del carbón antracita Sustancia
Porcentaje en peso
(Base seca)
C H O N S Cenizas
82,1 2,3 2,0 0,8 0,6 12,2
3. Los gases de combustión salen a una presión de 0,983 atm y una temperatura de 128°C. Para impulsar esta corriente gaseosa a través del sistema de control se cuenta con un ventilador del 85% de eficiencia y una potencia disponible de 277,019 kW. ¿Cuál es la caída de presión máxima que puede tener el sistema de control para que sea operable a las condiciones dadas? 1. Tamaño (µ)
% Peso Entrada
5 40 115
28,500 45,900 25,600
p1
.
m
0
Sustancia
(g/s)
(g/s) 8,30964467
2,5107256
20,8632376
13,38290142
0,41843315
5,5998496
7,464101879
0,121062656
0,903624 27,3667112
.
m
2
(g/s) 0,3 0,05 0,01
6,25897128 0,27999248 0,00903624 6,548
29,15664797 g ceni zas × 12100,2 239 107,844 Flujo molar
CO2
(moles/s) 16,3516
H2O Total SO2 N2 Total O2 (Sobrante)
4,1121 0,0448 82,9302 4,4053
N2 + O2 → 2 NO
3.
p2
1
29,15664797
2.
.
m
Sustancia
Flujo molar
CO2
(moles/s) 16,3516
H2O Total SO2 N2 Total NO
4,1121 0,0448 78,5249 8,8106
107,844
% Peso Salida
95,586 4,276 0,138
71. La
× 1 107, 8 44 ×0, 0 82 ×401 × 10 0,983× 3, 6 074 3,6074 ×∆ 277019∆65273 0,85
empresa que lo acaba de contratar a usted como director del Departamento Ambiental cuenta en su planta de producción, con una caldera que utiliza turba como combustible. La combustión de la turba ocurre con un exceso de aire del 21%, cuya humedad es de 0,115 moles de agua por mol de aire seco. El flujo promedio de carbón en operación normal es de 750 g/s.
Los gases de combustión se enfrían una vez salen de la caldera hasta la temperatura de rocío del agua contenida en la corriente, condiciones en las cuales se mantienen a una presión total de 729 mmHg. Un estudio granulométrico del material particulado generado por la combustión de la turba en la caldera arrojó los siguientes resultados sobre la composición promedio: Flujo Diametro de partícula másico (μm) (g/s) 1 8,25 10 9,90 20 19,25 30 17,60 55,00 Para controlar las emisiones de material particulado la caldera cuenta con un sistema múltiple de tres etapas que incluye una cámara de sedimentación de 10 m de longitud, 4 m de altura y 4,5 m de ancho, seguida de un separador ciclónico convencional de 2 m de radio externo, y finalizando con un ESP de 14 m de longitud, 12 m de altura y 4 m de ancho, que opera con una intensidad de campo de 40 kV/m. El material particulado tiene una resistividad () de 8, y una densidad de 2250 kg/m3. Debido a que el costo operativo de este sistema es muy elevado, el gerente de la empresa le solicita que estudia la posibilidad de reemplazar este sistema con un filtro de mangas que tienen en otra planta, y que podría reubicarse fácilmente en la que usted trabaja. Este filtro de mangas cuenta con 6 compartimientos para ubicar máximo 50 mangas cilíndricas de 20 cm de diámetro y 8 m de altura. Pruebas preliminares demostraron que después de 5 horas de operación, el grosor promedio de la torta fue de 1,955480 mm, asumiendo que la torta se compone de un 50% de material particulado y un 50% de espacios vacíos. Especifique si operando solamente el filtro de mangas es posible lograr la misma eficiencia total de colección de material particulado que se alcanza utilizando el sistema de 3 etapas explicado anteriormente, justificando claramente su respuesta. Sistema de 3 etapas: Camara de Sedimentacion:
× 1 266, 7 494 ×0, 0 82 ×329, 4 4 × 795 ××1 10 6,89 760 89 0,383 4,56,×4 6, 8 9 2× 1 3,445
Separador Ciclonico:
Diametro de partícula (μm)
1 10 20 30
Flujo másico (g/s) 8,25 9,90 19,25 17,60 55,00
P1
Flujo másico
0,995 8,246 0,9565 9,469 0,837 16,112 0,67 11,792 45,619
P2
Flujo másico
P3
Flujo másico
0,9992 0,9278 0,7409 0,5092
8,2394 8,7853 11,9374 6,0045 34,9666
0,9848 0,8577 0,7357 0,6311
8,1141 7,5352 8,7823 3,7894 28,221
0,487 6, 8 9 5×50× 8 ×0, 2 × 0,00137 − ×5 ℎ×3600 0,5×2245 ×1,99548×10− 1,0,37×10 ×0, 1 016 × 1 ℎ 8761
Filtro de mangas:
Si, la eficiencia es mayor con el Filtr o de Mangas. 72. Al
instalar un sistema de control atmosférico para tratar los gases provenientes de una caldera, se debe contar con un ventilador que impulse la corriente a través del sistema para vencer la caída de presión que éste ocasiona.
El análisis de estos gases antes de pasar por el ventilador arrojó los siguientes datos: .
n CO
4,88
.
n NO
4,60
.
n SO 2
4,00
moles s
(Flujo molar de CO gaseoso)
moles s
(Flujo molar de NO gaseoso)
moles s
(Flujo molar de SO2 gaseoso)
Adicionalmente se condensó la corriente, y dado que el a gua es la única sustancia condensable a las condiciones de operación, se pudo determinar un flujo volumétrico de agua líquida de 4,127x10-4
m3/s. Si la presión de salida de la corriente de gases a la atmósfera o P2, es de 107498 Pa, la caída de presión ocasionada por el sistema de control de 8200 Pa y la temperatura promedio de 55ºC, determine la eficiencia mínima a la que debe operar el ventilador teniendo disponibles sólo 15 MW de potencia. Información adicional: R = 8134 m3.Pa / mol.K Pa = N / m2 W = N.m / s
13,48 − ×107498 4, 1 27×10 8134 × ×328 1,6628×10 − 2 × ×328 × 13, 4 8001663 ×8134 107498 × 334,55 8200 ×334, 5 5 15×100,1829
la siguiente tabla para partículas de densidad 1000, 2000 y 3000 kg/m 3; encuentre los límites de aplicación de la Ley de Stokes, aplicando el factor de corrección de Cunningham (para partículas pequeñas) y la corrección del factor de retardo (para partículas grandes). Con base en los datos de la tabla, construya una gráfica Log-Log e identifique las áreas donde no se aplica la Ley de Stokes.
73. Complete
Para 1000 kg/m3: Diámetro de partícula (µ)
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 5,0 10,0 20,0 30,0
Velocidad de sedimentación según la Ley de Stokes (m/s) 1,20966E-06 4,83863E-06 1,08869E-05 1,93545E-05 3,02414E-05 0,000756036 0,003024144 0,012096578 0,0272173
Velocidad de sedimentación corregida para partículas muy grandes o muy pequeñas (m/s) 1,94126E-06 6,30183E-06 1,30817E-05 2,22809E-05 3,38994E-05 0,000774326 0,003060724 0,012169738 0,02732704
Porcentaje de error
-60,48 -30,24 -20,16 -15,12 -12,096 -2,4192 -1,2096 -0,6048 -0,4032
40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 200.0 300.0 Para 2000 kg/m3: Diámetro de partícula (µ)
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 200.0 300.0
0,048386311 0,075603611 0,1088692 0,148183078 0,193545244 0,2449557 0,302414444 1,209657778 2,72173
Velocidad de sedimentación según la Ley de Stokes (m/s) 2,42077E-06 9,68308E-06 2,17869E-05 3,87323E-05 6,05192E-05 0,001512981 0,006051922 0,024207689 0,0544673 0,096830756 0,151298056 0,2178692 0,296544189 0,387323022 0,4902057 0,605192222 2,420768889 5,44673
0,048532631 0,075786511 0,10908868 0,148439138 0,193837885 0,24528492 0,302780245 1,210389379 2,722827402
Velocidad de sedimentación corregida para partículas muy grandes o muy pequeñas (m/s) 3,88485E-06 1,26112E-05 2,61792E-05 4,45886E-05 6,78396E-05 0,001549583 0,006125126 0,024354097 0,054686912 0,097123572 0,151664076 0,218308424 0,297056617 0,387908655 0,490864536 0,605924263 2,42223297 5,448926122
-0,3024 -0,24192 -0,2016 -0,1728 -0,1512 -0,1344 -0,12096 -0,06048 -0,04032
Porcentaje de error
-60,48 -30,24 -20,16 -15,12 -12,096 -2,4192 -1,2096 -0,6048 -0,4032 -0,3024 -0,24192 -0,2016 -0,1728 -0,1512 -0,1344 -0,12096 -0,06048 -0,04032
Para 3000 kg/m3: Diámetro de partícula (µ)
Velocidad de sedimentación según la Ley de Stokes (m/s)
Velocidad de sedimentación corregida para partículas muy grandes o muy pequeñas (m/s)
Porcentaje de error
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 200.0 300.0
3,63188E-06 1,45275E-05 3,26869E-05 5,81101E-05 0,000090797 0,002269925 0,0090797 0,0363188 0,0817173 0,1452752 0,2269925 0,3268692 0,4449053 0,5811008 0,7354557 0,90797 3,63188 8,17173
5,82844E-06 1,89206E-05 3,92766E-05 6,68963E-05 0,00010178 0,002324839 0,009189528 0,036538456 0,082046784 0,145714512 0,22754164 0,327528168 0,445674096 0,581979424 0,736444152 0,909068281 3,634076561 8,175024842
74. Se
-60,48 -30,24 -20,16 -15,12 -12,096 -2,4192 -1,2096 -0,6048 -0,4032 -0,3024 -0,24192 -0,2016 -0,1728 -0,1512 -0,1344 -0,12096 -0,06048 -0,04032
dispone de un ciclón convencional de diámetro externo D0 = 39 cm; la corriente de gases con material particulado alcanza a dar cinco vueltas o ciclos dentro del equipo, ó N = 5. Las partículas transportadas por el gas viajan en trayectoria circular a una velocidad angular ω = 184,62 s-1, siguiendo un radio r, como se muestra en la figura:
Partícula
r Wi
Vista superior - Ciclón
El material particulado se encuentra distribuido de la siguiente manera: Tamaño de partícula (µ)
Porcentaje en peso
2,5 5,0 10,0
7,0 41,0 52,0
El flujo másico total de material particulado es de 70 g/s. Determine: 1. Dimensiones del ciclón, mostradas en un diagrama. 2. Eficiencia de captura para cada tamaño de partícula. 3. Eficiencia total de captura del ciclón. 4.
Wi=0,095 m H=0,195 m H1=078 m H2=078 m De=0,195 m S=0,24375 m Dd=0,0975 m 5.
6.
75. Una
22 0, 3 9 2×0, 2 0975 0,0975 √ 184,6×. 2 ×0,×(,095×17,)×54 n2,5μ1e−n5μ0,×,5×,914× 0,2005 n10μ 0,9721
Tamaño de partícula (µ)
Porcentaje en peso
M0
P1
M1
2,5 5,0 10,0
7,0 41,0 52,0
4,9 28,7 36,4 70
0,7995 0,4085 0,02787
3,9175 11,7239 1,0145 16,6559
7016,706559 0,7620
caldera industrial utiliza carbón como combustible, el cual se quema a una rata másica de 2250 g/s, con un exceso de aire del 15%, y una humedad de 0,095 moles de agua por mol de aire seco. La corriente de gases de combustión se enfría hasta la temperatura de rocío del agua contenida en ella, y se mantiene a una presión de 775 mmHg. El material particulado generado por la combustión del carbón, tiene una densidad promedio de 3000 kg/m3, una resistividad de 7, y el diámetro aerodinámico promedio varía entre 0,2 y 100 μm. Se cuenta con 3 equipos de control de material particulado: una cámara de sedimentación de dimensiones 12 m x 5 m x 4 m; un separador ciclónico de diseño convencional de w i = 80 cm, y un precipitador
electrostático (ESP) de 18 m de altura (h), 20 m de longitud (L) y un ancho de 8 m (2H), capaz de proporcionar un campo eléctrico promedio de 55 kV/m. a) Construya una gráfica de diámetro de partícula ( μm) Vs Eficiencia en flujo mezclado, que incluya los 3 equipos mencionados, en el rango de 0,2 hasta 100 μm. b) Determine el diámetro de corte de cada uno de los equipos. c) Determine el diámetro para el cual se alcanza una eficiencia del 100% para cada uno de los equipos, si es posible. d) Suponiendo que opera los 3 equipos en serie, iniciando con la cámara de sedimentación, seguida del separador ciclónico y por último el ESP, y que la eficiencia total del sistema es del 89,6577%, llene la siguiente tabla: Cámara de Diámetr Porcentaj Separador (g/s o de e en peso (g/s) sedimentació (g/s) ciclónico ) n partícula a la (μm) entrada m0 p1 m1 p2 m2 1 11,6600 5 21,8900 10 66,4500
ESP
(g/s)
p3
m3
0,206 8 a) Chart Title 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
0.00002
0.00004 Ef Camara
0.00006 Ef ciclon
0.00008
0.0001 Ef ESP
×, ×, × , × 26, 1 09 b) × Camara: 26, 1 09 5 ×4 1,305
0.00012
Porcentaj e en peso a la salida 73,7576 21,6857 4,5567
Ciclon:
ESP:
××× ] ×,××, 0, 5 1e−[×,57, 6 26, 1 09 20,8 20,398 ×] ×, × −[ ×, ×, × 0, 5 1e 8,212 , 0,0, 5 111308−× 6 − 8, 8 5×10 ×55000 0,11308 62 1,8×10− .. 122,6
c) En el diámetro D=0,0032 m d)
Diámetro Cámara de Porcentaje (g/s) de sedimentación en peso a partícula la entrada m0 (μm) p1 1 11,6600 0,8681 0,8681 5 21,8900 0,4377 0,4679 10 66,4500 1,329 0,1921 1,9995
(g/s) m1 0,2024 0,2048 0,2553 0,6625
Separador ciclónico p2 0,8681 0,4679 0,1921
(g/s) Porcentaje en peso a la salida m2 p3 m3 0,1757 0,8681 0,1525 73,7576 0,0958 0,4679 0,0448 21,6857 0,0490 0,1921 0,0094 4,5567 0,3206 0,2068
76. Suponga
(g/s)
ESP
que tiene un ciclón que obedece a la ecuación de eficiencia de flujo en bloque para separadores ciclónicos, cuyo diámetro de corte es D 1. Si conectamos 5 ciclones idénticos como este en serie, el sistema total tiene un diámetro de corte total D5. Determine el valor de D5/D1.
n0, 5 × 10, 5 × 10, 5 × 0,5
1 0,0,5 5 0,508
77. Completar
la siguiente tabla de eficiencias, correspondiente a un sistema de control de cuatro (4) etapas exactamente iguales, teniendo en cuenta que la eficiencia total del sistema es del 95,16897%.
Diámetro Distribución Flujo de porcentual másico partícula en masa (%) 0 (g/s)
E tapa 1 p1
(μm)
0,1 - 1,0 1,0 - 2,5 2,5 – 10 >10
E tapa 2 Flujo másico 1 (g/s)
p2
E tapa 3 Flujo másico 2 (g/s)
p3
E tapa 4 Flujo másico 3 (g/s)
p4
4,3 15,4
131,6700 0,6510
85,7172
0,6510 55,8019 0,6510 36,3271 0,6510
22,9
195,7950 0,1190
23,2961
0,1190
2,7718
0,1190
0,3298 0,1190
57,4
490,7699 0,0303
14,8648
0,0303
0,4502
0,0303
0,0136 0,0303
36,7650
0,8509 31,2817
0,8509 26,6162 0,8509 22,6465 0,8509
854,9999 0,1641 140,2950 0,6072 85,1899 0,6963 59,3170 0,6963
Eficiencia por etapas 78.
0,8359
0,3928
0,3037
Flujo Distribución másico 4 porcentual (g/s) en masa (%) 19,2689
46,65
23,6489
57,254 0,095 0,001
0,0392 0,0004
41,3053
0,3036
Para tratar una corriente de gases que contiene material particulado, se utiliza un sistema de control de dos etapas diferentes; la operación del sistema se puede resumir en la siguiente tabla: Tamaño Porcenta Masa de de je en entrada partícula peso a etapa (a la 1 (μ) entrada) (g/s) 1 10 10 10 30 30 100 60 60 100
Penetraci ón etapa 1
0,2 0,1 0,01
Masa de entrada a etapa 2 (g/s) 2,0 3,0 0,6 5,6
Penetraci Masa de Porcenta ón etapa salida de je en 2 etapa 2 peso (g/s) (a la salida) 0,15 0,3 31,35 62,50 0,2 0,6 6,25 0,1 0,06 0,96
Teniendo en cuenta que la eficiencia total del sistema es del 99,04%, y con base en la información proporcionada, completar la tabla. 79.
La siguiente tabla muestra un sistema de control compuesto por 3 etapas exactamente iguales. La eficiencia total de este sistema es del 99,305291%. Completar la tabla.
Diámetro (µm) % Peso
Flujo másico (g/s)
p1
Flujo másico (g/s)
p2
Flujo másico (g/s)
p3
Flujo másico (g/s)
% Peso
0 - 1,0
2,000
5,0000
0,500 0
2,5000
0, 5000
1,2500
0,5000
0,6250
35,986
1,0 - 2,5
7,000
17,5000
0,3500
6,1250
0,3500
2,1438
0,3500
0,7503
43,202
2,5 - 5,0
18,000
45,0000
0,2000
9,0000
0,2000
1,8000
0,2000
0,3600
20,728
5,0 - 10,0 73,000
182,5000
0,0200
3,6491
0,0200
0,0730
0,0200
0,0015
0,084
250,000
17,6250
5,1938
1,7368
4. Disperción de contaminantes de La atmosfera 80. Una
caldera de una planta termoeléctrica quema carbón mineral, con un exceso de aire del 25% y una humedad de 0,0357 moles de agua por mol de aire seco. En la zona aledaña a la planta se encuentran dos estaciones de monitoreo de la calidad del aire. Teniendo como referencia que la dirección predominante del viento en esta zona es Occidente-Oriente, la estación A está localizada a nivel de suelo, a 1,35 km en dirección del viento y 0,269 km en dirección Norte; y la estación B localizada también a nivel de suelo, a 3,2 km en dirección del viento y 0,155 km en dirección Sur. La estación A determinó una concentración promedio de SO 2 de 33,752 μg/m3, mientras la estación B determinó una concentración promedio de CO2 de 3,2395 mg/m3. La caldera tiene una chimenea de 43 m de altura y una pluma de 17 m de altura promedio. La velocidad del viento predominante es de 11 m/s, y la estabilidad atmosférica tipo C. a) De acuerdo a la información proporcionada, determine qué tipo de carbón (antracítico, bituminoso, lignito o turba) están utilizando en esta planta, y a qué rata (en g/s) se está quemando. b) La corriente de gases de salida debe ser enfriada a una temperatura no menor al doble de la temperatura de rocío del agua contenido en esta corriente, de manera que se minimice el requerimiento de potencia de un ventilador requerido para impulsar los gases a través de un sistema de control al final del tubo. Para este propósito se utiliza una corriente de agua con un flujo de 75,5312 L/s que entra al sistema a 22°C, y sale como vapor saturado. La presión total de los gases a la salida del intercambiador de calor es de 788 mmHg. Determine la temperatura de entrada de los gases de combustión.
81. Una
planta fundidora de cobre que opera sin control de emisiones tiene una chimenea de 150 m de altura, y una altura de pluma de 75 m. Actualmente esta planta emite 1000 g/s de SO2. Calcule la concentración a nivel de piso de SO2 a una distancia de 5 km de la fuente en la misma dirección del viento, con una velocidad de 3 m/s y condiciones de estabilidad clase C.
150 75 225 440 270 1000 2×3 ×440×270 ×−,× ×−,×− −,×+ 0,00063145 631,45
82. El
gerente de la planta del problema anterior fue informado que la concentración calculada anteriormente corresponde al doble del valor máximo permitido. La solución que proponen a este problema es aumentar la altura de la chimenea, de manera que la concentración sea la mitad del valor calculado en el problema anterior. Que altura debe tener la nueva chimenea de manera que se cumplan estas condiciones?
83.
0, 0 0063145 2 312,725×10− 1000 ×−,× ×−,×− −,×+ 312,725×10− 2×3 ×440 ×270 h390390 m75 m315
Una planta de producción de cemento Portland utiliza cierto tipo de carbón mineral como combustible para el horno rotario. Este carbón mineral tiene un contenido de carbono del 82,1% en peso, y de azufre del 0,6% en peso. De todo el carbono disponible, el 22% se convierte en monóxido de carbono, CO, y el resto en dióxido de carbono, CO 2. A 2,25 km en dirección del viento, 0,20 km en dirección norte y a nivel de suelo con respecto a la fuente, se ubicó una estación de monitoreo de la calidad del aire que operó durante un año. De esta estación se obtuvieron entre otros, los siguientes datos: El tipo de estabilidad atmosférica predominante fue la A. La velocidad del viento promedio fue de 15 m/s. 3 La concentración anual promedio de CO fue de 10,62 μg/m . Si la altura de la chimenea es de 64 m, y la altura promedio de la pluma es de 22 m, calcule: a) El flujo másico, en g/s, de CO que se emite en la chimenea del horno rotario. b) La concentración anual promedio de SO 2 que debería registrar la misma estación. c) La concentración anual promedio de CO 2 que debería registrar la misma estación.
6422 86 440 2500 10,62 / 2×15 ×440 ×2500 ×−,× ×−,×− −,×+ 610,463 610,463 × 128 × 221000,6 × 1 12 1189,21 1189, 21 64 ×282,1 8,69 Q8,69 × 32 17,38 a)
b)
c)
17, 3 8 2×15 ×440 ×2500 ×−,× ×−,×− −,×+ 0,302353 m 1189,21 × 112 × 781002 × 144 22 3401,14 3401, 1 4 ×−,× ×−,×− −,×+ 2×15 ×440 ×2500 C59,1683
84. Una
planta de producción de cemento utiliza carbón lignito como combustible, el cual se quema con un exceso de aire del 30%, con una humedad de 0,045 moles H2O/mol de aire seco. Del análisis químico de los gases de combustión se pudo determinar que se producen 5,808 ton CO2/h y 0,924 ton CO /h.
1) A partir de esta información, determine el factor de emisión de SO 2, en g/s, que se produce al quemar el carbón lignito en la planta de producción de cemento. 2) Si la planta tiene una chimenea de 65 m de altura, y se forma una pluma de 20 m, determine la concentración a nivel de suelo de SO 2 en los siguientes puntos, asumiendo una velocidad del viento promedio de 12 m/s, y una estabilidad tipo C : a) A 4 km en dirección del viento, (asumiendo que el viento se dirige principalmente en sentido occidente – oriente) y 0,75 km hacia el norte. b) A 5,5 km en dirección del viento, y 0,2 km hacia el sur. 3) Los gases de combustión salen del horno a una presión total de 1,046 atm, y se enfrían hasta una temperatura 2,53 veces mayor que la temperatura de rocío del agua a las condiciones descritas anteriormente. Después de este proceso de enfriamiento la presión total de los gases baja hasta 1 atm. A estas condiciones los gases de combustión entran a un sistema de control que causa una caída de presión de 75,5 kPa. Si solo se di spone de una potencia de 30 kW para operar un ventilador que impulse los gases a través del sistema de control, ¿Cuál es la eficiencia mínima requerida para operar este ventilador?
Composición en seco del carbón lignito.
Especie C H O N S Ceniza
Composición en peso (%) 55,0 4,4 13,0 1,0 1,7 24,9
1 ℎ 440 5,808 ℎ2 × 10101 × 4412122 × 3600 0,924 ℎ × 1 × 28 × 36001 ℎ 110 440 1101,7 550 550 64× 55 2 17 2 17 × 32 34 65 20 85 220 300 −,×− −,×+ 3, 4 ×10 −, × 2×12 ×300 ×220 × × 12,68 / 290 500 −,×− −,×+ 3, 4 ×10 −, × 2×12 ×500 ×290 × × 5,96 / × 1 360, 2 3 ×0, 0 82 ×392, 0 24× 10 1,0× 11, 0 7 4675500 ×11,07 300000 1)
2)
a)
b)
3)
85.
Una planta incineradora de residuos urbanos emite de manera descontrolada dioxinas a la atmosfera a una rata másica de 540 kg/h. La chimenea del incinerador tiene una altura de 45 m, y la pluma una altura promedio de 20 m. Utilizando la hoja de cálculo de E xcel “Pluma Gaussiana”, determine las concentraciones de dioxinas en un radio de 6 km en dirección del viento (x) y 4 km en las direcciones (y) y (-y) si la velocidad promedio del viento es de 10 m/s. Debe elaborar una malla desde 0 a 6 km con divisiones de 0,5 km en el eje x, y de 1000 a -1000 m en el eje y con divisiones de 100 m, y calcular las
concentraciones de dioxinas en cada punto de la malla. Si es posible graficar las concentraciones en la malla como gráfico de área de contorno. Suponga que la condición de estabilidad atmosférica predominante en el área de la malla en estudio es clase B.
86.
Una planta incineradora de residuos urbanos emite de manera descontrolada dioxinas a la atmosfera a una rata másica de 425 kg/h. La chimenea del incinerador tiene una altura de 65 m, y la pluma una altura promedio de 18 m. Utilizando la hoja de cálculo de Excel suministrada, determine las concentraciones de dioxinas en un radio de 4 km en dirección del viento ( x ) y 2 km en las direcciones (y ) y (-y ) si la velocidad promedio del viento es de 12 m/s. Debe elaborar una malla desde 0 a 4 km con divisiones de 0,5 km en el eje x , y de 1000 a -1000 m en el eje y con divisiones de 100 m, y calcular las concentraciones de dioxinas en cada punto de la malla. Suponga que la condición de estabilidad atmosférica predominante en el área de la malla en estudio es clase D.
87.
Una fundidora de cobre grande y mal controlada tiene una chimenea de 150 m de alto y una altura de la columna de humo de 75 m. En la actualidad está emitiendo 1000 g/s de SO 2. a) Estímese la concentración a nivel del suelo de SO 2 debida a esta fuente, a una distancia de 5 km directamente en la dirección del viento, cuando la velocidad de este es de 3 m/s y la clase de estabilidad es la C. b) Se ha informado a la administración de la fundidora que la concentración calculada en el numeral anterior es el doble del valor admisible. Se propone remediar esta situación instalando una chimenea más alta. Que tan alta debe ser esta chimenea para cumplir con la normatividad? c) Estímese la concentración del monóxido de carbono en el borde de una ciudad en la dirección del viento. Se puede considerar que la ciudad se divide en tres secciones o cajas paralelas. Para todas las franjas la velocidad del viento u es igual a 3 m/s. En la tabla siguiente se describen las propiedades de cada una de las cajas:
Nombre de la sección o caja
Longitud L (km)
Afueras de la ciudad contra el viento Centro Afueras de la ciudad en dirección del viento
5 2 5
ndice de emisiones q (g/s.km2) 100 500 100
Altura de mezclado H (m) 400 500 400
Suponga que se puede aplicar el modelo de cajas fijas, y la concentración de fondo de monóxido de carbono b, en el aire que sale de la caja “Afueras de la ciudad contra el viento” es de 1 mg/m3. Ecuación del modelo de caja fija:
Donde c es la concentración del contaminante en la caja fija, b es la concentración de fondo que entra o sale de la caja fi ja, q es el índice de emisiones del contaminante, L es la longitud de la caja fija, H es la altura de mezclado, y u es la velocidad del viento. a)
15075 225 440
270 1000 2×3 ×440×270 ×−,× ×−,×− −,×+ 0, 0 0063145 2 312,725×10− 1000 ×−,× ×−,×− −,×+ 312,725×10− 2×3 ×440 ×270 390 h390 m75 m315 b)
c)
0, 1 ×5000 1,4167 1 3 ×400
Afueras de la ciudad contra el viento:
Centro:
Afueras de la ciudad en dirección del viento: 88. Una
planta termoeléctrica funciona con una caldera que quema un flujo determinado de carbón antracítico, con un exceso de aire del 18% y una humedad de 0,149 moles de agua por mol de aire seco. Los gases de combustión llegan a la chimenea a una presión total de 105,48 kPa, luego de ser enfriados de 550°C hasta una temperatura 3 veces mayor que l a temperatura de rocío del agua contenida en dicha corriente. a) La norma de calidad de aire para el SO2 es de 75 ppb como contaminante primario en un promedio de una hora de exposición según los NAAQS. ¿Cuántas veces debe diluirse la corriente de gases de combustión para cumplir con esta norma? b) Si la cantidad de carbón que se quema es de 1,25 kg/s, a las condiciones mencionadas anteriormente, y la caldera tiene una chimenea de 45 m de altura; determine las coordenadas de al menos dos puntos en el espacio en los cuales la concentración de SO2 a nivel de suelo supera la norma de calidad de aire (NAAQS), teniendo en cuenta una altura de pluma de 18 m, una velocidad del viento de 3,5 m/s, y estabilidad atmosférica tipo D. c) Calcule el flujo de agua (en m3/min) a 20°C que debe entrar al intercambiador de calor para enfriar los gases de combustión hasta la temperatura deseada, de manera que con este intercambio de calor se pueda obtener vapor sobrecalentado a 150°C. d) Para controlar las emisiones de partículas a la atmosfera, se debe instalar un dispositivo de control al final del tubo. La potencia total disponible para este fin es de 3,6 MW, y el presupuesto permite un ventilador de máximo un 68,5% de eficiencia. Determine la caída de presión máxima, en kPa, que puede tener este dispositivo de control para ajustarse a las condiciones de operación de la caldera. a)
0,0004 2 0,0004 2 × 10 400000 2 2 400000 75 2 5333 45 18 63 2 75 2 × 10− × 1 64 2 × 1 24,4 × 101 1, 9 67×10 − 1,967×10 −,×− −,×+ 15 −, × 2×3,5 × × ×× × × 166,025501610,13 603,3466 ×6,95 × 1610,13 ×[1 ℃ ×1002℃500 0, 4 5 ×150100℃] ℃ 2673,415 × 11 × 101 × 160 0,1603 × 1 603, 3 466 ×0, 0 82 ×439, 0 2× × 10 760 1 20, 8 65 ×791,165 ×0,685 20, 8 65 ∆ 3,6×10 118,188 b)
c)
d)
89.
Una planta termoeléctrica utiliza carbón antracítico como combustible de la caldera. Del análisis químico de los gases de combustión se pudo determinar que se producen 20,147 ton/h de N 2, de las cuáles el 99,916% corresponde al N 2 presente en el aire, y el resto al N 2 que se produce por la combustión del carbón. Adicionalmente, del total de carbono presente en la composición del carbón antracitico el 87,5% se convierte en CO 2, y el restante en CO.
1) A partir de esta información, determine el factor de emisión de CO, en g/s, que se produce al quemar el carbón antracítico en las condiciones normales de operación de la planta. 2) Si la planta tiene una chimenea de 45 m de altura, y se forma una pluma de 15 m, determine la concentración a nivel de suelo de CO en los siguientes puntos, asumiendo una velocidad del viento promedio de 23 m/s, y una estabilidad tipo B: a) A 6 km en dirección del viento, (asumiendo que el viento se dirige principalmente en sentido occidente – oriente) y 0,8 km hacia el norte. b) A 3,5 km en dirección del viento, y 0,985 km hacia el sur. c) Cual de los dos puntos sería mas recomendable para construir un asentamiento humano? Justifique su respuesta.
Composición en seco del carbón antracítico.
Especie C H O N S Ceniza 1)
2)
Composición en peso (%) 82,1 2,3 2,0 0,8 0,6 12,2
220,147 ℎ × 0,1002084 × 36001 ℎ × 101 4,7 4, 7 100 4, 7 4,7 × 0,82,8 1 587,5 587,5 28 ×100 482,34 482,34 × 12 ×0,125140,6825 45 15 60
775 775 140, 6 825 ×−,× ×−,×− −,×+ 2×23 ×775 ×775 1,8959 430 480
a)
b)
140, 6 825 ×−,× ×−,×− −,×+ 2×23 ×480 ×430 1,1233 c) Es mas recomendable para construir un asentamiento humano en la ubicación de b. 90.
Una planta termoeléctrica utiliza carbón mineral como combustible, el cual se quema con un exceso de aire del 20%, con humedad de 0,022 moles de agua por mol de aire seco. Los gases de combustión producidos en la caldera se deben pasar por un sistema de control de emisiones de contaminantes atmosféricos antes de ser emitidos a la atmosfera, según lo exigido por la legislación ambiental. Para las condiciones de operación de esta planta, antes de pasar por este sistema, la corriente de gases se enfría hasta una temperatura de 80,824°C, que corresponde exactamente a 2,5 veces la temperatura de rocío del agua contenida en los gases de combustión. El sistema de control atmosférico mencionado anteriormente ocasiona una caída de presión en la tubería de 35 kPa, y la presión total de los gases antes de entrar al sistema es de 765 mmHg. Para impulsar los gases de combustión a través del sistema de control se cuenta con un ventilador con eficiencia del 75%, y requerimiento de potencia de 0,882 MW. a) Con base en esta información, y asumiendo que el carbón utilizado en esta planta es antracita, determine el flujo másico de carbón mineral en kg/s que se quema en la caldera de la termoeléctrica. b) Si la caldera cuenta con una chimenea de 30 m de altura, y se forma una pluma de 13 m, determine la concentración a nivel de suelo de SO 2 a 1,8 km en dirección del viento (asumiendo que el viento sopla en sentido occidente oriente) y 0,15 km ha cia el sur, asumiendo que la velocidad del viento es de 80 ft/s, y la condición de estabilidad atmosférica se ajusta al tipo B. Composición química en base seca del carbón antracita
Especie C H O N S Ceniza a)
Porcentaje en masa 82,1 2,3 2,0 0,8 0,6 12,2
×0, 75 18,9 0,882×10 10 35××10 1 ×18, 9 × 655,705 1 760 0,082×765× × ×353,824
0,1539×655,705 × 1 44 2 4440,17 2
4440,17 2 × 44100122 1210,96 1210,96 × 82,1 1,475 30 1343 0, 6 64 2 2 1475 × 265 × 17, 7 100 32 210 17, 7 2×24,384 ×265 ×210 ×−,×− ×−,×− −,×+ 3,503 b)
Información adicional
. . .
Tipo de estabilidad A B C D E F
a 213 156 104 68 50,5 34
X en kilómetros, σy y σz en metros
X<1 km
b 0,894 0,894 0,894 0,894 0,894 0,894
c 440,8 106,6 61 33,2 22,8 14,35
Componente C H O N S
Turba 57,0 5,5 31,0 1,5 0,2
D 1,941 1,149 0,911 0,725 0,678 0,74
X>1 km
f 9,27 3,3 0 -1,7 -1,3 -0,35
c 459,7 108,2 61 44,5 55,4 62,6
d 2,094 1,098 0,911 0,516 0,405 0,18
Composición en % en peso Lignito Bituminoso Antracítico 55,0 75,8 82,1 4,4 5,0 2,3 13,0 7,4 2,0 1,0 1,5 0,8 1,7 1,6 0,6
f -9,6 2 0 -13 -34 -48,6
Ceniza
4,8
Cp (Gases de combustión) = 6,95 cal/mol.K Cp (H2O liq) = 1 cal/g.°C Cp (H2O gas) = 0,45 cal/g.°C ΔHvaporización H2O = 500 cal/g ρ H2O = 1 g/cm3 R = 0,082 atm.L/K.mol = 8,314 Pa.m 3/K.mol
24,9
8,7
12,2
