UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA II
INFORME N 1 ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LAS VARIABLES V ARIABLES QUE PRESIDEN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN E INTERCAMBIO DE CALOR EN EL EQUIPO GENERADOR DE VAPOR DEL LABORATORIO L ABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA
Prof.: Julio Rodríguez Preparador: Eldrys Ávila Sección: 66 Jefe de grupo:
Grupo: II
Kathleen Aponte
Integrantes: APONTE, Kathleen LANDAETA, Pablo DIAZ, Yonatan
Valencia, 27 de Enero de 2014
Objetivo 1. Precisar el principio básico del funcionamiento del generador de vapor e identificar el tipo del Laboratorio de Ingeniería Química. El generador de vapor es un equipo de transferencia de calor, cuyo objetivo principal es calentar agua hasta vapor saturado por medio de una combustión que cederá la energía al agua. El agua de alimentación que va a la caldera es almacenada en un tanque o cámara de agua con capacidad suficiente para atender la demanda de la caldera, así una válvula de control de nivel mantiene el tanque con agua, a su vez una bomba de alta presión empuja el agua hacia adentro de la caldera por medio de tuberías, al tiempo que, se da la combustión en el horno u hogar, esta es visible por el funcionamiento del quemador en forma de flama, el quemador es controlado automáticamente para pasar solamente el combustible necesario, la flama o calor es dirigida y distribuida a las superficies de calentamiento o tuberías donde la energía térmica liberada en el proceso de combustión se transmite al agua contenida en los tubos. Cuando el agua fluye a través de los tubos y el calor es aplicado por fuera se le conoce como Acuotubular, en otros casos los tubos están sumergidos en el agua y el calor pasa por el interior de los tubos a este diseño se le conoce como Pirotubular. Por medio de los procesos de radiación, conducción y convección el agua se transforma en vapor, dicho vapor es conducido por tuberías a los puntos de uso; en la parte superior de la caldera se encuentra una chimenea la cual conduce hacia afuera los humos o gases de la combustión. En conjunto en la caldera existen múltiples controles de seguridad para aliviar la presión si esta se incrementa mucho, para apagar la flama si el nivel del agua es demasiado bajo o para automatizar el control del nivel del agua. El generador de vapor del Laboratorio de Ingeniería Química es de tipo pirotubular.
Objetivo 2. Analizar los sistemas de tiro del generador de vapor. El sistema de tiro consiste sencillamente en el recorrido que experimenta la corriente de gases de combustión partiendo desde la cámara de combustión, pasando por los tubos y finalizando en la chimenea del equipo para proceder a salir a la atmósfera. La finalidad del sistema de tiro es introducir en el hogar el aire necesario para la combustión completa, además de obligar a los gases de combustión a trasladarse por los tubos del equipo a una velocidad definida y proceder a ser
Objetivo 1. Precisar el principio básico del funcionamiento del generador de vapor e identificar el tipo del Laboratorio de Ingeniería Química. El generador de vapor es un equipo de transferencia de calor, cuyo objetivo principal es calentar agua hasta vapor saturado por medio de una combustión que cederá la energía al agua. El agua de alimentación que va a la caldera es almacenada en un tanque o cámara de agua con capacidad suficiente para atender la demanda de la caldera, así una válvula de control de nivel mantiene el tanque con agua, a su vez una bomba de alta presión empuja el agua hacia adentro de la caldera por medio de tuberías, al tiempo que, se da la combustión en el horno u hogar, esta es visible por el funcionamiento del quemador en forma de flama, el quemador es controlado automáticamente para pasar solamente el combustible necesario, la flama o calor es dirigida y distribuida a las superficies de calentamiento o tuberías donde la energía térmica liberada en el proceso de combustión se transmite al agua contenida en los tubos. Cuando el agua fluye a través de los tubos y el calor es aplicado por fuera se le conoce como Acuotubular, en otros casos los tubos están sumergidos en el agua y el calor pasa por el interior de los tubos a este diseño se le conoce como Pirotubular. Por medio de los procesos de radiación, conducción y convección el agua se transforma en vapor, dicho vapor es conducido por tuberías a los puntos de uso; en la parte superior de la caldera se encuentra una chimenea la cual conduce hacia afuera los humos o gases de la combustión. En conjunto en la caldera existen múltiples controles de seguridad para aliviar la presión si esta se incrementa mucho, para apagar la flama si el nivel del agua es demasiado bajo o para automatizar el control del nivel del agua. El generador de vapor del Laboratorio de Ingeniería Química es de tipo pirotubular.
Objetivo 2. Analizar los sistemas de tiro del generador de vapor. El sistema de tiro consiste sencillamente en el recorrido que experimenta la corriente de gases de combustión partiendo desde la cámara de combustión, pasando por los tubos y finalizando en la chimenea del equipo para proceder a salir a la atmósfera. La finalidad del sistema de tiro es introducir en el hogar el aire necesario para la combustión completa, además de obligar a los gases de combustión a trasladarse por los tubos del equipo a una velocidad definida y proceder a ser
expulsados al ambiente a una altura relativamente alta a través de la chimenea. El generador de vapor trabajado opera mediante dos tipos de tiro, explicados a continuación:
Tiro natural: como su nombre lo indica ocurre en forma natural debido a que en la cámara de combustión se generan presiones negativas o por lo menos presiones inferiores a la presión ambiente, por lo tanto el fluido de gases realiza un recorrido de menor a mayor presión pasando a través de los tubos del hogar de la caldera.
Tiro forzado: en este tipo de tiro se utilizan mecanismos artificiales capaces de producir la diferencia de presión y por ende corrientes de aire e introducirlas a la cámara de combustión para la circulación de los gases, en la práctica experimental se operó con un turboventilador. El generador de vapor opera mediante los dos tiros explicados anteriormente, puesto que al alcanzar la presión de operación previamente definida por el operador, los controladores de presión se encargan de detener el proceso, incluyendo la actividad del turboventilador; generando directamente el tiro natural, y cuando la presión en el hogar desciende, el proceso de generación de vapor se reanuda por completo la expulsión de gases mediante el tiro forzado.
Objetivo 3. Precisar y explicar los sistemas de control y seguridad previos a la operación de la caldera En un generador de vapor se manejan elevadas presiones y temperaturas, por lo que un fallo en cualquier dispositivo puede causar daños en el equipo o en el peor de los casos ocasionar una explosión. Por lo que el sistema que conforma al generador de vapor cuenta con sistemas de control, entre ellos se encuentran: 1. Controles para manejo y seguridad de agua: Se realiza a través de un indicador de nivel acoplado al generador de vapor, cuando el nivel es bajo se activa el interruptor el cual impide que funcione el quemador hasta que no se restablezca un nivel óptimo de agua para el funcionamiento. a) Control de nivel por flotador: sistema que habilita el contactor de la bomba por medio de un interruptor para controlar el agua en la caldera
b) Control de nivel (auxiliar) Warrick: se acciona cuando el control de flotador falla, protege a la caldera por bajo nivel de agua apagando el quemador 2. Controles para manejo y seguridad de combustible: Se realiza a través de la disminución de la presión de operación fijada en el controlador, lo cual hace que la bomba de combustible se encienda cuando la presión baje permitiendo el paso de combustible hacia el hogar del generador de vapor. Está formado por: a) Filtro : protección de cuerpos extraños b) Bomba: mecanismo de transporte c) Precalentador eléctrico y a gas: elevar la temperatura del combustible d) Válvula desaireadora: sacar el aire en el precalentador eléctrico e) Válvula termostática: localizada a la entrada del calentador de vapor, si baja la temperatura del combustible se abre f) Válvula reductora: reduce la presión de vapor de la línea al precalentador según lo requerido por este g) Trampa: desalojar lo condensador a la salida del precalentador h) Manómetro y termómetro: se instalan después del filtro y muestra presión de atomización y temperatura i) Válvula modulante: regula la presión y cantidad de combustible al quemador principal j) Válvulas solenoides: abren y cierran el flujo de combustible 3. Sistemas de control de las presiones: Existen dos controladores, donde en uno se fija la presión máxima de operación y en el otro la presión de operación, si la presión de operación disminuye se encenderán la bomba de combustible, la bomba de agua, etc; pero si la presión de operación aumenta, se pasara a el controlador de la presión máxima de operación, que es un segundo sistema el cual evitara sobrepresiones en el generador de vapor. 4. Sistemas de alivio: Entre ellos se encuentran:
a) Válvula de alivio: Se encuentra ubicada en la parte superior de la caldera la cual se acciona cuando el sistema de control de presión no funciona y libera vapor disminuyendo así la sobrepresión. b) Tapón fundible: Es un único tapón que se encuentra ubicado en uno de los tubos, al calentarse hasta su punto de fusión permitirán el paso de agua de la coraza hacia los tubos y finalmente a la llama de combustión, apagando la misma y evitando que el sistema tenga un sobrecalentamiento.
Objetivo 4. Explicar el proceso de tratamiento de agua utilizado en el generador de vapor dentro de las operaciones unitarias. La suavización del agua por medio de intercambio iónico, es un tratamiento muy específico relacionado cuantitativa y cualitativamente con los sólidos disueltos presentes en el agua empleando el intercambio iónico, haciendo uso de un equipo llamado resina de intercambio iónico que se define como una macromolécula insoluble en agua, compuesta por una alta concentración de grupos pobres ácidos o básicos integrados en una matriz de un polímero sintético (estirénicas, acrílicas, entre otras). El agua que va a ser tratada contiene distintas concentraciones de sales disueltas, las cuales están disociadas en forma de iones. Los iones positivos son los cationes (Ca +2, Mg+2, Na+, entre otros) y los negativos son los aniones (SO 4- ,Cl-, HCO3-, CO3-, NO3-, PO4-2, entre otros). El agua cruda ingresa por la parte superior del equipo de la columna de ablandamiento de agua, atraviesa el manto de resinas, pasa por las boquillas difusoras hacia la cámara inferior, saliendo por el punto de salida fijo de la parte inferior del recipiente. La absorción es realizada por medio de resinas catiónicas sódicas que adhieren los iones de difícil disolución y liberan en su lugar iones simples, que se disuelven con facilidad. Desde el punto de vista de las operaciones unitarias, este procedimiento se realiza para mejorar la calidad de las aguas por medio de la absorción de los iones dobles de difícil disolución (especialmente calcio y magnesio) que producen el endurecimiento del agua.
Objetivo 5. Proponer métodos para conocer el comportamiento del generador de vapor.
-
Realizar inspecciones periódicas al generador de vapor : Las inspecciones al equipo se deben realizar ya que básicamente se desea que haya una transferencia de calor de los gases de combustión que van por los tubos al agua que los rodea, es necesario que dichos tubos estén en las mejores condiciones para que dicha transferencia sea la más efectiva, por lo que se recomienda hacer inspecciones periódicamente para cerciorar que estén en buen estado.
-
Realizar análisis Orsat: Es de vital importancia realizar dicho análisis, pues mediante los resultados que arroje, se apreciara si la reacción de combustión fue completa o incompleta
-
Análisis de la dureza del agua: Se debe realizar dicho estudio puesto que es de gran importancia mantener en buenas condiciones los componentes del equipo generador de vapor, para así eliminar cualquier incrustación o sedimento formado en el mismo, para ello se analiza si el agua que está ingresando al sistema posee la dureza adecuada, en caso contrario se debe cambiar la resina o regenerarla.
Objetivo 6. Determinar el tiempo correspondiente a un ciclo de operación de un generador de vapor mediante la construcción del gráfico de consumo de agua y combustible. Para determinar el ciclo de operación de la caldera, se trazó un grafico característico del consumo de agua y combustible del generador de vapor en función de los intervalos de tiempo de operación de sus respectivas bombas de suministro. Esto debido a que el ciclo de operación de un generador de vapor está relacionado con el consumo de agua y combustible en un tiempo específico; de hecho existen diferentes criterios para definir el ciclo, entre los cuales están: 1. Coincidencia en el tiempo en el cual las bombas de suministro de agua y combustible se encuentren encendidas. 2. Coincidencia en el tiempo en el cual las bombas de suministro de agua y combustible se encuentren apagadas. 3. Coincidencia en el tiempo en el cual la bombas de suministro de agua se encuentre apagada y la de combustible se encuentre encendida.
4. Y por ultimo coincidencia en el tiempo en el cual la bomba de suministro de agua se encuentre encendida y la de combustible se encuentre apagada.
En la presente practica el criterio seleccionado fue el N° 1, debido a que esta generó menor diferencia de tiempo entre el encendido de la bomba de suministro de agua y el encendido de la bomba de suministro de gasolina con respecto a los otros criterios, además este se presento de forma repetitiva durante el experimento. Cabe destacar que este ciclo solo se observo al inicio de la practica debido a que luego hubo varias fluctuaciones en el requerimiento de vapor de los equipos conectados a la caldera (hubo variaciones en la purga de vapor) por lo que el suministro de agua y combustible a la misma también variaron, como puede observarse en la figura 1. Sin embargo, ya se había observado previamente la repetitividad del ciclo. Al establecer el ciclo de operación del generador de vapor, se pudo determinar el tiempo total de duración del ciclo de la caldera, así como la masa de combustible y de agua consumida durante el ciclo, lo cual se haya expuesto en la tabla 1, donde se puede resaltar que la masa de combustible consumida es mucho menor que la de agua, esto se debe a las condiciones de control de operación del equipo (presión y nivel).
Consumo de agua y combustible en la caldera durante un determinado Agua tiempo bomba encendida 16
2 : E )
agua bomba apagada
14
±
m ( 12 a u g10 a y e 8 l b i t s 6 u b m 4 o c e 2 d a 0 s a M
Combustible bomba apagada Combustible bomba encendida
0
2000
4000
6000
tiempo (t ±0,01)s E:2000
8000
10000
Presion ambiente: (709,89±0,05)mmHg Temperatura ambiente: (29,0±0,5)°C
Figura 1. Consumo de agua y combustible respecto al tiempo de suministro, representando un ciclo de operación del generador.
TABLA 1 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL CICLO DE OPERACIÓN DEL GENERADOR DE VAPOR Masa total de agua Tiempo del ciclo
consumida
(tciclo ± 2 ) s
(mH2O) kg.
3412
53,1112
Masa total de combustible consumido (mcomb) kg.
5,1056
Presión ambiente:(709,89± 0,05)mmHg Temperatura ambiente: (29,0± 0,5) ºC Objetivo 7. Determinar la fórmula empírica del combustible empleado en la generación de calor (PERRY). La formula empírica se calculó mediante la tabla de análisis finales usuales de combustibles de petróleo, también llamados combustóleos tabla ubicada en el apéndice B del presente informe. en dicha tabla los valores de composición varían muy poco con respecto a los grados API haciendo que la formula empírica para cada hidrocarburo sea prácticamente la misma, además se realizó una interpolación lineal para obtener la composición de nuestro combustible, lo cual es una suposición muy severa que trae consigo un amplio rango de error, por lo que no es completamente fiable la formula empírica conseguida y reflejada en la siguiente tabla, y por ende se recomienda el uso de otro método de cálculo. TABLA 2 FÓRMULA EMPÍRICA DEL COMBUSTIBLE EMPLEADO EN LA GENERACIÓN DE CALOR MÉTODO
FÓRMULA EMPÍRICA
Tabla de análisis finales usuales de
combustibles de petróleo Presión ambiente:(709,89± 0,05)mmHg
Temperatura ambiente: (29,0± 0,5) ºC
Objetivo 8. Determinar la eficiencia térmica del generador de vapor del laboratorio de ingeniería química. La eficiencia de un generador de vapor se define como la relación entre el calor absorbido por el agua y el calor cedido por los gases generadores en el proceso de combustión, también está relacionada con el rendimiento del equipo. Teóricamente, la eficiencia térmica para una caldera pirotubular
oscila entre un (70 y 80) %.
Experimentalmente se obtuvo que la eficiencia del generador de vapor es de 72,64 %, por lo que podemos decir que el rendimiento de la caldera fue optimo, esto quiere decir que el calor cedido por el combustible es suficiente para calentar y evaporar el agua que se encuentra en el cuerpo del equipo cumpliendo con los requerimientos del proceso; además a través de este valor se puede inferir que se pierde de una u otra manera un poco del calor, ya que una parte lo absorbe el agua pero la otra se escapa al ambiente mediante los humos o gases de chimeneas. De igual forma las posibles causas que podrían haber afectado a la caldera para llegar a su máximo rendimiento pudo haber sido una cierta cantidad de aire en exceso y de combustible no quemado, además se conoce que la caldera no se le realiza un mantenimiento adecuado, una cierta humidificación del aire al entrada de la caldera y algunos otros los cuales son bien especificados en otro objetivo estudiado en la práctica. Como en cualquier otro proceso energético la eficiencia no alcanza el 100% esto se puede explicar porque como en toda transformación energética, también en el generador de vapor existen ciertas partes de la energía que se pierde y no puede aprovecharse. Estudiando la eficiencia del proceso global, el valor es de 60,64 %, este valor tiene sentido, ya que en el ciclo el generador de vapor llega a su máximo rendimiento, debido a eso es lógico que se tenga cierta disminución entre los valores de la eficiencia del ciclo y la total. La eficiencia de una unidad generadora de vapor depende de características como: el diseño de la caldera, el combustible empleado y el tipo de los quemadores.
CONCLUSIONES 1. En el laboratorio de ingeniería química se utiliza un generador de vapor pirotubular. 2. El tiro natural se da en forma espontánea por la diferencia de presión entre la zona de combustión y el medio ambiente. 3. El tiro forzado emplea equipos para aumentar la velocidad de corriente de los gases de combustión. 4. El ciclo del generador de vapor dura (3412± 2)s. 5. La masa de agua consumida en el ciclo es de 53 kg. 6. La masa de combustible consumida en el ciclo es de 5 kg. 7. El consumo de agua fue mayor que el de combustible.
RECOMENDACIONES 1. Se debe realizar el Análisis Orsat para cada mezcla de gases, puesto que las condiciones varían en cada práctica. 2. Realizar un mantenimiento periódico del generador de vapor para impedir fallas a la hora de la operación. 3. Colocar un nuevo aislante al equipo con mayor resistencia térmica para disminuir las pérdidas de calor al ambiente.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Perry, R. (2001). Manual del ingeniero químico (Sexta Edición) . México: McGraw Hill.
[] HIMMELBLAU, David M: Balances de Materia y Energía 4ª Edición. Prentice Hall Hispanoamericana, S.A, 1997. México. Título original: Principal and Calculations in Chemical Engineering. Traductor: José Pecina Hernández. [2]
Teoría
de
un
proceso
de
combustión
[Documento
en
línea] .
http://www.textoscientificos.com/energia/combustibles/teoria-combustion. Consultado el día 29/01/2014
APÉNDICES En esta sección se presentan los modelos utilizados para la obtención de los resultados así como también las tablas y figuras bibliográficas para la determinación de los mismos.
APÉNDICE A CÁLCULOS TÍPICOS Objetivo 6. Determinar el tiempo correspondiente a un ciclo de operación de un generador de vapor mediante la construcción del gráfico de consumo de agua y combustible. Como se menciono antes, la determinación del ciclo de la caldera requiere un grafico característico del consumo de agua y combustible del generador de vapor en función de los intervalos de tiempo de operación de sus respectivas bombas de suministro. Conversión del tiempo de operación.
(1)
(Himmelblau, 1997)
Donde: t: tiempo en segundos (s). hora: horas de encendido o apagado de la bomba (h). min: minutos de encendido o apagado de la bomba (min). seg: segundos de encendido o apagado de la bomba (s). Sustituyendo en la ecuación los datos de la tabla I, para el tiempo del primer encendido de la bomba de suministro de agua:
Así mismo se calcula para el resto de los encendidos y apagados de esta bomba, al igual que para todos los encendidos y apagados de la bomba de suministro de combustible.
Cálculo de la densidad de los fluidos de trabajo: Se calcula mediante la ecuación:
(2) (Silva, 2003)
Donde:
densidad del fluido (kg/mL).
: masa del picnómetro lleno (kg). : masa del picnómetro vacio (kg) : volumen del pignometro (mL)
Sustituyendo los valores para el agua en la ecuación (2):
Así mismo se realiza el cálculo para el combustible, resultando:
Calculo del radio de los tanques de almacenamiento
(3)
(Navarro, 1997) Donde: r
: Radio del tanque de almacenamiento, (cm).
P : Perímetro del tanque de almacenamiento, (cm).
Para el tanque de agua:
Lo mismo se hace para el tanque de combustible, resultando:
Calculo del radio de los visores de los tanques. Igualmente mediante la ecuación (3), teniendo en cuenta que ambos visores tienen el
mismo perímetro, el radio de los visores de ambos tanques resulta:
Calculo del volumen de fluido suministrado Mediante la siguiente ecuación:
(4)
Donde:
: Volumen de fluido suministrado a la caldera, (mL). : Nivel de fluido suministrado a la caldera, (cm). : radio del tanque, (cm). : radio del visor de nivel del tanque, (cm). Por ejemplo para el agua, de la primera corrida:
[ ] [ ] Así mismo se realizo para el combustible, resultando:
Cálculo de la cantidad de masa suministrada. A partir de la siguiente ecuación:
(5)
(Himmelblau, 1997)
Donde:
: masa de agua suministrada a la caldera, (kg). Sustituyendo los valores correspondientes al agua, tenemos: Así mismo para el combustible, resulta:
Luego de calculados todos los valores necesarios para el trazado del gráfico se procede a su elaboración y análisis, con el objeto de determinar el momento en que ambas bombas se encienden simultáneamente o muy cercanos por primera vez hasta que ocurre nuevamente el mismo hecho. Una vez que se observa este suceso se procede al cálculo de los parámetros característicos del ciclo de operación de la caldera:
Tiempo del ciclo
(6)
(Himmelblau, 1997)
Donde:
tiempo de operación del ciclo del generador de vapor (s). tiempo en el que coincide el encendido de la bomba de agua con el encendido de la bomba de combustible (s). : tiempo en el que coincide el encendido de la bomba de agua con el encendido de la bomba de combustible por segunda vez (s).
Luego de ubicado el ciclo y sustituyendo los datos obtenidos en el gráfico (figura 1), se tiene que:
Cálculo de las masa totales consumidas
Para esto sencillamente se procede a sumar las masas suministradas calculadas mediante la ecuación (5) para cada uno de los periodos de operación desde la primera vez que se dio la coincidencia hasta la segunda vez. Al realizar esto para el agua, resulta:
Y para el combustible: Objetivo 7. Determinar la formula empírica del combustible empleado en el generador de vapor.
Para la determinación de la formula empírica del combustible, es necesario conocer °API del combustible y los valores de composición en % de los usuales combustibles del petróleo que se encuentran en la tabla B.1.
Cálculo de la gravedad específica del combustible. g
( 7)
(Whitten, 2008) Donde: g
: gravedad específica (Adim.).
ρ:densidad(Kg/m3).
comb: combustible. Aref/60:
densidad del agua de referencia a 60°F (kg/m 3).
Tomando de la tabla B el valor de la densidad del agua de referencia:
g
g
Cálculo de los ºAPI para el combustible.
g
(8)
(Perry, 2001) Donde: º
API
: grados API del combustible (Adim.).
Sustituyendo en la expresión anterior el valor obtenido de gravedad específica se tiene:
Determinación de la cantidad de átomos de cada elemento que constituye la fórmula del combustible. La expresión general para la combustión de un combustible es la siguiente:
En la determinación de los números de átomos a y b de carbono (C) e hidrogeno (H) que forman parte de la ecuación del combustible es necesario realizar el siguiente procedimiento: Se debe entrar
en la tabla B.1, en la cual se encuentra la relación másica de
composición carbono-hidrógeno, con el fin de interpolar con el valor de APIº obtenido anteriormente y así obtener que: %P/P C/H= 7,23965
Adim.
La cantidad de hidrógeno de los combustibles de petróleo se calcula a partir de la densidad por medio de la siguiente fórmula:
(Perry, 2001)
Donde: H: porcentaje de hidrógeno (%) s: densidad relativa a 15º (Adim.) La densidad relativa se obtiene al interpola entre los siguientes intervalos:
Densidad API
Densidad relativa a
(ºAPI) Adim.
15ºC (s) Adim.
21
0,9935
30
0,8013
Resultando de la interpolación que s= 0,8695 Al sustituir en la ecuación 10 se obtiene:
De la relación peso-peso de carbono-hidrógeno: Propia
Despejando de la expresión anterior, se tiene:
Sustituyendo los valores correspondientes:
Calculo de la formula empírica a partir de las composiciones másicas obtenidas anteriormente. Considerando una base de cálculo de 100g para llevar las composiciones másicas conseguidas anteriormente a valores de masa, se tiene que:
Donde : m: masa (g)
Determinando la cantidad de átomos de cada componente, por medio de la siguiente expresión:
(12)
(Whitten, 2008) Dónde: i : número de átomos del componente i, (gmol) ai : peso atómico del componente i, (g/gmol)
Sustituyendo los datos:
Para determinar los coeficientes de la fórmula empírica se debe dividir cada uno de los términos calculados entre el menor de estos, de la siguiente manera: a
n n
n n
Se debe a multiplicar cada uno de los términos por números enteros hasta que el número con decimales se aproxime más a un número entero. Teniendo en cuenta que la cantidad de átomos de carbonos de una molécula del combustible de gasoil va de 8 a 20 carbonos. a: 1x1 1x2 1
2
1x3
1x4
1x5
1x6
1x7
1x8
1x9
1 x 10
3
4
5
6
7
8
9
10
1,6 x 5 1,6 x 6 1,6 x 7 1,6 x 8 1,6 x 9
b: 1,6 x 1
1,6 x 2
1,6 x 3
1,6 x 4
1,6
3,2
4,8
6,4
8
Fórmula empírica del combustible utilizado durante la práctica:
14,4
1,6 x 10 16
Objetivo 8. Determinar la eficiencia térmica del generador de vapor del laboratorio de ingeniería química. Cálculo de la presión de operación absoluta.
(Autor, año) Donde:
: presión ambiente (mmHg) : presión de operación (Psi) abs: absoluta
Sustituyendo los valores correspondientes provenientes de la tabla 1.1 se tiene:
Cálculo de temperatura de saturación del agua. Por Antoine se tiene que:
(Prausnitz, 1977)
Donde: A, B y C: coeficientes de la ecuación de Antoine (Adim.) T: temperatura (K) Sustituyendo los valores correspondientes, se tiene:
Cálculo de temperatura promedio.
̅ (Incropera, 1999)
Donde:
temperatura del agua alimentada a la caldera (ºC) Tomando la temperatura del agua alimentada a la caldera de la tabla de datos 1,7 y sustituyendo en la ecuación XI se tiene:
̅
Cálculo del calor absorbido por el agua.
̅( ) 16) (Incropera, 1999) Donde:
̅: Capacidad calofrifica del agua como liquido comprimido a temperatura promedio (kJ/kg.K) : Entalpia de vaporización del agua a presión de operación (kJ/kg) : Calor absorbido por el agua (kJ) Sustituyendo en la ecuación XIII la masa correspondiente a un ciclo de operación y la capacidad calorífica del agua y entalpia de vaporización el agua determinadas a partir de las curva de calibración correspondientes (figura X y figura Y) a temperatura y presión correspondientes, se tiene:
[ ] Siguiendo el mismo procedimiento se determino el calor absorbido por el agua para el tiempo de operación total del generador de vapor el cual fue:
Cálculo del calor cedido por la combustión. Para la determinación del calor de combustión se requiere el poder calorífico neto del combustible, el cual se tendrá a partir de la figura B.1. Una vez conocido el mismo se aplica la siguiente ecuación:
(Perry, 2001)
Donde:
: poder calorífico neto de combustible por unidad de volumen (kJ/m ) poder calorífico neto a volumen constante (BTU/gal) densidad del combustible (kg/m ) Sustituyendo los valores correspondientes para el ciclo de operación: 3
3
Determinando el calor de combustión a partir de la siguiente ecuación:
(Van Ness, 1997)
Donde:
Calor de combustión (kJ) Sustituyendo los valores correspondientes al ciclo de operación:
Cálculo de la eficiencia del generador de vapor. (Incropera, 1999)
Donde
eficiencia (Adim.) Al sustituir los valores correspondientes para el ciclo de operación, determinados previamente, se tiene:
Finalmente los valores obtenidos para la eficiencia del generador de vapor para un ciclo de operación y para la operación total del equipo son:
APÉNDICE B TABLAS Y FIGURAS BIBLIOGRAFÍCAS En este apéndice se presentan las tablas y figuras bibliográficas que ayudan en la obtención de datos para la realización de los cálculos correspondientes a la práctica.
Tabla B.1 Ecuación de Antoine para presiones de vapor de componentes puros. (Flowtran)
Figura B.2. Calor de combustión de combustibles de petróleo. (Perry, 2001)
Tabla B.3.Análisis finales usuales de combustible de petróleo (combustóleos). (Perry, 1992). Figura B.1 Entalpia de Vaporización
Tabla B.4. Propiedades termofisicas del aire. (Welty, 1982)
Tabla B.6. Propiedades del agua saturada (Incropera, 1999)
Tabla B.6. Propiedades del agua saturada (Incropera, 1999) (Continuación)
