UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE QUIMICA
PLANTA DE PRODUCCION DE VAPOR Descri pción del Proceso 1.1.
Balanc es de Masa
a) Producción de vapor Se desea producir 30000 kg/h de vapor saturado, la caldera trabaja aproximadamente al 80% de su eficiencia, la presión de vapor es igual a 21 bares, el aire entra con un 10% de exceso a 20ºC y 90% de humedad relativa, para el calentamiento se usa un combustible residual Nº 6. El 80% de vapor utilizado regresa a la unidad de vapor. b) Tratamiento de agua de reposición antes de su alimentación al caldero El 1600 kg/h de agua de reposición son tratados por un método externo de tratamiento de agua de pozo apegándonos a los valores establecidos por la ABMA (American Boiler Manufacturers Association), para la calidad del agua para calderos:
PRESION DEL TAMBOR psig
SOLIDOS MAXIMOS MAXIMO MAXIMO EN LA DE DE TDS de vapor CALDERA AL CAL INIDAD SOLIDOS correspondiente DE AGUA COMO SUSPENDIDOS a la caldera de
ARRA STRE FRACCIONAL MAXIMO, FCO
1801 – 2350 50
*
1
0.1*
0.002
25
*
1
0.05*
0.002
15
*
1
0.05*
0.003
2351 – 2600 2601 – 2900 *NO APLICABLE
≤
Nota1 – 20%del actual Punto de ebullición del agua. PARA TDS 100 ppm, La alcalinidad total esta dictada por la ebullición del agua del tratamiento.. Nota 2 – No incluye el valor de silicio soportado TDS = Total solidos disueltos FCO = Fracción soportada Tabla 1: Fuente ABMA (American Boiler Manufacturers Association), Arlington, Virginia
Completando los datos, también se presenta la siguiente tabla: AGUA PARA LA A LIMENTACION DE L A CALDERA PRESION DEL TAMBOR (psi)
0-300
CALDERA
ACERP (ppm Fe)
COBRE (ppm Cu)
DUREZA TOTAL (ppm CaCO3)
SILICIO (ppm SiO2)
AL CAL INIDAD TOTAL (ppm CaCO3)
CONDUCTANCIA ESPECIFICA (µΩ/cm) (sin neutralizar)
0.100
0.050
0.300
150
700*
7000
Según la bibliografía revisada, es muy importante este tratamiento, de manera que la caldera tenga una larga vida útil libre de problemas operacionales, reparaciones de importancia y accidentes. El objetivo principal del tratamiento de agua es evitar problemas de corrosión e incrustaciones, asegurando la calidad del agua de alimentación y del agua contenida en la caldera. Para esta planta se vio fundamental la remoción de sólidos totales, ablandamiento y desgasificación. 1. Remoción de sólidos: 2. Ablandamiento: Se usará el método de las zeolitas, el cual es el más importante para ablandar el agua, llamado también sistema de intercambio de cationes. 3. Desgasificación: La función de un desgasificador en una planta térmica es eliminar el oxígeno y dióxido de carbono disuelto en el agua de alimentación de las calderas para prevenir problemas de corrosión;es más factible, económicamente hablando, usar una desaireación térmica que un secuestrante químico (como el sulfito de sodio), por esta razón se utilizará este método.
Corriente Combustible residu al Nº 6 [1]:
P= 21 bar = 21 kg/cm 2 (vapor saturado),
668.7 /
̇, 475,592 0.0028 , ̇, 475,592 0.0084 , ̇ , 447,94 Ahora calculamos los flujos molares de cada componente y el flujo molar total:
, ̇, 415,0023 ℎ ∗ 112 , ̇, 49,88 ℎ ∗ 1 1 , ̇, 3,043 ℎ ∗ 132 . ̇, 1,3316 ℎ ∗ 128 , ̇, 3,995 ℎ ∗ 132 Por lo tanto el flujo molar total de combustible: , ̇ 109.47 ℎ Corriente [2]:
Se tiene conocimiento que la corriente [2] es el combustible a distinta temperatura ya que pasa por el intercambiador E-121, por lo tanto se tienen los mismos valores de composición y flujos
Por balance de masa:
40000 ℎ [3] + [4] ̇ 50000 −4000 ℎ ℎ 1 , ̇ 1000 ∗ ℎ 18
Aire s um in is tr ado [ 5]:
El aire entra con un 10% de exceso, 20ºC y 90% humedad relativa; primero calcularemos la cantidad de oxigeno necesitado:
+ → 2 + 12 → + → , 29,85 ℎ ∗ 11 0. 5 20,35 ℎ ∗ 2 , ∗ 1 , 0,09 ℎ 1 110
ℎú ∗ 21 . ̇ 332.90 ℎ 100 ℎú ℎú ∗ 79 . ̇ 332.90 ℎ ℎú 1002. ℎú 8 8 . ̇ 332.90 ∗ ℎ 100 ℎú Calculamos sus flujos másicos: . ̇ 67.95 ℎ ∗ 132 . ̇ 255.62 ℎ ∗ 128 . ̇ 9.32 ℎ ∗ 118 Finalmente calculamos el flujo másico total: ̇ 2174.4 +7157.4 +167.76 .
Corriente de agua total [6]:
Por balance de masa se observa que:
Por tanto:
[6] [3] + [4] ̇
6.18 Del combustible quedan como residuos: 0.33 0.14
Ahora sumamos el número total de moles para cada componente obteniendo:
̇, . ̇, . ̇, . ̇, . ̇, . Ahora obtendremos los flujos másicos: . ̇ 6.51 ℎ ∗ 132 . ̇ 255.77 ℎ ∗ 128 ∗ 44 . ̇ 45.95 ℎ 1 ∗ 44 . ̇ 0.14 ℎ 1 18
̇, . ̇ ,
Planta de tratamiento de agua de reposición
Para esta planta, se asume que el agua procede de un pozo y como debe cumplir con especificaciones técnicas determinadas por la ABMA y ASME, es necesario hacer un tratamiento. Se asume que el agua de pozo es de procedencia de la Facultad de Ciencias y Tecnología, a continuación se detallan los parámetros a ser tomados en cuenta para su tratamiento: Parámetro Sólidos Totales Dureza (CaCO3) Oxígeno disuelto Dióxido de carbono disuelto pH 1.2.
Concentración (ppm) 720 190 10 1.45 6.7
Balanc e de Energía (T ref. 20°C)
Corriente Combustible residual Nº 6 [1]:
La corriente se encuentra a T1 = 20°C y a una presión de 0.7 bar (Cochabamba). Debido
Se tiene un incremento en la presión debido a la succión de la bomba L-116, sin embargo no será´ tomado en cuenta debido a que se desconoce la potencia de la misma.
Corri ente Mezcla [3];
Temperatura de la corriente:
°
Composiciones de la corriente según el balance de materia: Agua:
6400 355.56
;
1 °
Al tratarse de agua pura, obtendremos sus propiedades a partir de tablas (Ocon Tojo):
993.2 /
0.407−3 /∗ Ahora calcularemos la entalpía: 1 ° ∗ 60−20 Agua de repos ic ió n [4]:
Temperatura de la corriente:
°
Composiciones de la corriente según el balance de materia:
Notrógeno:
7157.4 255.62
;
ó 0.249 °
167.76 9.32 ; 1 ° 67.95 0.219+ 255.62 0.249+ 9.32 1. 332. 99 332.99 332.99 ° Al tratarse de agua pura, obtendremos sus propiedades a partir de tablas (Ocon Tojo): 971 / 0.3104 − 3 / ∗ Agua:
Para el cálculo de la entalpía de la corriente:
Corriente de agua total [6]:
Calculamos la temperatura de la corriente de la siguiente manera:
̇ − + ̇ − 0 34℃
Composiciones de la corriente según el balance de materia: Agua:
9000 444.44
;
1.0031 °
10.25 /
1.619− 3 / ∗ Ahora calcularemos la entalpía (considerando el calor de vaporización): 1 ° ∗ 215−20+544.1 . Corriente de gases de combusti ón calientes [8]:
Calculamos la temperatura de los gases de combustión, mediante el balance de energía de combustión adiabática. A continuación, se muestra los valores de los coeficientes viriales de Cp (J/mol K), para los distintos componentes gaseosos de nuestra mezcla de gases de combustión: COMPUESTO
A
B
C
D
N2
3.115E+1 2.811E+1 1.980E+1 2.385E+1 3.224E+1
-1.357E-2 -3.680E-6 7.344E-2 6.699E-2 1.924E-3
2.680E-5 1.746E-5 -5.602E-5 -4.961E-5 1.055E-5
-1.168E-8 -1.065E-8 1.715E-8 1.328E-8 -3.596E-9
O2 CO2 SO2 H2O
+ ∗ + ∗ + ∗ −̇. ∗. ∗ ∑ ̇ ∗ ∗
= Desarrollando ésta última, tenemos: −634.12 ∗−10150.7 ∗ ∗0.8 ∫ 255770 ∗ 3.115E+1+−1.357E−2∗+2.680E−5∗ +−1.168E−8∗ ∗ + ∫ 6510 2.811E+1+−3.680E−6∗+1.746E−5∗ +−1.065E−8∗ ∗+
Corriente de gases de combustió n fríos [9]:
Calculamos la temperatura de los gases de combustión a la salida del quemador (a 2070 K), asumiendo que todo el calor perdido por los gases de combustión, es ganado por el agua para formar vapor saturado a 215 ºC:
−̇. ∗ í−−̇. ∗ ∆ ∑ ̇ ∗ ∗ =
∗215−34 4184 −8000 ∗640 −8000 ∗ 1 ℎ ° 1 ℎ 255770 ℎ +−1.168E−8∗ ∗ ∗ 3.115E+1+−1.357E−2∗+2.680E−5∗ + 6510 ℎ +−1.065E−8∗ ∗ ∗ 2.811E+1+−3.680E−6∗+1.746E−5∗ + 45950 ℎ +1.715E−8∗ ∗ ∗ 1.980E+1+7.344E−2∗+−5.602E−5∗ + 140 ℎ +1.328E−8∗ ∗ ∗ 2.385E+1+6.699E−2∗+−4.961E−5∗ + 40690 ℎ ∗ 3.224E+1+1.924E−3∗+1.055E−5∗ +−3.596E−9∗ ∗
ablandadores, bombas dosificadoras y un desgasificador con su respectivo estanque de almacenamiento de agua. Un esquema del tanque de agua de alimentación se muestran
Ab lan dad or de ag ua:
Diagrama de Flujo del Proceso: Tablas resumen:
Componente 1 2 3 [kg/h] 358,26 358,261 C
4
5
BALANCE DE MASA Número de corriente 6 7 8
-
-
-
-
-
-
9
10
-
-
-
-
-
-
-
-
-
H
40,767 40,767
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
N2
7
7
-
-
4650,77
-
-
4650,576 4657,576 -
-
-
-
-
2,47
2,47
-
-
1412,816 -
-
1422,816 130,912
-
-
-
-
-
S
2,88
2,88
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
ceniza
0,4277 0,4277
-
-
-
-
CO2
-
-
-
-
-
-
-
-
1313,62
-
-
-
-
-
SO2
-
-
-
-
-
-
-
-
5,7664
-
-
-
-
-
H2O
-
-
4000 1000 80,032
5000
5000
80,032
446,922
1600
-
-
-
-
TOTAL
412,79 411,794 4000 1000 6143,42
5000
5000
6143,42
6555,207 1600
-
-
-
-
O2
-
1,4118
BALANCE DE ENERGÍA (Temperatura ref. 20°C) Propiedad: 1 2 3 Temperatura [°C] 20 20 60 Presión (bar) 0.7 61.76 10.333 Velocidad de flujo 633.05 633.05 6400 (Kg/h) Cap. 1.008 Calorífica(Kcal/KgºC) Densidad (Kg/m3) 961.507 961.507 983.2 Viscocidad dinámica 0.47 (Kg/ms) *10E-3 (Kcal/Kg)
0
0
40
Número de corriente 4 5 6 7 92 20 34 215 0.73 0.7 5.766 21
8 1800 0.7
9 700 0.7
10 -
1600 9499.56 30000 30000 10133.06 10133.06 -
-
-
-
-
-
-
-
-
10.056 0.2473
1.031 0.519
-
-
-
-
-
963.92
1001
10.25
-
-
-
-
-
0.3104 18.057 0.7325 1.619
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
72
0.87
0
14
739.1