FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL CURSO: TERMODINAMICA “Balance general energético del sistema de enfriamiento del intercambiador de calor de la empresa AJINOMOTO AJI NOMOTO DEL PERU S.A.” S.A.”
DOCENTE: MIRIAM BRAVO ORELLANA V Ciclo – Ciclo – Aula Aula A406 INTEGRANTES: Ángel ANDRADE Albán. Alex OSCANOA Ramos. Cynthia MOLERO García. Jhonatan VELA Huamán. Nelson CORDOVA CORDOVA Arrescurrenaga. Arrescurrenaga. Silvana MENDOZA Egues. Lima 18 de junio de 2017
Página 1 de 36
DEDICATORIA
A nuestro padre Celestial, por ser quien nos guía día a día y nos da la fortaleza para seguir con nuestra meta. A nuestros padres, que nos incentivan e impulsan en nuestros logros en todo momento. A nuestra maestra, por su gran apoyo y motivación, por transmitirnos los conocimientos obtenidos.
Página 2 de 36
INDICE RESUMEN ---------------------------------------------------------------------------6 I. INTRODUCCIÓN ---------------------------------------------------------------7 1.1 objetivos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------8 -----------------------8 1.1.1
Objetivo general ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8
1.1.2. Objetivos específicos --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8
II. MARCO DE REFERENCIA ------------------------------------------------------------------------------------------------------9 --9 2. Marco Teórico ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 2.1
Cristalización --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9
2.1.1
Métodos de cristalización -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9
a.
Cristalización por expulsi ón del disolvente ------------------------------------------------ 9
b.
Cristalización por enfriamiento de soluciones saturadas ---------------------------------- 9
c.
Métodos especiales ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9
2.2
Evaporación -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------10
2.2.1
Métodos de evaporación --------------------------------------------------------------------------------------------------------------10
2.2.2
Tipos de operación de un evaporador -------------------------------------------------------------------------------------11
a.
Evaporador Evaporador de efecto simple --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11
b.
Evaporador Evaporador de efecto doble ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11
c.
Evaporador Evaporador de efecto triple ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11
2.3
Equipos que Intervienen dentro del Proceso ---------------------------------------------------------------------------13
2.3.1 Intercambiador de calor --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------13 2.3.1.1
Tipos de Intercambiador de calor según su operación ------------------------------------------------ 13
a.
Intercambiador Intercambiador de flujo paralelo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 13
b.
Intercambiador Intercambiador de Contraflujo ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14 c.
Intercambiador Intercambiador de calor compacto o flujo cruzado -------------------------------------- 14
d.
Flujo cruzado mezclado y flujo cruzado no mezclado ----------------------------------- 14
2.4 2.4.1
Bombas --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------15 Tipos de bombas
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------15
a.
Bomba Centrífuga -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15
b.
Bomba de vac ío ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15
Página 3 de 36
2.5
Tipos de Válvula ------------------------------------------------------------------- 16
a.
Válvula de compuerta ---------------------------------------------------------------------- 16
b.
Válvula de globo --------------------------------------------------------------------------- 16
2.6 Marco Conceptual -------------------------------------------------------------
17
2.6.1
Condensación -------------------------------------------------------------------17
2.6.2
Densidad ------------------------------------------------------------------------ 17
2.6.3
Vaporización o ebullición -------------------------------------------------------- 17
2.6.4
Refrigeración-------------------------------------------------------------------- 17
2.6.5
Ciclo
2.6.6
Acondicionamiento de Aire ------------------------------------------------------ 17
2.6.7
Balance de energía -------------------------------------------------------------- 17
2.6.8
Flujo Calorífico -----------------------------------------------------------------18
2.6.9
Conducción ---------------------------------------------------------------------18
---------------------------------------------------------------------------- 17
2.6.10 Convección ---------------------------------------------------------------------- 18 2.6.11
Calentadores -------------------------------------------------------------------- 18
2.6.12 Enfriadores------------------------------------------------------------------------ 18 2.6.13
Hervidores --------------------------------------------------------------------
2.6.14
Flujo Másico ------------------------------------------------------------------ 18
18
2.6.15 Flujo másico presión ------------------------------------------------------------ 18 2.6.16 Potencia -------------------------------------------------------------------------19 2.6.17 Temperatura -------------------------------------------------------------------- 19 2.6.18 Carga Estática ------------------------------------------------------------------ 19 2.6.19 Agua
---------------------------------------------------------------------------- 19
2.6.20 Capacidad Calorífica. -----------------------------------------------------------19 2.6.21 Calor Específico ------------------------------------------------------------------- 19 2.6.22 Succión. -------------------------------------------------------------------------19 2.6.23 Barómetro -----------------------------------------------------------------------19 2.6.24 Separación ------------------------------------------------------------------------ 19
Página 4 de 36
3. DISEÑO DEL PROCESO ------------------------------------------------------ 20 3.1
Descripción del Proceso Seleccionado ----------------------------------------------20
3.2
Diagrama de Operación (DOP) ----------------------------------------------------22
3.3
Diagrama de flujo del proceso -----------------------------------------------------23
3.4
Descripción de equipos Generales y Específicos ------------------------------------24
3.4.1
Intercambiador De Calor --------------------------------------------------------24
3.4.2
Bomba Centrifuga ---------------------------------------------------------------26
3.5
Balance de Energía del proceso seleccionado---------------------------------------27
3.5.1
Datos y cálculos previos: ---------------------------------------------------------27
3.5.2
Cálculo de la energía optima en la etapa de enfriamiento. -----------------------30
3.5.4 Calcular la potencia óptima del motor de la bomba, para corroborar con la inform ación del fabricante. ----------------------------------------------------------------------32 3.5.5
Análisis de costos del proceso ----------------------------------------------------33
CONCLUSIONES ------------------------------------------------------------------ 34 RECOMENDACIONES------------------------------------------------------------ 35 Fuentes Bibliográficas -------------------------------------------------------------- 36
Página 5 de 36
RESUMEN El presente trabajo realizamos el análisis y evaluación del Sistema de enfriamiento de los intercambiadores de calor de la empresa AJI NO MOTO. Para poder lograr esta meta buscaremos balance enérgico de bomba de vacío, cálculo de potencia del motor de la bomba, el costo de energía eléctrica de la bomba y por últim o el cálculo de la energía óptima de la etapa de enfriamiento. Estos análisis serán usados para mostrar el balance energético del Sistema de enfriamie nto del intercambiador de calor, así como el costo que paga la empresa AJI NO MOTO. En esta primera parte realizaremos la descripción de máquinas y tipos que usa la empre sa AJI NO MOTO así también otras máquinas parecidas que existen así poder dar a con ocer mejor el trabajo que realizan estas máquinas, también podremos ver los procesos más pequeños que ocurren dentro. En la segunda parte veremos el proceso de producción como en el diagrama de flujo, ac ompañado de la descripción del equipo general de toda la maquinaria. Todo está información nos servirá para poder llegar a la meta que es realizar el balance enérgico y la medición de potencia. Luego teniendo los resultados reales tendremos el costo que paga la empresa AJI NO M OTO al realizar este proceso. Finalmente responderemos a los puntos claves que se planteó desde el inicio y así podr emos dar recomendaciones que a futuro puedan mejorarlo.
Página 6 de 36
I.
INTRODUCCIÓN Actualmente basándonos a su alto posicionamiento en el mercado peruano y por su importante compromiso al enfocarse más hacia los consumidores, AJI-NOMOTO S.A., quien cumple con Certificaciones Internacionales como: ISO 9001 – ISO 14001 Y OHSAS 18001, que a su vez mantiene una exigencia personal y empresarial para la realización de todo su proceso de producción. Mediante el desarrollo de este análisis, nos enfocaremos en el Balance energético del sistema de enfriamiento del intercambiador de calor, el cual nos permitirá recomendar diferentes mejoras en esta parte del proceso. Uno de los principales objetivos de este análisis es poder representar mediante los conocimientos obtenidos durante el desarrollo del curso, el cual nos permitirá sustentar las mejoras que recomendaremos para esta parte del sistema de producción. Utilizando las diferentes fórmulas que nos permita realizar el desarrollo de la investigación más detallada e identificando la óptima potencia de sus equipos que intervienen en su proceso de producción y calculando la energía optima en la fase de enfriamiento. En tal sentido, presentaremos los resultados del análisis realizado esperando que la misma constituya un aporte para la mejora en esta fase de producción de la empresa AJI-NOMOTO S.A.
Página 7 de 36
1.1 objetivos 1.1.1 Objetivo general Realizar un balance energético del sistema de enfriamiento del intercambiador de calor de la Empresa AJI-NOMOTO.
1.1.2. Objetivos específicos
Realizar el cálculo de la energía optima en la etapa de enfriamiento.
Realizar el Balance energético de la bomba centrífuga.
Calcular la potencia óptima del motor de la bomba, para corroborar con la información del fabricante.
Página 8 de 36
Analizar el costo de energía eléctrica del trabajo de la bomba.
II. MARCO DE REFERENCIA 2. Marco Teórico 2.1 Cristalización Es una etapa que trabaja unitariamente debido a que la cristalización consiste en la formación de una sustancia cristalina a partir de soluciones o de masas fundidas de gran importancia en la industria, debido a la gran cantidad de productos que se venden para el consumo de sus clientes en forma de cristales. Su extenso uso se debe a que los cristales formados a partir de una solución impura son relativamente puros y en un estado apropiado para manipularlas, empaquetarlas y almacenarlas.
2.1.1 Métodos de cristalización Según la investigación realizada, la cristalización se puede definir en tres tipos de métodos de cristalización:
a. Cristalización por expulsión del disolvente En este tipo de cristalización la eliminación del solvente puro se logra mediante una evaporación cambiando de esta manera la composición de la solución hasta llegar a ser sobresaturada y la cristalización tome lugar utilizándose generalmente para concentrar soluciones diluidas.
b. Cristalización por enfriamiento de soluciones saturadas Este método involucra un cambio de temperatura para producir condiciones de baja solubilidad y consecuente saturación y cristalización.
c. Métodos especiales La cristalización puede efectuarse haciendo un cambio en la naturaleza del sistema, por ejemplo, sales inorgánicas pueden inducirse a cristalización a partir de soluciones acuosas por la adición de alcohol. La cristalización por enfriamiento de soluciones saturadas continúa siendo el método predominante y el de más extenso uso. Las soluciones sobresaturadas empleadas para la cristalización pueden proceder de la disolución de material brutas o de evaporación de soluciones diluidas.
Página 9 de 36
2.2 Evaporación Se conoce como la operación unitaria que consiste en la eliminación de un solvente por la aplicación de calor y concentrar la solución hasta que la sustancia disuelta se separe en forma cristalina o alcance la densidad deseada. El objetivo principal en esta etapa, es concentrar una solución consistente de un soluto no volátil y un solvente volátil, pero la evaporación puede ser continuada hasta que la solución este sobresaturada o hasta que el soluto precipite en forma cristalina, en este caso la operación se llama cristalización.
2.2.1 Métodos de evaporación Los diferentes métodos de evaporación que son empleados en la industria para la concentración de diferentes tipos de soluciones pueden ser divididos en las siguientes clases: -
Por contacto directo entre el medio de calentamiento y el líquido. a) Evaporación por gases de desperdicio y aire caliente. b) Evaporación solar.
-
Por contacto indirecto entre el medio de calentamiento y el líquido a través de superficies metálicas. a) Evaporación por calor directo producido por carbón, gas o aceite. b) Evaporación por calor indirecto transportado por vapor, agua caliente, aceite o electricidad. La aplicación del calor directo requiere solamente aparatos muy simples pero la economía del combustible que se utiliza es muy baja, siendo el calentamiento por el vapor el que da mejor resultado y el de mayor eficiencia.
Página 10 de 36
2.2.2 Tipos de operación de un evaporador a. Evaporador de efecto simple En este tipo de operación un evaporador de efecto simple el vapor producido como consecuencia de la concentración del producto es descartado sin posterior uso.
b. Evaporador de efecto doble En los evaporadores de efecto doble, el vapor de agua eliminado de la solución, es utilizado como medio de calentamiento para la otra cámara de evaporación.
c. Evaporador de efecto triple En los evaporadores de efecto triple, el vapor de agua eliminado de la solución, es utilizado como medio de calentamiento para las otras cámaras de evaporación.
Página 11 de 36
Esencialmente el evaporador consiste de un intercambiador de calor encerrado en una cámara.
El intercambiador de calor no tiene contacto directo con el producto y provee calor de vapor de baja presión al producto.
El producto al interior de la cámara se encuentra a presión de vacío.
Las condiciones de vacío ocasionan la diferencia de temperaturas entre el vapor y el producto y que el producto pueda hervir a relativas bajas temperaturas, minimizando el deterioro por altas temperaturas.
Los vapores producidos son transportados a través de un condensador a un sistema de vacío. El vapor condenso al interior del intercambiador de calor y el condensado es descartado.
Página 12 de 36
2.3
Equipos que Intervienen dentro del Proceso 2.3.1 Intercambiador de calor Es un dispositivo donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin necesidad de mezclarse, utilizándose en la actualidad en varias industrias y con variación de diseños. El calor se trasfiere a través de fluido caliente al frío a través de la pared que los separa, operando de forma estacionaria requiriendo que la suma de los flujos másicos de entrada sea igual a la suma de flujos másicos que salen.
2.3.1.1 Tipos de Intercambiador de calor según su operación Los diferentes tipos de intercambiador de calor puedes ser presentado en una inimaginable variedad de formas y tamaños, como también pueden ser equipos más frecuentes usados en la actualidad en las empresas industriales. Una de las características comunes en la que podamos emplear una relación relativa que existe entre los dos flujos de fluidos, los 3 tipos de categorías que podemos encontrar de los tipos de intercambiadores de calor son: Flujo paralelo, Contraflujo y Flujo cruzado.
a. Intercambiador de flujo paralelo Este tipo de intercambiador de calor existe cuando el flujo interno y flujo externo o de la carcasa fluyen en la misma dirección. Cuando los fluidos ingresan al intercambiador de calor por el mismo extremo se presenta una diferencia de temperatura significativa. Las temperaturas de dos fluidos se aproximan cuando el calor del fluido con mayor temperatura se traslada al de menor temperatura.
Página 13 de 36
b. Intercambiador de Contraflujo Esto sucede cuando los dos fluidos se encuentran en paralelo, pero en sentidos opuestos. Cada uno de los fluidos ingresa al intercambiador por diferentes extremos debido a que el fluido con menor temperatura sale en sentido contrario del intercambiador de calor en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura. Este tipo intercambiador de calor suele ser más eficiente que el flujo paralelo y Flujo cruzado.
c. Intercambiador de calor compacto o flujo cruzado Estos tipos de intercambiadores son diseñados para lograr una gran proporción de área de superficie de transferencia de calor. Un ejemplo más conocido de estos tipos de intercambiadores son los radiadores de automóviles. En este tipo de flujo cruzado lo podemos clasificar como en mezclado, esto quiere decir que el fluido fluye libremente ante el otro sin restricciones, y no mezclado donde dependen de una placa para guiar al fluido uno del otro.
d. Flujo cruzado mezclado y flujo cruzado no mezclado El intercambiador en flujo cruzado es utilizado frecuentemente en procesos de enfriamiento o calentamiento de aireo o gas.
Página 14 de 36
2.4 Bombas Se utilizan para aumentar la energía de un líquido, de esta manera el líquido puede ingresar a un lugar que está a mayor presión o puede ser transportado a través de tuberías hacia un lugar más adelante o más arriba.
2.4.1 Tipos de bombas a. Bomba Centrífuga Las bombas centrífugas son por lo general rotativas y de tipo hidráulica que se encargan de transforma la energía mecánica de un impulsor en energía cinética o de presión de un fluido incompresible, el fluido entra por el centro del rodete o impulsor, que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba.
b. Bomba de vacío Es un equipo diseñado para extraer gases del interior de recientes, redes de tuberías o en cualquier parte del proceso (intercambiador de calor) donde se requiera reducir la presión interior de un sistema, a valores inferiores a la atmosférica. El funcionamiento es similar al de un compresor homólogo, pero con la diferencia de que está pensada para aspirar y no para comprimir el aire, vapor, gas que aspira.
Página 15 de 36
2.5 Tipos de Válvula a. Válvula de compuerta Las válvulas de compuerta se utilizan principalmente para dejar pasar o no un fluido, vapor o gases, no están diseñadas para regularlo lo que indica que deben estar completamente abiertas o completamente cerradas para que sus interiores (asiento y cuña) no sean desgastados prematuramente por el fluido y su presión y así evitar que tenga fugas.
b. Válvula de globo Las válvulas tipo globo a diferencia de las válvulas de compuerta, permiten aplicarlas en regulación de fluidos y realizan un cierre hermético cuando cuenta con un asiento flexible. En esta clase de válvulas el fluido no corre de manera directa y en una sola dirección como lo hacen en las válvulas de compuerta, sino que el fluido entra y sube dentro del cuerpo de la válvula, es estrangulado por el embolo según qué tan abierta o cerrada se encuentre la válvula, y después baja el fluido hacia la salida de la válvula. En las válvulas globo, el fluido hace un movimiento de
Página 16 de 36
columpio dentro donde choca con el embolo que regula cuanto fluido debe de pasar por la válvula.
2.6 Marco Conceptual 2.6.1 Condensación La condensación es el cambio en la materia de una sustancia a una fase más densa, como por ejemplo de gas (o vapor) a líquido. La condensación generalmente ocurre cuando un vapor se enfría, pero también puede ocurrir si se comprime (es decir, si se aumenta la presión) o se somete a una combinación de refrigeración y compresión. Al vapor que ha sido condensado de un líquido se le llama condensado.
2.6.2 Densidad La densidad se origina tomando la masa de un cuerpo y dividiéndolo entre el volumen del mismo cuerpo.
2.6.3 Vaporización o ebullición Es cuando pasa del estado líquido como el agua al estado gaseoso o vapor esto sucede porque se absorbió energía, en el estado gaseoso los átomos están separados.
2.6.4 Refrigeración Es todo proceso mediante el cual se extrae el calor. En tal sentido la finalidad de una planta de refrigeración es enfriar los artículos o las sustancias bajando su temperatura y manteniéndolos a una temperatura inferior a la ambiental, para lo cual se le extrae calor sensible y/o latente según sea necesario.
2.6.5 Ciclo Trayectoria cerrada en un sistema termodinámico por el que el fluido activo retorna después de una serie de cambios a las condiciones originales de temperatura, presión y entalpía.
2.6.6 Acondicionamiento de Aire Es todo proceso mediante el cual existe el control simultáneo de la temperatura, humedad, composición, movimiento y distribución del aire para hacer confortable el entorno o para fines industriales.
2.6.7 Balance de energía Su empleo se extiende desde el control de cualquier equipo o proceso tecnológico hasta el diseño de sistemas y aparatos industriales. Es aplicado
Página 17 de 36
para resolver gran cantidad de problemas práctico o teóricos que aparecen en la industria. El balance de energía es tan amplio que se necesita conocer de los distintos tipos de sistemas, de varios conceptos termodinámicos, del manejo de unidades, etc.
2.6.8 Flujo Calorífico Es la cantidad de calor transmitida de un cuerpo a otro por unidad de tiempo. Cuando el flujo calorífico está referido al equipo al cual se realiza el proceso se denomina carga calorífica del equipo.
2.6.9 Conducción Se propaga el calor o la energía interna por el contacto directo entre las micro partículas que constituyen el cuerpo. En los cuerpos sólidos, es el mecanismo fundamental de propagación del calor.
2.6.10 Convección Transmisión del calor debido al desplazamiento de pequeños volúmenes de gases y líquidos a distintas temperaturas que se mezclan. Puede presentarse como convección natural o libre, que se produce por la diferencia de densidades en diversas partes del volumen del líquido o gas que están a diferentes temperaturas; o convección forzada como resultado del movimiento forzado de todo el volumen del fluido obtenido con una bomba, ventilador, agitador, etc.
2.6.11 Calentadores Su uso principal es para calentar fluidos, generalmente se usado como agente de calentamiento vapor de agua, fracciones de petróleo y otros líquidos calientes.
2.6.12 Enfriadores Se usan para extraer calor de un agente caliente. El agua es el agente de enfriamiento más utilizado.
2.6.13 Hervidores Suministran el calor necesario para el cambio de fase de un líquido.
2.6.14 Flujo Másico La magnitud que expresa la variación de la masa en el tiempo. Matemáticamente es la diferencia de la masa con respecto al tiempo.
2.6.15 Flujo másico presión Fuerza que ejerce un gas, un líquido o un sólido sobre una superficie. Página 18 de 36
2.6.16 Potencia Cantidad de trabajo que se realiza por unidad de tiempo. Puede asociarse a la velocidad de un cambio de energía dentro de un sistema, o al tiempo que demora la concreción de un trabajo. Por lo tanto, es posible afirmar que la potencia resulta igual a la energía total dividida por el tiempo.
2.6.17 Temperatura La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro.
2.6.18 Carga Estática Es la altura expresada en metros (m) de líquido de la columna de fluido, que actúa sobre la succión (entrada) o la descarga (salida) de una bomba.
2.6.19 Agua Es compuesto químico muy estable, formado por átomos de hidrogeno y oxígeno, de formula H2O. Es la única sustancia que existe en los tres estados sólido, líquido y gaseoso.
2.6.20 Capacidad Calorífica. La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta, o también se puede definir que es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo, sistema, proceso por ello es característica de un cuerpo o sistema particular.
2.6.21 Calor Específico Es la cantidad de calor que se suministra a una unidad de masa de sustancia o un sistema termodinámico para elevar su temperatura, depende del valor de la temperatura inicial de la sustancia, se expresa en la mayoría de veces en Celsius.
2.6.22 Succión. Extraer o absorber un líquido, gas, vapores mediante distintos sistemas.
2.6.23 Barómetro Instrumento que sirve para medir la presión atmosférica.
2.6.24 Separación Proceso en el cual se separa componentes de una mezcla.
Página 19 de 36
3. DISEÑO DEL PROCESO 3.1 Descripción del Proceso Seleccionado En el proceso cristalización contamos con un sub proceso llamado evaporización, el cual es un proceso continuo. El proceso inicia con el arranque de una bomba de vacío la cual va estar succionando todo el tiempo , cuya potencia es 75 hp generando una presión negativa de 620 mmhg a la entrada de la bomba la cual succionará todos los vapores de licor que se generan a 66.8°C dentro del tanque acumulador, pasando por tuberías a la salida del acumulador hasta llegar a un separador el cual tiene la función de condensar una parte de los vapores que entran en él y acumularlo en su reservorio hasta cierto nivel para luego ser usado ese licor recuperado para un nuevo reproceso, la otra parte de los vapores que no se pudieron condensar siguen su trayectoria a través de tuberías hasta llegar al intercambiador de calor de placas entrando a la temperatura que salió del separador 66°C, a su vez en el interior de las placas del intercambiador ingresa agua a 38°C recorriendo por todas las placas, al ingresar el vapor a 66°C se provoca un cambio de temperatura donde el vapor pierde temperatura hasta condensarse en su totalidad y saliendo del intercambiador de forma líquida a temperatura de 35°C hasta llegar a un segundo separador el cual tiene la función de separar el aire del líquido , así mismo el líquido cae por acción de gravedad al separador y el aire o presión negativa es dirigido por una tubería en la parte superior del separador a la succión de la bomba de vacío y así durante todo el tiempo que la bomba este encendida (la bomba solo para 1 vez por turno en un tiempo de 15 min)por otra parte el agua que se usó para condensar los vapores en el intercambiador gana temperatura saliendo a 57°C y esta misma regresa al área de fuerza donde se enfría por medio de torres de enfriamiento para volver a ser usada en el proceso.
Página 20 de 36
Página 21 de 36
3.2 Diagrama de Operación (DOP) De acuerdo a la descripción detallada en el punto anterior, a continuación, veremos de forma esquematizada el proceso de Cristalización apoyado con un DOP:
ACTIVIDAD
Página 22 de 36
RESUMEN N°
TIEMPO
OPERACIÓN
6
CONTINUO
ALMACENAJE
1
CONTINUO
INSPECCIÓN
1
CONTINUO
TOTAL
8
3.3 Diagrama de flujo del proceso
Página 23 de 36
3.4 Descripción de equipos Generales y Específicos
3.4.1 Intercambiador De Calor Se componen de un bastidor formado por dos placas de acero de carbono entre los que se intercalan y se comprimen las placas de intercambio de calor. Las placas son de acero inoxidable AISI-316 o en titanio (para aplicaciones salinas) y el bastidor de acero al carbono barnizado exteriormente. Por su forma constructiva, son fácilmente ampliables y permiten una gran facilidad de acceso a las placas para su limpieza o sustitución.
Página 24 de 36
Características técnicas:
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS HISAKA Marca YK-808-P-72 Tipo 2015.07 Año Fabricación LADO B LADO A 019 MPaG 0.50 MPaG PRESION DE DISEÑO 99.00°C 99.00°C TEMPERATURA DE DISEÑO 0.29 MPaG 0.75 MPaG PRESION DE PRUEBA 56 mm2 AREA DE SUPERFICIE 2140 Kg. MASA (VACÍO)
Instalación y Mantenimiento
Los intercambiadores de placas se han diseñado para trabajar en posición vertical. La placa de características de cada modelo contiene las presiones y temperaturas de diseño. Durante el funcionamiento, estas presiones y temperaturas no se deberán jamás exceder para prevenir posibles daños al intercambiador. El intercambiador deberá instalarse sobre una bancada lo suficiente resistente para sostener el peso en lleno. Es necesario dejar suficiente espacio libre a los lados del intercambiador para facilitar el acceso al intercambiador y permitir las operaciones normales de mantenimiento (extracción e introducción de placas). Si se prevé que la superficie del intercambiador de calor se recaliente o se enfrié mucho, se deberá aislar con el tipo de aislamiento adecuado. Las bombas de alimentación del intercambiador deben estar dotadas de válvulas de regulación. Si las bombas trabajan a presiones mayores de las que puede aguantar el intercambiador, es necesario instalar válvulas de seguridad, las cuales no deben aspirar aire. Se aconseja la instalación válvulas de corte en los cuatro tubos entrada / salida de manera que el intercambiador se pueda parar y abrir sin crear inconveniente a los aparatos adyacentes. Finalmente, se aconseja respetar las siguientes precauciones: No se deben descargar las tensiones o expansiones térmicas en las conexiones o en el intercambiador. En el caso de los intercambiadores de placas, la plancha móvil no se deberá jamás sujetar a un punto fijo.
Página 25 de 36
3.4.2 Bomba Centrifuga Las bombas centrífugas son siempre rotativas, es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor de energía cinética en o de presión de un fluido incomprensible. El fluido entra por el centro del rodete o impulsor, mismo que disponen de unos álabes (es la paleta curva de una máquina de fluido roto dinámica, transforman la energía mecánica del eje en entalpía), estos álabes conducen el fluido y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa de la bomba. Por la geometría del cuerpo, el fluido es conducido hacia las tuberías de salida o hacia el siguiente impulsor. Son máquinas basadas en la cotización de Eulen.
Características técnicas: -
Motor trifásico Toshiba, asincrónico de inducción, rotor con jaula de ardilla.
-
Carcazas de 56 a 355 – (IEC).
-
Totalmente cerrados con ventilación exterior (TEFC).
-
Potencias: 70 HP
-
Tensiones:
220/380, 380/660, 220/440, 440, 440/760 o 220/3
80/440/760 V.
Página 26 de 36
-
Frecuencias de 50 y 60 Hz.
-
Protección mecánica IP55.
-
Velocidades: II, IV, VI y VIII polos (Otras, consultar).
-
Aislamiento Clase “F” (Hasta el tamaño de carcaza 315, inclusive) y “H” (Tamaño 355).
-
Servicio: Continuo (S1).
-
Rodamientos
dimensionados para uso de 20.000 horas en
condiciones normales de funcionamiento. -
Lubricados con grasa sintética.
3.5 Balance de Energía del proceso seleccionado Con la información técnica obtenida de los equipos involucrados y realizando un análisis del sistema termodinámico que venimos desarrollando hallaremos: el cálculo de la energía optima en la etapa de enfriamiento, calcularemos la potencia óptima del motor de la bomba y realizaremos el Balance energético de la bomba. Al término de lo antes descrito lograremos realizar un análisis del costo de energía eléctrica del trabajo de la bomba.
3.5.1 Datos y cálculos previos:
∆ = . °
Página 27 de 36
Página 28 de 36
8) Hallando la presión de succión (P1) * Presión de succión (P1) =?
115 931.55 Pa
* Presión de descarga (P2) =
3.1 Bar (dato) x 100 000 = 310 000 Pascal
Hallando la presión Hidrostática ℎ = ∗ ∗ ℎ + 1
ℎ = 992.63
∗ 9.81
ℎ = 14 606.55
.
∗ 1.5 + 1
+ 1
ℎ = 14 606.55 + 101 325 = . … … … ó ()
Página 29 de 36
3.5.2 Cálculo de la energía optima en la etapa de enfriamiento. Se conoce que en todo sistema termodinámico existe transferencia de calor, para nuestro sistema necesitamos conocer el calor cedido por el licor, el cual es el mismo que ganará el agua, esto nos permitirá calcular la tasa de energía necesaria para enfriar el licor, materia prima esencial del producto fabricado en AJI-NO-MOTO.
Q Cedido por el licor = Q ganado por el agua La tasa de energía que necesitamos para enfriar el licor es: .
Página 30 de 36
3.5.3
3.5.3 Realizar el Balance energético de la bomba Centrífuga. Se debe calcular el trabajo que realiza la Bomba Centrífuga para conocer posteriormente la Potencia necesaria para el sistema en estudio.
Página 31 de 36
3.5.4 Calcular la potencia óptima del motor de la bomba, para corroborar con la información del fabricante. Al conocer la potencia que requiere nuestro sistema podremos recomendar una bomba adecuada y evitar cualquier gasto innecesario de energía eléctrica, de esta manera reducir los costos mensuales por este servicio.
Calculo de la potencia de la bomba =∗ = 297 789
ℎ
∗ 195.51
= 58 220 727.39
= 16.17
ℎ
∗
3600
= .
1
= 16.17
Página 32 de 36
1 0.746
∗
1 1000
Para calcular la potencia de la bomba del motor se tiene como recomendación tener en cuenta que los motores electronicos que accionan las bombas deberían contar según normas oficiales vigentes, una potencia normalizada según las formulas vigentes:
HP (motor) = 1.3 x HP (bomba), para motores trifásicos
3.5.5
Análisis de costos del proceso HP (motor) = 1.3 x 21.68 HP (bomba) para motores trifásicos. HP (motor) = 28.18 HP = 21.02KW Potencia
1HP = 0.746KW
= 21.02KW = 21.02KW x 1.20 S/. / KW
1KW = S/. 1.20
= S/. 25.22
Esto nos permite conocer el costo que tiene la empresa al mantener en funcionamiento del motor en un periodo de 24 horas. 24 horas x S/.25.22 = S/. 605.28
Asimismo, obtenemos la eficiencia del proceso de cristalización con un porcentaje valido para la empresa.
=
=
Página 33 de 36
Potencia de la bomba Potencia del motor
. .
= %
CONCLUSIONES -
En el presente proyecto podemos concluir la importante que es realizar un balance energético en el sistema de enfriamiento del intercambiador ya que nos permite conocer la energía necesaria para este proceso y el rendimiento de los equipos involucrados.
-
Asimismo, con los datos obtenidos del fabricante y de los valores que, de la cartilla de operaciones, obtuvimos como resultado la potencia óptima y el rendimiento del motor de la bomba centrifuga el cual corroboramos con los datos técnicos del fabricante, y el cual nos permitirá recomendar una mejora mejora en el proceso con el estudio realizado.
-
Finalmente, con los datos obtenidos concluimos el costo de energía eléctrica que tiene la empresa AJINOMOTO para el funcionamiento del área de del proceso de cristalización.
Página 34 de 36
RECOMENDACIONES
Se recomienda realizar mantenimientos periódicos a todo el sistema con la finalidad de prevenir pérdidas de energía, que conlleve a elevar los costos que tiene la empresa por el pago de energía eléctrica.
Asimismo, realizar un nuevo análisis del diagrama de proceso con la finalidad de obtener menos distancia del punto de la Bomba Centrifuga al área del proceso de cristalización, con la finalidad de que la bomba no necesite mayor potencia de lo normal para poner cumplir con su objetivo.
Por lo tanto, realizar un plan piloto el que nos permita conocer con los nuevos datos tomados que obtuvimos de la investigación, cumple con los nuevos parámetros de mejora en el proceso de cristalización.
Finalmente, se recomienda adquirir un nuevo sistema de sensores de última tecnología, el que nos permitirá, tener datos más exactos y que nos permita tomar decisiones con el menor tiempo posible y así cumplir más eficientemente con la demanda que requiere el mercado.
Página 35 de 36
