Análisis crítico de la generación, transporte y uso del vapor en empresa electroquímica
Facultad de ingeniería mecánica
Título: Análisis crítico de la generación, transporte y uso del vapor en la empresa
Electroquímica de Sagua La Grande.
Autor: Jorge Luis Marrero García.
Tutores: Dr. Ángel Rubio Gonzáles.
Ing. Tatiana Rivero Fernández.
Curso: 2013-2014
Resumen
El presente proyecto de curso titulado análisis crítico de la generación, transporte y
uso del vapor en la empresa Electroquímica se Sagua, está conformado por tres
capítulos. El primero tiene como tema principal la caracterización general de la
instalación incluyendo la descripción de la sala de calderas. Se realizó una
caracterización de los sistemas consumidores de vapor y se confeccionó el diagrama
de flujo. El segundo capítulo aborda sobre el análisis crítico del sistema consumidor,
centrándose en la evaluación del sistema de aislamiento térmico de tuberías y
equipos. Se evaluó el estado en que se encontraban los salideros de vapor y se
realizaron algunas recomendaciones para disminuir las pérdidas energéticas en el
sistema consumidor. En el tercer capítulo se realiza un análisis crítico del consumo de
combustible, y los gases de escape del generador, teniendo en cuenta la
caracterización del combustible empleado, el estudio del consumo histórico,
evaluación de la eficiencia térmica del generador, caracterización del sistema
empleado para satisfacer la demanda de vapor y por último algunas recomendaciones
para incrementar la eficiencia del generador. En el capítulo cuatro se analizaron por
diferentes vías los posibles costos de una caldera para sustituir la actual en caso de
ser necesario.
Abstract
This ongoing project entitled critical analysis of generation, transmission and use of
steam in the company is Sagua Electrochemistry, consists of three chapters. The first
has as its main theme the general characterization of the facility including the
description of the boiler room. Consumer characterization systems and steam was
conducted flowchart was made. The second chapter focuses on the critical analysis of
the consumer system, focusing on the evaluation of the thermal insulation system of
pipes and equipment. The state in which the steam leaks were and some
recommendations are made to reduce energy losses in the consumer system was
evaluated. The third chapter, a critical analysis of fuel consumption, and exhaust gas
generator, given the characterization of the fuel used, the study of historical use,
evaluation of the thermal efficiency of the generator, the system used for
characterization is performed meet the demand for steam and finally some
recommendations to increase the efficiency of the generator. In chapter four possible
costs of a boiler were analyzed in different ways to replace the current if necessary.
INDICE
Introducción……………………………………………………………………………………………………1
Capítulo #1 Caracterización general de la instalación…………………………………………..2
1.1-Descripción de la sala de calderas y su equipamiento……………………………………..2
Calentador de vapor
H 700 C………………………………………………4
1.2-Caracterización del sistema consumidor………………………………………………………..4
1.3-Datos de chapa del generador de vapor y equipos consumidores…………………….5
1.4-Esquema monolineal y líneas de vapor a equipos consumidores. ……………………..8
Capítulo #2 Análisis crítico del estado del sistema consumidor. …………………………….9
2.1. Evaluación del sistema de aislamientos de tuberías y equipos…………………………9
2.2. Evaluación crítica de salideros de vapor…………………………………………………….17
2.3. Recomendaciones para disminuir las pérdidas energéticas en el sistema
consumidor…………………………………………………………………………………………………..19
Capítulo 3. Análisis crítico del consumo de combustible y la combustión en la caldera.
…………………………………………………………………………………………………………………..19
3.1 Caracterización del combustible empleado…………………………………………………..19
3.2- Estudio del consumo histórico de combustible de la sala de calderas durante dos
años…………………………………………………………………………………………………………….20
3.3 Evaluación de la eficiencia térmica del generador de vapor…………………………….23
3.4 Caracterización del sistema de combustión………………………………………………….27
3.5- Caracterización del sistema empleado para satisfacer la demanda de vapor. …..28
3.6 Recomendaciones para incrementar la eficiencia del generador de vapor…………30
Capítulo 4. Valoración de costos de calderas para una posible sustitución……………..30
Conclusiones Generales…………………………………………………………………………………32
Recomendaciones Generales………………………………………………………………………….33
Bibliografía……………………………………………………………………………………………………34
Anexos ………………………………………………………………………………………………………..35
1
Introducción
El siguiente proyecto de curso se realizó en la EMPRESA ELECTROQUÍMICA DE
SAGUA perteneciente al MINISTERIO DE INDUSTRIAS. Su principal objetivo es
producir, transportar, distribuir y comercializar de forma mayorista, el ácido clorhídrico,
hidróxido de sodio, sosa cáustica, cloro líquido, hipoclorito de sodio, sulfato de
aluminio, silicato de sodio líquido etc. Es un objetivo económico estratégico, por ser
sus producciones únicas en el país con alta incidencia en sectores de la economía. Su
producción es continua durante las 24 horas todo el año. Para la realización del
presente trabajo hemos seleccionado una CALDERA DE VAPOR con una capacidad
de generación de 2,5 t/h. La misma ha sido diseñada y construida en nuestro país por
la empresa ALASTOR, especializada en la fabricación de estos equipos. Esta caldera
es del tipo pirotubular, se encuentra montada y prestando servicio en la Planta Elpidio
Sosa perteneciente a la empresa mencionada al inicio. Donde genera el vapor que se
demanda en los procesos de las diferentes instalaciones que componen esta industria
química, como son en la producción de silicatos y en el área de mantenimiento es
empleado en una autoclave que es utilizada para vulcanizar goma etc.
Objetivo General del Proyecto
?
Realizar un análisis crítico de la generación transporte y uso del vapor en la
empresa.
Objetivos Específicos del Proyecto
?
?
?
?
Evaluar la eficiencia de la generación de vapor.
Analizar el estado técnico del sistema de transporte del vapor.
Estudiar el empleo del vapor generado.
Valorar alternativas de evaluación del costo de calderas para una posible
sustitución.
2
Capítulo #1 Caracterización general de la instalación.
1.1-Descripción de la sala de calderas y su equipamiento.
Este es el generador de vapor que se encuentra instalado en la industria, con una
capacidad de generación de 2,5 .
Generador de vapor.
La bomba que se muestra a continuación succiona el agua de los tanques de
tratamiento y después la inyecta a la caldera.
Bomba eléctrica encargada de inyectar el agua a la caldera.
3
En esta imagen se muestra el cabezal, que es el encargado de distribuir el vapor hacia
las diferentes áreas de consumo.
Cabezal.
Leyenda:
Equipos
Caldera de vapor
Soplador de aire
Diagrama de flujo.
Códigos
F 700
K 700
4
Calentadores eléctricos
Calentador de vapor
Filtros de petróleo
Tanque dosificador de reactivos
Agitador tanque de reactivos
Tanque precalentador
Tanque de recepción de combustible
Tanque de alimentación de combustible
Quemador
Bombas de petróleo
Bombas de agua de alimentación
H 700 A , B
H 700 C
S 700 A,B,C
B 700 B
A 700
B 700 A
T 700 A
B 700 F
Q 700
P700 A, B, E
P 700 C, D
1.2-Caracterización del sistema consumidor.
El sistema consumidor está constituido por dos autoclaves, una pequeña y otra
grande, la pequeña está ubicada en la planta de producción de silicatos líquidos, y
con el vapor que es producido por el generador se emplea para diluir en el interior de
la autoclave, las pastillas sólidas de silicato de sodio, el cual se licua, logrando la
concentración de los parámetros establecidos. También el vapor se utiliza en algunos
procesos auxiliares que se llevan a cabo en las instalaciones de mantenimiento y
apoyo a la producción, como por ejemplo en una autoclave de gran tamaño para la
vulcanización de componentes engomados.
5
1.3-Datos de chapa del generador de vapor y equipos
consumidores.
Tabla-1: Datos del generador de vapor.
6
Autoclave estática para licuar silicatos. Productos que manipula: Silicatos, Vapor y
Sosa Caústica.
Tabla-2: Datos de los equipos consumidores de vapor (Autoclave).
Esta autoclave es uno de los equipos consumidores de vapor, encargado de producir
silicato líquido.
Autoclave estática.
7
Tabla-3: Datos de los equipos consumidores de vapor (Autoclave para vulcanizar
goma).
Esta imagen muestra el mayor equipo consumidor de vapor en la fábrica que es el
encargado de vulcanizar todos los compuestos engomados.
Autoclave de vulcanizar goma.
8
1.4-Esquema monolineal y líneas de vapor a equipos
consumidores.
En esta fábrica el sistema de generación de vapor se realiza de la siguiente manera:
El fuel oíl es succionado del tanque de recepción de combustible por una bomba y lo
descarga hacia el tanque de alimentación, después del tanque de alimentación baja
por gravedad hacia un calentador de combustible, pero en este momento el calentador
no funciona ya que tiene la resistencia rota. Luego el combustible que sale del
calentador se succiona con otra bomba que lo impulsa por una tubería que va hasta el
quemador. Posteriormente se enciende el quemador y a partir de ahí es que se
comienza a calentar el agua que se encuentra dentro del generador hasta que se
convierte en vapor. El mismo va por una serie de tuberías hasta las diferentes líneas
de producción, donde es empleado para vulcanizar goma en una autoclave y además
para la realización de silicato, en otra autoclave más pequeña.
9
Datos que se tuvieron en cuenta para buscar los parámetros del vapor:
? Presión=10
? Temperatura de saturación=184°C
Conversiones:
1
10
=100
=1000
=0,1
=1
Parámetros del vapor saturado:
Volumen específico (v)=197,42×10³
Energía interna específica (µ)=2593,6
Entalpía (h)=2791,0
Entropía (s)=6,6148
Nota: Estos parámetros fueron sacados de Steam-Table (Joseph.Keenan.)
Capítulo #2 Análisis crítico del estado del sistema consumidor.
2.1. Evaluación del sistema de aislamientos de tuberías y
equipos.
El sistema de tuberías por donde se transporta el vapor producido por el generador,
tiene partes que se encuentran en buen estado como por ejemplo la tubería que se
extiende hasta la autoclave de vulcanizar goma. Hay otra que está en mal estado ya
que no tiene ningún tipo de recubrimiento. Esta parte tiene una longitud de 3m
aproximadamente y es la que se extiende hacia la autoclave más pequeña, por tanto
eso trae como consecuencia que haya mayores pérdidas de vapor por radiación y por
conversión libre al medio ambiente.
h ?1,13*?
??t ?
?1,13*? ?
? ?
? ?
m ?hr?0C
m ?hr? C
m ?0C
10
La imagen muestra el estado en que se encuentra la tubería de transporte de vapor,
que va hacia la autoclave de silicato, que está sin recubrimiento.
Tramo de tubería que no tiene recubrimiento.
Tramo que sale del generador de vapor hacia el cabezal.
Datos:
d = 0,1524 m
L=6m
tsuperficie = 40 oC
taire= 27 oC
A? ?*d *L ? ?*0,1524m*6m ? 2,87m2
Superficie recubierta con una chapa galvánica.
? ? 0,25
Calor perdido por convección libre
kCal
kCal
W
2
2 0
2
0,25
0,25
kJ 1hr
*
kCal 3600s
*4,1858
? 4
h ? 3,43
? 3,43
?40oC ?27oC ?
0,1524m
?
? d ?
m *0C
Q ?? *A*? *(Tsup ?Tsurr )
m *K 4
W
2
*(40 ? 27)oC
Q ? A*h*(tsup ? taire) ? 2,87m2 *4
Q ? 0,15kW
Calor perdido por radiación
4 4
W
2
*(313K 4 ?300K 4)
Q ? 0,25*2,87m2 *5,67*10?8
Q ? 0,06094 kW
Calor total perdido en un año
Qt ? Qconv ?Qrad
Qt ? 0,15kW ?0,06094kW ? 0,21kW
Estas tuberías trabajan:
1 hora al día.
5 días a la semana.
11 meses al año.
4 semanas al mes.
kJ
año
5días 4sem 11mes
* *
sem mes año
*
1h
día
*
kJ 3600s
*
s h
?1,67 *105
Qanual ? 0,21
Tramo del cabezal hacia la autoclave de vulcanizar goma.
Datos:
d = 0,1016 m
L = 200 m
tsuperficie = 40 oC
taire= 27 oC
A? ?*d*L ? ?*0,1016m*200m ? 63,84m2
Superficie recubierta con una chapa galvánica.
? ? 0,25
Este valor de la emisividad se obtuvo de un material complementario de aislamiento de
tuberías.
11
h ?1,13*?
??t ?
??????? 2
?m ?hr? C??
h ?1,13*?
??t?
?1,13*? ?
? ?
m ?hr?0C
m ?hr? C
m ?0C
m * C
Q ? ? * A*? *(Tsup ?Tsurr )
m ? K 4
m *K
12
Calor perdido por convección libre
Q ? A*h*(tsup ?taire)
Para calcular el coeficiente de convección libre (h) se utiliza la ecuación 24.12 pág.
718 Termodinámica, Virgil Moring Faires.
? kCal ?
?
? d ?
0
0,25
kCal
kCal
W
2
2 0
2
0,25
0,25
kJ 1hr
*
kCal 3600s
*4,1858
? 4,42
h ? 3,8
? 3,8
?40oC ?27oC?
? 0,1016m ?
?
? d ?
W
2 0
*(40?27)*0C
Q ? A*h*(tsup ?taire) ? 63,84m2 *4,42
Q ? 3,67kW
Calor perdido por radiación
4 4
A ? 63,84m2
W
? ? 5,67*10?8
2
T sup ? 40 ? 273 ? 313K
Tsurr ? 27 ? 273 ? 300 K
? ? 0,25
W
4
2
*(313K 4 ?300K 4)
Q ? 0,25*63,84m2 *5,67*10?8
Q ?1,36 kW
Calor total perdido en un año
Estas tuberías trabajan:
4 horas al día.
1 día a la semana.
h ?1,13*?
??t ?
?1,13*? ?
? ?
m ?hr?oC
h ? 3,8 2
m ?hr? C
m ?o C
m * C
Q ?? *A*? *(Tsup ?Tsurr )
13
11 meses al año.
1 semana al mes.
kJ
año
kJ 3600s 4h 1día 1sem 11mes
* * * * *
s h día sem mes año
?7,96 *105
Qanual ?5,03
Se pierden a través de las tuberías con aislante 7,96 *105 kJ de calor al año.
Tramo que sale del cabezal hacia la autoclave pequeña.
?
Parte con recubrimiento de asbestocemento hasta el tramo que no tiene
aislante.
Datos:
d = 0,1016 m
L = 12 m
tsuperficie = 40 oC
taire= 27 oC
A? ?*d *L ? ?*0,1016m*12m ? 3,83m2
Superficie recubierta con asbestocemento.
? ? 0,90
Calor perdido por convección libre
W
kCal
kCal
o
?
? d ?
2
2
0,25
0,25
? 4,42
kJ 1hr
*
kCal 3600s
*4,1858
? 3,43
?40oC ?27oC ?
? 0,1016m ?
W
2 0
*(40?27)oC
Q ? A*h*(tsup ?taire) ? 3,83m2 *4,42
Q ? 0,22kW
Calor perdido por radiación
4 4
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