Auditoría energética térmica en Industrias Básicas de Caldas S.A.
Autor: Cruz Muñoz, Tatiana Eugenia
Asesor: Londoño Carvajal, Adiela (Thesis advisor)
Fecha: 2003
Programa: Bogotá - Medicina -Fisioterapia
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: Este trabajo contiene los resultados y recomendaciones de la Auditoría Energética Térmica realizada al proceso productivo de Industrias Básicas de Caldas S.A. En ella se hizo especial énfasis en el uso racional de la energía térmica, enfocado particularmente al vapor de agua. Se presentan los puntos críticos del consumo de energía térmica en la planta, así como el plan de manejo y racionalización de dicha energía. / Abstract: This document contain the results and recommendations of the thermal energetic audit. In the productive process of Industiras Básicas De Caldas S.A. The special emphasis of this activity was the thermal energy rational use, focused to the water steam particularly. It’s shown the critic points of thermal energy consumption in the plant, also the handling and rationalization plan of the thermal energy.

AUDITORÍA ENERGÉTICA TÉRMICA EN INDUSTRIAS BÁSICAS DE
CALDAS S.A.
TATIANA EUGENIA CRUZ MUÑOZ.
CAROLINA SALAZAR SEPÚLVEDA.
TRABAJO DE GRADO
MODALIDAD PROYECTO FINAL
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MANIZALES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
2003AUDITORÍA ENERGÉTICA TÉRMICA EN INDUSTRIAS BÁSICAS DE
CALDAS S.A.
TATIANA EUGENIA CRUZ MUÑOZ. CÓD. 397512
CAROLINA SALAZAR SEPÚLVEDA. CÓD. 396540
DIRECTORA
ING. ADELA LONDOÑO CARVAJAL.
TRABAJO DE GRADO
MODALIDAD PROYECTO FINAL
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MANIZALES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
2003TABLA DE CONTENIDO
Pág.
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
OJETIVOS
1. CÁPITULO I: PROCESO INDUSTRIAL DE INDUSTRIAS BÁSICAS 1
DE CALDAS.
1.1 Descripción del proceso. 1
1.2 Descripción de los equipos. 5
2. CAPÍTULO II: METODOLOGÍA DE TRABAJO. 18
2.1 Auditoria Energética Preliminar. 18
2.2 Auditoria Energética Detallada. 24
3. CAPÍTULO III: AUDITORIA ENERGÉTICA PRELIMINAR. 26
3.1 Recolección de la información. 26
3.1.1 Organigrama de Industrias Básicas de Caldas. 26
3.1.2 Realización del Diagrama de Flujo. 26
3.1.3 Toma de Datos en los Equipos de Proceso. 28
3.1.4 Revisión de Documentos. 31
3.2 Análisis de la Información. 32
3.2.1 Balances de Materia y Energía con Datos Nominales y Reales. 32
3.2.1.1 Comparación del Balance de Materia y Energía. 39
3.2.1.2 Porcentaje de Calor Cedido por los Equipos. 40
3.2.1.3 Comparación de la Transferencia de Calor de los Enfriadores de Ácido. 42
3.2.1.4 Cálculo del Calor Perdido por Radiación en Equipos sin Aislamiento
Térmico. 44
3.2.2 Consumo Específico Anual de Energía Referido a la Unidad de Producto
Final. 463.2.3 Índice de Intensidad de Energía. 49
3.2.3.1 Equipos Consumidores de Energía Eléctrica. 50
3.2.3.2 Consumos en Turbinas de Vapor. 53
3.2.3.3 Consumos de Vapor en el Fundidor de Azufre. 54
3.2.4 Diagnostico. 55
4. CAPÍTULO IV: AUDITORIA ENERGÉTICA DETALLADA. 56
4.1 Diagrama de Distribución de Energía. 56
4.2 Desglose por Centro o Unidades Consumidores. 56
4.3 Definición de las Variables a Medir. 57
4.4 Toma de Datos en la Planta. 59
4.5 Análisis de Problemas y Posibles Soluciones. 60
4.5.1 Combustión. 60
4.5.2 Generadores de Vapor. 63
4.5.3 Aislantes Térmicos. 69
4.5.4 Sistemas de Control. 71
4.5.5 Sistemas de Distribución de Vapor. 71
4.5.6.1 Calderas y Sistema de Agua de Alimentación. 76
4.5.6.2 Distribución de Vapor. 77
4.5.6.3 Trampas Para Vapor. 78
4.5.6.4 Tanque Fundidor. 82
4.5.6.5 Sistema de Condensados 83
4.5.7 Sistemas de Aire Comprimido. 85
4.5.8 Sistema de Bombeo. 86
4.5.9 Sistema de Agua de Enfriamiento. 86
ANÁLISIS DE DATOS Y RESULTADOS. 88
PLAN DE USO RACIONAL DE ENERGÍA 96
BIBLIOGRAFÍA.
ANEXOS.ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
1. Porcentaje de variables, según su disponibilidad. 30
2. Resumen del Balance de Materia Experimental. 34
3. Resumen del Balance de Materia Teórico. 36
4. Calores teóricos (Q ) Vs. Experimentales (Q ). 39
T E
5. Cálculos energéticos de equipos. 40
6. Porcentaje de calor cedido a la atmósfera. 41
7. Transferencia de calor de diseño. 42
8. Transferencia de calor condiciones actuales. 42
9. Calores referidos a una tonelada de ácido sulfúrico. 43
10. Calores en las torres referidos a una tonelada de ácido
sulfúrico. 43
11. Calores para algunos equipos, referidos a 1 tonelada de ácido sulfúrico. 44
12. Calores perdidos por Radiación. 45
13. Características de los equipos eléctricos. 50
14. Consumo teórico y experimental de energía eléctrica. 52
15. Parámetros de purgas de calderas. 65INDICE DE FIGURAS
Pág.
1 Diagrama de Flujo para el Balance de Materia Experimental. 22
2 Diagrama de Flujo para el Balance de Materia Teórico. 23
3 Organigrama de Industrias Básicas de Caldas S.A. 27
4 Diagrama de flujo de energía. 58
5 Comportamiento de las concentraciones de SO y O con respecto
2 2
al exceso de aire en la combustión. 63
6 Estación de trampeo en línea para el drenaje de condensados. 73
7 Formación del golpe de ariete. 74
8 Separador de Humedad. 75
9 Filtro para vapor 76
10 Purgadores en fallo: fallos por whole site Industrias básicas de
Caldas S.A. 79
11 Purgadores con fallo: fallos por ubicación_ IBC. 80
Purgadores con fallo: fallos por aplicación. 80
12 Bomba de retorno de condensados operada con vapor. 84
13 Fotografía del los serpentines sin contacto con el agua de
enfriamiento. 87INDICE DE FOTOS
1. FUNDIDOR DE AZUFRE. LÍNEAS DE VAPOR, CONDENSADOS Y AZUFRE
LÍQUIDO. 6
2. CONJUNTO DE TORRES 7
3. QUEMADOR DE AZUFRE 8
4. FILTRO DE GASES CALIENTES 9
5. CONVERTIDOR CATALÍTICO 10
6. INTERCALIENTE 11
7. INTERFRÍO 12
8. TORRE BARREDORA 12
9. TORRE DE ENFRIAMIENTO 14
10. TANQUE DE BOMBEO 15
11. PRECALENTADOR DESAIREADOR 16
12. ECONOMIZADOR SUPERCALENTADOR 17
13. CALDERAS 17ÍNDICE DE ANEXOS
I. Diagrama de flujo general de proceso.
II. Diagramas de proceso sin equipos de servicios generales en donde se
especifican los componentes involucrados en cada corriente
III. Clasificación de las variables de proceso.
IV. Tablas de Grados de Libertad para el balance Combinado Experimental y
Teórico.
V. Revisión de documentos.
VI. Balances combinados de Materia y Energía experimentales y teóricos.
VII. Purgadores con fallo en Industrias Básicas de Caldas S.A.
Costo de purgadores que pierden vapor en un año.
Trampas para Vapor.
VIII. Productos propuestos para un mejor manejo y uso del vapor.
IX. El sistema de retorno de condensados y el sistema de tubo sifón para el
drenaje de condensados del tanque fundidor.
X. Diseño de bombas de retorno de condensados al fundidor de azufre.UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MANIZALES
BIBLIOTECA
RESUMEN DE TRABAJOS DE GRADO
CARRERA: INGENIERÍA QUÍMICA
SALAZAR SEPÚLVEDA CAROLINA
CRUZ MUÑOZ TATIANA EUGENIA
TÍTULO DEL TRABAJO: AUDITORÍA ENERGÉTICA TÉRMICA EN
INDUSTRIAS BÁSICAS DE CALDAS S.A.
DIRECTOR TRABAJO DE GRADO: ING. ADELA LONDOÑO CARVAJAL.
RESUMEN DEL CONTENIDO: Este trabajo contiene los resultados y
recomendaciones de la Auditoría Energética Térmica realizada al proceso
productivo de Industrias Básicas de Caldas S.A. En ella se hizo especial
énfasis en el uso racional de la energía térmica, enfocado particularmente al
vapor de agua. Se presentan los puntos críticos del consumo de energía
térmica en la planta, así como el plan de manejo y racionalización de dicha
energía.
ABSTRACT: This document contain the results and recommendations of the
thermal energetic audit in the productive process of Industrias Básicas De
Caldas S.A. The special emphasis of this activity was the thermal energy
rational use, focused to the water steam particularly. It’s shown the critic
points of thermal energy consumption in the plant, also the handling and
rationalization plan of the thermal energy.
PALABRAS CLAVES: Auditoría Energética Térmica, Energía Térmica, Ácido
sulfúrico, Trampas de vapor, Consumo específico anual de energía, índice de
intensidad de energía, Industrias Básicas de Caldas S.A. Puntos críticos,
AzufreINTRODUCCIÓN
En los últimos años se ha fomentado el uso racional de la energía con proyectos de
ahorro de la misma, que requieren una cierta inversión y los beneficios se obtienen
con la disminución del costo de los consumos energéticos o del gasto de
combustibles o costos de proceso de producción.
Actualmente en Colombia, hay entes que cuentan con amplia práctica en el sector
del ahorro energético y del uso racional de la energía, algunas de ellas son el
Instituto Colombiano de Energía Eléctrica, la ANDI, el Ministerio de Minas y
Energía, la Universidad Pontificia Bolivariana, el Consejo Empresarial Colombiano
de Desarrollo Sostenible, entre otros.
Buscando establecer un convenio entre la Asociación Nacional de Industriales ANDI
y la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, para la realización de las
Auditorias Energéticas en el sector industrial, se dió inicio a la Auditoria Energética
Térmica en Industrias Básicas de Caldas S.A., quien abrió cordialmente las puertas
para la ejecución de dicho proyecto con el fin de diagnosticar el uso de la energía
térmica en la planta de producción de ácido sulfúrico.
Los programas de Auditorias Energéticas sirven para conocer los consumos y el
estado energético de los equipos consumidores de energía, evaluando un estado
energético inicial, el cual ayuda a analizar la situación en la que se encuentra laempresa y a partir de ésta realizar las debidas recomendaciones para establecer un
programa para el uso racional de la energía.
Los temas aquí contemplados van desde el reconocimiento de planta y descripción
de los equipos de proceso, pasando por la recolección y análisis de la información
inicial obteniendo así el desarrollo de la Auditoria Energética Preliminar hasta llegar
al planteamiento metodológico para la ejecución de la Auditoria Energética
Detallada de los equipos consumidores y/o generadores de energía térmica y
concluyendo así con la presentación y formas de ejecución del Plan de Uso
Racional de la Energía en Industrias Básicas de Caldas.OBJETIVOS
GENERAL
Analizar el uso de la energía térmica en Industrias Básicas de Caldas S.A.
ESPECÍFICOS
1. Determinar los puntos críticos del uso de la energía térmica en el proceso.
2. Realizar un diagnóstico del consumo de energía en la planta.
3. Identificar las operaciones a intervenir para racionalizar el uso de la energía
térmica.
4. Proponer un plan de manejo de la energía para disminuir el consumo
energético.NOMENCLATURA DE EQUIPOS
BB = Bota bomba
C1 = Caldera uno
C2 = Caldera dos
D2 = Divisor dos
D3 = Divisor tres
D4 = Divisor cuatro
D5 = Divisor cinco
D6 = Divisor seis
D7 = Divisor siete
E1P = Entrada del primer paso del convertidor
E2P = Entrada del segundo paso del convertidor
E3P = Entrada del tercer paso del convertidor
E4P = Entrada del cuarto paso del convertidor
EPR = Enfriador del ácido producto
ES = Economizador supercalentador
ETAF = Enfriador de la torre de absorción final
ETAI = Enfriador de la torre de absorción intermedia
ETBR = Enfriador de la torre barredora
ETS = Enfriador de la torre de secado
FA = Fundidor de azufre
FGC = Filtro de gases calientes
IC = Intercambiador caliente de calor
IF = Intercambiador frío de calorM2 = Mezclador 2
M3 = Mezclador 3
M4 = Mezclador 4
PD = Precalentador desaireador
QA = Quemador de azufre
R1P = Primer paso del reactor (convertidor catalítico)
R2P = Segundo paso del reactor (convertidor catalítico)
R3P = Tercer paso del reactor (convertidor catalítico)
R4P = Cuarto paso del reactor (convertidor catalítico)
S1P = Salida del primer paso del convertidor
S2P = Salida del segundo paso del convertidor
S3P = Salida del tercer paso del convertidor
S4P = Salida del cuarto paso del convertidor
TAI = Torre de absorción intermedia
TAF = Torre de absorción final
TBR = Torre barredora
TD = Tanque de dilución
TS = Torre de secado
TBB = Turbo bomba
TBS = Turbo Soplador1
CAPÍTULO I
1. PROCESO INDUSTRIAL DE INDUSTRIAS BÁSICAS DE CALDAS S.A.
1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
El tamaño físico de Industrias Básicas de Caldas tiene un área total de 17.000 m2
discriminada de la siguiente manera:
Área de producción: 1014.9 m2
Zona de almacenamiento de producto: 312.0 m2
Zona de almacenamiento de materia prima: 1148.0 m2
Parqueadero: 95.4 m2
Oficinas:479.08 m2
Casino: 126.6 m2
Bodega: 597.6 m2
Portería: 16.6 m2
Caseta báscula: 9.5 m2
Báscula: 101.5 m2.
Laguna, zona de tratamiento de aguas y residuos sólidos, zonas verdes:13098.82
El ritmo de actividad y personal de planta se encuentra dividido en dos sectores:2
- Personal administrativo y de servicios
El sector oficinas, jefes de mantenimiento, de producción, de calidad, almacén y
oficios varios trabajan en un horario habitual de 8 a.m. a 5 p.m. de lunes a
viernes.
- Personal de producción
El personal de producción está dividido en cuatro grupos de trabajo, cada uno
consta de un operador de planta, un auxiliar del operador, un vigía y un operario
del fundidor. Este sector trabaja en tres turnos y la razón del cuarto grupo de
trabajo es cubrir los descansos de los otros tres; los turnos se distribuyen así:
0:00 – 8:00 a.m. 7 días cada grupo
8:00 – 5:00 p.m. 5 días de lunes a viernes
8:00 – 4:00 p.m. Sábados, domingos y festivos
5:00 - 12:00 p.m. 5 días de lunes a viernes
4:00 – 12:00 p.m. Sábados, domingos y festivos
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO
La planta utiliza azufre como materia prima principal para la producción de ácido
sulfúrico, los pasos principales del proceso son1:
- Combustión de azufre (s) para generar dióxido de azufre (SO ).
2
- Combinación de dióxido de azufre con oxígeno (O ), para formar trióxido de
2
azufre (SO ).
3
1 Cuellar, C.F. Recuperación y caracterización del pentóxido de vanadio utilizado en la producción de ácido
sulfúrico en Industrias Básicas de Caldas. Universidad Nacional de Colombia 1996.3
- Combinación de trióxido de azufre con agua (H O) para formar ácido sulfúrico
2
(H SO ) al 98 - 99%.
2 4
Las etapas que constituyen el proceso se presentan a continuación:
1. Azufre y su combustión.
El azufre se clarifica en el fundidor de azufre, donde ocurre sedimentación y
flotación de las partículas extrañas que trae el azufre consigo, posteriormente el
azufre clarificado se bombea a un quemador tipo horno donde se quema con aire
suministrado por un turbo soplador para formar dióxido de azufre. Antes de entrar
al quemador, el aire pasa a la torre de secado donde se lava con ácido sulfúrico
proveniente del tanque de dilución (donde se almacena el ácido terminado, a una
concentración de 98,5%), para retirarle el vapor de agua que contiene.
Al quemar el azufre se genera una gran cantidad de calor, el cual eleva la
temperatura del gas en el quemador.
2. Conversión de SO aSO .
2 3
En el segundo paso del proceso, el SO que se encuentra en el gas se combina con
2
el oxígeno remanente para formar SO en el convertidor, que consta de cuatro
3
etapas de catalizador de pentóxido de vanadio V O .
2 5
Para este paso el gas debe estar a una temperatura menor que la del quemador
de azufre dado que la reacción de oxidación es exotérmica, la corriente de gases
de salida de cada paso debe ser llevada a un intercambiador de calor para
acondicionar la temperatura de entrada a cada paso (400 – 460°C). Es necesario,
por lo tanto, enfriar el gas de salida del quemador y dicho enfriamiento se
consigue mediante una caldera de recuperación de calor. Tal caldera genera vapor
a una presión de 250psig.4
Después del primer paso, el gas pasa por otra caldera de recuperación de calor a
una presión de 250psig. Luego del segundo paso, el gas pasa por el
intercambiador caliente de paso intermedio (intercaliente), el cual enfría el gas y
sirve además para precalentar parte del gas que retorna de la torre de absorción
intermedia hacia el cuarto paso de catalizador. Después del tercer paso, el gas es
conducido al intercambiador de calor frío (interfrío), a la torre barredora y
posteriormente a la torre de absorción intermedia (TAI), donde el SO que
3
contiene el gas es absorbido en ácido sulfúrico del 98%.
El intercambiador frío de paso intermedio también sirve para calentar el gas que
retorna de la torre de absorción intermedia, para lograr la temperatura correcta de
entrada al cuarto paso. El SO que queda en el gas se supone convertido a SO en
2 3
el cuarto paso.
El gas que sale del convertidor pasa a través del economizador supercalentador,
donde es enfriado antes de pasar a la torre de absorción final, donde el SO
3
remanente es absorbido en ácido sulfúrico de 98%.
3. Absorción de selenio y producción de óleum.
La corriente de gas SO proveniente del tercer paso, contiene selenio que viene
3
con el azufre volcánico alimentado al quemador. El óleum se hace circular por la
torre lavadora con el fin de rebajar la mayor parte del selenio sin disminuir el
contenido de SO del gas.
3
El selenio debe retirarse del azufre, debido a que este compuesto contamina el
producto final.
La corriente de óleum circula a través de un enfriador antes de retornar a la torre
de lavado, para remover el calor que absorbió de la corriente de gas SO .
35
4. Absorción del gas SO y producción de ácido sulfúrico.
3
El gas SO proveniente del convertidor se combina directamente mediante
3
absorción, con el agua del ácido sulfúrico de 98 - 99%. Esta operación se efectúa
en las torres de absorción en dos etapas.
El ácido que recircula por la torre de secado se debilita con el vapor de agua que le
quita el aire, mientras que en las torres de absorción el ácido se refuerza mediante
la absorción del gas SO . El ácido más débil que sale de la torre de secado se
3
combina con ácido reforzado provenientes de las torres de absorción antes de
ingresar a los enfriadores de ácido.
1.2 DESCRIPICIÓN DE LOS EQUIPOS
• Fundidor de Azufre
Es un gran tanque subterráneo de concreto con tapas móviles que está dividido en
cuatro recámaras: fundición, flotación, sedimentación y bombeo. En la fundición se
funde el azufre por calentamiento con vapor saturado que recorre el tanque
mediante serpentines; por rebose pasa a la recámara de flotación en donde se
extrae el material flotante de baja densidad, éstas impurezas son en su mayoría
rocas volcánicas que luego de extraerse se desechan en canecas destinadas para
tal fin; luego el azufre pasa a la recámara de sedimentación por inmersión por un
orificio y posteriormente se dirige también por inmersión a la recámara de bombeo
en donde el azufre llega a las bombas verticales y es llevado al quemador.6
FOTO 1. FUNDIDOR DE AZUFRE. LÍNEAS DE VAPOR, CONDENSADOS Y
AZUFRE LÍQUIDO
• Torre de secado
La función principal es eliminar el vapor de agua que tiene el aire atmosférico. El
aire es tomado de la atmósfera por medio del turbo soplador que mantiene el
sistema continuamente con aire y es introducido por la parte inferior de la torre
chocando con el relleno y el ácido sulfúrico que cae por gravedad a dicho relleno
absorbiendo el agua, aumentando la superficie de contacto para hacer más
eficiente el secado.7
Torre de
Absorción
Intermedia
Torre de
Secado
Torre de
Absorción
Final
FOTO 2. CONJUNTO DE TORRES
• Turbo soplador
Sirve para suministrar Oxígeno o aire procesado al sistema de combustión y a la
vez proporciona los medios para impulsar el gas de proceso a través de la planta.
Estos medios son dos sopladores, uno que opera bajo presión de vapor de 250
psig. y otro movido por un motor eléctrico de menor capacidad para la producción
de 50 TMD (Toneladas Métricas Día), y el soplador principal movido por una
turbina trabaja a una capacidad para producir 100TMD.
El soplador es un compresor centrífugo que trabaja accionado por una turbina
movida por vapor sobrecalentado, la cual está conectada directamente a este,
descarga vapor al desaireador precalentador y a la atmósfera por medio de un
cabezal de vapor.8
• Quemador de azufre
Por la parte inferior ingresa aire que se toma por succión mediante el turbo
soplador y es pasado a la torre de secado para eliminar el vapor de agua,
llevándolo posteriormente al quemador, el cual con una temperatura alta de
operación (900 – 920 °C) y con la llegada de azufre líquido por atomización genera
una reacción de oxidación produciendo SO :
2
S + ½ O SO
2 2
FOTO 3. QUEMADOR DE AZUFRE
• Filtro de gases calientes
La función del filtro es eliminar o remover el posible contenido de ceniza y polvo
del flujo de gas proveniente del quemador, antes que entre al convertidor9
catalítico. El medio filtrante está constituido por guijarros de cuarzo, soportado en
rocas de cuarzo.
Salida
de gases
Entrada
de gases
FOTO 4. FILTRO DE GASES CALIENTES
• Convertidor catalítico
Es una torre cilíndrica externamente cubierta en su totalidad con lana de vidrio y
lámina de aluminio para aislamiento térmico y seguridad industrial. Internamente
está dividido en cuatro secciones o pasos, la corriente de gases pasa
secuencialmente por cada uno de los pasos y de esta manera la conversión del SO
2
aumenta proporcionalmente a medida que la corriente de los gases reacciona en
cada uno de ellos. Dado que la reacción es exotérmica, la corriente de gases de
salida de cada paso debe ser llevada a un intercambiador de calor para
acondicionar la temperatura de entrada a cada paso (400 – 460°C).10
El catalizador es pentóxido de vanadio y el gas es convertido de SO a SO .
2 3
Aunque la reacción no llega a ser completa en un 100%, el convertidor es
demasiado eficiente, pues aproximadamente un 99.5% de SO que entra es
2
convertido a SO al cabo de los cuatro pasos.
3
Primer paso
Segundo paso
FOTO 5. CONVERTIDOR CATALÍTICO
• Enfriadores de gases
Contribuyen a recuperar y aprovechar toda la energía que se genera en distintos
puntos del proceso. Son denominados por Industrias Básicas de Caldas S.A. como
Intercambiador de calor caliente o Intercaliente e Intercambiador de calor frío o
Interfrio. Son dos enfriadores de gases, por las cuales los gases de oxidación11
circulan por los tubos y por la carcaza circulan los gases provenientes de la torre
de absorción intermedia y de la torre barredora.
FOTO 6. INTERCALIENTE FOTO 7. INTERFRÍO
• Torre barredora
El sistema consta de una torre, una bota-bomba, un eliminador de neblina tipo
demister y el enfriador de óleum. Es una torre cilíndrica vertical rellena de silletas
intalox, arriba del empaquetado se encuentra la línea de óleum que viene del
enfriador. Contiguo a la torre se encuentra la bota-bomba que es un tanque de
equilibrio que sirve como tanque de bombeo de óleum. El óleum entra por un
costado de la torre en la parte superior y fluye por gravedad a la bota-bomba. El
gas entra por un costado y fluye hacia arriba a través de la torre en12
contracorriente al óleum que se distribuye sobre el relleno en donde el óleum
absorbe el selenio del gas. Dicho óleum posee de 23 a 30% de SO libre.
3
El gas que sale de la torre fluye a través de un eliminador de neblina tipo demister,
instalado sobre el distribuidor al paso de las neblinas.
FOTO 8. TORRE BARREDORA
• Torre de absorción intermedia
El gas SO producido en el tercer paso del convertidor se combinará
3
indirectamente mediante absorción en ácido sulfúrico de 98 a 99% o dilución con
agua. En estas condiciones el SO se une fácilmente con ese 1 – 2% de agua
3
contenida en el ácido produciendo H SO . La absorción se lleva a cabo en las
2 4
torres de absorción, primero en la torre que está después del tercer paso, proceso
llamado interabsorción (torre de absorción intermedia), esta absorbe cerca de un
95% del SO ; la torre de absorción final absorbe un poco más de un 4% de SO . Al
3 313
absorberse el SO sobre ácido se produce más ácido, ácido concentrado que con la
3
adición de agua se vuelve a diluir para así mantener el proceso de absorción.
• Torre de absorción final y chimenea
El gas que entra a la torre con un alto porcentaje de SO al interactuar con el ácido
3
circulante de 98.4 – 98.6% de concentración, produce de forma espontánea la
reacción de absorción, generando disminución de SO en el gas y aumento en la
3
concentración de ácido que a su vez generará más ácido sulfúrico al adicionar
agua.
El gas a reaccionar con el 1.6 – 1.4% aproximado de agua que contiene el ácido
absorbe el SO que viene en el gas, el cual está acompañado de Nitrógeno, SO sin
3 2
reaccionar, Oxígeno, etc., los cuales deben ser eliminados por dicha torre; donde
se presenta la parte final de la absorción se encuentra como aditamento la
chimenea por donde los acompañantes del SO y alguna pequeña cantidad de SO
3 2
salen a la atmósfera. La reacción es la siguiente:
SO + H O H SO
3 2 2 4
• Torre de enfriamiento
Es una torre con enfriadores tipo trombón que suministra agua a una temperatura
aproximada de 35°C, con el fin de enfriar el ácido caliente proveniente del tanque
de bombeo a cada una de las torres de absorción, barredora, secado y tanque de
almacenamiento. Adecuadamente la bomba descarga agua a unas canaletas en la
parte superior de la torre, estas están perforadas y cual el agua fluye por
gravedad, enfriando el ácido que se hace circular por los serpentines.14
FOTO 9. TANQUE DE ENFRIAMIENTO
• Tanque de bombeo
Es el tanque de almacenamiento de ácido al 98.5% y a 100°C, el cual es el centro
de distribución y recepción del ácido de proceso. Esta distribución se hace por
medio de dos bombas, la número 1 bombea ácido para la parte superior de la
torre de absorción intermedia, el ácido producto a los tanques de almacenamiento
y una línea montada para la reposición de ácido de la bota-bomba de la torre
barredora; y la número dos bombea ácido a la torre de absorción final, torre de
secado y al analizador de ácido.15
FOTO 10. TANQUE DE BOMBEO
• Precalentador – Desaireador
Este equipo precalienta el agua con vapor que proviene de las turbinas. Se
denomina desaireador ya que al calentar el agua saca el oxígeno de ella y en un
vestíbulo inferior almacena el agua precalentada que se comunica con la succión
de las bombas de alimentación de agua a calderas. Este proceso se logra al llegar
agua suavizada a la parte superior de un distribuidor de agua, ésta desciende a
través de varios juegos de bandejas y a contracorriente sube vapor que al entrar
en contacto íntimo precalienta y desairea.16
FOTO11. PRECALENTADOR – DESAIREADOR
• Turbo bomba o Motobomba
Son las bombas de alimentación de agua a calderas, una funciona con vapor y otra
con corriente eléctrica. La Motobomba funciona en el momento en que la turbo
bomba presente problemas.
s Economizador – Supercalentador
Equipo conformado por un casco amplio que internamente y en la parte superior
tiene ajustados serpentines con radiador que constituyen el conjunto de
supercalentador y en la parte inferior se encuentra el conjunto de serpentines del
economizador.
Los gases de salida del cuarto paso del convertidor salen entre 415 – 470°C, esta
temperatura se aprovecha para aumentar las temperaturas de los caudales
comprometidos con el domo; si es para el calentamiento del agua que va a
calderas se llama economizador y si es para sobrecalentar el vapor que sale del
domo se llama supercalentador.17
FOTO 12. ECONOMIZADOR - SUPERCALENTADOR
• Calderas
Son intercambiadores de calor pirotubulares, por los tubos va gas y por la carcaza
agua. La caldera 1 enfría los gases que provienen del quemador y la caldera 2
enfría los gases que vienen del primer paso. El domo de calderas es un cilindro
que almacena el agua para las calderas y el vapor generado por ellas.
FOTO 13. CALDERAS18
CAPÍTULO 2
METODOLOGÍA DELTRABAJO
2.1 Auditoria energética preliminar
La auditoria preliminar se realizó en dos fases, primero recolección de la
información y segundo, análisis de la información:
2.1.1 Recolección la información
Para la recolección de la información, se inició con el reconocimiento de la planta
para comprender las operaciones del proceso de producción. Dicho reconocimiento
se llevó a cabo de manera global, considerando todos los equipos y sistemas
involucrados en el proceso, posteriormente fueron estudiados de forma individual
para tener una mejor apreciación de las variables relacionadas con cada uno. En el
período de mantenimiento general de la planta fuimos encargadas de realizar la
medición de espesores de los equipos, tal actividad consistió en medir el espesor
de las superficies mediante un sensor ultrasónico CHECK LINE Ref. TI-25M-H. Este
procedimiento hace parte del mantenimiento preventivo y predictivo de la planta y
durante el desarrollo de las mediciones se comprendió de una manera más clara el
funcionamiento de los equipos.19
Al finalizar el reconocimiento de la planta se continuó con la inspección de planos
existentes en la empresa, a saber: Diagrama general de proceso, Diagrama de
flujo de agua, gases, vapor, azufre, ácido, entre otros. Luego se realizaron los
diagramas de flujo general y de proceso, involucrando todos los sistemas: agua,
vapor, ácido, óleum y gases, para tener mejor apreciación del proceso; estos
diagramas se presentan en el Anexo I y II. Al estudiar los diagramas de flujo se
definieron, las corrientes y variables de cada uno de los equipos involucrados en el
proceso. Las dimensiones y materiales de los equipos se tomaron de los planos y
hojas de vida de cada uno de ellos. Para algunos equipos, como es el caso de los
intercambiadores de calor no se cuenta con planos dimensionados; en su defecto
se cuenta con el manual de mantenimiento en donde está consignada información
de gran importancia para todos los equipos, por ejemplo, potencias, velocidades
de producción, datos de operación permisibles, flujos máximos y mínimos, entre
otros.
Se conformó el grupo de trabajo para la realización de la auditoría energética
térmica en industrias básicas de Caldas S.A., compuesto directamente por Tatiana
Eugenia Cruz Muñoz y Carolina Salazar Sepúlveda, estudiantes de Ingeniería
Química como auditoras principales, Alonso Osorio G operador de planta y Héctor
Cipriano Gonzáles, Ingeniero Químico como Asesor; e indirectamente por
representantes de cada uno de los departamentos de la empresa (Calidad,
producción, mantenimiento, gerencia, y contabilidad).
Se procedió a la toma de datos de los equipos de proceso y se realizó una revisión
de documentos para establecer con que variables se contaba para la realización
de la auditoría energética preliminar. Para ello se recurrió al sistema de registro de
datos como principal recurso, al manual de mantenimiento, planos y manual de
diseño. Posteriormente se hizo una clasificación de las variables de acuerdo a la
documentación y a la disponibilidad de las mismas (mostrada en el Anexo III).
Dichas variables se expresaron porcentualmente (ver tabla 1), teniendo en cuenta20
las medidas en planta, las calculadas y las no disponibles, para con ello determinar
los puntos críticos de la planta según la cantidad de variables necesarias
disponibles para realizar los balances de materia y energía.
Paralelamente a la recolección de datos, se hizo una revisión de documentos del
departamento de contabilidad para conocer el estado en los últimos doce meses
de: consumo de las fuentes de energía utilizadas, energía consumida por unidades
de producto, consumo nominal y real de energía, flujos y regímenes de
producción, organigrama de la empresa, tamaño físico de la planta y por último
ritmo de actividad y personal de planta. Esta revisión se presenta en el Anexo V.
2.1.2 Análisis de la información
Con el objeto de realizar el diagnóstico, se estudió la información de acuerdo con
los siguientes análisis energéticos:
• Para la ejecución de los balances energéticos con datos nominales y reales,
se tomó la información de la planilla de registro de datos del departamento
de producción, correspondiente al día 6 de junio del año en curso, día en que
la planta se encontraba trabajando a máxima capacidad, situación en la cual
se tienen las condiciones más criticas. Se decidió fijar los datos con los
cuales se trabajó basándose en la confiabilidad de los mismos, debido a que
algunos datos registrados en la planilla tienen un grado de incertidumbre
muy alto y con ellos no se obtendrían resultados coherentes.
La metodología a seguir fue realizar la tabla de grados de libertad para los
balances combinados de materia y energía (ver Anexo IV), pues esta es la
forma más indicada de resolver los balances en unidades que presentan
tanto interacciones másicas como energéticas. Después de consumar las
tablas de grados de libertad para condiciones de diseño y experimentales, los21
procesos no quedaron correctamente especificados; en el proceso
experimental los grados de libertad fueron 17 para el balance de materia y
15 en el balance combinado, igualmente para las condiciones de diseño, 18
en el de materia y 21 para el combinado. Por lo expuesto anteriormente, fue
necesario realizar el balance de materia experimental (datos reales) y
teórico, después resolver el balance de energía a partir de los resultados
encontrados con el balance de masa. En él se consideraron solamente los
equipos en donde ocurre transferencia de masa, ver figuras 1 y 2.
Posteriormente se hizo una comparación entre los valores reales y de diseño
que permite obtener una visión energética inicial y conocer además el estado
energético de las unidades consumidoras y/o generadoras de energía. Con
esta comparación es posible determinar alternativas que conlleven a
aumentar el rendimiento energético, disminuyendo así las pérdidas de calor.
En primera instancia se realizó la comparación de los calores cedidos a la
atmósfera con respecto a las entalpías de los productos de cada equipo de
proceso. En esta etapa, para los equipos en los que no se pudo culminar el
balance de energía, tales como el economizador supercalentador, las
calderas, el fundidor de azufre, y los serpentines de la torre de enfriamiento,
por falta de información, se realizaron una serie de cálculos a partir de la
información disponible para los mismos. Para las calderas y el economizador
supercalentador se calculó el calor cedido por los gases al agua y al vapor,
en los enfriadores es el calor cedido por el ácido al agua de enfriamiento, y
por último en el fundidor es el calor necesario para fundir la cantidad
determinada de azufre. Además se ejecutaron las comparaciones de
transferencias de calor de los enfriadores de ácido y de los calores
experimentales y teóricos referidos a una (1) tonelada de producto final.
Para esta comparación en las torres de absorción se calculó el calor teórico
cedido por el equipo a diferentes condiciones de temperatura, pues por lo
que se explicó en la parte de los balances la temperatura de salida del ácido
sulfúrico de las torres se encuentra dentro de un rango, para así obtener22
FIG. 1 DIAGRAMA PARA EL BALANCE DE MATERIA EXPERIMENTAL
N X22 N67 S= 43.6352
= 0. 2033
O2
X2 = 0 .0321 N4
H2O N3
( X2 N2 = 0 .7646) 2 X (X3 O N2 = 0 0.2 .71 6 77 X X (X4 4O 2O2 )= 0.0966
3 = 9 ) S 2
2 3
TS QA N2
54 4 R1P
55
N54
7
X54 N55 N7
H2SO4
(X 54 H2O) X55 = 0.8959 X7
H2SO4 O2
(X55 = 0.1041) X7
H2O SO2
X7
N54 SO3
(X7 )
X54 = 0.9163 N2
(X5H 42SO4 N59
= 0.0837)
H2O X59 = 0.9489
5 2 H2SO4
D3 TD (X59 = 0.0511)
H2O
N19= 356.774
R2P
X19 = 0.07426
O2 59
X19 = 7.2E-4 56
X19SO2 N63
=1.71E-5 9 N9
SO3 X63 = 0.9206
(X19 =0.925) H2SO4 X9
N2 ( X63 = 0.0794) X9O SO2
H2O
N53 2
X9
X53 SO3
(X5H 32SO4 (X9 )
) 19 N2
H2O
N56
53
X56
H2SO4
TAF (X56 )
63 H2O
R3P
18
11 N11
N18 X11
62 X11O SO2
X18 N62=42.1667 =0.0108
O2 D2 2
X18 X62 = 0.9163 X11 =0.0896
X18SO2 (X6H 22SO4 N57 (X1S 1O3
= 0.0837) )
(X1S 8O3 H2O X57 N2
) H2SO4
N2 (X57 )
H2O
D7 91
N91 =47.1607
57
X91
O2
N14 X91
SO2
R4P X14 14 N90 X91
O2 SO3
X14 TAI X90 (X91 N2)
SO2 O2
X14 X90
SO3 90 SO2
(X14 ) X90
N2 SO3
(X90 )
N223
FIG. 2 DIAGRAMA PARA EL BALANCE DE MATERIA TEÓRICO
N2
N67 = 43.2108
X2 S
O2
X2 = 0.0541 N4
XH N2O N (X33
( 2 2) X O N2 = 0 0. .2 70 99 04 6 77 X X (X4 4O 2O2 )= 0.1002
2 3 2 = 6 ) 3 S 2
TS QA N2
54 R1P
4
55
N54= 7 32.1541
7
X54 N55 N7
H2S O4
(X54 H2O) X55 X7 =0.0810
H2SO4 O2
(X55 H2O) X7 SO2
X7
N54 SO3
(X7 )
X54 = 0.923 N2
(X5H 42SO4 N59
= 0.077)
H2O X (X59
52 5H 92SO4
D3 TD )
H2O
N19
R2P
X19 = 0.0696
O2 59
X19 56
X19S SO O2 N X66 33 9
3 = 0.9206 N9
( X19 N2) ( X6H 3 H2S 2O O4 = 0.0794) X X9 9O SO2 2= 0.0675
X9
SO3
19 (X9 )
N2
N56
53
X56
H2SO4
N53=603.017 4 TAF (X56 )
X53 63 H2O
H2SO4 R3P
(X53 )
H2O
18
11 N11
N18 X11 =0.0642
X18 N62=42.5906 62 X11O SO2 =0.0043
D2
O2 2
X X (X1 18 8 1S 8O O2 = 0.0 044 X ( X62 6H 2 H2S 2O O4 = = 00 .0.9 72 73 ) N X55 77 H= 21 S3 O7 8 .1791 X ( X11 1S 1O N23 )= 0.1012
S 3
) 4
N2 (X57 )
H2O
D7 91
N91
57
X91
O2
N14 X91
R4P X14 O2= 0.0714 N90 X91S SO O2
3
X14 TAI X90 (X91 )
(X1S NO 22 X90O SO2 N2
4 ) 14 90
2
X90
SO3
(X90 )
N224
resultados del comportamiento de la torre con respecto a estas temperaturas.
Por último se realizaron mediciones de temperatura de superficie de los equipos
de proceso que no están aislados, para realizar el cálculo del calor perdido por
radiación al ambiente.
• La metodología empleada para el cálculo del consumo específico anual de
energía referido a la unidad de producto final se realizó a partir de la relación
entre los consumos de la planta y su producción. De acuerdo con los
resultados de los balances energéticos se apreciaron los equipos
consumidores de energía térmica y se calculó el consumo de energía con
relación a una clasificación del tipo de energía utilizada en cada equipo
consumidor.
• En lo referente al cálculo del índice de intensidad de energía se consideró el
consumo real o experimental y estándar o teórico de energía, teniendo en
cuenta los equipos consumidores de energía eléctrica y térmica. En los
equipos consumidores de energía eléctrica el cálculo se realizó a partir del
consumo en vatios, utilizando un factor de conversión a unidades energéticas
y para los consumidores de energía térmica partiendo del flujo de vapor y un
factor de conversión de acuerdo a la presión del vapor utilizado en cada
equipo.
2.2 Auditoria Energética Detallada
Algunos puntos de la auditoría detallada se desarrollaron a la par con la auditoría
preliminar, tales como la definición de las variables a medir, parte de la toma de
datos y el análisis de la información recogida.
A continuación se muestran las etapas a seguir en la auditoría detallada:25
• Elaboración del diagrama de distribución de energía.
• Desglose por centro o unidades consumidoras.
• Definición de las variables a medir.
• Identificación de la instrumentación necesaria para la medición de las
variables y definición de los sistemas de medida.
• Toma de datos en el sitio.
• Determinación de problemas de manejo energético, y posibles soluciones a
estos de acuerdo con el manual de uso racional de energía.2 Dentro de estos
ítem se encuentra el manejo de : Combustión, Generadores de Vapor,
Aislantes térmicos, Sistemas de control, Sistema de distribución de vapor,
Sistema de aire comprimido, Sistema de bombeo y Sistema de aguas de
enfriamiento.
• Plan de uso racional de energía.
• Formas de ejecución del plan.
Se efectuó el desglose por centros o unidades consumidoras mediante los balances
generales y el diagrama de distribución de energía, facilitando así el análisis de
pérdidas de energía y la determinación de las soluciones para el ahorro. Se
definieron las variables a medir de acuerdo a la clasificación de las variables
presentadas en el Anexo III, para la culminación de los balances energéticos.
Se tomo como guía para la realización del plan de uso racional de energía y para la
determinación de problemas y manejo de los mismos, el manual realizado por la
ANDI, UPB y EEPP de Medellín, ya que ofrece unas pautas practicas y técnicas de
fácil implementación para los diferentes sectores de la industria, en nuestro caso la
industria química y el informe presentado por Spirax Sarco “ Survey para Vapor ” ,
pues nos ofrece una gran gama de observaciones y recomendaciones respecto al
manejo de vapor.
2 Guías para el Uso Racional de Energía por Procesos en la Industria. ANDI, EEPP de Medellín, UPB. Medellín
1997.26
CAPÍTULO III
AUDITORÍA ENERGÉTICA PRELIMINAR
3.1 RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN.
3.1.1 Organigrama de Industrias Básicas de Caldas S.A.
El organigrama fue extraído de los archivos del Plan de Gestión Ambiental
de la Empresa. Ver figura 3.
3.1.2 Realización de los diagramas de flujo.
Para la realización de los diagramas de flujo se revisaron los siguientes planos:
• Diagrama general de proceso # A001
• Diagrama de flujo de agua # A501
• Diagrama de flujo de gases # A201
• Diagrama de flujo de vapor # A601
• Diagrama de flujo de azufre # A701
• Diagrama de flujo de ácido y óleum
• Planos de los serpentines de la torre de enfriamiento
• Planos del filtro de gas caliente27
ASAMBLEA GENERAL DE
ACCIONISTAS
REVISOR FISCAL 1
JUNTA
DIRECTIVA
FIG. 3
GERENTE GENERAL 1
ORGANIGRAMA DE INDUSTRIAS
BÁSICAS DE CALDAS S.A.
GE RENTE GERENTE DE PLANTA 1
FINANCIERO 1
JE FE DE JEFE JEFE DE JEFE DE CONTROL JEFE DE JEFE DE JEFE GESTION JEFE DE
CONTABILIDAD COMERCIAL PRODUCCIÓN DE CALIDAD MANTENIMIENTO 1 PROYECTOS 1 HUMANA 1 ALMACÉN 1
1 1 1
RECS EE PC CR IE OT NA IR STIA
OPERADOR DE COORDINADOR DE A 1
ASISTENTE DE PLANTA 4 MANTENIMIENTO 1
CONT ABILIDAD
1
AUXILIAR DE CONDUCTOR AUXILIAR DE AUXILIAR MECANICO JEFE OFICIOS ELECTRICISTA INSTRUMENTISTA AUXILIAR DE
CON TAB. 1 MENSAJERO OPERACIÓN 4 LABORATORIO 3 VARIOS 1 1 1 ALMACÉN 1
1 1
DIGITADOR OPERARIO DEL VIGIA DE
1 FUNDIDOR 4 SEGURIDAD 4 AYUDANTES DE OFICOS VARIOS 2 JARDINERO 1 SERVICIO DE ASEO
Y CAFETERIA 228
• Planos del quemador de azufre
• Planos de tubería enchaquetada de azufre
• Planos de la torre de absorción intermedia
• Planos de la torre de absorción final
• Planos de la tubería de óleum
• Planos de la tubería de agua de la torre de enfriamiento
• Planos del precalentador desaireador
• Planos de la torre barredora y la botabomba
• Planos del tanque de bombeo
• Planos de la torre de secado
• Planos caldera uno y dos
• Planos de la planta física
• Planos del convertidor catalítico
• Planos del economizador supercalentador
En los Anexo I y II se presentan los diagramas de flujo de:
• General de proceso.
• Diagrama de procesos sin equipos de servicios generales en donde se
especificaron los componentes involucrados en cada corriente.
3.1.3 Toma de datos de los equipos de proceso
Las variables se clasificaron de acuerdo a la documentación así: disponibilidad de
manera directa e indirecta, o no disponibles. Las variables directas son las que
están registradas en los documentos y las indirectas son aquellas que no están
registradas pero que pueden calcularse a partir de correlaciones y/o ecuaciones.
También se asigno un código a cada variable para facilitar el manejo de ellas,
presentado en el Anexo III.29
El objetivo de la clasificación de las variables es determinar cuáles de ellas son
necesarias para la realización de los balances de materia y energía, así como
también indicar que variables no registradas deben medirse.
Los registros de la empresa a los que se hacen referencia son:
- Sistema de registro de datos: SRD
Es una base de datos en donde se registran los datos tomados en las planillas
diariamente. Estas variables en su mayoría son medidas con instrumentos que
reportan la señal al cuarto de control. Las variables principalmente son
temperaturas del proceso.
- Manual de mantenimiento: MM
Corresponde al manual de cada equipo y en éste se encuentran consignados
datos teóricos y de funcionamiento.
- Planos: P
En los planos de los equipos se encuentran valores reportados valores nominales,
dimensiones y materiales de fabricación, así como balances de materia en
algunos casos.
- Manual de diseño: MD
Este manual contiene los datos para los que fue diseñado cada equipo por la
firma fabricante, además de dimensiones y materiales de construcción.
La anterior clasificación se presenta en el Anexo III.
Posteriormente las variables se expresaron porcentualmente de acuerdo a la
disponibilidad de las mismas. La tabla 1 contiene tal clasificación y ponderación.30
A : Variable medida en la planta
B : Variable que puede calcularse a partir de otros datos
C : Variable no disponible
Tabla 1. Porcentaje de variables, según su disponibilidad.
No Nomenclatura Equipo % A % B % C
1 TBS Turbo soplador 64.71 23.53 11.76
2 FA Fundidor de azufre 50.00 37.50 12.50
3 QA Quemador de Azufre 61.54 30.77 7.69
4 C1 Caldera 1 70.00 10.00 20.00
5 C2 Caldera 2 75.86 10.35 13.79
6 PD Precalentador Desaireador 46.15 46.15 7.70
7 FGC Filtro Gases Calientes 71.43 28.57 0.00
8 CC Convertidor
8.1 R1P Reactor 1 Paso 44.44 55.56 0.00
8.2 R2P Reactor 2 Paso 44.44 55.56 0.00
8.3 R3P Reactor 3 Paso 55.56 44.44 0.00
8.4 R4P Reactor 4 Paso 44.44 55.56 0.00
9 IC Intercambiador Caliente 78.79 18.18 3.03
10 IF Intercambiador Frío 75.76 18.18 6.06
11 TBR Torre Barredora 58.33 33.33 8.34
12 TS Torre de Secado 50.00 50.00 0.00
13 TAI Torre Absorción Intermedia 66.67 26.67 6.66
14 TAF Torre Absorción Final 64.29 35.71 0.00
15 ES Economizador Supercalentador
15.1 Coraza 50.00 50.00 0.00
15.2 Economizador 71.42 14.29 14.29
15.2 Supercalentador 66.67 0.00 33.3331
16 TBB Turbo bomba 64.28 21.43 14.29
17 TEF Torre de enfriamiento 66.67 28.89 4.44
17.1 ETBR Enfriador Torre Barredora 50.00 50.00 0.00
17.2 ETS Enfriador Torre de Secado 85.72 14.28 0.00
17.3 EP Enfriador ácido Producto 60.00 30.00 10.00
17.4 ETAI Enfriador TAI 57.14 42.86 0.00
17.5 ETAF Enfriador TAF 71.43 28.57 0.00
18 TD Tanque de bombeo 71.43 23.81 4.76
19 D Domo de vapor 75.00 0.00 25.00
3.1.4 Revisión de documentos.
Las fuentes de energía utilizadas son:
ACPM: en los arranques de la planta
AZUFRE: corresponde a la materia prima
ENERGÍA ELÉCTRICA.
El periodo considerado en la revisión es superior al último año puesto que es más
representativo tomar un lapso entre las dos ultimas paradas generales de
mantenimiento de la planta debido al consumo de combustible que se requiere
para el arranque de la misma. Por consiguiente el periodo considerado es entre
Junio de 2001 y Marzo de 2003 (20 meses). La información disponible se
encuentra en el Anexo V.
Las facturas se inspeccionaron en los archivos de comprobantes de contabilidad de
la empresa.32
3.2 Análisis de la información
Se procede al análisis de la información recolectada en el ítem 3.1, con el objeto
de realizar un diagnóstico general del uso de la energía, de acuerdo a los
siguientes aspectos:
3.2.1 Balance energético con datos nominales y reales.
De acuerdo con la ley de la conservación de la materia se realizaron los balances
elementales de materia molares, así:
Moles Salen = Moles Entran
Y tomando como base de cálculo:1 hora
La nomenclatura empleada es la siguiente:
N j = Flujo molar total en Kgmol de la corriente j.
N j = Flujo molar en Kgmol del componente i en la corriente j.
i
X j = Fracción molar del componente i en la corriente j.
i
Balance de Energía
Partiendo de la ecuación general 3:
Q = 0 = S HP + S D H0 -S HR [1]
RXN
En donde:
S HP = Sumatoria de energía de productos
S D H0 = Calor normal de reacción
RXN
S HR = Sumatoria de energía de reactivos
3 Valencia,B.H. Balances de Energía, Vol. 2 Pág 204.33
• Cálculo del S D H0
RXN
P R
D H0 = (cid:229) n *D H0 - (cid:229) n *D H0
RXN i fpi i fRi
i=1 i=1
El primer término del lado derecho de la ecuación es la suma de los calores de
formación de los productos de la ecuación de reacción multiplicado por el número
de moles de cada uno, valores que son conocidos en función de la velocidad de
reacción.
El segundo término es la sumatoria del número de moles de los reactivos
multiplicado por su calor de formación normal.
• Cálculo de S HP
Es la sumatoria del producto de las moles por la entalpía de cada producto.
• Cálculo de S HR
Es la sumatoria del producto de las moles por la entalpía de cada reactivo.
La solución de los balances se encuentra en el Anexo VI. A continuación, en las
Tablas 2 y 3 se presentan los resúmenes del balance de materia experimental y
teórico, el número de corriente es identificado fácilmente en el diagrama de
transferencia de materia y energía mostrado en el Anexo II.34
Tabla 2. RESUMEN DEL BALANCE DE MATERIA EXPERIMENTAL
Corriente Componente Kgmol/h Kg/h m3/h
2 O 94.8833 3036.2656
2
N 356.8510 9991.8280
2
H O 14.9816 269.6688
2
Total 466.7159 13297.7624
3 O 94.8591 3035.4919
2
N 356.8510 9991.8280
2
Total 451.7101 13227.3199
4 = 5 = 6 SO 43.6352 2792.6528
2
O 51.2239 1639.1648
2
N 356.8510 9991.8280
2
Total 451.7101 14423.6456
7 = 8 SO 27.0498 2163.9840
3
SO 16.8564 1061.5296
2
O 37.6990 1206.3680
2
N 356.8510 9991.8280
2
Total 438.1862 14423.7096
9 = 10 SO 35.0809 2806.4720
3
SO 8.5543 547.4752
2
O 33.6835 1077.8720
2
N 356.8510 9991.8280
2
Total 434.1697 14423.6472
11 = 12 = 13 SO 38.9414 3115.3120
3
SO 4.6938 300.4232
2
O 30.5968 979.0976
2
N 360.3015 10088.4420
2
Total 434.6135 14483.2748
14 = 15 =16 SO 8.5319 682.5520
3
SO 4.1845 267.8080
2
O 27.2767 872.8544
2
N 321.2758 8995.7224
2
Total 361.2689 10818.9368
17 = 18 SO 12.4403 995.2240
3
SO 0.2569 16.4416
2
O 26.4943 847.8176
2
N 330.0201 9240.5628
2
Total 369.2116 11100.0460
19 SO 0.0061 0.4880
3
SO 0.2569 16.4416
235
Corriente Componente Kgmol/h Kg/h m3/h
O 26.4943 847.8176
2
N 330.0201 9240.5628
2
Total 356.7774 10105.3100
27 H O 27.1851 489.3318
2
52 H SO 3252.5194 318746.9012
2 4
H O 297.1034 5347.8612
2
Total 3549.6228 324094.7624 178.1719
53 = 96 H SO 2649.6472 259665.4256
2 4
H O 242.0337 4356.6066
2
Total 2891.6809 263022.3220 144.5972
54 = 97 H SO 602.8722 59081.4756
2 4
H O 55.0697 991.2546
2
Total 657.9419 60072.7302 33.0251
55 H SO 602.8722 59081.4756
2 4
H O 70.0513 1260.9234
2
Total 672.9235 60342.3990 33.1734
56 = 94 H SO 774.5990 75910.7020
2 4
H O 70.7562 1273.6116
2
Total 845.3552 77184.3136 42.4323
57 H SO 735.9616 72124.2368
2 4
H O 67.2269 1210.0842
2
Total 803.1885 73334.3210 40.3153
59 H SO 762.1456 74690.2688
2 4
H O 41.0429 738.7722
2
Total 803.1885 75429.0410 41.4673
60 = 62 H SO 38.6373 3786.4554
2 4
H O 3.5296 63.5328
2
Total 42.1667 3849.9882 2.1165
63 H SO 2662.0814 260883.9772
2 4
H O 229.5995 4132.7910
2
Total 2891.6809 265016.7682 145.6937
67 S 43.6352 1396.3264
83 = 85 SO 36.6010 2324.4640
2
O 42.9664 1374.9248
2
N 299.3248 8381.0944
2
Total 378.8922 12080.4832
84 SO 7.0342 450.1888
2
O 8.2575 264.2400
2
N 57.5262 1610.7336
2
Total 72.8179 2325.1624
86 SO 10.6649 853.1920
336
Corriente Componente Kgmol/h Kg/h m3/h
SO 6.5510 419.2640
2
O 14.8651 475.6832
2
N 140.7693 3941.5404
2
Total 172.8503 5689.6796
87 = 88 SO 16.3712 1309.6960
3
SO 10.0562 643.5968
2
O 22.8189 730.2048
2
N 216.0896 6050.5088
2
Total 265.3359 8734.0064
90 SO 34.7158 2777.2640
3
SO 4.1845 267.8080
2
O 27.2767 872.8544
2
N 321.2758 8995.7224
2
Total 387.4528 12913.6488
91 SO 4.2256 338.0480
3
SO 0.5093 32.5952
2
O 0.3201 106.2432
2
N 39.1057 1094.9596
2
Total 47.1607 1571.8460
Tabla 3. RESUMEN DEL BALANCE DE MATERIA TEÓRICO
Corriente Componente Kgmol/h Kg/h m3/h
2 O 90.3028 2889.6896
2
N 340.9427 9546.3956
2
H O 81.0406 1458.7308
2
Total 455.9102 13894.8160
3 O 90.3028 2889.6896
2
N 340.9427 9546.3956
2
Total 431.2455 12436.0852
4 = 5 = 6 SO 43.2108 2765.4912
2
O 47.0920 1506.9440
2
N 340.9427 9546.3956
2
Total 431.2455 13818.8308
7 = 8 SO 26.4662 2117.2960
3
SO 16.7446 1071.6544
2
O 33.8589 1083.4848
2
N 340.9427 9546.3956
2
Total 418.0124 13818.8308
9 = 10 SO 38.5693 3085.5450
337
Corriente Componente Kgmol/h Kg/h m3/h
SO 4.6415 297.0560
2
O 27.8074 889.8368
2
N 340.9427 9546.3956
2
Total 411.9609 13818.8324
11 = 12 = 13 SO 41.4496 3315.9680
3
SO 1.7612 112.7168
2
O 26.2951 841.4432
2
N 340.0751 9522.1028
2
Total 409.5810 13792.2308
14 = 15 =16 SO 0 0
3
SO 1.6070 102.8480
2
O 23.9922 767.7504
2
N 310.4260 8691.9128
2
Total 336.0252 9562.5112
17 = 18 SO 1.4753 118.0240
3
SO 0.1317 8.4288
2
O 23.2546 744.1472
2
N 310.4260 8691.9128
2
Total 335.2876 9562.5128
19 SO 0 0
3
SO 0.0373 2.3872
2
O 23.2795 744.9440
2
N 311.1587 8712.4436
2
Total 334.4755 9459.7748
27 H O 18.0104 324.1872
2
52 H SO 1232.3633 120771.6034
2 4
H O 102.8082 1850.5476
2
Total 1335.1715 122622.1510 66.8022
53 = 96 H SO 556.5851 54545.3398
2 4
H O 46.4323 835.7814
2
Total 603.0174 55381.1212 31.8000
54 = 97 H SO 675.7782 66226.2670
2 4
H O 56.3759 1014.7662
2
Total 732.1541 67241.0298 38.6000
55 H SO 675.7782 66226.2670
2 4
H O 81.0406 1458.7308
2
Total 756.8188 67684.9978 38.9523
56 = 94 H SO 1311.4484 128521.9432
2 4
H O 109.4058 1969.3044
2
Total 1420.8542 130491.2476 71.0192
57 H SO 1272.0593 124661.8114
2 438
Corriente Componente Kgmol/h Kg/h m3/h
H O 106.1198 1910.1564
2
Total 1378.1791 126571.9678 72.6780
59 H SO 1309.8787 128368.1126
2 4
H O 68.3004 1229.4072
2
Total 1378.1791 129597.5198 70.6023
60 = 62 H SO 39.3891 3860.1318
2 4
H O 3.2860 59.1480
2
Total 42.6751 3919.2798 2.1589
63 H SO 558.1548 54699.1704
2 4
H O 44.8326 806.9868
2
Total 602.9874 55506.1572 30.2387
67 S 43.2108 1382.7456
83 = 85 SO 39.7058 2541.1712
2
O 43.2722 1384.7104
2
N 313.2873 8772.0444
2
Total 396.2653 12697.9260
84 SO 3.5050 224.3200
2
O 3.8198 122.2336
2
N 27.6555 774.3540
2
Total 34.9803 1120.9076
86 SO 3.0728 245.8240
3
SO 1.9466 124.5824
2
O 3.9320 125.8240
2
N 39.5918 1108.5704
2
Total 48.5432 1604.8008
87 = 88 SO 23.3874 1870.9920
3
SO 14.8157 948.2048
2
O 29.9270 957.6640
2
N 301.3391 8437.4948
2
Total 369.4692 12214.3556
90 SO 37.8194 3025.5520
3
SO 1.6070 102.8480
2
O 23.9922 767.7504
2
N 310.2912 8688.1536
2
Total 373.7098 12584.3040
91 SO 3.6302 290.4160
3
SO 0.1542 9.8688
2
O 2.3029 73.6928
2
N 29.7839 833.9492
2
Total 35.8712 1207.926839
3.2.1.1 Comparación del balance de energía
Los calores calculados para cada equipo, a partir del balance de energía tanto
experimental como teórico, se presentan en la tabla 4. Las condiciones de cálculo
se muestran en el anexo VI.
Tabla 4. Calores teóricos(Q ) Vs. Experimentales (Q )
T E
Equipo Q (Kcal/h) SHP(Kcal) SHR(Kcal.) Q (Kcal/h) SHP(Kcal) SHR(Kcal)
T E
Q -3764.16 3239326.05 177716.06 -76160.13 3202307.81 182986.84
T S -276965.14 1664501.08 1344597.77 -125593.73 1365746.64 1168846.58
R1P -20392.39 1892852.19 1282041.32 0 2021173.02 1386856.02
FGC 0 1282041.32 1282041.32 -17784.14 1418867.46 1436651.60
R2P 1147.18 1632083.22 1342277.10 0 1797135.18 1608806.86
R3P -2861.52 1425368.82 1359535.19 -1024.81 1609712.28 1520208.370
TAI -722346.07 2833339.96 2733275.98 0 2411031.925 1881885.5390
R4P -35185.91 1005369.95 9725777.73 -1263.3462 1202694.2194 1111855.3456
TAF -262174.62 1316057.66 1513001.07 3080690.3620 7588854.402 6751068.1410
TD -368877.84 6930629.64 7230217.87 26554.7716 11420196.950 11031805.7300
IC -37832.55 2333614.51 2371447.06 -15540.8834 2755303.905 2739764.1780
IF --------- --------- --------- --------- --------- ---------
TBr -32190.63 1702058.73 1734249.36 --------- --------- ---------
ES -76264.49 4576068.99 4652333.48 --------- --------- ---------
CYD -20467.00 5619090.11 5639557.11 --------- --------- --------
C1 --------- --------- --------- --------- --------- ---------
C2 --------- --------- --------- --------- --------- ---------
FA --------- --------- --------- --------- --------- ---------
PD 0 602604.50 602604.50 --------- -------- --------40
ETAI --------- --------- --------- --------- --------- ---------
ETAF --------- --------- --------- --------- --------- ---------
ETS --------- --------- --------- --------- --------- ---------
Los equipos donde los espacios no tienen valores, significan que el balance de
energía no se pudo realizar debido a la ausencia de información. A partir de la
información disponible, se realizaron cálculos energéticos, para tener una
apreciación del comportamiento de éstos equipos. Tales resultados se muestran en
la Tabla 5.
Tabla 5. Cálculos energéticos de equipos
Equipo Q (Kcal/h) SHP(Kcal) SHR(Kcal.) Q (Kcal/h) SHP(Kcal) SHR(Kcal)
T E
ES -613930.12 391439.84 1005369.95 -730664.88 483859.02 1214523.89
C1 -2022838.48 963860.16 2986698.64 -1765656.14 920423.89 2686080.02
C2 -578024.83 1095022.25 1673047.08 -412477.33 813686.04 1226163.36
FA 222416.17 --------- ---------- 349492.91 --------- ---------
E TAI -1101507.38 --------- ---------- -466517.28 --------- ----------
E TAF -481961.09 --------- ---------- -1544680.12 --------- ----------
ETS -736054.87 --------- ---------- -649429.04 --------- ----------
3.2.1.2 Porcentaje de calor cedido por los equipos
Para todos los equipos se presenta a continuación en la Tabla 6, el porcentaje de
calor cedido con respecto a la entalpía de productos. La comparación del calor
cedido a la atmósfera se realizó con respecto a la entalpía de productos debido a
que esta corriente lleva consigo el calor que se produce en los diferentes equipos
de proceso debido al contacto de reactivos.41
Tabla 6. Porcentaje de calor cedido a la atmósfera
Equipo % de Calor teórico % de Calor experimental
Q 0.12 2.38
T S 16.64 9.20
R1P 1.08 0
FGC 0 1.25
R2P 0.07 0
R3P 0.20 0.064
TAI 25.50 0
R4P 3.50 0.11
TAF 19.92 40.60
TD 5.32 0.23
IC 1.62 0.56
IF ----- -----
TBr 1.89 -----
ES 1.67 -----
CYD 0.36 -----
C1 ----- -----
C2 ----- -----
FA ----- -----
PD 0 -----
ETAI ----- -----
ETAF ----- -----
ETS ----- ----42
3.2.1.3 Comparación de la transferencia de calor de los enfriadores de
ácido
Las tablas 7 y 8, contienen los resultados de los cálculos de transferencia de calor
en los enfriadores de ácido, tanto para las condiciones de diseño como para las
condiciones actuales de operación de la planta, respectivamente.
Tabla 7. Transferencia de calor de diseño.
Enfriador Q’ agua Q’ ácido Q U U R
C D D
TAI 110.3153 72.678 4371134.570 325.7195 73.4315 0.01055
TAF 48.2681 31.800 1912576.170 229.1272 77.1012 0.00963
TS 77.7739 38.600 3081714.527 315.0812 74.6282 0.01023
Tabla 8. Transferencia de calor condiciones actuales.
Enfriador Q’ agua Q’ ácido Q U U R
C D D
TAI 46.6528 40.3157 1850077.148 325.7195 29.9832 0.0303
TAF 154.4715 144.5972 6125737.944 299.1272 235.5854 0.0009
TS 64.9444 33.0251 2575440.724 315.0812 62.2122 0.0129
Q’ = Caudales, m3/h
Q = Calor cedido por el ácido, BTU/ h
U = Coeficiente global de transferencia de calor, BTU/ h pie2 °F
C
U = Coeficiente de diseño de transferencia de calor, BTU/ h pie2 °F
D
R = Factor de obstrucción, adimensional
D
En la Tabla 9, se presentan tales valores respecto a 1 tonelada de ácido sulfúrico
producto, para realizar las comparaciones.43
Tabla 9. Calores referidos a una tonelada de ácido sulfúrico.
Equipo Q (Kcal/Ton*h) Q (Kcal/Ton*h)
T E
Quemador -913.01 -19781.85
R1P -4946.25 0
R2P 278.25 0
R3P -694.07 -266.19
R4P -8534.47 -328.14
TD -89472.65 6897.34
IC -9176.42 -4036.59
TBr -7807.95 --------
ES -18498.52 --------
CYD -4964.35 --------
Para el caso específico de las torres, se presentan los resultados en la Tabla 10,
debido a que se realizaron cálculos a diferentes temperaturas.
Tabla 10. Calores en las torres referidos a una tonelada de ácido
sulfúrico
Equipo T salida ácido Q (Kcal/Ton*h) T salida ácido Q (Kcal/Ton*h)
T E
TS T máx = 90ºC -3560.83
T mín = 70ºC -143519.30
T exper = 81°C -67178.89 Texper = 81ºC -32621.75
T adiab = 90.5ºC 0.17
TAI T máx = 100ºC 84160.66 --------
T mín = 80ºC -175207.64 T exper = 96ºC 044
T adiab = 93.6ºC -0.07 --------
TAF T máx = 100ºC 50039.43 --------
T mín = 80ºC -63591.40 T exper = 97ºC 800179.32
T adiab = 91.4ºC 0.002 --------
Con la información disponible se realizaron cálculos energéticos en función de la
producción. Tales resultados se muestran en la Tabla 11.
Tabla 11. Calores para algunos equipos, referidos a 1 tonelada de ácido
sulfúrico.
Equipo Q (Kcal/Ton*h) Q (Kcal/Ton*h)
T E
C1 -490646.76 -458611.98
C2 -140202.01 -107136.97
ES -148910.96 -189783.09
ETAI -267174.59 -121173.32
ETAF -116901.40 -401215.62
ETS -178532.76 -168682.87
FA 53984.506 81829.29
3.2.1.4 Cálculo del calor perdido por radiación en los equipos sin
aislamiento térmico
El calculo del calor de radiación se hace con base en la temperatura de superficie y
la temperatura ambiente.
El calor cedido a la atmósfera por radiación, está dado por 4:
4 Incropera. F. P, DeWitt D. P. fundamentos de Transferencia de Calor.199645
( )
Q = e *A *s * T4 - T4 [2]
S alr
En donde:
e = Emisividad del material
A = Área del equipo, m2
s = Constante de Stefan Boltzmann = 5.67E-8 W/m2K4
T = Temperatura de superficie, K
S
T = Temperatura de los alrededores, K
alr
El área para las torres es:
A = 2*P * r2 +2*P *r*h
Mientras que para los ductos es:
A = P *D*L
En la Tabla 12 se presentan las características de cada equipo y de acuerdo a
éstas, el calor cedido a la atmósfera por radiación (Q ).
R
Tabla 12. Calores perdidos por Radiación
Equipo Altura Diámetro Radio T T e Área Q
S alr R
(m) (m) (m) (K) (K) (m2) Kcal/h
TBr 7 1.80 0.90 319.15 300.15 0.13 44.67 639.44
TAI 12.96 1.91 0.96 320.15 300.15 0.13 83.68 1267.19
TAF 13.53 1.91 0.96 323.15 300.15 0.13 90.77 1604.28
TS 12.50 1.91 0.96 319.15 300.15 0.13 80.92 1158.31
Q 3 2.96 1.48 383.15 303.15 0.13 41.64 3458.76
Ducto ES-TAF 5 1.10 0.55 403.15 300.15 0.13 17.28 2330.70
Ducto IF-TBr 2.5 1.10 0.55 395.15 300.15 0.13 8.64 890.5846
3.2.2 CONSUMO ESPECÍFICO ANUAL DE ENERGÍA REFERIDO A LA
UNIDAD DE PRODUCTO FINAL.
De acuerdo con las tablas 10, 11 y 12 el principal equipo consumidor de energía es
el fundidor, pues los demás equipos son productores de calor por reacciones
exotérmicas y por diluciones del ácido.
Como se muestra en los cálculos posteriores hay dos equipos más donde hay
consumo de vapor, estos son el turbo soplador y la turbo bomba.
Relacionando los consumos con la producción, se determinan los consumos
específicos de energía (energía por Tonelada de ácido producto), y está dado por
la siguiente formula 5:
Energía _Consumida
e = [3]
p
Ton_de_Acido_Producto
Los equipos se clasifican de acuerdo al tipo de energía térmica que consumen,
para nuestro caso en especial, las turbinas consumen vapor a 250 psig. y el
fundidor de azufre consume vapor a 100 psig.
Para el fundidor el consumo específico teórico y experimental de energía son. Ver
Anexo VI:
Consumo experimental
e = 81829.29 Kcal/h por ton de ácido producto
PE
Consumo teórico
e = 53984.506Kcal / h * ton ácido
PT
5 Villada, J.H. Auditoria Energética Térmica. Pág.2547
En donde e está referido a las condiciones experimentales incluyendo el
PE
resultado obtenido en la medición de condensados y e está referido a las
PT
condiciones teóricas reportadas en los planos. (Ver Anexo VI).
El Consumo específico de energía en el turbo soplador es calculado de acuerdo a
su potencia, así:
Para las condiciones de diseño;
La potencia de diseño del equipo reportada en las especificaciones del motor es
304HP.
P= 304 HP = 226.69 KJ/s =194920.72 Kcal / h
Ton de ácido producto = 4.12 ton/ h
e = 47310.89 Kcal /h por ton de ácido producto
PT
El consumo específico teórico (e ), calculado a partir de las condiciones de los
PT1
balances de materia es:
Flujo de aire = 455.9102Kgmol/h
Aire de entrada P = 641.27 mmHg = 0.845Bar
T = 32ºC
h = 48.9664 Kcal/Kgmol
1
Aire de salida P = 279.97mmHg = 0.373Bar
T = 74ºC
h = 343.9648 Kcal/Kgmol
2
W = 455.9102Kgmol/h * (343.9648 – 48.9664)Kcal/Kgmol = 134492.78Kcal/h
W = 209.76HP
Ton de ácido producto = 4.12Ton/h
e = 32643.88Kcal/h por Ton de ácido producto
PT148
Para los datos experimentales presentados en el Anexo VI;
Flujo de aire = 466.7159Kgmol/h
Aire de entrada P = 663mmHg = 0.897Bar
T = 27ºC
h = 13.9904 Kcal/Kgmol
1
Aire de salida P = 215.30mmHg = 0.29Bar
T = 58ºC
h = 291.2416 Kcal/Kgmol
2
W = 129397.5433Kcal/h = 201.81HP
Ton de ácido producto = 4.27 ton/ h
e = 30303.87 Kcal /h por ton de ácido producto
PE
Turbo bomba:
Para las condiciones de diseño;
P = 15 HP = 11.19 KJ/s = 9621.67 Kcal / h
Ton de ácido producto = 4.12 ton/ h
e = 2333.77 Kcal/h por ton de ácido producto
PT
Para los datos experimentales;
La potencia se calcula mediante la siguiente ecuación 6:
(P2- P1)* peso_específico*Q
W =
n
f
En donde:
W = Potencia, lbf*pie/seg
P2 = Presión de salida, 588.786pieH O
2
P1 = Presión de entrada, 15.47pieH O
2
Q = Caudal, 3.74E-2pie3/seg
6 Instructivo de Operación de Equipos de la Planta, IBC49
n = Eficiencia, 0.4 adimensional
f
Peso específico = peso específico del agua, 62.4lbf/pie3
W = 3343.46 lbf*pie/seg = 4533.74W = 6.07 HP =3898.32 Kcal / h
Ton de ácido producto = 4.27 ton/ h
e = 912.95 Kcal/h por ton de ácido producto
PE
A partir de los cálculos anteriores se obtiene el consumo específico total teórico, e
y experimental e , así:
PTT PTE
Consumo especifico total experimental o real.
e = 81829.29 + 30303.87 + 912.95 = 113046.11Kcal/h por ton de ácido
PTE
producto.
Consumo especifico total teórico.
e = 53984.506 + 32643.88 + 2333.77 = 88962.156 Kcal/h por ton de ácido
PTT
producto.
3.2.3 ÍNDICE DE INTENSIDAD DE ENERGÍA (IIE).
Para determinar el IIE se considero el consumo real de energía de la planta y el
consumo estándar de energía.
El índice de intensidad de energía, es la relación entre el consumo real de energía
de una planta y el consumo que debería tener teóricamente 7:
Consumo _Real_de_Energía _(C.R.E)
IIE = *100 [4]
Consumo _Estandar_de_Energía _(C.E.E)
7 Folleto de ECOPETROL: “Ahorro de Energía” Barrancabermeja. 1996, T 0omado de Villada, J.H.
Auditoria Energética Térmica. Pág.29. Universidad Nacional de Colombia50
En la planta del proceso de Industrias Básicas de Caldas S.A. hay consumo de
energía eléctrica y de vapor. Para el cálculo del consumo real y estándar se debe
calcular primero el consumo de energía en MBtu/ d de cada uno de los equipos
consumidores, así:
3.2.3.1 Equipos consumidores de energía eléctrica
Entre los equipos consumidores de energía eléctrica se encuentran las bombas y
compresores, referenciados en la tabla 13, en donde se reporta el consumo teórico
y experimental en vatios (W). Para los equipos consumidores de energía eléctrica
se tienen un factor de conversión de 13440 Btu / KW / h 8.
Para calcular los vatios consumidos en los equipos eléctricos se utilizó la siguiente
ecuación9:
P = 3*V *I*cosq
en donde:
P: Potencia por fase, W.
V: Voltaje por fase, V.
I: Corriente por fase, A.
cosq : Factor de Potencia, asumido 0.88 10
Tabla 13. Características de los equipos eléctricos.
Equipo V A A HP W W
T E T E
Bomba de ácido a TAI 440 25.5 21.8 20 17101.6 14620.2
Bomba de ácido a TS y TAF 440 25.5 21.6 20 17101.6 14486.0
Bomba bocatoma 440 16 14.8 12 10730.4 9925.6
8 Villada, J.H. Auditoria Energética Térmica. Pág.30. Universidad Nacional de Colombia
9 González, J. A. Circuitos eléctricos. Universidad del Valle. Pág. 318. Cali. 1991.
10 factor asumido como el factor de carga manejado en Manizales Caldas.51
Equipo V A A HP W W
T E T E
Bomba de azufre 440 4.4 3.5 3 2950.9 2347.3
Bomba de despachos 440 7.2 Apagada 5 4828.7 -------
Bomba de químicos 220 1 1.1 0.5 335.3 368.9
Bomba reforzadora (ablandad.) 220 8 6.1 5 2682.6 2045.5
Bomba tanque bajo 1 440 12 Apagada 9 8047.8 -------
Bomba tanque alto2 440 10.5 10.2 6.6 7041.8 6840.6
Bomba TBr 1 440 19 10.6 12 12742.4 7108.9
Bomba TBr 2 440 13.5 Apagada 10 9053.8 -------
Bomba Torre enfriamiento 440 31 16.7 24 20790.2 11199.9
Motobomba alimentación calderas 440 18.6 ------- 15 12474.1 ------
Bomba ACPM 220 3.8 Apagada 0.5 1274.2 -------
Bomba auxiliar aceite soplador 220 3.7 Apagada 1.5 1240.7 -------
Compresor 1 440 15.9 12.4 12 10663.3 8316.1
Compresor 2 440 12.2 Apagado 9 8181.9 -------
Compresor PTARD 220 5.5 5.7 3.6 1844.3 1911.4
Soplador auxiliar 440 60 Apagado 48 40239.0 -------
En donde,
V = Voltaje
A = Amperaje teórico
T
A = Amperaje experimental
E
HP = Caballos de potencia
W = Vatios teóricos
T
W = Vatios experimentales
E
A continuación se indica la conversión a MBtu/ d, del número de vatios de la
bomba de ácido a la torre de absorción intermedia. Igualmente se realizan los52
cálculos para el resto de equipos consumidores de energía eléctrica, y se reportan
en la Tabla 14.
W = 17101.6 W/h=17.10 KW/h
T
Multiplicado por el factor =229845.50 Btu /h =5516292.10 Btu /d =5.52 Mbtu /d
Tabla 14. Consumo teórico y experimental de energía eléctrica.
Equipo C. T. E. E.(MBtu/d) C. E. E. E.(MBtu/d)
Bomba de ácido a TAI 5.52 4.72
Bomba de ácido a TS y TAF 5.52 4.67
Bomba bocatoma 3.46 3.20
Bomba de azufre 0.95 0.76
Bomba de despachos 1.56 -------
Bomba de químicos 0.11 0.12
Bomba reforzadora (ablandad.) 0.87 0.66
Bomba tanque bajo 1 2.60 ------
Bomba tanque alto2 2.27 2.21
Bomba TBr 1 4.11 2.29
Bomba TBr 2 2.92 ------
Bomba Torre enfriamiento 6.71 3.61
Motobomba alimentación calderas 4.02 ------
Bomba ACPM 0.41 ------
Bomba auxiliar aceite soplador 0.40 ------
Compresor 1 3.44 2.68
Compresor 2 2.64 ------
Compresor PTARD 0.59 0.62
Soplador auxiliar 12.98 -----53
En donde :
C.T.E.E= Consumo Teórico de Energía Eléctrica calculado con base en las
especificaciones del equipo.
C.E.E.E = Consumo Experimental de energía Eléctrica.
Nota: sería importante medir la potencia utilizada en el proceso.
Para poder hacer la comparación entre el consumo real y el teórico, se tienen en
cuenta sólo los equipos que están funcionando experimentalmente.
Consumo estándar o teórico de energía eléctrica = 33.55 MBtu /d
Consumo real o experimental de energía eléctrica = 25.54 MBtu /d
3.2.3.2 Consumo en Turbinas de vapor
Para las turbinas de vapor se realizaron cálculos para obtener el consumo de
energía por día (MBtu /d), así:
Turbo bomba
Para las condiciones de diseño;
P = 15 HP = 11.19 KJ/s = 9621.67 Kcal / h
Consumo teórico de la turbo bomba = 0.9164MBtu/d
Para los datos experimentales;
W = 4533.74W = 6.07 HP =3898.32 Kcal / h = 4.534KJ/seg
Consumo experimental = 0.371MBtu/d
Turbo soplador
Para las condiciones de diseño;
W = 209.76HP54
Consumo teórico = 12.809MBtu/d
Para los datos experimentales presentados en el Anexo VI;
W = 129397.5433Kcal/h = 201.81HP
Consumo experimental : 12.324MBtu/d
3.2.3.3 Consumo de vapor en el fundidor:
Condiciones teóricas
Factor Vapor de 100 psig.11 =968 Btu/ Lb
m = 450 Kg/h = 992.07 Lb/h (Masa de vapor reportada en los planos)
V
Consumo teórico = 960323.76 Btu /h = 23.05MBtu/d
Condiciones Reales
Factor Vapor de 100 psig.12 =968 Btu/ Lb
m = 707.4 Kg/h =1559.54 Lb/h (Masa de los condensados)
V
Consumo real = 1509634.47 Btu /h =36.23MBtu/d
El consumo real de energía total
• Energía Eléctrica 25.54
• Turbo bomba 0.371
• Turbo soplador 12.34
• Fundidor 36.23
Total (MBtu/d) 74.48
Total (MBtu/ d* ton ácido) 17.44
11 Villada, J.H. Auditoria Energética Térmica. Universidad Nacional de Colombia. Pág.30
12 Villada, J.H. Auditoria Energética Térmica. Universidad Nacional de Colombia. Pág.3055
El consumo estándar de energía total
• Energía Eléctrica 33.550
• Turbo bomba 0.9164
• Turbo soplador 12.809
• Fundidor 23.050
Total (MBtu/ d) 70.325
Total (MBtu/ d* ton ácido) 17.069
El índice de intensidad de energía es:
IIE 105.91
IIE(referido a 1 ton de ácido) 102.17
3.2.4 DIAGNÓSTICO
De acuerdo a los métodos de análisis energético la evaluación general del uso de
la energía en la empresa evidencia que los equipos que requieren mayor atención
desde el punto de vista de los consumos de energía térmica, son el tanque
fundidor de azufre y la turbo bomba.
Generalmente, se puede decir que áreas grandes de consumo de energía, como lo
es el fundidor pueden ofrecer mayores potenciales de ahorro energético, ya que
inciden de mayor manera en el consumo específico real.56
CAPÍTULO IV
AUDITORÍA DETALLADA
Este análisis no es tan estandarizado como en la auditoria preliminar de la planta
ya que tiene que diseñarse diferentemente para cada sistema a analizarse.
4.1 Diagrama de distribución de energía
Basado en la contribución de las fuentes y tipos de energía utilizada en las
distintas áreas de consumo, y por último las pérdidas de energía en equipos de
conversión energética.
La figura 4 muestra la distribución energética en la planta de Industrias Básicas de
Caldas S.A.
4.2 Desglose por centros o unidades consumidoras.
Este desglose de efectúa mediante los balances generales y el diagrama de
distribución de energía, facilitando así el análisis de pérdidas de energía y la
determinación de las soluciones para el ahorro.
Los equipos consumidores de energía térmica en el proceso productivo son el
turbo soplador, la turbo bomba, el precalentador - desaireador y el fundidor de
azufre.57
De acuerdo a los balances energéticos, las unidades que tienen mayor consumo de
vapor son el fundidor y la turbo bomba. Para el caso de la turbo bomba, el gasto
de vapor experimental no se encuentra muy alejado de las condiciones de diseño;
mientras que el fundidor tiene un consumo experimental considerablemente
elevado con respecto a su comportamiento teórico.
4.3 Definición de las variables a medir.
Esta definición se basó en la clasificación de las variables presentada en el Anexo
II, que eran necesarias para desarrollar completamente los balances energéticos y
de masa.
• Las variables a medir más importantes para obtener resultados reales
respecto al consumo y producción de vapor son los flujos de vapor. Debido a
la ausencia de tales flujos, se determinó realizar mediciones de caudales de
condensado para compararlos con el consumo teórico.
• Debido a que en el análisis de energía térmica el sistema de distribución de
vapor juega un papel relevante, se propuso hacer una revisión del
funcionamiento de las trampas de vapor.
• Concentraciones del ácido sulfúrico a la salida de las torres.
• Concentraciones de los gases en los pasos del convertidor catalítico.
• Temperaturas de superficie de los equipos sin aislamiento.58
FIG. 4. DIAGRAMA DE FLUJO DE ENERGÍA
DIESEL
ILUMINACIÓN QUEMADOR MÁQ. DE PRODUCC.
ELECTRICIDAD
ILUMINACIÓN MAQ. DE PRODUCC. BOMBAS COMPRESORES A. ACONDICIONADO
VAPOR
TURBO BOMBA TURBO SOPLADOR FUNDIDOR59
• También se definió medir las temperaturas de la entrada del intercambiador
de calor frío lado coraza, entrada y salida del intercambiador de calor
caliente lado tubos, entrada de aire al quemador de azufre y salida gases de
la torre de absorción final. Estas mediciones con el fin de realizar los
balances combinados de materia y energía como alternativa para la falta de
flujos de gases y de ácido.
• A causa de la descalibración de los rotámetros de ácido, se sugirió medir los
caudales del ácido a la entrada de las torres.
4.4 Toma de datos en la planta.
• Los resultados de las mediciones de condensado se presentan a
continuación:
Totales = 822.6Kg/h
Enchaquetado de la tubería d azufre = 32.04Kg/h
Serpentines del fundidor de azufre = 707.4Kg/h
Turbinas = 83.16Kg/h
• Las concentraciones medidas del ácido se presentan en el diagrama de
balance de materia y energía, en las figuras 1 y 2.
• Las mediciones de las concentraciones de los gases en los pasos del reactor
no se ejecutaron debido a la ausencia de los equipos y a su elevado costo de
adquisición.
• Para determinar la cantidad de calor perdida por radiación a la atmósfera, se
midió la temperatura superficial en equipos que lo requirieran con un60
termómetro infrarrojo, marca Raytec con rango de trabajo entre –18°C y
400°C.
• La instalación de los termopozos para la medición de las temperaturas
solicitadas, no fue llevada a cabo por inconvenientes presentados
relacionados con la estructura de los equipos y por la toxicidad de los gases.
4.5 ANÁLISIS DE PROBLEMAS Y POSIBLES SOLUCIONES
Este análisis se realizó siguiendo las pautas del Manual de Uso Racional de
Energía13 y considerando las recomendaciones hechas por la firma de Spirax
Sarco14:
4.5.1 Combustión
En el proceso productivo, la combustión se realiza mediante la oxidación del azufre
líquido al entrar en contacto directo con oxigeno; obteniendo un alto
desprendimiento de calor. Esta reacción se da en un equipo denominado
quemador de azufre, que se comporta como un horno, con la excepción, de que
no posee la chimenea convencional que tienen los equipos en donde se da la
combustión. Las paredes están compuestas por ladrillos de arcilla refractaria, una
pequeña capa de cemento aislante y un recubrimiento de acero al carbono.
Además cuenta con un vestíbulo por donde se inyecta el azufre liquido por
atomización, y un cheker que aumenta el área de contacto entre el azufre y el aire.
13 Guías para el Uso Racional de Energía por Procesos en la Industria. ANDI, EEPP de Medellín, UPB.
Medellín 1997.
14 Informe Spirax Sarco. Survey para vapor. 2003.61
La combustión de IBC S.A. tiene un comportamiento aproximado a condiciones
adiabáticas, pues como se aprecia en los resultados presentados en la Tabla 4, la
energía desprendida no se pierde hacia los alrededores y solamente está destinada
a elevar la temperatura de los productos de la combustión.15
El poder calorífico superior HHV (PCS) y el poder calorífico inferior LHV (PCI) del
azufre es el mismo debido a que no se presenta agua de combustión, teniendo un
valor de39.83 Btu / lb.16
Los usos del proceso de combustión se ven reflejados en la generación de calor en
forma de vapor que es utilizado en los serpentines del fundidor de azufre y en la
generación de movimiento en las turbinas de vapor para impulsar aire y agua en el
turbo soplador y la turbo bomba respectivamente. La eficiencia de la combustión
en el primer caso puede ser hasta del 100%, de acuerdo con la primera ley de la
termodinámica, mientras que para el caso del movimiento esta limitado a la
segunda ley y típicamente tienen una eficiencia menor del 40%.
De acuerdo con las tablas 4 y 12, se afirma que el calor cedido a la atmósfera en
el quemador se presenta mediante el fenómeno de radiación, pues aunque este
equipo no se encuentra totalmente aislado , los ladrillos refractarios constituyen
una clase especial de aislante térmico, estos son precisamente utilizados para
calderas, generadores de vapor y hornos, equipos que manejen temperaturas
mayores a 1600°F (872°C).
El exceso de aire que se presenta en la planta es cercano al 120%, el proceso no
se ve perjudicado, pues en las etapas posteriores la cantidad de oxígeno puede ser
utilizado en los pasos del convertidor. A continuación se presentan los resultados
obtenidos en el cálculo del exceso de aire tanto experimental como teórico:
15 Guías para el Uso Racional de Energía por Procesos en la Industria. ANDI, EEPP de Medellín, UPB.
Medellín 1997, Pág.88.
16 Ídem. Pág.90.62
El porcentaje de exceso de aire se calcula mediante la siguiente ecuación17:
Aire_ proporcionado - Aire_teórico
%_Exceso_de_ Aire= *100 [6]
Aire_teórico
Condiciones experimentales:
Aire proporcionado: 451.71 Kgmol
Cantidad de azufre: 43.6352 Kgmol
Oxigeno teórico: 43.6352 Kgmol
Aire teórico:207.79 Kgmol
Reemplazando en la ecuación [6], se tiene:
% exceso:117.39
Condiciones teóricas:
Aire proporcionado: 431.25 Kgmol
Cantidad de azufre: 43.2108 Kgmol
Oxigeno teórico: 43.2108 Kgmol
Aire teórico:205.7700 Kgmol
Reemplazando en la ecuación [6], se tiene:
% exceso: 109.58
En la figura 5 se muestra el comportamiento de las concentraciones de SO y O
2 2
con respecto al exceso de aire en la combustión. En la planta se manejan las
concentraciones de SO dentro del rango de 9.1 y 9.7% en peso, que las
2
representan los puntos rojos en la gráfica.
17 Reklaitis , G.V. Balances de Materia y Energía. 1989, Pág.216.63
25
Conc. SO2
Conc. O2
20
2O
,2OS
15 ed
nóicartnecnoC
10
5
0
0 20 40 60 80 100 120 140
Exceso de aire (%)
FIG. 5. Comportamiento de las concentraciones de SO y O con
2 2
respecto al exceso de aire en la combustión.
4.5.2 Generadores de vapor
El sistema generador de vapor está conformado por dos calderas y un domo
común de vapor. En las calderas se transfiere calor, producto de la combustión del
azufre, transformando el agua en vapor, mediante la absorción de energía en
forma de calor sensible. El domo tiene como función almacenar el agua que
proviene del economizador y el vapor producido por las dos calderas, obteniéndose
así un equilibrio líquido vapor.
La caldera 1 enfría los gases procedentes del quemador (T= 900°C),hasta alcanzar
una temperatura de 300°C – 320°C, produciendo vapor de 250 psig.
Análogamente la caldera 2 enfría los gases de salida del reactor primer paso del
convertidor catalítico (T= 590°C – 620°C) hasta una temperatura de 400°C –
420°C.64
En industrias Básicas de Caldas las calderas son de una presión de 250 psig =1821
KPa, según la clasificación de las calderas de acuerdo con la presión de trabajo 18,
se encuentran entre el rango de baja presión 105 a 4150 KPa, aunque estas
presiones son considerables. Estos generadores son calderas pirotubulares en
donde se produce el vapor, circulando el gas caliente a través de los tubos ,
sumergidos en agua.
La eficiencia total de las calderas (Energía bruta que sale / Energía que entra), no
fue posible calcularla ya que se carece de información acerca de flujos de vapor y
agua de alimentación a calderas.
Focos de pérdidas
Entre los focos de pérdidas que se presentan en las calderas de IBC se encuentran
los siguientes aspectos:
Purgas en las calderas
La purga se realiza tres veces al día y de forma inconstante, cada una tiene una
duración entre 10 y 15 segundos dependiendo de los análisis de residuales del
laboratorio que se le aplican al agua de las calderas. Los parámetros de purgas en
IBC se muestran en la Tabla 15.19
18 Guías para el Uso Racional de Energía por Procesos en la Industria. ANDI, EEPP de Medellín, UPB.
Medellín 1997, Pág.127.
19 Tabla de registros de datos de IBC.65
Tabla 15. Parámetros de purgas de calderas.
Características Tolerancia Unidades
PH 10.5 – 11.5 Unidades de PH
Alcalinidad P (Fenolftaleína) 300 – 400 ppm CaCO
3
Alcalinidad OH 200 – 300 ppm CaCO
3
Alcalinidad M (Anaranjado de metilo) 400 – 500 ppm CaCO
3
Dureza total 0 - 2 ppm CaCO
3
Sulfitos 20 - 50 ppm Na SO
2 3
Fosfáto residual 5 - 10 ppm de fosfato
Polímero acondicionador de dureza 3 - 12 ppm polímero
Silicatos 0 - 150 ppm SiO
2
Sólidos totales 500 - 2500 ppm sólidos
Cloruros 0 – 500 Ppm NaCl
Número de concentraciones 5 - 10 Veces
De acuerdo con las observaciones dadas por Spirax Sarco 20:
s Éstas purgas controlan los SDT hasta un máximo de 2500ppm.
s La purga de fondo de la caldera 2, se encuentra cancelada.
s Las purgas de fondo de las calderas 1 y 2 descargan a un mismo colector.
s No existe enfriador para la toma de muestras de agua en las calderas. Las
muestras de agua en cada caldera deben hacerse por la parte superior. Se
sugiere el uso de un enfriador toma muestra para evitar su concentración por
efecto de la revaporización y además para entregarla a una temperatura
uniforme cercana a los 25°C, ideal para los análisis.
20 Informe Spirax Sarco. Survey para vapor. 200366
Las calderas tienen purgas manuales de superficie y de fondo. Dada la relación
que estas purgas tienen con la calidad del vapor es importante hacer algunas
consideraciones al respecto. Además, si la concentración de SDT aumenta en
exceso, puede presentarse un arrastre de agua en el vapor. Este arrastre puede
causar daños en el sistema de vapor y condensado como el golpe de ariete,
corrosión e incrustaciones sobre la superficie de calentamiento.
Para solucionar el problema de las purgas, se determinó el caudal de purga de las
calderas21. Para determinar el nivel de purga en las calderas se necesitó conocer la
concentración de SDT en el agua de alimentación, el nivel de concentración de
SDT que se quiere mantener y la capacidad de generación de la caldera.
La tasa de purga para una caldera esta dada por la relación:
F
*S [7]
B- F
En donde:
F = SDT en el agua de alimentación.
B = SDT recomendados.
S = capacidad máxima de generación de vapor de la caldera.
Los controles de purga que trabajan bajo el principio de medir la conductividad
controlan la concentración de SDT. Sin embargo, en algunos casos, el agua puede
traer en solución sales que puedan alcanzar niveles críticos antes que los SDT
lleguen al límite permitido. Para prevenir los problemas que pueden acarrear estas
sales, su concentración debe ser limitada por las purgas.
21 Informe Spirax Sarco. Survey para vapor. 200367
La recomendación sobre concentraciones máximas de alcalinidad, sílice, sólidos
suspendidos y sólidos disueltos totales que da la American Boilers and Affiliated
Industries Manufacturers Association para calderas que generan vapor hasta 300
psig se detalla en la tabla siguiente 22:
Tipo de sólido Concentración, mg/l
Alcalinidad 700
Sílice 125 – 140
Sólidos suspendidos 300 – 400
Sólidos disueltos totales 3000 – 3200
Se llama ciclo de concentración a cada repetición de la secuencia por la cual los
sólidos del agua de make-up se acumulan en el agua de la caldera. El número de
ciclos de concentración es una medida de la concentración de sólidos
originalmente presentes en el agua de make-up. Por ejemplo, una caldera que
opere a diez ciclos de concentración contendrá diez veces la concentración de
sólidos presente en el agua de reposición.
Con el fin de determinar la cantidad requerida de purga es necesario examinar los
resultados del análisis químico del agua de alimentación y luego compararlos con
la máxima concentración permisible de acuerdo a la tabla anterior. De esta
comparación se pueden determinar el número máximo de ciclos de concentración.
Estos se calculan para cada una de las categoría de la tabla, dividiendo los valores
dados en ella por la cantidad de categoría (sílice, SS, SDT) que resultan del análisis
y recalcular los valores de acuerdo a esto.
Para el caso de IBC, las dos calderas piro tubulares operan a 250 psig con una
capacidad de generación de vapor máxima de 12000 lb/h y mínima de 6000 lb/h.
22 Informe Spirax Sarco. Survey para vapor. 200368
El análisis físico químico del agua arrojó los siguiente resultados:
Muestra Agua de alimentación a calderas Agua suavizada Condensado Calderas
Conductividad 1000 m S/cm 700 m S/cm 20 m S/cm 7800 m S/cm
SDT 500 ppm 450 ppm 10 ppm 3900 ppm
Nota : Los SDT del agua de la caldera se encontraban por encima del valor
recomendado por el fabricante (2500 ppm).
Aplicando la formula de la tasa de purga y considerando la máxima cantidad de
vapor en lb/h que las calderas pueden generar a carga completa, se calcula las
purgas que deberían practicarse de acuerdo a las condiciones de operación
existentes en el momento de las tomas de las muestras23.
Capacidad (S) lb/h Alimentación (F) ppm SDT Caldera (B) ppm SDT Purga (P) ppm SDT
12000 500 2500 3000
Esta tasa de purga disminuirá a medida que se utilice el condensado en la
alimentación de agua a las calderas. En efecto, un condensado de buena calidad,
tal como el de IBC, tiene conductividad de 20m S/cm (10 ppm)24 por lo que la
concentración de sólidos en la alimentación de agua disminuirá proporcionalmente
a la cantidad de condensado que se utilice.
La lectura de 500 ppm en el agua de alimentación de la caldera es elevada, si se
considera el tratamiento de agua externo que se realiza antes de introducirla a la
caldera. Esto demuestra que la recuperación de condensados es poca.
23 Informe Spirax Sarco. Survey para vapor. 2003
24 Ídem.69
Control de los SDT
El control de sólidos es la principal razón por la que se recomienda la instalación de
un control automático de SDT25.
Las principales ventajas de estos sistemas son:
§ Mantener los SDT cercanos al máximo permisible, minimizando las pérdidas
de calor y los costos de tratamiento químico.
§ Prevenir una concentración alta de SDT que podría ser la causa de un vapor
húmedo y sucio, o de incrustaciones en las superficies de calentamiento y
bloqueo en las trampas de vapor.
§ Ayudar a mantener la caldera limpia y sin incrustaciones, asegurando
condiciones predecibles en el agua que faciliten su tratamiento.
§ Hacer efectivas estas ventajas con el mínimo de atención personal.
§ Mantener una adecuada transferencia de Calor.
El uso de un sistema automático de purga de superficie mantiene los SDT dentro
del rango recomendado por el fabricante. Los ahorro obtenidos para una caldera
operando a 250 psig son del 0.25% de combustible por cada 1% de purga
ahorrada26. Aunque esto para la empresa puede ser relevante, lo más atractivo es
tener una mejor calidad del vapor y mantener los niveles de SDT dentro del rango
para evitar la sedimentación dentro de la caldera.
4.5.3 Aislantes térmicos
El aislamiento térmico es usado para evitar las pérdidas de calor hacia los
alrededores en equipos como calderas, hornos, etc.. Su adecuada implementación
25 Informe Spirax Sarco. Survey para vapor. 2003
26 idem.70
conduce a la conservación de recursos energéticos. El objetivo principal se resume
en los siguientes aspectos 27 :
• Evitar perdidas de energía por transferencia de calor en equipos de proceso,
redes de tuberías, ductos, hornos y calderas. Para el caso específico de IBC
se podría sugerir el aislamiento de los ductos que van del economizador
calentador hasta la Torre de absorción final y desde el interfrío hasta la Torre
barredora. Aunque esa perdida de calor no afecte las condiciones del proceso
por conocimientos de salud ocupacional deberían estar aislarlos, pues la
temperatura ambiente puede llegar a ser insoportable causando una baja
eficiencia en el trabajo de los operarios de planta.
• Conservar las condiciones fisicoquímicas de los fluidos que circulan en las
redes del proceso.
• Comodidad y protección de operarios y equipos. En lo que respecta a la
planta, se deberían instalar ventiladores en las instalaciones de la planta,
pues por tratarse de un proceso tan exotérmico, el aumento de la
temperatura del aire puede provocar en los operarios un gran debilitamiento.
En industrias básicas de Caldas se usa como aislante térmico la fibra de vidrio y
externamente una lámina de aluminio, para equipos como las calderas, los ductos
del sistema de distribución de vapor y de gases calientes, los intercambiadores de
calor y el filtro de gases. Se debe mantener un buen control del estado de los
aislamientos, ya que es necesario que este se mantenga seco y que no se
comprima, debido a que su efectividad esta relacionada con pequeños espacios
vacíos en su interior, que le dan las características de mal conductor de calor.
Se propone hacer un mantenimiento adecuado del aislamiento en las tuberías y
aislar los ductos que no se encuentran aislados.
27 Guías para el Uso Racional de Energía por Procesos en la Industria. ANDI, EEPP de Medellín, UPB.
Medellín 1997, Pág.141.71
4.5.4 Sistemas de control
Actualmente en la planta se tiene un PLC utilizado para indicación y registro, no
hay control automatizo de ninguna clase, es decir no se puede apagar o prender
bombas o cerrar y abrir válvulas desde el cuarto de control, a no ser que en poco
tiempo quieran hacer un inversión grande.
Se tiene una estación manual de carga. Es una válvula neumática para controlar el
aire que entra al proceso por medio del turbo soplador. Además posee un control
del caudal de agua de dilución que también funciona con una válvula neumática,
para controlar la concentración del ácido en el tanque de dilución.
Se tiene un flotador para mantener el nivel en el domo común de vapor en un
50%, entonces si el nivel del domo se baja o su sube, inmediatamente se acciona
el sistema neumático para dar mayor o menor apertura de la válvula de agua de
alimentación a las calderas.
El problema más grande que se ve en la planta es la situación de las purgas de las
calderas, sería interesante que adecuaran un control automático en las calderas,
así disminuirían las perdidas de calor por purgas de fondos y continuas.
4.5.5 Sistema de distribución de vapor.
El sistema de distribución de vapor es la unión del generador de vapor y los
equipos de proceso. En industrias básicas de Caldas se solicitó hacer un estudio
del sistema de vapor llamado Survey para vapor, por las estudiantes de ingeniería
química junto con el jefe de mantenimiento, pues en la planta no se cuenta con los
equipos disponibles para realizar este estudio. Los resultados obtenidos para el
sistema de distribución de vapor, además del acondicionamiento y las
observaciones hechas en conjunto fueron:72
Antes de dar los resultados se presenta una información general proporcionada por
Spirax Sarco 28 :
Puntos de drenaje
Las ventajas resultantes de una correcta elección del tipo de trampa para cada
aplicación se puede perder si el condensado no encuentra fácilmente su camino
hasta la trampa. Por esta razón, se debe estudiar con cuidado el punto de drenaje.
Consideremos lo que sucede al condensado en una tubería de distribución de
vapor cuando en una parada dejan de llegar vapor y condensado. Obviamente, el
condensado que queda se acumulará en los puntos bajos del sistema. Por lo tanto,
estos puntos bajos deben estar equipados con las trampas.
Sin embargo, la cantidad de condensado que se forma en una tubería de
distribución, importante en los periodos de arranque, es suficiente para aconsejar
la colocación de puntos de drenaje a intervalos de no más de 50 metros. En
operación normal , el vapor fluye por la tubería de distribución a velocidades de
hasta 145 Km/h arrastrando el condensado.
La figura 6, muestra un bolsillo colector que facilitará la recolección de los
condensados. Este pozo de goteo o bolsillo es tan importante en el sistema de
drenaje como la propia trampa.
Para tuberías hasta tamaños de 4 pulgadas, el diámetro del bolsillo colector es
igual al diámetro de la tubería. Para diámetros de tuberías mayores de 4 pulgadas
se utiliza un bolsillo colector con uno o dos diámetros mas pequeño al diámetro de
la tubería. La altura del bolsillo colector será de 0.30 metros para arranques
supervisados y 0.6 metros para arranques automáticos. En la figura 6 se presenta
una estación de trampeo en línea para el drenaje de condensados.
28 Informe Spirax Sarco. Survey para vapor. 200373
Fig. 6 Estación de trampeo en línea
Golpe de ariete y sus efectos
El golpe de ariete se produce cuando el condensado en lugar de ser empujado a
los puntos bajos del sistema, es arrastrado por el vapor a lo largo de la tubería,
produciendo una evaporación súbita que puede romper empaques, soldaduras,
bridas entre otras.
Las gotitas de condensado acumuladas a lo largo de la tubería, como se muestra
en la figura 7, con el tiempo forman una bolsa de agua que será arrastrada por la
tubería a la velocidad del vapor. Estas velocidades pueden ser de 30 Km/h o más.
Esta bolsa de agua es densa e incomprensible, y cuando viaja a una velocidad
elevada tiene una energía cinética considerable.
Cuando se obstruya su paso a causa de un codo, la energía cinética se convierte
en el golpe de presión aplicada contra el obstáculo. Normalmente se produce un
ruido de golpe, que puede ir acompañado del movimiento de la tubería. En casos
serios los accesorios pueden incluso romperse con un efecto casi explosivo o
también puede desajustar bridas creando continuas pérdidas de vapor.74
Fig. 7 formación del golpe de ariete
Las fuentes mas comunes de problemas de golpe de ariete suelen estar en los
puntos bajos de la tubería, tales como tuberías descolgadas, reducciones
concéntricas, filtros mal instalados y purga inadecuada de las tuberías de vapor.
Para prevenir el golpe de ariete, las tuberías de vapor deben tener una inclinación
en el sentido del flujo de vapor que facilite el drenaje de los condensados hasta los
puntos de trampeo localizados en intervalos regulares.
Separadores de condensado
Las calderas modernas tienen una gran capacidad comparada con su tamaño y hay
que tener mucho cuidado para evitar situaciones de excesiva sobrecarga. Un
incorrecto tratamiento del agua de alimentación y picos de consumo pueden
provocar el arrastre de agua hacia las tuberías de distribución. El vapor húmedo
contiene menos entalpía de evaporación que el vapor saturado seco a la misma
presión y reduce la eficiencia del proceso o del equipo de calefacción. Por esta
razón, se deben tomar medidas para garantizar el mayor titulo posible (fracción
seca) del vapor generado.75
Si bien los drenajes en la línea eliminaran todo condensado que se forme en la
tubería, no podrán eliminar las gotitas de humedad arrastradas por el propio
vapor.
La solución mas simple a este problema es la instalación de un separador de gotas,
del que se muestra un modelo típico en la Figura 8. Una pantalla central obliga al
vapor a cambiar de dirección y a adquirir un movimiento circular. El vapor seco
puede pasar sin dificultad pero las gotas de agua, mas pesadas, se recogen en el
punto de drenaje inferior. Una trampa adecuada elimina el agua separada junto
con el condensado que pudiese haber en este tramo de tubería de distribución.
La fuente mas común de vapor húmedo es el arrastre desde la caldera y por esta
razón se debe instalar un separador inmediatamente a la salida de la misma.
También es deseable instalar separadores antes de cualquier equipo que requiera
vapor seco para su funcionamiento.
Filtros
Cuando se instala una tubería nueva, habitualmente queda en su interior trozos de
soldadura, empaquetaduras, juntas e incluso tornillos y tuercas utilizadas durante76
el montaje. En tuberías viejas hay depósitos de oxido y carbonatos que se pueden
desprender y circular a lo largo de la tubería de vapor. Esto no representaría
ningún problema si esta suciedad se drenase libremente, pero en la práctica queda
acumulada en la trampa impidiendo el cierre de su válvula y causando pérdidas de
vapor a altas velocidades pasando a través de su válvula parcialmente abierta. Una
ves que se ha producido este desgaste, la válvula no vuelve a cerrar
completamente aunque se elimine su suciedad.
Se recomienda instalar un filtro antes de cualquier trampa, medidor de vapor,
válvula reguladora de presión o temperatura.
Las trampas con filtro incorporado evitan la necesidad de instalar dos elementos
separados en la línea. Las ventajas de esta disposición son tales que un número
importante de modelos de trampas llevan filtro incorporado.
Fig. 9 Filtro para vapor
Las secciones inspeccionadas fueron:
4.5.6.1 Caldera y Sistema de agua de alimentación a caldera
Características del sistema77
Caldera
Tipo Pirotubular
Generación máxima de vapor 5455 Kg/h
Generación mínima de vapor 2727 Kg/h
Presión de diseño 300 psig
Presión de vapor 250 psig
Temperatura del vapor saturado 207°C
Tiempo de operación 8640 h/año
SDT recomendados por el fabricante 2500 ppm
SDT leídos 3900 ppm
Agua de alimentación a caldera
Temperatura 100°C
% recuperación de condensado -estimado- 10%
Presión del tanque 5 psig
Concentración de SDT del agua de alimentación 500 ppm
Temperatura del condensado 85°C
Concentración de SDT en el condensado 10 ppm
Problemas encontrados en el sistema
Salida de vapor de las calderas
Observaciones:
• No hay distribuidor de vapor o separador de humedad en la salida del domo.
• Válvula de seguridad sin bolsillo de drenaje en la descarga.
4.5.6.2 Distribución de vapor78
Observaciones:
• La línea de vapor hacia Stepan es la única que cuenta con una placa de
orificio después de la VRP (válvula reductora de presión marca Armstrong).
250/100psig., calculada para un flujo de 800 lb/h.
• En el sistema de distribución no se tienen válvulas de venteo de aire.
• Se deben instalar bolsillos colectores de condensados con suficiente
capacidad y trampas termodinámicas (de 1/2plg TD42L), para el drenaje de
los condensados. Ver especificaciones de la trampa. Anexo VII.
4.5.6.3 Trampas de vapor
El trabajo de la trampa de vapor es eliminar el condensado, aire y otros gases no
condensables de las redes principales de vapor y equipos que trabajen con vapor,
tan rápido como sea posible. La trampa debe proporcionar una pérdida de vapor
mínima, vida larga y confiable, resistencia a la corrosión, venteo de aire y
operación en contrapresión. 29
En total se revisaron 21 trampas para vapor distribuidas en las distintas secciones
de las planta, de la siguiente manera:
Sección # de trampas Con recuperación de condensado
Calderas 4 2
Fundidor de azufre 16 16
Quemador 1 0
29 Guías para el Uso Racional de Energía por Procesos en la Industria. ANDI, EEPP de Medellín, UPB.
Medellín 1997, Pág.182-183.79
En la tubería de vapor hacia el economizador y desaireador se localizaron dos
trampas con fuga de vapor. También se encontraron trampas con problemas de
anegamiento y fuga en el tanque fundidor.
Algunas trampas requieren ser reemplazadas por modelos más adecuados para la
aplicación, otras, requieren reemplazar sus internos debido a que no tienen los
correspondientes para las presiones de vapor trabajadas. Tal como ocurre con las
trampas balde invertido B1H-75 que son trampas para 75 psig de presión y se
trabaja con una presión de 100 psig.
Es importante que toda estación de trampeo involucre todos los accesorios como
válvulas de aislamiento, filtro y cheque visor para obtener un mejor rendimiento.
Se debe realizar mantenimiento a las trampas como mínimo una vez por año. En el
Anexo VII se muestran los purgadores con fallo en Industrias básicas de Caldas30.
Figura 10. Purgadores con fallo
Industrias básicas de Caldas S.A.31
30 Informe Spirax Sarco. Survey para vapor. 2003
31 idem.80
Figura 11. Purgadores con fallo por ubicación
Figura 12. purgadores con fallo por aplicación.81
Selección de la trampa adecuada
La selección de la trampa depende de la manera en que se opere el tanque
fundidor. Si la temperatura del liquido (azufre) desea mantenerse a una
temperatura constante y se utiliza un control automático de temperatura en la
entrada de vapor, se debe seleccionar una trampa para descargas estables a la
temperatura de vapor.
Si por el contrario existen fluctuaciones de carga constante debido a que el
proceso recibe producto frío o se hacen tandas de calentamiento, las alternativas
de trampas serian de tipo termodinámico y balde invertido. Estos modelos son
aptos también cuando se presentan problemas de golpe de ariete. La trampa
termodinámica es muy útil cuando las condiciones son bastante corrosivas, debido
a que son fabricadas en acero inoxidable.
Las trampas balde invertido serie B1H-125 (para presiones de trabajo de 125
psig.) para el tanque fundidor que opera con vapor de 100psig., pueden llegar a
presentar problemas de deterioro en el cuerpo que es de hierro fundido- debido a
lo corrosivo del ambiente.
Las trampas termodinámicas son la primera opción de trampeo del tanque
fundidor. Se pueden disponer de modelos TD42H (alta capacidad) ó TD42L (baja
capacidad). Ver hoja técnica en el Anexo VII. Se vuelve a reincidir en el
comentario sobre el problema de anegamiento que se está presentando en los
serpentines. Este se debe principalmente a la falta de un diseño de tubo sifón al
cual nos referimos anteriormente. También la alta contrapresión afecta la descarga
de las trampas.
Implementando el sistema tubo-sifón se mejora en la extracción de los
condensados y se disminuye el desgaste prematuro –sobre todo- en trampas82
termodinámicas que pueden llegar hacer disparos en falso disminuyendo su tiempo
de vida útil.
4.5.6.4 Tanque fundidor
Capacidad 125 toneladas
Observaciones:
• Problemas de anegamiento y escape en las trampas para vapor.
• Trampas localizadas por encima de los puntos de drenaje.
• Trampas balde invertido B1H-75 bloqueadas.
• Trampas para vapor termodinámicas con ciclos rápidos de descarga.
• Algunas trampas termodinámicas no tienen filtro.
• Instalación inadecuada de colector de condensado.
ALTERNATIVA PARA MEJORAR EL MANEJO DE VAPOR EN EL FUNDIDOR
De acuerdo a los resultados de los balances de materia y energía y a la revisión de
las líneas de distribución de vapor realizada por Spirax Sarco, se propuso la
instalación de un sistema de tubo sifón para retorno de condensados en los
serpentines del fundidor, ya que además de la contrapresión, es muy probable una
alta caída de presión por lo extenso del serpentín y por su anegamiento parcial
debido al mal drenaje de los condensados.
Diseño de tubo sifón para la extracción de condensados.
El drenaje de los condensados del tanque fundidor requiere de un diseño especial
en la instalación para poder hacer una efectiva extracción de estos.
Normalmente las trampas para vapor se localizan en la parte inferior de los
equipos donde el condensado llega por gravedad y es extraído a través de ellas.83
En el caso del tanque fundidor, las trampas están 1.80m por encima del punto más
bajo del serpentín, lo que hace inevitable que el condensado quede represado en
él.
En este caso, los serpentines del tanque fundidor son verticales, de diámetro 1.1/2
pulgadas. Y tiene una serie de pasos que van desde la parte superior hasta el
punto más bajo en el fondo del tanque donde se reduce a 1 pulgada. Para luego
subir a la trampa.
El ascenso del condensado a la trampa debe hacerse utilizando un tubo- sifón. El
condensado se acumula en la parte más baja del sifón y crea un sello de agua lo
que impide el paso de vapor vivo a la trampa que pudiera bloquearla o retardar su
apertura.
Un tubo diámetro pequeño – preferiblemente del mismo diámetro de la trampa-se
inserta dentro del tubo del serpentín hasta el punto mas bajo del codo sifón. Este
tubo de menor diámetro facilita la elevación del condensado y limita el paso de
burbujas de vapor hasta la trampa.
El anterior diseño de tubo-sifón es la mejor forma de extraer los condensados. Sin
embargo, debe evitarse someter la descarga de las trampas a contrapresiones
elevadas, porque esto afectaría su rendimiento y el del tanque fundidor.
La mayoría de las trampas pueden ser instaladas en el punto superior del tubo
pequeño siempre que se disponga del tubo-sifón. Si se utiliza una trampa balde
invertido, se debe instalar una válvula de retención o choque, a la entrada, para
evitar que el sello de agua en la trampa se pierda a través de la tubería de
diámetro pequeño.
4.5.6.5 Sistema de condensados
Recuperación de condensado84
Si el vapor es usado a 7 bar, el condensado contiene aproximadamente el 25% del
calor usado al generar el vapor. Si el condensado no es recuperado la eficiencia en
la utilidad del vapor será entonces un poco menos al 75 %32.
El condensado es comúnmente devuelto a la caldera. Resulta interesante instalar
bombas de retorno, pero si su capacidad es insuficiente para absorber las cargas
iniciales, entonces el condensado se pierde o se estanca.
El gran problema de las bombas eléctricas es la cavitación. No es difícil encontrar
bombas funcionando mientras el condensado desborda al sifón. Las bombas son
incapaces de impulsar el condensado caliente que se revaporiza a la entrada de las
mismas. El resultado es una bomba ruidosa funcionando continuamente
impulsando poco o nada de condensado.
Fig. 13 Bomba de retorno de condensados operada con vapor33
Si la descarga al sifón es inevitable, se puede extraerse al menos parte de su calor.
32 Informe Spirax Sarco. Survey para vapor. 2003
33 Informe Spirax Sarco. Survey para vapor. 200385
Observaciones:
• Las trampas se anegan cuando se conectan a la tubería de retorno.
• Alta contrapresión en la descarga y caída de presión en los serpentines por
posible sobre dimensionamiento.
Recomendaciones:
• Algunas trampas termodinámicas no tienen filtro. La suciedad en la tubería y
la falta de filtros hacen que las trampas termodinámicas fallen y pierdan
vapor. Los filtros deben llevar instalada una válvula para hacer limpieza de
las mallas cuando se presenten problemas por taponamiento34.
• Las trampas operan mejor cuando tienen menos resistencia en la descarga.
Si la resistencia o contrapresión aumenta, entonces la capacidad de descarga
de la trampa disminuye35.
El listado de materiales mostrado en el Anexo VIII contiene los productos
propuestos para un mejor manejo y uso del vapor, buscando obtener el máximo
rendimiento de los procesos36.
4.5.7 Sistema de aire comprimido
El aire comprimido es de vital importancia para un correcto funcionamiento en los
sistemas neumáticos, de control y electromecánicos, los cuales requieren
condiciones especiales del aire para su adecuada operación.
34 Informe Spirax Sarco. Survey para vapor. 2003
35 Idem.
36 Idem.86
En el caso particular de IBC S.A. hay dos compresores centrífugos de dos etapas y
no se encontró ninguna clase de fuga. Las pérdidas por fugas varían desde un 5 a
10% en instalaciones bien mantenidas, y hasta un 30% o incluso en un 50% en
instalaciones descuidadas.37
El aire comprimido, como se dijo anteriormente se utiliza para el movimiento de las
válvulas neumáticas de la estación manual de carga y en el control de agua de
dilución del proceso.
4.5.8 Sistema de bombeo.
En un alto porcentaje de procesos a nivel industrial está involucrado el transporte
de un fluido de un lugar a otro. Para realizar este trabajo se hace indispensable la
implementación de un sistema de bombeo que aporte la energía requerida para
producir el desplazamiento.38
El sistema de bombeo de industrias básicas de caldas, cuenta con quince bombas,
las cuales son dos centrífugas de ocho etapas, una de pistón y el resto centrífugas.
Este sistema se encuentra con una eficiencia de manejo y mantenimiento
adecuado, pues posee en cada lugar de ubicación, una bomba auxiliar.
4.5.9 Sistema de aguas de enfriamiento
Las especificaciones del agua de enfriamiento varían ampliamente con las
diferentes clases de agua para distintos usos industriales. La única especificación
37 Guías para el Uso Racional de Energía por Procesos en la Industria. ANDI, EE PP de Medellín,
UPB. Medellín 1997, Pág.196.
38 Guías para el Uso Racional de Energía por Procesos en la Industria. ANDI, EE PP de Medellín,
UPB. Medellín 1997, Pág.233.87
general es que el agua no debe formar depósitos aislantes de calor y no debe ser
extremadamente corrosiva bajo las condiciones de trabajo.39
En IBC según la especificación no tiene un buen manejo del agua de enfriamiento
debido a que los serpentines en determinado tiempo llegan a tener un fuerte
ensuciamiento, formando incrustaciones, las cuales aíslan el calor y por lo tanto
disminuye la eficiencia del equipo. Además las canaletas de distribución de agua
en la torre de enfriamiento deben repartir de una forma más eficiente el agua, ya
que como se muestra en la figura 13 , hay parte de los serpentines de la torre ,
que no quedan sumergidos en el flujo de agua de enfriamiento, haciendo la torre
menos eficiente.
Figura 14. Serpentines sin contacto con agua de enfriamiento.
39 Ídem. Pág.251.88
ANÁLISIS DE DATOS Y RESULTADOS
- Los caudales de ácido reportados en la planilla no son datos confiables ya
que los rotámetros no están correctamente calibrados. Esta situación pudo
verificarse al comienzo de la realización de los balances de materia, donde
se emplearon tales valores como punto de partida para conocer los demás
flujos y composiciones. Los resultados encontrados fueron erróneos debido
a que arrojaron flujos negativos y/o composiciones mayores a 1.
El rango de confiabilidad de los rotámetros en mención es muy bajo, por
que los flujos varían entre – 5m3/h.
- El caudal de agua de dilución es un valor que se registra en la planilla de
datos diariamente cada ocho horas y en las condiciones actuales de
medición no presenta ningún beneficio para el proceso, pues el rotámetro
empleado tampoco está en condiciones óptimas. Por tal motivo, al igual que
en el caso anterior, al utilizar este caudal como un valor conocido en el
balance de materia, los resultados no fueron congruentes.
- En general los resultados obtenidos en el balance de materia a partir de los
datos seleccionados como punto de partida, son a nuestro criterio
satisfactorios, pues se observa un comportamiento coherente y los
porcentajes de error se mantienen dentro de un rango de 1 a 3%. Dicho
rango es muy bajo tratándose de un proceso de tal magnitud, es decir,
hasta donde pudo avanzarse en los balances de materia se demuestra que89
la planta tiene una buena eficiencia desde el punto de vista de conservación
de la masa (materia prima y producto).
- Como se mencionó en algunos cálculos de porcentajes de error, unas
posibles causas de estos son el grado de precisión del instrumento que
reporta la señal de la medición y el error visual humano en los casos de
instrumentos que no poseen sensor para reportar la señal.
- De acuerdo a los porcentajes presentados en la Tabla 1, es posible hacer un
primer acercamiento referente a los puntos críticos del proceso; estos son:
Fundidor de azufre, caldera 1, caldera 2, economizador, supercalentador,
turbo bomba y domo de vapor.
- En la tabla 4, se aprecia que el calor perdido teóricamente en el quemador,
es bajo respecto a la entalpía de la corriente de productos.
Porcentualmente, este calor es el 0.12% del calor contenido en la corriente
de productos. Aunque de esta tabla el equipo que más pierde calor es el
quemador.
Para el caso del calor experimental perdido por el quemador, la relación en
términos de porcentaje es 2.38% del contenido energético de los productos.
Tal porcentaje es a nuestro criterio un valor aprobable, pues la superficie
del equipo no se encuentra aislada totalmente.
Al inicio de la auditoría, se esperaba hallar pérdidas mucho mayores a las
encontradas experimentalmente, pues la emisión de calor del quemador
hacia la atmósfera, se percibe físicamente.
- Del calor perdido hacia al ambiente por la torre de secado teóricamente se
puede decir que es alto, 16.64% de la energía comprendida en los
productos.90
El calor teórico presentado en la Tabla 4, se calculó para el mismo valor de
la temperatura experimental (81°C), y como se mencionó anteriormente, la
temperatura de diseño de la corriente de salida del ácido de la torre está
dentro de un rango de 70°C y 90°C. Para éstos valores extremos del rango,
los porcentajes del calor respecto a las entalpías de productos, son
respectivamente 43.84% y 0.76%. Por consiguiente, para que la torre
tenga un comportamiento térmico más eficiente, la corriente de ácido de
salida debe permanecer cercana a los 90°C. La temperatura a la cual la
torre actúa adiabáticamente es 90.49°C.
Para el calor experimental perdido por la torre de secado, se tiene un
porcentaje igual a 9.20% del calor contenido en la corriente de productos.
Este valor es inferior al obtenido teóricamente a la misma temperatura, lo
que indica que las pérdidas al ambiente son admisibles.
- El primer paso del convertidor catalítico, se asumió adiabático en los
balances de materia experimentales; tal asunción se corroboró al realizar el
cálculo teórico, pues al compararlo con la entalpía de los productos, dicho
calor es un 1.08% de ésta corriente.
- Para las condiciones de diseño el filtro de gases caliente es adiabático, tal
comportamiento se ratificó con el resultado obtenido del calor cedido
experimentalmente, que equivale al 1.25% del contenido energético de los
productos.
Para éste caso los productos son los mismos reactivos, pero con una
pequeña diferencia de temperatura. Idealmente ésta temperatura no
debería variar y en la práctica tal variación se debe al aislamiento del
equipo.91
- Al momento de realizar los balances de materia experimentales, el segundo
paso del convertidor catalítico se consideró adiabático. Como puede
apreciarse en la Tabla 4, el calor teórico encontrado es positivo, lo que
aparentemente contradice el comportamiento exotérmico de la reacción que
ocurre en éste equipo; pero al expresar este calor en porcentaje respecto a
la entalpía de la corriente de productos, se tiene un 0.07%, lo que verifica
la condición adiabática de diseño.
- El calor teórico cedido por el tercer paso del reactor, corresponde a un
0.2% de la energía de sus productos. Este bajo porcentaje comprueba que
el diseño del equipo es de carácter adiabático.
Para el caso experimental del reactor, el calor perdido a la atmósfera
representa un 0.064% del calor del los productos, valor que para la práctica
es muy acertado.
- La temperatura de salida del ácido de la Torre de Absorción Intermedia,
tiene un rango de diseño entre 80°C y 100°C, y el calor cedido reportado en
la Tabla 4 corresponde al límite inferior. Este valor es el 25.5% de la
entalpía de las corrientes de productos; para el límite máximo, el calor es
positivo y tal porcentaje es 8.89%.
- En la tabla 6, se aprecia que el porcentaje de desviación es 0.11 para el
caso experimental, tal valor indica que el equipo trabaja con una alta
eficiencia térmica.
- El calor perdido hacia al ambiente por la torre de absorción final, es muy
alto para las dos situaciones tratadas (diseño y práctico), la razón del
resultado experimental es el elevado valor del caudal de ácido de ésta torre.
Para las condiciones de diseño, aunque el porcentaje es menor, las pérdidas
son altas y esto se fundamenta en lo exotérmica de la reacción.92
- Al tomar como punto de referencia la sumatoria de entalpía de los
productos para el tanque de dilución y del intercambiador de calor caliente,
es certero afirmar que el calor cedido a la atmósfera es casi nulo y que tales
equipos tienen un buen comportamiento desde el punto de vista de
transferencia de calor.
Es de resaltar la importancia del aislamiento en buenas condiciones de los
equipos para tener alta eficiencia térmica, tal como es el caso del
intercambiador caliente, situación que se visualiza en el porcentaje
presentado en la Tabla 6.
- Al comparar el caudal de agua, el de ácido, el calor y el factor de
obstrucción, para las condiciones de diseño y experimentales del enfriador
de la torre de secado (Tablas 7 y 8), se puede afirmar que presentan un
comportamiento proporcional.
- De acuerdo a la comparación de los factores de obstrucción teóricos de los
serpentines de enfriamiento contra los experimentales, se aprecia que para
la TAI el R experimental es 3 veces mayor que el teórico; para la TAF el R
D D
es 10 veces más grande que el R real y para el caso de la torre de secado,
D
el R real es 0.2 veces mayor que el teórico.
D
- Respecto al tercer paso del convertidor, se aprecia que el calor cedido
experimental es menor que el teórico 2.6 veces, tal resultado indica que el
equipo trabaja con buena eficiencia.
- Para la torre de secado, el calor cedido experimentalmente es 2.1 veces
menor que el teórico, lo que significa que el poder calorífico es aprovechado
en su mayoría.93
- Como puede apreciarse en la tabla 10, el balance de energía es altamente
sensible, ya que al realizar las variaciones de temperatura para encontrar la
temperatura adiabática, los resultados del calor cambian notoriamente.
- Actualmente, el vapor (100psig) que es empleado en el fundidor es mayor
que el requerido; tal afirmación se basa en la medición de condensados
efectuada, donde el flujo de condensados de los serpentines es 707.4Kg/h,
contra 450Kg/h que corresponde al flujo necesario teóricamente. La
necesidad de emplear esa cantidad de vapor se refleja en el
funcionamiento del retorno de los condensados, pues el diseño de los
serpentines hace que el agua se acumule y que sea obligatorio empujarla
con dicha cantidad de vapor.
- De acuerdo a los balances energéticos, las unidades que tienen mayor
consumo de vapor son el fundidor y la turbo bomba. Para el caso de la
turbo bomba, el gasto de vapor experimental no se encuentra muy alejado
de las condiciones de diseño; mientras que el fundidor tiene un consumo
experimental considerablemente elevado con respecto a su comportamiento
teórico.
- Realizar la medición de vapor con el objetivo que se pueda llegar a conocer
la cantidad de vapor real que se esta generando en la caldera bajo las
condiciones actuales de operación. Las lecturas de vapor permitirán hacer
un balance de las cargas de vapor y diagnosticar problemas de falta de
capacidad que puedan presentarse.
- Se debe contemplar el uso de un separador de humedad en la salida de la
caldera. Las altas concentraciones de SDT que se mencionaron
anteriormente, hacen más propensos los arrastres de agua a la tubería de94
distribución y el economizador. Con el separador se protege el sistema de
daños y sedimentación de sales en los equipos.
- Para obtener un buen rendimiento en la estación de trampeo se pueden
estudiar algunas alternativas como ubicar desniveles en circuitos en las
tuberías de descarga de condensados, by pass para inspección del
funcionamiento de las trampas y con la ayuda del mantenimiento predictivo
de la planta mantener en un buen estado las trampas para vapor.
- El tanque fundidor debe ser drenado a través del sistema sifón que debe
instalarse en el extremo del serpentín, de lo contrario el rendimiento
térmico del tanque será muy variable e inestable en temperatura.
- El uso de un sistema de retorno de condensados a partir de una bomba
operada con presión de vapor disminuiría los problemas de anegamiento en
los serpentines. Esta solución junto con el uso de los sifones en los
serpentines mejoraría considerablemente el rendimiento térmico del tanque.
- Una manera de disminuir los problemas de concentración de SDT en el agua
de alimentación es recuperar la mayor cantidad de condensado posible y
dosificar la cantidad de químicos al tanque de químicos. Además del
condensado de las chaquetas de bombeo y serpentines de Tanque Fundidor
se podría contemplar la posibilidad de recuperar la energía y el agua que se
desperdicia en el exosto de la Turbina del Soplador principal.
- Con el uso del condensador en la salida de vapor de la Turbina del Soplador
principal se podría recuperar cerca de un 50% de la carga de vapor
generada en la caldera.95
- La implementación del uso racional de energía en esta empresa no fue fácil,
debido a que el proceso se autoabastece de energía térmica por el alto
contenido calórico del mismo, además de ser una planta en donde el
combustible es la misma materia prima .
- Este trabajo será de gran ayuda para el personal responsable del proceso
industrial de IBC S.A., porque sirve de orientación a todas las personas
interesadas en hacer un adecuado manejo y aprovechamiento de un recurso
de gran importancia, como lo es el energético.96
PLAN DE USO RACIONAL DE ENERGÍA
OBJETIVOS
Objetivo General
Realizar las actividades necesarias para hacer un uso racional de la energía térmica
en el proceso de Industrias Básicas de Caldas S.A.
Objetivos Específicos
1. Aplicar las medidas correctivas al funcionamiento de las purgas de calderas,
canaletas de agua de enfriamiento y medidas de concentraciones en el
quemador de azufre.
2. Seleccionar e implementar las soluciones para mejorar el tratamiento actual del
agua a las calderas, adecuar un control automático en las purgas de calderas,
instalar aislamiento en los ductos de gases y tramos de tuberías de vapor sin97
aislar, cambiar las trampas de balde invertido, ubicar un separador de humedad
y un sistema venteador termostático y realizar mediciones de vapor.
3. Implementar la solución para mejorar el funcionamiento del fundidor de azufre.
PARA EL OBJETIVO 1.
ESTRATEGIAS.
Las medidas housekeeping son medidas de ahorro energético en las cuales no se
necesita inversiones, o por lo menos no inversiones apreciables y en general se
pueden llevar a la práctica inmediatamente con el personal de la empresa.40
Cuando se efectúen estas medidas, los resultados deben divulgarse dentro del
personal con el propósito de motivarlos de una mejor manera para la aplicación
continuada de estas acciones. Para obtener mejores resultados es recomendable
realizar cursos de capacitación dirigidos a los empleados, referentes al uso racional
de la energía.
METAS.
1. Para mejorar el funcionamiento de las purgas de calderas se puede estimar un
período de tiempo necesario aproximado de seis meses.
2. El mantenimiento de los orificios de las canaletas del agua de enfriamiento,
utilizando los procedimientos adecuados puede llevarse a cabo en la próxima
parada mensual de mantenimiento de la planta.
40 Villada, J. H. Auditoria Energética Térmica. Universidad Nacional de Colombia. Sede Manizales.
Pág.112.98
3. Para realizar las medidas de las concentraciones en el quemador de azufre se
estima un lapso de tiempo de una semana.
ACTIVIDADES
• Se debe habilitar el drenaje de purga de la caldera 2, que se encuentra
cancelado debido al manejo de sólidos de la misma e independizar el drenaje
de purga de fondo de las calderas 1 y 2. Las purgas y los análisis de agua
deben independizarse debido a que tienen diferentes áreas de transferencia
y volúmenes de agua. Además hacer una revisión del estado de las tuberías
y válvulas de dichas purgas.
• Se recomienda cambiar los tiempos de purga para normalizar los parámetros
de control. Los sólidos pueden controlarse razonablemente bien en forma
manual tomando dos o tres muestras diarias. Esto es un tanto engorroso
pero es lo único que asegura un control confiable. Se debe implementar un
procedimiento para que el operario responsable realice las purgas.
• Las canaletas de distribución del agua en la torre de enfriamiento deben
repartirla de una forma más eficiente, para mejorar la transferencia térmica y
aumentar así la eficiencia del equipo.
• Incluir dentro del itinerario de la parada mensual de mantenimiento, la
inspección del adecuado funcionamiento de los resultados de la aplicación de
las actividades anteriormente descritas.
• Realizar mediciones a la salida del quemador de azufre, para corroborar el
contenido de gases de azufre (SO y SO ).
2 399
PARA EL OBJETIVO 2.
ESTRATEGIAS.
En las medidas Retroffing se consideran aquellas mejoras con una inversión
apreciable.41
Se ponen en práctica mediante la organización de todo el personal o de acciones
efectivas por parte del personal directivo de la empresa.
METAS.
1. El mejoramiento del tratamiento actual del agua de alimentación a calderas,
pude hacerse en forma gradual; con un estimativo de tiempo comprendido
entre 1.5 y 2 años, para obtener los resultados óptimos.
2. La automatización del control de purgas, el cambio de trampas de balde
invertido, la instalación del sistema de venteador termostático al final de la
tubería de vapor y la ubicación del separador de humedad en la salida del domo
de vapor, se puede efectuar desde el momento en que la inversión para ello se
destine, en un lapso de tiempo de un mes.
3. El estimativo de tiempo para la instalación del aislamiento térmico en los ductos
de gases y tuberías de vapor es de dos mes.
4. Para efectuar las mediciones de vapor, con la inversión necesaria, se requiere
de un tiempo aproximado de tres semanas.
41 Villada, J. H. Auditoria Energética Térmica. Universidad Nacional de Colombia. Sede Manizales.
Pág. 114.100
ACTIVIDADES.
• Debe mejorarse el tratamiento de agua actual, pues el análisis de agua
demuestra que existen problemas con el agua de alimentación de calderas y
con las purgas de estas.
• Adecuar un control automático en las calderas, así disminuirían las perdidas
de calor por purgas de fondos y continuas.
• Se debe aislar el ducto que va desde el interfrío hasta la Torre barredora
para mejorar la eficiencia térmica y por requerimientos de salud ocupacional,
pues la temperatura ambiente puede llegar a ser insoportable causando una
baja eficiencia en el trabajo de los operarios de planta.
• Las tuberías de vapor que no se encuentran aisladas deben recubrirse para
prevenir la excesiva formación de condensados y a la vez proteger el
personal de operarios y mantenimiento.
• Las trampas de balde invertido modelo B1H-75 operan hasta un diferencial
de presión 75 psig, los serpentines utilizan vapor de 100 psig, de ahí la razón
de reemplazarlos por modelos B1H-125 (125 psig.).
• Ubicar un separador de humedad en la salida del domo. Que ayudará a
prevenir los arrastres de agua que se puedan presentar en la caldera por alta
concentración de SDT o una por una caída de presión.
• En el final de la tubería de vapor que alimenta el tanque fundidor se debe
instalar un sistema venteador termostático que elimine el aire y los
condensables que se acumulen en ese trayecto. Las estaciones de venteo y101
trampeo mejoran la calidad de vapor haciendo mas eficiente el
calentamiento en serpentines y enchaquetados del tanque.
• Hacer mediciones de vapor para conocer realmente cuál es la carga de vapor
que genera la caldera en sus condiciones actuales. Esto permite además de
conocer los consumos de equipos, medir su rendimiento.
PARA EL OBJETIVO 3.
ESTRATEGIAS.
En el cambio de tecnología se requieren grandes inversiones con tiempos largos de
recuperación de inversión y de mucho tiempo para ponerlos en ejecución42.
Este objetivo puede llevarse a cabo con la colaboración de una parte seleccionada
del personal, apoyados y coordinados directamente por el jefe de planta, mediante
la conformación de un comité o grupo responsable de las actividades encaminadas
hacia un programa de ahorro de energía; para llegar a la utilización de diseños
estándares que garanticen altas eficiencias energéticas.
METAS.
1. Después de destinado el rubro necesario para implementar la solución para
mejorar el funcionamiento de fundidor de azufre, se calcula un período de
tiempo de ejecución de un año.
ACTIVIDADES
42 Villada, J. H. Auditoria Energética Térmica. Universidad Nacional de Colombia. Sede Manizales.
Pág. 114102
• Recuperación de condensado
Debe mejorarse, la forma como se están extrayendo los condensados del
serpentín para mantener un buen rendimiento en el tanque fundidor. El uso
de un sistema de retorno de condensados a partir de una bomba operada
con presión de vapor disminuiría los problemas de anegamiento en los
serpentines. Una solución para eliminar los problemas de anegamiento y
garantizar el retorno de la mayor cantidad de condensado posible, sería
utilizar una bomba de condensados PPEC con cheques de 1.1/2 plg, en
bronce. Esta solución junto con el uso del sistema combinado de tubo sifón
en los serpentines mejoraría considerablemente el rendimiento térmico del
tanque. El sistema de retorno de condensados y el diseño del tubo sifón se
presentan en el Anexo IX.
• Resulta importante mantener el serpentín libre de condensado, de no
hacerlo el condensado retenido en el serpentín disminuye el coeficiente de
trasferencia térmica y afecta el flujo de calor que se entrega del vapor al
azufre.
Se deben instalar bolsillos colectores de condensados con suficiente
capacidad y trampas termodinámicas (de 1/2plg TD42L), para el drenaje de
los condensados. Las trampas termodinámicas son la primera opción de
trampeo del tanque fundidor. Ver hoja técnica de la trampa, Anexo VII.
• Una manera de disminuir los problemas de concentración de SDT en el agua
de alimentación es recuperar la mayor cantidad de condensado posible, pues
el condensado esta caliente y es agua destilada que es ideal para usarla
como agua de alimentación de la caldera ahorrándose una gran cantidad de
combustible, agua y el costo del tratamiento de la misma. Significara menos
tiempo de purga y la reducción de los efluentes.103
• Con el uso del condensador en la salida de vapor de la Turbina del Soplador
principal se podría recuperar cerca de un 50% de la carga de vapor
generada en la caldera. Cualquier inversión que se haga para aprovechar
esta energía es fácilmente justificada. IBC gana al recuperar la mayor
cantidad de condensado porque disminuiría considerablemente los problemas
de alta concentración de SDT en la caldera.
RETORNO DE INVERSIÓN DE LA EJECUCIÓN DE LA ALTERNATIVA
PROPUESTA
De acuerdo a un estimativo del costo comercial de vapor suministrado por Spirax
Sarco, se tiene que 1 libra de vapor cuesta US$1.58E-2, que equivale a 44.24
pesos / libra.
Para:
masa de vapor = masa experimental – masa teórica
masa de vapor = (707.4 – 450)Kg/h = 257.4Kg/h = 567.46lb/h
El beneficio en costos para IBC, en cuanto a vapor se refiere es:
Costo / hora = 25104.61 pesos
Costo / día = 602510.62 pesos
Costo / mes = 18075319 pesosBIBLIOGRAFÍA
& Angarita, C. Salazar, J. M. Implementación del Sistema de Calidad de
acuerdo con el Modelo NTC-ISO 9002 en Industrias Básicas de Caldas S.A.
& Bump, T.R. Sibbit, W. L. Ind. Eng. Chem.47, 1655.
& Comité de Asuntos Energéticos ANDI, Empresas Publicas de Medellín,
Grupo de Energía y Termodinámica CIDI Universidad Pontificia Bolivariana
UPB, Guías para el Uso Racional de Energía por procesos en la industria,
Medellín, Colombia, 1998.
& Cuellar, C.F. Recuperación y caracterización del pentóxido de vanadio
utilizado en la producción de ácido sulfúrico en Industrias Básicas de
Caldas. Universidad Nacional de Colombia 1996.
& González, J. A. Circuitos Eléctricos. Universidad del Valle. Cali. 1991 .
& HP 48 G SERIES ADVANCED USER’S REFERENCE MANUAL. Hewlett –
Packard Company. 1993.
& Informe “Survey para Vapor” en Industrias Básicas de Caldas. Spirax
Sarco. Mayo 2003.& Incropera, F. P. DeWitt. D.P. Fundamentos de Transferencia de Calor.
Cuarta Edición.1996.
& Instructivo de Operación de Equipos de la Planta, Código 13412 Industrias
Básicas de Caldas S.A.
& Kern, D. Q. Procesos de Transferencia de Calor.1965
& Perry, Robert. Manual del Ingeniero Químico. Quinta Edición. McGraw-Hill.
México. 1988
& Reklaitis, G.V. Balances de Materia y Energía. Primera Edición. McGraw-
Hill. México. 1989
& Sander U.H.F , Fisher H., Rothe U., Kola R.. Sulphur, Sulphur Dioxide and
Sulphuric Acid. The British Sulphur Corporation Ltd. 1984
& Valencia Valencia, Ben Hur. Balances de Energía Volumen 2. Universidad
Nacional de Colombia. Sede Manizales, 1996
& Valencia Valencia, Ben Hur. Balances de Energía Volumen 1. Universidad
Nacional de Colombia. Sede Manizales, 1996
& Valencia Valencia Ben Hur.Tablas de entalpía de gases. Universidad
Nacional de Colombia. Manizales 1985.
& Villada, J. H. Auditoria Energética Térmica. Universidad Nacional de
Colombia. Sede Manizales.
& Washburn, E. W. International Critical Tables. Vol. V. McGraw Hill. 1929.ANEXO I
DIAGRAMA DE FLUJO GENERAL DEL PROCESO DE INDUSTRIAS BÁSICAS
DE CALDAS S.A.
ANEXO II
DIAGRAMAS DE PROCESO SIN EQUIPOS DE SERVICIOS GENERALES EN
DONDE SE ESPECIFICAN LOS COMPONENTES INVOLUCRADOS EN CADA
CORRIENTEE N AFGRUIAAM DIEEN TO 26
20
AGUA
DAILGUUCAI ODNE 27 43 72
44 77CAB3 40
CEDNEO CN SHD EA. RDQPEUE ENTTU TAIB NDE EAR S IYA 39 21 41 46
43 69
42 VDAOPMOOR DEL PDREESCAIARLEEANDTOARDOR
TQAUNIMQICUOE SDE ABLANDADORES
76 70
BDOE MABGAUSA D AE CALAILMDEENRTAASCION
66 ORIFICIO VSK 67 22 37 23
80
VA AEPR. 71
35 25 CAB2
48
47
DOMO DE arotcu0d0e1r
CALDERAS SOBRECALENTADOR
-n 0ó5ic2atsE
36
36
39 ECONOMIZADOR arotcu0d5e arotcuder5
24 r- n0ó0ic1atsE n- 0ó0ic1atsE
38
38 64 18
AIRE 2 3 5 74 5
7
73
1 DQ EU E AM ZUAD FRO ER 4 65 CALDERA 1 CALDERA 2 FILTRO G.C
8
TORRE DE 6
SECADO CAB1 49
45 SEP
54
55
DRENAJE
18
18 E1P
19 14 8 7 S1P
13 11 E2P
9
S2P
E3P
15 10
AT BO FSIR NOR ARLE C ID OE N 53 A NTB TOS ERO RRR MEC ID DOE IN 57 B A RTORRERDEO RA 16 11 ES 43 PP
I E A 14
63 BB 12 10 S4P 17
INTERFRIO INTERCALIENTE CONVERTIDOR
51
50 51a
54 58 59
55
52b 60. NOICULID
33 52a 32 31 30 29 27 02H
)4OS2H(
OTNEIMAIRFNE
.ZILANA
26
ENFR. TAF ENFR. TAI ENFR. PRODUCTO ENFR. OLEUM ENFR. TS 52a 28
BENOFMRBIAAM AIGENUTAO DE
56 34 26a
63 61 52 N E UF TO RS AA L D IZE A CION 68 ETNUFRRB.I NACAEITE
VENTEO
78
83 62 75 82
CMOANNGEXUIEORNA
CCAAMRGIOAN DEES T AA CN EQ NU AE D IE
A L M M E NTO FN
TANQUE DE BOMBEO
CONVENCIONES
AGUA GASES VAPOR DE AGUA AIRE
ACIDO SULFURICO AZUFRE CONDENSADOS
DISEÑADO Carolina Salazar, Tatiana Cruz ESCALA Sin escala INDUSTRIAS BASICAS DE CALDAS S.A
APROBADO MATERIAL: No aplica
DIBUJADO Angela M. Cardona 07 - 11 - 03 MEDIDAS No aplica DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO COD. NUMERO ULTIMA REV.
POR FECHA EQUIPO ASOCIADO EXPERIMENTAL D007 ( 0 )S sólido 32 °C
66
42 T 4 2 = 164 °C
Vapor H2 O
FA T 4 3 = 96 °C T 6 5 = 211 °C
43 H2O
T 3 = 70 °C 67
3 O2 S l i 7q u =i d 1o 65
T 6 35 °C
N2
54 HH 2 2 OSO4 QA T 4 = 970 °C D4 S OO 22 C1 Vapor
TS SO2 73
T 2 = 74 °C 2 O2 SO2
HO N 2 22 O 55 HT 5 2 5 S O= 470 - 90 °C O2
T 9 9 = 25 °C H99 2 O H1 2 0 O0 H 2 O OSO 22 M2
H 2 O
97 HH 22 S OO4 27 T = 25 °C OSO 22
D3 52 T 5 2 = 94 °C TK DILUCION 75
H 2 SO4 FGC
101 H H 2 2 OS9 O6 4 T 9 6 = 19 04 2 °C T 1 9 H = 2 O 79 °C H H 22 S O5 O6 4 T5 6 = 94 °C H H 2 2 S OO4 O NSS OO 2232 6
SO2
H 2 HO TH 32 O TAFO N 1922 21 50 3 1 0 O4 OO484 R1P
H 2 S OO4 °T C1 0 3 = H 2 O ° HC 4AH 2 M H1 H 2 O NOSS OO 223 7
2 53 5 = 77 °C T H 6 2 3 S = O 8 40 -100 H 2 2 S OO94 4 E T. 9T =I 77 °C H6 1 2 S 2
H 2 O 2
T 1 8 = 191 °C 63 T5 7 = 77 °C 57 D2 60 D1 D5
NOSS1 OO8 2223 H H 2 2 S OO4 H H 2 2 OSO 14 H H 2 2 OSO 14 H H 2 2 OS9 O5 4 T H9 6 O= 94 6 ° 4C 36 SO86
59 4 05 106 2 C2 Vapor 3
T 3 6 = 211 °C TAI T 9 6 = 94 °C H 2 O H 2 O S SO O3 2 S OO 22
Vapor H 2 O E.Producto O2 88 N2
36 SO3 T 9 6 = 94 °C N2
T 4 7 = 260 °C OSO 22 62 M3
Vapor H 2 O N2 H H 2 2 S OO4 SO3 8
47 SO3 SO2
17 OSO 22 T 9 6 = 94 °C R4P NO2 2 R2P
N2
ES NOSS9 OO8 223 O9 O1 NS S9 O O0 23 2 OS1 OO6 2223 9
2 S S O 23 2 O 2 NS
D7
N2 T9 6 = 94 °C
SO3
D6 SO2
25 13 BPIF 93 O2
N2
2 O4 H 2 O NSS OO 2223 OSS9 OO2 NS OS OO 2223
°H 2 T 9 6 = 94 °C O 223
T9 6 = 94 C
50 N2
H 2 SO4 11
SO3 TBr OSS OO 223 IF OSS OO 223 OS SOO 223 IC
12 10
PD R3P
T 9 6 = 94 °C T 9 6 = 94 °C BB N2 N2 N2
SO3 89
SO2 SO3
O2 SO2
T9 6 = 94 °C N2 M4 15 O2
ETBr N2
DISEÑADO Carolina Salazar, Tatiana Cruz 15 - 06 - 03 ESCALA Sin escala
INDUSTRIAS BASICAS DE CALDAS S.A
APROBADO MATERIAL No aplica
DIBUJADO Angela M. Cardona 21 - 07 - 03 MEDIDAS No aplica COD. NUMERO ULTIMA REV.
POR FECHA EQUIPO ASOCIADO DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO D005 ( 0 )ANEXO III
CLASIFICACIÓN DE LAS VARIABLES DEL PROCESO
Convenciones:
Variable que puede calcularse mediante el balance de materia, siempre y cuando se cuente
con información necesaria.
Variable que puede calcularse mediante el balance de energía, contando con la información
necesaria.
TIPO DE VARIABLE
A : Variable medida en la planta
B : Variable que puede calcularse a partir de otros datos
C : Variable no disponible
FUENTE DE INFORMACIÓN
SRD : Sistema de Registro de Datos
MD : Manual de Diseño de Operación
MM : Manual de Mantenimiento
P : Planos del equipoCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
1. Turbo Soplador
T aire de entrada Soplador T1 SRD X X X
P aire de entrada Soplador P1 SRD X X X
Flujo aire de entrada soplador F1 P X X X
% Humedad aire entrada H1 P X X X
T aire de salida Soplador T2 SRD X X X
P aire de salida Soplador P2 SRD X X X
Flujo aire salida soplador F2 P X X X
% Humedad aire salida H2 X X X
T agua de entrada Turbina T26 SRD X
T agua de salida Turbina T68 SRD X
T vapor de entrada Turbina T38 SRD X X
P vapor de entrada Turbina P38 SRD X X X
Flujo vapor entrada Turbina F38 P X X X
Flujo vapor salida Turbina F39 X X
RPM del soplador RPMs SRD X X X
Potencia Turbina PT MM X X X
Potencia entrada eje soplador PT P X X X
2. Fundidor de AzufreCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
T enchaquetado T80 SRD X X X
P enchaquetado P80 SRD X X X
Flujo de vapor de enchaquetado F80 P X X X
T azufre en el fundidor T67 SRD X X X
Flujo azufre líquido de salida F67 P X X X
P de salida del azufre P67 P X X X
T del vapor entrada serpentines T42 P X X X
P del vapor a serpentines P42 SRD X X X
Flujo vapor a serpentines F42 P X X X
T del condensado salida serpentines T43 X X
P del condensado salida serpentines P43 X X
Flujo condensados salida serpent F43 X X
Flujo azufre al fundidor F66 SRD X X X
Longitud de serpentines L5 P X X X
Diámetro serpentines DS P X X X
Área Fundidor AF P X X X
3. Quemador de azufre
T azufre de entrada T67 SRD X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
P azufre entrada P67 P X X X
Flujo azufre entrada F67 P X X X
T gases salida del quemador T4 SRD X X X
P gases de salida P4 SRD X X X
Flujo salida gases F4 P X X X
T aire entrada T3 SRD X X X
P aire entrada P3 SRD X X X
Flujo aire entrada F3 P X X X
Concentración SO salida C4 SRD X X X
2
T exterior de superficie TsQ X X
T del ambiente T¥ SRD X X X
Tipo aislante y grosor MM X X X
4. Caldera 1
P entrada gases P4 SRD X X X
T entrada gases T4 SRD X X X
Flujo entrada gases F4 P X X X
P salida gases P5 SRD X X X
T salida gases T5 SRD X X X
Flujo salida gases F5 P X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Concentración gases de salida C5 SRD X X X
T entrada agua T65 X X X
P entrada agua P65 X X X
Flujo entrada agua F65 P X X X
Flujo de vapor de salida F73 X X
P del vapor de salida P73 P X X X
T del vapor de salida T73 P X X X
Caída de P permitida en coraza D PpS1 SRD X X X
Factor de obstrucción Rd1 X X
Diámetro interno coraza DI1 MM X X X
Diámetro externo coraza DE1 MM X X X
Tipo aislante MM X X
Número de tubos Nt1 MM X X X
Longitud de tubos L1 MM X X X
Caída de P permitida en tubos D Ppt1 SRD X X X
Espaciado de tubos Pt1 MM X X X
Tipo de arreglo de los tubos b1 MM X X X
Número de pasos por tubos nt1 MM X X X
Número de pasos por coraza ns1 MM X X X
BWG de los tubos BWG1 MM X X X
Espaciado entre deflectores B1 MM X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Diámetro externo de tubos Do1 MM X X X
Diámetro interno de tubos di1 MM X X X
Distancia centro a centro entre tubos c¢1 MM X X X
5. Caldera 2
P entrada gases P7 SRD X X X
T entrada gases T7 SRD X X X
Flujo entrada gases F7 P X X X
P salida gases P8 SRD X X X
T salida gases T8 SRD X X X
Flujo salida gases F8 P X X X
Concentración gases de salida C8 SRD X X X
T entrada agua T64 SRD X X X
P entrada agua P64 SRD X X X
Flujo entrada agua F64 P X X X
Flujo de vapor de salida F74 X X
P del vapor de salida P74 X X
T del vapor de salida T74 X X
Factor de obstrucción Rd2 X X
Diámetro interno coraza DI2 MM X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Diámetro externo coraza DE2 MM X X X
Tipo aislante MM X X X
Número de tubos Nt2 MM X X X
Longitud de tubos L2 MM X X X
Caída de P permitida en tubos D Ppt2 SRD X X X
Espaciado de tubos Pt2 MM X X X
Tipo de arreglo de los tubos B2 MM X X X
Número de pasos por tubos nt2 MM X X X
Número de pasos por coraza nS2 MM X X X
BWG de los tubos BWG2 MM X X X
Espaciado entre deflectores B2 MM X X X
Diámetro externo de tubos Do2 MM X X X
Diámetro interno de tubos di2 MM X X X
Distancia centro a centro entre tubos C¢2 MM X X X
6. Precalentador-desaireador
Flujo de agua blanda entrada F21 X X X
T agua blanda de entrada T21 SRD X
P agua al ablandador P21 SRD X X
Flujo condensado entrada F44 X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
T condensado entrada T44 X x
P condensado entrada P44 X X
Flujo vapor entrada F41 P X X X
Temperatura del vapor entrada T41 X X X
Presión del vapor entrada P41 SRD X X X
Flujo agua salida F70 X X
T agua salida T70 SRD X x
P agua salida P70 SRD X X
Presión interna PP SRD X X
7. Filtro de gases
Presión entrada P5 SRD X X
Temperatura de entrada T5 P X X X
Flujo de entrada F5 P X X X
Temperatura salida gases T6 SRD X X X
P salida gases P6 SRD X X X
Flujo de salida F6 P X X X
Caída de Presión D PF SRD X X
8. Convertidor catalíticoCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Conversión total XT SRD X X
Cinética de la reacción Teoría X X X
Paso 1
T gas de entrada T6 SRD X X X
P gas de entrada P6 SRD X X X
Flujo gas de entrada F6 P X X X
Concentración gas de entrada C6 P X X X
T gas de salida T7 SRD X X X
P gas de salida P7 SRD X X X
Flujo gas de salida F7 P X X X
Concentración gas de salida C7 P X X X
Conversión por paso X1 X X
Paso 2
T gas de entrada T8 SRD X X X
P gas de entrada P8 SRD X X X
Flujo gas de entrada F8 P X X X
Concentración gas de entrada C8 P X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
T gas de salida T9 SRD X X X
P gas de salida P9 SRD X X X
Flujo gas de salida F9 P X X X
Concentración gas de salida C9 P X X X
Conversión por paso X2 X X
Paso 3
T gas de entrada T10 SRD X X X
P gas de entrada P10 SRD X X X
Flujo gas de entrada F10 P X X X
Concentración gas entrada C10 P X X X
T gas de salida T11 SRD X X X
P gas de salida P11 SRD X X X
Flujo gas de salida F11 P X X X
Concentración gas de salida C11 P X X X
Conversión por paso X3 SRD X X X
Paso 4
T gas de entrada T16 SRD X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
P gas de entrada P16 SRD X X X
Flujo gas de entrada F16 P X X X
Concentración gas entrada C16 P X X X
T gas de salida T17 SRD X X X
P gas de salida P17 SRD X X X
Flujo gas de salida F17 P X X X
Concentración gas de salida C17 P X X X
Conversión por paso X4 X X
9. Intercambiador caliente
P entrada gases casco P15 SRD X X X
T entrada gases casco T15 SRD X X X
Flujo entrada gases casco F15 P X X X
Concentración gas casco C15 P X X X
P salida gases casco P16 SRD X X X
T salida gases casco T16 SRD X X X
Flujo salida gases casco F16 P X X X
Concentración gas salida casco C16 P X X X
P entrada a tubos P9 SRD X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
T entrada a tubos T9 SRD X X X
Concentración gas tubos C9 P X X X
Flujo entrada gas a tubos F9 P X X X
P salida de tubos P10 SRD X X X
T salida de tubos T10 SRD X X X
Flujo salida gas de tubos F10 P X X X
Concentración gas salida tubos C10 P X X X
Caída de P permitida en coraza D PpS3 SRD X X X
Factor de obstrucción RdIC X X
Diámetro interno coraza Di3 MM X X X
Diámetro externo coraza DE3 MM X X X
Tipo aislante MM X X
Número de tubos Nt3 MM X X X
Longitud de tubos L3 MM X X X
Caída de P permitida en tubos C SRD X X
Espaciado de tubos Pt3 MM X X X
Tipo de arreglo de los tubos B3 MM X X X
Número de pasos por tubos Nt3 MM X X X
Número de pasos por coraza Ns3 MM X X X
Espaciado entre deflectores B3 MM X X X
Diámetro interno tubos Di3 MD X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Diámetro externo tubos Do3 MD X X X
Distancia centro a centro entre tubos C¢3 MM X X X
BWG tubos BWG3 MM X X X
10. Intercambiador Frío
P entrada gases casco P14 SRD X X X
T entrada gases casco T14 SRD X X X
Flujo entrada gases casco F14 P X X X
Concentración gas casco C14 P X X X
P salida gases casco P15 SRD X X X
T salida gases casco T15 X X X
Flujo salida gases casco F15 P X X X
Concentración gas salida casco C15 P X X X
P entrada a tubos P11 SRD X X X
T entrada a tubos T11 SRD X X X
Flujo entrada gas a tubos F11 P X X X
Concentración gas entrada tubos C11 P X X X
P salida de tubos P12 SRD X X X
T salida de tubos T12 SRD X X X
Flujo salida gas de tubos F12 P X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Concentración gas tubos C12 P X X X
Caída de P permitida en coraza D PpS4 SRD X X X
Factor de obstrucción Rd4 X X
Diámetro interno coraza Di4 MM X
Diámetro externo coraza Do4 MM X
Tipo aislante MM X X
Número de tubos nt4 MM X X X
Longitud de tubos L4 MM X X X
Caída de P permitida en tubos D Ppt4 SRD X X
Espaciado de tubos Pt4 MM X X X
Tipo de arreglo de los tubos b4 MM X X X
Número de pasos por tubos nt4 MM X X X
Número de pasos por coraza ns4 MM X X X
Espaciado entre deflectores B4 MM X X X
Altura del cilindro h4 MD X X
Diámetro interno tubos di4 MD X X X
Diámetro externo tubos do4 MD X X X
BWG tubos BWG4 MM X X X
11. Torre BarredoraCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
T entrada gases T12 SRD X X X
P entrada gases P12 SRD X X X
Flujo entrada gases F12 P X X X
Concentración entrada gases C12 P X X X
T salida gases T13 SRD X X X
P salida gases P13 SRD X X X
Flujo salida gases F13 P X X X
Concentración SO C13 SRD X X X
3
Flujo entrada óleum F50 P X X X
T entrada óleum T50 SRD X X X
P entrada óleum P50 X X
Concentración entrada óleum C50 SRD X X X
12. Torre de Secado
T entrada aire T2 SRD X X X
P entrada aire P2 SRD X X X
Flujo entrada aire F2 P X X X
T salida aire T3 SRD X X X
P salida aire P3 SRD X X X
Flujo salida aire F3 P X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Flujo entrada ácido F54 SRD X X X
T entrada ácido T54 SRD X X X
Concentración ácido entrada C54 SRD X X
T salida ácido T55 SRD X X X
Flujo salida ácido F55 X X
Concentración ácido salida C55 X X
% Humedad aire entrada H2 P X X X
% Humedad aire salida H3 P X X X
13. Torre Absorción
Intermedia
T entrada gases T13 SRD X X X
P entrada gases P13 SRD X X X
Flujo entrada gases F13 P X X X
Concentración gas entrada C13 SRD X X X
T salida gases T14 SRD X X X
P entrada gases P14 SRD X X X
Flujo salida gases F14 P X X X
Concentración gas salida C14 P X X X
T entrada ácido T57 SRD X X X
P entrada ácido P57 X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Flujo entrada ácido F57 SRD X X X
Concentración ácido entrada C57 SRD X X X
Flujo ácido salida F59 P X X X
T salida ácido T59 SRD X X X
Concentración ácido salida C59 X X
14. Torre Absorción final
T entrada gases T18 SRD X X X
P entrada gases P18 SRD X X X
Flujo entrada gases F18 P X X X
Concentración gas entrada C18 P X X X
T salida gases T19 SRD X X X
P salida gases P19 SRD X X X
Flujo salida gases F19 P X X X
Concentración SO a la salida C19 SRD X X X
2
T ácido entrada a la torre T53 SRD X X X
Flujo entrada de ácido F53 SRD X X X
Concentración ácido entrada C53 SRD X X X
Flujo salida de ácido F63 SRD X X X
T salida ácido T63 SRD X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Concentración ácido salida C63 X X
15. Economizador-
Supercalentador
Coraza
T entrada gases T17 SRD X X X
P entrada gases P17 SRD X X X
Flujo entrada gases F17 P X X X
Concentración gases entrada C17 P X X X
T salida gases T18 SRD X X X
P salida gases P18 SRD X X X
Flujo salida gases F18 P X X X
Concentración gases salida C18 P X X X
Economizador
T entrada agua T24 SRD X X X
P entrada agua P24 SRD X X X
Flujo entrada agua F24 P X X X
P salida agua P25 SRD X X X
T salida agua T25 SRD X X X
Flujo salida agua F25 X X
Caída de presión D PES SRD X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Supercalentador
T del vapor entrada T36 SRD X X X
P del vapor entrada P36 SRD X X X
Flujo vapor entrada F36 P X X X
T del vapor salida T47 SRD X X
P del vapor salida P47 SRD X X
Flujo del vapor salida F47 X X
16. Turbo Bomba
P entrada del vapor P37 SRD X X X
T entrada del vapor T37 SRD X X
Flujo del vapor de entrada F37 X X
P salida del vapor P40 SRD X X X
T salida del vapor T40 X X
Flujo del vapor de salida F40 X X
P entrada agua P23 SRD X X
T entrada agua T23 SRD X X X
Flujo entrada agua F23 X X
P salida agua P24 SRD X X
T salida de agua T24 SRD X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Flujo de salida de agua F24 P X X X
RPM turbina RPMTB MD X X X
P turbina PT MD X X X
17. Torre de Enfriamiento
P descarga bomba P28 SRD X X X
T de la descarga a serpentines T28 MD X X X
Flujo entrada agua F28 X X
Flujo salida agua F34 SRD X X
T salida agua T34 SRD X X
T torre TTE SRD X X
Diámetros tubos de serpentines P X X X
Longitud de serpentines P X X X
ENFRIADOR TORRE BARREDORA
T entrada óleum T51 SRD X X
Flujo entrada óleum F51 P X X X
T salida óleum T50 SRD X X X
Flujo salida óleum F50 P X X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
T entrada agua a serpentines T30=T28 SRD X X
Flujo entrada agua a serpentines F30 X X
ENFRIADOR TORRE DE SECADO
T entrada ácido T52a SRD X X
Flujo entrada ácido F52a SRD X X
T salida ácido T54 SRD X X X
Flujo salida ácido F54 SRD X X X
T agua T29=T28 SRD X X
Flujo agua F29 X X
Concentración ácido salida C54 SRD X X
ENFRIADOR DE PRODUCTO
T entrada ácido T60=T57 SRD X X
Flujo entrada ácido F60 X X
T salida ácido T62 SRD X X X
Flujo salida ácido F62 P X X X
T agua T31=T28 SRD X X
Concentración ácido salida C62 SRD X X
Flujo agua F31 X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Flujo de ácido a Stepan F61 X X
T ácido a Stepan T61 SRD X X
Concentración ácido a Stepan C61 SRD X X
ENFRIADOR TAI
T entrada ácido T56 SRD X X X
Flujo entrada ácido F56 P X X X
T salida ácido T56A=T57 SRD X X X
Concentración ácido salida C57 SRD X X
Flujo salida ácido F56A X X X
T agua T32=T28 SRD X X
Flujo agua F32 X X
ENFRIADOR TAF
T entrada ácido T52b SRD X X X
Flujo entrada ácido F52b SRD X X X
T salida ácido T53 SRD X X X
Flujo salida ácido F53 SRD X X X
Concentración ácido salida C53 SRD X X
T agua T33=T28 SRD X X
Flujo agua F33 X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
18. Tanque de bombeo
Concentración del ácido CTB SRD X X X
ÁCIDO DE LA TAF
Temperatura T63 SRD X X X
Flujo F63 SRD X X X
Concentración C63 X X
ÁCIDO DE LA TAI
Temperatura T59 SRD X X X
Flujo F59 SRD X X X
Concentración C59 X X
AGUA DE DILUCIÓN
Temperatura T27 SRD X X X
Flujo F27 SRD X X X
ÁCIDO DE LA TORRE DE SECADO
Temperatura T55 SRD X X X
Flujo F55 SRD X X X
Concentración C55 X X
ÁCIDO RETORNO DE STEPAN
Temperatura T75 SRD X X X
Flujo F75 X XCÓDIGO DOCUMENTO A B C BALANCES DISEÑO
Concentración C75 SRD X
ÁCIDO AL ENFRIADOR TAI Y PROD.
Temperatura T56 SRD X X X
Flujo F56 P X X X
Concentración C56 SRD X X X
ÁCIDO A ENFRIADOR TS Y TAF
Temperatura T52 SRD X X X
Flujo F52 P X X X
Concentración C52 SRD X X
19. Domo de Calderas
P del vapor de salida P35 SRD X X X
Flujo de vapor salida domo F35 P X X X
T de vapor salida domo T35 SRD X X
Flujo de entrada de agua X X XANEXO IV
TABLA DE GRADOS DE LIBERTAD BALANCE EXPERIMENTAL
TABLA DE GRADOS DE LIBERTAD BALANCE TEÓRICOTABLA DE GRADOS DE LIBERTAD PROCESO EXPERIMENTAL
QA TS R1P R2P R3P D4 C1 M2 FGC D5 C2 M3
BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC
No de variables
Flujos 3 3 4 4 2 2 2 2 2 2 3 3 4 4 3 3 2 2 3 3 4 4 3 3
Composiciones 3 3 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 4 4 6 6 4 4 9 9 6 6 9 9
Velocidad de reacción - - - - 1 1 1 1 - - - - - - - - - - - - - - - -
Temperatura - 3 - 4 - 2 - 2 - 2 - 3 - 4 - 3 - 2 - 3 - 4 - 3
Calor - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1
No de balances
Materia 3 3 4 4 4 4 4 4 3 3 3 3 4 4 3 3 3 3 4 4 5 5 4 4
Energía - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1
No especificaciones
Flujos 1 1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Composiciones 2 2 3(1) 3(1) 1 1 - - 2 2 1 1 (1) (1) (1) (1) 1 1 - - - - - -
Velocidad de reacción - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Temperatura - 3 - 4 - 2 - 2 - 2 - 3 - 2 - 3 - 2 - 3 - 2 - 3
Calor - - - - - 1 - 1 - - - - - - - 1 - - - - - - - 1
Relaciones: D2
D3
D4 2 2
D5 3 3
D6
D7
Grados de libertad 0 0 1 1 3 2 5 4 3 3 3 3 3 5 5 4 2 2 5 5 5 7 8 7
IC IF D6 M4 TBR D7 ES R4P TAI ETBR D2 ETAI
BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC
Número de variables
Flujos 4 4 4 4 3 3 3 3 4 4 3 3 6 6 2 2 4 4 4 4 3 3 4 4Composiciones 12 12 12 12 9 9 9 9 8 8 9 9 6 6 6 6 8 8 2 2 3 3 2 2
Vel de reacción - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1 - - - - - -
Temperatura - 4 - 4 - 3 - 3 - 4 - 3 - 6 - 2 - 4 - 4 - 3 - 4
Calor - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1
Número de balances
Materia 8 8 8 8 4 4 4 4 5 5 4 4 5 5 3 3 6 6 3 3 2 2 3 3
Energía - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1
No de especificaciones
Flujos - - - - - - - - - - 1 1 - - - - - - - - 1 1 - -
Composiciones - - 2 2 - - - - 1 1 - - - - - - 1(3)1(3) 1 1 1 1 1 1
Vel de reacción - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Temperatura - 4 - 3 - 3 - 2 - 4 - 3 - 6 - 2 - 4 - 3 - 3 - 3
Calor - - - - - - - 1 - - - 1 - - - 1 - 1 - - - - - -
Relaciones: D2 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1 - -
D3
D4
D5
D6 3 3
D7 3 3
Grados de libertad 8 8 6 7 5 5 8 8 6 6 4 3 7 7 5 4 3 2 2 3 1 1 2 3
TD TAF ETAF D3 ETS FA EPR PROC GLOBAL
BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM
Número de variables
Flujos 6 6 4 4 4 4 3 3 4 4 4 4 4 4 70 70 6
Composiciones 5 5 8 8 2 2 3 3 2 2 - - 2 2 92 92 9
Velocidad de reacción - - 1 1 - - - - - - - - - - 4 4 -
Temperatura - 6 - 4 - 4 - 3 - 4 - 4 - 4 - 70 -Calor - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 30 -
Número de balances
Materia 2 2 6 6 3 3 2 2 3 3 2 2 3 3 117 117 4
Energía - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 30 -
No de especificaciones
Flujos - - 1 1 - - - - - - 1 1 1 1 4 4 4
Composiciones 4(1) 4(1) 4(1) 4(1) (1) (1) 1 1 (1) (1) - - 1 1 15 15 5(2)
Velocidad de reacción - - - - - - - - - - - - - - - - -
Temperatura - 6 - 4 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 64 -
Calor - - - - - - - - - - - - - - - 8 -
Relaciones: D2 1 1
D3 1 1 1 1
D4 2 2
D5 3 3
D6 3 3
D7 3 3
Grados de libertad 4 4 1 1 2 3 2 2 2 3 1 2 1 2 17 15 0
TABLA DE GRADOS DE LIBERTAD PROCESO TEÓRICO
QA TS R1P R2P R3P D4 C1 M2 FGC D5 C2 M3
BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC
No de variables
Flujos 3 3 4 4 2 2 2 2 2 2 3 3 4 4 3 3 2 2 3 3 4 4 3 3
Composiciones 3 3 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 4 4 6 6 4 4 9 9 6 6 9 9
Velocidad de reacción - - - - 1 1 1 1 - - - - - - - - - - - - - - - -
Temperatura - 3 - 4 - 2 - 2 - 2 - 3 - 4 - 3 - 2 - 3 - 4 - 3
Calor - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1No de balances
Materia 3 3 4 4 4 4 4 4 3 3 3 3 4 4 3 3 3 3 4 4 5 5 4 4
Energía - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1
No especificaciones
Flujos 1 1 1 1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Composiciones 2 2 2(1) 2(1) 2 2 2 2 4 4 1 1 (1) (1) (1) (1) 1 1 1 1 (1) (1) 2 2
Velocidad de reacción - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Temperatura - 3 - 4 - 2 - 2 - 2 - 3 - 4 - 3 - 2 - 3 - 4 - 3
Calor - - - - - - - - - - - - - - - 1 - - - - - - - 1
Relaciones: D2
D3
D4 2 2
D5 3 3
D6
D7
Grados de libertad 0 0 1 1 2 2 3 3 1 1 3 3 2 3 5 4 2 2 5 5 3 4 6 5
IC IF D6 M4 TBR D7 ES R4P TAI ETBR D2 ETAI
BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC
Número de variables
Flujos 4 4 4 4 3 3 3 3 4 4 3 3 6 6 2 2 4 4 4 4 3 3 4 4
Composiciones 10 10 10 10 6 6 9 9 8 8 9 9 6 6 5 5 8 8 2 2 3 3 2 2
Vel de reacción - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1 - - - - - -
Temperatura - 4 - 4 - 3 - 3 - 4 - 3 - 6 - 2 - 4 - 4 - 3 - 4
Calor - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1
Número de balances
Materia 7 7 7 7 3 3 3 3 5 5 4 4 5 5 3 3 6 6 3 3 2 2 2 2
Energía - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1No de especificaciones
Flujos - - - - - - - - 1 1 - - 2 2 - - 1 1 1 1 2 2 - -
Composiciones 2 2 3 3 1 1 1 1 4 4 3 3 1 1 2 2 3(1)3(1) 1 1 1 1 (1) (1)
Vel de reacción - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Temperatura - 4 - 4 - 3 - 4 - 4 - 3 - 6 - 2 - 4 - 3 - 3 - 3
Calor - - - - - - - 1 - - - - - - - - - - - - - - - -
Relaciones: D2 1 1
D3
D4
D5
D6 3 3
D7 3 3
Grados de libertad 5 5 4 4 2 2 8 6 2 2 2 2 3 3 2 2 1 1 2 2 0 0 3 4
TD TAF ETAF D3 ETS FA EPR PROC GLOBAL
BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM BC BM
Número de variables
Flujos 6 6 4 4 4 4 3 3 4 4 4 4 4 4 70 70 6
Composiciones 5 5 7 7 2 2 3 3 2 2 - - 2 2 86 86 8
Velocidad de reacción - - - - - - - - - - - - - - 4 4 -
Temperatura - 6 - 4 - 4 - 3 - 4 - 4 - 4 - 70 -
Calor - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 30 -
Número de balances
Materia 2 2 4 4 3 3 2 2 3 3 2 2 3 3 111 111 4
Energía - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 30 -
No de especificaciones
Flujos - - 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 5 5 2
Composiciones (1) (1) 2(1) 2(1) (1) (1) 1 1 (1) (1) - - 1 1 13 13 3(3)Velocidad de reacción - - - - - - - - - - - - - - - - -
Temperatura - 6 - 4 - 3 - 3 - 3 - 4 - 3 - 64 -
Calor - - - - - - - - - - - - - - - 3 -
Relaciones: D2 1 1
D3 1 1 1 1
D4 2 2
D5 3 3
D6 3 3
D7 3 3
Grados de libertad 7 7 3 3 1 2 0 0 1 2 1 1 1 2 18 21 2ANEXO V
CONSUMOS ENERGÉTICOS Y PRODUCCIÓNConsumo Energía Eléctrica1
Período de Consumo en KWH Costo total $
facturación
Junio 2001 58.517 8.735.418
Julio 2001 60.217 8.936.454
Agosto 2001 46.915 7.238.045
Septiembre 2001 59.727 8.569.033
Octubre 2001 53.409 7.393.609
Noviembre 2001 55.436 7.571.634
Diciembre 2001 56.692 8.071.392
Enero 2002 57.945 9.611.337
Febrero 2002 51.080 8.567.291
Marzo 2002 55.295 9.287.854
Abril 2002 50.623 8.416.580
Mayo 2002 55.796 9.415.400
Junio 2002 53.611 9.133.420
Julio 2002 52.913 8.850.960
Agosto 2002 52.596 9.105.420
Septiembre 2002 52.402 9.155.520
Octubre 2002 51.122 8.993.200
Noviembre 2002 53.600 9.569.690
Diciembre 2002 53.711 9.607.230
Enero 2003 55.172 9.761.110
Febrero 2003 49.844 9.351.730
1 Comprobantes de Contabilidad IBC S.A.Consumo de Agua2
Debido a que la planta utiliza el agua proveniente del río nOMBRE, para luego
tratarla y llevarla al proceso el consumo de la misma es muy bajo de acuerdo
a la facturación presentada a continuación. IBC paga al Comité de Cafeteros
un cargo fijo en todos los meses.
Período de Consumo en m3 Costo total $
facturación
Junio - Julio 2001 3 51.000
Julio - Agosto 2001 - 51.000
Agosto - Sept. 2001 - 51.000
Oct. - Noviem. 2001 132 52.840
Dic. 2001 - Ene 2002 20 51.000
Feb. - Marzo 2002 1 55.000
Abril - Julio 2002 3 112.750
Agost. - Sept. 2002 2 55.000
Oct. - Nov. 2002 234 60.764
Consumo ACPM3
Período de Consumo en Costo total $
facturación galones
Diciembre 2001 1.130 2.646.400
Julio 2001 1.000 2.273.000
Octubre 2001 1.030 2.366.900
Agosto 2002 1.100 2.771.136
Marzo 2003 1.365 3.765.500
2 ídem.Consumo Materia Prima (Azufre)4
Período de Consumo en Kg
facturación
Junio - Diciem. 2001 4.808.010
Enero - Diciem. 2002 6.315.240
Enero - Marzo 2003 1.776.471
3 Ídem.
4 Ídem.ANEXO VI
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA EXPERIMENTAL
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA TEÓRICOBALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA EXPERIMENTALES
Las condiciones de operación de la planta el 6 de Junio de 2003, fueron:
- Producción = 3850Kg/h de ácido sulfúrico
- Concentración del ácido sulfúrico producto promedio = 98.35%
- Descarga del soplador = 293cmH O
2
La decisión de fijar los datos con los que se trabajó se basó en la confiabilidad de
los mismos, debido a que algunos datos registrados en la planilla tienen un grado
de incertidumbre muy alto y con ellos no se obtendrían resultados coherentes.
Las concentraciones de los gases a las salida del quemador y del tercer paso del
reactor fueron tomadas de la planilla, éstas concentraciones son calculadas
mediante correlaciones que dependen de la temperatura. Dichas correlaciones son
empleadas en la planta para controlar el proceso5.
(cid:252) Concentración de SO a la salida del quemador
2
Del manual de diseño, la concentración de SO a la salida del quemador es
2
directamente proporcional a la temperatura de salida:
%SO SQA =0.0145*TSQ- 3.65 (a)
2
En donde:
SQA = Salida del quemador de azufre
TSQ = Temperatura de salida del quemador de azufre, 918°C
Al reemplazar en la ecuación (a), obtenemos:
%SO SQA = 9.66%
2
(cid:252) Concentración de SO a la salida del tercer paso del reactor
2
Como se trata de una reacción exotérmica y elemental, la conversión es
función de los deltas de temperatura.
( ) 100
%CS3P = D T1+D T2+D T3 * (b)
D TT
5 Las ecuaciones (a) a (d) fueron tomadas del Instructivo de Operación de Equipos de la Planta,
Código 13412 IBC.En donde:
CS3P = Conversión a la salida del tercer paso
D T1 = Delta de temperatura del paso 1 del convertidor.
D T2 = Delta de temperatura del paso 2 del convertidor.
D T3 = Delta de temperatura del paso 3 del convertidor.
D TT = Sumatoria de los deltas de temperatura de los cuatro
pasos del convertidor.
La concentración a la salida del tercer paso es función de la conversión
alcanzada hasta este paso y del porcentaje de SO a la salida del quemador,
2
así:
(cid:230) %CS3P(cid:246)
%SO S3P =%SO SQA*(cid:231) 1- (cid:247) (c)
2 2 Ł 100 ł
Los datos empleados para dicho cálculo son:
D T1 = (603 – 443)°C = 170°C
D T2 = (542 – 492)°C = 50°C
D T3 = (492 – 465)°C = 27°C
D T4 = (467 – 436)°C = 31°C
D TT = (170 + 50 + 27 + 31)°C = 278°C
Reemplazando en las ecuaciones (b) y (c), se tiene:
%CS3P = 88.85
%SO S3P = 1.08
2
(cid:252) Concentración de SO a la salida del tercer paso
3
Esta concentración es función del porcentaje de SO a la salida del
2
quemador y de la conversión alcanzada hasta el tercer paso, así:
100*%SO SQA*%CS3P
%SO S3P = 2 (d)
3 %SO SQA*%CS3P
10000- 2
2
Al reemplazar, se obtiene:
%SO S3P = 8.96%
3
Esta concentración tiene un porcentaje de confiabilidad del – 10%A continuación, se argumentan los demás datos que se presentan en el diagrama
de flujo:
~ Flujo de azufre se obtuvo de un balance global partiendo del dato más
confiable con que se cuenta, que es la producción de ácido sulfúrico.
~ Las concentraciones del ácido sulfúrico a la salida de las torres de secado,
de absorción intermedia, de absorción final y del tanque de dilución, fueron
medidas experimentalmente en el laboratorio estos valores y su
confiabilidad son:
Equipo Concentración másica (%) Confiabilidad (%) Concentración molar (%)
T dilución 98.35 – 0.29 0.9163
TAI 99.02 – 0.36 0.9489
TAF 98.44 – 0.22 0.9206
TS 97.91 – 0.26 0.8959
Se realizó una pequeña simulación en Matlab para variar las
concentraciones entre el intervalo de confiabilidad, realizando los diferentes
balances para establecer los datos con que se obtenían menores
inconsistencias; encontrándose que los valores intermedios de
concentración eran los más consistentes.
~ Los datos de la salida de gases de la torre de absorción final (corriente 19)
se sacaron de un análisis isocinético realizado el 6 de Junio, donde se miden
las emisiones atmosféricas, obteniendo a partir de ellas las concentraciones
y el flujo molar total, la temperatura y la presión de dicha corriente.
~ El flujo de la línea de gases suministrado a Stepan (corriente 91), se calculó
mediante la rata de producción de Stepan y teniendo en cuenta un factor
que relaciona los pesos moleculares del producto de Stepan (ácido
sulfónico) del SO y la eficiencia de los equipos.
3
El factor está referido al SO , ya que la corriente es rica en este gas y el
3
flujo másico que se calcula equivale a SO . Tal flujo se convierte a flujo
3
molar y como se cuenta con la composición molar del gas, se calcula el flujo
molar total de la corriente (N91).
Rata de producción de Stepan = 1350Kg/h de ácido sulfónico
Peso molecular promedio del ácido sulfónico = 326Kg/Kgmol
Peso molecular del SO = 80Kg/Kgmol
3
Eficiencia del proceso del Stepan = 98%80KgSO /Kgmol 1KgmolSO 1
N91 =1350Kgác.sulfónico/h* 3 * 3* = 4.2256KgmolSO /h
SO3 326Kgác.sulfónico/Kgmol 80KgSO 0.98 3
3
Al contar con la concentración de SO a la salida del tercer paso del reactor,
3
que es la misma de la corriente de gases a Stepan, es posible obtener el
flujo total de la corriente 91:
N91 4.2256Kgmol/h
N91 = SO3 = =47.1607
X91 0.0896
SO3
~ La composición de agua en el flujo de aire a la entrada de la torre de
secado, se dedujo del porcentaje de humedad relativa del aire atmosférico.
HR = 80%, medida a 27°C y 663mmHg
Empleando la ecuación de Antoine6:
B
LnPv = A- Pv en mmHg, T en K (5)
T +C
Para el agua:
A = 18.3036 B = 3816.44 C = - 46.13
Reemplazando estas constantes en la ecuación (5), tenemos:
Pv = 26.5606mmHg
Partiendo de la definición de Humedad Relativa7:
100*Ppv
HR = (6)
Pv
En donde: Ppv = Presión parcial del vapor
Pv = Presión de vapor
Despejando, Ppv = 21.2485mmHg
Ppv
Como: X = (7)
PT
6 Reklitis Balances de Materia y Energía, Apéndice J.
7 Perry, R. Manual Del Ingeniero Químico. Tomo3. Página12-2Donde X = fracción molar del agua
PT = presión total
Reemplazando, X2 = 0.0321
H2O
~ La composición del oxígeno en la corriente 2, se calculó a partir de la
relación:
X 2 0.21
( O2 )= (8)
1- 0.0321- X 2 0.79
O2
Despejando, X2 = 0.2033
O2
ASUNCIONES PARA EL PROCESO
1. Torre de Secado.
Esta torre se trabajó con una eficiencia del 100%, es decir, que al aire se le
retira toda la humedad que contiene. Como se explicará posteriormente, la
torre barredora fue eliminada del proceso para efectos del balance de
materia, y si la eficiencia de la torre de secado no fuera la máxima no podría
despreciarse la torre barredora, debido a que el bajo porcentaje de agua
remanente en la torre de secado se acumularía en el óleum de la torre
barredora.
2. Fundidor de azufre.
El azufre volcánico trae consigo selenio como impureza, para la realización
de los balances de materia, se decidió despreciar dicha impureza debido a
que en la composición del azufre la presencia de selenio es mínima =
227ppm.
3. Quemador de azufre.
Se asume que la reacción de combustión es completa y que además el
azufre se convierte únicamente a SO .
2
4. Convertidor catalítico.Todos los pasos del reactor se consideran adiabáticos, pues el aislamiento
se encuentra en buen estado.
5. Torre Barredora.
Como se menciono en el ítem 1, esta torre se excluyó del proceso puesto
que su función es eliminar los compuestos de selenio formados a partir del
selenio que viene como impureza con el azufre volcánico, y mediante
cálculos se demostró que la cantidad de ácido selenioso formado en esta
torre es despreciable respecto a la producción.
Producción de H SO al 98.35% = 102480 Kg/día
2 4
Producción de H SO puro = 100789.08Kg/día
2 4
Azufre requerido para la producción = 32910.72kg/día
Como el azufre contiene 227ppm de selenio, se tiene:
Kg _de_azufre mg _de_selenio
32910.72 *227 =7470733.44mg _de_selenio
día Kg _de_azufre
Que en Kg corresponde a = 7.4707Kg de selenio
Este selenio se transforma a SeO en el quemador de azufre mediante la
2
siguiente reacción de combustión:
Se + O SeO
2 2
El óxido de selenio continúa el recorrido por las demás unidades, hasta
llegar a la torre barredora, en donde como su nombre lo indica, el SeO es
2
barrido con óleum (H SO con 25% de SO libre), según la reacción:
2 4 3
SeO + H SO H SeO + SO
2 2 4 2 3 3
El ácido selenioso producido en la torre barredora es:
Kg _de_H SeO
128.96 2 3
Kgmol
7.4707Kg /día_de_selenio* =12.1214Kg /día_de_H SeO
Kg _de_selenio 2 3
78.96
KgmolMediante una regla de tres simple podemos conocer el porcentaje de
H SeO respecto a la producción de H SO :
2 3 2 4
%H SeO = 0.0119
2 3
Como puede apreciarse, este porcentaje es muy bajo y por tal motivo, no se
considera la torre barredora para efectos de balance de masa.
6. Tanque de dilución.
El ácido que se le facilita a Stepan para secar el aire de su proceso, no fue
tenido en cuenta pues como se trata de un préstamo, éste recircula y vuelve
al tanque con una concentración inferior. La cantidad de agua extraída del
aire, es muy pequeña en comparación con el agua de dilución que entra al
tanque.
BALANCE COMBINADO DE MATERIA Y ENERGÍA EXPERIMENTAL
Tabla de Grados de Libertad
La tabla de grados de libertad se efectúo considerando balances combinados de
materia y energía. Se presentan en el Anexo IV.
Estrategia de Solución
1. Se resuelve el balance combinado elemental en el Quemador (QA) y se conoce N3, N4 , X4
O2
N5 , X5 X84 X85
, O2, O2, O2,
2. Actualizando grados de libertad:
D4 = 3 – 1(N4) -1(X4 ) = 1
O2
M2 BM = 5 – 1(N5) – 3(X5 X84 X85 ) = 1
O2, O2, O2
BC = 4 - 1(N5) – 3(X5 X84 X85 ) = 0
O2, O2, O2
TS = 1 – 1(N3) = 0
FGC= 2 - 1(N5) – 1(X5 ) = 0
O2
3. Resolviendo en la Torre de secado (TS) balance de materia y energía, se conoce N2, X2 ,
O2
N54 y N55
4. Resolviendo M2 asumiéndolo adiabático, se conoce N84 y N85
5. Resolviendo balance combinado en el FGC, se conoce N6, X6
O26. Actualizando grados de libertad
ETS BM = 2 - 1 (N54) =1
BC = 3 - 1 (N54) = 0
D3 = 2 – 1(N54) = 1
TD = 4 – 1(N55) = 3
Global = 0 –1(N2) – 1(X2 ) = -2
O2
D4 = 1 – 1(N84) = 0
C1 BM = 3 - 1 (N85) =2
BC = 5 - 1 (N85) = 4
R1P BM = 3 - 1 (N6) -1(X6 ) =1
O2
BC = 2 - 1 (N6) -1(X6 ) = 0
O2
7. Resolviendo D4, se conoce N83
8. Resolviendo el balance de materia en GLOBAL, se conoce N27 , X91 X90 X13
H2O O2, O2 O2
9. Resolviendo R1P por un balance de materia y energía combinado asumiéndolo adiabático,
se conoce N7, X7 X7 ,X7 ,( N8, X8 X8 ,X8 , X86 X86 ,X86 , X87 X87
SO2, SO3 O2 SO2, SO3 O2, SO2, SO3 O2, SO2, SO3
,X87 , X88 X88 ,X88 )
O2, SO2, SO3 O2
10. Actualizando grados de libertad:
C1 BM = 2 - 1 (N83) =1
BC = 4 - 1 (N83) = 3
TD = 3 – 1(N27 ) = 2
H2O
D7 BM = 4 - 1(X91 ) =3
O2
BC = 3 - 1(X91 ) =2
O2
TBR = 6 – 1(X13 ) = 5
O2
R2P BM = 5 - 1 (N7) – 3(X7 X7 ,X7 ) =1
SO2, SO3 O2
BC = 4 - 1 (N7) – 3(X7 X7 ,X7 ) = 0
SO2, SO3 O2
D5 = 5 - 1 (N7) – 3(X7 X7 ,X7 ) =1
SO2, SO3 O2
M3 BM = 8 - 1 (N8) – 9(Composiciones corrientes 86,88,8) = -2
BC = 7 - 1 (N8) – 9(Composiciones corrientes 86,88,8) = 0
11. Resolviendo R2P adiabáticamente, se conoce N9, X9 , X9 , X9 (N10, X10 , X10 ,
O2 SO2 SO3 O2 SO2
X10 ).
SO312. Resolviendo M3 asumiéndolo adiabático, se conoce N88, N86.
13. Actualizando grados de libertad:
D5 = 1 - 1 (N86) = 0
C2 BM = 5 - 1 (N88) - 3(X87 X87 ,X87 ) =1
SO2, SO3 O2
BC = 7- 1 (N88) -3(X87 X87 ,X87 ) = 3
SO2, SO3 O2
IC = 8 - 1 (N9) - 3(X9 X9 ,X9 ) = 4
SO2, SO3 O2
R3P BM = 3 - 1 (N10) - 4(X10 X10 ,X10 X11 ) = -2
SO2, SO3 O2, O2
BC = 3- 1 (N10) -4(X10 X10 ,X10 X11 )=-2
SO2, SO3 O2, O2
14. Resolviendo D5 se conoce N87
15. Resolviendo R3P por medio de un balance elemental conocemos N11( N12, X11 X12
O2, O2
,X12 , X12 X13 ,X13 , N13 X90 ).
SO2, SO3, SO2 SO3, , O2
16. Actualizando grados de libertad:
IF BM = 6 - 1 (N11) - 1(X11 ) = 4
O2
BC = 7-- 1 (N11) - 1(X11 ) = 5
O2
TBR = 5 - 1 (N12) - 3(X12 X12 ,X12 ) =1
SO2, SO3 O2
D7 BM = 3 - 1 (N13) - 2(X13 X13 ) = 0
SO2, SO3
BC =2 - 1 (N13) - 2(X13 X13 ) = -1
SO2, SO3
TAI BM = 3 – 1(X90 ) = 2
O2
BC = 2 – 1(X90 ) = 1
O2
17. Resolviendo D7, se conoce N90.
18. Actualizando grados de libertad:
TAI BM = 2 – 1(N90) = 1
BC = 1 – 1(N90) = 0
19. Resolviendo el balance de materia y energía combinado de la TAI asumiéndola adiabática,
se conoce N14, X14 , X14 , X14 , N57, N59,( N15, X15 , X15 , X15 , X93 , X93 ,
O2 SO2 SO3 O2 SO2 SO3 O2 SO2
X93 , X89 , X89 , X89 )
SO3 O2 SO2 SO3
20. Actualizando grados de libertad:
TD = 2 – 1(N59) = 1
D2 = 1 – 1(N57) = 0
IC = 4 - 1 (N15) - 3(X15 X15 ,X15 ) = 0
SO2, SO3 O2
D6 = 5 - 1 (N14) - 3(X14 X14 ,X14 ) =1
SO2, SO3 O2
M4 BM = 8 - 9(Composiciones de las corrientes 93, 89 y 15) = -1BC = 8 - 9(Composiciones de las corrientes 93, 89 y 15) = -1
Se aclara que el M4 no se puede resolver porque se tienen dos ecuaciones con tres
incógnitas.
21. Resolviendo Divisor 2 se conoce N94, N56.
22. Resolviendo el balance de materia y energía combinado en el IC se conoce N16, X16 ,
O2
X16 , X16
SO2 SO3
23. Actualizando grados de libertad:
TD = 1 – 1(N56) = 0
E TAI BM = 2 – 1(N56) = 1
BC = 3 – 1(N56) = 2
R4P BM = 5 – 1(N16) – 3(X16 , X16 , X16 ) = 1
O2 SO2 SO3
BC = 5 – 1(N16) – 3(X16 , X16 , X16 ) = 0
O2 SO2 SO3
24. Resolviendo balance de materia y energía en el Tanque de dilución, se conoce N52 y N63
25. Actualizando grados de libertad:
D3 = 1 – 1(N52) = 0
TAF = 1 – 1(N63) = 0
26. Resolviendo Divisor 3, se conoce N53
27. Reconfirmando grados de libertad:
TAF = 0 – 1(N53) = -1
28. Resolviendo TAF, se conoce N18, X18 , X18 , X18 N17, X17 , X17 , X17 .
O2 SO2 SO3, O2 SO2 SO3
29. Actualizando grados de libertad.
ETAF BM = 2 – 1(N53) = 1
BC = 3 – 1(N53) = 2
ES BM = 7 – 1(N18) – 3(X18 , X18 , X18 ) = 3
O2 SO2 SO3
BC = 7 – 1(N18) – 3(X18 , X18 , X18 ) = 3
O2 SO2 SO3
R4P BM = 1– 1(N17) – 3(X17 , X17 , X17 ) = -3
O2 SO2 SO3
BC = 0 – 1(N17) – 3(X17 , X17 , X17 ) = -4
O2 SO2 SO3
30. Se comprueba en el reactor cuarto paso.1. Balances en el Quemador de azufre.
Los balances están desacoplados, por lo tanto se resuelve primero el balance de masa y luego el de
energía.
Balance de Masa
S: X4 N4 = N67
SO2 S
0.0966N4 = 43.6352
De donde: N4 = 451.7101
O: 2* (X4 + X4 )N4 = 2* X3 N3
SO2 O2 O2
43.6352 + 451.7101 X4 = 0.21N3 (1)
O2
N: X4 N4 = X3 N3
N2 N2
(1 - 0.0966 – X4 ) 451.7101= (1 – 0.21)N3 (2)
O2
Resolviendo simultáneamente (1) y (2), se tiene:
N3 = 451.7101 X4 = 0.1134
O2
Comprobando en flujos másicos:
Entra Sale
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
S 43.6352 1396.3264 SO 43.6352 2792.6528
2
O 94.8591 3035.4919 O 51.2239 1639.1648
2 2
N 356.8510 9991.8280 N 356.8510 9991.8280
2 2TOTAL 14423.6463 TOTAL 14423.6456
Balance Combinado
Estado de referencia. 25°C y 1 atm.
S + O fi SO
(r) 2(g) 2(g)
Calculo de entalpías de productos
Temperatura de productos: 919°C
(cid:229) HP = N4 *h4 + N4 *h4 +N4 *h4
SO2 SO2 SO3 SO3 O2 O2
(cid:229) HP = 3202307.806 kcal.
Calculo de entalpías de reactivos
T67 = 135°C T3 = 69.5 °C
(cid:229) HR= H67+H3
H67 =N67 *(cid:231)(cid:230) (cid:242) T f C dt+l + (cid:242) T67 C dt(cid:247)(cid:246)
S Ł TR PS(S) f T PS(L) ł
f
Resolviendo las integrales y reemplazando en la ecuación se tiene:
T : temperatura de fusión del azufre monoclínico = 118.9° C= 392.05 K
f
TR: temperatura de referencia = 25°C = 298.15K
T67: temperatura de salida del azufre = 135°C = 408.15K
H67=-42473.6790 kcal.
H3= N3 *h3 +N3 *h3
O2 O2 N2 N2
H3=140513.1617 kcal
(cid:229) HR= 182986.8407 Kcal
Cálculo del calor de reacción
(cid:229) D H o = N *D H o - N *D H o - N *D H o
rxn SO2formado FSO2 SO2rxn FS(s) O2rxn FO2(cid:229) D H o = 43.6352*(-70940)
rxn
(cid:229) D H o = -3095481.088 Kcal
rxn
Reemplazando en la ecuación de energía se tiene:
Q= -76160.1227 Kcal.
2. Balance de materia y energía combinado en la Torre de Secado
Balance de masa
H SO : X55 N55 = X54 N54
2 4 H2SO4 H2SO4
0.8959N55 = 0.9163N54 (3)
H O: X55 N55 = X54 N54 + X2 N2
2 H2O H2O H2O
0.1041N55 = 0.0837N54 +0.0321N2 (4)
N : N3 = (1 – 0.2033 – 0.0321)N2
2 N2
356.8510 = 0.7646N2
De donde N2 = 466.7159
Reemplazando N2 en (3) y resolviendo simultáneamente con (4):
N54 = 657.9419 N55 = 672.9235
Comprobando en el balance de O y en el balance total, tenemos:
2
O : N3 = N2
2 O2 O2
94.8591 = 94.8833
Total: N3 + N55 = N54 + N2
1124.6578 = 1124.6336
Las diferencias en los decimales pueden atribuirse a la incertidumbre de las mediciones en la planta
y al error humano en la lectura de datos.Balance de energía
H +S + 2O +0.0913H O fi H SO
2(g) (r) 2(g) 2 (l) 2 4(n=0.0913)
H +S + 2O +0.1162H O fi H SO
2(g) (r) 2(g) 2 (l) 2 4(n=0.1162)
H SO +0.0249H O fi H SO
2 4(n=0.0913) 2 (l) 2 4(n=0.1162)
0.0249H O fi 0.0249H O - - - - - l
2 (g) 2 (l) C
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
H SO +0.0249H O fi H SO
2 4(n=0.0913) 2 (g) 2 4(n=0.1162)
B +0.0249H O fi A
(l)(n=0.0913) 2 (g) (l)(n=0.1162)
D H° = D H° + D H°54 = -195316 kcal/kgmol
fB FH2SO4 d(n=0.0913)
D H° = D H° + D H°55 = -195590 kcal/kgmol
fA FH2SO4 d(n=0.1162)
Cálculo del calor de reacción
(cid:229) D H o = D H o N55 - D H o * N54 l N2
rxn FA H2SO4 FB H2SO4 + C H2O
(cid:229) D H o = -195316 * 602.8722 – (-195590) * 602.8722 + (-10500) * 14.9816
rxn
(cid:229) D H o = -322493.7828 Kcal
rxn
Calculo de las entalpías de productos
T3 = 72°C T55 = 81°C
(cid:229) HP= H3+H55
H3 = N3 *h3 +N3 *h3
O2 O2 N2 N2
H3 = 148418.4091 kcal
81 (cid:176) C
H55 = N55 (cid:242) C Cdt
P,97.91%,81(cid:176)
25(cid:176) C
H55= 1217328.228 Kcal.
(cid:229) HP=1365746.637 Kcal.Cálculo de entalpías de reactivos:
T54 = 75°C T2 = 58°C
(cid:229) HR= H54+H2
75(cid:176) C
H54 = N54 (cid:242) C dt
P,98.35%,75(cid:176) C
25(cid:176) C
H54 = 1077118.602 Kcal.
H2= N2 *h2 N2 *h2 + N2 *h2
O2 O2 H20 H2O N2 N2
H2 = 91727.9822 Kcal.
(cid:229) HR=1168846.584 Kcal.
Q = -125596.730 Kcal.
3. Mezclador 2 adiabático
Balance de masa
N85 = N5 - N84
N85 = 451.7101 - N84 (5)
Balance de energía
Cálculo de entalpías de producto
(cid:229) HP = N5 *h5 + N5 *h5 + N5 *h5
SO2 SO2 O2 O2 N2 N2
(cid:229) HP = 1436651.597 Kcal.
Cálculo de entalpías de reactivos
(cid:229) HR = H85+H84
H85 = N85 *h85 + N85 *h2185 + N85 *h85
SO2 SO2 O2 O2 N2 N2
H85 = 0.0966*3521.0618* N85 + 0.1134*2398.0114* N85+ 0.79*2300.2290* N85
H84 = N84 *h84 + N84 *h84 + N84 *h84
SO2 SO2 O2 O2 N2 N2
H84 = 0.0966*10759.8142*N84 + 0.1134*7039.2066* N84+0.79*6647.6640* N84
(cid:229) HR= 2429.25* N85 + 7089.2986* N84Q = 0 =1436651.597 - 2429.25* N85 - 7089.2986* N84 (6)
Reemplazando la (5) en (6)
N84 = 72.8179 N85 = 378.8922
N84 = 7.0342 N85 = 36.6010
SO2 SO2
N84 = 8.2575 N85 = 42.9664
O2 O2
N84 = 57.5262 N85 = 299.3248
N2 N2
4. Balances en el filtro de gases calientes
El balance de masa en el filtro es trivial.
N6 = 43.6352 N6 = 51.2239 N6 = 356.8510
SO2 O2 N2
Balance de energía
Q = N6 *(h6 - h5) + N6 ( h6– h5) + N6 (h6– h5)
SO2 SO2 O2 O2 N2 N2
Q = -17784.1352 Kcal.
5. Balance de materia en el divisor 4
N83 = N4 - N84
N83 = 378.8922 N83 = 36.6010
SO2
N83 = 42.9664 N83 = 299.3248
O2 N2
6. Balances elementales en el Global.
H: 2* N62 + 2* N62 = 2* N2 + N27
H2SO4 H2O H2O H2O
42.1667 = 14.9816 + N27
H2O
N27 = 27.1851
H2O
O: 2* N19 + 3* N19 + 2* N19 + 4* N62 + N62 +2*X91 N91 +
SO2 SO3 O2 H2SO4 H2O SO2
3* X91 N91 + 2* X91 N91 = N2 + 2* N2 + N27
SO3 O2 H2O O2 H2O
2(0.2569) + 3(0.0061) + 2(26.4943) + 4(38.6373) + 3.5296 + 2(0.5093)
+ 3(4.2256) + 94.3214X91 = (14.9816) + 2(94.8833) + 27.1851
O2
X91 = 0.0704
O2X91 = 0.8292
N2
Comprobando en los balances de azufre y nitrógeno:
S: N19 + N19 + N62 + N91 + N91 = N67
SO2 SO3 H2SO4 SO2 SO3 S
0.2569 + 0.0061 + 38.6373 + 0.5093 + 4.2256 = 43.6352
43.63652 = 43.6352
N: N91 + N19 = N2
N2 N2 N2
39.1057 + 330.0201 = 356.8510
369.1258 = 356.8510
La diferencia entre los dos valores es igual a 12.2748 y corresponde a un porcentaje de error
equivalente al 3.4398%, que como se mencionó anteriormente puede deberse a la incertidumbre
de los datos.
7. Balance combinado de materia y energía en el primer paso del convertidor catalítico
R1P.
El diagrama del equipo es:
N7
SO2
N6 = 43.6352 N7
SO2 SO3
R1P
N6 = 51.2239 N7
O2 O2
N6 = 356.8510 N7
N2 N2
T6 = 433°C T7 = 603°C
r1
SO + ½ O SO
2 2 3
En donde r1 es la velocidad de reacción.
Balances de materia por componente, expresados en función de r1:
SO : N7 = 43.6352 – r1 (7)
2 SO2SO : N7 = 0 + r1 (8)
3 SO3
O : N7 = 51.2239 – 0.5 r1 (9)
2 O2
N : N7 = 356.8510
2 N2
El resumen másico del R1P, en función de r1 es:
Entra T6 = 433°C Sale T7 = 603°C
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
SO 43.6352 2792.6528 SO 43.6352 – r1 2792.6528 – 64r1
2 2
O 51.2239 1639.1648 SO r1 80r1
2 3
N 356.8510 9991.8280 O 51.2239 – 0.5r1 1639.1648 – 16r1
2 2
N 356.8510 9991.8280
2
TOTAL 14423.6456 TOTAL 14423.6456
Balance de Energía
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera.
El R1P se asume adiabático, por consiguiente Q = 0.
Q = 0 = S HP + S D H0 -S HR
RXN
S D H0 = r1 * D Hf - r1 * D Hf
RXN SO3 SO2
Empleando el apéndice K 8, para obtener los calores de formación, se tiene:
Cálculo del calor de reacción
S D H0 = r1Kgmol (-94390Kcal/Kgmol) - r1Kgmol (-70940Kcal/Kgmol)
RXN
S D H0 = - 23450 r1Kcal
RXN
Cálculo de la entalpía de productos
S HP = r1 * h + 356.8510 * h + (43.6352 – r1) * h + (51.2239-0.5r1) * h
SO3 N2 SO2 O2
8 Valencia, B. H. Balances de Energía. Vol.2.De las Tablas de Entalpía de gases9, para una temperatura de 433°C, se tiene, h
en Kcal/Kgmol:
S HP = r1 * 9450.2148 + 356.8510 * 4173.633 + (43.6352 – r1) * 6632.1074 +
(51.2239 – 0.5r1) * 4408.216
S HP = 2004564.458 + 613.9994r1 Kcal.
Cálculo de la entalpía de productos
SHR = 51.2239 * 3038.8104 + 43.6352 * 4508.3034 + 356.8510 * 2898.9006
S HR = 1386856.0186Kcal
Remplazando en la ecuación general
Q=0 = 2004564.458 + 613.9994r1 Kcal + (- 23450 r1Kcal) - 1386856.0186 Kcal
De donde r1 = 27.0498
Al reemplazar el valor de r1 en las ecuaciones (7), (8) y (9), se obtiene:
N7 = 16.5864 N7 = 27.0498
SO2 SO3
N7 = 37.6990
O2
Y con N7 = 356.8510, N7 = 438.1862
N2
Las composiciones son:
X7 = 0.0379 X7 = 0.0617
SO2 SO3
X7 = 0.086 X7 = 0.8144
O2 N2
8. Balance combinado de materia y energía en el segundo paso del convertidor
catalítico R2P.
El diagrama del equipo es:
N9
SO2
N8 = 16.5864 N9
SO2 SO3
R2P
N8 = 27.0498 N9
SO3 O2
N8 O2 = 37.6990 N9
N2
9 Valencia, BN. H8. T =ab 3la5s6 .d8e5 1E0n taTlp8ía =d e4 G9a2s°eCs. 1985 T9 = 542°C
N2SO + ½ O r 2 SO
2 2 3
En donde r2 es la velocidad de reacción.
Balances de materia por componente, expresados en función de r2:
SO : N9 = 16.5864 – r2 (10)
2 SO2
SO : N9 = 27.0498 + r2 (11)
3 SO3
O : N9 = 37.6990 - 0.5 r2 (12)
2 O2
N : N9 = 356.8510
2 N2
El resumen másico del R2P, en función de r2 es:
Entra T8 = 492°C Sale T9 = 542°C
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
SO 16.5864 1061.5296 SO 16.5864 – r2 1061.5296 - 64r2
2 2
SO 27.0498 2163.984 SO 27.0498 + r2 2163.984 + 80r2
3 3
O 37.6990 1206.3680 O 37.6990 – 0.5r2 1206.3680 – 16r2
2 2
N 356.8510 9991.8280 N 356.8510 9991.8280
2 2
TOTAL 14423.7096 TOTAL 14423.7096
Balance de Energía
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera.
El R2P se asume adiabático, por consiguiente Q = 0.
• Cálculo del S D H0
RXN
S D H0 = - 23450* r2 Kcal.
RXN• Cálculo de S HP
De las Tablas de Entalpía de gases10, para una temperatura de 492°C, se tiene:
S HP = (r2 + 27.0498) * 8296.6408 + 356.8510 * 3710.8408 + (16.5864 – r2) *
5859.5668 + (37.6990 – 0.5r2) * 3910.94
S HP = 1793267.3701 +481.604r2 Kcal.
• Cálculo de S HR
De las Tablas de Entalpía de gases11, para una temperatura de 542°C, se tiene:
S HR = 16.5864 * 5234.394 + 27.0498 * 7368.9648 + 37.6990 * 3507.9436 +
356.8510 * 3335.88
S HR = 1608806.8563 Kcal.
Retomando la ecuación general tenemos:
Q = 0 = S HP + S D H0 -S HR
RXN
Q = 0 = 1793267.3701+481.604r2 Kcal+(-23450 r2Kcal) - 1608806.8563 Kcal.
De donde r2 = 8.0311
Al reemplazar el valor de r2 en las ecuaciones (10), (11) y (12), se obtiene:
N9 = 8.5543 N9 = 35.0809 N9 = 33.6835
SO2 SO3 O2
Y con N9 = 356.8510, N9 = 434.1697
N2
Las composiciones son:
X9 = 0.0197 X9 = 0.0808
SO2 SO3
10 Valencia, B. H. Tablas de Entalpía de Gases.1985
11 Valencia, B. H. Tablas de Entalpía de Gases.1985X9 = 0.0776 X9 = 0.8219
O2 N2
9. Se resuelve el mezclador tres (M3), adiabáticamente.
Por medio de un balance trivial, se tiene:
N88= N8 - N86
N88= 438.1862 - N86 (13)
Balance de energía
Q= 0 = (cid:229) HP - (cid:229) HR
Cálculo de entalpías de producto
(cid:229) HP = N8 *h8 + N8 *h8 +N8 *h8 +N8 *h8
SO2 SO2 SO3 SO3 O2 O2 N2 N2
(cid:229) HP=1612457.676 Kcal.
Cálculo de entalpías de reactivos
(cid:229) HR= H88 +H86
H88= N88 *h88 + N88 *h88 +N88 *h88 +N88 *h88
SO2 SO2 SO3 SO3 O2 O2 N2 N2
H88=(0.0379*4337.9262+0.0617*6049.9886+0.086*2928.5072+0.8144*2796.0258)*N88
=3066.6267* N88
H86= N86 *h86 +N86 *h86 +N86 *h86 +N86 *h86
SO2 SO2 SO3 SO3 O2 O2 N2 N2
H86= (0.0379*6644.9132 + 0.0617*9469.4464+ 0.086*4416.4388 + 0.8144*4181.3040)* N86 =
4621.1748* N86
(cid:229) HR = 3066.6267*N88 + 4621.1748* N86
Reemplazando la ecuación (13), se tiene:
(cid:229) HR = 1343753.5+1554.5481*N86
y este resultado en la ecuación general de energía
Q = 0 = 1612457.676 - 1343753.5 - 1554.5481* N86Despejando se tiene:
N86 = 172.8503 N88 = 265.3359
N86 = 6.5510 N88 = 10.0562
SO2 SO2
N86 = 10.6649 N88 = 16.3712
SO3 SO3
N86 = 14.8651 N88 = 22.8189
O2 O2
N86 = 140.7693 N88 = 216.0896
N2 N2
10. Balances de materia en el divisor cinco(D5)
Balance trivial:
N87 = N7 - N86
N87 = 438.1862 – 1728503
N87 = 265.3359
N87 = 10.0562 N87 = 16.3712
SO2 SO3
N87 = 22.8189 N87 = 216.0896
O2 N2
11. Balance combinado en el tercer paso del reactor, R3P.
S: (X11 + X11 )N11 = N9 + N9
SO2 SO3 SO2 SO3
(0.0108 + 0.0896)N11 = 8.5543 + 35.0809
N11 = 434.6135
Comprobando en los balances de oxígeno y nitrógeno, se tiene:
O: (2 * 0.0108 + 3 * 0.0896 + 2 * 0.0704) 434.6135 = 2 * 8.5543 + 3 * 35.0809 + 2 *
33.6835
187.4053 = 189.7183
La diferencia entre los dos valores corresponde a un porcentaje del 1.2342%
N: 0.8292 * 434.6135 = 356.8510
360.3815 = 356.8510
En porcentaje, la diferencia entre los resultados es 0.9797%.
El resumen en flujos másicos es:Entra Sale
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
SO 8.5543 547.4752 SO 4..6938 300.4032
2 2
SO 35.0809 2806.4720 SO 38.9414 3115.3120
3 3
O 33.6835 1077.8720 O 30.5968 979.0976
2 2
N 356.8510 9991.8280 N 360.3015 10088.4420
2 2
TOTAL 14423.647 TOTAL 14483.2548
La diferencia entre la masa que entra y la que sale del tercer paso del reactor es 59.6078 Kg/h, que
expresada porcentualmente es 0.4133%.
Balance de energía
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera
S D H0 = -90528.7250 Kcal.
RXN
De las Tablas de Entalpía de gases12, para una temperatura de 465°C, se tiene:
S HR = 1520208.3651 Kcal
De las Tablas de Entalpía de gases, para una temperatura de 492°C, se tiene:
S HP = 1609712.2780 Kcal.
Retomando la ecuación general tenemos:
Q = -1024.8121 Kcal.
12. Balances por componente en el Divisor 7.
N11 = N13 = 434.6135
N13 = 4.6938 N13 = 38.9418
SO2 SO3
N13 = 30.5968 N13 = 360. 3015
O2 N2
12 Valencia, B. H. Tablas de Entalpía de Gases.1985Total:
N13 – N91 = N90
434.6135 – 47.1607 = N90
N90 = 387.4528
13. Balance combinado de materia y energía en la Torre de Absorción Intermedia.
El diagrama del equipo es:
N14
N90 = 4.1845 SO2
SO2
T90 = 84°C T14 = 96°C N14
N90 = 34.7158 SO3
SO3
N14
N90 = 27.2767 O2
O2
N14
N90 = 321.2758 N2
N2
TAI
N57 N59
X57 =0.9163 X59 = 0.9489
H2SO4 H2SO4
(X57 H2O=0.0837) (X59 H2O=0.0511)
T57 = 84°C T59 = 100°C
r3
SO + HO H SO
3 2 2 4
En donde r3 es la velocidad de reacción.
Balances de materia por componente, expresados en función de r3:
SO : N14 = 4.1845
2 SO2
SO : N9 = 34.7158 – r3 (15)
3 SO3
O : N9 = 27.2767
2 O2
N : N9 = 321.2758
2 N2
H O: 0.0511N59 = 0.0837N57 – r3 (16)
2
H SO :0.9489N59 = 0.9163N57 + r3 (17)
2 4
Sumando algebraicamente las ecuaciones (16) y (17), se tiene que:
N59 = N57 (18)
Como deben expresarse en función de r3, entonces:0.0326N59 = r3, de donde:
N59 = 30.6749r3 (19)
Reemplazando (18) en (19):
28.1074r = 0.9163N57
N57 = 30.6749r3 (20)
El resumen másico de la TAI, en función de r3 es:
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
SO 4.1845 1061.5296 SO 4.1845 267.8080
2 2
SO 34.7158 2163.984 SO 34.7158 – r3 2777.2640 – 80r3
3 3
O 27.2767 1206.3680 O 27.2767 872.8544
2 2
N 321.2758 9991.8280 N 321.2758 8995.7224
2 2
H SO 28.1074r3 2754.5252r3 H SO 29.1074r3 2852.5263r3
2 4 2 4
H O 2.5675r3 46.2150r3 H O 1.5675r3 28.2148r3
2 2
TOTAL 12913.6488+ TOTAL 12913.6488+
2800.7402r3 2800.7411r3
Balance de Energía
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera.
Como la torre se asume adiabática, Q = 0.
• Cálculo del S D H0
RXN
( )
N57 H SO +rSO +rH O fi N57 +rH SO
H2SO4 2 4(n=0.0913) 3(g) 2 (l) H2SO4 2 4(n=0.0539)
( )
N57 A +rSO +rH O fi N57 +r B
H2SO4 (l) 3(g) 2 (l) H2SO4 (l)
D H° = D H° + D H°59 = -194890 kcal/kgmol
fB FH2SO4 d(n=0.0539)
D H° = D H° + D H°57 = -195316 kcal/kgmol
fA FH2SO4 d(n=0.0913)S D H0 =(N57 +r) D H° - rD H° - rD H° – N57 D H°
RXN H2SO4 fB fSO3 fH2O H2SO4 fA
S D H0 = -20208.8476 Kcal.
RXN
• Cálculo de S HR
S HR = H57 +H90
H90 = N90 *h90 + N90 *h90 +N90 *h90 +N90 *h90
SO2 SO2 SO3 SO3 O2 O2 N2 N2
H90 =172169.4735 Kcal.
84(cid:176) C
H57 = N57 (cid:242) C dt
P,98.35%,84(cid:176) C
25(cid:176) C
H57=65296.4633*r
S HR= 65296.4633*r+172169.4733
• Cálculo de S HP
S HP= H59 +H14
H14 = N14 *h14 + N14 *h14 + N14 *h14 + N14 *h14
SO2 SO2 SO3 SO3 O2 O2 N2 N2
H14 = 4.1845 * 698.7764 + (34.7158 - r) * 913.4408 + 27.2767 * 503.0852 +
321.2758 * 494.8468 = 207339.634 - 913.4408 * r
100(cid:176) C
H59 = N59 (cid:242) C dt
P,99.02%,100(cid:176) C
25(cid:176) C
H59 = 84162.1096*r
S HP= 84162.1096*r+207339.6634
Reemplazando en la ecuación general:
Q = 0 = S HP + S D H0 - S HR
RXN
Q = 0 = 84162.1096*r + 207339.6634 - 20208.8476 * r - 65296.4633 * r - 172169.4733
r= 26.1839
Reemplazando el valor de r en las ecuaciones (19) y (20) se tiene:
N59 = 803.1885 N59 = 762.1456
H2SO4N59 = 41.0429
H2O
N57 = 803.1885 N57 = 735.9616
H2SO4
N57 = 67.2269 N14 = 8.5319
H2O SO3
Comprobando en masa :
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
SO 4.1845 267.8080 SO 4.1845 267.8080
2 2
SO 34.7158 2777.2640 SO 8.5319 682.5520
3 3
O 27.2767 872.8544 O 27.2767 872.8544
2 2
N 321.2758 8995.7224 N 321.2758 8995.7224
2 2
H SO 735.9616 72124.2368 H SO 672.1456 74690.26883
2 4 2 4
H O 67.2269 1210.0842 H O 41.0429 738.8820
2 2
TOTAL 86247.9698 TOTAL 86248.0876
El porcentaje de error es del orden de 0.0001%
14. Balances por componente en el Divisor 2.
Total:
N60 + N57= N62 + N57= N94 = N56
N56 = 845.3552 N56 = 754.5990 N56 = 70.7562
H2SO4 H2O
15. Se resuelve el intercambiador caliente de calor, con un balance de materia y
energía.
Balance de materia es trivial:
N10 = 8.5543 N16 = 4.1845
SO2 SO2
N10 = 35.0809 N16 = 8.5319
SO3 SO3
N10 = 33.6835 N16 = 27.2767
O2 O2
N10 = 356.8510 N16 = 321.2758
N2 N2
Balance de energía
T10 = 465°C T9 = 535°C
T16 = 483°C T15 = 396°CQ = S HP -S HR
Q = N10 *(h10 – h9) +N10 *(h10 – h9) + N10 ( h10– h9) + N10 (h10– h9) + N16 *(h16 –
SO2 SO2 SO3 SO3 O2 O2 N2 N2 SO2
h15) +N16 *(h16 – h15) + N16 ( h16– h15) + N16 (h16– h15)
SO2 SO3 SO3 O2 O2 N2 N2
Q = -15540.8834 Kcal.
16. Balance de materia y energía en el tanque de dilución.
El resultado del balance de materia es:
N63 = 2891.6809 N63 = 2662.0814 N63 = 229.5995
H2SO4 H2O
N52 = 3549.6228 N52 = 3252.5194 N52 = 297.1034
H2SO4 H2O
Balance de energía
Q = S HP + S D H0 -S HR
RXN
Cálculo de SHP
T52 = 96°C T56 = 96°C
S HP= H52 +H56
96(cid:176) C
H52 = N52 (cid:242) C dt
P,98.35%,96(cid:176) C = 9223570.964Kcal
25(cid:176) C
96(cid:176) C
H56 = N56 (cid:242) C dt
P,98.35%,96(cid:176) C = 2196625.984 Kcal
25(cid:176) C
S HP= 11420196.95 Kcal
Cálculo de SHR
T27 = 25°C T55 = 81°C
T59 = 100°C T63 = 97°C
S HR= H55 +H27 +H59 +H6381(cid:176) C
H55 = N55 (cid:242) C P,97.91%,81(cid:176) Cdt = 1358776.821Kcal
25(cid:176) C
97(cid:176) C
H63 = N63 (cid:242) C dt
P,98.44%,97(cid:176) C = 7469336.685 Kcal
25(cid:176) C
100(cid:176) C
H59 =N59 (cid:242)
C dt
P,99.02%,100(cid:176) C = 2203692.224Kcal
25(cid:176) C
La entalpía de la corriente 27 es cero ya que se encuentra a la temperatura de referencia = 25°C.
S HR =11031805.73 Kcal.
Cálculo de S D H0
RXN
H SO +0.1162H O fi H SO55
2 4(l) 2 (l) 2 4 (n=0.1162)
HD O55 = - 1900Kcal/kgmol
d
H SO +0.0539H O fi H SO59
2 4(l) 2 (l) 2 4 (n=0.0539)
HD O59 = - 1200Kcal/kgmol
d
H SO + 0.0862H O fi H SO63
2 4(l) 2 (l) 2 4 (n=0.0862)
HD O63 = - 1550 Kcal /kgmol
d
H SO + 0.0913H O fi H SO52
2 4(l) 2 (l) 2 4 (n=0.0913)
HD O52 = - 1626Kcal /kgmol
d
H SO + 0.0913H O fi H SO56
2 4(l) 2 (l) 2 4 (n=0.0913)
HD O56 = - 1626 Kcal /kgmol
dS D H0 = N52 * D Ho52 + N56 * D Ho56 - N55 * D Ho55 -N63 * D Ho63 - N59 * D Ho59
RXN H2SO4 d H2SO4 d H2SO4 d H2SO4 d H2SO4 d
= -361836.4484 Kcal.
Reemplazando en la ecuación general, el calor es:
Q = 26554.7716 Kcal.
17. Balance de materia del divisor 3
N53 = N52 - N54
N53= 2891.6809
N53 = 2649.6472 N53 = 242.0337
H2SO4 H2O
18. Balance de materia y energía en la torre de absorción final.
SO + HO H SO
3 2 2 4
En donde r4 es la velocidad de reacción.
Balances de materia por componente, expresados en función de r4:
SO : N18 = 0.2569
2 SO2
SO : 0.0061 = N18 – r4 (21)
3 SO3
O : N18 = 26.4943
2 O2
N : N18 = 330.0201
2 N2
H O: 2662.0814 = 2649.6472 + r4 (22)
2
H SO : 229.5995 = 242.0337 - r4 (23)
2 4
Despejando de la ecuación (22) y (23):
r = 12.4342
El resumen másico de la TAF, en función de r4 es:
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
SO 0.2569 16.4416 SO 0.2569 16.4416
2 2SO 12.4405 995.2240 SO 0.0061 0.4880
3 3
O 26.4943 847.8176 O 26.4943 847.8176
2 2
N 330.0201 9240.5628 N 330.0201 9240.5628
2 2
H SO 2649.6472 259665.4556 H SO 2662.0814 260883.9772
2 4 2 4
H O 242.0337 4356.6066 H O 229.5995 4132.7910
2 2
TOTAL 275122.1081 TOTAL 275122.0782
Balance de Energía
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera.
Como la torre se asume adiabática, Q = 0.
• Cálculo del S D H0
RXN
N53 H SO +rSO +rH O fi N63 H SO
H2SO4 2 4(n=0.0913) 3(g) 2 (l) H2SO4 2 4(n=0.0862)
N53 A +rSO +rH O fi N63 B
H2SO4 (l) 3(g) 2 (l) H2SO4 (l)
D H° = D H° +D H°63 = -195240 kcal/kgmol
fB FH2SO4 d(n=0.0862)
D H° = D H° + D H°53 = -195316 kcal/kgmol
fA FH2SO4 d(n=0.0913)
S D H0 = N63 D H° - rD H° - rD H° – N53 D H°
RXN H2SO4 fB fSO3(g) fH2O(l) H2SO4 fA
S D H0 = -2242904.101 Kcal.
RXN
Cálculo de S HR
T53 = 85°C T18 = 206°C
S HR= H53 +H18
H18 = N18 *h18 + N18 *h18 +N18 *h18 +N18 *h18
SO2 SO2 SO3 SO3 O2 O2 N2 N2
H18 = 483859.0148 Kcal.
85(cid:176) C
H53 =N53 (cid:242)
C dt
P,98.35%,85(cid:176) C = 6267209.126 Kcal
25(cid:176) CS HR= 6751068.141Kcal.
Cálculo de S HP
T63 = 97°C T19 = 73°C
S HP= H63+H19
H19 = N19 * h19 + N19 * h19 + N19 * h19 + N19 * h19
SO2 SO2 SO3 SO3 O2 O2 N2 N2
H19 = 119517.7174 Kcal
97(cid:176) C
H63 = N63 (cid:242) C dt
P,98.44%,97(cid:176) C = 7469336.685
25(cid:176) C
S HP= 7588854.402 Kcal
reemplazando en la ecuación general:
Q = 0 = S HP + S D H0 -S HR
RXN
Q = 3080690.362 Kcal.
19. Se comprueba el balance de materia en el R4P y se realiza el balance de energía
para éste equipo.
A continuación se presenta el resumen másico del reactor cuarto paso.
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
SO 4.1845 267.8080 SO 0.2569 16.4416
2 2
SO 8.5319 682.5520 SO 12.9403 995.2240
3 3
O 27.2767 872.8544 O 26.4943 847.8176
2 2
N 321.2758 8995.7224 N 330.0201 9240.5628
2 2
TOTAL 10818.9368 TOTAL 11900.046
Balance de Energía
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera.Q = 0 = S HP + S D H0 -S HR
RXN
Cálculo del calor de reacción
S D H0 = - 92102.22 Kcal
RXN
Cálculo de la entalpía de productos
T18 = 467°C
S HP = 1202694.2194Kcal.
Cálculo de la entalpía de reactivos
T14 = 437°C
S HR = 1111855.3456 Kcal.
Remplazando en la ecuación general
Q = -1263.3462 Kcal.
20. Balance en el fundidor de azufre.
Teniendo en cuenta la medición de los condensados con una masa de vapor de 707.4 kg/h y con
un calor de vaporización a 6.89 bar de 2068.5 KJ/Kg, se tiene:
Q = 707.4 Kg/h * 2068.5KJ / Kg = 1463256.9KJ / h= 81829.29cal / h * ton ácido
21. Balances en el economizador supercalentador
En este equipo no se tienen flujos de vapor, de agua que llegan a los serpentines del economizador
supercalentador, por lo tanto solamente se puede calcular el calor cedido por los gases hacia el
vapor y el agua.
Q = N17 * (h18 – h17) + N17 * (h18 – h17) + N17 ( h18– h17) + N17 (h18– h17)
CE/S SO2 SO2 SO3 SO3 O2 O2 N2 N2
Corriente 17 Corriente 18
T17= 467°C T18= 206°C
(cid:229) (cid:229)
HR =1214523.893Kcal HP = 483859.0148Kcal
Q = -730664.8786 Kcal.22. Balance en el precalentador desaireador
A éste equipo no se le puede realizar ningún balance térmico por la falta de flujos de agua de
entrada y salida, de flujos de vapor. Solamente se cuenta con los flujos de condensados.
23. Balance en el conjunto de calderas y domo de vapor.
No se cuenta con datos de flujos de vapor, de agua, de purgas en las calderas, por lo tanto no se
puede hacer un balance completo de éste. Se puede realizar el cálculo del calor cedido por los
gases de cada una de las calderas hacia el agua que sale del domo.
Calor cedido por la caldera uno:
Q = N83 *(h85 – h83) + N83 ( h85– h83) + N83 (h85– h83)
C1 SO2 SO2 O2 O2 N2 N2
Corriente 83 Corriente 85
T83= 919°C T85= 351°C
h =10759.8142 h =3521.0618
SO2 SO2
h =7039.2066 h =2398.0114
O2 O2
h =6647.6640 h =2300.2290
N2 N2
Q = -1765656.138 Kcal.
C1
Calor cedido por la caldera dos:
Q = N87 * (h88 – h87) + N87 * (h88 – h87) + N87 ( h88– h87) + N87 (h88– h87)
C2 SO2 SO2 SO3 SO3 O2 O2 N2 N2
Corriente 88 Corriente 87
T88= 419°C T87= 604°C
h =4337.9262 h =6644.9132
SO2 SO2
h =6049.9886 h =9469.4464
SO3 SO3
h =2928.5072 h =4416.4388
O2 O2
h =2796.0258 h =4181.3040
N2 N2Q = - 412477.3247 Kcal.
C2
24. Balance de energía en la torre de enfriamiento
Para las temperaturas del ácido que va a las torres de absorción, la experiencia ha demostrado que
pueden variar entre 75°C y 85°C, y para la torre de secado puede variar entre 65°C y 75°C.
En la planilla con la que se está trabajando, se tienen unas temperaturas promedio de las entradas
de ácido a cada torre, la temperatura del tanque de bombeo, la temperatura de la fosa y la
temperatura de salida del agua del serpentín.
Tabla 1. Condiciones actuales de operación
T° Ácido T° Agua
TD TAI TAF TS Fosa Salida
°C 96 84 85 75 40 50
°F 204.8 183.0 185 167 104 122
Los flujos de ácido a cada torre, fueron determinados anteriormente en el balance de masa y son:
TAI = 803.1885 Kgmol/h = 73334.3210 Kg/h
TAF = 2791.6806 Kgmol/h = 263022.322 Kg/h
TS = 657.9419 Kgmol/h = 60072.7302 Kg/h
Empleando la siguiente ecuación, se halla la capacidad calorífica del ácido en cada torre:
Cp=1.86914 - 1.72294 *10- 2 T +3.11326 *10- 4 T2 - 1.02325 *10- 6 T3
Con Cp en KJ/Kg°C y T en °C
a continuación se muestran los resultados con Cp en KJ/Kg:
TAI, Cp = 25.1365 KJ/Kg
H2SO4
TAF, Cp = 23.1176 KJ/Kg
H2SO4
TS, Cp = 42.7168 KJ/Kg
H2SO4Ahora, se calcula el calor cedido por el ácido, así:
TAI, Q = 1951906.139 KJ/h = 1850077.148 BTU/h
TAF, Q = 6462934.479 KJ/h = 6125737.944 BTU/h
TS, Q = 2717208.083 KJ/h = 2575440.724 BTU/h
Y la diferencia de temperatura media logarítmica, es :
D TML = 80.9867 °F
TAI
D TML = 81.8967 °F
TAF
D TML = 72.4496 °F
TS
Los coeficientes de diseño actuales de operación, son :
U = 29.9832 BTU/h pie2 °F
D TAI
U = 235.5854 BTU/h pie2 °F
D TAF
U = 62.2122 BTU/h pie2 °F
D TS
Finalmente, los valores del factor de obstrucción experimentales, son :
R = 0.0303
D TAI
R = 0.0009
D TAF
R = 0.0129
D TSBALANCES DE COMBINADO DE MATERIA Y ENERGÍA TEÓRICOS
El diagrama de flujo de la producción de ácido sulfúrico en Industrias Básicas de
Caldas S.A. es el mismo del balance experimental. Ver Anexo II.
La información empleada para la realización de los balances de materia teóricos se
obtuvo a partir de el manual de diseño de la planta, de los planos de los equipos y
de los diagramas de proceso a máxima capacidad.
Las condiciones de operación de la planta teóricas son:
- Producción = 4122.77 Kg/h de ácido sulfúrico
- Concentración del ácido sulfúrico producto promedio = 98.5%
- Descarga del soplador = 381 cmH O
2ASUNCIONES PARA EL PROCESO
Para el desarrollo de los balances teóricos se tuvieron en cuenta las mismas
asunciones de los balances experimentales, excepto la de la torre barredora, pues
aquí ésta si se considera y el convertidor catalítico no se supone adiabático, debido
a que se cuenta con suficientes datos para el cálculo del calor.Tabla de Grados de Libertad
La tabla de grados de libertad se efectuó considerando balances de materia por
componente en el primero y segundo paso del reactor, en la torre de secado y
balances de materia elementales en las demás unidades. Esta tabla se muestra en
el Anexo IV.
A continuación se presenta la estrategia de solución:.
Estrategia de Solución
19. Se resuelve el balance combinado elemental en el Quemador (QA) y se conoce N3, N4 , X4
O2
N5 , X5 X84 X85 X85
, O2, O2, O2, SO2
20. Reconfirmando Grados de libertad:
D2= 0 – 0 = 0
D3= 0 – 0 = 0
3. Resolviendo Divisor 2 se conoce N56.
4. Reconfirmando Grados de libertad:
D3= 0 – 0 = 0
5. Resolviendo Divisor 3, se conoce N52
6. Actualizando grados de libertad:
D4 BM = 3 – 1(N4) -1(X4 ) = 1
O2
BC = 3 – 1(N4) -1(X4 ) = 1
O2
M2 BM = 5 – 1(N5) – 3(X5 X84 X85 ) = 1
O2, O2, O2
BC = 4 - 1(N5) – 3(X5 X84 X85 ) = 0
O2, O2, O2
TS = 1 – 1(N3) = 0
FGC= 2 - 1(N5) – 1(X5 ) = 0
O2
TD = 7 - 2(N56, N52) = 5
ETAI BM = 3 – 1(N56) = 2
BC = 4 - 1(N56) = 37. Resolviendo M2 asumiéndolo adiabático, se conoce N84 y N85
8. Resolviendo en la Torre de secado (TS) balance de materia y energía, se conoce N2, X2 ,
O2
X55 y N55
H2SO4
9. Reconfirmando Grados de Libertad
FGC = 0 – 0 = 0
10. Resolviendo balance combinado en el FGC, se conoce N6, X6
O2
11. Actualizando grados de libertad
TD = 5 – 1(N55) – 1(X55 ) = 3
H2SO4
Global = 2 –1(N2) – 1(X2 ) = 0
O2
D4 = 1 – 1(N84) = 0
C1 BM = 2 - 1 (N85) =1
BC = 3 - 1 (N85) = 2
R1P BM = 2 - 1 (N6) -1(X6 ) =0
O2
BC = 2 - 1 (N6) -1(X6 ) = 0
O2
12. Resolviendo D4, se conoce N83
13. Resolviendo R1P por un balance de materia y energía combinado se conoce N7, X7
SO2,
X7 , ( N8, X8 X8 , X86 X86 ,X86 , X88 X88 )
SO3 SO2, SO3 SO2, SO3 O2 SO2, SO3
14. Actualizando grados de libertad:
R2P BM = 3 - 1 (N8) – 2(X8 X8 ) =0
SO2, SO3
BC = 3 - 1 (N8) – 2(X8 X8 ) = 0
SO2, SO3
D5 = 5 - 1 (N7) – 2(X7 X7 ) =2
SO2, SO3
M3 BM = 6 - 7(X86 X86 X86 X88 X88 X8 X8 ) = -1
SO2, SO3, O2, SO3, SO2, SO3, SO2
BC = 5 - 7(X86 X86 X86 X88 X88 X8 X8 ) = -2
SO2, SO3, O2, SO3, SO2, SO3, SO215. Resolviendo M3 asumiéndolo adiabático, se conoce N88, N86.
16. Resolviendo R2P se conoce N9, X9 , X9 (N10, X10 , X10 ).
SO2 SO3 SO2 SO3
17. Actualizando grados de libertad:
D5 = 2 - 2 (N86) – (X86 )= 0
O2
C2 BM = 3 - 1 (N88) =2
BC = 4 - 1 (N88) = 3
IC BM = 5 - 1 (N9) - 2(X9 X9 ) = 2
SO2, SO3
BC = 5 - 1 (N9) - 2(X9 X9 ) = 2
SO2, SO3
R3P BM = 1 - 1 (N10) - 2(X10 X10 ) = -2
SO2, SO3
BC = 1- 1 (N10) - 2(X10 X10 )= -2
SO2, SO3
18. Resolviendo D5 se conoce N87
19. Resolviendo R3P por medio de un balance combinado conocemos N11( N12, N13).
20. Actualizando grados de libertad:
IF BM = 3 - 1 (N11) = 2
BC = 4 - 1 (N11) = 3
TBR BC= 2 - 2 (N12, N13) = 0
D7 BM = 2 - 1 (N11) = 1
BC =2 - 1 (N11) = 1
21. Resolviendo el balance de energía en la torre barredora, pues ya se conocen todos los
flujos.
22. Reconfirmando Grados de libertad
Global = 0 – 0 = 023. Resolviendo el balance de materia en GLOBAL, se conoce N27 , X91 X19 , N91
H2O O2, SO2
24. Actualizando grados de libertad:
TD BM = 3 – 1(N27) = 2
TAF BC = 3 – 1(N19) - 1(X19 )= 1
SO2
D7 BM = 1 – 1(N91)= 0
25. Resolviendo D7, se conoce N90.
26. Actualizando Grados de libertad
TAI BC = 1 - 1 (N90) = 0
27. Resolviendo el balance de materia y energía combinado de la TAI se conoce N14, X14 , N59,
SO2
X59 ( N15, X15 )
H2SO4 SO2
28. Actualizando grados de libertad:
TD = 2 – 1(N59) – 1(X59 ) = 0
H2SO4
IC = 2 - 1 (N15) - 1(X15 ) = 0
SO2
29. Resolviendo balance de materia y energía en el Tanque de dilución, se conoce X63 y N63
H2SO4
30. Reconfirmando Grados de libertad
IC = 0 – 0 = 0
31. Resolviendo el balance de materia y energía combinado en el IC se conoce N16, X16 ,
SO2
32. Actualizando grados de libertad:
TAF BC = 1 – 1(N63) – 1(X63 ) = -1
H2SO4
R4P BM = 2 – 1(N16) – 1(X16 ) = 0
SO2
BC = 2 – 1(N16) – 1(X6 ) = 0
SO233. Resolviendo R4P se conoce N17, X17 , X17
SO2 O2
34. Actualizando grados de libertad:
ES BC = 3 – 1(N17) – 2(X17 , X17 ) = 0
SO2 O2
35. Resolviendo balance combinado del ES se conoce N18, X18 , X18
O2 SO2
36. Actualizando Grados de libertad:
TAF BC = -1 – 1(N18) – 2 (X18 , X18 ) = -4
O2 SO2
37. Se comprueba en la TAF.BALANCES DE MATERIA
Tomando como base de cálculo: 1 hora
La nomenclatura empleada es la misma de los balances experimentales:
1. Balances elementales molares en el Quemador.
S: 0.1002N4 = 43.2108
N4 = 431.25
O: 43.2108 + 431.2455X4 = 0.2094N3 (1)
O2
431.2455(1 - 0.100201 - X4 ) = 0.7906N3 (2)
O2
Resolviendo simultáneamente (1) y (2), se tiene:
N3 = 431.2455 X4 = 0.1092
O2
Comprobando en flujos másicos:
Entra Sale
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
S 43.2108 1382.7456 SO 43.2108 2765.4912
2
O 90.3028 2889.6896 O 47.0920 1506.9440
2 2
N 340.9427 9546.3956 N 340.9427 9546.3956
2 2
Total 13818.8308 Total 13818.8308
1.1. Balance de Energía en el Quemador de azufre
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera
S + O SO
(r) 2(g) 2(g)
Q = S HP + S D H0 -S HR (3)
RXNT4 = 970°C
De las tablas de entalpía, se tiene:
S HP = 3239326.0506 Kcal
S HR = H67 + H3
T3 = 70°C
T67 = 135°C
H3 = 135655.4855Kcal
(cid:230) Tf=118.9 135 (cid:246)
H67 =N67(cid:231) (cid:242) Cp dT + l + (cid:242) Cp dT(cid:247)
S (cid:231) S(S) f(S) S(l) (cid:247)
Ł ł
25 118.9
Donde13:
Cp = Calor específico del azufre sólido a presión constante, Kcal/Kgmol K
s(s)
= 3.56 + 6.96E-3 T, Kcal/Kgmol y T en K
Cp = Calor específico del azufre líquido presión constante, Kcal/Kgmol K
s(l)
= 5.4 + 5E-3 T, Kcal/Kgmol y T en K
l = Calor de fusión del azufre sólido = 294.4110Kcal/Kgmol
f(s)
H67 = 42060.5760 Kcal
S HR = 177716.0615 Kcal
S D H0 = -3065374.152Kcal
RXN
Reemplazando en la ecuación general:
Q = -3764.1629 Kcal
2. Balance de materia por componente en el divisor 2 (D2)
13 Tomados de U.H.F Sander, H. Fisher, U. Rothe, R. Kola. Página 13.Total: N56= N60+N57
N56= 42.6751+1378.1791
N56=1420.8542
Es de aclarar que N56 = N94 y N60 = N62
De donde N56 = 1311.4484
H2SO4
N56 = 109.4058
H2O
N57 = 1272.0593 N57 = 106.1198
H2SO4 H2O
N60 = 39.3891 N60 = 3.2860
H2SO4 H2O
3. Balance de materia por componente en el Divisor 3 D(3)
Total: N52= N54+N53
N52= 732.1541 + 603.0174
N52 = 1335.1715
De donde N52 = 1232.3633
H2SO4
N52 = 102.8082
H2O
N53 = 556.5851 N53 = 46.4323
H2SO4 H2O
N54 = 675.7782 N54 = 56.3759
H2SO4 H2O
4. Balance combinado de materia y energía en el mezclador 2 (M2)
Las ecuaciones del balance de materia son:
SO : 43.2108 = X85 N85 + 0.1002N84 (4)
2 SO2
O : 47.0920 = X85 N85 + 0.1092N84 (5)
2 O2
N : 340.9427 = X85 N85 + 0.7906N84 (6)
2 N2
Total: 431.2455 = N84 +N85 (7)Balance de Energía
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera
(cid:229) (cid:229) (cid:229)
Q = HP + D H0 - HR
RXN
Se asume que el mezclador es adiabático y como no hay reacción química, entonces:
(cid:229) (cid:229)
HP - HR = 0 (8)
(cid:229)
HP =1282041.318_Kcal
(cid:229)
HR =1049321.336 + 6652.8961N84 _Kcal
Al reemplazar en la ecuación (8), se obtiene:
N84 = 34.9803
Y al sustituir N84 en (4), (5), (6) y (7):
N84 = 3.5050 N84 = 3.8198 N84 =
SO2 O2 N2
27.6555
N85 = 396.2653 N85 = 39.7058
SO2
N85 = 43.2722 N85 = 313.2873
O2 N2
5. Balance de materia en el Divisor 4 (D4)
N83 = N4 – N84
N83 = 431.2455 – 34.9803
N83 = 396.2653
Por consiguiente:
N83 = 39.7058 N83 = 43.2722
SO2 O2
N83 = 313.2873
N26. Balances por componente en la Torre de Secado
H SO : 675.7782 = N55
2 4 H2SO4
H O: N55 = 56.3759 + 0.0541N2 (9)
2 H2O
O : N2 = 90.3028
2 O2
N : 340.9427 = (1 – 0.0541 – X2 )N2
2 O2
Entonces,
N2 = 455.9102 X2 = 0.1981
O2
N55 = 81.0406 N2 = 24.6647
H2O H2O
N2 = 340.9427
N2
Al comprobar en masa, se tiene que:
Entra Sale
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
H SO 675.7782 66226.2670 H SO 675.7782 66226.2670
2 4 2 4
H O 81.0406 1458.7308 H O 81.0406 1458.7308
2 2
O 90.3028 2889.6896 O 90.3028 2889.6896
2 2
N 340.9427 9546.3956 N 340.9427 9546.3956
2 2
Total 80121.0831 Total 80121.0831
6.1. Balance de Energía en la Torre de Secado
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera
Las reacciones que ocurren expresadas en términos de dilución, son:
H + S + 2O + 0.0834HO H SO (i)
2(g) (m) 2(g) 2 (l) 2 4(n=0.0834)
H + S + 2O + 0.1199HO H SO (ii)
2(g) (m) 2(g) 2 (l) 2 4(n=0.1199)Para efectos de cálculo HSO se denotará con la letra B y HSO mediante
2 4(n = 0.0834) 2 4(n=0.1199)
la letra A.
Sumando algebraicamente las dos anteriores reacciones, se tiene:
H SO + 0.0365HO H SO (iii)
2 4(n=0.0834) 2 (l) 2 4(n=0.1199)
Lo que corresponde a:
B + 0.0365HO A
2 (l)
Debido a que la reacción se efectúa con agua líquida, y el agua entra en fase gaseosa,
debe considerarse el calor de condensación en el calor de reacción. La reacción es:
B + 0.0365HO A
2 (l)
0.0365HO 0.0365HO
2 (g) 2 (l)
La reacción para calcular el calor de reacción, es:
B + 0.0365HO A
2 (g)
- Cálculo de S D H°
RXN
S D H° = D H°f A N55 - D H°f B N54 + l c N2 (10)
RXN H2SO4 H2SO4 H2O
D H°f A14 = -195690 Kcal/Kgmol
D H°f B = -195190 Kcal/Kgmol
l c = -10500 Kcal/Kgmol
Al reemplazar en (10), se obtiene:
S D H° = - 596868.4500 Kcal
RXN
14 Valencia, B. H. Balances de Energía. Vol.2. apéndice 1- Cálculo de S HP
T3 = 70°C T55 =81°C
S HP = H3 + H55
S HP = 1664501.08 Kcal
- Cálculo de S HR
T2 = 74°C T54 = 71°C
S HR = H2 + H54
S HR = 1344597.771 Kcal
Al reemplazar en la ecuación general:
Q = - 276965.14 Kcal
El calor anterior corresponde al calculado con una temperatura dentro del rango teórico
(70°C - 90°C) de la temperatura de salida del ácido de ésta torre, es decir, 81°C.
Para contar con los valores de calor de las temperaturas límites, se efectúa el cálculo y sus
resultados son:
Q = - 591701.204 Kcal
70°C
Q = - 14680.6032 Kcal
90°C
Se realizaron ensayos para determinar la temperatura a la cual la torre está más cerca del
comportamiento adiabático, obteniéndose los siguientes valores:
T = 90.5088°C Q = 445.6506 Kcal
T = 90.4938°C Q = 3.6430 Kcal
T = 90.4937°C Q = 0.6963 Kcal
7. Balance de materia en el R1P.
r1
SO + ½ O SO
2 2 3En donde r1 es la velocidad de reacción.
Balances de materia por componente, expresados en función de r1:
SO : N7 = 43.2108 – r1 (11)
2 SO2
SO : N7 = 0 + r1 (12)
3 SO3
O : N7 = 47.0920 – 0.5 r1 = 0.0810N7 (13)
2 O2
N : (1 - 0.0810 – X7 – X7 ) = 340.9427 (14)
2 SO2 SO3
Reemplazando (12) en (14):
r1 = 26.4662
Por consiguiente:
N7 = 16.7446 N7 = 26.4662
SO2 SO3
N7 = 33.8589 N7 = 340.9427
O2 N2
N7 = 418.0124
Expresando en composiciones:
X7 = 0.0401 X7 = 0.0633
SO2 SO3
X7 = 0.0810 X7 = 0.8156
O2 N2
Verificando en masa:
Entra Sale
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
SO 43.2108 2765.4912 SO 16.7446 2765.4912
2 2
O 47.0920 1506.9440 O 33.8589 1083.4848
2 2
N 340.9427 9546.3956 N 340.9427 9546.3956
2 2
SO 26.4662 2117.2960
3
Total 13818.8308 Total 13818.8308
7.1. Balance de Energía en el R1P.
Estado de referencia 25°C y 1 atmósferaS D H° = - 361203.2632 Kcal
RXN
Temperatura de productos: 592°C
S HP = 1892852.190 Kcal
Temperatura de reactivos: 420°C
S HR = 1282041.318 Kcal
Al reemplazar en la ecuación general:
Q = -20392.3912 Kcal
8. Balance combinado de materia y energía en el mezclador 3 (M3)
El balance de materia se expresa como sigue:
SO : 16.7446 = N86 + 0.0401N88 (14)
2 SO2
SO : 26.4662 = N86 + 0.0633N88 (15)
3 SO3
O : 33.8589 = N86 + 0.0810N88 (16)
2 O2
N : 340.9427 = N86 + 0.8156N88 (17)
2 N2
Total: 418.0124 = N86 + N88 (18)
Balance de energía
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera
Proceso adiabático y sin reacción química
(cid:229)
HP =1355771.773_Kcal
(cid:229)
HR =1892862.630 - 1453.6824N88 _Kcal
Al reemplazar en la ecuación (14), se obtiene:
N88 = 369.4692
Y al sustituir N88 en (14), (15), (16), (17) y (18):
N86 = 48.5432
N86 = 1.9466 N86 = 3.9320 N86 =
SO2 O2 N2
39.5918 N86 = 3.0728
SO3N88 = 23.3874 N88 = 14.8157
SO3 SO2
N88 = 29.9270 N88 = 301.3391
O2 N2
9. Balance de materia en el divisor 5 (D5)
N87 = N7 – N86 = 418.0124 – 48.5432
N87 = 369.4692
Por lo tanto:
N87 = 23.3874 N87 = 14.8157
SO3 SO2
N87 = 29.9270 N87 = 301.3391
O2 N2
10. Balance de materia en el segundo paso del convertidor catalítico.
SO + ½ O r 2 SO
2 2 3
En donde r2 es la velocidad de reacción.
SO : N9 = 16.7446 – r2 (19)
2 SO2
SO : N9 = 26.4662 + r2 (20)
3 SO3
O : N9 = 33.8589 - 0.5 r2 = 0.0675N9 N9
2 O2
= 501.6133 – 7.4074r2 (21)
N : N9 (1 – X9 – X9 – 0.0675) = 340.9427 (22)
2 N2 SO2 SO3
Reemplazando (19), (20) y (21) en (22):
r2 = 12.1031
N9 = 411.9609 N9 = 4.6415
SO2
N9 = 38.5693 N9 = 27.8074
SO3 O2
N9 = 340.9427
N2
Entra Sale
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/hSO 16.7446 1071.6544 SO 4.6415 297.0560
2 2
SO 26.4662 2177.2960 SO 38.5693 3085.5440
3 3
O 33.8589 1083.4848 O 27.8074 889.8368
2 2
N 340.9427 9546.3956 N 340.9427 9546.3956
2 2
Total 13818.8308 Total 13818.8324
10.1 Balance de Energía en el R2P
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera.
S D H0 = - 288658.935 Kcal
RXN
Temperatura de productos = 518°C
S HP = 1632083.2173 Kcal
Temperatura de reactivos: 440°C
S HR = 1342277.180 Kcal
Retomando la ecuación general, tenemos:
Q = 1147.1805 Kcal
11. Balance de materia elementales en el tercer paso del convertidor catalítico (R3P)
S: (0.0043 + 0.1012)N11 = 4.6415 + 38.5693
N11 = 409.5810
N11 = 1.7612 N11 = 41.4496
SO2 SO3
N11 = 26.2951 N11 = 340.0751
O2 N2
Comprobando en los balances de oxígeno y nitrógeno:
O: 180.6057 = 180.4614
La diferencia entre los dos valores corresponde a un porcentaje del 0.0799%N: 340.9427 = 340.0751
En porcentaje, la diferencia entre los resultados es 0.2545%.
El resumen en flujos másicos es:
Entra Sale
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
SO 4.6415 297.0560 SO 1.7612 112.7168
2 2
SO 38.5693 3085.5440 SO 41.4496 3315.9680
3 3
O 27.8074 889.8368 O 26.2951 841.4432
2 2
N 340.9427 9546.3956 N 340.0751 9522.2308
2 2
Total 13788.6108 Total 13792.2308
11.1 Balance de energía en el R3P
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera.
S D H0 = - 68695.1550 Kcal
RXN
Temperatura de productos: 459°C
S HP = 1425368.815 Kcal
Temperatura de reactivos: 440°C
S HR = 1359535.178 Kcal
Al reemplazar en la ecuación general, tenemos:
Q = -2861.5184 Kcal
12. Balance combinado en la Torre Barredora (TBr)
Balances de materia por componente:
ÓLEUM: N50 = N51 = 297.2041
SO3 SO3
N50 = N51 = 727.8468
H2SO4 H2SO4SO : N12 = N13 = 41.4496
3 SO3 SO3
SO : N12 = N13 = 1.7612
2 SO2 SO2
O : N12 = N13 = 26.2951
2 O2 O2
N : N12 = N13 = 340.0751
2 N2 N2
S HR = H50 + H13
T50 = 88°C T13 = 85°C
S HR = 1734249.361 Kcal
La entalpía de la corriente 50 fue tomada del gráfico Entalpía del sistema SO –H O, perteneciente
3 2
a los archivos de información de IBC.
S HP = H51 + H12
T51 = 77°C T12 = 249°C
S HP = 1702058.7314 Kcal
Reemplazando en la ecuación general:
Q = -32190.6296 Kcal
13. Balances de materia en el Global
O: N27 = 0.4406N91 + 2N19 + 0.1392N19 – 44.4279 (23)
H2O SO2
H: 42.6751 = 24.6647 + N27
H2O
N27 = 18.0104
H2O
Con N27 en (23) y reorganizando:
H2O
62.4383 = 0.4406N91 + 2N19 + 0.1392N19 (24)
SO2
S: N19 = 3.8217 - 0.1055N91 (25)
SO2 SO3
N: 340.9427 = 0.8308N91 +0.9304 N19– N19 (26)
SO2Al sustituir (25) en (23) y en(26), se tiene:
N19 = 393.6415 – 1.6494N91 (27)
344.7644= 0.9358N91 + 0.9304N19 (28)
(27) en (28):
N91 = 35.8712
Consecuentemente,
N91 = 0.1594 N91 = 3.6302
SO2 SO3
N91 = 2.3029 N91 = 29.7938
O2 N2
N19 = 334.4755 N19 = 0.0373
SO2
N19 = 23.2795 N19 = 311.1587
O2 N2
Comprobando en masa, se tiene:
Entra Sale
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
S 43.2108 1382.7456 SO 0.19150 12.2560
2
O 90.3028 2889.6896 O 25.5824 818.6368
2 2
N 340.9427 9546.3956 N 340.9426 9546.3928
2 2
H O 42.6751 768.1518 SO 4.2317 338.536
2 3
H SO 39.3891 3860.1318
2 4
H O 3.2860 59.1480
2
Total 14586.9826 Total 14586.9814
14. Balance de materia en el Divisor 7 (D7)
Total: N90 = N11 + N91
N90 = 373.7098
N90 = 1.6070 N90 = 37.8194
SO2 SO3N90 = 23.9922 N90 = 310.2912
O2 N2
15. Balance de materia en la torre de absorción intermedia (TAI)
SO +H O(cid:190) (cid:190)r3fi H SO
3 2 2 4
Siendo r3 la velocidad de la reacción.
SO : N14 = 1.6070
2 SO2
SO : 0 = 37.8194 – r3
3
r3 = 37.8194
O : 0.0717N14= 23.9922
2
N14 = 336.052 N14 = 23.9922 N14 = 310.4260
02 N2
N : 310.4260= 321.2912
2
H O: N59 = 106.1198 – 37.8194
2 H2O
N59 = 68.3004
H2O
H SO : N59 = 1272.0593 + 37.8194
2 4 H2SO4
N59 = 1309.8787
H2SO4
Verificando en flujos másicos:
Corriente Entra Kgmol/h Kg/h Corriente Sale Kgmol/h Kg/h
57 H SO 1272.0593 124661.8114 59 H SO 1309.878 128368.1126
2 4 2 4
H O 106.1198 1910.1564 H O 68.3004 1229.4072
2 2
90 SO 1.6070 102.8480 14 SO 1.6070 102.8480
2 2
SO 37.8194 3025.5520 SO 0 0
3 3
O 23.9922 767.7504 O 23.9922 767.7504
2 2
N 310.2912 8688.1536 N 310.4260 8691.9128
2 2
Total 139156.2718 Total 139160.0310
15.1 Balance de energía en la TAI
Estado de referencia: 25°C y 1atm.
La ecuación para formar ácido en la torre de absorción intermedia es:( )
N5 H7 2SO4H 2SO 4( n=0.0834) +r 3SO 3( g) +r 3H 2O( l) fi N H57 +r H 2SO 4( n=0.051)
2SO4 3
En donde llamaremos:
A =H SO ( )
2 4 n=0.0834
B = H SO ( )
2 4 n=0.051
La ecuación queda:
(cid:229)
DH 0 = - 822410.0454_Kcal
rxn
77(cid:176) C
H 57 =N57 * (cid:242) Cp*dT
H2SO4
25(cid:176) C
Cp = 35.7676 kcal/kgmol °C
77°c
T57 = 77°C H57= 2563296.256 kcal
T90 = 85°C H90=169979.7256 Kcal
(cid:229)
HR = 2733275.982_Kcal
Cp = 36.5750 kcal/kgmol °C
100°c
T59 = 100°C H59= 3780517.544 kcal
T14 = 77°C H14 = 122146.0677 Kcal.
(cid:229)
HP =3902663.611_Kcal
Sustituyendo en la ecuación general:
Q = 346977.5840 Kcal
El calor anterior corresponde al calculado con la temperatura máxima del rango teórico (80°C -
100°C) de la temperatura de salida del ácido de ésta torre, es decir, 100°CSe realizaron ensayos para determinar la temperatura a la cual la torre está más cerca del
comportamiento adiabático, obteniéndose los siguientes valores:
T = 80°C Q = -70022346 Kcal
T = 93.8151°C Q = 11543.9972 Kcal
T = 93.6336°C Q = 1761.2256 Kcal
T = 93.5991°C Q = -97.2299 Kcal
T = 93.6009°C Q = -0.2703 Kcal
16. Balances por componente en el tanque de dilución (TD).
Las ecuaciones de balance son:
H SO : 675.77820 + N63 + 1309.8787 = 1232.3633 + 1311.4484
2 4 H2SO4
N63 = 558.1548
H2SO4
H O: 81.0406 + N63 + 68.3004 + 18.0404 = 102.8082 + 109.4858
2 H2O
N63 = 44.8326
H2O
Entra Sale
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
H SO 2543.8117 249293.5466 H SO 2543.8117 249293.5466
2 4 2 4
H O 212.2140 3819.8520 H O 212.2140 3819.8520
2 2
Total 253113.3986 Total 253113.3986
16.1 Balance de energía en el TD
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera
Ecuación termoquímica de la corriente 55:
H +S +2O +0.1199H 2O fi H 2SO
2(g) (r) 2(g) (l) 4(n=0.1199)
D H°f 55 = -195690 Kcal/Kgmol ácido
T55 = 73°CEcuación termoquímica de la corriente 53:
H +S + 2O + 0.0803H 2O fi H 2SO
2(g) (r) 2(g) (l) 4(n=0.10803)
D H°f 63 = -195188 Kcal/Kgmol ácido
T63 = 97°C
Ecuación termoquímica de la corriente 59:
H +S +2O +0.0521H 2O fi H 2SO
2(g) (r) 2(g) (l) 4(n=0.0521)
D H°f 59 = -194880 Kcal/Kgmol ácido
T59 = 100°C
Ecuación termoquímica de la corriente 52:
H + S + 2O + 0.0834H 2O fi H 2SO
2(g) (r) 2(g) (l) 4(n=0.0834)
D H°f 52 = -195190 Kcal/Kgmol ácido
T52 = 94°C
Ecuación termoquímica de la corriente 56:
H + S + 2O + 0.0834H 2O fi H 2SO
2(g) (r) 2(g) (l) 4(n=0.0834)
D H°f 56 = -195190 Kcal/Kgmol ácido
T56 = 94°C
La dilución total que ocurre en el tanque, es:
N55 H SO 55 +N63 H SO 63 +N59 H SO 59 fi
H2SO4 2 4(n=0.1199) H2SO4 2 4(n=0.0803) H2SO4 2 4(n=0.0521)
N52 H SO 52 +N56 H SO 56
H2SO4 2 4(n=0.0834) H2SO4 2 4(n=0.0834)Y su calor normal de reacción es:
(cid:229)
DH 0 = - 69289.6066_Kcal
rxn
Las capacidades caloríficas de cada corriente 15y se presentan a continuación:
Corriente Temperatura %W Cp
H2SO4
55 73 97.84 35.7650
63 97 98.55 36.5571
59 100 99.06 36.5750
52 94 98.5 36.4452
56 94 98.5 36.4452
Temperatura en °C y Cp en Kcal/Kgmol°C
(cid:229)
HP = 6930629.641_Kcal
(cid:229)
HR = 6666948.265_Kcal
Al sustituir en la ecuación general, se obtiene el calor:
Q = 194391.7694 Kcal
El calor anterior equivale al obtenido con los mismos flujos y temperaturas con que se calcularon
las entalpías de las torres de secado y de absorción.
Debido a que las corrientes de salida de las torres están diseñadas entre un rango de temperatura
específico para cada una de ellas (como se mencionó anteriormente), se calculó el calor total para
el tanque de dilución, considerando las temperaturas máximas y mínimas para cada torre, así:
- T° salida del ácido de TS = 70°C
15 Sander U.H.F , Fisher H., Rothe U., Kola R.. Sulphur, Sulphur Dioxide and Sulphuric Acid. The
British Sulphur Corporation Ltd. 1984T° salida del ácido de TAI = 80°C
T° salida del ácido de TAF = 80°C
Q = 1745998.465 Kcal
- T° salida del ácido de TS = 90°C
T° salida del ácido de TAI = 100°C
T° salida del ácido de TAF = 100°C
Q = -368877.8396 Kcal
17. Balance de materia en el intercaliente (IC)
Este balance es trivial:
N10 = 4.6415 N10 = 38.5693
SO2 SO3
N10 = 27.8074 N10 = 340.9427
O2 N2
N16 = 1.6070 N16 = 23.9922
SO2 O2
N16 = 310.4260
N2
17.1 Balance de energía en el IC
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera
Temperatura de productos:
T10 = 440°C
T16 = 430°C
(cid:229)
HP = 2333614.509_Kcal
Temperatura de reactivos:
T9 = 518°C
T15 = 334°C(cid:229)
HR = 2371447.061_Kcal
Q = -37832.5522 Kcal
18. Balances elementales en el cuarto paso del convertidor catalítico
S: 1.6070 = 0.0044N17 + N17
SO2
O: 51.1984 = 0.0132N17 + 2N17 + 2N17
SO2 O2
N: 310.4260 = 0.9956N17 – N17 – N17
SO2 O2
Al resolver el sistema de ecuaciones, se tiene:
N17 = 335.2876 N17 = 0.1317
SO2
N17 = 1.4753 N17 = 23.2546
SO3 O2
N17 = 310.4260
N2
Comprobando en masa:
Entra Sale
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
SO 1.6070 102.8480 SO 0.1317 8.4288
2 2
O 23.9922 767.7504 O 23.2546 744.1472
2 2
N 310.4260 8691.9128 N 310.4260 8691.9128
2 2
SO 1.4753 118.0240
3
Total 9562.5112 Total 9562.5128
18.1 Balance de energía en el R4P
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera.
S D H0 = - 35185.9050 Kcal
RXN
Temperatura de productos: 443°C
S HP = 1005369.953 Kcal
Temperatura de reactivos: 430°CS HR = 972577.7313 Kcal
Al reemplazar en la ecuación general, tenemos:
Q = -35185.9048 Kcal
19. Balance de materia en el economizador supercalentador (ES)
N18 = 0.1317 N18 = 1.4753
SO2 SO3
N18 = 23.2546 N18 = 310.4260
O2 N2
19.1 Balance de energía en el ES
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera
- Corriente 36
F36 = 4955 Kg/h N36 = 275.2778Kgmol/h
P = 19.3747bar T = 211°C
De las tablas de vapor del apéndice16, se determina que esta corriente se encuentra como vapor
sobrecalentado, pero se considera vapor saturado por el bajo grado de sobrecalentamiento
(0.37°C).
h = 12032.9321 Kcal/ Kgmol
g
El valor de la entalpía del vapor, se encuentra referida a 0°C y líquido saturado, por consiguiente,
ésta debe corregirse por temperatura, restándole h a 25°C.
f
h = 450.9458 Kcal/Kgmol
f 25°C
h36 = 11581.9863 Kcal/Kgmol
g corregido
H36 = 3188263.708 Kcal
- Corriente 47
N47 = 275.2778 Kgmol/h
P = 17.9471bar T = 260°C
Vapor sobrecalentado
16 Valencia V. B. H, Balance de energía. Vol. 2.h47 = 11642.1221 Kcal/Kgmol
g corregido
H47 = 3204817.759 Kcal/Kgmol
- Corriente 24
F24 = 5728.0014 Kg/h N24 = 318.2223 Kgmol/h
P = 20.1905bar T = 105°C
Líquido subenfriado y comprimido, pero debido a que está cerca de las condiciones
de saturación, las propiedades se asumen las de líquido saturado a la misma temperatura.
h24 = 1441.4446 Kcal/Kgmol
l corregido
H24 = 548699.8159 Kcal
- Corriente 25
N25 = 318.2223 Kgmol/h
P = 15.8579bar T = 193°C
Líquido subenfriado y comprimido
h25 = 3079.0155 Kcal/Kgmol
l corregido
H25 = 979811.3941 Kcal
(cid:229)
HP =H47 +H18 +H25
Al reemplazar, se tiene:
(cid:229)
HP = 4576068.991_Kcal
(cid:229)
HR = H36 +H24 +H17
Reemplazando:
(cid:229)
HR = 4652333.477_Kcal
Al reemplazar en la ecuación general, se tiene que:
Q = -76264.4860 Kcal
20. Comprobación de los balances de materia en el la Torre de Absorción Final (TAF).
S: 556.5851 + 0.1317 + 1.4753 = 0.0373 + 558.1548558.1921 = 558.1921
H: 603.0174 = 602.9874
La diferencia entre estos dos valores, expresada porcentualmente, es 0.9050%
O: 2323.9712 = 2324.0854
Su diferencia equivale al 4.9E-5%
N: 310.4260 = 311.1587
En porcentaje, la diferencia es 0.2360%
Entra Sale
Componente Kgmol/h Kg/h Componente Kgmol/h Kg/h
H SO 556.5851 54545.3398 H SO 558.1548 54699.1704
2 4 2 4
H O 46.4323 855.7814 H O 44.8326 806.9868
2 2
SO 0.1317 8.4288 SO 0.0373 2.3872
2 2
SO 1.4753 118.0240 SO 0 0
3 3
O 23.2546 744.1472 O 23.2795 744.9440
2 2
N 310.4260 8691.9128 N 311.1587 8712.4436
2 2
Total 64943.6492 Total 64965.9320
20.1 Balance de energía en la TAF
Estado de referencia 25C y 1 atmósfera
( )
N5 H7 2SO 4H 2SO 4( n=0.0834 ) + r 3SO 3( g) + r 3H 2O ( l) fi N5 H7 2SO 4 + r 3 H 2SO 4( n=0.0803 )
A =H SO ( )
2 4 n=0.0834
B = H SO ( )
2 4 n=0.0803
Por consiguiente:
( )
N57 A() +r SO ( ) +r H O() fi N57 +r B()
H2SO4 l 3 3 g 3 2 l H2SO4 3 l(cid:229)
DH 0 = - 65231.2062_Kcal
rxn
Temperatura de productos:
T63 = 97°C
T97 = 79°C
Cp = 36.5571 kcal/kgmol °C
97°c
(cid:229)
HP =1713149.400_Kcal
Temperatura de reactivos:
T53 = 77°C
T18 = 191°C
Cp = 35.7676 kcal/kgmol °C
77°c
(cid:229)
HR =1513001.066_Kcal
Al sustituir en la ecuación (3), se tiene:
Q = 134917.1278 Kcal
El calor anterior corresponde al calculado con una temperatura dentro del rango teórico (80°C -
100°C) de la temperatura de salida del ácido de ésta torre, es decir, 97°C.
Se realizaron ensayos para determinar la temperatura a la cual la torre está más cerca del
comportamiento adiabático, obteniéndose los siguientes valores:
T = 80°C Q = -262174.6164 Kcal
T = 100°C Q = 206302.5753 Kcal
T = 91.1926°C Q = -2343.1778 Kcal
T = 91.2918°C Q = -19.6565 Kcal
T = 91.2926°C Q = -0.8681 Kcal
21. Balance de energía en las calderas y el domo de vapor.Las calderas uno y dos y el domo de vapor se toman como un solo sistema, pues, debido a la
ausencia de información (flujos de salida de vapor y de agua de cada caldera), no es posible
realizar balances individuales para las unidades en mención.
Los flujos de entrada y salida de gases, de entrada y salida de agua y el flujo de vapor total
producido en el sistema, se conocen del balance de materia del convertidor catalítico y de datos
puntuales de diseño; por tal razón se efectúa a continuación el balance de energía. Ver figura 1.
Estado de referencia 25°C y 1 atmósfera
Retomando la ecuación general,
Q = S HP + S D H0 -S HR
RXN
Y como S D H0 = 0, entonces se calcula la entalpía de cada corriente, así:
RXN
Corriente 25
T = 193°C P = 15.8579bar
Ya que la presión no está muy alejada de las condiciones de saturación (T = 200.7193°C, P =
sat sat
13.44bar), las propiedades se pueden asumir como las de líquido saturado a iguales condiciones de
temperatura.
De las tablas de vapor a 0°C y 1 atmósfera, se tiene:
h = 821.0690KJ/Kg
f
h = 3529.9613 Kcal/Kgmol
f
El valor de h debe corregirse para que quede referido a 25°C y no a 0°C.
fN35 = 303.0656
P35 = 18.63 bar
T35 = 211ºC
DOMO DE
CALDERAS
N25 = 318.2223
P25 = 15.87 bar
T25 = 193ºC
N N N 8 8 83 3 3 S O NO 22 ==2= 34 13 3 39 .2 .. 27 7 80 2 75 2 38 N N N8 8 85 5 5S O NO 22 2 N N N N8 8 8 87 7 7 7S S O NO O 22 ==2 3= = 32 01 2 9 14 3 .9 .. . 38 3 2 31 8 7 95 7 0 17 4 N N N N8 8 8 88 8 8 8S S O NO O 22 2 3
C1 C2
T8 3 = 970ºC T85 = 351ºC T87 = 592ºC T88= 419ºC
FIG.1 CONJUNTO DE DOMO Y CALDERAS
N45= 15.1667
P45 = 15.8579 bar
T45 = 205ºCh25 = 3079.0155 Kcal/Kgmol
f corregida
H25 = 318.2223Kgmol * 3079.0155 Kcal/Kgmol
H25 = 979811.3941 Kcal
Corriente 35
T = 211°C P = 18.6326bar
Vapor sobrecalentado
De las tablas de vapor a 0°C y 1 atmósfera:
h = 2798.86 KJ/Kg
g
h = 12032.9320 Kcal/Kgmol
g
h 35 = 11581.9862 Kcal/Kgmol
g corregida
H35 = 303.0556Kgmol * 11581.9862 Kcal/Kgmol
H35 = 3509985.777 Kcal
Corriente 45
T = 205°C P = 18.6326bar
Vapor saturado
De las tablas de vapor a 0°C y 1 atmósfera:
h = 875.105 KJ/Kg
f
h = 3762.2743 Kcal/Kgmol
f
h45 = 3311.3285 Kcal/Kgmol
f corregida
H45 = 15.1667Kgmol * 3311.3285 Kcal/Kgmol
H45 = 50221.9260 Kcal
Las corrientes 85, 88, 83 y 87 son los gases que entran y salen de las calderas uno y dos.
H85 = 963860.1597 Kcal
H88 = 1135956.250 Kcal
H83 = 2986698.638 Kcal
H87= 1673047.081 Kcal
(cid:229)
HP = 5660024.113Kcal
(cid:229)
HR =5639557.1130Kcal
Al sustituir estos valores en la ecuación general, se llega a:
Q= 20467.0021KcalA continuación se muestra el calor cedido por los gases en ambas calderas:
Caldera 1, corriente 83 y 85 de gases:
(cid:229)
HP =963860.1597Kcal
(cid:229) HR = 2986698.638Kcal
Q= - 2022838.478Kcal
Caldera 2, corriente 87 y 88 de gases:
(cid:229) HP =1135956.250Kcal
(cid:229) HR =1673047.081Kcal
Q= - 537090.8310Kcal
22. Balance de energía en el fundidor de azufre
Teniendo en cuenta el dato reportado en los planos de la masa de vapor de 450 kg/h y con un
calor de vaporización a 6.86 bar de 2069.36 KJ/Kg, se tiene:
Q = 450 Kg/h * 2069.36KJ / Kg = 931212KJ / h= 53984.506Kcal / h * ton ácido.
22. Balance combinado de materia y energía en el precalentador desaireador.
Asumiendo el equipo adiabático, la ecuación de balance de materia, es:
Total: F24 = F21 + F43 + F43
H2O VAPOR CONDENS
5728.0014 – 822.6 = F21 + F43
H2O VAPOR
4905.3414 = F21 + F43 (32)
H2O VAPOR
22.1 Balance de energía
Estado de referencia: Líquido saturado a 0°C y 1 atmósfera
Puesto que no hay reacción química y el proceso es adiabático, la ecuación 3 queda reducida a:(cid:229) (cid:229)
0 = HP - HR (33)
Lo que equivale a:
43 43 + 43 43 + 21 21 = 24 24
F h F h F h F h
condens condens Vapor Vapor H2O H2O (34)
Corriente 43
Para el condensado:
P = 1.36bar
De las tablas de vapor, estado de referencia 0°C y líquido saturado:
h43 = 462.1450KJ/Kg
f
Para el vapor:
h 43 = 2691.79 KJ/Kg
g
Corriente 24
T = 105°C P = 20.1905bar
Líquido saturado
De las tablas de vapor, se tiene:
h24 = 440.17KJ/Kg
f
Corriente 21
T = 25°C
Líquido subenfriado
De las tablas de vapor:
h21 = 104.89KJ/Kg
f
Al reemplazar en la ecuación 34:
2691.79F43 + 104.89F21 = 2141133 .899 (35)
Vapor H"O
Resolviendo simultáneamente las ecuaciones 32 y 35, se tiene que:
F21 = 4276.5530 Kg/h
H2O
F43 = 628.7884 Kg/h
Vapor23. Balance de energía en la torre de enfriamiento
El fluido frío en este caso es el agua y su temperatura se denota con la letra t; el fluido caliente es
el ácido y su temperatura se denota con la letra T mayúscula.
T1 = T° del ácido en el tanque de bombeo, rango entre 90°C - 110°C
t1 = T° de entrada del agua de enfriamiento, rango entre 30°C - 40°C
t2 = T° de salida del agua de enfriamiento, rango entre 40°C - 50°C
Partiendo de las coordenadas (S) del factor F , para la corrección de la temperatura media
T
logarítmica 17:
t - t
S = 2 1 (36)
T - t
1 1
Es admisible afirmar que para el caso en particular que se está tratando, S nunca tendrá un valor
superior a 0.2, ya que el numerador de (36) no supera los 10°C y el denominador siempre será
mayor que 50°C.
Según Kern18, para valores de S inferiores a 0.2, las gráficas no suministran datos inferiores a 0.95
para F , por lo cual se desprecia la corrección a la temperatura media logarítmica.
T
El coeficiente de película exterior está reportado por Kern19, suponiendo despreciable la
evaporación y que el flujo de agua se distribuye por mitad a cada lado de la tubería en flujo
laminar, Angarita20, de la siguiente manera:
(cid:231)(cid:231)(cid:230) G, (cid:247)(cid:247)(cid:246) 1/3
h =65 Re £ 2100 (37)
0
Ł D ł
0
17 Tomada de Kern, D. Q. Procesos de transferencia de Calor.1965. Angarita, C. Implementación
del Sistema de Calidad de acuerdo con el Modelo de NTC-ISO 9002 en Industrias Básicas de
Caldas.
18 Kern, D. Q. Procesos de transferencia de Calor.1965
19 Ídem.
20 Angarita, C. Implementación del Sistema de Calidad de acuerdo con el Modelo de NTC-ISO 9002
en Industrias Básicas de Caldas.En donde:
w
G, =
(38)
2L
4G,
Re = (39)
m
h = coeficiente convectivo de transferencia de calor, BTU/(h*pie2*°F)
0
D = diámetro exterior de la tubería, pies
0
w = flujo de agua, lb/h
L = longitud de cada tubo, pies
m = viscosidad cinemática, lb/(pie*h)
De los balances de materia teóricos, se tienen los flujos de ácido que van por los serpentines, a
cada una de las torres:
FLUJO
T(°C) Kgmol/h m3/h Kg/h
TAI 77 1378.1791 72.6780 133407.7368
TAF 77 603.0174 31.8000 58372.0800
TS 71 732.1541 38.6000 70872.5160
Cálculo del coeficiente externo de transferencia de calor:
Para hallar éste coeficiente, debe conocerse el flujo del agua de enfriamiento de los serpentines. A
partir de valores de calor específico para el ácido a diferentes temperaturas, se realizó una
regresión por el método de los mínimos cuadrados y se llegó a la siguiente correlación21:
Cp=1.86914- 1.72294*10- 2T + 3.11326*10- 4T2 - 1.02325*10- 6T3
(40)
Con Cp en KJ/Kg°C y T en °C
21 Angarita, C. Implementación del Sistema de Calidad de acuerdo con el Modelo de NTC-ISO 9002
en Industrias Básicas de Caldas.Las propiedades termodinámicas y de transporte del ácido sulfúrico a una concentración del 98.5%,
fueron tomadas de Bump22, y se presentan a continuación:
Tabla 1. Propiedades termodinámicas y de transporte del ácido sulfúrico
T °C Pr Cp KJ/(Kg°C) r (Kg/m3) m (cP) K BTU/(h*pie*°C)
30 96 1.615 1809 18 0.175
40 66 1.581 1880.4 13 0.180
50 50 1.676 1797.8 9.5 0.184
60 39 1.776 1783.2 7.1 0.187
70 31 1.773 1774.7 5.9 0.195
80 24.5 1.989 1766.1 4.2 0.197
90 19.5 2.177 1757.5 3.1 0.200
100 17 2.234 1749 2.7 0.205
Para calcular el calor que se retira de cada uno de los serpentines, se integra la correlación 40,
entre 94°C y 77°C para las torres de absorción y entre 94°C y 71°C para la torre de secado; y
como se cuenta con los flujos másicos, entonces los calores se determinan directamente. A
continuación se muestran los resultados:
TAI = -4611874.414 KJ/h = -1281.0762KJ/s
TAF = -2017911.131 KJ/h = -560.5306KJ/s
TS = -3251439.678 KJ/h = -903.1777KJ/s
Suponiendo que el agua que enfría los serpentines, eleva su temperatura 10°C (para no afectar la
temperatura media logarítmica) y que la temperatura del agua que baña cada serpentín está a
37°C (agua de recirculación), es posible calcular el flujo de agua necesario para enfriar el ácido
hasta los niveles requeridos23. Entonces, para los tres serpentines de la torre de enfriamiento:
t1 = 37°C = 310.15K t2 = 47°C = 320.15K
22 Bump, T.R. Sibbit, W. L. Ind. Eng. Chem.47, 1655. Angarita, C. Implementación del Sistema de
Calidad de acuerdo con el Modelo de NTC-ISO 9002 en Industrias Básicas de Caldas.
23 Reklaitis, G. V. Balances de Materia y Energía.1989.Para calcular el cambio entálpico sufrido por el agua, asumiendo que el agua no se evapora y que
sólo recibe calor sensible, se emplea la siguiente expresión de tercero orden24:
Cp=1.8296*101 + 4.721178*10- 1T - 1.33878*10- 3T2 +1.3142*10- 6T3
Con Cp en J/mol K y T en K
Tomando la energía que es necesario retirar y la integral de la ecuación anterior entre los valores
de temperatura ya definidos, se obtienen los flujos de agua que irrigan a cada serpentín, así:
( )
Q = Cp *m * t2 - t1 (41)
H2O H2O
TAI m = 110315.2973 Kg/h = 30.6431 Kg/s
H2O
TAF m = 48268.1111 Kg/h = 13.4078 Kg/s
H2O
TS m = 77773.9163 Kg/h = 21.6039 Kg/s
H2O
Contando ahora con los flujos de agua, se retoma la ecuación 37 y se calculan los coeficientes de
transferencia de calor externos, el resumen de los cálculos y resultados se muestra a continuación:
Equipo w lb/h G¢ lb/h pie Re h BTU/h pie2 °F
0
TAI 243203.6000 4813.5300 7777.2428 1489.5254
TAF 106412.9697 2106.1449 3402.9081 1130.8095
TS 171462.1353 3393.6098 5611.3593 1325.7063
Las condiciones de espacio en la planta no permiten el uso de tubos con más de 8m de longitud en
cada serpentín, para esto se han definido tuberías de 7.7m (25.2625pies), con diámetro exterior de
4.8 pulgadas (0.4pies) y 4 pulgadas (0.3333pies) de diámetro interior25. (Tuberías de hierro colado
centrifugado), para asegurar flujo turbulento en la parte interna de los tubos.
Puede apreciarse que los valores del número de Reynolds (Re) son superiores a 2100, lo que es
una restricción para la ecuación 37, pero la literatura consultada no posee otro modelo, y en
cambio, ésta correlación puede ofrecer una aproximación al valor del coeficiente externo de
transferencia.
24 Ídem.
25 Kern, D. Q. Procesos de Transferencia de Calor.1965Cálculo del coeficiente interno de transferencia de calor
( )( )
f /8 Re - 1000 Pr
Nu = D (42)
D
1+12.7(f /8)1/2(Pr2/3- 1)
0.5£ Pr £ 2000 3000£ Re £ 5E6
D
Para éste cálculo se emplea la ecuación de Gnielinski (42), ésta reporta el coeficiente local y es
necesario evaluar las propiedades del fluido a la temperatura másica; esto hace que el coeficiente
interno quede expresado en términos sólo de ésta temperatura, la cual cambia a través del
serpentín, por lo cual se afecta también el coeficiente global de transferencia de calor.
Por lo anterior, debe evaluarse primero el coeficiente interno en función de la temperatura másica y
posteriormente, se calcula el coeficiente global como función también de la temperatura másica.
Para el cálculo del coeficiente convectivo interno se hizo una evaluación a distintas temperaturas de
las tres variables involucradas en la ecuación de Gnielisnski: el número de Prandtl, el número de
Reynolds y el factor de fricción de Fanning; con éstos valores se halló el número de Nusselt
explícito en la fórmula y a partir de éste, utilizando la conductividad térmica reportada en la tabla 1,
se obtuvo el coeficiente local h a las diferentes temperaturas. La tabla B posee los valores de
i
Reynolds calculados para las distintas temperaturas.
La forma del número de Reynolds empleada para flujo en una tubería circular, es la siguiente26:
4m
Re = (43)
p *D *m
i
En donde:
m = flujo másico, Kg/s
D = diámetro interior de la tubería, m
i
m = viscosidad Kg/m s
Tabla 2. Flujo másico y diámetro interno de los serpentinesEquipo m (Kg/s) D (m)
i
TAI 30.29 0.1016
TAF 12.85 0.1016
TS 20.71 0.1016
Tabla 3. Número de Reynolds como función de la temperatura.
Temperatura (°C)
Equipo 30 40 50 60 70 80 90 100
TAI 21088.40 29199.3 39956.90 53463.5 64337.40 90378.8 122448.7 140589.2
TAF 8946.40 12387.3 16951.02 22680.9 27294.02 38341.6 51946.7 59642.5
TS 14418.63 19964.3 27319.50 36554.3 43989.03 61794.1 83721.1 96124.2
Los factores de fricción de Fanning se calculan teniendo en cuenta el valor de la rugosidad de la
tubería de acero colado centrifugado que es de 0.0102 pulgadas con un diámetro interno de 4
pulgadas27, así se tiene una rugosidad relativa de 0.0025. Para esa rugosidad, se calculan los
valores de f con base en los números de Reynolds utilizando la función Fanning de la calculadora
Hewlett Packard 48G28. En la tabla 4 se presentan los resultados del cálculo.
Tabla 4. Factores de fricción de Fanning *103 respecto a la temperatura
Temperatura(°C) TAI TAF TS
30 7.625 8.826 8.084
40 7.311 8.298 7.684
50 7.069 7.835 7.370
60 6.888 7.549 7.132
70 6.792 7.371 7.005
80 6.650 7.097 6.812
90 6.553 6.904 6.678
100 6.516 6.830 6.628
26 Kern, D. Q. Procesos de Transferencia de Calor.1965
27 Perry, Robert. Manual del Ingeniero Químico. Quinta Edición. McGraw-Hill. México. 1988
28 HP 48 G SERIES ADVANCED USER’S REFERENCE MANUAL. Hewlett – Packard Company. 1993.De acuerdo a los valores del número de Prandtl de la Tabla 1, el número de Nusselt local puede ser
calculado mediante la ecuación de Gnielinski (42):
Tabla 5. Nu calculado con la ecuación de Gnielinski
Temperatura(°C) TAI TAF TS
30 208.204 89.322 143.669
40 246.996 107.215 170.901
50 299.531 130.642 207.373
60 358.575 156.558 248.143
70 389.328 169.965 269.324
80 488.978 212.875 337.707
90 593.270 257.478 409.100
100 637.077 276.131 439.085
Con estos valores y las conductividades térmicas expresadas en la tabla A, se obtiene el coeficiente
convectivo para cada temperatura, de acuerdo con la ecuación:
Nu*K
h = (44)
i
D
i
Para D = 4pulgadas ó 1/3 de pie:
i
Tabla 6. Coeficientes internos locales de transferencia de calor
Temperatura(°C) TAI TAF TS
hi(Btu / h °C) hi(Btu / h °C) hi(Btu / h °C)
30 10618.40 4555.42 7327.120
40 12596.80 5467.97 8715.950
50 15276.08 6662.74 10576.023
60 18287.33 7984.46 12655.290
70 19855.73 8668.22 13735.520
80 24937.88 10856.625 17223.060
90 30256.77 13131.38 20864.100
100 32490.93 14082.68 22393.340Estos coeficientes se han calculado en su valor medio para los intervalos de temperatura en que
trabaja el equipo teóricamente.
TAI = 26885.3275 BTU/h pie2 °F
TAF = 11684.7263 BTU/h pie2 °F
TS = 18554.005 BTU/h pie2 °F
Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor.
La conductividad térmica del acero centrifugado es 31 BTU/h pie °F
Éste coeficiente se calcula con base en los coeficientes internos, externos, el radio interno (r1 =
0.1666 pies) y externo (r2 = 0.2 pies).
Partiendo de la ecuación:
1
U = (45)
r2 1 r2 (cid:230) r2(cid:246) 1
+ Ln(cid:231) (cid:247) +
r1h k Ł r1ł h
i 0
En la tabla 7, se presentan los valores de los coeficientes globales locales, U en BTU/(h pie2 °F).
Tabla 7. Coeficientes globales locales.
Temperatura(°C) U,TAI U,TAF U,TS
BTU/(h pie2 °F) BTU/(h pie2 °F) BTU/(h pie2 °F)
30 318.7857 285.6913 305.7526
40 320.6004 289.3266 308.2129
50 322.3277 292.6602 310.5313
60 323.6777 295.2373 312.3402
70 324.2219 296.2747 313.0697
80 325.5223 298.7456 314.8140
90 326.4215 300.4650 316.0241
100 326.7124 301.0235 316.4170Con los valores de las aproximaciones realizadas se calculan los coeficientes globales medios
utilizando el teorema del valor medio, obteniéndose los siguientes valores:
TAI = 325.7195 BTU/(h pie2 °F)
TAF = 299.1272 BTU/(h pie2 °F)
TS = 315.0812 BTU/(h pie2 °F)
Condiciones de diseño y operación
El área de transferencia de calor, de acuerdo a los planos y especificaciones de la planta en los
serpentines, se muestra a continuación:
Tabla 8. Áreas de transferencia de calor en los serpentines, pie2
TAI TAF TS
761.9 317.5 571.4
Como se sabe, el coeficiente global teórico de transferencia de calor, debe ser corregido con el
factor de obstrucción. Para determinar tal factor, se emplea la siguiente ecuación:
1 1
R = - (46)
D
U U
D C
Donde U es el coeficiente limpio calculado a partir de la ecuación (45) y U , es el coeficiente de
C, D
diseño con el que fue calculada el área de transferencia. Para ello se tiene que:
Q
U = (47)
D A *D TML
( )
T1- t2 - (T2- t1)
D TML = (48)
(cid:230) T1- t2 (cid:246)
Ln(cid:231) (cid:247)
Ł T2- T1ł
Donde:
T1 = temperatura de entrada del fluido caliente (ácido) = 94°C =201.2°F
t1 = temperatura de entrada del fluido frío (agua) = 37°C = 98.6°F
T2 = temperatura de salida del fluido caliente
Para la TAI = 77°C = 170.6°F
Para la TAF = 77°C = 170.6°FPara la TS = 71°C = 159.8°F
t2 = temperatura de salida del fluido frío = 47°C = 116.6°C
El calor Q y la D TML, basados en las condiciones de absorción adecuada, en BTU/h y en °F,
respectivamente, se presentan en la Tabla 9.
Tabla 9. Condiciones ideales de operación para la el cálculo del coeficiente de diseño.
Q (BTU/h) D TML (°F)
TAI 4371213.4372 78.1307
TAF 1912610.8206 78.1307
TS 3081770.2323 72.2697
Con lo que se calculan los coeficientes de diseño U , así:
D
TAI = 73.4315 BTU/(h pie2 °F)
TAF = 77.1012 BTU/(h pie2 °F)
TS = 74.6283 BTU/(h pie2 °F)
Al sustituir en la ecuación 46, se calculan los factores de obstrucción para cada torre:
R TAI = 0.01055
D
R TAF= 0.00963
D
R TS = 0.01023
D
Como puede apreciarse, éstos factores son bastante altos, lo cual coincide con las características de
los equipos (fuerte ensuciamiento).ANEXO VII
PURGADORES QUE FALLAN EN INDUSTRIAS BÁSICAS DE CALDAS.
COSTO DE PURGADORES QUE PIERDEN VAPOR, POR AÑO.
TRAMPAS PARA VAPOR. IBC S.A.
MANUAL DE ASISTENCIA TÉCNICA DE TRAMPA TD42L Y TD42H.Purgadores que fallan en Industrias Básicas de Caldas S.A.
Pérdida de vapor lb/h Fallo Modelo Tamaño Fabricante Ubicación
184.4 Pierde vapor TD52 ½’’ (15mm) Spirax Calderas
Entrada vapor economizador
92.2 Pierde vapor TD52 ½’’ (15mm) Spirax Calderas
Desaireador - reductora 250/100psig
38.9 Pierde vapor TD52 ½’’ (15mm) Spirax Fundidor azufre
Cámara de bombeo - serpentín 8
38.9 Pierde vapor TD52 ½’’ (15mm) Spirax Fundidor azufre
Cámara de bombeo - serpentín 10
19.5 Ciclo rápido TD52 ½’’ (15mm) Spirax Fundidor azufre
Cámara de fundición - serpentín 4
Anegamiento TD52 ½’’ (15mm) Spirax Fundidor azufre
Cámara de fundición - serpentín 1
Anegamiento B1H-75 ½’’ (15mm) Spirax Fundidor azufre
Cámara de fundición - serpentín 2
Anegamiento TD52 ½’’ (15mm) Spirax Fundidor azufre
Cámara de fundición - serpentín 3
Anegamiento TD52 ½’’ (15mm) Spirax Fundidor azufre
Cámara de bombeo - serpentín 11
Costo de purgadores que pierden vapor, por año.
Industrias Básicas de Caldas S.A.Costo anual total Modelo Fabricante Ubicación Pérdida de vapor y Horas de
condensado (lb/h) operación
$40470.02 TD52 Spirax Calderas 184.43 6912
Entrada vapor economizador
$10177.50 TD52 Spirax Calderas 92.22 6912
Desaireador - reductora 250/100psig
$4270.07 TD52 Spirax Fundidor azufre 38.92 6912
Cámara de bombeo - serpentín 8
$4270.07 TD52 Spirax Fundidor azufre 38.92 6912
Cámara de bombeo - serpentín 10
$2135.04 TD52 Spirax Fundidor azufre 19.46 6912
Cámara de fundición - serpentín 4
Trampas para vapor. Industrias Básicas de Caldas S.A.
Número Ubicación Detalle de Modelo Tamaño Aplicación Presión Estado Acción Notas
de ubicación de psig
purgador conexión
1 Calderas Reductora TD52 ½’’ (15mm) Drenaje de 250 OK Instalar filtro
presión Stepan tubería
250/100psig
2 Calderas Entrada vapor TD52 ½’’ (15mm) Drenaje de 250 Pierde Reemplazar
economizador. tubería vapor con ½’’
TD42L3 Calderas Desaireador TD52 ½’’ (15mm) Drenaje de 250 Pierde Reemplazar
reductora presión tubería vapor con ½’’
250/100psig TD42L
4 Calderas Entrada B1H-250 ½’’ (15mm) Drenaje de 250 Sin usar Instalar filtro
Turbobomba tubería
5 Fundidor Entrada principal TD52 ½’’ (15mm) Drenaje de 100 OK
de azufre de vapor tubería
6 Fundidor Reductora TD52 ½’’ (15mm) Drenaje de 100 OK
de azufre presión tubería
100/50psig
7 Fundidor Enchaquetado TD52 ½’’ (15mm) Enchaquetado 50 OK
de azufre bomba N°1
8 Fundidor Enchaquetado TD52 ½’’ (15mm) Enchaquetado 50 OK
de azufre bomba N°1
9 Fundidor Enchaquetado TD52 ½’’ (15mm) Enchaquetado 50 OK
de azufre bomba N°2
10 Fundidor Enchaquetado TD52 ½’’ (15mm) Enchaquetado 50 OK
de azufre bomba N°2
11 Fundidor Cámara de B1H-75 ½’’ (15mm) Tanque con 100 Anegado Reemplazar Reemplazar mecanismo por
de azufre fundición serpentín con ½’’ B1H- B1H-125 e instalar válvula
cheque antes de la trampa
serpentín 1 125
Número Ubicación Detalle de Modelo Tamaño Aplicación Presión Estado Acción Notas
de ubicación de psig
purgador conexión
12 Fundidor Cámara de TD52 ½’’ (15mm) Tanque con 100 Anegado Reemplazar Hacer mantenimiento al
de azufre fundición serpentín con ½’’ serpentín
serpentín 2 TD42H
13 Fundidor Cámara de B1H-75 ½’’ (15mm) Tanque con 100 Anegado Reemplazar Reemplazar mecanismo
de azufre fundición serpentín con ½’’ B1H- por B1H-125 e instalar
serpentín 3 125 válvula cheque antes de
la trampa
14 Fundidor Cámara de TD52 ½’’ (15mm) Tanque con 100 Ciclo Reemplazar
de azufre fundición serpentín rápido con ½’’
serpentín 4 TD42H15 Fundidor Cámara TD52 ½’’ (15mm) Tanque con 100 OK
de azufre sedimentación serpentín
serpentín 5
16 Fundidor Cámara TD52 ½’’ (15mm) Tanque con 100 OK Corregir fuga por
de azufre sedimentación serpentín serpentín
serpentín 6
17 Fundidor Cámara de TD52 ½’’ (15mm) Tanque con 100 Pierde Reemplazar Corregir fuga por
de azufre bombeo serpentín vapor con ½’’ universal
serpentín 8 TD42H
18 Fundidor Cámara de TD52 ½’’ (15mm) Tanque con 100 OK
de azufre bombeo serpentín
serpentín 9
19 Fundidor Cámara de TD52 ½’’ (15mm) Tanque con 100 Pierde Reemplazar Corregir fuga por tubería
de azufre bombeo serpentín vapor con ½’’
serpentín 10 TD42H
20 Fundidor Cámara de TD52 ½’’ (15mm) Tanque con 100 Anegado Reemplazar Hacer mantenimiento al
de azufre bombeo serpentín con ½’’ serpentín
serpentín 11 TD42H
21 Quemador Enchaquetado de TD52 ½’’ (15mm) Tanque con 50 OK
azufre serpentínANEXO VIII
LISTADO DE MATERIALES.LISTADO DE MATERIALES – INDUSTRIAS BÁSICAS DE CALDAS
Item Cant. Descripción Equipo
1 1 Separador de humedad S4A 4” ANSI300 Salida vapor de caldera
2 1 Trampa Balde invertido B3-250 de 1 plg NPT Salida vapor de caldera- Separador
3 1 Filtro lT de 1 plg NPT Salida vapor de caldera- Separado
4 1 Trampa termostática BPT21 DE ½ plg Salida vapor de caldera- Separado
5 1 Venteo de aire AV21 de ½ plg NPT Final de tubería- Tanque Fundidor
6 1 Trampa termodinámica TD42L de ½ ”NTP Final de tubería- Tanque Fundidor
7 1 Válvula reductora de presión 25P de ½” NTP Reductora 250 – 100
8 1 Filtro IT de 1 plg NTP Reductora 250 – 100
9 1 Trampa termodinámica TD42L de ½ ”NTP Trampeo reductora 250 – 100
10 1 Visor cheque de ½ plg NTP Trampeo reductora 250 – 100
11 1 Válvula de seguridad 211S1.1/4xGx1.1/2set.110 psig Reductora 250 – 100
12 4 Trampa termodinámica TD42H/L de ½ ”NTP Tanque fundidor–cámara de fundición
13 4 Visor cheque de ½ plg NTP Tanque fundidor–cámara de fundición
14 4 Trampa termodinámica TD42H/L de ½ ”NTP Tanque fundidor–cámara de sedimentación
15 4 Visor cheque de ½ plg NTP Tanque fundidor–cámara de sedimentación
16 3 Trampa termodinámica TD42H/L de ½ ”NTP Tanque fundidor–cámara de bombeo
17 3 Visor cheque de ½ plg NTP Tanque fundidor–cámara de bombeoItem Cant. Descripción Equipo
18 1 Bomba de condensadores PPEC con cheque 1.1/2 bronce Tanque fundidor – recuperación condensados
19 1 Trampa termodinámica ITD32L con sensor WLS1 Tanque fundidor – sistema spiratec
20 1 Control R12 para recibir señal de 12 trampas Tanque fundidor – sistema spiratec
21 1 Conectores PT2 para enviar señal de la trampa al R12 Tanque fundidor – sistema spiratec
22 1 Sistema automático de purga de superficie BCS4-1.1/2 “ Calderas
23 1 Sistema automático de purga de fondo- 2 plg CalderasANEXO IXANEXO X
DISEÑO DE LAS BOMBAS PARA EL RETORNO DE CONDENSADOS EN EL
FUNDIDOR DE AZUFRE.DISEÑO DE LAS BOMBAS PARA EL RETORNO DE CONDENSADOS EN EL
FUNDIDOR DE AZUFRE.
En primer lugar, se considerará el caso experimental:
Masa de condensados =707.4 Kg/h
Z = 0 m
1
Z = 5 m
2
Asunciones:
Proceso adiabático Q = 0
Proceso isoentálpico D H = 0
Energía cinética D E = 0
C
Con las anteriores suposiciones, el balance de energía se reduce a:
-W = D E = m * g * (Z – Z )
P 2 1
Donde
W = Trabajo, en J
m = Masa = 707.4 Kg
g = Aceleración de la gravedad = 9.81m/s2
Z – Z = 5m
2 1
Por consiguiente:
W = - 34697.97J = 34.69KJ
Y como la Potencia es,
W 34.69KJ
P = = =11.57KW
t 3seg
P = 15.52HP
Costo cotizado de la bomba $4’000.000
Para el caso teórico, se tiene:
m = 450Kg/h
Z – Z = 5m
2 1W = -22072.5J = -22.073KJ
P = 7.35HP
Costo cotizado de la bomba $3’000.000