UNIDAD 1 : APROVECHAMIENTO DE ENERGÍA EN LOS PROCESOS QUÍMICOS

CALDERAS

Esquema de una caldera acuotubular de vapor saturado y sobrecalentado mostrando sus diferentes secciones.

El agua liquida entra al economizador (1), donde se calienta hasta una temperatura próxima a la de saturación (2), se introduce en el calderín y desciende por los tubos de riego (3-3’) hasta el colector inferior, distribuyéndose hacia los tubos vaporizadores, donde se forman las burbujas de vapor (4- 5) que a su vez se separan en el calderín (6). El vapor saturado (7) puede calentarse por encima de su temperatura de saturación en el sobrecalentador (8).

La circulación del agua por los dos tubos de bajada (riegos) y de subida (vaporizadores) puede ser por convección natural, debido a la diferencia de densidades, o forzada mediante una bomba

¿Qué Es Un Caldero?

Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria. Una Caldera es un dispositivo cuya función principal es calentar agua. Cuando  supera  la  temperatura  de  ebullición, genera  vapor. El vapor  es  generado  por  la  absorción de  calor  producido  de  la  combustión del combustible. La caldera se encarga de absorber el calor proveniente de las  áreas del economizador, el horno, el supe calentador y el vapor recalentado. 

Las calderas pueden ser eléctricas, a gasóleo o combustible diésel, a  gas natural, gas butano, etcétera. Las calderas pequeñas, exclusivamente para agua caliente sanitaria, se suelen conocer como calentadores (ej. para emplear en la ducha, en el fregadero de la cocina, etc.). Se  conoce  como  caldera  de  vapor  a  aquella  unidad  en la  cual se  puede cambiar el estado del fluido de trabajo (agua) de líquido a vapor de  agua, en un proceso  a  presión constante  y controlado,  mediante  la  transferencia de  calor de  un combustible  que es quemado en una  cámara  conocida como "hogar". En algunos casos se puede llevar hasta un estado  de vapor sobrecalentado.

Las calderas acuotubulares son idóneas para todos aquellos procesos industriales en los que se requieran altas presiones de vapor, grandes producciones de vapor o ambas condiciones a la vez. En la gama de calderos existe: Las calderas acuotubulares modelo “CIT” con configuración en delta, de tres pasos de humos con paredes de agua y la tabiquería exterior refractaria La caldera se compone de dos colectores o domos a los que van a conectar todos los tubos de la caldera, con dos o más columnas de circulación natural, según sea el tamaño de la caldera.

Descripción del caldero acuotubular:

Los tubos de agua se unen y conforman para formar el recinto del hogar, llamados paredes de agua. El recinto posee abertura para los quemadores y salidas de gases de combustión. La circulación del agua puede ser natural, debido a la diferencia de densidad entre agua fría y agua caliente. El agua en ebullición se acumula en un recipiente llamado domo donde se separar el vapor de agua.

Caldero Acuotubular de 2 pasos de humos y circulación natural (shield

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1.Cuerpo cilíndrico 2. Salida de vapor 3. Toma del vapor (antiespumante) 4. Válvula de seguridad 5. Indicador de nivel 6. Entrada de hambre 7. Hombre 8. Tabique deflectores 9. Colectores 10.Salida hacia la chimenea

CALDERAS HUMOTUBULARES

En estas calderas son los humos los que circulan por dentro de tubos, mientras que el agua se calienta y evapora en el exterior de ellos.

 Todo este sistema está contenido dentro de un gran cilindro que envuelve el cuerpo de presión.

 Los humos salen de la caldera a temperaturas superiores a 70 C de forma que se evita la condensación del vapor de agua que contienen, evitando así problemas de formación de ácidos y de corrosión de la caldera. Al evacuar los humos calientes, se producen pérdidas de energía con la consiguiente bajada del rendimiento de la caldera.

 La caja de humos (colector de humos), es la parte de la caldera donde confluyen los gases de la combustión en su recorrido final, que mediante un tramo de conexión se conducen a la chimenea.

 CALDERAS PIROTUBULARES

En este tipo de caldera el humo caliente procedente del hogar circular por el interior de los tubos gases, cambiando de sentido en su trayectoria, hasta salir por la chimenea.

El calor liberado en el proceso de combustión es transferido a través de las paredes de los tubos al agua que los rodea, quedando todo el conjunto encerrado dentro de una envolvente o carcasa convenientemente calorifugada.

A través de este recorrido, el humo, ceden gran parte de su calor al agua, vaporizándose parte de esta agua y acumulándose en la parte superior del cuerpo en forma de vapor saturado. Esta vaporización parcial del agua es la que provoca el aumento de la presión del interior del recipiente y su visualización en el manómetro.

Su rendimiento global esperado a lo largo de su vida útil no supera el 65% en el mejor de los casos.

Este tipo de generadores, por su diseño no admiten presiones de trabajo elevadas, más allá de las dos o tres atmósferas; son de construcción sencilla y disponen de moderada superficie de intercambio, por lo no se utilizan para elevadas producciones de vapor.

Son en compensación, muy económicos en costo y de instalación sencilla, por lo que su utilización actual primordial es para calefacción y producción de vapor para usos industriales.

PROBLEMAS

1.- Una unidad de 100000 bbl/d (barril=158.98 litros) de peróxido de hidrógeno debe construirse en Filadelfia y completada en el 2002. En Malasia una planta similar con una capacidad de 150000 bbl/d y un costo final de $50 millones fue completada en 2000. La historia reciente muestra que un factor de capacidad de 0.75 puede ser apropiado.La aproximación más simple es usar el algoritmo de factor de capacidad

Sin embargo una mejor estimación es obtenida cuando ajustamos por diferencias en alcance, ubicación y tiempo. La planta en Malasia incluye costos de almacenamiento y costos que no están incluídos en la planta que se debe construir en Filadelfia.

Sin embargo, la construcción en Filadelfia se espera un costo 1.25 veces mayor que en Malasia. La adecuación por las fechas de construcción (2000 en Malasia a 2002 en Filadelfia) será incluída como un factor multiplicador 1.06 desde el 2000 al 2002. Costos adicionales para la planta de Filadelfia implican control de la polución.

La estimación revisada es como sigue Planta en Malasia = $50M Deducir $10M por costos de almacenamiento y costos propios = $40MAjuste de Malasia a Filadelfia ($40M) (1.25) = $50M Ajuste al 2002 ($50M) (1.06) = $53M Estimación por factores de capacidad ($53M) (100/150) 0.75 = $39M Sumar $5M por requerimientos de control de la polución = $44M

Realice una estimación de orden de magnitud de la inversión total de capital en el año 2001 (MS=1110) para producir benceno de acuerdo al proceso de hidroalquelación de tolueno mostrado en la figura.

Se asume una alimentación de 274.2 lbmol de tolueno/hr. Suponga una conversión total de benceno de 95% y 330 días de operación por año. También asuma que el gas entra a la presión deseada y debe agregarse una torre de absorción en el flowsheet después del estabilizador. El tratamiento elimina contaminantes que podrían estar en la corriente de benceno. Para lograr que el reactor mantenga una elevada temperatura deberá estar aislado con un FM= 1.5. Todos los otros equipamientos principales se construirán en acero al carbón. La planta será construida en el exterior con agregados importantes a servicios existentes

Etapa 2: El flowsheet incluye un reactor (con FM=1.5) operando a 570 psia, tres columnas de destilación operando a presiones menores de 100 psia, un compresor operando a 570 psia y una torre de adsorción que se supone opera a menos de 100 psia. Entonces, la suma de los valores de CM es

tapa 3: La inversión total del módulo desnudo para una planta de procesamiento de fluídos es

PROBLEMA 12