Análisis crítico de la generación, transporte y uso del vapor en empresa electroquímica

Facultad de ingeniería mecánica

Título: Análisis crítico de la generación, transporte y uso del vapor en la empresa Electroquímica de Sagua La Grande.

Autor: Jorge Luis Marrero García.

Tutores: Dr. Ángel Rubio Gonzáles.

Ing. Tatiana Rivero Fernández. Curso: 2013-2014

Resumen El presente proyecto de curso titulado análisis crítico de la generación, transporte y uso del vapor en la empresa Electroquímica se Sagua, está conformado por tres capítulos. El primero tiene como tema principal la caracterización general de la instalación incluyendo la descripción de la sala de calderas. Se realizó una caracterización de los sistemas consumidores de vapor y se confeccionó el diagrama de flujo. El segundo capítulo aborda sobre el análisis crítico del sistema consumidor, centrándose en la evaluación del sistema de aislamiento térmico de tuberías y equipos. Se evaluó el estado en que se encontraban los salideros de vapor y se realizaron algunas recomendaciones para disminuir las pérdidas energéticas en el sistema consumidor. En el tercer capítulo se realiza un análisis crítico del consumo de combustible, y los gases de escape del generador, teniendo en cuenta la caracterización del combustible empleado, el estudio del consumo histórico, evaluación de la eficiencia térmica del generador, caracterización del sistema empleado para satisfacer la demanda de vapor y por último algunas recomendaciones para incrementar la eficiencia del generador. En el capítulo cuatro se analizaron por diferentes vías los posibles costos de una caldera para sustituir la actual en caso de ser necesario. Abstract This ongoing project entitled critical analysis of generation, transmission and use of steam in the company is Sagua Electrochemistry, consists of three chapters. The first has as its main theme the general characterization of the facility including the description of the boiler room. Consumer characterization systems and steam was conducted flowchart was made. The second chapter focuses on the critical analysis of the consumer system, focusing on the evaluation of the thermal insulation system of pipes and equipment. The state in which the steam leaks were and some recommendations are made to reduce energy losses in the consumer system was evaluated. The third chapter, a critical analysis of fuel consumption, and exhaust gas generator, given the characterization of the fuel used, the study of historical use, evaluation of the thermal efficiency of the generator, the system used for characterization is performed meet the demand for steam and finally some recommendations to increase the efficiency of the generator. In chapter four possible costs of a boiler were analyzed in different ways to replace the current if necessary.

INDICE

Introducción……………………………………………………………………………………………………1

Capítulo #1 Caracterización general de la instalación…………………………………………..2

1.1-Descripción de la sala de calderas y su equipamiento……………………………………..2 Calentador de vapor H 700 C………………………………………………4 1.2-Caracterización del sistema consumidor………………………………………………………..4

1.3-Datos de chapa del generador de vapor y equipos consumidores…………………….5

1.4-Esquema monolineal y líneas de vapor a equipos consumidores. ……………………..8

Capítulo #2 Análisis crítico del estado del sistema consumidor. …………………………….9

2.1. Evaluación del sistema de aislamientos de tuberías y equipos…………………………9

2.2. Evaluación crítica de salideros de vapor…………………………………………………….17

2.3. Recomendaciones para disminuir las pérdidas energéticas en el sistema consumidor…………………………………………………………………………………………………..19

Capítulo 3. Análisis crítico del consumo de combustible y la combustión en la caldera. …………………………………………………………………………………………………………………..19

3.1 Caracterización del combustible empleado…………………………………………………..19

3.2- Estudio del consumo histórico de combustible de la sala de calderas durante dos años…………………………………………………………………………………………………………….20

3.3 Evaluación de la eficiencia térmica del generador de vapor…………………………….23

3.4 Caracterización del sistema de combustión………………………………………………….27

3.5- Caracterización del sistema empleado para satisfacer la demanda de vapor. …..28

3.6 Recomendaciones para incrementar la eficiencia del generador de vapor…………30

Capítulo 4. Valoración de costos de calderas para una posible sustitución……………..30

Conclusiones Generales…………………………………………………………………………………32

Recomendaciones Generales………………………………………………………………………….33

Bibliografía……………………………………………………………………………………………………34

Anexos ………………………………………………………………………………………………………..35

1 Introducción

El siguiente proyecto de curso se realizó en la EMPRESA ELECTROQUÍMICA DE SAGUA perteneciente al MINISTERIO DE INDUSTRIAS. Su principal objetivo es producir, transportar, distribuir y comercializar de forma mayorista, el ácido clorhídrico, hidróxido de sodio, sosa cáustica, cloro líquido, hipoclorito de sodio, sulfato de aluminio, silicato de sodio líquido etc. Es un objetivo económico estratégico, por ser sus producciones únicas en el país con alta incidencia en sectores de la economía. Su producción es continua durante las 24 horas todo el año. Para la realización del presente trabajo hemos seleccionado una CALDERA DE VAPOR con una capacidad de generación de 2,5 t/h. La misma ha sido diseñada y construida en nuestro país por la empresa ALASTOR, especializada en la fabricación de estos equipos. Esta caldera es del tipo pirotubular, se encuentra montada y prestando servicio en la Planta Elpidio Sosa perteneciente a la empresa mencionada al inicio. Donde genera el vapor que se demanda en los procesos de las diferentes instalaciones que componen esta industria química, como son en la producción de silicatos y en el área de mantenimiento es empleado en una autoclave que es utilizada para vulcanizar goma etc.

Objetivo General del Proyecto ? Realizar un análisis crítico de la generación transporte y uso del vapor en la empresa.

Objetivos Específicos del Proyecto ?

?

?

? Evaluar la eficiencia de la generación de vapor.

Analizar el estado técnico del sistema de transporte del vapor.

Estudiar el empleo del vapor generado.

Valorar alternativas de evaluación del costo de calderas para una posible sustitución.

2 Capítulo #1 Caracterización general de la instalación.

1.1-Descripción de la sala de calderas y su equipamiento. Este es el generador de vapor que se encuentra instalado en la industria, con una capacidad de generación de 2,5 . Generador de vapor.

La bomba que se muestra a continuación succiona el agua de los tanques de tratamiento y después la inyecta a la caldera. Bomba eléctrica encargada de inyectar el agua a la caldera.

3 En esta imagen se muestra el cabezal, que es el encargado de distribuir el vapor hacia las diferentes áreas de consumo. Cabezal. Leyenda:

Equipos

Caldera de vapor Soplador de aire Diagrama de flujo.

Códigos

F 700 K 700

4 Calentadores eléctricos

Calentador de vapor Filtros de petróleo

Tanque dosificador de reactivos

Agitador tanque de reactivos

Tanque precalentador

Tanque de recepción de combustible

Tanque de alimentación de combustible

Quemador

Bombas de petróleo

Bombas de agua de alimentación H 700 A , B

H 700 C S 700 A,B,C

B 700 B

A 700

B 700 A

T 700 A

B 700 F

Q 700

P700 A, B, E

P 700 C, D 1.2-Caracterización del sistema consumidor.

El sistema consumidor está constituido por dos autoclaves, una pequeña y otra grande, la pequeña está ubicada en la planta de producción de silicatos líquidos, y con el vapor que es producido por el generador se emplea para diluir en el interior de la autoclave, las pastillas sólidas de silicato de sodio, el cual se licua, logrando la concentración de los parámetros establecidos. También el vapor se utiliza en algunos procesos auxiliares que se llevan a cabo en las instalaciones de mantenimiento y apoyo a la producción, como por ejemplo en una autoclave de gran tamaño para la vulcanización de componentes engomados.

5 1.3-Datos de chapa del generador de vapor y equipos

consumidores. Tabla-1: Datos del generador de vapor.

6 Autoclave estática para licuar silicatos. Productos que manipula: Silicatos, Vapor y Sosa Caústica. Tabla-2: Datos de los equipos consumidores de vapor (Autoclave).

Esta autoclave es uno de los equipos consumidores de vapor, encargado de producir silicato líquido. Autoclave estática.

7 Tabla-3: Datos de los equipos consumidores de vapor (Autoclave para vulcanizar goma).

Esta imagen muestra el mayor equipo consumidor de vapor en la fábrica que es el encargado de vulcanizar todos los compuestos engomados. Autoclave de vulcanizar goma.

8 1.4-Esquema monolineal y líneas de vapor a equipos consumidores. En esta fábrica el sistema de generación de vapor se realiza de la siguiente manera:

El fuel oíl es succionado del tanque de recepción de combustible por una bomba y lo descarga hacia el tanque de alimentación, después del tanque de alimentación baja por gravedad hacia un calentador de combustible, pero en este momento el calentador no funciona ya que tiene la resistencia rota. Luego el combustible que sale del calentador se succiona con otra bomba que lo impulsa por una tubería que va hasta el quemador. Posteriormente se enciende el quemador y a partir de ahí es que se comienza a calentar el agua que se encuentra dentro del generador hasta que se convierte en vapor. El mismo va por una serie de tuberías hasta las diferentes líneas de producción, donde es empleado para vulcanizar goma en una autoclave y además para la realización de silicato, en otra autoclave más pequeña.

9 Datos que se tuvieron en cuenta para buscar los parámetros del vapor:

? Presión=10 ? Temperatura de saturación=184°C

Conversiones: 1

10 =100

=1000 =0,1

=1 Parámetros del vapor saturado:

Volumen específico (v)=197,42×10³

Energía interna específica (µ)=2593,6

Entalpía (h)=2791,0

Entropía (s)=6,6148

Nota: Estos parámetros fueron sacados de Steam-Table (Joseph.Keenan.)

Capítulo #2 Análisis crítico del estado del sistema consumidor.

2.1. Evaluación del sistema de aislamientos de tuberías y equipos. El sistema de tuberías por donde se transporta el vapor producido por el generador, tiene partes que se encuentran en buen estado como por ejemplo la tubería que se extiende hasta la autoclave de vulcanizar goma. Hay otra que está en mal estado ya que no tiene ningún tipo de recubrimiento. Esta parte tiene una longitud de 3m aproximadamente y es la que se extiende hacia la autoclave más pequeña, por tanto eso trae como consecuencia que haya mayores pérdidas de vapor por radiación y por conversión libre al medio ambiente.

h ?1,13*? ??t ? ?1,13*? ? ? ? ? ? m ?hr?0C m ?hr? C m ?0C 10 La imagen muestra el estado en que se encuentra la tubería de transporte de vapor, que va hacia la autoclave de silicato, que está sin recubrimiento. Tramo de tubería que no tiene recubrimiento.

Tramo que sale del generador de vapor hacia el cabezal.

Datos:

d = 0,1524 m

L=6m

tsuperficie = 40 oC

taire= 27 oC

A? ?*d *L ? ?*0,1524m*6m ? 2,87m2

Superficie recubierta con una chapa galvánica.

? ? 0,25

Calor perdido por convección libre kCal kCal W 2 2 0 2 0,25 0,25 kJ 1hr * kCal 3600s *4,1858 ? 4 h ? 3,43 ? 3,43 ?40oC ?27oC ? 0,1524m ? ? d ?

m *0C Q ?? *A*? *(Tsup ?Tsurr ) m *K 4 W 2 *(40 ? 27)oC Q ? A*h*(tsup ? taire) ? 2,87m2 *4 Q ? 0,15kW

Calor perdido por radiación 4 4 W 2 *(313K 4 ?300K 4) Q ? 0,25*2,87m2 *5,67*10?8 Q ? 0,06094 kW Calor total perdido en un año Qt ? Qconv ?Qrad Qt ? 0,15kW ?0,06094kW ? 0,21kW

Estas tuberías trabajan:

1 hora al día.

5 días a la semana.

11 meses al año.

4 semanas al mes. kJ año 5días 4sem 11mes * * sem mes año * 1h día * kJ 3600s * s h ?1,67 *105 Qanual ? 0,21 Tramo del cabezal hacia la autoclave de vulcanizar goma.

Datos:

d = 0,1016 m

L = 200 m

tsuperficie = 40 oC

taire= 27 oC

A? ?*d*L ? ?*0,1016m*200m ? 63,84m2

Superficie recubierta con una chapa galvánica.

? ? 0,25

Este valor de la emisividad se obtuvo de un material complementario de aislamiento de tuberías.

11

h ?1,13*? ??t ? ??????? 2 ?m ?hr? C?? h ?1,13*? ??t? ?1,13*? ? ? ? m ?hr?0C m ?hr? C m ?0C m * C Q ? ? * A*? *(Tsup ?Tsurr ) m ? K 4 m *K 12 Calor perdido por convección libre

Q ? A*h*(tsup ?taire)

Para calcular el coeficiente de convección libre (h) se utiliza la ecuación 24.12 pág. 718 Termodinámica, Virgil Moring Faires. ? kCal ? ? ? d ? 0 0,25 kCal kCal W 2 2 0 2 0,25 0,25 kJ 1hr * kCal 3600s *4,1858 ? 4,42 h ? 3,8 ? 3,8 ?40oC ?27oC? ? 0,1016m ? ? ? d ? W 2 0 *(40?27)*0C Q ? A*h*(tsup ?taire) ? 63,84m2 *4,42 Q ? 3,67kW

Calor perdido por radiación

4 4

A ? 63,84m2 W ? ? 5,67*10?8 2 T sup ? 40 ? 273 ? 313K Tsurr ? 27 ? 273 ? 300 K ? ? 0,25 W 4 2 *(313K 4 ?300K 4) Q ? 0,25*63,84m2 *5,67*10?8 Q ?1,36 kW

Calor total perdido en un año

Estas tuberías trabajan:

4 horas al día.

1 día a la semana.

h ?1,13*? ??t ? ?1,13*? ? ? ? m ?hr?oC h ? 3,8 2 m ?hr? C m ?o C m * C Q ?? *A*? *(Tsup ?Tsurr ) 13 11 meses al año.

1 semana al mes. kJ año kJ 3600s 4h 1día 1sem 11mes * * * * * s h día sem mes año ?7,96 *105 Qanual ?5,03 Se pierden a través de las tuberías con aislante 7,96 *105 kJ de calor al año.

Tramo que sale del cabezal hacia la autoclave pequeña. ? Parte con recubrimiento de asbestocemento hasta el tramo que no tiene aislante. Datos:

d = 0,1016 m

L = 12 m

tsuperficie = 40 oC

taire= 27 oC

A? ?*d *L ? ?*0,1016m*12m ? 3,83m2

Superficie recubierta con asbestocemento.

? ? 0,90

Calor perdido por convección libre W kCal kCal o ? ? d ? 2 2 0,25 0,25 ? 4,42 kJ 1hr * kCal 3600s *4,1858 ? 3,43 ?40oC ?27oC ? ? 0,1016m ? W 2 0 *(40?27)oC Q ? A*h*(tsup ?taire) ? 3,83m2 *4,42 Q ? 0,22kW

Calor perdido por radiación

4 4