UNIVERSIDAD ESTATAL PENINSULA DE SANTA ELENA

FACULTAD DE “CIENCIAS DE LA INGENIERIA“

CARRERA DE INGENIERIA EN PETROLEO

TEMA:

MATERIA:

NOMBRE:

PROFESOR

CURSO

BALANCE ENERGÉTICO Y BALANCE MASICO DE UNA CALDERA ___________________________________________________________________________

1. Introducción.

2. Objetivos.

3. Funcionamiento de una caldera.

4. Clasificaciones de calderas.

5. Transferencias de calor en hornos.

6. Balance energético en una caldera.

7. Ejercicio de balance energético en una caldera.

8. Rendimiento energético.

9. Balance másico en una caldera

10. Ejercicio de balance másico en una caldera.

11. Conclusión

12. Glosario

13. Bibliografía

BALANCE ENERGÉTICO DE UNA CALDERA ____________________________________________________________________________

Un calentador por combustión (fired heater) (en adelante horno) es un

intercambiador de calor en el que el fluido de proceso fluye dentro de tubos y se

calienta por radiación procedente de una llama de combustión y por convección

desde los gases calientes de esta. El objetivo de este tema es:

1.- Conocer los diferentes tipos de hornos y sus aplicaciones.

2.- Introducir las fórmulas de diseño de hornos, contemplando los mecanismos de

transmisión de calor, temperaturas de los gases, determinando las dimensiones de

la tubería, volumen del horno y chimenea.

1. Conocer el principio de funcionamiento de las calderas para identificar los flujos

energéticos útiles y las pérdidas energéticas.

2. Realizar un balance energético en una caldera, determinando la localización y

magnitud de las pérdidas energéticas.

3. La caldera es un equipo donde se transfiere la energía obtenida en la combustión

de un combustible a un fluido de trabajo.

BALANCE ENERGÉTICO Y BALANCE MASICO DE UNA CALDERA ___________________________________________________________________________

Las calderas son dispositivos utilizados para calentar el agua o generar vapor a una

presión superior a la atmosférica. Las calderas se componen de un comportamiento

donde se consume el combustible y otro donde el agua se convierte en vapor. Son

instalaciones industriales que aplicando el calor de un combustible sólido, liquido o

gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria. La Mayoría de las

Calderas o Generadores de Vapor tienen muchas cosas en común. Normalmente en

el fondo está la cámara de combustión o el horno en donde es más económico

introducir el combustible a través del quemador en forma de flama. El quemador es

controlado automáticamente para pasar solamente el combustible necesario para

mantener la presión en el vapor deseada. La flama o el calor son dirigidos o

distribuido a las superficies de calentamiento, que normalmente son tubos, fluxes o

serpentines. En algunos diseños el agua fluye a través de los tubos o serpentines y

el calor es aplicado por fuera, este diseño es llamado "Calderas de Tubo de Agua".

En otros diseños de calderas, los tubos o fluxes están sumergidos en el agua y el

calor pasa en el interior de los tubos, estas son llamadas "Calderas de Tubos de

Humo". Si el agua es sujeta también a contacto con el humo o gases calientes más de

una vez, la caldera es de doble, triple o múltiples pasos

El agua de alimentación de las calderas debe ser bien tratada de lo contrario pudiera causar los siguientes problemas:

1. Formación de costra 2. Corrosión 3. Formación de burbujas de aire 4. Adherencia del vapor al cilindro.

BALANCE ENERGÉTICO DE UNA CALDERA ____________________________________________________________________________

Por los daños que causa utilizar agua no tratada es que existe una unidad de tratamiento de las impurezas del agua la cual opera de la siguiente manera:

Como ya se mencionó el objetivo fundamental de esta unidad es reducir la dureza del agua de río hasta cero por los daños que estos generan, con el objeto de utilizarla como agua de alimentación de las calderas. Agua normalmente contiene una cierta cantidad de sales, entre las más importantes para la utilización en la generación del vapor se tienen: carbonato de calcio y carbonato de magnesio.

Estas sales de no eliminarse antes de ser usada en las calderas pueden producir incrustaciones en los tubos. Las incrustaciones es la formación de depósitos sólidos y duros sobre la superficie interna de los tubos. Para evitar esta formación en la planta de tratamiento de agua se tiene el proceso de suavización en caliente que consiste en la formación de flóculos producto de la reacción de la cal con las sales y lodos que contiene el agua. Este proceso es llamado Termocirculador.

Luego del proceso termocirculador, se filtra el agua en filtros de carbón y finalmente se efectúa el intercambio iónico en los suavizadores de zeolita, en donde se disminuye el contenido de carbonato de calcio hasta valores de cero, después de esto el agua se almacena para alimentar las calderas según la demanda de vapor. Las calderas son los equipos encargados de generar el vapor necesario para la operación de la refinería y el calentamiento de los tanques de almacenamiento. El agua tratada se envía a un desaereador en donde se disminuye el contenido de oxígeno disuelto hasta valores muy bajos, luego se envía directamente a las calderas para la producción de vapor. En relación a tratamientos de agua para calderas, se ha estudiado ampliamente en el desarrollo de compuestos inorgánicos tales como: fosfatos, sulfitos, aminas, etc., sin embargo todos estos compuestos se comportan exclusivamente como preventivos, esto significa que cuando una caldera ya se encuentra incrustada, estos productos evitarán que dicha incrustación continúe creciendo, pero la incrustación formada no sufrirá disminución alguna (al contrario, tiende a aumentar cuando existen errores en la dosificación) por tanto la desincrustación se deberá realizar manualmente o por medio de recirculación de ácidos, teniendo estricto control de niveles de pH, durezas, alcalinidad y otros parámetros recomendados por el suplidor de productos químicos para el tratamiento interno del agua; en ambas opciones se tendrá que parar el funcionamiento del equipo. Existen también otros procedimientos para el tratamiento del agua entre los cuales destacan los siguientes:

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Destilación: es un proceso de purificación de agua de eficacia comprobada durante mucho tiempo en que el agua es tratada hasta que se evapora y el vapor se condensa y recoge. El equipo necesario no es muy caro, pero consume mucha energía. Además las impurezas volátiles tales como el dióxido de carbono, sílice, amoniaco, y varios compuestos orgánicos pasaran el destilado. Intercambio iónico: el intercambio iónico se utiliza en gran medida en los laboratorios para proporcionar agua purificada bajo demanda. Los des ionizadores de laboratorio incorporan cartuchos de lecho mixto de resina de intercambio iónico que, o bien pasan a una estación de regeneración para su recarga cuando se agotan o bien se desecha. ·Osmosis inversa: el objetivo de la osmosis inversa es obtener agua purificada partiendo de un caudal de agua que está relativamente impura o salada. Esto se logra separar de este caudal de agua contaminada con sales, un caudal menor de agua pura. En este proceso se aplica presión que tiene más alta concentración de sales para forzar un caudal menor de agua pura. Presiones en la caldera: La temperatura y la presión en la operación de cada caldera definitivamente están relacionada. A presión atmosférica normal el agua tiene un punto de ebullición a 100ºC, a mayor presión el punto de ebullición se incrementa, hasta alcanzar un máximo punto de ebullición a 374oC a una presión de 3200 libras por pulgada2 (220.63 bar). Por encima de esta temperatura el agua no existe como líquido. Capacidades de Caldera: Las calderas son catalogadas en base a la cantidad de

vapor que ellas pueden producir en un cierto periodo de tiempo a una cierta

temperatura. Las calderas más grandes producen 1´000,000 de libras por hora o son

catalogadas en base a 1 "caballo de fuerza" o "caballo vapor caldera" por cada 34.5

libras de agua que pueden ser evaporadas por hora. Otra definición es 1 "caballo de

fuerza" por cada 10 pies2 de superficie de calentamiento en una caldera de tubos de

agua o 12 pies2 de superficie de calentamiento en una caldera de tubos de humo.

BALANCE ENERGÉTICO DE UNA CALDERA ____________________________________________________________________________

Las calderas pueden clasificarse atendiendo a varios criterios, Atendiendo a

las necesidades energéticas del proceso:

- Calderas de agua caliente

- Calderas de agua sobrecalentada

- Calderas de vapor saturado

- Calderas de vapor sobrecalentado

- Calderas de fluido térmico

Atendiendo a la posición relativa entre el fluido a calentar y los gases de

combustión:

- Calderas Pirotubulares: Los humos calientes circulan por el interior de los tubos

sumergidos en el fluido.

- Calderas Acuotubulares: El fluido circula por el interior de los tubos sumergidos

en una masa de humos

Clasificación según Norma UNE 9.002 (I)

• De convección.

• De radiación.

• De radiación y convección.

• De carbón (de parrilla mecánica o pulverizado).

• Para combustibles líquidos.

• Para combustibles gaseosos.

• Para combustibles especiales (lejías, resíduos vegetales o agrícolas, etc.).

• Para combustibles variados (calderas policombustibles).

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• Subcríticas: baja (p≤1 bar), media (1< p<13 bar) y alta presión (p>13 bar).

• Supercríticas.

Normalmente los hornos se dividen en tres partes:

Sección radiante:

Donde los tubos están en presencia de la llama. En esta parte la transmisión de

calor es por radiación en un 80 % aprox y un 20 % por convección de la circulación

de gases calientes alrededor de los tubos.

Sección de convección:

Los tubos están fuera del alcance de la llama. Los gases caliente se direccionan a

través del paquete de tubos. El calor transmitido es por radiación del CO2y H2O en

los gases calientes además del calor por convección. Los tubos están equipados con

aletas para mejorar las condiciones de transmisión de calor.

Sección de blindaje (shield):

Las primeras filas de tubos del área de convección son la zona de choque (shock) en

ella los tubos no tienen aletas, reciben la misma cantidad de calor por ambos

mecanismos.

Podemos clasificarlos hornos en:

• TIPO DE CAJA O CABINA (BOX HEATERS)

• Tubos horizontales. Calentamiento simple

• Tubos horizontales. Calentamiento doble

• Tubos Verticales. Calentamiento doble

BALANCE ENERGÉTICO DE UNA CALDERA ____________________________________________________________________________

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BALANCE ENERGÉTICO DE UNA CALDERA ____________________________________________________________________________

Para este cálculo se siguen las siguientes etapas:

1.- Chequear el balance de calor.

2.- Fijar la temperatura de los gases en la chimenea o la eficiencia del horno

3.- Calcular el diámetro de tubo requerido y las dimensiones aproximadas del Horno.

4.- Decidir las variables del horno

a) Tipo de unidad

b) Tipo de combustible

c) Porcentaje de exceso de aire.

d) Flujo de calor radiante.

e) Numero de filas de tubos de choque.

f) Se utiliza economizador? De qué tipo?

5.- Calcular la eficiencia del horno, el calor liberado, y los consumos de aire y combustible.

6.- Estimar la transmisión de calor en la sección radiante y la superficie radiante requerida. Obtener número de tubos necesarios.

7.- Esquematizar la forma aproximada de la sección radiante y establecer las constantes para el procedimiento de Lobo-Evans.

8.- Resolver la ecuación de Lobo-Evans para la transmisión de calor en zona radiante y comprobar si el flujo de energía radiante es el suficientemente próximo al deseado. Si no ajustar en número de tubo y volver a etapa 7.

9.- Estimar la temperatura del fluido entrante en la sección radiante y la temperatura del gas en la sección radiante.

10.- Fijar en número de tubos en una fila en la sección de convección y calcular la velocidad másica del gas a través de los tubos. Para los tubos de choque y para los tubos con aletas.

11.- Calcular la transmisión de calor en los tubos de choque y la temperatura del gas a la salida de estos. SE realizará por procedimiento de ensayo error.

12.- Repetir los cálculos de transferencia de calor de etapa 10 para la zona de tubos con aletas. Es deseable fijar el número de tubos con aletas de la sección de convección y resolver para una temperatura de salida de gas. En este caso la eficiencia del horno puede ser diferente al valor original de diseño.

13.- Diseñar el diámetro de chimenea y la altura si se emplea chimenea natural.

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Se denomina funcionamiento estable de un horno al que es repetitivo a lo largo del tiempo en cuanto a condiciones de trabajo, sin paradas o cambios importantes en el proceso, sobre todo de temperatura. En un horno continuo supone constancia en las cargas, temperaturas de regulación de las diferentes zonas, velocidades de avance o tiempos de tratamiento constantes a lo largo de un periodo prolongado (campaña de trabajo) sin para-das durante la noche, fin de semana, etc. En un horno discontinuo, que opera por ciclos de enfriamiento del horno, dichos ciclos se repiten sucesivamente sin cambios en las cargas y temperaturas del proceso. Tiene importancia el calor almacenado en el revestimiento, del cual se pierde una parte en cada ciclo. En los hornos continuos de fusión, se mantienen constantes las temperaturas del proceso, siendo irrelevantes en el balance las pérdidas de calor almacenado.

En el balance de calor de una caldera se estable la siguiente igualdad:

CALOR ENTRANTE = CALOR SALIENTE

Para realizar el balance deberemos:

- Establecer una temperatura de referencia (normalmente la temperatura ambiente)

- Realizar un balance de masa

- Considerar el PCI del combustible

A continuación se describen los calores que toman parte en el balance de una

caldera de vapor. Los cálculos se refieren a la unidad de combustible:

1. Calor sensible del combustible (Qc)

Qc= Cc· Tc (1)

Dónde:

Cc= Calor específico del combustible [kcal/Ud. de combustible]

Tc= Temperatura de precalentamiento del combustible [ºC]

2. Calor de combustión (Qco)

Qco= PCI [kcal/Ud. de combustible]

3. Calor del aire de combustión (Qa)

Qa= Ga· Cpa· Δt (2)

BALANCE ENERGÉTICO DE UNA CALDERA ____________________________________________________________________________

Dónde:

Δt = Diferencia de temperaturas del aire caliente y frío [ºC]

Cpa= Calor específico del aire [kcal/kg aire ºC] Se obtiene en la Tabla 23

Ga= [kg aire/ Ud. de combustible] Se obtiene de las Tablas de 1 a 5

4. Calor del fluido de entrada (Qfe)

Dónde:

hfe= Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg]

Ca = caudal del agua de alimentación a caldera (kg/h)

b = consumo horario de combustible

1. Calor del fluido de salida (Qfs)

Dónde:

hfs= Entalpía del fluido de salida (kcal/kg)

Pv = Producción de vapor (kg / h)

b= consumo horario de combustible

2. Calor de los humos (QH)

Qgc= x [kg. humos/Ud. de combustible] · y [kcal/kg humos] (3)

El calor de los gases de combustión se muestra en las Tablas 11 y 12. Con él % de

O2y CO2se obtiene el caudal de humos (x) expresado en kg de humos/Ud. De

combustible. Con la temperatura de los humos, y en las mismas tablas, se

encuentra la entalpía específica de los humos (y) en kcal/kg humos.

3. Calor por inquemados gaseosos (Qig)

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[% de pérdidas sobre el PCI del combustible]

Dónde:

[O2] = Concentración de O2en los humos (%)

[CO] = Concentración de CO en los humos (ppm)

[CH] = Concentración de CH en los humos (ppm)

4. Inquemados sólidos (Qis)

Se calcula midiendo la opacidad mediante la escala Bacharach.

5. Calor por purgas (Qp)

[Kcal/unidad de combustible] (5)

Dónde:

p = Caudal de purgas en kg/h.

hp= Entalpía de la purga en kcal/kg purga y corresponde a la entalpía de líquido

para la presión de generación de vapor.

b = Consumo horario de combustible.

Para calcular la purga continua necesaria en una caldera hay que realizar un

balance de los distintos componentes a controlar.

P · a = A · b + P · b [kg/h]

BALANCE ENERGÉTICO DE UNA CALDERA ____________________________________________________________________________

Dónde:

P = Caudal de purga [kg/h]

a = Salinidad total en la caldera [ppm]. Se mira en las tablas que se presentan a

continuación.

b = Salinidad total en el agua de aportación [ppm]. Se mide con el conductímetro.

A = Caudal de agua de aportación [kg/h] que es el caudal del vapor menos el

caudal de condensados que se recuperan.

6. Calor por radiación (Qr)

El calor perdido por radiación se calcula midiendo la temperatura y la superficie de

la caldera, distinguiendo paredes verticales y horizontales hacia arriba y hacia

abajo. En la Tabla 30 del Anexo se indican las pérdidas expresadas en W/m2 (si

multiplicamos por 0,86 las obtendremos en kcal/h m2). Al multiplicar por cada

superficie se obtienen las pérdidas kcal/h. Si b es el consumo horario de

combustible, las pérdidas por radiación se obtendrán de la forma siguiente:

BALANCE ENERGÉTICO Y BALANCE MASICO DE UNA CALDERA ___________________________________________________________________________

[Kcal/unidad de combustible] (6)

También puede emplearse la Tabla 31 para calcular las pérdidas por radiación en

función de la producción máxima del vapor y el índice de carga.

Balance energético en una caldera de vapor de gas natural

Una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.500 h/año produce 20 t/h de

vapor a 20 kg/cm2 y consume 13.000.000 Nm3/año. La capacidad máxima de

caldera es de 25 t/h. Se realiza una purga continua cuyo caudal es de 1.200 kg/h. El

análisis de la combustión revela los siguientes resultados:

Datos:

O2= 2%

CO2= 11%

CO = 500 ppm

THUMOS= 230 ºC

Se toma como referencia la temperatura ambiente de 20 ºC.

·Calor entrante:

Se consideran una fuente de calor entrante o calor aportado.

Calor de combustión, Qco

Qco = PCI = 9.000 kcal/Nm3

De modo que el calor entrante o aportado es:

Qentra =9.000 kcal/Nm3

·Calor saliente:

Parte del calor aportado será empleado en la generación del vapor y otra parte se

perderá. Se consideran cuatro puntos de pérdida de calor.

BALANCE ENERGÉTICO DE UNA CALDERA ____________________________________________________________________________

Calor de los humos, QH

De la Tabla 12 se obtiene: 15,5 kg/Nm3

62 kcal/kg

Por lo que, aplicando [3]:

QH= 15,5 kg/Nm3 x 62 kcal/kg = 961 kcal/Nm3

Calor por inquemados

Se obtiene de la fórmula [4] y se considera [CO] = [CH]

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Qig= 0,73% de 9.000 kcal/Nm3 = 65,7 kcal/Nm3

Calor por purgas, Q

P De la Tabla 16 se obtiene la entalpía de la purga correspondiente a 20 kg/cm2

hp= 215,9 kcal/kg

Calor por radiación, Qr

El índice de carga de la caldera es 20/25 = 0,8. De la Tabla 31 se obtiene que las

pérdidas por radiación son del orden de 2,4% del calor aportado, por lo que:

Qr= 0,024 · 9.000 = 216 kcal/Nm3

149,6 kcal/Nm3

BALANCE ENERGÉTICO DE UNA CALDERA ____________________________________________________________________________

El balance queda de la siguiente forma:

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El rendimiento de una caldera puede calcularse por dos métodos:

Método directo

Dónde:

PV= Producción de vapor [kg/h]

HV= Entalpía del vapor [kcal/kg]

hfe= Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg]

b = Consumo de combustible [Ud. de combustible/h]

PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible [kcal/Ud. de combustible]

Se observa que para poder calcular el rendimiento de la caldera por este método

será necesario conocer la producción horaria del vapor así como el con-sumo de

combustible.

Cálculo del rendimiento en una caldera (método directo) Tenemos una caldera de

vapor de gas natural que trabaja 7.600 h/año, pro-duce 6 t/h de vapor saturado a 7

kg/cm2 .El consumo anual de gas natural es de 3.850.000 Nm3 .El agua de

alimentación está a temperatura ambiente, 20ºC.

Método indirecto

Si se desconoce la producción de vapor o el consumo de combustible se apli-ca este

método, también conocido como método de las pérdidas separadas.

De la Tabla 16

Se obtiene la entalpía del vapor saturado a 7 kg/cm2 659,5 kcal/kg

BALANCE ENERGÉTICO DE UNA CALDERA ____________________________________________________________________________

Método indirecto

Si se desconoce la producción de vapor o el consumo de combustible se aplica este método, también conocido como método de las pérdidas separadas.

Se estiman unas pérdidas por purgas y por radiación del 5% por lo que se tendrá:

Qpurgas+ Qradiación= 0,05 · 9.000 = 450 kcal/Nm3

Como: QUTIL= QAPORTADO- QPERDIDAS

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Siendo:

QPERDIDAS= QHUMOS+ QINQUEMADOS+ QPURGAS+ QRADIACION [kcal/Ud. de combustible]

QAPORTADO= PCI [kcal/ unidad de combustible]

Cálculo del rendimiento en una caldera (método indirecto) En una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.600 h/año se obtiene vapor a 7 kg/cm2. El análisis de la combustión revela los siguientes datos:

O2= 3%

CO2= 10%

CO = 0 ppm

THUMOS= 185 ºC

Aplicando la fórmula [3] vista en el balance de una caldera y según tabla 12, se puede calcular:

Qhumos= 16, 3 kg/Nm3 x 48,037 kcal/kg= 783 kcal/Nm3

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1500 Kg/h de un fuel que contiene un 88% de C y un 12% en peso de H se queman en un horno dando un gas de chimenea que contiene CO

2, O

2, N

2 y H

2O, con la

siguiente composición molar en base seca:

CO2: 13.1%, O

2: 3.7 %, N

2: 83.2%

El aire y el fueloil entran al horno a 25°C y el horno pierde por las paredes 4.5x106

kcal/h. Calcular:

a) Los kmol de gas de chimeneas producidas.

b) Los kmoles de agua de combustión en el gas de chimenea por cada 100 kmoles de gas de chimenea seco.

c) El exceso de aire empleado

d) La temperatura de salida de los gases de chimenea.

Datos:

Calores específicos de los gases (kcal/kmol °C): CO2: 10.2; O

2: 7.3; N

2: 7.9; H

2O (v):

8.3

Variación entálpica de la reacción a 25°C: C + O2 => CO

2 AH

0=-94502 kcal/kmol

Entalpía de formación de H2O (1) a 25°C: -68320 kcal/kmol

Calor latente de vaporización del H2O a 25°C: 10600 kcal/kmo

Desarrollo:

Base de cálculo: 100 kg de fuel-oíl

Entrada fuel-oíl:

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CO2

7.33 7.33

O2 (55.95)(0.037)=2.07 2.07

N2 (55.95)(0.832)=46.5

5

46.55

C = (88)/ (12) = 7.33 kmol

H2= (12/2) = 6 kmol

Gas de chimenea:

CO2 = 7.33 kmol

H2O = 6 kmol

Balance de carbono (kmoles): 7.33 = Y (0.131) => Y = 55.95 kmoles

Balance de nitrógeno (koles): X (0.79) = Y (0.832) => X = 58.93 kmoles aire

O2 = (0.21) (58.93) = 12.38 kmoles

N2 = (0.79) (58.93) = 46.55 kmoles

Por lo tanto, la composición del gas de chimenea queda:

BALANCE ENERGÉTICO Y BALANCE MASICO DE UNA CALDERA ___________________________________________________________________________

a) (61.95) (1500/100) = 929.25 kmol/h gas de chimenea.

b) (6) (100/55.95) = 10.72 kmol H2O/100 kmol gas chimenea seco.

c) O2 teórico = 7.33 + (6/2) = 10.33 kmoles < > (10.33)(100/21)=49.21 kmol

aire

% exceso = (58.93 - 49.21)/(49.21) x 100 = 19.75 %

Balance de energía: HProductos

- HReactivos

+ Hreacción

= Q

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Hproductos

= (7.33) (10.2) + (2.07) (7.3) + (46.55) (7.0) + (6.0) (8.3) (T- 25) + [(10600) (6)] =

465.53 (T - 25) + 63600 kcal /100 kg fueloil

Hreactivos

= 0

Hreacción

25°C = (7.33) (-94502) + (6) (-68320) = - 1102620 kcal/100 kg fueloil

Q = (-4.5 106) (100)/ (1500) = - 3 10

5 kcal/100 kg fueloil

465.53 T - 11638.3 + 63600 - 1102620 = - 3.0 105

T = 1612.5°C

El balance de materia de un horno es una contabilidad exacta de todos los materiales que entran, salen, acumulan o se agotan en el curso de un intervalo de tiempo de operación dado. Un balance de materia es de este modo una expresión de la ley de conservación de la masa teniendo en cuenta aquellos términos. La figura ilustra un sistema general para el cual debe hacerse un balance de materia, el cual en hornos que trabajan en estado estacionario, en los que no existe acumulación de material y no se consideran los términos de generación y consumo, toma la forma de un balance ingreso – salida:

Entrada de masa/moles al horno = Salida de masa/moles del horno

T = 1612.5°C

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Los problemas de balance de materias son aquellos en los que se pide determinar la masa de sustancias químicas que se mezclan, se separan en varias fases o corrientes, o se combinan o transforman en otras, manteniéndose invariantes dos principios fundamentales:

El primero es el principio de conservación de la materia que establece que la masa total del sistema no varía. Este principio puede extenderse también al caso de la conservación de la masa de aquellas sustancias químicas que no sufren reacción química.

El segundo principio es el de conservación de los elementos químicos que intervienen en el sistema y que se asocian en las diferentes moléculas que constituyen las sustancias químicas.

Finalmente cuando en el sistema intervienen iones podríamos añadir un tercer principio que sería el de electroneutralidad de cargas eléctricas o de igualdad de cargas positivas y negativas.

En general para abordar un problema de balance de materia se pueden seguir los pasos que se señalan a continuación:

1.- Interpretar adecuadamente el enunciado del problema.

Conviene leer el problema varias veces para comprenderlo y asimilarlo bien. Tratar de identificar qué datos son conocidos y cuáles desconocidos. Si existe una o más reacciones químicas involucradas o por el contrario no hay ninguna. Si se conocen bien todas y cada una de las sustancias químicas que intervienen (elementos químicos y fórmulas de las moléculas) y que cambios pueden sufrir en las condiciones a que van a ser sometidas.

Se presupone siempre que las condiciones son estacionarias, es decir, independientes del tiempo y que no existe acumulación de masa en los equipos del proceso, de manera que la entrada de materia tiene que ser igual a la salida conservándose los principios que se indicaron más arriba.

Es preciso desarrollar el sentido común y los conocimientos de química para aventurar hipótesis correctas como por ejemplo que en toda combustión de una

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sustancia orgánica a alta temperatura y con aire suficiente todo el carbono se convierte en dióxido de carbono, todo el hidrógeno en agua, todo el azufre en anhídrido sulfuroso y todo el nitrógeno en nitrógeno molecular. Se considera por lo tanto, salvo indicación expresa, despreciable la formación de CO y de NOx.

Existen una serie de datos implícitos que se consideran conocidos "a priori" como la composición del aire (79% N2 y 21% O2) en el que se asimilan los gases inertes contenidos en el aire por simplificación a nitrógeno. La ecuación de estado de un gas perfecto PV = nRT, se supone válida y general para cualquier gas, lo que permite que 1 mol de cualquier gas ocupe 22,414 litros en condiciones normales ( 1 atm y 0ºC o 273ºK). También debe considerarse que toda composición gaseosa se expresa habitualmente en % en volumen porque se suele analizar así, además por lo señalado antes el % molar y el % volumétrico coinciden a cualquier presión y temperatura.

2.- Dibujar un diagrama de flujo

En el que se representen las corrientes de entrada y salida por flechas y las operaciones o procesos como cajas rectangulares. En ellas tendrán lugar por ejemplo reacciones químicas o procesos de mezcla o separación con una o varias entradas y en general una o varias salidas a veces con distintas fases: líquida, sólida o gaseosa.

3.- Colocar en el diagrama los datos conocidos y desconocidos.

En las corrientes de entrada y salida del diagrama de flujo se identifican las sustancias químicas, fases y se indican las composiciones en caso de ser conocidas y las cantidades de flujo de materia de las sustancias que sean datos en el problema.

4.- Colocar en las cajas del diagrama las reacciones ajustadas y rendimientos de operación.

En caso de existir una o varias reacciones se ajustarán y asignarán a los procesos correspondientes así como su rendimiento o eficiencia tanto para aquéllas como para los procesos de separación.

5.- Seleccionar una base sencilla para los cálculos.

Dado que en general las reacciones entre sustancias químicas proceden en general de forma sencilla en moles (número de veces en que está contenido el peso molecular de la sustancia en gramos), resulta cómodo elegir 1 o 100 moles como referencia o bien 1 o 100 Kmol del reactante principal o del más complejo si se conoce su composición molar, como base de cálculo.

6.- Inspeccionar el diagrama y leer de nuevo el enunciado.

BALANCE ENERGÉTICO Y BALANCE MASICO DE UNA CALDERA ___________________________________________________________________________

Conviene de nuevo identificar las sustancias químicas y las corrientes del proceso y comprobar las composiciones y datos conocidos y desconocidos o sujetos a alguna condición particular.

Enlazando con el método anterior se seguirían los pasos siguientes:

7.- Desarrollar un balance de materias parcial o total

Para cada elemento químico o sustancia que no reacciona se puede establecer un balance que iguale la entrada a la salida. Para ello conviene empezar con las sustancias más fáciles, es decir, aquellas que estén en una sola fase o una corriente única o bien que no reaccionen como sucede con los componentes inertes, cenizas etc. Por ejemplo el balance de nitrógeno en los procesos de combustión de hidrocarburos con aire, permite relacionar rápidamente las corrientes de entrada y salida. Aunque normalmente se puede plantear los balances de muchas maneras, una solución muy frecuente es hacerlo como ecuación matemática por elemento químico que iguale la suma de moles de entrada de cada sustancia que contenga el elemento en cuestión a la suma de moles de sustancias de salida que contengan dicho elemento, en ambos casos se afectará a cada sustancia de un factor dado por el número de veces que el elemento aparezca en la molécula. Cuando existe un exceso de reactante, puede ser conveniente calcular la cantidad que queda después de la reacción por diferencia entre el valor inicial y la cantidad que ha reaccionado de acuerdo con la estequiometría de las reacciones que tengan lugar.

8.- Resolución del sistema de ecuaciones.

El sistema de ecuaciones expresado por los balances elementales se resolverá por los métodos habituales de resolución de sistemas de ecuaciones líneales (p.ej. método de eliminación de Gauss).

9.- Comprobar que la solución es lógica y no hay errores.

Mediante la realización de un balance global de materia se puede comprobar que las masas totales entrante y saliente son iguales. Esta condición es redundante y combinación lineal de la suma de todos los balances elementales pero puede servir de prueba de que no hay errores. Así mismo conviene desconfiar de los resultados obtenidos muy pequeños o muy grandes. Resulta más sencillo referirse al método y técnicas de solución mediante un ejemplo.

Se quema 1 Kmol de metano en un horno con un 20% de exceso de aire. Determinar la composición de los humos en % base seca.

BALANCE ENERGÉTICO DE UNA CALDERA ____________________________________________________________________________

1.- El metano es un gas a temperatura ambiente, si se quema con aire suficiente se convierte en CO2 y H2O. En la salida que serán los humos aparecerá por lo tanto CO2, H2O, N2 y O2 por haber aire excedente. No aparecerá el metano CH4 porque la reacción con aire suficiente se considera completa. El exceso se supone siempre sobre la cantidad estequiométrica.

2, 3, 4.- Se dibuja el diagrama colocando datos y reacciones:

5, 6.- La base más cómoda de cálculo está en el enunciado y es 1 Kmol de CH4.

7.- Existe una condición particular que liga el oxígeno estequiométrico con el aire total que entra (exceso del 20%):

Oxígeno estequiométrico: 2 Kmol ya que la reacción requiere 2 moles de oxígeno por mol de metano.

Aire necesario de entrada: 2 x 1,2/0,21 Kmol.

Resulta cómodo calcular el oxígeno que sale por diferencia entre el que entra y el que ha reaccionado:

O2 a la salida Kmol = 2 x 1,2 - 2 = 0,4 Kmol.

Balance de Carbono:

A la entrada: CH4: 1 Kmol = CO2 a la salida. Por lo tanto CO2 = 1 Kmol.

Balance de Nitrógeno:

A la entrada 2 x 1,2 x 0,79/0,21 Kmol = N2 a la salida.

Balance de Hidrógeno:

A la entrada (1Kmol CH4) 4 = (H2O) 2 en salida

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H2O = 2 Kmol en la salida, aunque al pedir la composición en base seca no es necesaria.

8.- La composición molar queda:

CO2: 1 x 100/(0,4 + 1 + 9,02) = 9,59 %

N2: 9,02 x 100/(0,4 + 1 + 9,02) = 86,57 %

O2: 0,4 x 100/(0,4 + 1 + 9,02) = 3,84 %

9.- Comprobación:

Masa a la entrada:

1 Kmol CH4 x 16 + 2,4 Kmol O2 x 32 + 2,4 x 0,79/0,21 Kmol N2 x 28 = 345,6 Kg.

Masa a la salida:

1 Kmol CO2 x 44 + 2,4 x 0,79/0,21 Kmol N2 x 28 + 0,4 Kmol O2 x 32 + 2 Kmol H2O x 18 = 345,6 Kg

El resultado es por consiguiente correcto.

Se han desarrollado muchas calderas para satisfacer necesidades especiales, además de las calderas para convertir la energía contenida en los combustibles convencionales carbón, combustóleo y gas; en vapor para obtener potencia, calefacción o utilizarlo en procesos , es indispensable las calderas, ya que de esta manera pueden absorber el calor generado en los quemadores y así cumplen una doble función; la primera es enfriar el quemador y tener mejores propiedades mecánicas y su segunda función es aprovechar este calor, pasando los tubos de agua que posteriormente entraran a la caldera.

Con mucha certeza se puede decir que un ingeniero es un resolvedor de problemas. Por ello resulta esencial en la formación de ingenieros intensificar y potenciar el hábito en la resolución de problemas. Los estudiantes aprendemos a resolver problemas mediante la aplicación de leyes físicas y químicas, usando métodos y técnicas sencillas y un poco de sentido común. La práctica y perseverancia en la realización de muchos problemas desarrolla la destreza y experiencia necesarias para atacar y resolver otros con éxito.

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PCI:

Poder Calorífico Inferior del combustible.

Alimentación:

Corriente de entrada a un proceso o una planta.

Balance de materiales: (Mass balance). Para tomar en cuenta el flujo de material que entra y sale de un sistema, la forma generalizada de la ley de la conservación de la materia se expresa como un balance de materiales que no es otra cosa más que una contabilidad de

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flujos y cambios de masa en el inventario de masa del sistema, lo que indica que la acumulación es igual a las entradas menos las salidas. Balance energético: (Energy balance). Cuenta en la que se muestra el conjunto de relaciones de equilibrio que contabiliza los flujos físicos por los cuales la energía se produce, se intercambia con el exterior, se transforma, se consume, etc. todo esto calculado en una unidad común, para un periodo determinado (generalmente un año).

Base seca:

Se refiere a una mezcla exenta de agua. Generalmente se usa para indicar que en la composición de una mezcla de sustancias químicas en la que puede estar presente el agua, se excluye ésta como si no existiera y no se analiza ni determina su proporción en la mezcla.

Biogás:

Es el gas obtenido de la fermentación anaeróbica de residuos biomásicos. Generalmente se trata de metano.

Composición en peso:

% en masa de cada sustancia química en una mezcla. (Gramos en 100 gramos)

Composición molar:

% en moles de cada sustancia química en una mezcla. (Moles en 100 moles)

Composición volumétrica:

% en volumen de cada sustancia química en una mezcla. (Litros en 100 litros)

Composición elemental:

% en peso de cada elemento químico en una sustancia química o mezcla.

Consumo específico:

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Cantidad necesaria de una materia prima para obtener un producto final. Se suele expresar en Kg por Kg o Kg por tonelada de producto. Si la cantidad es la mínima teórica necesaria se trata de un consumo estequiométrico.

Consumo estequiométrico:

Cantidad de materia prima mínima teórica necesaria para obtener una unidad de masa de producto. Se determina por la relación de pesos moleculares de materia prima a producto afectados de los coeficientes de la reacción ajustada.

Conversión:

Sinónimo de rendimiento de una reacción química.

Defecto de reactante:

Señala que un reactante se encuentra por debajo del consumo estequiométrico, por lo que la reacción no se podrá verificar completamente.

Eficiencia:

Sinónimo de rendimiento.

Eficacia:

Sinónimo de rendimiento.

Estequiometria:

La estequiometria es la ciencia que estudia las relaciones cuantitativas en las reacciones químicas. Expresa con rigor las cantidades exactas de cada molécula que se combinan entre sí o con otras para formar una cantidad determinada de otra u otras moléculas. Las cantidades son proporcionales a los pesos moleculares de las moléculas que intervienen multiplicados por números enteros sencillos que son los coeficientes de la reacción ajustada.

Exceso de reactante:

Cantidad añadida por encima del consumo estequiométrico para garantizar que la reacción se completa totalmente. Se suele expresar como porcentaje del consumo estequiométrico y para obtener el consumo específico se suma al valor estequiométrico.

Gases de Procesos:

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Son aquellos combustibles gaseosos obtenidos como subproductos de las actividades de refinación, plantas de gas en coquerías y altos hornos, además del gas obtenido en biodigestores.

Gas de Refinería:

Es el gas no condensable surgido de la refinación del petróleo crudo. Está compuesto principalmente de hidrógeno, metano y etano y se empleado mayoritariamente en el mismo proceso de refinación.

Gas de Alto Horno:

Es un subproducto de la actividad de producción de acero en altos hornos. Generalmente, se emplean con fines de calentamiento en la planta.

Gas de Coquería:

Es aquel gas producido como producto secundario en el calentamiento intenso del carbón mineral o coque, con una combinación de aire y vapor, en las coquerías. Está formado por óxido de carbono, nitrógeno y pequeñas cantidades de hidrógeno y dióxido de carbono.

Gas Condensado:

Son hidrocarburos líquidos surgidos como subproductos del tratamiento de gas natural (etano, propano, butano y pentano)

Materia prima:

Sustancia química de partida para una operación o proceso.

P/p:

Relación peso a peso. Equivalente a composición en peso.

Producto:

Salida de un proceso o planta de fabricación objeto de la misma. También se dice de las sustancias a la derecha de una reacción química.

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Purga: Corriente de salida que se emplea para sacar fuera de un sistema de reacción con alimentación, recirculación y separación, los contenidos de sustancias inertes o subproductos que de otro modo se irían concentrando en el circuito bloqueando la reacción.

P/v:

Relación peso a volumen. Composición expresada como masa sobre volumen total. Por ejemplo mg/l.

Reacción ajustada:

Reacción química en forma de ecuación de reactantes igual a productos en la que cada uno de los elementos químicos a izquierda y derecha de la ecuación coinciden, así como las cargas eléctricas si las hubiera.

Reactantes:

Sustancias químicas a la izquierda de la ecuación de una reacción química.

Reactivo limitante:

Reactante que se encuentra en menor proporción estequiometria respecto a los demás en una reacción química. Su desaparición señalaría el máximo rendimiento alcanzable: 100%.

Recirculación:

Corriente conteniendo materias primas incompletamente reaccionadas que se mezcla con alimentación nueva para volver a reaccionar en el reactor.

Rendimiento:

Proporción generalmente porcentual en que ocurre una reacción considerando como 100% la transformación de todos los reactantes estequiometricamente en productos. También se usa para referirse a la extensión de un proceso de separación. La diferencia a 100 corresponderá al porcentaje de reactante que sale sin reaccionar o que reacciona de otra manera, en otra reacción o en el caso de una

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separación, al componente que no se separa del todo permaneciendo en la corriente inicial.

Selectividad:

En el caso de múltiples reacciones, la relación entre los moles de producto principal deseado, y los moles de subproducto producido simultáneamente en el proceso.

Subproducto:

Producto secundario o lateral, a veces no deseado, pero en ocasiones inevitable, que se fabrica en la misma planta o proceso químico a la vez que el producto principal.

V/v:

Relación volumen a volumen. Equivalente a composición volumétrica o en volumen.

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http://www.docstoc.com/docs/105358809/Diapositiva-1

http://quim.iqi.etsii.upm.es/RESOLU~1.HTM

http://iestamar.educa.aragon.es/tecnologia/bachillerato/Energia%20Termic

a/esquema.jpg

http://blog.utp.edu.co/balances/files/2011/01/BMSINREACCI%C3%93N.pd

f#page=1&zoom=auto

http://es.scribd.com/doc/98264530/Capitulo-5-Balances-de-masa-y-energia

Libro Balances de masa y energía – CAPITULO 3

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Libros Calderas #1

Ejercicios de balance de materia y energía aplicados a procesos

industriales Ing. Magíster José Luis Rodriguez

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