Proyecto_analisis Exergetico y Energetico de La Planta Industrial Cartavio Del Grupo de Lorenzo
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“ANÀLISIS ENERGETICO Y EXERGETICO DE LA PLANTA INDUSTRIAL CARTAVIO S.A.”
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“ANÀLISIS ENERGETICO Y EXERGETICO DE LA PLANTA INDUSTRIAL
CARTAVIO S.A.”
RESUMEN
Se aplica la teoría del coste Energético y Exergético a la Planta Azucarera
Cartavio S.A. para demostrar su validez para este tipo de procesos, esta teoría
es reformada al considerar únicamente la energía que es capaz de ponerse en
juego en los procesos de la planta en estudio, se desarrolla un procedimiento de
calculo de la Exergía de una mezcla genérica utilizando el ambiente de referencia
asociado a los procesos de la planta azucarera, se dan las expresiones para el
calculo de Exergía de todos los flujos en una planta genérica de producción de
azúcar, las propiedades termodinámicas de las disoluciones técnicas de sacarosa
se determinan en función de los parámetros analíticos (pureza y brix) y de su
presión y temperatura, son caracterizados los flujos de la planta azucarera que
relacionan los diferentes equipos existentes, la teoría del coste Exergético exige
las definiciones de rendimiento de los equipos.
INTRODUCCIÓN
La industria azucarera es una de las actividades más importantes en el país,
reúne dos justificaciones poderosaza para autoabastecerse energéticamente:
Dispone de gran volumen de bagazo, el cual es utilizado como combustible.
El uso de vapor de escape de impulsores que permiten el aprovechamiento
industrial del calor latente residual del vapor, el cual se aprovecha en forma
limitada en las centrales térmicas de condensación.
En la industria azucarera peruana, la instalación de los ingenios con el propósito
de obtener las mejores eficiencias térmicas; la energía era considerada como un
subproducto de las operaciones de molienda de caña por lo que al bagazo no se
le atribuía significado valor económico, su análisis energético y Exergético de sus
procesos son necesarios para hacer un ahorro de la planta y del factor
económico global.
Su ahorro energético y los rendimientos tienen como finalidad producir un tipo de
energía útil en sus diversos procesos.
1. ANTECEDENTES
La empresa industrial Cartavio S.A. (una subsidiaria de Azucarero S.A.) es una
empresa agroindustrial; construida el 30 de 1970 en la localidad de Santiago de
Cao, provincia de Ascope del departamento de la Libertad bajo el nombre de
Cooperativa de producción Azucarera Cartavio Ltda. º 39, transformada
posteriormente a una sociedad anónima. Su actividad económica comprende
principalmente el cultivo e industrialización de la caña de azúcar, así como la
comercialización y de los productos y subproductos derivados de sus actividad
principal, tales como azúcar, melaza, alcohol y bagazo.
El personal empleado por la compañía para desarrollar sus actividades al 31 de
diciembre del 2002, comprendió 9 directores, 335 empleados y 1288 obreros (9
directores, 339empleados y 1008 obreros al 31 de diciembre del 2001).
Ahora, el grupo Gloria, a través de su subsidiaria Corporación Azucarera del
Peru, compro el 52% de las acciones del la Planta Industrial Cartavio,
pertenecientes a Azucagro, que hasta el mes de abril era el mayor accionista de
la empresa. Con esto se puede ver una nueva visión de la empresa, aunque eso
se vera con el tiempo.
2. REALIDAD PROBLEMÁTICA.
En la empresa agroindustrial cartavio S.A., anteriormente sus
procesos para la fabricación de caña de azúcar, no eran muy bien
controlados, sus calderas funcionaban siempre con cierta cantidad
de vapor y cierta presión por lo que la contaminación era muy
grande, el humo que salía por la chimenea hacia ver que quemaba
mucho combustible. Sus calderas antiguas ahora solo funcionan de
forma de stambay, se encuentran calentadas y con disposición a
funcionar en caso deje de funcionar la caldera Nº20.
Actualmente la empresa Cartavio S.A. compra energía a Hidrandina
para sus demás procesos, la potencia necesaria que ahora requiere
es de 6.5MW, utiliza 6 turbomolinos para trapiches de 1000HP, 2
turbinas generadoras de 2.5Mw y una turbobomba de 2000HP.
Cartavio S.A. durante el periodo 2005, fue la puesta en marcha del
nuevo caldero., con el objetivo de mejorar el abastecimiento de
energía a los procesos de producción, estabilizando los procesos
fabriles, a un menor costo de operación. La estabilidad en el
suministro de vapor, mejoró la eficiencia en el sistema energético,
posibilitando la generación de mayores ingresos por la venta de
bagazo excedente, con el bienestar para la comunidad es la
eliminación de la contaminación ambiental por el no quemado de
petróleo y por el lavado de los gases de la chimenea.
2.1.Problema
¿Dónde se puede aplicar una mejora en la distribución de energía en la
planta industrial Cartavio para una mejor eficiencia de la planta?
3. OBJETIVOS
3.1.Objetivo General
Realizar un análisis Energético y Exergético de los Procesos Industriales
de la Planta Cartavio S.A.
3.2.Objetivos Específicos.
3.2.0. Definir con claridad materia prima y etapas del proceso.
3.2.1. Descripción de los componentes.
3.2.2. Determinar la irreversibilidad y pérdida de energía.
3.2.3. Establecer parámetros de presión y temperatura para el
funcionamiento óptimo del ciclo.
3.2.4. Establecer los rendimientos de cada componente del ciclo
termodinámico.
3.2.5. Establecer los flujos másicos del ciclo (aire, agua, vapor).
3.2.6. Establecer el balance de energía en el proceso.
3.2.7. Definir la posibilidad de obtener la mayor cantidad de producción.
3.2.8. Elegir el grado de sobre calentamiento.
3.2.9. Elegir el sistema eléctrico.
3.2.10. Determinar el costo de la energía eléctrica vs. la tarifa eléctrica
nacional.
3.2.11. Disminuir las perdidas económicas por concepto de Exergía.
4. MARCO TEORICO
4. 1 MATERIA PRIMA.
I. El bagazo como combustible.
Forma parte de en un 30% de el peso de la caña, su
factor fundamental es la cantidad de humedad,
generalmente se encuentra por el 48 a 53 %.
Su poder calorífico superior es aproximadamente de
9762.648 KJ/KG.
II. Descripción general del proceso de elaboración de
azúcar.
a. La caña de azúcar.
Esta compuesta fundamentalmente por lo siguientes:
Agua % 73 – 76.
Sólido soluble % 10 – 16.
(sacarosa).
Sólido no soluble % 11 – 16. (fibra).
En los ingenios azucareros se aprovecha el sólido
no soluble de la caña de la caña de azúcar como
materia prima (combustible) para proveer energía a
los calderos que mueven los turbo generadores. Que
generan la energía eléctrica al proceso de descarga,
limpieza, preparación de caña, extracción de jugos,
clarificación, cristalización y centrifugación.
b. Descarga limpieza y preparación de caña.
se descarga e gran tonelaje mecánicamente ene
mesas alimentadoras que son transportadores de
cadenas de gran capacidad y consumo de energía,
se limpian mediante chorros de agua con el fin de
eliminar impurezas , se trapera hacia machetes
giratorios donde se corta en pequeños trozos,
posteriormente pasa por el desfibrador para su
desmenuzamiento sin extracción de jugo.
c. Extracción del jugo.
Una vez preparada la caña se usan elementos que
extraen el jugo de la caña de azúcar que son
consumidores de energía, mediante los sistemas de
molienda (trapiches) y difusión.
Los trapiches :
Costa de 4 a 6 molinos de rodillos rasurados
dispuestos en forma triangular a través de los
cuales pasa la caña preparada, estas unidades
consumen alta potencia por el trabajo de
rozamiento.
Difusión:
Es un equipo que hace el lavado continuo de la
caña preparada para el cual tiene un gran
depósito que es a la vez transportador en el
cual ce circula agua con el fin de extraerle a el
colchón de agua la sacarosa posterior mente el
vagazo es sacado en uno o dos juegos de
molinos .
d. Clarificación:
El jugo que exprimen los molinos es asido turbio de
color verde oscuro que contiene un 15 % de sacarosa
el cual es tratado con lechada de cal para neutralizar
su acidez natural , luego es calentado hasta 220 ºF
con la finalidad de coagular la albúmina , grasas, ceras
y gomas , luego es tratado por filtros rotativos al vació.
El jugo claro se vuelve a calentar y es bombeado a
los evaporadores, para los calentamientos
sucesivos se usa vapor de escape de lasa turbinas
del trapiche y turbo generadores.
e. Evaporación:
En esta etapa se elimina el agua del jugo de caña,
donde aproximadamente u 65 % del equipo es una
sucesión de evaporadores al vacío llamados cuerpos
dispuestos en serie.
Estos equipos trabajan con la introducción de vapor
que teóricamente evapora 5 lb. De agua por una libra
de vapor. Pues la disposición de estas redunda
grandemente en el balance energético del proceso.
f. Cristalización:
El jugo concentrado proveniente de los evaporadores
es tratado en los tachos al vacío donde se logra la
formación y desarrollo de cristales de azúcar. Los
tachos son evaporadores de simple efecto al vacío
donde se concentra el jarabe hasta quedar saturado de
azúcar. Al llegar a este punto se introducen cristales
de siembra luego estos cristales van desarrollando
hasta tener un tamaño predeterminado, al terminar
este proceso el producto es llamado masa cosida.
El vapor utilizado en los tachos es vapor es vapor
saturado extraído del primer efecto de los
evaporadores.
g. Centrifugación:
Se utilizan maquinas centrífugas que se accionan
eléctricamente, estas maquinas se utilizan para
evacuar las mieles y retener los cristales que
posteriormente son asociados a su comercialización.
4.2 Descripción de los componentes
I. Calderos :
En la mayoría de las industrias azucareras actual se
utilizan calderos acuotubulares que emplean el
bagazo como combustible, alternativamente pueden
quemar petróleo bunker , el vapor generado en los
calderos es la de las características de presión,
temperatura y calidad adecuados para mover las
turbinas y turbogeneradores y suministrar calor para
las etapas de evaporación y cristalización.
II. Turbinas a vapor.
En una turbina las entalpías generadas por el
calentamiento del vapor se transforma en energía
cinética expandiéndose a trabes de una serie de
toberas el vapor es dirigido al rotor que transforma
parte de la energía contenida en el vapor en energía
al eje de la turbina , esta expansión puede ser en una
o varias etapas, la máxima cantidad de energía que
puede ser trasformada depende de las condiciones
del vapor a la entrada y la salida , a esto se le conoce
como la caída isoentrópica de calor .
La fracción de la caída isoentrópica que se transforma
en energía en el eje se llama eficiencia interna de la
turbina esta generalmente del orden de 50 a 65 %
para la etapa simple y de un 75 a 80 % para la
multietapa.
Todas las perdidas internas aparecen como calor en el
vapor de escape, otras perdidas son las de
rozamiento en rodamientos, en los reductores de
velocidad, las perdidas eléctricas en alternadores y
transformadores.
Una turbina cuya presión de vapor de escape es
mayor a la presión de la atmósfera es llamada turbina
a contrapresión, toda fabrica de azúcar necesita
vapor a baja presión para su proceso.
Cuando hay demanda de vapor de escape la
energía producida en el eje de la turbina debe ser
maximizada, para hacer esto la presión posible es
alcanzada condensándole vapor de escape en un
condensador de escape en un condensador de
superficie adyacente a la turbina de condensación.
En muchos casos una combinación de estos dos tipos
de turbina es usado la cuala es denominada turbina
de extracción condensación, consiste en una turbina
de condensación dividida en dos secciones:
La sección de alta presión que es idéntica a una
turbina de contrapresión
La sección de baja presión que es una turbina
de condensación en la cual el vapor de entrada
es le escape de la sección de alta presión.
El vapor que viene de la sección de alta presión puede
indistintamente ir a través de la sección de baja
presión a ser dirigida al proceso.
Esta flexibilidad es muy conveniente bajo ciertas
condiciones.
Turbinas de simple etapa y contra presión, son
usadas en el proceso para el accionamiento de
desfibradores machetes y trapiches.
Las turbinas multietapa a contra presión,
condensación o extracción / condensación son usados
en los turbo generadores que proveen la energía
eléctrica para la fabrica de azúcar.
4.3 Incremento teórico en la producción de la energía.
Un aumento de la producción de energía pude hacerse a
través de la conservación y eficiente conservación del calor
obtenido de la combustión del bagazo en los calderos y
puede ser realizada a partir de la aplicación de principios
básicos y mejoras tecnológicas de los equipos de generación
de energía como:
i. Aumento de la eficiencia en calderos.
El uso de calderos modernos que generen mejor calida de
vapor con eficiencias mayores al 80% de su
funcionamiento, esto pude lograrse con al implementación
de calentadores de aire , óptimo aislamiento térmico, a fin
de reducir las perdidas al mínimo
ii. Calentamiento de agua de alimentación a calderos
Es una practica común en un equipo desareador / calentador
usando vapor de baja presión y usando vapor a baja presión
de los condensadores y tachos.
El uso de calentadores de agua es uno de los más
importantes ítems a ser considerados en el aumento de la
generación de energía
iii. Uso de flash tanks
El calor latente presente en el vapor instantáneo producido
por la exposición de los condensadores calientes a
presiones y temperaturas más bajas es posible ser
recuperado por el uso de tanques y flasheo principalmente
en:
Purgas continuas de calderos
Condensado entre cuerpos de evaporación en los
evaporadores multiefecto.
iv. Reducción de perdidas de calor
Es muy importante minimizar las pérdidas de calor mediante
aislamiento térmico adecuado a prácticas convencionales a
la operación de los equipos.
v. Ciclos de vapor óptimos
La aplicación de técnicas de ahorro puede ser ejecutadas
mediante la selección de un ciclo que puede ser teórico y
prácticamente factible.
Este estudio se pude dar a partir de:
una relación de datos a tomar en cuenta para la
evolución del ciclo.
Distribución de la planta y parámetros de
funcionamiento.
DESARROLLO DEL DIAGNÓSTICO EN CALDERAS
(RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN)
Al evaluar los sistemas de operación actual de la caldera Nº 20
de la Empresa Cartavio S.A., se llego a obtener los siguientes
datos descritos en la tabla siguiente.
DATOS TECNICOS DE LA CENTRAL TERMOELECTRICA
CARTAVIO S.A.
CUADRO Nº1DATOS UNIDAD CANTIDAD
Flujo màsico del Bagazo kg/h 43500
Humedad del bagazo % 48.5
Poder calorífico del
bagazo
kj/ kg. 9762.648
Eficiencia de calderos % 75
Temperatura de Aire
Primario a la Entrada de la
caldera (BAJO
PARRILLA)
ºC 170
Temperatura de Aire
Secundario a la Entrada
de la caldera (PARA
SUSPÈNCION)
ºC 283
Temperatura de Aire a la
entrada del Precalentador ºC 25
Presión de vapor a la
salida del Caldero Bar @ 42
Temperatura del vapor a
la salida del caldero ºC 400
Flujo màsico del vapor TMV/h 120
Temperatura de los Gases
de Combustión en el
Hogar
ºC
Temperatura de los Gases
a la salida de la Chimenea ºC 105
Temperatura de los Gases
de escape después del
sobrecalentado
ºC 330
Temperatura del Agua de
Alimentación a Baja
Presión (Entrada del
Economizador)
ºC 105
Temperatura del Agua de
Alimentación a Alta
Presion (Entrada a la
Caldera)
ºC 159
Flujo volumétrico de agua
de alimentación M3/h 126
Presión del Agua de
Alimentación bar45
Temperatura del Agua a la
Entrada del Scruber ºC 50
Temperatura del Agua a la
Salida del Scruber ºC
Presión a la entrada de las
Turbinas Bar @ 42
Presión a la salida de las
Turbinas Bar @ 2.4
Temperatura del vapor a
la entrada de la turbina ºC 400
Presión a la salida del
Saturador Bar @ 2.4
Temperatura del vapor a
la salida del saturador ºC 130
% 0.97
% 0.98
Necesidad de Energía de
la Planta MW 6.5
Los potenciales de ahorro de energía que existen en la
caldera Nº 20 son:
ECONOMIZADOR (el agua es calentado de 105ºc a 159ºc )
PRECALENTADOR DE AIRE PRIMARIO (el aire que ingresa a
la parilla, es calentado de 30ºC a 170ºC
PRECALENTADOR DE AIRE PRIMARIO (el aire que ingresa a
la parilla, es calentado de 30ºC a 286ºC
Humedad de bagazo 48.5%.
Recomendación de modificación: técnicas
económicamente viables que permitirán mejorar la
eficiencia en la generación de vapor
Se podría reducir la humedad del Bagazo hasta un 45 %
aproximado, implementando un Secador de Bagazo.
VERIFICACION DE LA INSTRUMENTACIÓN REQUERIDA
Presión:Existen cuatro manómetros de presión de diferentes puntos (presión
de agua, presión de vapor sobrecalentado, presión de aire primario,
presión de aire secundario).
Dichos manómetros están ubicados en la sala de control.
1) Gases en la salida del Horno
2) Gases en la entrada del Precalentador de aire
3) Gases en la entrada del Economizador
4) Gases de la entrada del Exhaustor
5) Aire en la salida del ventilador primario
6) Aire en la salida del ventilador secundario
7) Aire en la salida del precalentador de aire
8) Aire debajo de la parrilla
9) Vapor principal (transmisor del control de combustión)
Temperatura:
Existen instrumentos precisos para tomar la temperatura de: agua
de alimentación, vapor generado, gases de combustión, aire
ambiente, aire primario y secundario, y medidor de humedad del
combustible.
1) Aire en la salida de Precalentador de Aire Primario
2) Gases en la salida del Economizador
3) Gases en la entrada del Precalentador de aire
Secundario.
4) Agua de Alimentación en la salida del Economizador
5) Agua de alimentación en la entrada del economizador
6) Vapor principal
Flujo:La planta cuenta con equipos de medición de flujo instalado como
placa de orificio, en las corrientes de: agua de alimentación, vapor
generado y medidor de flujos para combustibles sólidos.
Bulbo húmedo:
La planta cuenta con un psicrómetro o termómetro para tomar la
temperatura de bulbo húmedo del aire.
Composición, poder calorífico, densidad relativa y capacidad Calorífica del
combustible(s):
La composición del combustible es el siguiente:
Poderes caloríficos
Especificación (kcal/kg) (kJ/kg)
Superior(b.s.) 3 98616 661,5
Inferior(b.s.) 3 71515 528,7
Composición de los gases de combustión:
Análisis inmediato (% base seca).
Característica %
Carbono fijo 41,9
Volátiles 46,36
Cenizas (815º) 11,74
Análisis elemental (% base seca).
Característica %
Carbono 42,54
Hidrógeno 5,17
Nitrógeno 0,63
Azufre 0,30
Oxígeno 39,62
INFORMACION GENERAL DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DE VAPOR
Datos generales del sistema en general son los siguientes:
Número de la caldera Nº20 (Código de Planta)
o Serie : AUP-40-5GI-PSE
Condiciones de operación
o Altitud: 100msnm
o Temperatura de Aire: 30ºC
o Humedad de Aire: 60%
o PCI inmediato: 9762.648 kj/ kg
o Combustible “bagazo”
Datos de la caldera
o Ver cuadro Nº 1 , descrito anteriormente
Uso de vapor generado
o El vapor sobrecalentado se utiliza para la generación de turbinas a
Contrapresiòn.
o El vapor de salida de las turbinas se utiliza para los procesos de
fabricación de azúcar.
ANÁLISIS Y REVISIÓN DE LA INFORMACIÓN GENERAL DEL
GENERADOR DE VAPOR
En esta caldera el proceso de generación de vapor sobrecalentado
comienza en la cámara de combustión donde se mezcla el combustible
que es el bagazo con un aire primario que ingresa por debajo de la parrilla
a 170ºC y el aire secundario que ingresa a 286ºC a media altura de la
cámara de combustión, cuyo fin es de hacer torbellino y suspender al
combustible para una mejor combustión y mejor rapidez de reacción del
bagazo. El gas de combustión calienta al domo superior. El aire por medio
de precalentadores es calentado de 30ºC a 170ºC y 286ºC
respectivamente aprovechando los gases residuales de la chimenea; el
ingreso de aire es accionado por dos ventiladores.
El vapor proveniente del Domo Superior pasa a través de paredes de agua
por la cámara de combustión para sobrecalentar el vapor. El vapor a la
salida de la turbina pasa por el saturador de ahí pasa a los Procesos
Industriales. Después en cambio de fase (vapor -agua) pasa por el
Desgasificador, luego es bombeado al Economizador elevándose la
temperatura de 105ºC a 159ºC; siendo bombeado (alta presión) hacia el
Domo Superior (como agua de alimentación).
A la salida de la Chimenea se encuentra el SCRUBER que filtra toda las
cenizas producto de la combustión (lavado de cenizas), saliendo el gas
residual por la chimenea a 105ºC; extraído por un ventilador inducido.
RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN DETALLADA DE DISEÑO Y OPERACIONAL DEL GENERADOR DE
VAPOR
Localización e integración de documentos de diseño.
La documentación básica y fundamental para el desarrollo
del estudio y análisis energético es la siguiente:
Datos de calderas, proporcionada por el proveedor de equipo
DESCRIPCCION NORMAS DE DISEÑO
A. Diseño del generador : ASME-SECCION I
B. Soldadura : ASME-SECCION IX
C. Tubos y válvulas : ANSI y API
D. Tubos Expuestos al Calor : ASTM
E. Tornillos y Tuercas : ANSI B-1.1-2A y 2B
F. Ventiladores de TI, TF : AMCA
G. Motores : ABTN-NBR-7094
H. Estructuras Metálicas : AISC/BNT
I. Ensayos de Operación : PTC4
J. Ensayos no Destructivos : ACME-SECCION V y VIII
K. Abalos sísmicos : NBC
L. Agua de alimentación : ABMA – ASME
M. PIN HOLE : 40.7m2
FUNCIONAMIENTO DE GENERAL DE LA CALDERA
DIAGRAMA DE PROCESOS DE LA CALDERA
Cronograma de Actividades.
Semana
Actividades
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Cronograma de
Actividades.
x
Título del
Proyecto
x
Antecedentes. x x
Realidad
Problemática.
x x
Objetivos. x x
Presentación
primer avance
x
Visita a la planta
CARTAVIO
x x
Marco
Referencial.
x x
Presentación
Segundo avance
x
Elaboración de
variables
x x
Análisis y
cálculos de
diseño
x x x
Referencia
Bibliográfica.
x
Informe Final del
Proyecto.
x
Exposición. x
Universidad César Vallejo
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECANICA
CURSO: SISTEMAS ENERGETICOS
TEMA : “ANALISIS EXERGETICO Y ENERGETICO DE LA
PLANTA INDUSTRIAL CARTAVIO S.A”
DOCENTE :
ING. Paredes Rosario Raúl
INTEGRANTES :
Celiz Guevara, Oswer
Soto Cóndor, Pepe
Cuba Méndez, Marco
Valdivieso ,Lorenzo
CICLO : VIII
TRUJILLO – PERU
2007
INDICE
Resumen -------------------------------------------------------------------------------------
Introducción ----------------------------------------------------------------------------------
Antecedentes---------------------------------------------------------------------------------
Realidad Problemática---------------------------------------------------------------------
Objetivos General --------------------------------------------------------------------------
Objetivos Específicos--------------------------------------------------------------
Marco Referencial--------------------------------------------------------------------------
Desarrollo-------------------------------------------------------------------------------------
Resultados-----------------------------------------------------------------------------------
Conclusiones--------------------------------------------------------------------------------
Recomendaciones--------------------------------------------------------------------------
Referencias Bibliográficas----------------------------------------------------------------
Anexos-----------------------------------------------------------------------------------------
Cronograma de Actividades-------------------------------------------------------------
