Termodinámica Aplicada Ingeniería Química€¦ · • Flujo mayoritario de energía en la I.Q. (menor coste que E mecánica). ... La combustión es uno de los procesos unitarios

Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 7. CALOR

Termodinámica AplicadaTermodinámica Aplicada Tema 7. CalorTema 7. Calor

TEMA 7: CALOR

• INTRODUCCIÓN:

• Calor en la Industria Química

• COMBUSTIBLES:

• Combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.

• Caracterización de combustibles.

• COMBUSTIÓN:

• Llamas.

• Parámetros. Temperatura adiabática de llama.

• GENERACIÓN:

• Hornos y calderas.

• DISTRIBUCIÓN:

• Caloportadores.

• Sistemas de vapor.

• Agua de refrigeración.


TEMA 7: CALOR

• INTRODUCCIÓN:INTRODUCCIÓN:

•• CalorCalor en laen la IndustriaIndustria QuímicaQuímica

• COMBUSTIBLES:



• COMBUSTIÓN:

• Llamas.


• GENERACIÓN:


• DISTRIBUCIÓN:

• Caloportadores.




Calor en la Industria Química

Calor: Forma de energía que se transfiere entre dos sistemas

( o un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de T

• Flujo mayoritario de energía en la I.Q. (menor coste que E mecánica).

• Se tratará refrigeración, pero no a baja temperatura.

• USO:

• Calentamiento de corrientes para su acondicionamiento en T.

• Cambio de fase: evaporación de corrientes:


• Rectificación.

• Evaporadores y cristalizadores.

• Calor de reacción.

• Tratamientos térmicos: UHT leche, recocido de metales

• Usos residenciales y sanitarios.


Calor en la Industria Química

• GENERACIÓN:

• Fundamentalmente por combustión en:


• Turbinas de gas.

• Motores de combustión interna.

• DISTRIBUCIÓN:

• Circuitos de caloportadores (vapor y agua de refrigeración).

• Gases de combustión, aire caliente, aceites térmicos, sales y metales

fundidos.

• Redes de cambiadores.


TEMA 7: CALOR

• INTRODUCCIÓN:


• COMBUSTIBLES:COMBUSTIBLES:

•• CombustiblesCombustibles sólidossólidos,, líquidoslíquidos yy gaseososgaseosos..

•• CaracterizaciónCaracterización de combustibles.de combustibles.

• COMBUSTIÓN:

• Llamas.


• GENERACIÓN:


• DISTRIBUCIÓN:

• Caloportadores.




Combustibles sólidos

• Carbón: antracitas, hullas, lignitos, carbones bituminosos, coque,

alquitranes.

• Madera y serrín.

• Biomasa y residuos de la industria agroalimentaria: cáscara de

piñón, frutos secos, girasol, orujo de aceituna, ...

• Residuos sólidos urbanos (R.S.U.).


Combustibles líquidos

• Procedentes prácticamente en su totalidad del petróleo: kerosenos,gasoleos (A,B y C), naftas, fueloleos (ligeros, medios y pesados, nº1,nº2), gasolinas, asfaltos.

• CLASIFICACIÓN (función de su viscosidad):

• Tipo 1: no necesitan calentamiento para ser bombeados nipulverizados en el quemador; por ejemplo, gasoleo.

• Tipo 2: necesitan calentamiento para pulverización en elquemador.

• Tipo 3: necesitan calentamiento en el tanque, para bombeo y enel quemador; gasoleo nº1.

• Tipo 4: aún mas viscosos que los del tipo 3; necesitancalentamiento en varios puntos del quemador.

• Procedentes de fermentación: metanol de origen vegetal.


Combustibles líquidos: Biocombustibles

• Los biocombustibles líquidos o biocarburantes, son productos que se estánusando como sustitutivos de la gasolina y del gasóleo de vehículos y queson obtenidos a partir de materias primas de origen agrícola

• Bioetanol (o bioalcohol), Alcohol producido por fermentación de productosazucarados (remolacha y la caña de azúcar). También puede obtenerse delos granos de cereales (trigo, la cebada y el maíz), previa hidrólisis otransformación en azúcares fermentables del almidón contenido en ellos

• Biodiesel (biogasóleo o diéster), constituye un grupo de biocarburantesque se obtienen a partir de aceites vegetales como soja , colza y girasol (dos principales cultivos de oleaginosas en la Unión Europea). Los biodieselson metilésteres de los aceites vegetales obtenidos por reacción de losmismos con metanol, mediante reacción de transesterificación, queproduce glicerina como producto secundario


Combustibles gaseosos

• Pueden proceder del tratamiento del carbón, materia orgánica o petroleo,o encontrarse en la naturaleza en su forma original.

• Gas natural: principalmente metano mas hidrógeno. Grandes reservas(+hidratos).

• Gases Licuados del Petroleo (GLP): propano y butano.

• Aires propanados y butanados

• Carbón gasificado - procesos en rápida expansión.

• Hidrógeno - no contaminante (en su uso); tecnología en desarrollo.

• Procedentes de fermentación: metano de digestores y otros biogases.

• Gases de proceso: gas de horno alto, gas de coquería, efluente de THF,...


Combustibles

COMBUSTIBLE Contenidoenergético

(kJ/L)

Equivalenteen gasolina

(L/L gasolina)

Gasolina 31850 1

Diesel ligero 33170 0.96

Diesel pesado 35800 0.89

GLP (propano) 23410 1.36

Etanol (o alohol etílico) 29420 1.08

Metanol (o alcohol metílico) 18210 1.75

GNC (gas nat. comprimido, pp. CH4) 8080 3.94

GNL (gas nat. licuado, pp. CH4) 20490 1.55

Comparación de algunos combustibles alternativos contra loscombustibles tradicionales basados en el petróleo usados en laindustria del transporte


Caracterización de combustibles

• Combustibles complejos (petróleo): %(w/w) elementos: 17% C,

8% H2, 0.2% S,...

• Contenido en azufre y nitrógeno ---> óxidos SOX y NOX, SH2 .

(LLuvia ácida, corrosión en chimeneas).

• Temperatura adiabática de llama.

• Poder calorífico superior o inferior (PCS y PCI o HHV y LHV):

Energía térmica, medida en un calorímetro, que se desprende en la

combustión con el oxígeno estequiométrico de 1 kg de combustible.

En el superior se añade la entalpía liberada en la condensación del

agua, y en el inferior no.

[De forma aproximada PCI (kJ/kg) = PCS – 21200.h (h=tanto por 1

en peso H2)]



• Contenido calorífico: termias; especialmente para combustibles gaseosos.

• Motores de combustión interna:

• Ignición: índice o número de octano.

• Explosión: índice o número de cetano:

La determinación se lleva a cabo en dispositivos -motores- estandar,

y cuantifica la similaritud de comportamientos entre dicho motor

funcionando con el combustible a prueba y con mezclas de los

compuestos de referencia: isooctano + n-heptano para el nº de

octano y cetano(C16H34) + 1-metil naftaleno para el nº de cetano.




TEMA 7: CALOR

• INTRODUCCIÓN:


• COMBUSTIBLES:



• COMBUSTIÓN:COMBUSTIÓN:

•• Llamas.Llamas.

•• Parámetros. Temperatura adiabática de llama.Parámetros. Temperatura adiabática de llama.

• GENERACIÓN:


• DISTRIBUCIÓN:

• Caloportadores.




COMBUSTIÓN

La combustión es uno de los procesos unitarios más estudiados en donde se

realiza la oxidación del carbono, el hidrógeno y el azufre de una sustancia a

través de la reacción directa con el oxígeno y con un notable

desprendimiento de calor

CxHySz + O2 � CO + CO2 + H2O + óxidos de azufre + otros + qcomb

• Principal fuente de generación de calor

• Reacción de un combustible con un comburente para:

• Obtención de energía calorífica.

• Eliminación de excedentes (antorchas) o productos indeseados.

• Producción de determinadas substancias (coque, óxidos,...).

• Tiene lugar en una llama alojada en un quemador


COMBUSTIÓN

• Comburente más frecuente: aire; (oxígeno puro, menos → temperatura)

• En combustibles sólidos y líquidos no vaporizados, la reacción es

heterogénea, y homogénea cuando se trata de gases. En todos los casos se

procura facilitar el contacto entre combustible y comburente:

• Dividiendo finamente los combustibles sólidos (molinos de centrales

térmicas).

• Pulverizando los líquidos.

• Mezclando de la mejor forma posible los gaseosos.


Usos del proceso de combustión


COMBUSTIÓN

SISTEMAS DECOMBUSTIÓN DE

CARBÓN1. SISTEMAS TIPO

STOKER

2. SISTEMAS LECHOFLUIDIZADO

3. SISTEMAS CARBÓNPULVERIZADO


COMBUSTIÓN

SISTEMAS DECOMBUSTIÓN DE FUEL

OILS LÍQUIDOS

ATOMIZADORES


COMBUSTIÓN

SISTEMAS DE COMBUSTIÓNDE FUEL OILS GASEOSOS


COMBUSTIÓN: Llamas

• Temperatura inicial de los reactivos: a veces, es preciso calentar lamezcla o el quemador para iniciar la combustión.

• Inicio de la reacción: espontáneamente o mediante encendido.(resistencia incandescente, una llama piloto o auxiliar o tren de chispaseléctricas. Secuencia automática: barrido,... Control continuo de llama:pirómetros, celulas).

• Partículas (sólidas): sobre o inmediatamente contigua a la superficie.

• Líquidos y gaseosos: a una distancia -fija en condiciones estacionarias-del quemador.


COMBUSTIÓN: Llamas

• Frente de la llama: zona de reacción; delimita la llama.

• Velocidad de propagación o deflagración(VO) :de avance del frente;f(composición, T, P).

• Velocidad de retorno (VR) : de la llama hacia la tobera; f( ... + diámetrode la tobera).

• Velocidad de desprendimiento: de alejamiento (VD) : f( ... ... + aireaciónsecundaria).

• LLamas estables: VR < VO < VD


COMBUSTIÓN: Parámetros

• MEZCLADO

• Previo: mas eficaz, menos seguro (transporte de mezclas detonantes)

• Sin mezclado : llamas de difusión (controlante). Mas largas, suaves yextendidas que la llama normal; mas seguras.

• DOSADO: proporción de combustible a comburente. Importante parámetroeconómico.

• Mezcla estequiométrica: oxígeno y aire teóricos para quemar .

VO2 = 24.45[C/12+H/4-O/32+S/32) m3 O2/kg de combustible

donde C,H,O y S son kg de estos elementos por kg de combustible yel volumen de oxígeno está medido a 25 ºC y 1 bar.

• Oxígeno > estequiométrico: mezcla pobre (aire > aire mínimo). Lallama y la atmósfera oxidantes. La llama es corta y brillante.

• Oxígeno < estequiométrico: mezcla rica (aire < aire mínimo). Llamasreductoras, alargadas y menos brillantes.



• SISTEMAS INDUSTRIALES PARA CALEFACCIÓN:

• se utiliza siempre exceso de aire -mezclas pobres- para agotar el

combustible.

• se expresa en % del aire teórico o como coeficiente de exceso de aire

(Aire real/Aire teórico).



PRODUCTOS DECOMBUSTIÓN

(fuel libre de azufre)

Efecto de la relación fuel:airesobre la composición de losgases de combustión de un gasnatural que contiene: 93.9%CH4, 3.2% C2H6, 0.7% C3H8,0.4% C4H10, 1.5% N2 y 1.1%CO2 (volumen)

En el caso de combustiblessólidos o líquidos los productosde combustión pueden contenerresiduos sólidos como cenizas opartículas de C no quemadas


COMBUSTIÓN: Temperatura adiabática de llama

• La máxima temperatura alcanzada por un combustible tras su

combustión con el oxígeno estequiométrico en condiciones

estándar -1 atm, 25ºC.

• En la práctica no se alcanza → disociaciones de productos (CO2, H2O)

e inertes (N2), que absorben parte de la energía.

• La energía absorbida en la disociación se recupera (devuelve) durante

el enfriamiento.

ºC Acetileno H2 G.N. CH4 Propano Fuel pesado

T adiab. 2630 2210 1961 1915 1980 2015

T real 2320 2045 1880 1880 1925 -


TEMA 7: CALOR

• INTRODUCCIÓN:


• COMBUSTIBLES:



• COMBUSTIÓN:

• Llamas.


• GENERACIÓN:GENERACIÓN:

•• HornosHornos y calderas.y calderas.

• DISTRIBUCIÓN:

• Caloportadores.




Generación: Hornos y calderas

• Hornos y calderas:

• quemadores

• hogar

• circuito de humos

• bancadas:

• convección

• radiación

• calderines

• entradas:

• BFW + retorno

• aditivos

• salidas:

• vapor seco

• lodos o fangos



GENERADORES DE VAPOR

• Similares en construcción a las calderas

• Su propósito es recuperar calor de corrientes calientes, ya

sean estas gaseosas o líquidas

• La idea es economía de combustible (ahorro energético).

• Operan en conjunción con las calderas una planta moderna

• Los generadores de vapor producen vapor dependiendo

de la carga de los procesos

• Las calderas generan el complemento del consumo

vapor que no satisfacen los generadores de vapor

• Los generadores de vapor producen solo vapor saturado pero

a presiones y producciones similares a los de las calderas



GENERADORES DE VAPOR(BOILERS)



GENERADORES DE VAPOR (BOILERS)



HORNOS DE COMBUSTIÓN (Fired Heaters)



CALDERAS

Generación de vapor de agua a alta presión y temperaturapara propósitos de generación de potencia o aplicacionesespeciales que requieran vapor seco ( calidad 100% )

Calderas Pirotubulares: los gases de combustión circulanpor los tubos de la caldera. Dichos tubos están sumergidosen el agua que es vaporizada

Calderas Acuotubulares: el agua va por los tubos de lacaldera. Dichos tubos están rodeados por los gases decombustión



SISTEMA DE CALDERA ACUOTUBULAR



CALDERAS PIROTUBULARES

• Son simples en diseño y

construcción

• Máxima presión de diseño :

150 psig.

• Manejan solamente vapor

saturado

• Son relativamente económicas

y fáciles de instalar. Son todas

de tipo paquete (“Skid”)

• Máxima capacidad 15 TpH (30

KLBH)

• Solamente manejan aire

usando ventiladores (tiro

forzado).



CALDERAS ACUOTUBULARES

• Son del tipo mas complejo

• Generalmente se construyen en el sitio de

uso (“field – erected”). Algunas son tipo

paquete.

• Presión máxima 1500 psig

• Capacidad máxima de hasta 150 TpH (300

MLBH)

• Adecuados por su tamaño para instalar

economizadores, precalentadores de aire

y sobrecalentadores hasta 810 ºF.

• Usan tiro forzado, pero debido a las

grandes chimeneas que usan, es posible

usar tiro inducido.

CALDERA ACUATUBULARTIPO PAQUETE


TEMA 7: CALOR

• INTRODUCCIÓN:


• COMBUSTIBLES:



• COMBUSTIÓN:

• Llamas.


• GENERACIÓN:


• DISTRIBUCIÓNDISTRIBUCIÓN::

•• CaloportadoresCaloportadores..

•• SistemasSistemas de vapor.de vapor.

•• AguaAgua dede refrigeraciónrefrigeración..


Caloportadores

• AGUA LÍQUIDA:

• Elevadas Cp, ∆Hvap, ∆Hfus

• Posibilidad de retirar calor evaporando agua

• Instalaciones de agua caliente o sobrecalentada

• Hasta 180ºC con 980 kPa (presurizada)

• VAPOR DE AGUA: (+ importante)

• Fluido caloportador más importante

• Transporta calor sensible y calor latente

• Elevada entalpía de condensación (pero Tc = 374.1ºC a Pc = 220.9 bar)

• Saturación: 200ºC �15.54 bar; 250ºC �39.7 bar; 300ºC � 85.8 bar)

• No combustible, no tóxico, no corrosivo

• Barato y ubicuo

• Muy estable térmicamente

• Inconveniente: flujo en 2 fases por condensación


Caloportadores

• ACEITES TÉRMICOS: Dowtherm (<250ºC), Mobiltherm (<320ºC)

• Aceites minerales de origen mineral o de síntesis

• Compuestos puros o mezclas azeotrópicas (o casi)

• Con o sin cambio de estado

• Muy estables térmicamente � Baja degradación/carbonización

• Resistencia química a la corrosión importante, Cp elevada, ρ baja

• Inconvenientes: inflamables y muy viscosos a T normales

• Saturación: DOWTHERM RP � 353ºC; Therminol 72 � de -10 a 380ºC

• GASES DE COMBUSTIÓN Y AIRE:

• Inconvenientes: Bajas Cp, grandes caudales ⇒ grandes cambiadores

• Ventaja: T elevadas (> 300-350ºC)

• SALES Y METALES FUNDIDOS:

• Sales de k y Na. Muy elevadas T

• Utilización: centrales solares y nucleares


Caloportadores


Sistemas de vapor

• BOMBA DE ALIMENTACIÓN A CALDERA: condensados + agua tratada

(BFW).

• CALDERA:

• Varios niveles de T o P.

• Bancadas de radiación y convección.

• Vapor saturado y seco o sobrecalentado → recalentadores.

• Recuperación de calor en la alimentación:

• Disminución del gradiente en los cruces de corrientes.

• Economizadores, purgas de caldera, ...

• Calderas de recuperación → humos de motores, corrientes de

proceso, ... .

• Combustibles sólidos → eliminación de cenizas y escorias. Vía seca o

húmeda.


Sistemas de vapor

• CONDUCCIONES:

• Aislamiento: pérdidas y seguridad.

• Liras o U para dilatación.

• Pendiente (≈3º) para evacuación de condensados.

• Filtros para partículas sólidas.

• Separadores de niebla o de gotas → protección de álabes de turbinas, ...

• Purgadores para la eliminación o recogida de condensados:

• Pérdidas: flujo en dos fases, obstrucción.

• En dispositivos de intercambio tras la condensación.


Sistemas de vapor

• COLECTORES (Main):

• Comportamiento de reservorio.

• Distintos niveles → sistemas de reducción de la presión +

desobresaturadores.

• LINEAS DE RETORNO DE CONDENSADOS: revaporización.

• CONDENSADORES: en sistemas de producción de potencia. Pié barométrico,

purga de aire.

• DESAIREADOR: contacto en contracorriente (platos o relleno) de BFW con

vapor de caldera.


Sistemas de vapor


Sistemas de vapor


Agua de refrigeración

• Refrigeración hasta T>ambiente en las peores condiciones + gradiente (∼40ºC).

• En dos disposiciones:

• CIRCUITO ABIERTO:

• De cuerpos de agua naturales: ríos (embalsados), mar …

• Es necesario filtrar y tratar para proteger la red de intercambio.

• Vigilancia institucional de T y ensuciamiento.

• CIRCUITO CERRADO:

Proceso Refresco

Purga

Evaporación

Proceso Refresco

Purga

Evaporación


Agua de refrigeración

• TORRES DE ENFRIAMIENTO:

• Foco frío (atmósfera) no regulado (T).

• Relleno y distribución para mejorar el contacto.

• T mínima = T húmeda del aire.

• Tiro forzado o natural.

• Tamaños muy variados.

• Concentración de no volátiles: control.

• T de trabajo :60-25ºC .

• Riesgo de crecimiento biológico.

• Biocidas, anticorrosivos, anti-incrustantes …

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