PROYECTO INTEGRADOR TERCER CICLO
DETERMINACIÓN DEL CALOR DE REACCIÓN EN UNA CALDERA PIROTUBULAR A GAS NATURAL.
CARRERA Procesos Químicos y Metalúrgicos ELABORADO POR
BALBIN ORDAYA FERNANDO CAHUANCAMA CHAVEZ MAYTE CAMASCA ARONES MARIA CASTAÑEDA CHACON DANNY
ASESORES PROF. IVAN GONZALES PROF. ROBERT HINOSTROZA
LIMA – PERÚ NOVIEMBRE, 2016
INDICE DE CONTENIDOS RESUMEN .............................................................................................................. 2 I.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................... 3
II.
OBJETIVOS .................................................................................................. 4 1.
General................................................................................................................................................................................. 4
2.
Específicos....................................................................................................................................................................... 4
III. 1.
FUNDAMENTO TEÓRICO ............................................................................ 5 Calderas industriales .............................................................................................................................................. 5 Tabla N°1.1..............................................................................................................................................................................6 Características de las calderas pirotubulares .......................................................................................6
2.
Gas natural .......................................................................................................................................................................9
3.
Termoquímica .............................................................................................................................................................. 12
4.
Primera ley de la termodinámica ................................................................................................................13
IV.
DESARROLLO ........................................................................................... 14
V.
EVALUACIÓN DE RESULTADO ................................................................ 23
VI.
RECOMENDACIONES ............................................................................... 24
VII.
CONCLUSIONES........................................................................................ 25
VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................... 25
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RESUMEN En este proyecto integrador tiene como objetivo general determinar el calor de reacción de una caldera pirotubular utilizando como combustible al gas natural, que también juega un rol muy importante, ya que nos resulta beneficioso. La caldera es un equipo produce vapor, durante su funcionamiento, la presión es constante. Para poder determinar el calor de reacción de una caldera, es necesario como conocer y determinar las entalpías a cierta temperatura, en este caso 305°C para el combustible se consuma, y del agua se puede conocer con la ayuda de las tablas termodinámicas. Un dato importante que tenemos que considerar para la determinación de calor de reacción es la capacidad de producción de vapor de la caldera, en nuestro caso es de 1035 lb/h. Para el desarrollo es muy importante conocer la primera ley de la termodinámica, esta ley nos ayudará calcular el calor que necesita la caldera para evaporizar el agua. En conclusión se determinó el calor de reacción siendo 978172,18 kJ, además se calculó la cantidad de combustible que ingresa a la caldera siendo de 0,155 m3/h.
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I.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Debido a que las políticas medioambientales actuales se tiene priorizar mucho el tema de ecoeficiencia, muchas industrias han comenzado a reestructurar sus procesos para poder cumplir con los nuevos estándares de calidad ambiental, buscando minimizar los impactos negativos en el ecosistema donde trabajan. En el siguiente proyecto se presenta el desarrollo para la determinación de calor de reacción y la que se usará como combustible al gas natural la cual es una buena alternativa donde mejora el rendimiento y reduce la contaminación ambiental. En el presente trabajo se comentará las principales desventajas referentes al impacto ambiental cuando se trata de utilizar combustible como fuente de poder para la maquinaria. Como contraparte se plantearán los beneficios del trabajo con gas natural en calderas industriales. Se determinarán componentes claves que mejoran el rendimiento a largo plazo de una caldera por el uso del gas natural. Se determinará valores importantes como el calor de reacción utilizando la primera ley de la termodinámica. Como ejemplo práctico se determinará el calor de reacción del metano al momento de hacer combustión.
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II.
OBJETIVOS
1. General
Determinar el calor de reacción de una caldera pirotubular usando como combustible el gas natural en una industria textil.
2. Específicos
Desarrollar las entalpías de formación estándar de los componentes del gas natural.
Desarrollar las entalpias de reacción de calor de cada componente del gas natural.
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III. FUNDAMENTO TEÓRICO 1.
Calderas industriales
Las calderas son equipos diseñados para transferir calor producido por combustión, o mediante electricidad, a un fluido determinado. Se utiliza para generar agua caliente, vapor saturado o vapor sobrecalentado. Pirotubulares: En este modelo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente el cual es atravesado por tubos en los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de la combustión. El agua se evapora al entrar en contacto con estos tubos calientes. Figura N°1.1
Esquema del ajuste persona-entorno
Fuente:
Las ventajas de los calderos pirotubulares son:
Requieren bajo costo de inversión y son menos costosos que los acuotubulares.
Alcanzan elevadas eficiencias (>80%).
Pueden absorber grandes súbitas fluctuaciones de carga con ligeras variaciones de presión debido al gran volumen de agua contenido en el casco.
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Tabla N°1.1 Características de las calderas pirotubulares En el cuadro se resume las características de las calderas pirotubulares de tipo paquete. tamaño de caldero (BHP) 20
Prod. De vapor (lb/h) 690
Superficie de calentamiento (pie2) 100
Consumo de gas natural (pie3/h) 835
Dimensiones del caldero Longitud
Altura
Ancho
10
5
4
30
1035
150
1255
10
5
4,5
40
1380
200
1675
11
5
5
50
1725
250
2100
11,5
5,5
5
60
2070
300
2510
14
6
5
Fuente: Recuperado de Operación y Mantenimiento de calderos Industriales Tabla N°1.2 Consumo de combustible de las calderas pirotubulares En el cuadro se aproxima el consumo de combustible de las calderas pirotubulares en función de su capacidad en horse power (hp). Tipo de combustible
Consumo
Petróleo diesel 2
0.32 gal/h x BHP
Petróleo industrial
0.30 gal/h x BHP
Gas Natural (1000 BTU/pie3)
42 pie3/h x BHP
Fuente: Recuperado de Operación y Mantenimiento de calderos Industriales.
Generadores de vapor. Tiene la función de transferir energía al agua en forma de calor de los gases producidos de la combustión para que se convierta en vapor. El generador de vapor está compuesto por las siguientes partes principales:
Horno Quemadores Paredes de agua Domo Sobrecalentador de vapor
Economizador Calentador de aire Ventilador de tiro forzado Ventilador de tiro inducido Alimentador de agua
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Fundamentos básicos de la combustión industrial. Combustión Muchas reacciones químicas son exotérmicas, es decir, desprenden calor durante su proceso, y muy en especial lo son las reacciones de combustión. Para obtener dicha combustión es necesario poner en contacto un combustible y un comburente. En el generador de vapor, la fuente de energía (reacción de combustión), esta reacción ocurre en el horno. Combustión completa estequiométrica Este tipo de combustión se consigue mezclando y quemando las cantidades exactamente requeridas de combustible y oxígeno, las cuales se queman en forma completa y perfecta. Esta combustión completa está sin embargo, fuertemente limitada por condiciones químicas y físicas, ya que solo en teoría podemos hablar de reacciones perfectamente estequiometrica. Figura N°1.2 Combustión Completa Estequiométricamente
Calor útil Combustible Gas Natural
CO2 O2
CALDERA H2O
Fuente: Elaboración propia
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DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE LA COMBUSTIÓN INDUSTRIAL
COMBUSTIBLE
COMBURENTE
QUEMADOR
PROPORCIÓN
EXCESO DE AIRE
MEZCLA
TURBULENCIA
IGNICIÓN
TEMPERATURA
COMBUSTIÓN
GASES
CALOR
PROCESO INDUSTRIAL
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Cuadro de comparación de eficiencias de los calderos pirotubulares y acuotubulares, en función del combustible utilizado Tabla N°1.3 Cuadro de comparación de eficiencias de los calderos pirotubulares y acuotubulares Combustible
Eficiencia de calderas Pirotubular (1000BHP) Acuotubular (956BHP) Gas natural 81.20% 78.50% Diésel 84.70% 81.80% Fuente: Operación y Mantenimiento de Calderos Industriales
En este cuadro podemos observar que diésel resulta ser más eficiente que el gas natural. Teniendo en cuenta el ahorro en el costo de combustible, por la gran eficiencia que tiene en la combustión, ponen en arriesgo sus equipos, lo cual repercute en los costos de mantenimiento y operación, adicional a la sustitución del combustible. Sin embargo con el combustible gas natural la maquina no sufre corrosiones ácida en superficies metálicas y refractarias, ni producción de cenizas, también permite controlar los niveles de emisiones tóxicas evitando así el efecto invernadero, fomentando así un mecanismo para un desarrollo limpio.
2.
Gas natural
Es una mezcla de hidrocarburos livianos en estado gaseoso, que en su mayor parte está constituida por metano y etano, y en menor proporción por propano, butanos, pentanos e hidrocarburos más pesados. Tabla N°2.1 Composición del gas natural
Componente Metano Etano Propano Butano
Gas libre % 98.05% 0.35% 0.05% 0.022%
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2.1. Beneficios del gas Natural El uso del gas natural ha reemplazado a otros combustibles (líquidos y sólidos) en las calderas de vapor posibilitando una serie de beneficios para las empresas, tales como los que se dan a continuación.
2.1.1. Al producir una combustión limpia (libre de partículas visibles) y sin presencia de compuestos de azufre corrosivos, resulta ser menos agresivo para las calderas, lo cual implica menores paradas y costos de mantenimiento.
2.1.2. El gas al presentar sus componentes en estado molecular, es un combustible de fácil acceso, esto implica un menor requerimiento de exceso de aire (alrededor del 10% solamente) en el quemador, generando menos cantidad de CO y prácticamente diminuta cantidad de partículas.
2.1.3. Es las natural es menos contaminante que los combustibles de tipo sólido y líquido, porque como cualquier otro combustible gaseoso, no genera productos sólidos en el proceso de combustión, produciendo mínima cantidad de 𝐶𝑂2 (reduciendo así el efecto invernadero), menor cantidad de impurezas, como azufre (reduciendo la lluvia ácida), además de no emanar humos.
2.1.4. Es más barato en términos de energía entregada (US$/MMBTU) a la caldera en comparación a de otros combustibles. Ello indica que el costo de generación del vapor, estima en más de un 80%, en donde se reduce usando gas.
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2.1.5. Más eficiente en el aprovechamiento de la energía. Esto se da ya que al producir menos depósitos de hollín en los tubos durante la combustión, las pérdidas de energía por la chimenea son mínimas logrando así una mayor eficiencia térmica en la caldera.
2.1.6. No requiere almacenamiento y espacio, puesto que el gas natural se entrega en tubería de una manera segura y confiable.
2.1.7. Es más limpio en cuanto al manejo de Petróleos Residuales por ejemplo, lo cual implica la ausencia de derrames (tanque, líneas, calentador, etc).
2.1.8. Los quemadores de gas natural no requieren vapor o aire de atomización como lo requieren los combustibles líquidos, lo cual genera un ahorro estimado por demanda de vapor o electricidad para comprimir el aire. 2.2.
Otros combustibles
Entre los elementos que componen el gasóleo C, hay una pequeña parte de azufre. Este azufre en una combustión completa sales en forma de dióxido de azufre (SO2). Una parte del SO2, debido al exceso de aire necesario para la combustión se combina con oxígeno dando lugar a trióxido de azufre. SO3. Los humos resultantes de la combustión contienen vapor de agua. Si la temperatura de retorno de agua a caldera es inferior a un determinado valor, se producen condensaciones del vapor de agua sobre la superficie metálica. La mezcla de agua (H2O), y trióxido de azufre (SO3), da lugar al ácido sulfúrico que es altamente corrosivo y destruye la zona de caldera afectada por condensaciones.
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Existen técnicas aplicables a las calderas convencionales para elevar la temperatura de retorno, como son la bomba anticondensación y la válvula de tres vías.
3.
Termoquímica
Todas las reacciones químicas van acompañadas de absorción o desprendimiento de energía que generalmente se manifiesta a sí mismo como calor. La ciencia termoquímica trata de los cambios energéticos en las reacciones químicas. La energía interna interna de una sustancia dada depende de su temperatura, presión y estado de agregación y es independiente de los medios por los que se ha alcanzado este estado.
3.1. Entalpia Es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. Cuando un sistema pasa desde unas condiciones iniciales hasta otras finales, se mide el cambio de entalpía ( Δ H). 3.2.
Calor de Reacción
El calor de una reacción química es el calor absorbido en el transcurso de una reacción, o, en un sentido más general, es igual a la variación en la entalpía del sistema para la reacción que se realiza.
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4.
Primera ley de la termodinámica Figura N°4.1 sistema cerrado de intercambio de energía
∆𝐸 = 𝑄 − 𝑊
(1er Principio de la termodinámica)
Debemos tener en cuenta, se el proceso se produce a P cte y el sistema sólo realiza trabajo de expansión, Q mide la variación de una función estado denominada entalpía. Definimos una nueva función termodinámica: Entalpía (H)
∆𝐸 = 𝑄 − 𝑊
(1er Principio de la termodinámica)
𝑄 = ∆𝐸 − 𝑃∆𝑉 (soló trabajo de expansión a P = cte) 𝑄 = (𝐸2 − 𝐸1 ) + 𝑃(𝑉2 − 𝑉1 ) 𝑄 = (𝐸2 − 𝑃𝑉2 ) − (𝐸1 − 𝑃𝑉1 )
Si: 𝐻 = 𝐸 − 𝑃𝑉
𝑄 = 𝐻2 − 𝐻1
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IV. DESARROLLO Mediante el siguiente trabajo se quiere demostrar nuestros conocimientos adquiridos en el curso estamos capacitados para poder realizar e indagar las masas de entradas y respectivas entalpias de una caldera en una industria pesquera. La caldera estudiada viene a ser de tipo pirotubular, en la cual los gases de combustibles fluyen por el interior de los tubos, mientras que el agua a evaporarse se encuentra alrededor de los mismos, con el objetivo de suministrar energía un la industria pesquera 1. Características de la caldera pirotubular
Potencia Combustible Presión de operación vapor generado N° de pasos Temperatura de ingreso del agua de alimentación. Temperatura de gases de combustión a la salida del intercambiador. Exceso de aire O2 Longitud de tubos Diámetro interno de tubo Espesor de tubo N° de tubos Posición
30 BHP Gas natural 90 psig Vapor saturado a 90 psig y 166°C 1 25°C 305°C 100% 1.2m 0.0508m 0.0025m 96 Horizontal
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Datos para que se necesita para determinar el calor de reacción
Tabla N° 1.1 Componentes del gas natural
COMPONENTE
GAS LIBRE %
Metano
98.05%
Etano
0.35%
Propano
0.05%
Butano
0.022%
Fuente: Manuel de Ingeniero Químico
Tabla N°1.2 Tabla de capacidades caloríficas de gases en el estado de gas ideal
Cp*R
A
B*10^3
C*10^6
D*10^-5
CH4
4.217J/K
1.702
9.081
-2.164
0
C2H6
6.369
1.131
19.225
-5.561
0
C3H8
9.011
1.213
28.785
-8.824
0
C4H10
11.928
1.935
36.915
-11.402
0
H2O
4.038
3.470
1.450
0
0.121
CO2
4.467
5.457
1.045
0
-1.157
Reacciones de combustión de los componentes del gas natural.
CH4(g) + 2O2(g) C2H6 + 7/2O2(g) C3H8 + 5O2(g) C4H10 + 13/2O2(g)
CO2(g) + 2H2O(g) 2CO2(g) + 3H2O(g) 3CO2(g) + 4H2O(g) 4CO2(g) + 5H2O(g)
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Determinar entalpia de formación de reacción de combustión de cada componente:
∆𝐻° = 𝑁 ∑ 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 − 𝑁 ∑ 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
Metano: ∆𝐻° = [−393,509 + 2(−241,818)] − (−74,52)] ∆𝐻° = −802,625
𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙
Etano: ∆𝐻° = [2(−393,509) + 3(−241,818)] − (−84,82)] ∆𝐻° = −1428,625
𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙
Propano: ∆𝐻° = [3(−393,509) + 4(−241,818)] − (−104,68)] ∆𝐻° = −2043,119
𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙
Butano: ∆𝐻° = [4(−393,509) + 5(−241,818)] − (−125,79)] ∆𝐻° = −2657,336
Componente Metano Etano Propano Butano
𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙
Entalpías de formación -802,625 kJ/mol -1428,252 kJ/mol -2043,119 kJ/mol -2657,336 kJ/mol
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Una vez determinado las entalpías de formación estándar, estas se usaran para poder hallar, las entalpias de calor de reacción de cada componente que está formado en el gas natural. Para ello se utilizará esta fórmula: A temperatura 578 K 578
𝑅(∆𝐴 + ∆𝐵𝑇 + ∆𝐶𝑇 2 + ∆𝐷𝑇 −2 ) 𝑑𝑇
∆𝐻(𝑡) = ∆𝐻° + ∫ 298
Donde: △H°= Entalpía de formación estándar. 𝑘𝐽
R= constante de formación 0.0083𝑚𝑜𝑙.𝐾 Metano: 578
𝑅(3,42 + (−5,24 × 10−3 )𝑇 + 2,16 × 10−6 𝑇 2 + (−46,1)𝑇 −2 ) 𝑑𝑇
∆𝐻(578) = ∆𝐻° + ∫ 298
∆𝐻(578) = −802,625
𝑘𝐽 𝑘𝐽 + 0,0083 (1721,41𝐾) 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙. 𝐾
∆𝐻(578) = −788,31
𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙
Etano: 578
𝑅(20,19 + (−0,0129)𝑇 + 5,56 × 10−6 𝑇 2 + (−115,6)𝑇 −2 ) 𝑑𝑇
∆𝐻(578) = ∆𝐻° + ∫ 298
∆𝐻(578) = −1428,65
𝑘𝐽 𝑘𝐽 + 0,0083 (4369,73𝐾) 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙. 𝐾
∆𝐻(578) = −1392,32
𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙
Propano: 578
∆𝐻(578) = ∆𝐻° + ∫
𝑅(20,02 + (−0,020)𝑇 + 1,140 × 10−5 𝑇 2 + (−82422)𝑇 −2 ) 𝑑𝑇
298
∆𝐻(578) = −2043,119
𝑘𝐽 𝑘𝐽 + 0,0083 (3643,21𝐾) 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙. 𝐾
∆𝐻(578) = −2015,4648
𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙
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Butano: 578
∆𝐻(578) = ∆𝐻° + ∫
𝑅(13,65 + (−0,028)𝑇 + 1,140 × 10−5 𝑇 2 + (−185200)𝑇 −2 ) 𝑑𝑇
298
∆𝐻(578) = −2657,336
𝑘𝐽 𝑘𝐽 + 0,008314 (1062,3122𝐾) 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙. 𝐾
∆𝐻(578) = 2647,346
𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙
Componente Metano Etano Propano Butano
Calor de reacción -788,31 kJ/mol -1392, 3205 kJ/mol -2015, 4648 kJ/mol -2647, 346 kJ/mol
Una vez obtenido la reacción de calor de cada componente, estas se multiplicarán por los porcentajes de la composición del gas natural.
Gas libre % 98,05 0,35 0,05 0,022
Componente Metano Etano Propano Butano
Contenido -772,93 kJ/mol -4,87 kJ/mol -1,007 kJ/mol -0,5824 kJ/mol
Sumar el contenido; Entalpía total: -779,38 kJ/mol. Luego La mezcla del peso molecular con los componentes del gas natural. Componente Metano Etano Propano Butano
Peso Molecular 16,04 g/mol 30,07 g/mol 44,1 g/mol 58,12 g/mol
𝑀𝑀𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 98,0% × 16,04 + 0,35% × 30,07 + 0,05% × 44,1 + 0,0255% × 58,12 𝑀𝑀𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 15,86 𝑔/𝑚𝑜𝑙
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Con la ayuda de las tablas termodinámicas obtendremos el calor latente a una presión de 6 bar del agua (gaseoso) que ingresa en la caldera. 𝜆 = 2086, 3
𝑘𝐽 𝐾𝑔
La capacidad de producción de vapor es 1035 lb/h. Factor de conversión: 𝐶. 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 1035
𝑙𝑏 0,453 𝑘𝑔 × ℎ 1𝑙𝑏
𝐶. 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 468,855
𝑘𝑔 ℎ
Factor de conversión: Datos 𝑘𝐽
𝑘𝐽
𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = −779,38 𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑀𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 15,86 𝑔/𝑚𝑜𝑙
𝑘𝐽
De 𝑚𝑜𝑙 a 𝑘𝑔 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 779,39
𝑘𝐽 1𝑚𝑜𝑙 1000𝑘𝑔 × × 𝑚𝑜𝑙 15,86𝑔 1𝑘𝑔
𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 49141,23
𝑘𝐽 𝑘𝑔
Ya obtenidos lo datos hallar el flujo másico de combustible que ingresa a la caldera: Ecuación de la primera ley de la termodinámica
𝑄 = 𝑚∆𝐻° 𝑄 = 𝑚(𝐻𝑠 − 𝐻𝑒 )
Flujo másico vapor m° Entalpía de vapor de agua a 6 bares y 305°C Hs Entalpía del agua a condiciones estándares He
468, 855 kg/h 2086,3kJ/kg 417,46 kJ/kg
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Con estos datos determinaremos la cantidad de calor que necesita la caldera para poder evaporizar el agua. 𝑄 = 𝑚° × (𝐻𝑠 − 𝐻𝑒 ) 𝑄 = 468,855
𝑘𝑔 𝑘𝐽 𝑘𝐽 × (2086,3 − 417,46 ) ℎ 𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝑄 = 782443,97
𝑘𝐽 ℎ
Una vez determinado el calor que necesita la caldera, determinaremos el flujo másico del combustible. 𝑄 = 782443,97
𝑘𝐽 ℎ
∆𝐻° = 49141,23
𝑘𝐽 𝑘𝑔
𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 𝑛𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙
𝑄 = 𝑚° × (∆𝐻°) 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 782443,97
𝑘𝐽 𝑘𝐽 = 𝑚° × (49141,23 ) ℎ 𝑘𝑔
𝑚° = 19,90
𝑘𝑔 ℎ
Como sabemos las industrias, en general, no venden gas natural por masa, si no lo venden por m3, para ello se deberá hallar la densidad del combustible La presión del gas natural 2 bares de presión Factor de conversión:
𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛𝑔𝑎𝑠 𝑛𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙 = 2𝑏𝑎𝑟 ×
0,98692𝑎𝑡𝑚 𝑏𝑎𝑟
𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛𝑔𝑎𝑠 𝑛𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙 = 1,97384 𝑎𝑡𝑚
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Ya obtenido la presión en atmósfera, procedemos hallar la densidad Datos 𝑇 = 25°𝐶 𝑀 = 15,86
𝑔 𝑚𝑜𝑙
𝑃 = 1,97384 𝑎𝑡𝑚 𝑅 = 0,082
𝑎𝑡𝑚. 𝐿 𝐾. 𝑚𝑜𝑙
Con los datos demostrados hallar la densidad del combustible con esta ecuación.
𝜌=
𝑃𝑀 𝑅𝑇
Reemplazar: 𝜌=
1,9738𝑎𝑡𝑚 × 15,86
𝑔 𝑚𝑜𝑙
𝑎𝑡𝑚. 𝐿 × 298𝐾 𝐾. 𝑚𝑜𝑙 𝑔 𝜌 = 1,2811 𝐿
0,082
Hallar el flujo volumétrico del combustible que ingresa en la caldera: Datos: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 = 19,905 𝜌 = 1,2811
𝑘𝑔 ℎ
𝐾𝑔 𝑚3
Fórmula: 𝜌=
𝑀 𝑉
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Reemplazar: 𝑘𝑔 𝐾𝑔 19,905 ℎ 1,2811 3 = 𝑚 𝑉
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = 15,535
𝑚3 ℎ
El volumen de gas natural que ingresa es de 15,535 m3 por hora.
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V. EVALUACIÓN DE RESULTADO Datos obtenidos para la determinación de reacción de calor de una caldera. % metano % etano % propano % butano Entalpias de formación Metano Entalpias de formación etano Entalpias de formación propano Entalpias de formación butano Reacción de calor de metano Reacción de calor de etano Reacción de calor de propano Reacción de calor de butano Cant. De Q que contiene Metano Cant. De Q que contiene etano Cant. De Q que contiene propano Cant. De Q que contiene butano Calor total que ingresa Presión de caldera Calor latente del agua a 6 bar Producción de vapor (lb/h) Producción de vapor (kg/h) Masa molecular (mezcla) Entalpía total (kJ/kg) Flujo de masa del gas natural ingresa Calor total Presión del gas natural( balón) bar Presión del gas natural( balón) atm Temperatura de ingreso del gas natural
98,05 % 0,35 % 0,05% 0,022% -802,625 kJ/mol -1428,652 kJ/mol -2043,119 kJ/mol -2657,336 kJ/mol -788,31 kJ/mol -1392, 3205 kJ/mol -2015 kJ/mol -2647,346 kJ/mol -772,93 kJ/mol -4,87 kJ/mol -1,007 kJ/mol -0,5824 kJ/mol -779,38 kJ/mol 6 bar 2086,3 kJ/kg 1035 lb/h 468,855kg/h 15,86 g/mol 49141,23 kJ/kg 19,90 kg/h 782443,97kJ/h 2,2 bar 2 atm 298 K
R constante Densidad 𝜌 g/L Densidad 𝜌 Kg/L Flujo volumétrico del gas natural
0,082 atm.L/K.mol 1,281 g/L 1,28 Kg/m3 15,535 m3/h
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Diagrama de resultados calculados.
Combustible
15,535
Producción de vapor m3/h
468,855 kg/h
Considerar: 𝜌 = 1,2811
𝑔 𝐿
Cantidad de calor
782443,97 kJ
VI. RECOMENDACIONES Se recomendable que las industrias de cualquier tipo de ámbito el uso
del gas natural, porque resulta ser más económico, además propone una solución alternativa que mejora el rendimiento y reduce la contaminación ambiental. Se recomienda el uso de calderas pirotubulares, ya que son más
eficientes en la producción de calor.
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VII.CONCLUSIONES
Determinamos el calor de reacción en otras palabras calor de total que ingresa o que necesita la caldera pirotubular usando como combustible el gas natural siendo 782333,97 kJ por hora.
Desarrollamos
las
entalpías
de
formación
estándar
de
los
componentes del gas natural teniendo como componentes metano, etano, propano, butano; -802,625kJ/mol,-1428,652 kJ/mol; -2043,119 kJ/mol; -2657,336 kJ/mol; respectivamente.
Desarrollamos las entalpias de reacción de calor de cada componente del gas natural teniendo como componentes, metano, etano, propano, butano, -788,31 kJ/mol; -1392,32 kJ/mol; -2015,46 kJ/mol; -2647,346 kJ/mol.
VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Perry, R.(2001). MANUAL DEL INGENIERO QUIMICO.Calderas.(pp.25-70). (4ta. ed.). España: Mc Graw Hill.
Watson, H. (2006). PRINCIPIOS DE LOS PROCESOS QUIMICOS.Termoquímica. (pp.306-326). España: Reverté.
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