Casos de estudio de Termodinámica; Solución Mediante Aspen HYSYS. González. 2014. Universidad del Norte

Arturo González Quiroga
Francisco Acuña Garrido
Barranquilla
2014
! "# ,
9*!*& : )&; & * </$=
> ! "# %&& &' , ?? @A
, : C Ś,
DD <, : , E &*,
F&$ 3& 88#!G& & &<H,
F)@ IJD?IKD?J?KL? MNO%)
, 9*!*&??N8* Q&& &, F, !
, FF, &' %&&, FFF, 9H,
MR ,
"#
JR RL L ,S M+?@@S
TTT,,,&
.* K H N *8
,, KRI @A M*8S
! "# $ %&& &' Coordinación editorial
( )*$ +,
Diseño y diagramación
- ./3 5$
Diseño de portada
6# Corrección de textos
7$ )
7&/ *8
Made in Colombia
5 &/, " </8 <&&; <& 8 <
&A * <#!G& 3;& 3*!& H &* *; < &A *
*&!& &;& 3&< *&G* **#!G& &; <
$ & &<$#/, U &; &/ &/ < & & << &,
CONTENIDO
PRESENTACIÓN .................................................................... VII
Capítulo 1
ECUACIONES DE ESTADO CÚBICAS.......................................... 1
Capítulo 2
EFECTO DE LA REGENERACIÓN,
EL INTERENFRIAMIENTO Y EL RECALENTAMIENTO
EN EL DESEMPEÑO DEL CICLO BRAYTON ....................................11
Capítulo 3
COMPARACIÓN DE LA CENTRAL DE CICLO COMBINADO
“TURBINA DE GAS - CICLO DE VAPOR” Y LA “TURBINA
DE GAS CON INYECCIÓN DE VAPOR” .........................................19
Capítulo 4
CICLOS DE POTENCIA PARA APROVECHAMIENTO
DE FUENTES DE CALOR DE RECHAZO ..........................................27
v
Capítulo 5
COMPARACIÓN ENTRE CICLOS DE REFRIGERACIÓN:
COMPRESIÓN DE VAPOR Vs. ABSORCIÓN ...................................37
Capítulo 6
ANÁLISIS DE SISTEMAS REACTIVOS: COMBUSTIÓN .....................45
Capítulo 7
SIMULACIÓN DE UNA CALDERA RECUPERADORA........................51
Capítulo 8
PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE ..........................57
Capítulo 9
ANÁLISIS DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO ...............................63
Capítulo 10
CAÍDA DE PRESIÓN EN TUBERÍAS
EN EL TRANSPORTE DE GASES Y DE LÍQUIDOS ............................69
Capítulo 11
LICUEFACCIÓN DE GASES:
SEPARACIÓN DE OXÍGENO DEL AIRE ...........................................75
GLOSARIO ...................................................................................79
ANEXO 1: ENTREGABLES .............................................................83
vi
P R E S E N TA C I Ó N
E
II ! " # $ % %& '#()*+#+#, . % % !
% / % / . / ! / 0 ) % ' . 1 / % 1 ! 1!
! 2
0 ) 1 % 1 vii
SOLUCIÓN DE CASOS DE ESTUDIO DE TERMODINÁMICA USANDO ASPENHYSYS®
) % / 1 %# 1 % 1 # % 1 ! ! 1 Los autores
3 viii
1 /4 5678
CAPÍTULO 1
Ecuaciones de estado cúbicas
OBJETIVOS
! INTRODUCCIÓN
La utilidad de una ecuación de estado cúbica se sustenta en su capacidad
para representar el comportamiento PVT (Presión-Volumen-Temperatura) de líquidos y vapores en un rango amplio de temperaturas y pre /"! /
ofrecen un compromiso entre generalidad y simplicidad, de forma que
han sido ampliamente tratadas en la literatura. La primera ecuación de
estado cúbica que se considera práctica fue propuesta por J. D. van der
Waals en 1873 [1]:
(1)
1
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Donde
P: presión
R: constante de los gases
T: temperatura absoluta
vC a: constante positiva
b: constante positiva
Cuando a y b son cero, la ecuación 1 se convierte en la ecuación de gas
ideal.
Desde la introducción de la ecuación de van der Waals se han propuesto varias ecuaciones de estado cúbicas. Entre ellas se destacan
las ecuaciones SRK (Soave-Redlich-Kwong) y PR (Peng-Robinson). En esta
práctica se resolverán las ecuaciones SRK y PR para predecir el volumen
de líquido saturado y el volumen de vapor saturado del refrigerante
R-134a. También se resolverán las mismas ecuaciones para predecir el
volumen de vapor sobrecalentado sobre una isoterma y sobre una isó! ' 1 SRK y PR representan satisfactoriamente las propiedades PVT en la región de vapor
sobrecalentado. Asimismo, que las predicciones para vapor saturado
incluyen alguna desviación en la vecindad del punto crítico, mientras
1 1 4 de los valores reales. Como alternativa para mejorar la predicción de
volumen de líquido saturado se presentará la ecuación de Rackett [1].
SOLUCIÓN NUMÉRICA DE LAS ECUACIONES SRK Y PR
Los problemas de convergencia durante la solución de las ecuaciones
SRK y PR se evitan cuando la ecuación se reacomoda para encontrar una
raíz en particular. Se parte de la ecuación cúbica genérica
(2)
2
ECUACIONES DE ESTADO CÚBICAS
Para una ecuación conocida y son números puros, iguales para todas las sustancias. Los parámetros (T) y b dependen de la sustancia.
Es importante notar que cuando (T)=a, y la ecuación cúbica
genérica se convierte en la ecuación de van der Waals.
Para la raíz más grande, es decir, la de vapor saturado o de vapor sobrecalentado, la ecuación 2 se reescribe como
(3)
La solución para v se encuentra mediante un método iterativo. Una
estimación inicial (o valor semilla) para v es el volumen de gas ideal.
Para la raíz más pequeña, es decir, la de líquido saturado o líquido
subenfriado, la ecuación 2 se reescribe como
(4)
La solución para v se encuentra mediante un método iterativo. Una
estimación inicial (o valor semilla) para v es el valor de b.
) ! . M8/ manejo. Las versiones adimensionalizadas de las ecuaciones 3 y 4 son
las ecuaciones 5 y 6, respectivamente.
(5)
(6)
3
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Donde
Pr: presión reducida
Tr: temperatura reducida
Los valores numéricos o la correlación correspondiente para el cálculo
de los parámetros (Tr), , , y para las ecuaciones SRK y PR se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 1. Parámetros para la evaluación de las ecuaciones
de estado SRK y PR en forma adimensional [1]
Ecuación
(Tr)
ZC
SRK
(Tr)*
1
0
0,08664
0,42748
0,33333
PR
(Tr)**
2,4142
-0,41421
0,07780
0,45724
0,30740
Donde
es el factor acéntrico que depende de cada sustancia.
La tabla 2 resume los parámetros más importantes para el refrigerante
R-134a, la sustancia de trabajo que se va a analizar en esta práctica.
4
ECUACIONES DE ESTADO CÚBICAS
Tabla 2. Propiedades del R-134a
COMPUESTO
R-134a
FÓRMULA
CF3CH2F
NOMBRE
MASA MOLAR
102,03
Tc [K]
374,2
Tc [°C]
101,05
Pc [kPa]
4059
vC
3/kg]
1,9482x10-3
0,327
Con base en la las propiedades de la tabla 2 se evaluaron los parámetros de la tabla 1 y se procedió a solucionar las ecuaciones 5 y 6 siguiendo el procedimiento descrito anteriormente. Además de las ecuaciones
SRK y PR se usó la ecuación de Rackett (ecuación 7) para calcular el volumen de líquido saturado.
(7)
Donde ZCr es calculado a partir de las propiedades en el punto crítico descritas en la tabla 2. Los datos que se usaron para corroborar la
exactitud del cálculo se encuentran en las tablas A12 y A13 del libro de
Çengel y Boles [2] (pp. 927-930). Los datos de dichas tablas fueron obtenidos con base en otra ecuación de estado [3].
7 1 y vapor saturado. La ecuación de Rackett se usa únicamente para predecir volumen de líquido saturado. Se puede ver cómo las ecuaciones
SRK y PR predicen de forma aceptable los volúmenes de vapor saturado.
La predicción mejora en la medida que el sistema se aleja del punto
crítico. Por otro lado, las predicciones de volumen de líquido satura-
5
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
% texto. La ecuación que más se aleja es la SRK, mientras que usando la
ecuación de Rackett se consigue una muy buena predicción.
Figura 1. Comparación de las predicciones de volúmenes de vapor
saturado y de líquido saturado para el R-134a para las ecuaciones PR y SRK
a) Dependencia de la temperatura reducida
6
ECUACIONES DE ESTADO CÚBICAS
b) dependencia de la presión reducida
Figura 2. Comparación de los errores relativos en las
predicciones de volúmenes de vapor saturado y de
líquido saturado para las ecuaciones PR y SRK
a) Dependencia de la temperatura reducida
7
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
b) dependencia de la presión reducida
Figura 3. Comparación de los errores relativos en las predicciones
de volúmenes de líquido saturado para las ecuaciones Rackett
4 muestra la predicción de volumen de vapor sobrecalentado
ZM\M/7^_`' / ^ w
ción de volumen de vapor sobrecalentado para una isóbara (800 kPa).
Figura 4. Comparación de las predicciones de volúmenes
de vapor sobrecalentado sobre una isoterma (363,15 K)
para el R-134a para las ecuaciones PR y SRK
8
ECUACIONES DE ESTADO CÚBICAS
Figura 5. Comparación de las predicciones de volúmenes
de vapor sobrecalentado sobre una isóbara (800 kPa)
para el R-134a para las ecuaciones PR y SRK
A continuación se muestra un pantallazo del procedimiento para reproducir los resultados anteriores usando ASPENHYSYS®.
Figura 6. Esquema de cálculo en ASPENHYSYS® para obtener las
propiedades del R-134a en la región de equilibrio líquido vapor
9
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Sobre el esquema anterior se implementa un caso de estudio para obtener los volúmenes de líquido saturado (Corriente L) y vapor saturado
(Corriente V) en función o de la Temperatura o de la presión. Sin embargo, se debe tener en cuenta que en ASPENHYSYS® se obtienen directa " /1 1  caso de estudio para la ecuación SRK.
Figura 7. Densidades másicas para el R-134a cómo líquido saturado
predichas por la ecuación SRK en el software ASPENHYSYS®
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
1.  . 7/5M ecuaciones SRK y PR de forma iterativa. Se sugiere usar la función
solver de Excel®. Elabore un diagrama detallado que muestre el algoritmo usado para la solución numérica. Discuta los errores relativos de las predicciones de cada ecuación en función de la presión
reducida y de la temperatura reducida.
2. ‚! 8 ecuaciones SRK y PR de forma iterativa. Asuma una temperatura de
10
ECUACIONES DE ESTADO CÚBICAS
350 K. Discuta los errores relativos de cada predicción en función
de la presión reducida y de la temperatura reducida.
3. ‚! ^ las ecuaciones SRK y PR de forma iterativa. Asuma una presión de
1000 K. Discuta los errores relativos de cada predicción en función
de la presión reducida y de la temperatura reducida.
4. Repita los puntos 1, 2 y 3 usando ASPENHSYS®. Siga el esquema de la
\ƒ 1 % y muestre los pantallazos de las simulaciones.
5. Consulte literatura especializada y presente una discusión resumida de la ecuación de estado cúbica PRSV (Peng-Robinson-StryjekVera).
6. Consulte literatura especializada y presente una correlación o
ecuación diferente a la de Rackett para calcular los volúmenes de
líquido saturado. Aplique los dos métodos de predicción de vo 1 w7M8 „ 1 diferencias obtenidas.
BIBLIOGRAFÍA
[1] J. Smith, H. Van Ness y M. Abott, Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química, 2007.
[2] Y. A.Çengel y M. A. Boles, Termodinámica$ Cƒ &w* /5675
[3] R. Tillner-Roth and H. D.Baehr, “An International Standard Formulation
% ( %7/7/7/5w 0 ZHFC134a) for Temperatures from 170 K to 455 K and Pressures up to 70
MPa”, Journal of Physical and Chemical Reference Data, vol. 23, n.º 5, pp.
657-729, 1994.
11
CAPÍTULO 2
Efecto de la regeneración,
el interenfriamiento y el recalentamiento
en el desempeño del ciclo Brayton
OBJETIVOS
BRAYTON 4 5 56 ASPENHYSYS®.
* 5 4 5 8 9 BRAYTON
56 ASPENHYSYS®.
INTRODUCCIÓN
El ciclo BRAYTON 7 # % ! / ) ! / ! !1 1 ! /
%$ / 1 ! / 1
ˆ ! ‰Š7‹
12
EFECTO DE LA REGENERACIÓN, EL INTERENFRIAMIENTO Y EL RECALENTAMIENTO
EN EL DESEMPEÑO DEL CICLO BRAYTON
Figura 1.)1 BRAYTON
) ) ( ! / 1 . . ! ) 10 ! 4 BRAYTON/ !C
: :+ *; <= P-v y T-s 13
5
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Figura 2.ΠP-v y T-s BRAYTON
) C
" > > 5 4 " ? ! M 1 . BRAYTON ! %& '#()*+#+#, M ! ! 1 # 8 1 . BRAYTON 4 $ „ ^1 . BRAYTON con interen% / 14
EFECTO DE LA REGENERACIÓN, EL INTERENFRIAMIENTO Y EL RECALENTAMIENTO
EN EL DESEMPEÑO DEL CICLO BRAYTON
Figura 3. Ciclo BRAYTON ! '#()*+#+#,
Figura 4. Ciclo BRAYTON ! '#()*+#+#,
15
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Figura 5. Ciclo BRAYTON % / ! '#()*+#+#,
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
 $ ! 1 BRAYTON  M66_ 7M66_ !  0 ! 4/ ! ! 766‘ ! 7 Œ ! / ! 4 $  ! ’ 3 Z“ / ^7\w^7` Š7‹ 1 % 5 ƒ 1 %& ƒ %,`
16
P-v y T-s.Z# EFECTO DE LA REGENERACIÓN, EL INTERENFRIAMIENTO Y EL RECALENTAMIENTO
EN EL DESEMPEÑO DEL CICLO BRAYTON
M # 6‘/ ! ^‘ M6”( !  7/5M ) 1 % ! 8  1 % M
^  ! M $ 6‘ ! ’ 3Z“ / ^56w^57`Š7‹ % \  1 $ % ) 1 !   ) M66_„ ! 7M66_Œ ! 4 ! 4 ! /
$ / 1 ` /!` \^
766‘ ! ’ 3Z“ / ^5Mw^5^`Š7‹ %  ƒ 1 P-v y T-s
•  Power optimization of
open-cycle regenerator gas-turbine power-plantsŠM‹
17
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
BIBLIOGRAFÍA
Š7‹+'’ –'3/Termodinámica$ Cƒ &w* /5675
Š5‹— /*# /ŒŒ3 /
engineering thermodynamics˜ /5676
3 /Fundamentals of
ŠM‹ /+ /™# /
˜/(& . % w w! &w Applied energy/78/ š5/7••w57/
5668
18
CAPÍTULO 3
Comparación de la central de ciclo
combinado “turbina de gas - ciclo de vapor”
y la “turbina de gas con inyección de vapor”
OBJETIVOS
" @ !
F 56 ASPENHYSYS®
" !
56 ASPENHYSYS®.
= 8 9 ! 8 INTRODUCCIÓN
Los ciclos de potencia combinados se basan en la unión de dos ciclos de
potencia, de forma que el calor descargado por uno de los ciclos se
utiliza parcialmente por el otro ciclo. La corriente de escape en la salida de una turbina de gas está a una temperatura relativamente alta.
% 04 / 4 . del combustible, es mediante el uso de un regenerador que permite
19
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
precalentar el aire entre el compresor y la cámara de combustión, tal
como se estudió en la segunda práctica de este curso. Otro método lo
!
1 7 2 muestra un pantallazo de simulación de una central de ciclo combinado en ASPENHYSYS®.
Figura 1. Central de ciclo combinado turbina de gas - ciclo de vapor
Figura 2. Central de ciclo combinado turbina de
gas - ciclo de vapor en ASPENHYSYS®
20
COMPARACIÓN DE LA CENTRAL DE CICLO COMBINADO “TURBINA DE GAS - CICLO
DE VAPOR” Y LA “TURBINA DE GAS CON INYECCIÓN DE VAPOR”
Por otra parte, las turbinas de gas con inyección de vapor utilizan el calor de los gases de escape de la turbina para producir vapor que se in ! M dos posibles formas de inyección del vapor. En una de ellas el vapor se
inyecta directamente en la cámara de combustión; en la otra, el vapor
! ! 4 8^ tallazos de la simulación de una central de turbina de gas con inyección
de vapor en ASPENHYSYS®.
Figura 3. Turbina de gas con expansión en dos etapas e inyección de vapor
21
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Figura 4. Central alternativa al ciclo combinado de
7 22
COMPARACIÓN DE LA CENTRAL DE CICLO COMBINADO “TURBINA DE GAS - CICLO
DE VAPOR” Y LA “TURBINA DE GAS CON INYECCIÓN DE VAPOR”
Figura 5. Central alternativa al ciclo combinado de la
7 23
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
 !
\
Figura 6. Central de ciclo combinado a representar en ASPENHYSYS®
7 Simule la central de ciclo combinado en ASPENHYSYS® y compare los
valores obtenidos en la simulación con los obtenidos por Moran y
# / •Š7‹ % !
2. ƒ 1 usar el software TermoGraf®).
P-v y T-s. (Se sugiere
M  1 ciencia térmica de la central en función de la presión de salida del
condensador.
8 Reemplace el ciclo combinado por las opciones con inyección de
1 8^
pantallazos de las simulaciones y describa el procedimiento usado
24
COMPARACIÓN DE LA CENTRAL DE CICLO COMBINADO “TURBINA DE GAS - CICLO
DE VAPOR” Y LA “TURBINA DE GAS CON INYECCIÓN DE VAPOR”
^  ! 4 04 vapor y la temperatura del vapor de forma que obtenga la máxima
$ #  ! 76š ! resultados obtenidos.
\ ) ! 8 % 1 dos opciones anteriores. Suponga que su compañía está haciendo
una propuesta para instalar uno de los dos sistemas anteriores y
1 4 1 !
personal técnico y personal administrativo.
BIBLIOGRAFÍA
Š7‹— /*# /ŒŒ3 /
3 /Fundamentals of
engineering thermodynamics˜ /5676
25
CAPÍTULO 4
Ciclos de potencia para aprovechamiento
de fuentes de calor de rechazo
OBJETIVOS
& 8 5 <= -
" ! ! < 5 <= ! ? 9 INTRODUCCIÓN
( %. 4 $ 1 4 1 .) / % ! . / 1 / / $ /) / / 4-
26
CICLOS DE POTENCIA PARA APROVECHAMIENTO DE FUENTES DE CALOR DE RECHAZO
.
4 $ 76
^6‘Š7‹
) % 1 ! . % ! . C $ / / / ! ( % / !/ 1 % ) ! / % % ' % ! . #  ” 0 ! 4' /
0 ! 4/  ” ™ / 0 ! 4
. ! $ 4 " _ / 1 4 % . / 1 . " 1
' 1 ˆ‰/ 1 1 1 ˆ" ‰/ " 1 1 $ / 1 / / !
/
1 /1 $ ' 1 ! . / " $
! / %  ”
$ ” Š5‹
( . -
27
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
! !/ . CO5) (
#™#`/
Z Œ(#`/
” Z ! ORC` _ ŠM‹
2 % . ˜ ! ŠM‹
. . % !4 $ ) 2 % % . ^666ž % .
% ! 1 ( " # SP` %  ”Z$% "" AQC` % . ! 7
Tabla 1. 04 % .ŠM‹
Temperatura de gases de chimenea (°C)
340
Temperatura de gases calientes del precalentamiento
de la harina cruda (°C)
210
Temperatura de salida de los gases de enfriamiento
del Clinker (°C)
320
Flujo másico de gases calientes del precalentamiento
de la harina cruda (kg/s)
126,56
Flujo másico de gases calientes de enfriamiento del
Clinker (kg/s)
86,2
1 7w8 ! 5w\
28
CICLOS DE POTENCIA PARA APROVECHAMIENTO DE FUENTES DE CALOR DE RECHAZO
Figura 1. Figura 2. #™#ŠM‹
Œ(#ŠM‹
29
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Figura 3. 
” ‚ CORCŠM‹
Figura 4. _ 30
ŠM‹
CICLOS DE POTENCIA PARA APROVECHAMIENTO DE FUENTES DE CALOR DE RECHAZO
Tabla 2.# ŠM‹
Temperatura ambiente (°C)
15
Presión ambiente MPa
0.10135
85
Calidad máxima a la salida de la turbina
88
Diferencia de temperatura de aproximación (°C)
70
10
Tabla 3.
#™#ŠM‹
Tabla 4.
Œ(#ŠM‹
31
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Tabla 5.
Tabla 6.
ORCŠM‹
ORCŠM‹
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
 ^66 ž .  %& '#()*+#+#,
! . ^\ 32
CICLOS DE POTENCIA PARA APROVECHAMIENTO DE FUENTES DE CALOR DE RECHAZO
Figura 5. #™#
'#()*+#+#,
Figura 6. ORC '#()*+#+#,
7M8w 0 ! 4
33
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
7 Œ ! ! 5 Œ ! % . 1  M Œ ! 1 8 # Z(// *' ` ^  1 ˜
Š5‹/4 1 \  ! !
-
&'; ('(   $ ˜ ŠM‹ !   5 ^ Œ(#/ORC_''w7M8 0 ! 4 ORC
• ( ORC
. -
76  % Š8‹
1 '33#& .
34
CICLOS DE POTENCIA PARA APROVECHAMIENTO DE FUENTES DE CALOR DE RECHAZO
BIBLIOGRAFÍA
Š7‹#Œ %) /) "' "" *" +/0* /566
Š5‹) Ÿ' /ˆ) % ” w' ‰/56"' " *9 /
46/ š8/ ^^7w^\5/566^
ŠM‹ — ˜ / + Œ /
ƒ / ˆ) . % %% & ‰/
$*5;86/ š\/ •87w•8/566•
Š8‹ Cžž&&&6^ !!ž! žž5\ %ž žMM!\5
^M\•8!•5^5^^66 M\8\ž ž'33‘56‘56‚Ÿ‘5676‘56
&‘56 %
35
CAPÍTULO 5
Comparación entre ciclos de refrigeración:
compresión de vapor vs. absorción
OBJETIVOS
" 5 56 ASPENHYSYS®
" 5 ASPENHYSYS®.
56 G
8J
!
?9 J 5 INTRODUCCIÓN
En un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, el refri 7 Z 7` saturado y se comprime de forma isentrópica hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso
de compresión isentrópica hasta un valor superior a la temperatura del
medio circundante. Después el refrigerante entra en el condensador
como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado
36
COMPARACIÓN ENTRE CICLOS DE REFRIGERACIÓN: COMPRESIÓN DE VAPOR VS. ABSORCIÓN
en el estado 3 como resultado de la transferencia de calor hacia los alrededores. La temperatura del refrigerante en ese estado se mantendrá
por encima de la temperatura de los alrededores.
)% 1 Z M` hasta la presión del evaporador al pasarlo por una válvula de expansión o un tubo capilar. La temperatura del refrigerante desciende por
debajo de la temperatura del espacio refrigerado durante este proceso.
El refrigerante entra al evaporador en el estado 4 como un vapor húmedo de baja calidad y se evapora por completo absorbiendo calor del
espacio refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor
saturado y vuelve a entrar al compresor completando el ciclo.
Un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor ideal
en varios aspectos. Entre las diferencias cabe resaltar las irreversibilidades causadas por la fricción y la transferencia de calor hacia o desde
los alrededores en puntos distintos al condensador y al evaporador.
) ! 10 1
entra al compresor sea un líquido saturado. En lugar de eso, se diseña
el sistema de modo que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en
la entrada el compresor.
Figura 1. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor
Otra opción de refrigeración con atractivo económico cuando se tiene
una fuente de energía térmica a una temperatura de 100 a 200°C es la
37
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
refrigeración por absorción Z 5` ) % $ que se ajustan a ese requerimiento se pueden citar la energía solar y
el calor de rechazo provenientes de procesos industriales. Este tipo de
ciclos implican la absorción de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema amoniaco-agua (NH3-H2O`/ NH3 sirve como refrigerante
y el H2O es el medio de transporte. Otros sistemas de refrigeración por
absorción son H2O-LiBrZ w! `H2O-LiCl (agua-cloruro
`/ 1 % " temas están limitados a temperaturas mínimas por encima de la temperatura de congelación del agua.
Figura 2. Ciclo básico de refrigeración por absorción
5 1 % ! lar al ciclo de refrigeración por compresión de vapor, excepto que el
compresor se ha substituido por un sistema absorbedor-bomba-válvu-
38
COMPARACIÓN ENTRE CICLOS DE REFRIGERACIÓN: COMPRESIÓN DE VAPOR VS. ABSORCIÓN
la-generador. Una vez que la presión del NH3 es elevada por los componentes absorbedor-bomba-válvula-generador, se enfría y se condensa liberando calor hacia los alrededores. Luego se estrangula hasta la
presión del evaporador y absorbe calor del espacio refrigerado cuando
0 % M8 . refrigeración por compresión de vapor y por absorción en el software
ASPENHYSYS®) % Z M` para una de las condiciones de la práctica.
Figura 3. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor
representado en el software ASPENHYSYS®
39
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Figura 4. Ciclo de refrigeración por absorción
representado en el software ASPENHYSYS®
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
Considere un cuarto de refrigeración que se debe mantener a 8°C y del
que se requieren retirar 80 kJ/m3 % 7M8 0 de trabajo calcule la demanda de trabajo de compresión por metro cúbico de espacio refrigerado para un ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Tenga en cuenta que el vapor de entrada al compresor
debe tener al menos 3 grados de sobrecalentamiento y una diferencia
de 7°C con la temperatura del cuarto frío. El condensador entrega líquido saturado a 40°C.
40
COMPARACIÓN ENTRE CICLOS DE REFRIGERACIÓN: COMPRESIÓN DE VAPOR VS. ABSORCIÓN
1. Simule el ciclo de refrigeración por compresión de vapor en ASPENHYSYS®
2. ƒ 1 P-v y T-s. (Se sugiere usar el
%& ƒ %,„ ) `
3. Realice un caso de estudio en el que muestre la variación del traba4 04 % % 2
del cuarto frio para volúmenes desde 50 m3 hasta volúmenes de
500 m3.
4. Considere un ciclo de refrigeración por absorción que suplirá la
demanda de refrigeración del caso anterior. Represente el ciclo de
refrigeración por absorción en ASPENHYSYS® con la ayuda de la in% 8^
Fuente: Ashrae Handbook Fundamentals 2013 [2].
Figura 5. Ciclo de refrigeración por absorción
41
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Tabla 1. Datos de apoyo para la simulación del
ciclo de refrigeración por absorción
Fuente: Ashrae Handbook Fundamentals 2013 [2].
5. Muestre la variación del trabajo de la bomba, del calor de genera / ! 04 evaporador en función del tamaño del cuarto frío para volúmenes
desde 10 hasta 300 m3.
6. Elabore un ensayo de no menos de una página en el que compare
los ciclos de refrigeración estudiados y explique las ventajas y las
desventajas de implementar la refrigeración por absorción en la
Costa Caribe colombiana.
42
COMPARACIÓN ENTRE CICLOS DE REFRIGERACIÓN: COMPRESIÓN DE VAPOR VS. ABSORCIÓN
BIBLIOGRAFÍA
[1] M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Boettner, and M. Bailey, Fundamentals of
engineering thermodynamics. Wiley, 2010.
[2] Ashrae Standard Committee, Ashrae Handbook Fundamentals 2013.
43
CAPÍTULO 6
Análisis de sistemas reactivos: combustión
OBJETIVOS
0
ASPENHSYSYS®.
+ G INTRODUCCIÓN
Los materiales que pueden quemarse para obtener energía térmica reciben el nombre de combustibles. Los combustibles más conocidos son
los denominados “hidrocarburos”, constituidos por hidrógeno y carbono, y se denotan por la fórmula general CnHm. Como ejemplo de este
tipo de combustibles se pueden citar la gasolina, el gas propano y el
gas natural. Otros combustibles, como el carbón y la biomasa, también
contienen oxígeno, nitrógeno y azufre en su estructura.
Durante un proceso de combustión los componentes que existen antes
de la reacción se denominan “reactivos” y los componentes que existen después de la reacción se denominan “productos”. Considere la
combustión completa de un mol de metano para producir dióxido de
carbono y agua:
44
ANÁLISIS DE SISTEMAS REACTIVOS: COMBUSTIÓN
. ! ! bustión. La temperatura del combustible debe estar por encima de su
punto de ignición para iniciar la combustión. La temperatura mínima
de ignición en aire atmosférico para gasolina es de 260° C y del metano es 630°C. Además, las proporciones del combustible y del aire
deben estar en un nivel adecuado para que comience la combustión.
Por ejemplo, el gas natural no se quemará en el aire en concentraciones
menores a 5 % o mayores a 15 % aproximadamente [1].
. % ! ! ž cia de oxígeno pueden causar combustión incompleta. A diferencia de
la combustión completa, en la que los productos son H2O y CO2, la combustión incompleta implica que la corriente de producto contendrá combustible, CO y H2. La cantidad mínima de oxígeno para la combustión
completa de un combustible se conoce como “oxígeno estequiométrico
o teórico”. En los procesos de combustión reales se emplea un exceso
! temperatura de la cámara de combustión.
7 % ž! !!
la temperatura de los gases de combustión asumiendo que la cámara
funciona de forma adiabática. Aunque tal condición de operación está
4 / 7 . dos aspectos importantes. Como fuente de oxígeno se usó aire atmosférico y se analizaron tres escenarios con conversiones de 80, 90 y 100 %
del metano. En primer lugar, el máximo de temperatura corresponde a
la conversión de 100 % y la relación oxígeno/combustible estequiométrica. Si se disminuye la conversión, la temperatura máxima también
disminuye. A partir del máximo la temperatura del sistema comienza
a disminuir, ya que no hay más liberación de energía térmica, pero se
incrementa el gasto de la misma para llevar los reactivos que no reaccionaron y los productos hasta la temperatura de salida.
45
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Figura 1. Efecto de la relación oxígeno/combustible sobre
la temperatura de los gases de combustión con diferentes
conversiones y asumiendo operación adiabática
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
Considere una central de ciclo combinado tal como la de la práctica
2. Asuma que el combustible es un gas natural con la siguiente composición en porcentaje molar: metano: 98 %; nitrógeno: 1 %; dióxido
! C6/5‘„ C6/‘/ C6/7‘04 combustible 100 kgmol/hr y asuma que las pérdidas por convección y
radiación en el horno ascienden a 300 kW. La presión de entrada a la
cámara de combustión de 808 kPa y la temperatura de la mezcla aire
combustibles es de 630°C. Los gases de combustión se expulsan a la
atmósfera a una temperatura de 320°C. Para el ciclo Rankine tome agua
0 ! 4 w
ca 3.
46
ANÁLISIS DE SISTEMAS REACTIVOS: COMBUSTIÓN
Figura 2. Central de ciclo combinado a gas
natural representada en ASPENHYSYS®
1. Represente la central de ciclo combinado en ASPENHYSYS®. Tome
una relación oxígeno/metano de 9,9. Estudie el impacto del preca ! 2. Calcule el trabajo de las turbinas de gas y la relación entre el trabajo
neto y el trabajo total en las turbinas de gas.
3. Calcule el trabajo del ciclo Rankine, el trabajo neto de la central y el
aporte neto realizado por las turbinas de gas y la turbina de vapor.
4. Estudie el efecto de la conversión del combustible sobre los parámetros de los puntos 2 y 3 en el intervalo 85 % - 100 %.
47
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
5. Simule la situación en la que el 25 % del trabajo del ciclo Rankine se
usa para mover un ciclo de refrigeración por compresión de vapor
7M8 0 ! 4 rador de -5°C. Tome los demás datos del ciclo de acuerdo con su
— 1 el calor retirado en toneladas de refrigeración.
6. Œ %  una tabla con al menos 6 tipos de combustibles con los respectivos
% % % ción.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Y. A. Çengel and M. Boles, Termodinámica. México: McGraw-Hill, 2012.
48
CAPÍTULO 7
Simulación de una caldera recuperadora
OBJETIVOS
" ASPENHYSYS ; * 5 ; 8 INTRODUCCIÓN
El ciclo combinado se puede dividir en dos grandes componentes: el
ciclo de turbina de gas o ciclo BRYTON y el ciclo de potencia de vapor
o ciclo Rankine. Los componentes principales del ciclo de turbina de
gas son el compresor, el quemador y la turbina de combustión. Los
gases calientes que salen de la turbina de combustión son la fuente de
energía térmica del ciclo de vapor. El vapor se genera en una caldera
recuperadora (CR) para luego generar potencia en la turbina de vapor.
Esta práctica se enfocará en la CR que ya fue simulada en prácticas anteriores como un único intercambiador de calor.
La CR es un intercambiador de calor compuesto por una serie de precalentadores o economizadores, evaporadores y sobrecalentadores. Su
49
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
función en el ciclo combinado es transferir calor sensible desde la corriente de gases que sale de la turbina de gas hacia la corriente de agua
del ciclo Rankine. La corriente de vapor puede ser usada como servicio
de proceso o para la generación de potencia eléctrica. El modelamiento, la simulación y el análisis de la CR han sido tratados en la literatura
[1-2].
Se va a considerar una turbina de gas con una salida de trabajo neto
de 34 MW. Se toma aire atmosférico y gas natural (Asuma CH4 100 %).
Los gases calientes que salen de la turbina alimentan una caldera de
recuperación que requiere una temperatura de entrada de 670°C. Si la
temperatura a la salida de la turbina de gas es inferior a 670°C, se debe
implementar un quemador suplementario. Un diagrama de proceso
7
Figura 1. Turbina de gas con quemador suplementario
ciones:
7! ! 4 -
£ Aire atmosférico a 30°C y 100 kPa
50
SIMULACIÓN DE UNA CALDERA RECUPERADORA
£ Relación de presión: 10
£ ) ! C6‘
£ T de entrada a la Turbina: 1066°C
£ ) ! C•6‘
£  1 7‘ % combustible
Los gases calientes de la corriente 7 alimentan la caldera recuperadora
/ 5
Figura 2. Caldera de recuperación de calor
) 5 ! LNG-100, 101, 102 y 103 corresponden a sobrecalentador I, sobrecalentador II, evaporador y economizador, respectivamente. Se obtiene vapor sobrecalentado en las condiciones de la corriente 25.
51
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
1. Simule en ASPENHYSYS la turbina de gas y la caldera de recupera 75Π! w
cedimiento usado para alcanzar la convergencia. Asegúrese de
! 76 56š Œ / 1 temperatura de salida del quemador para cumplir con la condición
anterior.
2. Reporte las variables T, P, Flujo másico y calidad (cuando aplique)
75
3.  $ ! $w
) 1 ! 4. ƒ 1 M' w
C75¤^š7¤^š
Figura 3.' 52
SIMULACIÓN DE UNA CALDERA RECUPERADORA
5. Simule en un caso de estudio consolidado en el que muestre la turbina de gas y la caldera recuperadora dentro de un ciclo Rankine.
. $ !
) 1 4 $ $ 6. Resuma la información técnica de dos catálogos de calderas recuperadoras ofrecidas en el mercado.
BIBLIOGRAFÍA
Š7‹ /™—Œ ./+Œ ./+ ./
'
./ˆ# de una caldera de recuperación de calor usando el software HYSYS®”,
Tecnología química, vol. 28/ š7/ ^8w\8/566
Š5‹#ƒƒ /Ÿ.1.w ' .w /ˆ# Plantas de Cogeneración de Ciclo Combinado usando ASPEN”, Información tecnológica, vol. 16/ š7/ 85w8•/566^
53
CAPÍTULO 8
Procesos de acondicionamiento de aire
OBJETIVOS
ASPENHYSYS®.
< -
" 4 5 4< 8 2 < 8 ASPENHYSYS®.
INTRODUCCIÓN
Los procesos de acondicionamiento de aire / % / Z ` Z ` 1 Π% !! # ! / / ! 1 54
PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
/ # $ ! 4 1 / ! ) 1 ! # # % 1
. ' 4 78w^ Z ^7` % Š7‹ ) / 76šM6‘ 5^š \6 ‘ ) 55š $ ' 1 766”( /
C7` 5`04 11 ! 7 767/M”(  ! 4 %$ / '#()*+#+#,% % $ % Z 7`
Tabla 1. $ 767/M”( CONDICIÓN
ENTRADA
SALIDA
T de bulbo seco°C
10
25
T de bulbo húmedo°C
3,5
19,46
Humedad relativa %
30
60
0,00228
0,0120
0,805
0,861
-6,02
16,7
Humedad absoluta kg/kg AS
3
/kg
Temperatura de rocío°C
55
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Figura 1. %& '#()*+#+#, 7 '#()*+#+#, 1 4 % ! ) ! ! ! 4 6/665M6)
6/6755
 % en '#()*+#+#, 5 04 Figura 2.# '#()*+#+#,
56
PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
Œ 5 ! 1 % ! \\•/\”—ž 104 6/^8M”ž ! 7‘
' 4 78w\Z ^M` % Š7‹) / ! 7 /M6š6‘ 76Mž ) 78š 1 ! $ 78š# ! / '#()*+#+#,/ 6657/ 1 6/66• M .
'#()*+#+#,) / ! 5‘
Figura 3.# % '#()*+#+#,
57
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
7 # '#()*+#+#, . 5M ! Š7‹
5 # '#()*+#+#, 4 ! C78w\/78w)/78w/78w7)/78w5/78w^/78w\/78w•578w
•M
. 4 M )4 4 $ 76
56‘ %$ 8 ) ! 87\ '#*')
!
BIBLIOGRAFÍA
Š7‹+'’ '3/Termodinámica$ Cƒ &w* /5675
58
CAPÍTULO 9
Análisis de una torre de enfriamiento
OBJETIVOS
" 5 56 ASPENHYSYS®.
5 J G 5 INTRODUCCIÓN
Las centrales eléctricas, los grandes sistemas de acondicionamiento de
aire y algunas industrias generan grandes cantidades de calor de desecho. El calor de desecho se pude transferir a la atmósfera circundante usando agua líquida como vector para la transferencia de energía.
Como el suministro de agua es limitado y la normatividad ambiental
penaliza la contaminación térmica de las fuentes, se debe implementar
su recirculación. El equipo principal que se usa en esta operación se
conoce como torre de enfriamiento [1].
Una torre de enfriamiento es, en esencia, un enfriador evaporativo (ver
7`) % 59
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
El agua caliente del proveniente del proceso se bombea hacia la parte
!04 )!4 . % w 
! 4 0 / % Z 6/5‘` % tante. La temperatura y el contenido de humedad del aire aumentan
durante este proceso. El agua enfriada se acumula en el fondo de la
torre y se bombea de nuevo al intercambiador para absorber calor del
proceso. Se debe reponer el agua perdida por evaporación para mante 04 Š7‹
La circulación del aire en la torre de enfriamiento la proporciona un
ventilador, por lo que se denomina “torre de tiro forzado”. Otro tipo
de torre de enfriamiento es la de tiro natural, que funciona como una
chimenea. El aire con alto contenido de vapor asciende por diferencia
04 % tope de la torre.
Figura 1. Torre de enfriamiento a contracorriente y de tiro inducido
51 . % %ware ASPENHYSYS®. Una corriente de agua caliente proveniente del pro60
ANÁLISIS DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO
ceso (AC` %$ Z' 7`) % ZAgF`. reposición (MAKEUP` ) 5 4 78w•Z ^` % Š7‹Œ $ % M^š 04
766”ž) % 55š 1 torre a 1 atm, 20°C, con 60 % de humedad relativa. Se pide determinar
04$ % 04 04 ! •\/•7/6”ž
Figura 2. Torre de enfriamiento representada en ASPENHYSYS®
M % ! !04 aire necesario para garantizar una temperatura de 30°C para un caudal
4 1 1 86š) 1% to de la torre es dependiente de las condiciones ambientales, especialmente de la humedad relativa.
61
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Figura 3.)% ! !04
de aire necesario para garantizar una temperatura de
M6š 4 1 86š
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
Considere una central de potencia a gas que recibe un MW térmico. La
presión y la temperatura a la entrada de la turbina son de 1 MPa y
100°C, respectivamente. La central usa aire de la atmósfera y la presión
M7”( % !
agua líquida a 40°C, la cual después de contacto con aire atmosférico
sale a 30°C. El aire de la atmósfera se encuentra a una temperatura de
bulbo seco de 30°C y una humedad relativa de 70 %.
1. Represente la central de potencia a gas en el software ASPENHYSYS®.
2. Ubique los estados de la corrientes de la central de potencia en diagramas P-V, T-H y H-S usando TermoGraph®.
62
ANÁLISIS DE UNA TORRE DE ENFRIAMIENTO
3. Calcule el agua de enfriamiento necesaria para cumplir los requerimientos del interenfriamiento si la temperatura de entrada del aire
al segundo compresor es de 35°C.
4. # % 04 04 agua de reposición.
5.  1 0 Z \6•^‘`!04 /
% ! 4
neto de la central.
6. Busque dos brochure de torres de enfriamiento ofrecidas en el mercado. Muestre los esquemas de las torres de enfriamiento y las condiciones de operación de las mismas.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Y. A. Çengel and M. A. Boles, Termodinámica$ Cƒ &w* /5675
Š5‹— /*# /ŒŒ3 /
3 /Fundamentals of
engineering thermodynamics. Wiley. com., 2010.
63
CAPÍTULO 10
Caída de presión en tuberías en
el transporte de gases y de líquidos
OBJETIVOS
J ?G ?
56 ASPENHYSYS®.
+ = ? 4 ? 56 ASPENHYSYS®.
RESUMEN TEÓRICO
)04 1 ! " % / % / ! )0 !!  % /1 $
!! ! ! % /
0 / . 04
!! . 0 Š7‹
64
CAÍDA DE PRESIÓN EN TUBERÍAS EN EL TRANSPORTE DE GASES Y DE LÍQUIDOS
041 ! „ . % ! %. # ! /04! 4 0 /
2 ) 2 ! 1 Z !”` ! C
) ? ? ?8 ) = J ? ? ?8
) ? ? ? ?8
Problema tipo 1C# \6š™10 ! . 5 / !/ . 6/5%MžŒ / $
!! 04 ! 566% ) ! % Š7‹4 wMZ M\6` !! %& '#()*+#+#, 7/6”( 6/8^•”˜Z 7` ! 7/7”( 6/8\7 ”˜/ ! % 1 % ! 76 65
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Fuente: ! Figura 1.Π! %& '#()*+#+#,
Problema tipo 2C# ! 0 7 M^š 7^6 . 6/M^Mž
# $
! ! 56/ ) ! % Š7‹4 w8Z M\7M\5`) / ! ! % !
5) '#()*+#+#,
M ! 6/55^”( /
1 5! 5\\ ! 5\
/ ! %& 66
CAÍDA DE PRESIÓN EN TUBERÍAS EN EL TRANSPORTE DE GASES Y DE LÍQUIDOS
Figura 2.' ! 1 ! 5 % Figura 3.Π! ! %& '#()*+#+#,
67
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Problema tipo 3C ' / 1 # $
! / $ ) ! % Š7‹4 w^Z M\5M\M`) / ! adjust,1 4 04 Z 8`
) ! $ ! ! ! !
'#()*+#+#, 6/58Mž/1
! Figura 4.Π. 04
! 68
CAÍDA DE PRESIÓN EN TUBERÍAS EN EL TRANSPORTE DE GASES Y DE LÍQUIDOS
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
%& '#()*+#+#, ' !
C
7 4 !!! 6š™ 1 ! 75^% ^ !
•6š \
%ž ! 04 4 % ! 1
75 % ( . 04 7/^ %Mž !! w 6 ‘ $ !! wZ(
w•6`
5 % % 7^ ! 56 $
) 0 M
ž 7^š( \5‘ % Z w7M8`
M ‚Œ¥
8 31 M!! M ! ' 4 / % 1 ! BIBLIOGRAFÍA
Š7‹+'’ /— ! /
#™#” /9> * *" ?* " " /5“ ƒ &w* /566\
69
CAPÍTULO 11
Licuefacción de gases: separación
de oxígeno del aire
OBJETIVOS
ASPENHYSYS®.
CLAUDE
9 LINDE # ?G ;? = 9 INTRODUCCIÓN
La separación de gases por medio de licuefacción implica el enfriamiento de la mezcla de gases por debajo de la temperatura de rocío. En
el caso del aire, la mezcla de nitrógeno, oxígeno y argón se comprime
hasta una presión elevada (relaciones de presión cercanas del orden de
200) y luego se pasa por un intercambiador de calor para llevar la mezcla a temperaturas cercanas a la ambiente. Posteriormente, la mezcla se
expande en una válvula de estrangulación hasta presiones cercanas a
la presión ambiente y se obtiene una mezcla sólido-vapor que puede
ser separada por destilación.
70
LICUEFACCIÓN DE GASES: SEPARACIÓN DE OXÍGENO DEL AIRE
La corriente de fondo estará enriquecida en oxígeno y la corriente de
tope en nitrógeno. Ambas corrientes se pueden tomar como produc / ! / en contacto térmico con la corriente de aire a alta presión y alta temperatura que sale de la etapa de compresión. Finalmente, parte de la
corriente rica en nitrógeno se puede recircular mezclándola con el aire
fresco.
El objetivo de esta práctica es obtener una corriente líquida de oxígeno
al 99 % molar a partir de aire ambiente siguiendo el esquema descrito
anteriormente. La tabla 1 muestra las condiciones y composición del
! / 1 7 04
propuesto.
Tabla 1. Condiciones y composición molar del aire
Presión (P)
101,3 kPa
Temperatura (T)
300 K
Nitrógeno (N2)
78,10%
Oxígeno (O2)
20,95%
Argón (Ar)
0,92%
Dióxido de carbono (CO2)
0,03%
Fuente: Elaboración propia.
Figura 1.Œ 04 la separación de oxígeno del aire
71
"#$%&'()*+"#")**",%)&#)*,*.#)&(/.&+%"+()#+"0*(12"2"3
Un punto muy importante en la simulación es la representación de la
relación Presión-Volumen-Temperatura-Composición para el aire. A
diferencia de las aplicaciones en turbinas de gas, en las que el aire se
asume como pseudo sustancia pura, la licuefacción requiere de una
adecuada representación de las propiedades de la mezcla en la región
de equilibrio líquido vapor. Para ampliar este punto se sugiere al estudiante revisar la primera referencia de la bibliografía [1].
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
1. Resuma en no menos de una página los resultados presentados por
la referencia [1]. Haga especial énfasis en las presiones y temperaturas de rocío y de burbuja.
04 7
2. Represente en ASPENHYSYS® 1 75 04 6 alimentación (corriente 1) de aire de 1 kgh-1 bajo las condiciones
descritas en la tabla 1 y use la ecuación PR (Peng Robinson) como
1 0 5^6 temperatura de 320 K a la salida del intercambiador de calor E-100.
Examine la composición de la corriente 7 y explore las condiciones
de separación para ver la máxima pureza de oxígeno.
3. Repita el procedimiento anterior asumiendo que la corriente 12 se
8^‘ 76ƒ 1  % 04
másico de la corriente 12 y explique los resultados obtenidos.
4.  1 % 7 sumo de energía.
^ Π!4 04 LINDE
y de CLAUDE. Si el último número de su código es par, represente
el proceso de LINDE en ASPENHYSYS®; de lo contrario represente el
proceso de CLAUDE [2, 3].
6. Para el proceso que haya representado haga un reporte detallado
de corrientes de masa y energía, así como de los productos obtenidos.
72
LICUEFACCIÓN DE GASES: SEPARACIÓN DE OXÍGENO DEL AIRE
BIBLIOGRAFÍA
[1] E. W. Lemmon, R. T. Jacobsen, S. G. Penoncello, and D. G. Friend, “Thermodynamic properties of air and mixtures of nitrogen, argon, and oxygen
from 60 to 2000 K at pressures to 2000 MPa”, Journal of physical and chemical reference data, vol. 29/ šM/ MM7wM^/5666
Š5‹ Cžž ” ž587ž7ž76^6M6M
[3]
%
http://www.che.cemr.wvu.edu/publications/projects/large_proj/air.
pdf
73
GLOSARIO
Absorbedor: Dispositivo que contiene un líquido para extraer o absorber el
vapor de agua u otros vapores, enfriando en el proceso el agua restante.
Absorción: Operación unitaria que consiste en la separación de uno o más
componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido con el cual forma solución.
AdiabáticoC( Z 0 1 . un trabajo) no intercambia calor con su entorno.
ASPENHYSYS®: Software de simulación de procesos usado por compañías
/ 1 1 general para optimizar operaciones y diseños.
Biomasa: Material no fósil de origen biológico.
BombaCŒ . 0 Caldera: Es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar
vapor.
Ciclo: Proceso experimentado por un sistema que regresa al estado inicial, es
/ Clinker: Producto del horno que se muele para fabricar cemento.
74
GLOSARIO
CondensadorC) ! 0 / 1 tras uno de ellos se enfría, pasando de estado gaseoso a estado líquido,
el otro se calienta.
Combustión: Es una reacción química de oxidación, en la cual generalmente
se desprende una gran cantidad de energía, en forma de calor y luz,
manifestándose visualmente como fuego.
CompresorC) 1 0 1 . 0 ˆ !‰/ como lo son los gases y los vapores.
Entalpía: Es una magnitud termodinámica, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico.
Entropía: Es una magnitud física que mediante cálculo permite determinar la
parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo
Evaporador: Intercambiador de calor donde se produce la transferencia de
$ % 0 % rante que circula en el interior del dispositivo.
Eyector: Aparato que produce una depresión en un recinto para extraer un
0 „ %" 0 / )
se basa en el efecto Venturi.
Gas natural: Mezcla de gases (principalmente metano) y componentes ligeros
que se encuentra en yacimientos de petróleo, disuelto o asociado con el
petróleo o en depósitos de carbón.
Hidrocarburo: Compuesto orgánico formado únicamente por átomos de carbono e hidrógeno. La estructura molecular consiste en un armazón de
átomos de carbono a los que se unen los átomos de hidrógeno.
IgniciónC‚
1 como para sostener la reacción química.
75
SOLUCIÓN DE CASOS DE ESTUDIO DE TERMODINÁMICA USANDO ASPENHYSYS®
Intercambiador: Es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos
medios, que estén separados por una barrera o se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de calefacción, refrigeración,
acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico
Isentrópico: Es un proceso adiabático que es además reversible.
Kiln: Un kiln es una cámara térmicamente aislada o un horno en el cual se
produce un régimen de control de temperatura.
Refrigeración: Proceso que consiste en bajar o mantener la temperatura de un
cuerpo o un espacio por debajo de la temperatura de los alrededores.
Regeneración: Es un proceso para transferir calor entre dos medios, con objetivo de recuperar calor de los gases calientes de escape y suministrárselo a los gases fríos de entrada.
: Rama de la mecánica de medios continuos que estudia el mo 0 Z 1 ` %. 1 TERMOGRAF®: Software de ejercicios termodinámicos con cálculo de va-
riables, tablas, diagramas, procesos, ciclos, rendimientos, balances de
energía y entropía.
Torre de enfriamiento: Estructuras para la temperatura del agua de refrige .
/ / petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones industriales.
Turbina: Es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbomáquinas
) 1 0 / $ 0 % $ dete con paletas o álabes.
Turbomáquinas: Es una máquina cuyo elemento principal es un rodete (rotor
` $ 0 % / ! do este su cantidad de movimiento por acción de la máquina.
76
ANEXOS
Entregables
COMPONENTES
DEL INFORME Y
ESPECIFICACIONES
CARACTERÍSTICAS DE
INFORMES EXITOSOS
PRINCIPALES
DEBILIDADES A EVITAR
Resumen/Abstract
Incluye versión en inglés y
versión en español
Cumple con el límite de
palabras
Omite los hallazgos más
importantes
Contiene entre 150 y 250
palabras
Contiene información espe
Hace referencia a los objetivos principales de la
práctica
Usa adecuadamente los
signos de puntuación
Usa lenguaje impreciso
Presenta traducciones automáticas
Describe brevemente los
métodos y materiales empleados
Resume los resultados más
importantes
Incluye la conclusión más
importante
Continúa…
77
SOLUCIÓN DE CASOS DE ESTUDIO DE TERMODINÁMICA USANDO ASPENHYSYS®
COMPONENTES
DEL INFORME Y
ESPECIFICACIONES
Introducción
Lista los objetivos del estudio
! " sobre el caso de estudio y la
teoría en la que está basado
Referencia bibliografía especializada
CARACTERÍSTICAS DE
INFORMES EXITOSOS
Comprende entre 1 y 2
páginas
Permite al lector tener una
idea clara de la práctica
PRINCIPALES
DEBILIDADES A EVITAR
# problema y la relevancia del
tema de la práctica
No cita bibliografía
Muestra el fundamento
teórico completo
Materiales y métodos
Muestra un esquema de los
equipos (mostrando componentes) usados
$ pleados y sus propiedades
más relevantes
Lista los procedimientos en
orden
! para que uno de sus compañeros reproduzca los
resultados
Incluye detalles innecesarios y es redundante
No usa listas o diagramas
para dar más claridad
Provee más detalle si los
métodos son novedosos o
no familiares
$ métodos comúnmente aceptados
Resultados
Presenta los resultados
experimentales y analíticos
& ' * presentar resultados
No incluye todos los resultados
Presenta resultados en lenguaje claro y tiempo pasado
# !
No usa unidades
No incluye discusión de los
resultados
No usa estadística descriptiva
Continúa…
78
ANEXOS
COMPONENTES
DEL INFORME Y
ESPECIFICACIONES
CARACTERÍSTICAS DE
INFORMES EXITOSOS
PRINCIPALES
DEBILIDADES A EVITAR
Discusión
Interpreta los resultados de
acuerdo con lo esperado y
con el fundamento teórico
Compara los resultados
obtenidos con resultados de
la literatura
La discusión es exagerada
en relación con los resultados obtenidos
$ ! ' " tados
Concluye acerca de la consecución de los objetivos
planteados
No da explicaciones ingenieriles sobre fallas en la
consecución de los resultados
No interpreta adecuada errores experimentales
Comenta las anormalidades
ocurridas que pudieron
afectar los resultados
$ ' " dos inusuales o sorprendentes
Conclusiones y recomendaciones
Lista las conclusiones alcanzadas como resultado del
experimento
Lista las conclusiones y
recomendaciones en orden
de importancia
Ofrece conclusiones o recomendaciones no relacionadas con el experimento
quier limitación, suposición
o violación de suposición
que afecte los resultados
Enlaza las conclusiones con
el resto del informe
No alerta al lector sobre
limitaciones e incertezas
que pueden afectar los
resultados
Alerta al lector sobre limitaciones e incertezas que
afectan los resultados
Anexos
Provee tablas de datos y
cálculos detallados que pueden interesar1 al lector que
va a replicar el experimento
Presenta un informe lógico
y entendible sin tener que
recurrir a los anexos
$ nes del reporte qué tipo de
información contienen los
anexos
79
No referencia los anexos en
el resto del informe
Presenta datos desorganizados y sin unidades
SOLUCIÓN DE CASOS DE ESTUDIO DE TERMODINÁMICA USANDO ASPENHYSYS®
ESQUEMA DEL INFORME
(letra Arial 12, espaciado 1,5)
Número de la práctica
Título de la práctica
Nombre de los integrantes del grupo
Departamento, Universidad
Fecha
Resumen en inglés
Resumen en español
1. Introducción
2. Materiales y métodos
3. Resultados
4. Discusión
5. Conclusiones y recomendaciones
6. Bibliografía
Anexos
80