Caracterización del gas de síntesis de una planta piloto a alta presión.

Caracterización del gas de síntesis de una
planta piloto a alta presión.
Autor
Elver Manuel Gutiérrez B.
Director
Carlos A. Londoño Giraldo Trabajo de Grado
Ingeniería Química
Facultad de Minas
Universidad Nacional de Colombia
Sede Medellín
2009 – I RESUMEN
Este informe tiene como fin presentar el diseño de un sistema de muestreo y la escogencia de
de los equipos requeridos para el análisis de gas de síntesis de gases condensables y no
condensables. Específicamente mostrar los modelos y el diseño de la línea en caliente con el
objetivo de analizar los gases no condensables y una línea a baja temperatura para el análisis
de los condensables.
Las líneas de toma de muestreo son ampliamente utilizadas en diferentes industrias,
principalmente en la energética y son de gran importancia debido a que de éstas depende la
eficiencia de la caracterización posterior de los gases.
El gas de síntesis es el producto más importante de los procesos de gasificación y es
aprovechado para generar distintos tipos de energía. Se debe advertir que la calidad de éste
gas sea la apropiada y para esto se realiza entonces la caracterización del gas de síntesis que
consiste en determinar la composición de la mezcla de gases que contiene éste en distintos
puntos del proceso de gasificación.
El principal problema del proceso de caracterización, es mantener la composición del gas de
síntesis en las mismas proporciones de las que es evacuado del gasificador hasta llegar a los
diferentes analizadores, además que se debe conducir la temperatura y la presión de tal forma
que se acomoden a los requerimientos de los equipos de análisis. También se tienen las
pérdidas de muestra por condensación mientras se transporta el gas de una etapa a otra, lo cual
exige un estudio riguroso sobre las propiedades de los diferentes gases que componen el gas
de síntesis y los límites de los analizadores. Así como las pérdidas de calor durante el proceso.
1
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos al profesor Carlos A. Londoño Giraldo por el continuo respaldo contando
con parte de su equipo de apoyo en su grupo de investigación.
2
TABLA DE CONTENIDO
Página
RESUMEN
1
AGRADECIMIENTOS
2
TABLA DE CONTENIDO
3
1. INTRODUCCION
4
2. NOTACION PARA EL INFORME
5
3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
7
3.1 Conceptos básicos
7
3.2 Conceptos específicos
7
4. METODOLOGIA ANALÍTICA
4.1 Materiales y equipos
10
10
4.1.1 Tubería de Conducción
10
4.1.2 Filtro
10
4.1.3 Válvula en Tunerías
10
4.1.4 Resistencias Térmicas
10
4.1.5 Aislantes
10
4.1.6 SEDI
12
4.1.7 Detectores
13
4.2 Modelos y diseños
15
4.2.1 Modelos para las Pérdidas de Calor
15
4.2.2 Desarrollo de Cálculos
16
4.2.2.1 Primera Suposición
16
4.2.2.2 Segunda Suposición
21
5. RESULTADOS Y DISCUSION
25
5.1 Resultados
25
5.2 Discusión
26
6. CONCLUSIONES
27
7. RECOMENDACIONES
28
8. REFERENCIAS
29
ANEXO A. Ecuaciones para las Pérdidas de Calor
30
ANEXO B. Código de Modelos de Cálculos
32
ANEXO C. Esquema para los Equipos
47
ANEXO D. Clases de alquitranes
51
3
1. INTRODUCCIÓN
El gas de síntesis, es el producto típico de los procesos de gasificación, el cual se puede
aprovechar como recurso energético en la producción de energía eléctrica, mecánica, entre
otras. Es necesario realizar un estudio de la calidad de dicho gas, ya que de esta variable
depende en gran proporción la eficiencia de la transformación energética en dicho caso. Para
tal fin, se lleva a cabo la caracterización del gas, y así determinar que clase de contaminantes
contiene el mismo, y definir que alternativas tomar, no sólo para aumentar la eficiencia del
proceso, si no también, para cumplir con requerimientos de índole ambiental.
No siempre los equipos más sofisticados destinados a realizar la caracterización de este tipo
de gases son los más apropiados, por lo cual es necesario realizar un estudio riguroso de las
condiciones a las que es posible obtener el producto sin tener pérdidas por condensación, y
balancear éstas con los requerimientos de los equipos utilizados para el análisis, escogidos
previamente por restricciones tanto económicas como prácticas.
En la producción del gas de síntesis, generalmente se produce “char” y cenizas, que dificultan
el proceso de caracterización del gas, por lo tanto es importante incluir pasos en el proceso
que adelanten la remoción de éstos tipos de residuo.
Dentro del proceso de caracterización del gas de síntesis, cabe resaltar que la toma de
muestras se debe realizar en el menor intervalo de tiempo posible, ya que se corre el riesgo de
que ocurra la condensación de algunos de los componentes del gas y afectar el proceso.
Con éste informe se pretende entonces estudiar las alternativas necesarias para que el gas de
síntesis pueda mantenerse a unas condiciones de temperatura y presión adecuadas, tanto para
que no ocurran pérdidas en la muestra, como para que los equipos de análisis escogidos
puedan realizar satisfactoriamente su labor. Esto se piensa llevar a cabo con el diseño de
líneas de muestreo, que extraerán gas de síntesis de diferentes puntos del proceso, con un
adecuado diseño de las líneas de toma de muestra evitaría posibles condensaciones de gases
que componen el gas de síntesis y daños en los equipos que complementan esta tarea (filtros
internos y analizadores). Además, se seleccionarán los equipos complementarios que
conforman junto con líneas de muestreo, el sistema de caracterización del gas de síntesis.
4
2. NOTACIÓN PARA EL INFORME
∆Tml
Diferencia media logarítmica de temperatura, K
A1
Área interna del sistema, m2
A2
Área externa del sistema, m2
Cp
Capacidad calorífica del gas, kJ/kg K
d1
Densidad del gas, kg/m3
d2
Densidad del aire a temperatura ambiente, kg/m3
D1
Diámetro interior tubo, m
D2
Diámetro exterior tubo, m
D3
Diámetro exterior de aislante, m
h1
Coeficiente convectivo del gas, W/m2K
h2
Coeficiente convectivo del aire, W/m2K
k1
Conductividad térmica del gas, W/m K
k2
Conductividad térmica del tubo, W/m K
k3
Conductividad térmica del aislante, W/m K
k4
Conductividad térmica del aire a temperatura ambiente, W/m K
L
Longitud, m
Nu
Número de Nusselt
Pr1
Número de Prandtl del gas
Pr2
Número de Prandtl del aire a temperatura ambiente
q1
Pérdida de calor por coeficiente global de transferencia, W/mK
q2
Pérdida de calor por transferencia unidimensional, W/mK
T0
Temperatura a la salida del gas, K
T2
Temperatura de la superficie externa del tubo de la tubería, K
Taislante Temperatura promedio de aislante, K
Tamb
Temperatura del ambiente, K.
Tf1
Temperatura de película entre la superficie interna del tubo y el gas, K
5
Tf2
Temperatura de película entre el aire y la superficie externa del aislante, K
Tin
Temperatura de entrada del fluido, K.
Tm
Temperatura del fluido en la fracción de tubería, K
Tmc
Temperatura recalculada del gas dentro del tubo, K
Ts1
Temperatura de la superficie interna de la tubería, K
Ts2
Temperatura de la superficie externa del aislante, K
Ttubo
Temperatura promedio de tubo, K
U
Coeficiente global de transferencia, W/m2K
u1
Viscosidad del gas, N s/m2
u2
Viscosidad del aire a temperatura ambiente, N s/m2
v
Velocidad del aire a temperatura ambiente, m/s
6
3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
3.1 Conceptos básicos
La gasificación de biomasa es un proceso termoquímico, del cual se puede obtener como
resultado un gas de bajo poder calorífico (Gas de síntesis) convertible a diferentes tipos de
energía. Entre las principales se encuentra convertirla en energía eléctrica o mecánica. En este
trabajo se hace referencia a la conversión en energía eléctrica, aunque el proceso de
conversión como tal no es de interés del trabajo.
La cromatografía de gases hace referencia la identificación de los gases que componen una
mezcla de estos mismos, obtenida de un proceso. En el caso de este trabajo, se basa en el gas
de síntesis, resultado de la gasificación. El proceso del análisis de gases siempre consistirá en
la forma en que se inyectará dicha mezcla problema a un detector que se compone de un
número determinado de columnas el cual determina los gases según los resultados obtenidos
en el equipo detector. Este a su vez presenta restricciones que afectan el valor de propiedades
como lo son la temperatura y la presión.
3.2 Conceptos específicos
En la gasificación de biomasa, el gas de síntesis se compone típicamente de hidrógeno, vapor
de agua, metano, dióxido de carbono y monóxido de carbono. No está demás considerar la
existencia de óxidos de nitrógeno y azufre. [3, 6]
Además se pueden producir especies que pueden ocasionar problemas al proceso en caso de
no ser adecuadamente manejadas. Se trata de los alquitranes provenientes de la biomasa,
compuestos aromáticos de peso molecular elevado que de no mantenerse a ciertas condiciones
de temperatura y presión, se corre el riesgo que se condensen y se den taponamientos en el
conducto que transporta el gas de síntesis, ya sea en el proceso de acondicionamiento del gas
para su conversión o en el conducto de su análisis [3]. La concentración de estos gases en el
gas de síntesis depende de la temperatura a la que se trabaje el equipo de gasificación. A
temperaturas de 600 ºC las concentraciones pueden ser del 15% y del 4% a 750 ºC. También
se han obtenido valores para la gasificación a 800 y 1000 ºC, que son 1.5 y 1%
respectivamente [7]. Los alquitranes se dividen en 5 clases según su peso molecular. Estos se
describen en el anexo D. Otra de las variables que afectan la condensación de los alquitranes
es su concentración en el gas de síntesis; la temperatura de rocío de un gas provee
7
información precisa sobre el manejo de la condensación de un gas. La figura 3.1 muestra
como varía la temperatura de rocío de los diferentes gases según su tipo.
Figura 3.1 Relación entre la temperatura de rocío y la concentración de alquitranes según el tipo
Los alquitranes como se mencionó, son compuestos condensables a ciertas condiciones de
temperatura y presión. A una presión cercana a la atmosférica, los alquitranes más pesados se
pueden condensar a una temperatura de 350 ºC. El manejo de las variables temperatura y
presión es esencial para cumplir los objetivos del montaje. [3, 7]
La importancia de determinar los gases que contiene un gas de síntesis y su composición es de
interés para evaluar la calidad de dicho gas, considerando que este se irá modificando
mediantes varios procesos con el fin de que su conversión al tipo de energía de interés se
realice de una forma conveniente en los aspectos físicos, químicos y económicos.
El suministro de calor y la despresurización son esenciales en el proceso de muestreo de
gases. El primero asegura mantener la temperatura de los gases a un nivel tal que a las
condiciones de presión en que se encuentra la mezcla, no se corra el riesgo de que se
condensen los hidrocarburos aromáticos pesados (Alquitranes). La despresurización es
necesaria para disminuir la temperatura de la mezcla de gases justo antes de ser introducida a
los detectores. Con la despresurización se logra que la presión parcial de cada componente
disminuya de forma que no se condense a la temperatura que exige el detector. [3]
8
La cromatografía de gases se basa en separar los compuestos que constituyen la mezcla
gaseosa en una columna, luego estos son atacados por la acción característica de los equipos
de detección, que bien puede ser por llama o iones. Bajo esta acción los compuestos se podrán
ionizar o cargar de forma positiva, permitiendo que el detector asuma la carga y la haga
visible mediante un valor que viene indicado en las señales típicas de dicho compuesto en el
detector.
9
4. METODOLOGIA ANALITICA
4.1 Materiales y Equipos
En estos tipos de procesos termoquímicos, es necesario el uso de materiales y equipos que
facilitan lograr los objetivos del trabajo. A continuación se enumeran los equipos que se
utilizan en el proceso de muestreo de un gas de síntesis proveniente de la gasificación de
carbón a alta presión.
4.1.1. Tubería de conducción: Se utiliza para conducir el gas a muestrear por todo el sistema.
El material del cual está fabricado es acero inoxidable 316. Tiene un diámetro de ¼ de
pulgada y un espesor de 3.03 mm, según la norma ANSI/ASME correspondiente [4] a una
tubería de cédula 80S.
4.1.2. Filtro: El filtro utilizado es un filtro poroso. Retiene partículas mayores a 0.5
micrómetros. Se dispone de forma que el flujo del gas se transporte de forma paralela al eje
axial del mismo, que tiene forma cilíndrica. Con este tamaño de retención del filtro se asegura
el paso del gas por los restrictores de flujo ubicados en el equipo que lleva a cabo la
expansión del gas.
4.1.3. Válvulas en tuberías: Las válvulas utilizadas son tipo globo. El flujo del gas está
condicionado a trasladarse con un caudal de 1 LPM. Para la entrada a los detectores de
análisis se utilizaran válvulas especiales de inyección. Estas manejan un loop de 2 microlitros,
flujo aceptado por la mayoría de los detectores.
4.1.4. Resistencias térmicas: Se utilizan para entregar calor al flujo de gas de síntesis que se
debe mantener hasta el filtrado, a temperaturas cercanas a la cual se extrajo del proceso
principal; después del filtrado se mantiene a una temperatura de 300 ºC. La disposición de
dichas resistencias se calcula según las necesidades de calor del sistema. Los cálculos del
requerimiento de calor se pueden observar en la sección 4.2.1.
4.1.5. Aislante: Se necesita aislar la totalidad del sistema, ya que se requiere que las pérdidas
de calor no sean muy grandes y así disminuir el costo económico necesario para mantener las
condiciones de temperatura adecuadas para realizar un correcto análisis de los gases. El
aislante utilizado es Manta Durablanket 1400. Está compuesto por alúmina, zirconio y sílice.
Se caracteriza por no contraerse a altas temperaturas, razón por la cual será utilizada en el
proyecto. También varios factores influyen como la resistencia a mantener sus propiedades de
10
forma inalterada, bajo almacenamiento de calor, baja densidad, excelente resistencia al
choque térmico, alta reflexión de calor y excelente absorción acústica. [5] En el proyecto se
utiliza un aislante con un espesor de 6 mm. En las siguientes tablas se puede observar la
disposición y las propiedades del material del aislante a utilizar, así como su disponibilidad.
Tabla 4.1 Análisis Químico Típico
30,0%
Al2O3
SiO2
53,0%
ZrO2
16,0%
Otros
1,0%
Tabla 4.2 Propiedades Físicas Típicas
Color
Blanca
Límite de uso continuo
1.400°C
Punto de fusión
1.760°C
Diámetro de fibra
2,5 a 3,5 micrómetros
Calor Específico a 1100°C
Densidad
1.130 J/kg K
2,7 g/cm3
Tabla 4.3 Disponibilidad
6, 13, 25, 38, 51 mm
Espesores
Ancho
610 y 1.220 mm
Longitud
3660, 7620, 14640 y 21960 mm
Densidad
96, 128, 160 y 192 mm
La forma en que varía la resistencia térmica del aislante con la temperatura se puede observar
en la figura 4.1. El tipo de aislante seleccionado para trabajar es el Manta B6 que corresponde
11
a la línea azul (Línea superior). Se escoge esta, ya que es la que presenta mayor resistencia
térmica a todas las temperaturas consideradas en la figura.
Figura 4.1 Conductividad térmica vs temperatura media (ASTM – C – 177)
Para los cálculos en la obtención de las pérdidas de calor se utiliza esta figura para determinar
la resistencia de calor del aislante a las temperaturas consideradas.
4.1.6. SEDI (Syngas Expansion and Dilution Interface): Es el sistema donde se expande el
gas de síntesis. El objetivo de dicha expansión es el de disminuir las presiones parciales de los
gases condensables, tal que cuando se baje la temperatura del mismo a 300°C estos no se
condensen. En el mismo equipo, se disuelve el gas con una cantidad determinada de gas inerte
(Nitrógeno) la cual se determina mediante la figura 4.3 que nos permite relacionar la cantidad
de gas a mezclar con otra cantidad dada de gas inerte. En la figura 4.3, se ilustran dichas
relaciones según la temperatura a la cual se desea obtener la mezcla final de gases a una
12
presión cercana a la atmosférica. En este caso la presión de la mezcla pasa de 2 bar a
aproximadamente 1 atm.
Este equipo cuenta con dos conductos. Uno maneja el flujo de gas que se va a diluir con gas
inerte, que se dirige al análisis de gases condensables. La otra línea transporta los gases no
condensables.
Figura 4.2 Esquema del Syngas Expansion and Dilution Interface.
En la figura 4.2 claramente se muestran los dos conductos que transportan tanto el gas diluido
como el no diluido.
4.1.7. Detectores: Los detectores se dividen según las especies a analizar. Los productos
volátiles o no condensables de gasificación se analizarán con el sistema Arnel. Por su parte,
los alquitranes se analizan con sistemas FID y PID
El sistema Arnel se usa para analizar los gases no condensables. Es decir que con este se
detectan los gases típicos: Hidrógeno, metano, vapor de agua, dióxido de carbono y monóxido
de carbono. El sitema Arnel es capaz de detectar además gases como oxígeno, nitrógeno,
etano, acetileno. Utiliza un detector de conductividad térmica (TCD) para el análisis de dichos
gases. Para detectar gases como sulfuro de hidrógeno y carbonil sulfuro se usa el detector
fotométrico de llama (FPD).
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Figura 4.3 Relación de dilución del gas de síntesis respecto a la temperatura deseada [3]
El FID (Flame Ionization detector) se utiliza para algunos compuestos presentes dentro de los
alquitranes. Se usa en conjunto con el PID (Photo – Ionization Detector). El primero se
encarga actuar mediante la acción de una llama, con lo que se detectan los iones de cada uno
de los compuestos. Es el adecuado para los hidrocarburos saturados, que obtienen mejor
ionización cuando son quemados por la acción de una llama. Por otro lado el PID actúa sobre
los compuestos mediante la acción de fotones de alta energía que se encuentran en el rango
del UV (Ultravioleta) que es capaz de detectar cargas de iones de los compuestos deseados a
menores concentraciones que el FID. [7]
14
En ese orden de ideas, un esquema que describe el montaje del muestreo de gases
condensables y no condensables tomados de un proceso de gasificación a alta presión se
muestra en el anexo B1.
4.2 Modelos y Diseños
Los equipos que se utilizan en el montaje se obtienen según las necesidades que se tengan en
cada una de las etapas que conforman el proceso de muestreo, dichas necesidades se evalúan
de forma cuantitativa o cualitativa. Por ejemplo, para determinar la cantidad de calor que se le
debe suministrar al proceso, se debe hacer un análisis cuantitativo (Ver sección 4.2.1). Para la
selección del equipo de la etapa de filtración, se parte de un análisis cualitativo teniendo datos
de origen cualitativo, como lo es el tamaño de partícula promedio de los sólidos que se
producen en la gasificación.
A continuación se describe como se realizaron los análisis que llevaron a determinar los
equipos y sus especificaciones que permitieran un desarrollo seguro de la tarea, el análisis del
gas de síntesis.
4.2.1 Modelo para las pérdidas de calor
En el transcurso del proceso de muestreo del gas de síntesis, con la ausencia de una fuente de
calor, la temperatura del gas transportado bajará a medida que avance dentro del ducto que lo
transporta. Esta disminución de temperatura trae como consecuencia la posible condensación
de algunos gases que son de interés en el proceso de muestreo, por lo cual se debe evitar
cualquier pérdida considerable de calor a lo largo de la tubería que contiene el gas que está
constantemente fluyendo.
Con el propósito de instalar fuentes de calor que provean el flujo de calor necesario para
mantener el gas de síntesis dentro de la tubería a una temperatura tal que no se condensen los
gases de interés, se calcularán las pérdidas de calor en cada una de las partes del proceso de
muestreo, donde la condensación de dichos gases puede ocurrir.
Las partes a analizar del proceso son:
1. Conducto del reactor al filtro
2. Dentro del filtro
3. Conexiones de tuberías que unen las diferentes partes del proceso.
15
4. SEDI.
Todo el proceso se encuentra aislado con un material Manta Durablanket 1400, compuesto
principalmente por alúmina, zirconio y sílice de alta pureza, ampliamente utilizado en los
procesos a altas temperaturas.
Se realizarán dos simulaciones de las pérdidas de calor que envuelve todo el proceso. La
primera supone que la temperatura del gas estará en constante disminución mientras fluye
dentro de cualquier parte del proceso, y la segunda se basa en la suposición que el gas se
mantenga a una temperatura medianamente superior a la temperatura máxima de
condensación de la mezcla de gases. Luego, se compararán las pérdidas de calor en cada uno
de los casos y se evalúa entonces cual disposición es más favorable, tanto operativa como
económicamente. Los tramos del proceso se analizarán tal como se muestra en la tabla 4.4
4.2.2Desarrollo de Cálculos
Las dos suposiciones se muestran a continuación por separado.
4.2.2.1Primera suposición
Para la primera suposición en la que se considera que la temperatura del gas disminuye de
forma constante a través del conducto, se siguen los siguientes pasos:
Tomamos la temperatura de salida de los gases siempre como la temperatura de entrada. Se
supone que la temperatura del ambiente es constante. Se tienen en cuenta 3 diámetros; el
diámetro interior del conducto, el diámetro exterior del conducto y el diámetro exterior del
aislante. Se considerará la longitud de cada uno de los tramos, los cuales se analizaran por
separado.
El modelo no se presenta para un tramo específico, es decir se tiene un modelo general para la
tubería. El diámetro de toda la tubería que transporta el gas de síntesis, es de ¼ pulgadas que
equivale a 6.35 mm y cuyo espesor obedece a una cédula 80 S, para un espesor de tubería de
2.24 mm. Se desarrollará un programa con el que se puedan realizar los cálculos de las
pérdidas de calor para un pequeño diferencial de cualquier tramo de tubería, considerando que
pueden ser de 1 o mas metros, suponiendo que en ese diferencial la transferencia se da de
forma unidimensional, y así poder simplificar los cálculos, tanto para obtener el valor neto de
transferencia de calor, como para encontrar la temperatura a la cual sale el gas del tramo que
se esta analizando. El diferencial que se toma corresponde a 0.1 m de longitud recorrida por el
16
fluido y se demostrará que el margen de error se encuentra entre menos de 1 y el 3%, que es el
rango de error manejable.
Tabla 4.4 Tramos del proceso analizados
Tramo Descripción
Proceso - Filtro
I
A
Proceso - Filtro
II
B
III
Filtro A
IV
Filtro B
V
Filtro C
VI
Filtro - SEDI A
VII
Filtro - SEDI B
VIII
Filtro - SEDI C
IX
SEDI A
X
SEDI B
XI
SEDI - GC A1
XII
SEDI - GC B1
XIII
SEDI - GC A2
XIV
SEDI - GC B2
Longitud
[mm]
Diámetro Interno
[mm]
75
6,35
63,49
250
75
75
70
70
70
62
212
6699,05
6849,03
6240
6070
6,35
73,02
6,35
6,35
6,35
6,35
6,35
73,03
73,03
6,35
6,35
6,35
6,35
Ahora, se analiza el tramo i, para el cual se tienen los siguientes datos:
D1: 0.00635 m
D2: 0.011 m
D3: 0.023 m.
L: 0.1 m
Flujo: 1 LPM
Tamb: 298 K
Tin: 1000 K
Ahora se van a evaluar las propiedades del gas de síntesis, del tubo, aislante y aire. Dichas
propiedades se evaluarán de la siguiente manera:
Para el gas de síntesis se utilizará la temperatura de película, entre el fluido dentro del tubo y
la superficie del tubo. Las propiedades del tubo y del aislante se evaluarán de acuerdo a una
temperatura promedio que se le asigna a éste; que se define como la media entre las dos
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temperaturas de las superficies del tubo, mientras que las propiedades del aire se evaluarán a
la temperatura ambiente.
Inicialmente se suponen algunos valores de ciertas temperaturas que se necesitan conocer para
el desarrollo de la simulación, que corresponden a las temperaturas de las paredes del sistema.
Luego, se evalúa la pérdida de calor y se reevaluarán éstas temperaturas.
A continuación, se muestra el desarrollo de dicha simulación:
1. Se suponen las temperaturas
Tm = 1000 K
Ts1 = 950 K
T2 = 940 K
Ts2 = 310 K
Estas serán las temperaturas de referencia, sobre las cuales se realizarán las iteraciones y con
las cuales se calcularán las temperaturas a las que se evalúan las propiedades de transporte
necesarias para calcular las pérdidas de calor, Tf1, Ttubo, Taislante y Tf2. Estas están dadas
respectivamente por las ecuaciones presentadas en el anexo A como A1, A2, A3 y A4
2. Se evalúan las propiedades del gas de síntesis a la temperatura Tf1. [1-2] se estiman las
curvas de las propiedades de transporte de cada uno de los componentes, con dependencia
respecto a la temperatura, y teniendo en cuenta la composición del gas de síntesis, se estima el
valor de las propiedades del gas de síntesis, dicho resultado fue el siguiente:
d1 = 0.248 kg/m3
Cp = 5.089 kJ/kg K
u1 = 3.04E-05 N s/m2
k1 = 0.173 W/m K
Pr1 = 0.731
3. Se evalúa el valor de la conductividad térmica del aislante Manta Durablanket 1400, con
ayuda de la figura 4.1. Se evalúa la conductividad térmica tiene un valor inicial evaluado con
Taislante, de k3 = 0.073 W/m K. Luego se obtiene la conductividad de la tubería de acero
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inoxidable 316, con los datos de dependencia con la temperatura fueron extraídos del
apéndice A4 de [2], calculada con Ttubo para una conductividad térmica de la tubería de k2 =
23.211 W/m K.
4. El cálculo de las propiedades del aire ambiente, también se realizan con la ayuda del
apéndice 4 de [2], y se estima la curva que contiene los valores de las propiedades de
transporte dependiendo de la temperatura, evaluados a Tf2 se obtienen las siguientes
propiedades
k4 = 3.11E-02 W/m K.
Pr2 = 0.755
d2 = 1.148 kg/m3
u2 = 2.04E-05 N s/m2
Y además suponemos una velocidad natural del aire aproximada de v = 0.5 m/s.
5. El siguiente paso, es calcular el coeficiente convectivo del gas de síntesis. Para este cálculo
se necesita conocer el caudal para poder calcular el número de Reynolds, dado por la ecuación
A.1.5 presentada en el anexo A. Después de hacer el cálculo para un caudal de 0,015 kg/s se
tiene un número de Reynolds de 98130.
Como estamos suponiendo temperatura de superficie constante se tiene un Nusselt de Nu =
3.66. Ahora, con este dato se puede calcular el coeficiente convectivo del gas de síntesis
mediante la ecuación A.1.6, dando como resultado h1=99.719 W/m2K
6. Se calcula el coeficiente convectivo del aire, se emplea la ecuación de Re A.1.7 del
apéndice A obteniendo un valore de 643. Nuevamente con este Re se calcula el número de
Nusselt utilizando la ecuación A.1.8 y se obtiene finalmente, mediante la A.1.6 un coeficiente
convectivo del aire de 17.231 W/m2K.
7. Para calcular las resistencias térmicas del sistema, se cuenta con todos los valores de
conductividad térmica y coeficientes convectivos de cada uno de los componentes del mismo,
considerando además que la geometría manejada es la cilíndrica, se procede a calcular cada
una de las resistencias:
Inicialmente se calculan el A1 y A2, que corresponden a las áreas interna y externa del sistema
con la ecuación A.1.9, que corresponden a A1= 1.99*10-3 m2 y A2 = 7.17*10-3 m2. Con las
19
áreas calculadas, se hallan los valores de cada una de las resistencias térmicas las cuales
presentan sus ecuaciones como A.1.10, A.1.11, A.1.12 y A.1.13, obteniéndose como resultado
R1 = 5.03, R2 = 3.66*10-2, R3 = 16.33 y R4 = 8.09 K/W respectivamente.
Luego sumando todas las resistencias, la resistencia total es:
Rtotal  29.48 K / W
8. Para el cálculo de las pérdidas de calor, se calcula la temperatura de salida del gas de la
longitud analizada, que se debe recordar que es un diferencial. De la ecuación 8.46b de la
referencia [2], se tiene la ecuación A.1.14 del anexo A, obteniéndose que T0 = 746.32 K, y
con esta nueva temperatura se recalcula la temperatura del gas dentro del tubo Tmc por medio
de la ecuación A.1.15 Tmc = 873.16 K, aproximación que es válida para un diferencial
encontrando el margen de error en el cálculo de la pérdida de calor. Este cálculo se realizará
más adelante
Ahora, se calcula la diferencia media logarítmica de temperatura con la ecuación A.1.16 pero
se necesita conocer primero diferencias entre la temperatura ambiente y la entrada, y la de la
salida presentadas por A.1.17 ∆Ti = -702 K y A.1.18 ∆T0=-448.32 respectivamente. Todo esto
con el fin de obtener ∆Tml = -565.71 K, dada por la ecuación A.1.18
9. Las pérdidas de calor se calculan dos formas, una es teniendo en cuenta el coeficiente
global de transferencia de calor y la otra considerando transferencia unidimensional.
Considerando el coeficiente global de transferencia de calor esta primera opción se puede
determinar de acuerdo a las ecuaciones A.1.19 y A.1.20 obteniéndose como resultado
U=4.729W/m2K y q1= - 19.188W/mK
Considerando transferencia unidimensional las pérdidas se calculan por el la ecuación A.1.
21 dada en el anexo A resultado un q2 = - 19.508 W/mK
Ahora se calcula el margen de error entre estas dos formas de calcular las pérdidas, el cual
corresponde a 1.67% y la ecuación es la A.1.22
Ahora, teniendo esto se procede a calcular de las temperaturas del sistema. Como primer paso,
determinamos los diferentes radios del sistema con la ecuación A.1.23
Obteniéndose r1= 0.003 m, r2=0.005 m para finalmente tener r3= 0.011 m
20
Teniendo el valor del flujo de transferencia de calor y de las diferentes resistencias, se tiene el
siguiente resultado Tslc = 775.09K, T2c = 774.38K, y Ts2c = 455.85K. Las respectivas
ecuaciones se presentan en el anexo A como las ecuaciones A.1.24, A.1.25 y A.1.26.
Como las temperaturas correspondientes al principio no convergen, es decir que no coinciden,
se vuelve al primer paso, donde reemplazamos los valores inicialmente supuestos, de la
siguiente forma:
Tm  Tmc
T s1 Ts1c
T2  T2 c
Ts 2  Ts 2 c
Y se sigue normalmente los siguientes pasos con un proceso iterativo, hasta que las
temperaturas no cambien su valor, es decir, se comienza una iteración hasta lograr la igualdad.
El resultado obtenido para este tramo es de q1= -18.2866 W q2= -18.2317 W y un error=
0.30%
El porcentaje de error indica que la aproximación realizada no es tan incierta. De esta manera
se opera en todos los tramos estudiados. En la sección 5, se presentan los resultados
obtenidos.
4.2.1.2 Segunda suposición
Ahora, la segunda situación supone que el gas se mantiene a una temperatura constante a lo
largo del conducto. En este caso, se supone que la temperatura a la que se mantiene el gas de
síntesis tiene un valor de 400 K, ya que la temperatura máxima de condensación de la mezcla
de gases es aproximadamente 350 K.
Se desarrollan los mismos pasos de la simulación anterior, sólo que en este caso, el valor del
flujo de transferencia de calor, se dejará indicado por unidad de longitud y, la temperatura del
gas de síntesis es conocida y constante dentro del conducto. Los cálculos que conlleva la
simulación de esta segunda suposición de cómo hallar las pérdidas, se presentan en el anexo
A en el numeral A.2, y los resultados se presentan en la sección 5.
1. Se suponen las temperaturas de las superficies (Pues, Tm ya la conocemos)
Ts1= 550 K
21
T2=540 K
Ts2=480 K
Luego se hallan las temperaturas intermedias de cada uno de los sólidos y las temperaturas de
película, utilizando las mismas ecuaciones del primer modelo, arrojando como resultado:
Tf1= 561 K
Tf2= 389 K
Las propiedades entonces serán
d1 = 0.431 kg/m3
Cp = 4.260 kJ/kg K
u1 = 1.95E-05 N s/m2
k1 = 0.094 W/m K
Pr1 = 0.735
k2= 17.743 W/m K
k3= 0.055 W/m K
k4 = 3.26E-02 W/m K.
Pr2 = 0.750
d2 = 0.896 kg/m3
u2 = 2.41E-05 N s/m2
v=0.5 m/s
2. Coeficientes convectivos
A. Gas de Síntesis
Como se sabe
Nu= 3.66
22
h1= 54.185 W/m2 K
B. Aire
Re= 424
Nu= 10.405
h2= 14.837 W/m2 K
3. Calculo de las resistencias térmicas
En este caso se trabajará con resistencias térmicas por unidad de longitud. Se expresan de la
forma y presentadas en el anexo A con las ecuaciones A.2.1, A.2.2, A.2.3, A.2.3 y A.2.4
respectivamente.
R1 '  0.93 K / W m
R2 '  4.79 E  03 K / W m
R3 '  2.17 K / W m
R4 '  0.94 K / W m
Rtotal  4.04 K / W m
4. Calculo de la pérdida de calor con la ecuación del anexo A.2.5
Ahora, el flujo de transferencia de calor se encuentra de la siguiente forma:
q '  68.085W / m
Luego se vuelven a calcular las temperaturas de la misma forma que en la primera simulación,
sólo que la temperatura del gas es fija:
Ts1c = 510.01 K
T2c = 509.69 K
Ts2c = 361.98 K
23
Luego se hace igual estas temperaturas a las supuestas al principio
T s1 Ts1c
T2  T2c
Ts 2  Ts 2 c
Y se repite el proceso hasta que se estabilice el valor de ciertas temperaturas o el del flujo de
transferencia de calor.
El final, valor obtenido del flujo de transferencia de calor fue:
q '  46.0808W / m
Este valor determina cuanto calor se le debe suministrar por unidad de longitud a la tubería,
con el fin de mantener la temperatura del gas de síntesis al menos a 573 K.
Los programas que se emplearon para realizar los modelos 1 y 2 se editaron en Matlab 6.5, y
su respectivo código se muestra en los anexos B.2 y B.3 respectivamente.
24
5. RESULTADOS Y DISCUSION
5.1 Resultados
Tabla 5.1 Resultados de las pérdidas de calor
Tramo q (W) M1 E M1 %
I
-15
0,08
II
-12,6946
0,02
III
-51,0681
0,73
IV
-14,5529
0,08
V
-14,5529
0,08
VI
-13,7454
0,01
VII
-13,7454
0,01
VIII
-13,7454
0,01
IX
-22,484
0,42
X
-56,3465
0,76
XI
-77,7623
0,62
XII
-77,7966
0,65
XIII
-78,092
0,97
XIV
-77,5962
0,51
q (W) M2
-3,45606
-2,92566999
-23,8375
-3,45606
-3,45606
-3,225656
-3,225656
-3,225656
-5,9117
-20,2142
-308,697583
-315,608782
-287,544192
-279,710456
q (W) M1: Pérdida de calor calculado con el método 1 en W.
E M1 %: Es el porcentaje de error o incertidumbre del método 1. El método 2 no tiene error, es
estándar, ya que es el cálculo por unidad de longitud de la pérdida de calor.
q (W) M2: Es el calor calculado por el método 2 en W.
Para efectos de sobredimensionamiento, se supondrá que la eficiencia de la transferencia de calor es
del 60%. Por lo cual las pérdidas de calor en cada una de las partes es igual a los valores mostrados en
la tabla 5.2.
25
Tabla 5.2 Valores reales de la pérdida de calor
Tramo
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
XIII
XIV
q real (W) M1
-21,42857143
-18,13514286
-72,95442857
-20,78985714
-20,78985714
-19,63628571
-19,63628571
-19,63628571
-32,12
-80,495
-111,089
-111,138
-111,56
-110,8517143
q real (W) M2
-4,937228571
-4,179528557
-34,05357143
-4,937228571
-4,937228571
-4,60808
-4,60808
-4,60808
-8,445285714
-28,87742857
-440,9965471
-450,8696886
-410,7774171
-399,5863657
En ese orden de ideas, la pérdida total de calor en todo el sistema se asumirá como la suma de
los valores de mayor magnitud en cada uno de los casos. Esto con la finalidad de asegurar la
no condensación de los alquitranes.
Pérdida Total de Calor = -2027,85 W
Sería la cantidad de calor que debe suministrar el arreglo de resistencias eléctricas.
5.2 Discusión
Los resultados de la cantidad de calor transferido son mayores cuando se calcula por el
método 1 que cuando se calcula por el método 2, cuando las longitudes que fluye el gas son
cortas. Lo contrario sucede cuando las longitudes a fluir son considerablemente largas. Es
necesario estimar el valor por ambas vías, ya que una de ellas proveerá un valor más aceptable
en unos casos que se tendrán en cuenta en la cantidad de calor que pierde todo el sistema.
El problema principal radica en determinar la composición de los alquitranes en la muestra y
mantener las condiciones tal que se pueda cumplir el objetivo mediante la cromatografía de
gases. El uso del SEDI resulta indispensable, no sólo para despresurizar la muestra, sino que
es el punto en donde también se divide la corriente en gas diluido y no diluido.
26
6. CONCLUSIONES
El adecuado manejo de las condiciones de temperatura y presión del sistema de interés
garantizará el éxito del proceso.
Para recorridos cortos tomar los resultados obtenidos con el modelo 1 de las pérdidas de calor.
Para recorridos largos tomar los resultados del modelo 2 de las pérdidas de calor.
Para el análisis de los alquitranes producidos en la gasificación de biomasa, se utilizan los
sistemas FID y PID. Se necesita del PID debido a que este es más sensible a menores
concentraciones y complementa la información entregada por el FID.
El análisis de elementos volátiles o no condensables se realiza en un sistema Arnel.
27
7. RECOMENDACIONES
El proceso de filtrado debe realizarse a una temperatura lo más cercana posible a la del
proceso principal. Con esto se evita la condensación de elementos condensables como los
alquitranes y por lo tanto no permite taponamientos en el filtro.
El gas diluyente usado después de la despresurización es recomendable que sea el nitrógeno,
pues es el gas más aumenta la sensibilidad de los detectores. Se debe tratar de mantener las
concentraciones de los alquitranes del orden de partes por millón (ppm). Esto es un factor que
también aumenta la sensibilidad del detector.
Una alternativa a tener en cuenta para determinar la relación de dilución, es trabajando con el
punto de rocío de la mezcla de alquitranes. El problema consiste en tener los elementos
exactos que componen la mezcla de alquitranes.
Los sistemas de análisis de gases están diseñados sólo para operar dentro de un recinto.
Se debe evitar operar los equipos de análisis en lugares fríos.
Las condiciones que optimizan el funcionamiento de los equipos de cromatografía son:

Temperatura ambiente: 10 ºC a 35 ºC. Se debe
operar con mucho cuidado entre 5 y 40 ºC.

La humedad relativa debe estar entre 20 y
80%.

La altura geográfica del lugar debe estar desde
el nivel del mar hasta los 2000 m.
No se debe manejar en un medio rodeado de materiales inflamables.
28
8. REFERENCIAS
No están bien citadas todavía, por el momento es para tener en cuenta la bibliografía
utilizada
[1]
Perry, J. H., Manual del ingeniero químico, McGraw-Hill 7ma edición, Nueva York.
[2]
Incropera F.P. y D.P DeWitt, Fundamentos de transferencia de calor y masa. 4ta edición..
[3]
Todd R. Snyder, Larry G. Felix. Design and Protocol for Monitoring Gaseous Species in
Thermochemical Processes. US DOE Cooperative Agreements. 2007. `
[4]
Stainless Steel Pipes – Dimensions and Weights ANSI/ASME 36.19. Dimensions, wall
thickness and weights of stainless steel pipes according ASME B36.10M. Welded and
Seamless
Wrought
Steel
Pipe
and
ASME
B36.19
Stainless
Steel
Pipe.
http://www.engineeringtoolbox.com/ansi-stainless-steel-pipes-d_247.html
[5]
[6]
Manta Durablanket® 1400, Fiberfax, Especificación del producto, UNIFRAX, Argentina.
Santos Paulo R., Fábrega Francine M., D’Angelo José Vicente H., Thermodinamics
analysis of a cogeneration system with black liquor gasification.
[7]
S.V.B. Van Paasen, J.H.A. Kiel, Tar Formation in fluidised-bed gasification – Impact of
gasifier operating conditions. ECN, P.O. Box 1, 1755 ZG Petten, The Netherlands, 2008.
[8]
Skoog, Douglas A., F. James Holler, & Stanley R. Crouch. Principles of Instrumental
Analysis. 6th Edition. United States: Thomson Brooks/Cole, 2007.
29
ANEXOS
Anexos A. Ecuaciones para los Cálculos de las Pérdidas de Calor
A.1 Primera suposición
Las constantes C y m de la ecuación A.1.8 se obtienen de la tabla 7.2 de la referencia [2]
30
Pérdida de calor considerando el coeficiente global de transferencia
U 
1
A2  Rtotal
A.1.19
q1  U ( A2 )Tml
A.1.20
Pérdida considerando transferencia unidimensional
q2 
T ambTmc
Rtotal
Error 
q2  q1
 100
q1
ri 
Ts1c  Tmc 
A.1.21
Di
2
q2
2 (h1 )(r1 ) L
A.1.22
A.1.23)
A.1.24

1
lnr2 / r1  

T2 c  Tmc  q2  



2
(
h
)(
r
)
L
2
(
k
)
L
1
1
2


Ts 2 c  Tamb 
q2
2 (h2 )(r3 ) L
A.1.25
A.1.26
31
A.2 Segunda suposición
R1 ' 
1
2 (h1 )r1
R2 ' 
ln r2 / r1 ) 
2 (k 2 )
A.2.2
R3 ' 
ln r3 / r2 ) 
2 (k3 )
A.2.3
R4 ' 
1
2 (h2 )r3
A.2.4
q' 
Tamb  Tm
Rtotal
A.2.5
A.2.1
Anexo B. Códigos de Modelos
B.1 Código de modelo 1 para los cálculos de las pérdidas de calor
D1=0.00635
L=0.101166666666667
E1=0.00224
D2=D1+2*E1
E2=0.006
D3=D2+2*E2
V=1
v=0.5
Tamb=298
xH2=0.15
xCO=0.081
32
xCO2=0.179
xH2O=0.04
xCH4=0.55
Tm=1000
Ts1=950
T2=940
Ts2=310
Tin=1000
calortotal=0
calortotalteorico=0
for i=1:60
for j=1:5
Tf=(Ts1+Tm)/2
Tf2=(Tamb+Ts2)/2
Taislante=(T2+Ts2)/2
Ttubo=(Ts1+T2)/2
% Evaluacion de propiedades del gaa
CpH2=0.00000112*(Tf^2)-0.000968*Tf+14.5651
33
CpCO=0.97808*(2.718281828^(0.000183*Tf))
CpCO2=0.13081*(Tf^0.32911)
CpH2O=0.00000159*(Tf^2)-0.00158*Tf+2.39836
CpCH4=(19.9+0.05024*Tf+0.00001269*(Tf^2)-0.00000001101*(Tf^3))*(1/(0.016*1000))
dH2=24.2009*(Tf^(-0.99975))
dCO=338.178*(Tf^(-1.00065))
dCO2=548.046*(Tf^(-1.00535))
dH2O=244.05*(Tf^(-1.01614))
dCH4=16/(0.082*Tf)
uH2=0.000000192*(Tf^0.67233)
uCO=0.000000367*(Tf^0.6803)
uCO2=0.000000118*(Tf^0.84785)
uH2O=0.0000000242*(Tf^1.05461)
uCH4=0.0000001*(Tf^0.8207)
kH2=0.00198*(Tf^0.78764)
kCO=0.000243*(Tf^0.81277)
kCO2=0.0000141*(Tf^1.24244)
kH2O=0.0000216*(Tf^1.18361)
kCH4=0.00001*(Tf^1.4007)
PrH2=0.94811*(Tf^(-0.0516))
PrCO=0.000000143*(Tf^2)-0.000214*Tf+0.78327
PrCO2=1.10452*(Tf^(-0.0667))
PrH2O=0.000000847*(Tf^2)-0.001*Tf+1.34042
PrCH4=-0.0083*log(Tf)+0.7872
34
Cp=(xH2)*(CpH2)+(xCO)*(CpCO)+(xCO2)*(CpCO2)+(xH2O)*(CpH2O)+(xCH4)*(CpCH4)
d1=(xH2)*(dH2)+(xCO)*(dCO)+(xCO2)*(dCO2)+(xH2O)*(dH2O)+(xCH4)*(dCH4)
u1=(xH2)*(uH2)+(xCO)*(uCO)+(xCO2)*(uCO2)+(xH2O)*(uH2O)+(xCH4)*(uCH4)
k1=(xH2)*(kH2)+(xCO)*(kCO)+(xCO2)*(kCO2)+(xH2O)*(kH2O)+(xCH4)*(kCH4)
Pr1=(xH2)*(PrH2)+(xCO)*(PrCO)+(xCO2)*(PrCO2)+(xH2O)*(PrH2O)+(xCH4)*(PrCH4)
% Propiedades del aire
k4=0.00000000000003*((Tf2)^4)-0.0000000001*((Tf2)^3)+0.0000002*((Tf2)^2)0.00009*(Tf2)+0.0425
Pr2=0.00000000000000000007*((Tf2)^6)0.0000000000000007*((Tf2)^5)+0.000000000003*((Tf2)^4)0.000000006*((Tf2)^3)+0.000006*((Tf2)^2)-0.0025*(Tf2)+1.1052
d2=353.06*((Tf2)^(-1.0021))
u2=0.0000004*((Tf2)^0.6874)
% Calculo Conductividad del aislante
k3=0.000009*((Taislante)^1.3975)
% Calculo Conductividad del tubo
k2=0.8192*((Ttubo)^0.4881)
% Calculo Coeficiente Convectivo del gas
35
Q=0.06*V*d1
Reg=4*Q/(3.141592654*D1*u1)
Nug=3.66
h1=Nug*k1/D1
% Calculo coeficiente convectivo del aire
Rea=d2*v*D3/u2
switch Rea==d2*v*D3/u2
case 0.4<Rea & Rea<4
C=0.989
m=0.33
case 4<Rea & Rea<40
C=0.911
m=0.385
case 40<Rea & Rea<4000
C=0.683
m=0.466
case 4000<Rea & Rea<40000
C=0.193
m=0.618
case 40000<Rea & Rea<400000
36
C=0.127
m=0.805
end
Nua=C*(Rea^m)*((Pr2)^(1/3))
h2=Nua*(k4)/(D3)
% Calculo de las resistencias termicas
Ast=3.141592654*(D1)*L
Asa=3.141592654*(D3)*L
R1=1/((h1)*Ast)
R2=log((D2)/(D1))/(2*3.141592654*(k2)*L)
R3=log((D3)/(D2))/(2*3.141592654*(k3)*L)
R4=1/((h2)*Asa)
Rtot=(R1)+(R2)+(R3)+(R4)
% Calculo de la transferencia de calor
U=1/(Asa*Rtot)
To=Tamb-(Tamb-Tin)*(2.718281828^(-1/(Q*Cp*Rtot)))
Tmc=(Tin+To)/2
DeltaTi=Tamb-Tin
DeltaTo=Tamb-To
37
DeltaTml=(DeltaTo-DeltaTi)/log(DeltaTo/DeltaTi)
q1=U*Asa*DeltaTml
q2=(Tamb-Tmc)/Rtot
Error=((q2-q1)/q1)*100
% Recalculo de Temperaturas
r1=(D1)/2
r2=(D2)/2
r3=(D3)/2
Ts1c=Tmc+((q2)/(2*3.141592654*(h1)*(r1)*L))
T2c=Tmc+(((q2)/(2*3.141592654*(h1)*(r1)*L))+((q2)*log((r2)/(r1))/(2*3.141592654*(k2)*L)))
Ts2c=Tamb-((q2)/(2*3.141592654*(h2)*(r3)*L))
Tm=Tmc
Ts1=Ts1c
T2=T2c
Ts2=Ts2c
end
calortotal=calortotal+q2
calortotalteorico=calortotalteorico+q1
Errortotal=((calortotal-calortotalteorico)/calortotalteorico)*100
38
Tin=To
End
B.2 Código de Matlab del modelo 2 para el cálculo de las pérdidas de calor
D1=0.07302
L=0.1
E1=0.00224
D2=D1+2*E1
E2=0.006
D3=D2+2*E2
V=1
v=0.05
Tamb=298
xH2=0.15
xCO=0.081
xCO2=0.179
xH2O=0.04
xCH4=0.55
Tm=573
Ts1=550
T2=540
Ts2=480
pi=3.151492654
39
for j=1:5
Tf=(Ts1+Tm)/2
Tf2=(Tamb+Ts2)/2
Taislante=(T2+Ts2)/2
Ttubo=(Ts1+T2)/2
% Evaluacion de propiedades del gaa
CpH2=0.00000112*(Tf^2)-0.000968*Tf+14.5651
CpCO=0.97808*(2.718281828^(0.000183*Tf))
CpCO2=0.13081*(Tf^0.32911)
CpH2O=0.00000159*(Tf^2)-0.00158*Tf+2.39836
CpCH4=(19.9+0.05024*Tf+0.00001269*(Tf^2)-0.00000001101*(Tf^3))*(1/(0.016*1000))
dH2=24.2009*(Tf^(-0.99975))
dCO=338.178*(Tf^(-1.00065))
dCO2=548.046*(Tf^(-1.00535))
dH2O=244.05*(Tf^(-1.01614))
dCH4=16/(0.082*Tf)
uH2=0.000000192*(Tf^0.67233)
uCO=0.000000367*(Tf^0.6803)
uCO2=0.000000118*(Tf^0.84785)
uH2O=0.0000000242*(Tf^1.05461)
uCH4=0.0000001*(Tf^0.8207)
40
kH2=0.00198*(Tf^0.78764)
kCO=0.000243*(Tf^0.81277)
kCO2=0.0000141*(Tf^1.24244)
kH2O=0.0000216*(Tf^1.18361)
kCH4=0.00001*(Tf^1.4007)
PrH2=0.94811*(Tf^(-0.0516))
PrCO=0.000000143*(Tf^2)-0.000214*Tf+0.78327
PrCO2=1.10452*(Tf^(-0.0667))
PrH2O=0.000000847*(Tf^2)-0.001*Tf+1.34042
PrCH4=-0.0083*log(Tf)+0.7872
Cp=(xH2)*(CpH2)+(xCO)*(CpCO)+(xCO2)*(CpCO2)+(xH2O)*(CpH2O)+(xCH4)*(CpCH4)
d1=(xH2)*(dH2)+(xCO)*(dCO)+(xCO2)*(dCO2)+(xH2O)*(dH2O)+(xCH4)*(dCH4)
u1=(xH2)*(uH2)+(xCO)*(uCO)+(xCO2)*(uCO2)+(xH2O)*(uH2O)+(xCH4)*(uCH4)
k1=(xH2)*(kH2)+(xCO)*(kCO)+(xCO2)*(kCO2)+(xH2O)*(kH2O)+(xCH4)*(kCH4)
Pr1=(xH2)*(PrH2)+(xCO)*(PrCO)+(xCO2)*(PrCO2)+(xH2O)*(PrH2O)+(xCH4)*(PrCH4)
% Propiedades del aire
k4=0.00000000000003*((Tf2)^4)-0.0000000001*((Tf2)^3)+0.0000002*((Tf2)^2)0.00009*(Tf2)+0.0425
Pr2=0.00000000000000000007*((Tf2)^6)0.0000000000000007*((Tf2)^5)+0.000000000003*((Tf2)^4)0.000000006*((Tf2)^3)+0.000006*((Tf2)^2)-0.0025*(Tf2)+1.1052
d2=353.06*((Tf2)^(-1.0021))
u2=0.0000004*((Tf2)^0.6874)
41
% Calculo Conductividad del aislante
k3=0.000009*((Taislante)^1.3975)
% Calculo Conductividad del tubo
k2=0.8192*((Ttubo)^0.4881)
% Calculo Coeficiente Convectivo del gas
Q=0.06*V*d1
Reg=4*Q/(3.141592654*D1*u1)
Nug=3.66
h1=Nug*k1/D1
% Calculo coeficiente convectivo del aire
Rea=d2*v*D3/u2
switch Rea==d2*v*D3/u2
case 0.4<Rea & Rea<4
C=0.989
m=0.33
42
case 4<Rea & Rea<40
C=0.911
m=0.385
case 40<Rea & Rea<4000
C=0.683
m=0.466
case 4000<Rea & Rea<40000
C=0.193
m=0.618
case 40000<Rea & Rea<400000
C=0.127
m=0.805
end
Nua=C*(Rea^m)*((Pr2)^(1/3))
h2=Nua*(k4)/(D3)
% Calculo de las resitencias termicas
r1=D1/2
r2=D2/2
r3=D3/2
R1=1/(2*pi*r1*h1)
R2=log(r2/r1)/(2*pi*k2)
43
R3=log(r3/r2)/(2*pi*k3)
R4=1/(2*pi*r3*h2)
Rtot=R1+R2+R3+R4
% Calculo de la transferencia de calor
q=(Tamb-Tm)/Rtot
% Recalculo de temperaturas
Ts1c=Tm+q*R1
T2c=Tm+q*(R1+R2)
Ts2c=Tamb-q*R4
Ts1=Ts1c
T2=T2c
Ts2=Ts2c
End
B.3 Nomenclatura de los códigos
D1: Diámetro interno de la tubería, m
L= Longitud del diferencial de tubería, m
E1: Espesor de la tubería, m
D2: Diámetro externo de la tubería, m
E2: Espesor del aislante, m
D3: Diámetro externo del aislante
V: Flujo de gas, LPM
44
v: Velocidad del aire, m/s
Tamb: Temperatura del ambiente
xH2O: Concentración del vapor de agua en el gas de síntesis, % p/p
xH2: Concentración del hidrógeno en el gas de síntesis, % p/p
xCO: Concentración del CO en el gas de síntesis, % p/p
xCO2: Concentración del CO2 en el gas de síntesis, % p/p
xCH4: Concentración del CH4 en el gas de síntesis, % p/p
Tm: Temperatura media del fluido en el diferencial, K
Ts1: Temperatura de la superficie interna de la tubería, K
T2: Temperatura en la interface de la tubería con el aislante
Ts2: Temperatura de la superficie externa del aislante, K
Tin: Temperatura de entrada al diferencial, K
Tf: Temperatura de película entre el fluido y la pared interna de la tubería, K
Tf2: Temperatura de Película entre el aire y la pared externa del aislante, K
Taislante: Temperatura media en el aislante en dirección radial, K
Ttubo: Temperatura media en el tubo en dirección radial, K
Cp(compuesto i): La capacidad calorífica del compuesto i, kJ/kg K
d(compuesto i): Densidad del compuesto i, kg/m3
u(compuesto i): Viscosidad dinámica del compuesto i, N s/m2
k(compuesto i): Conductividad térmica del compuesto i, W/m K
Pr(compuesto i): Número de Prandtl del compuesto i
Cp: Capacidad calorífica del gas de síntesis, kJ/kg K
d1: Densidad del gas de síntesis, kg/m3
u1: Viscosidad dinámica del gas de síntesis, N s/m2
45
k1: Conductividad térmica del gas de síntesis, W/m K
Pr1: Número de Prandlt del gas de síntesis
k4: Conductividad térmica del aire, W/m K
Pr2: Número de Prandlt
d2: Densidad del aire, kg/m3
u2: Viscosidad dinámica del aire, N s/m2
k3: Conductividad térmica del aislante, W/m K
k2: Conductividad térmica del tubo, W/m K
Q: Caudal del gas, kg/s
Reg: Número de Reynolds del gas
Nug: Número de Nusselt del gas
h1: Coeficiente convectivo del gas, W/m2 K
Rea: Número de Reynolds del aire
Nua_ Número de Nusselt del aire
h2: Coeficiente convectivo del aire, W/m2 K
Ast: Área de la superficie interna del tubo, m2
Asa: Área de la superficie externa del aislante, m2
R1: Resistencia térmica interna por convección, K/W
R2: Resistencia térmica por conducción en el tubo, K/W
R3: Resistencia térmica por conducción en el aislante, K/W
R4: Resistencia térmica por convección en el aire, K/W
U: Coeficiente global de transferencia de calor, W/m2 K
To: Temperatura de salida del diferencial, K
Tmc: Temperatura media del gas calculada, K
46
DeltaTi: Diferencia de temperatura en el fluido caliente, K
DeltaTo: Diferencia de temperatura en el aire, K
DeltaTml: Diferencia media logarítmica, K
q1; Cantidad de pérdida de calor ideal, W
q2: Pérdida de calor real, W
Error: Porcentaje de error, %
r1: Radio interno del tubo, m
r2: Radio externo del tubo, m
r3: Radio externo del aislante, m
Ts1c: Temperatura calculada de la superficie interna del tubo, K
T2c: Temperatura calculada de la superficie externa del tubo, K
Ts2c: Temperatura de la superficie externa del aislante, K
Nota: En el modelo 2, las resistencias se calculan por unidad de longitud, por lo que la
cantidad de flujo de calor quedará en los mismo términos de las resistencias.
Anexo C. Esquema de los Equipos.
C.1Esquema del Montaje
47
C.2 Esquema del filtro
C.3 Esquema del SEDI
48
C.4 Longitudes de tubing superior
49
C.5 Longitudes de tubing posterior
C.6 Tren de muestreo
50
Anexo D Clases de alquitrán [7]
Clases de Alquitrán
Nombre
Propiedad
Compuestos
representativos
1
No detectable con Alquitranes
cromatografía
gases
muy Se
de pesados,
detectan
por
no descarte teniendo la
detectables
con fracción de la parte
cromatografía
de detectable
gases
cromatografía
por
de
gases
2
Aromáticos
Alquitranes
heterocíclicos
compuestos
Piridina,
Fenol,
por Crisoles, Quinolina,
varios
átomos: isoquilonina,
Altamente
solubles
51
en agua.
3
Aromáticos
Dibenzílfenol.
Tolueno,
etíl
ligeros con un anillo. benceno,
xileno,
ligeros Hidrocarburos
(Un anillo).
presentan estireno.
No
problemas
de
condensación
y
solubilidad.
4
poli Compuestos de 2 y 3 Indeno,
Hidrocarburos
naftaleno,
aromáticos ligeros (2 anillos. Se condensan metil-naftaleno,
a bajas temperaturas fenol,
– 3 anillos).
aún
bajas naftaleno,
a
concentraciones
5
bi
Acetilfluoreno,
fenantreno, antraceno
Hidrocarburos
Mayores de 3 anillos. Fluorantreno, pireno,
poliaromáticos
Condensan
pesados
anillos).
(4
–
a altas perileno,
criseno,
7 temperaturas a bajas coroneno
concentraciones.
52