TEMA 7. CALOR

Termodinámica Aplicada
Ingeniería Química
TEMA 7. CALOR
TEMA 7: CALOR
• INTRODUCCIÓN:
• Calor en la Industria Química
• COMBUSTIBLES:
• Combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.
• Caracterización de combustibles.
• COMBUSTIÓN:
• Llamas.
• Parámetros. Temperatura adiabática de llama.
• GENERACIÓN:
• Hornos y calderas.
• DISTRIBUCIÓN:
• Caloportadores.
• Sistemas de vapor.
• Agua de refrigeración.
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Tema 7. Calor
TEMA 7: CALOR
• INTRODUCCIÓN:
• Calor en la Industria Química
• COMBUSTIBLES:
• Combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.
• Caracterización de combustibles.
• COMBUSTIÓN:
• Llamas.
• Parámetros. Temperatura adiabática de llama.
• GENERACIÓN:
• Hornos y calderas.
• DISTRIBUCIÓN:
• Caloportadores.
• Sistemas de vapor.
• Agua de refrigeración.
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Tema 7. Calor
Calor en la Industria Química
Calor: Forma de energía que se transfiere entre dos sistemas
( o un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de T
• Flujo mayoritario de energía en la I.Q. (menor coste que E mecánica).
• Se tratará refrigeración, pero no a baja temperatura.
• USO:
• Calentamiento de corrientes para su acondicionamiento en T.
• Cambio de fase: evaporación de corrientes:
• Hornos y calderas.
• Rectificación.
• Evaporadores y cristalizadores.
• Calor de reacción.
• Tratamientos térmicos: UHT leche, recocido de metales
• Usos residenciales y sanitarios.
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Tema 7. Calor
Calor en la Industria Química
• GENERACIÓN:
• Fundamentalmente por combustión en:
• Hornos y calderas.
• Turbinas de gas.
• Motores de combustión interna.
• DISTRIBUCIÓN:
• Circuitos de caloportadores (vapor y agua de refrigeración).
• Gases de combustión, aire caliente, aceites térmicos, sales y metales
fundidos.
• Redes de cambiadores.
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TEMA 7: CALOR
• INTRODUCCIÓN:
• Calor en la Industria Química
• COMBUSTIBLES:
• Combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.
• Caracterización de combustibles.
• COMBUSTIÓN:
• Llamas.
• Parámetros. Temperatura adiabática de llama.
• GENERACIÓN:
• Hornos y calderas.
• DISTRIBUCIÓN:
• Caloportadores.
• Sistemas de vapor.
• Agua de refrigeración.
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Combustibles sólidos
• Carbón: antracitas, hullas, lignitos, carbones bituminosos, coque,
alquitranes.
• Madera y serrín.
• Biomasa y residuos de la industria agroalimentaria: cáscara de
piñón, frutos secos, girasol, orujo de aceituna, ...
• Residuos sólidos urbanos (R.S.U.).
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Tema 7. Calor
Combustibles líquidos
• Procedentes prácticamente en su totalidad del petróleo: kerosenos,
gasoleos (A,B y C), naftas, fueloleos (ligeros, medios y pesados, nº1,
nº2), gasolinas, asfaltos.
• CLASIFICACIÓN (función de su viscosidad):
• Tipo 1: no necesitan calentamiento para ser bombeados ni
pulverizados en el quemador; por ejemplo, gasoleo.
• Tipo 2: necesitan calentamiento para pulverización en el
quemador.
• Tipo 3: necesitan calentamiento en el tanque, para bombeo y en
el quemador; gasoleo nº1.
• Tipo 4: aún mas viscosos que los del tipo 3; necesitan
calentamiento en varios puntos del quemador.
• Procedentes de fermentación: metanol de origen vegetal.
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Combustibles líquidos: Biocombustibles
• Los biocombustibles líquidos o biocarburantes, son productos que se están
usando como sustitutivos de la gasolina y del gasóleo de vehículos y que
son obtenidos a partir de materias primas de origen agrícola
• Bioetanol (o bioalcohol), Alcohol producido por fermentación de productos
azucarados (remolacha y la caña de azúcar). También puede obtenerse de
los granos de cereales (trigo, la cebada y el maíz), previa hidrólisis o
transformación en azúcares fermentables del almidón contenido en ellos
• Biodiesel (biogasóleo o diéster), constituye un grupo de biocarburantes
que se obtienen a partir de aceites vegetales como soja , colza y girasol (
dos principales cultivos de oleaginosas en la Unión Europea). Los biodiesel
son metilésteres de los aceites vegetales obtenidos por reacción de los
mismos con metanol, mediante reacción de transesterificación, que
produce glicerina como producto secundario
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Tema 7. Calor
Combustibles gaseosos
• Pueden proceder del tratamiento del carbón, materia orgánica o petroleo,
o encontrarse en la naturaleza en su forma original.
• Gas natural: principalmente metano mas hidrógeno. Grandes reservas
(+hidratos).
• Gases Licuados del Petroleo (GLP): propano y butano.
• Aires propanados y butanados
• Carbón gasificado - procesos en rápida expansión.
• Hidrógeno - no contaminante (en su uso); tecnología en desarrollo.
• Procedentes de fermentación: metano de digestores y otros biogases.
• Gases de proceso: gas de horno alto, gas de coquería, efluente de THF,
...
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Combustibles
Comparación de algunos combustibles alternativos contra los
combustibles tradicionales basados en el petróleo usados en la
industria del transporte
COMBUSTIBLE
Contenido
energético
(kJ/L)
Equivalente
en gasolina
(L/L
gasolina)
Gasolina
31850
1
Diesel ligero
33170
0.96
Diesel pesado
35800
0.89
GLP (propano)
23410
1.36
Etanol (o alohol etílico)
29420
1.08
Metanol (o alcohol metílico)
18210
1.75
8080
3.94
20490
1.55
GNC (gas nat. comprimido, pp. CH4)
GNL (gas nat. licuado, pp. CH4)
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Caracterización de combustibles
• Combustibles complejos (petróleo): %(w/w) elementos: 17% C,
8% H2, 0.2% S,...
• Contenido en azufre y nitrógeno ---> óxidos SOX y NOX, SH2 .
(LLuvia ácida, corrosión en chimeneas).
• Temperatura adiabática de llama.
• Poder calorífico superior o inferior (PCS y PCI o HHV y LHV):
Energía térmica, medida en un calorímetro, que se desprende en la
combustión con el oxígeno estequiométrico de 1 kg de combustible.
En el superior se añade la entalpía liberada en la condensación del
agua, y en el inferior no.
[De forma aproximada PCI (kJ/kg) = PCS – 21200.h (h=tanto por 1
en peso H2)]
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Caracterización de combustibles
• Contenido calorífico: termias; especialmente para combustibles gaseosos.
• Motores de combustión interna:
• Ignición: índice o número de octano.
• Explosión: índice o número de cetano:
La determinación se lleva a cabo en dispositivos -motores- estandar,
y cuantifica la similaritud de comportamientos entre dicho motor
funcionando con el combustible a prueba y con mezclas de los
compuestos de referencia: isooctano + n-heptano para el nº de
octano y cetano(C16H34) + 1-metil naftaleno para el nº de cetano.
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Caracterización de combustibles
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• INTRODUCCIÓN:
• Calor en la Industria Química
• COMBUSTIBLES:
• Combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.
• Caracterización de combustibles.
• COMBUSTIÓN:
• Llamas.
• Parámetros. Temperatura adiabática de llama.
• GENERACIÓN:
• Hornos y calderas.
• DISTRIBUCIÓN:
• Caloportadores.
• Sistemas de vapor.
• Agua de refrigeración.
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COMBUSTIÓN
La combustión es uno de los procesos unitarios más estudiados en donde se
realiza la oxidación del carbono, el hidrógeno y el azufre de una sustancia a
través de la reacción directa con el oxígeno y con un notable
desprendimiento de calor
CxHySz + O2
CO + CO2 + H2O + óxidos de azufre + otros + qcomb
• Principal fuente de generación de calor
• Reacción de un combustible con un comburente para:
• Obtención de energía calorífica.
• Eliminación de excedentes (antorchas) o productos indeseados.
• Producción de determinadas substancias (coque, óxidos,...).
• Tiene lugar en una llama alojada en un quemador
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COMBUSTIÓN
• Comburente más frecuente: aire; (oxígeno puro, menos
temperatura)
• En combustibles sólidos y líquidos no vaporizados, la reacción es
heterogénea, y homogénea cuando se trata de gases. En todos los casos se
procura facilitar el contacto entre combustible y comburente:
• Dividiendo finamente los combustibles sólidos (molinos de centrales
térmicas).
• Pulverizando los líquidos.
• Mezclando de la mejor forma posible los gaseosos.
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Usos del proceso de combustión
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Tema 7. Calor
COMBUSTIÓN
SISTEMAS DE
COMBUSTIÓN DE
CARBÓN
1. SISTEMAS TIPO
STOKER
3. SISTEMAS CARBÓN
PULVERIZADO
2. SISTEMAS LECHO
FLUIDIZADO
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COMBUSTIÓN
ATOMIZADORES
Termodinámica Aplicada
SISTEMAS DE
COMBUSTIÓN DE FUEL
OILS LÍQUIDOS
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COMBUSTIÓN
SISTEMAS DE COMBUSTIÓN
DE FUEL OILS GASEOSOS
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Tema 7. Calor
COMBUSTIÓN: Llamas
• Temperatura inicial de los reactivos: a veces, es preciso calentar la
mezcla o el quemador para iniciar la combustión.
• Inicio de la reacción: espontáneamente o mediante encendido.
(resistencia incandescente, una llama piloto o auxiliar o tren de chispas
eléctricas. Secuencia automática: barrido,... Control continuo de llama:
pirómetros, celulas).
• Partículas (sólidas): sobre o inmediatamente contigua a la superficie.
• Líquidos y gaseosos: a una distancia -fija en condiciones estacionariasdel quemador.
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COMBUSTIÓN: Llamas
• Frente de la llama: zona de reacción; delimita la llama.
• Velocidad de propagación o deflagración(VO) :de avance del frente;
f(composición, T, P).
• Velocidad de retorno (VR) : de la llama hacia la tobera; f( ... + diámetro
de la tobera).
• Velocidad de desprendimiento: de alejamiento (VD) : f( ... ... + aireación
secundaria).
• LLamas estables: VR < VO < VD
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COMBUSTIÓN: Parámetros
• MEZCLADO
• Previo: mas eficaz, menos seguro (transporte de mezclas detonantes)
• Sin mezclado : llamas de difusión (controlante). Mas largas, suaves y
extendidas que la llama normal; mas seguras.
• DOSADO: proporción de combustible a comburente. Importante parámetro
económico.
• Mezcla estequiométrica: oxígeno y aire teóricos para quemar .
VO2 = 24.45[C/12+H/4-O/32+S/32)
m3 O2/kg de combustible
donde C,H,O y S son kg de estos elementos por kg de combustible y
el volumen de oxígeno está medido a 25 ºC y 1 bar.
• Oxígeno > estequiométrico: mezcla pobre (aire > aire mínimo). La
llama y la atmósfera oxidantes. La llama es corta y brillante.
• Oxígeno < estequiométrico: mezcla rica (aire < aire mínimo). Llamas
reductoras, alargadas y menos brillantes.
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COMBUSTIÓN: Parámetros
• SISTEMAS INDUSTRIALES PARA CALEFACCIÓN:
• se utiliza siempre exceso de aire -mezclas pobres- para agotar el
combustible.
• se expresa en % del aire teórico o como coeficiente de exceso de aire
(Aire real/Aire teórico).
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COMBUSTIÓN: Parámetros
PRODUCTOS DE
COMBUSTIÓN
(fuel libre de azufre)
Efecto de la relación fuel:aire
sobre la composición de los
gases de combustión de un gas
natural que contiene: 93.9%
CH4, 3.2% C2H6, 0.7% C3H8,
0.4% C4H10, 1.5% N2 y 1.1%
CO2 (volumen)
En el caso de combustibles
sólidos o líquidos los productos
de combustión pueden contener
residuos sólidos como cenizas o
partículas de C no quemadas
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COMBUSTIÓN: Temperatura adiabática de llama
• La máxima temperatura alcanzada por un combustible tras su
combustión con el oxígeno estequiométrico en condiciones
estándar -1 atm, 25ºC.
• En la práctica no se alcanza
disociaciones de productos (CO2, H2O)
e inertes (N2), que absorben parte de la energía.
• La energía absorbida en la disociación se recupera (devuelve) durante
el enfriamiento.
ºC
Acetileno
H2
G.N.
CH4
Propano
Fuel pesado
T adiab.
2630
2210
1961
1915
1980
2015
T real
2320
2045
1880
1880
1925
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TEMA 7: CALOR
• INTRODUCCIÓN:
• Calor en la Industria Química
• COMBUSTIBLES:
• Combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.
• Caracterización de combustibles.
• COMBUSTIÓN:
• Llamas.
• Parámetros. Temperatura adiabática de llama.
• GENERACIÓN:
• Hornos y calderas.
• DISTRIBUCIÓN:
• Caloportadores.
• Sistemas de vapor.
• Agua de refrigeración.
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Tema 7. Calor
Generación: Hornos y calderas
• Hornos y calderas:
• quemadores
• hogar
• circuito de humos
• bancadas:
• convección
• radiación
• calderines
• entradas:
• BFW + retorno
• aditivos
• salidas:
• vapor seco
• lodos o fangos
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Tema 7. Calor
Generación: Hornos y calderas
GENERADORES DE VAPOR
• Similares en construcción a las calderas
• Su propósito es recuperar calor de corrientes calientes, ya
sean estas gaseosas o líquidas
• La idea es economía de combustible (ahorro energético).
• Operan en conjunción con las calderas una planta moderna
• Los generadores de vapor producen vapor dependiendo
de la carga de los procesos
• Las calderas generan el complemento del consumo
vapor que no satisfacen los generadores de vapor
• Los generadores de vapor producen solo vapor saturado pero
a presiones y producciones similares a los de las calderas
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Generación: Hornos y calderas
GENERADORES DE VAPOR
(BOILERS)
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Generación: Hornos y calderas
GENERADORES DE VAPOR (BOILERS)
Termodinámica Aplicada
Tema 7. Calor
Generación: Hornos y calderas
HORNOS DE COMBUSTIÓN (Fired Heaters)
Termodinámica Aplicada
Tema 7. Calor
Generación: Hornos y calderas
CALDERAS
Generación de vapor de agua a alta presión y temperatura
para propósitos de generación de potencia o aplicaciones
especiales que requieran vapor seco ( calidad 100% )
Calderas Pirotubulares: los gases de combustión circulan
por los tubos de la caldera. Dichos tubos están sumergidos
en el agua que es vaporizada
Calderas Acuotubulares: el agua va por los tubos de la
caldera. Dichos tubos están rodeados por los gases de
combustión
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Generación: Hornos y calderas
SISTEMA DE CALDERA ACUOTUBULAR
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Generación: Hornos y calderas
CALDERAS PIROTUBULARES
• Son simples en diseño y
construcción
• Máxima presión de diseño :
150 psig.
• Manejan solamente vapor
saturado
• Son relativamente económicas
y fáciles de instalar. Son todas
de tipo paquete (“Skid”)
• Máxima capacidad 15 TpH (30
KLBH)
• Solamente manejan aire
usando ventiladores (tiro
forzado).
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Generación: Hornos y calderas
CALDERAS ACUOTUBULARES
• Son del tipo mas complejo
CALDERA ACUATUBULAR
TIPO PAQUETE
• Generalmente se construyen en el sitio de
uso (“field – erected”). Algunas son tipo
paquete.
• Presión máxima 1500 psig
• Capacidad máxima de hasta 150 TpH (300
MLBH)
• Adecuados por su tamaño para instalar
economizadores, precalentadores de aire
y sobrecalentadores hasta 810 ºF.
• Usan tiro forzado, pero debido a las
grandes chimeneas que usan, es posible
usar tiro inducido.
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• INTRODUCCIÓN:
• Calor en la Industria Química
• COMBUSTIBLES:
• Combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.
• Caracterización de combustibles.
• COMBUSTIÓN:
• Llamas.
• Parámetros. Temperatura adiabática de llama.
• GENERACIÓN:
• Hornos y calderas.
• DISTRIBUCIÓN:
• Caloportadores.
• Sistemas de vapor.
• Agua de refrigeración.
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Caloportadores
• AGUA LÍQUIDA:
• Elevadas Cp, Hvap, Hfus
• Posibilidad de retirar calor evaporando agua
• Instalaciones de agua caliente o sobrecalentada
• Hasta 180ºC con 980 kPa (presurizada)
• VAPOR DE AGUA: (+ importante)
• Fluido caloportador más importante
• Transporta calor sensible y calor latente
• Elevada entalpía de condensación (pero Tc = 374.1ºC a Pc = 220.9 bar)
• Saturación: 200ºC
15.54 bar; 250ºC
39.7 bar; 300ºC
85.8 bar)
• No combustible, no tóxico, no corrosivo
• Barato y ubicuo
• Muy estable térmicamente
• Inconveniente: flujo en 2 fases por condensación
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Caloportadores
• ACEITES TÉRMICOS: Dowtherm (<250ºC), Mobiltherm (<320ºC)
• Aceites minerales de origen mineral o de síntesis
• Compuestos puros o mezclas azeotrópicas (o casi)
• Con o sin cambio de estado
• Muy estables térmicamente
Baja degradación/carbonización
• Resistencia química a la corrosión importante, Cp elevada,
baja
• Inconvenientes: inflamables y muy viscosos a T normales
• Saturación: DOWTHERM RP
353ºC; Therminol 72
de -10 a 380ºC
• GASES DE COMBUSTIÓN Y AIRE:
• Inconvenientes: Bajas Cp, grandes caudales
grandes cambiadores
• Ventaja: T elevadas (> 300-350ºC)
• SALES Y METALES FUNDIDOS:
• Sales de k y Na. Muy elevadas T
• Utilización: centrales solares y nucleares
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Caloportadores
Termodinámica Aplicada
Tema 7. Calor
Sistemas de vapor
• BOMBA DE ALIMENTACIÓN A CALDERA: condensados + agua tratada
(BFW).
• CALDERA:
• Varios niveles de T o P.
• Bancadas de radiación y convección.
• Vapor saturado y seco o sobrecalentado
recalentadores.
• Recuperación de calor en la alimentación:
• Disminución del gradiente en los cruces de corrientes.
• Economizadores, purgas de caldera, ...
• Calderas de recuperación
humos de motores, corrientes de
proceso, ... .
• Combustibles sólidos
eliminación de cenizas y escorias. Vía seca o
húmeda.
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Sistemas de vapor
• CONDUCCIONES:
• Aislamiento: pérdidas y seguridad.
• Liras o U para dilatación.
• Pendiente ( 3º) para evacuación de condensados.
• Filtros para partículas sólidas.
• Separadores de niebla o de gotas
protección de álabes de turbinas, ...
• Purgadores para la eliminación o recogida de condensados:
• Pérdidas: flujo en dos fases, obstrucción.
• En dispositivos de intercambio tras la condensación.
Termodinámica Aplicada
Tema 7. Calor
Sistemas de vapor
• COLECTORES (Main):
• Comportamiento de reservorio.
• Distintos niveles
sistemas de reducción de la presión +
desobresaturadores.
• LINEAS DE RETORNO DE CONDENSADOS: revaporización.
• CONDENSADORES: en sistemas de producción de potencia. Pié barométrico,
purga de aire.
• DESAIREADOR: contacto en contracorriente (platos o relleno) de BFW con
vapor de caldera.
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Sistemas de vapor
Termodinámica Aplicada
Tema 7. Calor
Sistemas de vapor
Termodinámica Aplicada
Tema 7. Calor
Agua de refrigeración
• Refrigeración hasta T>ambiente en las peores condiciones + gradiente ( 40ºC).
• En dos disposiciones:
• CIRCUITO ABIERTO:
• De cuerpos de agua naturales: ríos (embalsados), mar …
• Es necesario filtrar y tratar para proteger la red de intercambio.
• Vigilancia institucional de T y ensuciamiento.
• CIRCUITO CERRADO:
Evaporación
Proceso
Refresco
Purga
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Tema 7. Calor
Agua de refrigeración
• TORRES DE ENFRIAMIENTO:
• Foco frío (atmósfera) no regulado (T).
• Relleno y distribución para mejorar el contacto.
• T mínima = T húmeda del aire.
• Tiro forzado o natural.
• Tamaños muy variados.
• Concentración de no volátiles: control.
• T de trabajo :60-25ºC .
• Riesgo de crecimiento biológico.
• Biocidas, anticorrosivos, anti-incrustantes …
Termodinámica Aplicada
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